Giáo trình điện tử công nghiệp - Chương 4: Điều khiển tốc độ động cơ điện doc

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông … Từ đó tạo ra các đặc tính

_Chương 4

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Chương này trình bày các phương thức điều khiển tốc độ động cơ điện và các mạch điều khiển điển hình Qua đó phần nào nhận định ý đồ thiết kế trong các hệ thống truyền động sử dụng động cơ điện.Từ đó có thể định hướng việc lựa chọn các thiết kế trong bộ chuyển đổi tốc độ

4.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ động cơ Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống … ví dụ: doa xi-lanh, máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình … Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu trong điện tử công nghiệp

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông … Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:

- Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất

- Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử Vì vậy, trong chương này ta khảo sát việc điều chỉnh tốc độ theo phương pháp thứ hai

Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ khi phụ tải thay đổi của động cơ điện

Trước đây, hầu hết các hệ thống tự động điều khiển đều sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập/song song vì loại động cơ này dễ điều khiển hơn các loại động cơ khác Nhưng trong những năm gần đây, theo xu hướng phát triển như vũ bão của kỹ thuật điện tử số, các bộ điều khiển có khả năng điều khiển được tốc độ động cơ xoay chiều theo một chương trình cài đặt sẵn ngày một hoàn thiện đã đưa động cơ xoay chiều trở thành lựa chọn ưu tiên một cho hệ thống tự động điều khiển Bởi vì nguồn xoay chiều thì ở đâu cũng có và cấu tạo động cơ một chiều thì phức tạp

do đó giá thành cao, chi phí cho vận hành và bảo dưỡng sửa chữa lớn … Vì vậy, hiện nay những nhà thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ hệ thống hầu hết đều chuyển sang sử dụng động cơ xoay chiều

Với những hệ thống công suất nhỏ, các nhà thiết kế hiện nay cũng còn một loại động cơ khác đáng để lựa chọn: đó là động cơ bước Ưu điểm nổi bật của động

cơ bước là có tốc độ rất chuẩn và dễ điều khiển theo một chương trình định trước Tuy nhiên hiện nay vấn đề công suất chính là trở ngại lớn khi muốn thiết kế hệ thống tự động điều khiển sử dụng động cơ bước

4.2 GIỚI THIỆU CÁC ĐỘNG CƠ ĐIỆN THÔNG DỤNG

4.2.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập / song song

Đây là loại động cơ điện một chiều (DC: Direct current) được sử dụng rộng rãi nhất Từ động cơ cho đồ chơi trẻ em; quay băng từ, servo DC … đều là dạng động cơ điện một chiều kích từ độc lập/song song Cấu tạo gồm hai phần:

- Phần cảm là phần tạo ra từ trường cấu thành từ nam châm vĩnh cửu hoặc bởi dòng kích từ chạy qua cuộn dây kích từ

- Phần ứng gồm cuộn dây cho dòng Iư chạy qua Dòng này tác động với từ trường phần cảm làm quay rotor động cơ

Cuộn kích từ Cuộn kích từ

Phần ứng

Hình 4.1: Ký hiệu động cơ điện một chiều kích từ độc lập/song song

a) Kích từ song song b) Kích từ độc lập Tuỳ vào cách cấp điện cho hai phần này ta phân động cơ thành hai dạng kích từ độc lập hoặc song song Minh hoạ qua hình 4.1

Tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập/song song được tính theo công thức:

Φ

(4.1) Trong đó: km là hằng số máy điện; U là điện áp đặt trên phần ứng động cơ và þ là từ thông phần cảm Từ công thức 4.1 ta có đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập/song song như hình 4.2

xL) và lõi thép được cấu thành từ việc ghép các lá thép kỹ thuật điện (để giảm tổn hao do dòng điện xoáy) Vì vậy người ta gọi nó là động cơ vạn năng (Universal Motor)

M

Unguồn

Cuộn kích từ Phần ứng

Hình 4.3 : Sơ đồ nguyên lý của động cơ vạn năng

Do tính chất trên nên đặc tính cơ của loại động cơ này cũng tương tự như đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

n A > n B B

M A < M B B

Lưới điện DC Lưới điện AC

Hình 4.4: Đặc tính cơ của động cơ vạn năng

Ưu nhược điểm của động cơ vạn năng:

- Gây nhiễu vô tuyến lớn

- Tạo tia lửa điện khi làm việc do đó gây cháy nổ trong môi trường làm việc có chất gây cháy nổ như C2H2, CH4…

- Cần có chế độ bảo dưỡng sửa chữa định kỳ

4.2.3 Động cơ điện một chiều không chổi than

Đây là loại động cơ có cấu tạo tương tự như động cơ điện một chiều nhưng cổ góp điện thông thường được thay bằng những mạch bán dẫn được điều khiển bằng các tín hiệu của cảm biến vị trí rotor Khác với động cơ điện DC có cổ góp thông thường, động cơ điện một chiều không chổi than có cuộn dây phần ứng ở stator và cuộn dây phần cảm ở rotor Hình 4.5 trình bày sơ đồ khối cấu trúc đơn giản của loại động cơ này Ở đây bộ chuyển mạch điện tử ES (Electronic Switching) được chế tạo thành các khối riêng biệt nối các cuộn dây stator của động cơ với các tiếp điểm vị trí rotor SP của động cơ để điều khiển trở lại cuộn dây stator

Hình 4.5: Sơ đồ khối cấu trúc của loại động cơ DC không chổi than

Để giải thích nguyên lý làm việc của loại động cơ này, hình 4.5 minh hoạ một cấu trúc thực tế minh hoạ các khối trên hình 4.5 Tóm tắt nguyên lý làm việc như sau:

Với vị trí rotor trên hình 4.6, cảm biến SP tác động tương hỗ với phần tử cảm nhận 2 cấp dòng kích dẫn Q1 và Q4, tạo dòng chạy trong mạch như hình vẽ Dòng này tạo ra từ trường tác động tương hỗ với từ trường rotor (là một nam châm vĩnh cửu) hình thành moment quay động cơ Rotor quay cho đến vị trí trục cực vuông góc với mặt phẳng cuộn dây thì dừng lại (moment quay bằng 0 và xuất hiện moment hãm) Nhưng tại vị trí này, thì phần ứng của cảm biến SP lại tác động với

phần tử cảm nhận 1 cấp dòng cho Q2 và Q4 dẫn, tạo dòng ngược chiều với dòng trên hình vẽ, hình thành moment quay có chiều như cũ duy trì chiều quay động cơ

Để giảm từ trường đập mạch sinh ra người ta tăng số pha của động cơ DC không chổi than

Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý một động cơ DC không chổi than một pha đơn giản 4.2.4 Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha

U m sin(π/3)

Hình 4.7: Từ trường quay 3 pha

Khi đưa vào bộ dây quấn của động cơ điện không đồng bộ (KĐB) xoay chiều

3 pha một sức điện động hình sin xoay chiều 3 pha thì nó sẽ tạo ra từ trường quay trình bày trên hình 4.7 với tốc độ đồng bộ:

p

f60

n=

Với: f là tần số nguồn 3 pha và p là số đôi cực từ của bộ dây quấn stator Nếu rotor là một nam châm, nó sẽ quay với tốc độ bằng đúng tốc độ của từ trường quay, động cơ này được gọi là động cơ đồng bộ Khi rotor dạng lồng sóc hay dây quấn, trong nó sẽ hình thành một sức điện động cảm ứng, sức điện động này tạo ra dòng điện cảm ứng tương tác với từ trường quay stator làm phát sinh lực điện từ quay rotor Nhưng tốc độ quay của rotor không bao giờ bằng với tốc độ của từ trường quay bên stator vì như thế sẽ mất dòng cảm ứng: động cơ không quay được Chính vì vậy động cơ được gọi là động cơ không đồng bộ (KĐB) xoay chiều 3 pha Đặc tính cơ trình bày qua hình 4.8

n (vịng/phút)

M (N.m)0

Dựa vào kết cấu rotor, người ta phân động cơ bước được chia thành 3 dạng:

- Động cơ bước PM (Permanent Magner stepper motor) có rotor là một nam

châm vĩnh cửu

- Động cơ bước VR (Variable – Reluctance stepper motor) có rotor bằng thép

non có khả năng dẫn từ cao

- Động cơ bước lai (Hybride stepper motor) là dạng lai tạp giữa hai loại trên

Dẫu là loại nào đi nữa, rotor của động cơ bước vẫn được từ trường của stator điều khiển dịch theo từng bước Để đơn giản, giáo trình minh hoạ việc điều khiển trên động cơ bước PM

Động cơ bước có thể có số pha khác nhau nhưng phổ biến vẫn là 2, 3, 4 pha và điện áp cung cấp cho các pha là sự liên tục các xung điện theo dạng đơn cực hay thay đổi cực tính minh hoạ qua hình 4.9 và 4.10

Hình 4.9: Điều khiển động cơ bước dạng lưỡng cực

Hình 4.10: Điều khiển động cơ bước dạng đơn cực

Hãy xét một động cơ bước 2 pha (hai cuộn dây A và B) như hình 4.10:

Hình 4.11: Vị trí của rotor khi chuyển mạch các pha

a) Pha A có điện; b) Pha B có điện;

c) Pha A có điện đảo dấu; d) Pha B có điện đảo dấu;

Cấp điện cho mạch stator động cơ bước trên theo sóng dạng điện áp như hình 4.12: hai cuộn dây A và B được cấp điện luân phiên và đảo chiều theo thời gian

Hình 4.12: Sóng dạng điện áp xung cấp cho mạch stator

Đầu tiên khi cấp điện cho pha A – thời điểm t0, vị trí của rotor như hình 4.11 a; kế tiếp pha A ngừng cấp điện và nhường cho pha B có điện – thời điểm t1, vị trí của rotor như hình 4.11 b … Tuần tự như thế sau bốn nhịp xung vào thì rotor động cơ quay được đúng một vòng – thời điểm t0 Rõ ràng nếu ta thay đổi tần số xung nhịp hoặc thứ tự điều khiển các cuộn dây stator, động cơ bước sẽ thay đổi tốc độ và chiều quay

4.3 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP/SONG SONG

4.3.1 Nguyên tắc điều khiển

Dựa vào công thức (4.1) Để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập / song song, người ta thực hiện theo 2 cách:

- Thay đổi từ thông phần cảm thông qua việc thay đổi giá trị dòng điện kích

từ Phương pháp này có thể điều chỉnh tốc độ động cơ trong một khoảng rộng và trơn Đặc biệt cho phép tốc độ lớn hơn tốc độ định mức Mạch điều khiển dùng cho việc thay đổi dòng điện kích từ có công suất thấp (vì công suất phần kích từ nhỏ hơn rất nhiều so với công suất động cơ điện) Tuy nhiên phương pháp này có thể mất ổn định khi từ thông qua điểm 0 (lúc này về lý thuyết tốc độ tiến đến vô cực, thực tế là không thể)

Φ1 < Φ 2 < Φ 3 < Φ đm

n 1 > n 2 > n 3 > n đm

Hình 4.13: Họ các đường đặc tính cơ khi thay đổi từ thông phần cảm

- Thay đổi điện áp phần ứng Phương pháp này thường sử dụng cho các động

cơ công suất bé (vì phần cảm của các động cơ này là nam châm vĩnh cửu: không thay đổi được từ thông phần cảm và dòng điện phần ứng trong các động cơ bé) Khi công suất động cơ cỡ vừa và lớn sử dụng phương pháp điều khiển này có nhiều nhược điểm: mạch điều khiển có công suất lớn (do công suất phần ứng lớn hơn phần cảm rất nhiều lần) dẫn đến cồng kềnh không kinh tế; không thể điều khiển tốc độ lớn hơn tốc độ định mức (vì như thế sẽ gây cháy bộ dây quấn) do đó tốc độ động cơ điều khiển trơn nhưng không rộng

Đường đặc tính cơ tự nhiên

Uđm < UB < UC < UD

ncb > nB > nC > nD

Hình 4.14: Họ các đường đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng

Cũng như tất cả các động cơ điện một chiều khác muốn thay đổi chiều quay động cơ điện một chiều, người ta hay đổi chiều điện áp đặt lên động cơ Sau đây là một số mạch điện điển hình

Hình 4.15: Điều khiển đảo chiều quay động cơ DC không tiếp điểm

Hình 4.16: Điều khiển đảo chiều quay động cơ DC có tiếp điểm

4.3.2 Mạch điện minh hoạ

Đây là một mạch điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều theo nguyên tắc điều khiển điện áp phần ứng Khi điều chỉnh giá trị biến trở VR điện áp đặt trên phần ứng sẽ thay đổi dẫn đến thay đổi tốc độ động cơ

Hình 4.17: Điều khiển tốc độ động cơ theo nguyên tắc điều khiển điện áp phần ứng

Dòng điện qua động cơ điện là dòng một chiều chỉ xuất hiện ở bán kỳ dương và được thay đổi thông qua việc điều chỉnh góc kích dẫn SCR T Cụ thể như sau:

Ở đầu bán kỳ SCR T chưa dẫn do chưa có dòng kích IG , điện áp trên động

cơ bằng 0 Diode D nạp dòng cho tụ điện C qua điện trở R và biến trở VR Điện áp cấp cho cực G của T lấy trên tụ điện C và mạch phân áp R2, R3 Sau một thời gian tụ nạp một điện áp đủ lớn tạo dòng kích IG (tuỳ thuộc thời hằng [(R1+VR).C]), T dẫn dòng cấp điện cho động cơ Rõ ràng khi thay đổi giá trị VR ta sẽ thay đổi được góc kích dẫn SCR T Ư thay đổi tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập/song song

4.4 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN VẠN NĂNG

4.4.1 Nguyên tắc điều khiển

Do cấu trúc gần giống với động cơ một chiều kích từ nối tiếp nên thông thường để điều khiển tốc độ động cơ điện vạn năng người ta thay đổi điện áp đặt lên động cơ Minh hoạ qua hình 4.14

UA > UB

nA > nB

Hình 4.18: Họ các đường đặc tính cơ khi thay đổi

điện áp đặt trên động cơ

Để điều khiển và tự động tốc độ động cơ theo một trình tự đặt trước, người ta thường sử dụng hệ thống có sơ đồ khối trình bày trên hình 4.19

Hình 4.19: Hệ thống truyền động tự động dùng TRIAC điều khiển động cơ vạn năng

Hệ thống bao gồm những khối với nguyên lý hoạt động như sau:

- Bộ ổn áp tạo điện áp DC cung cấp một điện áp ổn định cho mạch điều

khiển

- Bộ khởi động êm (soft-start) hay còn gọi là bộ tạo tín hiệu độ dốc (ramp

generatior) nhằm giúp quá trình khởi động ít đột biến cơ, tránh hiện tượng tăng dòng đột ngột trong động cơ, giảm nhiễu … Khối này đặc biệt quan

trọng trong các máy kéo sợi, máy may công nghiệp, máy kéo ống thuỷ tinh,

ly tâm định hình khi đúc …

- Máy phát xung răng cưa (sawtooth generator): kết hợp với khối dò điểm qua

không của điện áp [V= 0] hình thành mạch tạo đồng bộ cho việc kích dẫn và điều khiển góc kích TRIAC

- Mạch điều khiển (monitoring circuit) theo dõi và điều khiển quá trình

- Bộ khuếch đại điều khiển (control amplifier) là một thiết bị tổ hợp điều khiển

dòng điện, tốc độ, thiết bị so sánh để điều khiển góc mở TRIAC Thông thường là dạng PID, cũng có khi đơn giản chỉ là một mạch so sánh

- Khoá điểm không dòng điện (Zero Current Switch): [I = 0] bảo vệ điểm

không cho hệ

- Khối bảo vệ quá dòng [ < I] bảo vệ quá tải cho hệ thống (bảo vệ ngắn mạch

bằng cầu chì bên ngoài)

- Máy phát tốc TS (Tachometer Speed) phản hồi tín hiệu tốc độ của động cơ

giúp mạch điều khiển và ổn định tốt tốc độ động cơ vạn năng

Theo sự phát triển như vũ bão của nền công nghệ chế tạo vi mạch hiện nay người ta đã chế tạo được các vi mạch tích hợp được tất cả các khối trên vào cùng một vỏ (chip), nên việc điều khiển động cơ vạn năng hiện nay trở nên dễ dàng và đơn giản đi rất nhiều Ví dụ vi mạch TDA 1185A …

4.4.2 Mạch điện minh hoạ

Đây là mạch điện điều khiển tốc độ động cơ vạn năng thường dùng trong các máy khoan tay dân dụng Tất cả các máy khoan dạng này đều sử dụng động cơ vạn năng Khi điều chỉnh giá trị biến trở, ta sẽ thay đổi góc kích dẫn của TRIAC,

dẫn đến thay đổi điện áp đặt trên động cơ

Hình 4.20: Điều khiển tốc độ

động cơ vạn năng Nguyên lý làm việc như sau: tương tự như ở 4.3.2, mạch điều khiển điện áp đặt trên động cơ vạn năng thông qua điều tiết góc kích TRIAC Khi điều chỉnh giá trị biến trở

VR, ta sẽ thay đổi thời gian nạp tụ cũng chính là thời gian tạo xung kích dẫn, thay đổi góc kích TRIAC R3 và C2 giúp việc kích dẫn TRIAC được ổn định, không bị “rơ” (jeux)

4.5 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

4.5.1 Nguyên tắc điều khiển

Trên thực tế rất phổ biến loại động cơ một chiều 3 pha không chổi than Trên hình 4.20 a trình bày sơ đồ một động cơ một chiều 3 pha không chổi than có cuộn dây stator nối sao Cảm biến vị trí rotor sử dụng bộ chuyển mạch hiệu ứng Hall như hình 4.20 b (đôi khi người ta còn sử dụng cảm biến quang học) Trên động cơ, người ta đặt cố định ba cảm biến hiệu ứng Hall lên vỏ phía đuôi động cơ và một dĩa từ gắn trên trục động cơ Dĩa từ này có khoét một rãnh Khi rãnh này đi ngang qua cảm biến hiệu ứng Hall nào thì cảm biến đó bị mất từ và tác động chuyển mạch

Sensor hiệu ứng Hall

Hình 4.21: Động cơ một chiều 3 pha không chổi than

a) Mạch nguyên lý b) Cấu trúc bộ SP Dòng điện trong 3 pha L1, L2, L3 sẽ tồn tại trong một khoảng thời gian bằng đúng góc điện mà transistor nối tiếp với nó dẫn (120o) Do đó, rotor sẽ quay với moment tác động từ stator như hình 4.22:

Hình 4.22: Moment sinh ra trên trục rotor từ 3 pha L1, L2, L3

Từ đặc tính moment trên hình 4.22, ta thấy có thể điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than thông qua việc điều tiết bề rộng xung (PWM: Pulse Width Modulation) của điện áp đặt trên từng cuộn dây L1, L2, L3 Từ đó điều tiết điện áp trung bình trên các cuộn dây này làm thay đổi moment tổng đặt lên động cơ (minh hoạ qua hình 4.23), từ đó thay đổi tốc độ động cơ

Hình 4.23: Điều khiển điện áp theo nguyên tắc điều khiển bề rộng xung (PWM) 4.5.2 Mạch điện minh hoạ

Các mạch điện điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than khá phức tạp nên thông thường người ta sử dụng các vi mạch chuyên dụng để điều khiển Mạch điện trên hình 4.24 là một ví dụ minh hoạ

Hình 4.24: Mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều 3 pha không chổi than

Ở đây, ta có ý nghĩa của các chân như sau:

- Biến trở VR điều khiển tốc độ tốc độ động cơ một chiều 3 pha không chổi than thông qua việc điều tiết bề rộng xung

- CT và RT xác định tần số dao động nội trong vi mạch, tạo xung nền cho mạch PWM

- Chân Enable cho phép vi mạch hoạt động

- Chân 60o/120o kết hợp với chân FWR/REV định ra chiều quay và góc pha điều khiển

- Chân 1,2,3 kết hợp với các điện trở đệm kích dẫn các transistor Q1, Q2, Q3 cấp dòng cho 3 cuộn dây pha tương ứng L1, L2, L3

- Chân 4,5,6 nhận tín hiệu phản hồi vị trí rotor của động cơ một chiều 3 pha không chổi than

- Chân 12 kết hợp với mạch R,C nhận tín hiệu phản hồi âm dòng giúp vi mạch ổn định tốc độ động cơ

4.6 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 4.6.1 Nguyên tắc điều khiển

Từ công thức tính tốc độ động cơ đã trình bày trong phần 4.2.3, có thể thay đổi tốc độ động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha theo các phương pháp sau:

- Thay đổi tần số nguồn cung cấp f: với sự phát triển như vũ bão của công

nghệ chế tạo vi mạch số khả lập trình và linh kiện công suất lớn, các bộ biến tần tạo sóng sin ngày càng một hoàn thiện với giá thành ngày một thấp

… đã tạo nên chỗ đứng vững chắc cho động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha trong hệ thống cần có sự điều chỉnh và ổn định tốc độ Sử dụng các bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ cho phép thay đổi tốc độ động cơ trong một khoảng rộng và trơn, có bảo vệ quá tải, khởi động “êm” (ramp start) …

- Thay đổi số đôi cực từ p Phương pháp này tuy đơn giản và rẻ tiền hơn

phương pháp trên nhưng tốc độ thay đổi theo từng nấc (không trơn) và không ổn được tốc độ động cơ

Ngoài hai phương pháp trên trong thực tế còn sử dụng các phương án thay đổi điện trở phụ trên mạch rotor; thay đổi điện áp trên bộ dây quấn stator động cơ; sử dụng cuộn kháng bảo hoà … nhưng do tính chất giáo trình ở đây chỉ trình bày hai phương thức thông dụng nhất Nếu như phương án thay đổi số đôi cực từ p sử dụng các bộ chuyển mạch cơ khí để thay đổi số đôi cực nhằm thay đổi tốc độ động cơ có vẻ thông dụng hơn do những ưu điểm là rẻ tiền và làm việc với độ tin cậy cao nhưng nhược điểm lớn nhất của chúng là khoảng thay đổi tốc độ hẹp, không trơn (nhảy cấp) và không ổn định được tốc độ (một yêu cầu rất quan trọng hiện nay cho hệ truyền động điều tốc động cơ) Do vậy, Bài giảng này chỉ giới thiệu hệ thống điều tốc thông dụng nhất đó là các hệ thống điều tốc sử dụng các bộ biến tần với thiết

bị đóng cắt bán dẫn Để thực hiện được việc này, thông thường người ta thực hiện theo các phương pháp sau:

4.6.2 Phương pháp điều chế theo bề rộng xung

Với mạch động lực như hình 4.24, để tạo được điện áp 3 pha trên bộ dây quấn stator động cơ, người ta có thể thực hiện theo nhiều cách Thông dụng nhất vẫn là nguyên tắc điều chế theo bề rộng xung (PWM: Pulse Width Modulation)

Động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha

Hình 4.25: Mạch động lực điều tốc động cơ điện KĐB xoay chiều 3 pha

Về nguyên tắc, phương pháp PWM tạo ra các xung điều khiển trên cực B của các transistor trên hình 4.25 bằng cách so sánh tín hiệu điện áp chủ đạo Us (hình sin) với tín hiệu răng cưa URC là xung tam giác thì xung ngõ ra của bộ biến tần gần với sóng sin, minh hoạ qua hình 4.26, 4.27, 4.28

Hình 4.26: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều

khiển trong bộ biến tần sử dụng PWM

Hình 4.27: Mạch so sánh điều chế PWM

- Thời điểm (0, t0): tổ hợp các khoá bán dẫn 1, 6, 2 dẫn điện

- Thời điểm (t0, t1): tổ hợp các khoá bán dẫn 1, 3, 2 dẫn điện

- Thời điểm (t1, t2): tổ hợp các khoá bán dẫn 4, 3, 2 dẫn điện

- Thời điểm (t2, t3): tổ hợp các khoá bán dẫn 4, 3, 5 dẫn điện

- Thời điểm (t3, t4): tổ hợp các khoá bán dẫn 4, 6, 5 dẫn điện

- Thời điểm (t4, t5): tổ hợp các khoá bán dẫn 1, 6, 5 dẫn điện

Tương ứng với mỗi trạng thái dẫn của khoá bán dẫn sẽ tạo ra các tổ hợp điện áp như trên hình 4.29 (b)

Qua hình 4.29 (b) ta nhận thấy phương pháp điều khiển sáu bước tạo nên sự dịch chuyển nhảy cấp tuần hoàn giữa các khoá bán dẫn tạo nên sáu bước trong một chu kỳ nghịch lưu, dẫn tới điện áp ngõ ra xoay chiều lệch pha với nhau các góc

120o

4.6.4 Phương pháp điều chế vector không gian

Nếu như với phương pháp PWM kinh điển cần có ba bộ điều chế riêng biệt cho từng pha (hình 4.25) và trong hệ thống phải tạo ra được một hệ thống điện áp

3 pha hình sin đối xứng thì trong phương pháp điều chế vector sử dụng kỹ thuật số nên tín hiệu chủ đạo lẫn sóng răng cưa được thay thế bằng tín hiệu số, do đó mạch điện sẽ đơn giản hơn Tuy phần cứng có thể ít đi nhưng phương pháp này lệ thuộc rất nhiều vào giải thuật điều khiển của phần mềm Do nguyên lý hoạt động của phương pháp này khá phức tạp nên ở đây chỉ tóm tắt như sau:

Giống như nguyên tắc tạo từ trường quay trong máy điện xoay chiều 3 pha có

ba cuộn dây stator đặt lệch nhau góc 120o tương ứng với 3 vector điện áp trong bộ nghịch lưu Điện áp 3 pha trên ba cuộn dây stator hình thành một từ trường quay tương tự như ta có thể thay 3 vector điện áp trong bộ nghịch lưu bằng một vector tương đương Vector này dịch chuyển liên tục trong không gian một cách đều đặn theo quỹ đạo đường tròn, do đó có thể triệt bỏ được sóng hài và việc điều khiển trở nên tuyến tính hơn Vector tương đương chính là vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp theo nguyên lý điều chế vector không gian

Hình 4.30: Giản đồ vector điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu

Lấây ví dụ minh hoạ ngay ở bộ nghịch lưu điều khiển theo phương pháp sáu bước Nếu sử dụng phương pháp điều chế vector không gian, ta sẽ thực hiện tuần tự như sau: Sáu trạng thái tương ứng với sáu thời điểm đóng cắt chuyển mạch giữa các khoá bán dẫn hình thành nên sáu bước trong bộ biến tần cho biết vị trí của mỗi vector chuyển mạch, các vector này định ra trạng thái thay đổi của vector tương đương trong không gian nên còn gọi là vector trạng thái (hình 4.30 a) Nếu quy ước trạng thái “1” là nối lên”+”, “0” là nối với “-“ (nếu nguồn dc có điểm giữa ta có thể

quy ước: “1” là nối lên”+”, “0” không nối với nguồn và “-1” là nối với nguồn “-“), ta sẽ có giản đồ vector điện áp ngõ ra (vì mỗi một vector sẽ diễn tả điện áp ngõ ra theo trạng thái đóng cắt tương ứng của mỗi pha) như hình 4.30 (b) với 6 vector cơ bản (U1: 100, U2:110, U3:010, U4:011, U5:001, U6:101) và hai vector không (111, 000)

(a)

(b)

Hình 4.31: Quỹ đạo của vector không gian sẽ tròn hơn khi tăng tần số chuyển mạch

Nếu chỉ dùng các vector cơ bản (reference vector) như trên thì không đủ để diễn tả tất cả các trạng thái của bộ nghịch lưu, do đó phải dùng thêm vector không (zero vector) như vector (1, 3, 5), (2, 4, 6) hay tại gốc toạ độ (0, 0, 0) trên hình 4.30 a và các vector trung gian khác … Nhờ vào vector không, ta sẽ diễn tả được những thời điểm mà điện áp của ngõ ra bộ nghịch lưu bằng 0 (sơ đồ nghịch lưu theo phương pháp sáu bước không có thời điểm điện áp ngõ ra bằng 0) Sóng dạng điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu sáu bước chứa nhiều thành phần sóng hài bậc cao Hệ quả là quỹ đạo của vector không gian bị biến đổi về pha và module so với trường hợp 3 pha tải dạng sin Để quỹ đạo dạng đường tròn, người ta phải thay đổi phương

thức điều chế Cụ thể là tăng tần số chuyển mạch (chèn thêm vào giữa các vector chuẩn những vector trung gian) Lúc này quỹ đạo của vector không gian sẽ tròn hơn như hình 4.31 (a)

Để thực hiện được điều này, người ta lập trình dựa vào tín hiệu chủ đạo hình sin để tạo thêm các vector trung gian như hình 4.30 (b) Giá trị của vector này hoàn toàn có khả năng tính được theo các vector cơ bản, cụ thể khi đóng mở các vector

cơ bản và vector không, ta sẽ tạo ra các vector trung gian như ur = f(t1.U1 , t2.U2) Các vector này dịch chuyển trong mặt phẳng pha với một góc bằng 60o/n, với n số bước trong một khoảng (sector) giữa hai vector cơ bản: n = T/6Ts Dựa vào tín hiệu chủ đạo hình sin, giả sử nghịch lưu cần phải tạo ra một giá trị điện áp nào đó trong các pha tương ứng với vector tương đương ur Phân tích u thành hai vector t1.U1 và

t2.U2 với:

2 2 1

1u t u

t

Như vậy vector được xác định dựa vào các vector: tur

1.U1 và t2.U2 Nghĩa là nếu chia chu kỳ TS ra là nhiều khoảng thời gian mà tại một thời điểm nào đó xác định một vector tham gia Ui có hai thành phần U1.i và U2.i tương ứng với khoảng thời gian làm việc là t1 và t2 ta sẽ xác định được Ui qua biểu thức:

( ) 1 2 (1 2) 0 0

2 1 2 1

2

u u t t u u

U i = r +r + + r − r − +r

(4.3)

Ở đây: t0 là khoảng thời gian điện áp ngõ ra của nghịch lưu bằng không

t1 là khoảng thời gian làm việc của U1

t2 là khoảng thời gian làm việc của U2

Từ biểu thức trên ta thấy:

- Khi t0 = 0, vector tương đương ur có đỉnh nằm trên đường nối giữa hai đỉnh của vector U1 và U2

- Khi t1 = 0, vector tương đương ur có đỉnh nằm trên đường nối giữa hai đỉnh của vector Uo và U2

- Khi t2 = 0, vector tương đương ur có đỉnh nằm trên đường nối giữa hai đỉnh của vector Uo và U1

Tính toán một cách tương tự cho các vector khác ở 7 phần (sector) còn lại của giản đồ vector điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu

Như vậy dựa vào sóng dạng điện áp ngõ ra ta có thể thành lập giản đồ vector điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu hay ngược lại khi có giản đồ vector điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu ta hoàn toàn có khả năng tìm ra sóng dạng điện áp ngõ ra trên

vector chuyển mạch qua đó xác định trạng thái đóng cắt của các khoá bán dẫn (do quy đổi các vector tham gia về sáu trạng thái cơ bản)

Hình 4.32: So sánh điều chế PWM kinh điển với điều chế vector không gian

Nguyên lý phương pháp điều chế vector không gian tương tự như phương pháp điều chế PWM kinh điển nhưng được số hoá: URC được thay bằng URC(D) và US được thay bằng US(D) Do tần số chuyển mạch trong mạch số lớn hơn rất nhiều so với tần số bộ nghịch lưu nên giá trị US(D) coi như không đổi trong một chu kỳ TS Mặc dù đã được số hoá nhưng vẫn còn dạng răng cưa nên chu kỳ TS bao gồm hai chu kỳ phụ là

TS = 2T0 Theo đồ thị hình 4.33, các giá trị T1 và T2 được xác định như sau:

Hình 4.33: Phương thức so sánh tạo xung đóng cắt trong điều chế vector không gian

Với T1 và T2 là thời điểm bắt đầu và kết thúc thời gian tạo xung,

2 1

0 1 t t

Góc α là góc lệch giữa ur và U1 Vector ur chính là vector tương đương được tách ra thành ba thành phần tính được theo U1, U2, U0 Dựa vào 3 thành phần này để tính t1, t2, t0 là các khoảng thời gian tương ứng với các vector cơ bản U1, U2, U3, U4,

U5, U6 và các vector không Hay nói cách khác đó chính là thời gian điều khiển các khoá bán dẫn Minh hoạ việc điều khiển SVPWM qua hình 3.34

Độ lớn của ur

Góc lệch pha α

Hình 4.34: Nguyên lý chung của phương pháp điều chế vector không gian

Các bộ nghịch lưu vừa nêu chỉ chứa 2 khoá bán dẫn trên mỗi nhánh pha tải, được gọi là nghịch lưu áp hai bậc (two-level VSI), được áp dụng ở điện áp vừa và công suất nhỏ Khái niệm hai bậc xuất phát từ quá trình điện áp giữa một đầu pha tải (điểm A, B hoặc C trong hình 4.24) với điểm 0 (hình 4.24) của nguồn dc thay đổi giữa hai bậc khác nhau (tương ứng trong sơ đồ hình 4.24 là +E/2 và –E/2) Điều này dẫn đến dV/dt khá lớn và hiện tượng điện áp common mode rất nghiêm trọng (xem mục 4.6.5) Để khắc phục điều này người ta sử dụng bộ nghịch lưu áp đa bậc (Multi-level Voltage source VSI) Để cho đơn giản, có thể hiểu bộ nghịch lưu áp đa bậc chính là bộ nghịch lưu áp hai bậc như trên hình 4.24 nhưng thay thế một khoá transistor bằng nhiều khoá như hình 4.33 (a) Bốn khoá bán dẫn được đóng cắt theo chương trình dựa trên việc so sánh với tín hiệu chủ đạo hình sin như trên hình 4.33 (b) Chương trình này được nạp vào phần mềm điều khiển đóng cắt giữa các khoá bán dẫn điều khiển việc đóng cắt trên các khoá này để sóng dạng điện áp ra ở mỗi pha được trình bày trên hình 4.32 (c) Rõ ràng khi quan sát trên sóng dạng điện áp