không chổi than (BLDC)
a) Hệ truyền động động cơ một chiều (DC)
Động cơ điện một chiều được sử dụng phổ biến trong công nghiệp, giao thông vận tải và nói chung ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng. Trên thực tế, đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập và kích từ song song hầu như giấu nhau, nhưng khi cần công suất lớn thường dùng động cơ điện kích từ độc lập đểđiều chỉnh dòng điện kích từ được thuận lợi và kinh tế hơn. Trên ứng dụng ở ô tô điện thì nguồn kích từ này dễ dàng được lấy từ nguồn DC trên xe nên được sử dụng thuận tiện.
39
Đặc tính momen tốc độ (đặc tính cơ) của động cơ DC như hình 1-15. Dạng đặc tính cơ là tuyến tính với giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ để từ thông Φ là không đổi. Ứng với đặc tính này, có các thông số cần quan tâm là tốc độ không tải lý tưởng ω0 khi dòng điện Iư = 0 hoặc M = 0; và dòng điện ngắn mạch và momen mở máy có được khi tốc độω = 0.
Dạng đặc tính cơ thay đổi khi ta thay đổi thông số động cơ như điện trở phần ứng (bằng cách nối thêm điện trở phụ Rf) hoặc thay đổi điện áp cấp vào động cơ (điện áp phần ứng thay đổi khi từ thông kích từ không đổi) hoặc thay đổi từ thông kích từ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào kích từ (khi điện áp phần ứng không đổi). Vì vậy ta có thể dễ dàng thay đổi được tốc độ động cơ bằng cách thay đổi các thông số trên.
Hình 1-15: Đặc tính điều chỉnh tốc độ dưới tốc độcơ bản (a) và trên tốc độ cơ bản (b) của động cơ DC
Sơ đồ hệ truyền động được trình bày trên hình 1-16, do động cơ điện sử dụng nguồn năng lượng từ nguồn điện một chiều nên hệ truyền động điện có cấu tạo đơn giản, giá thành thấp và khá thuận tiện trên xe hơi.
40
Hình 1-16: Sơ đồ truyền động điện động cơ DC (a) và bộ biến đổi DC-DC (b) Điện áp cấp cho phần ứng động cơ và điện áp kích từ là nguồn một chiều có công suất lớn, trong khi đó nguồn một chiều đều có công suất nhỏ nên ta cần bộ biến đổi nguồn một chiều DC/DC để tăng giá trịđiện áp cấp vào cho động cơ. Nguyên lý bộ biến đổi nguồn thực hiện theo mạch nguyên lý mạch Boost Converter ở chế độ liên tục.
Chế độ liên tục có hiệu suất và chất lượng bộ nguồn tốt hơn nhiều chế độ không liên tục, nhưng đòi hỏi cuộn cảm có giá trị lớn hơn nhiều lần. Công suất đầu ra phụ thuộc vào cuộn cảm L. Hiệu suất của nguồn Boot cũng khá cao nên được dùng nhiều trong các mạch nâng áp. Hơn nữa do tính chất sơ đồ mạch là truyền trực tiếp nên công suất của mạch rất lớn. Ví dụ như mạch biến đổi từ nguồn 12VDC lên 310VDC cấp vào phần ứng động cơ. Để thay đổi điện áp đầu vào động cơ ta cần thay đổi độ rộng xung PWM cấp vào chân TB của các van IGBT.
Hiện nay, phương pháp thay đổi điện áp phần ứng cấp vào động cơ hoặc thay đổi từ thông kích từ được ứng dụng rộng rãi hơn cả. Khi thay đổi điện áp
a) b)
41
phần ứng cấp vào động cơ (giảm điện áp), giữ nguyên từ thông kích từ (hình 1-16a) thì tốc độ động cơ thay đổi dưới vùng tốc độ không tải lý tưởng. Phương pháp này sử dụng để điều chỉnh tốc độđộng cơ khi ở tốc độ thấp dưới vùng tốc độcơ bản, cần có công suất lớn để thắng cản (Mc = Mđm).
Ngược lại, nếu thay đổi từ thông kích từ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào cuộn dây kích từ (giảm từ thông kích từ) với điện áp phần ứng không đổi thì tốc độđộng cơ thay đổi trên vùng tốc độ không tải lý tưởng. Phương pháp này để thay đổi tốc độ khi momen cản thay đổi tỷ lệ nghịch với tốc độ, ứng với vùng tốc độ trên tốc độ cơ bản của động cơ, và đây là vùng làm việc thường xuyên của động cơ điện một chiều trên ô tô điện.
b) Hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than (BLDC)
Động cơ BLDC giống với động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Điểm khác biệt cơ bản của động cơ một chiều không chổi than so với động cơ xoay chiều đồng bộ là nó tích hợp các thiết bị đo để xác định vị trí của rotor (hay vị trí của cực từ) nhằm tạo ra các tín hiệu điều khiển bộ chuyển mạch điện tử).
Sơ đồ hệ truyền động động cơ BLDC như hình 1-17.
Hình 1-17: Sơ đồđiều khiển tốc độđộng cơ BLDC
Trong thực tế, bộ chuyển mạch điện tử hai cực tính được ứng dụng rộng rãi, bộ chuyển mạch tương tựnhư bộ biến tần cấp cho động cơ xoay chiều, nhưng việc điều khiển bộ chuyển mạch khác với biến tần, vì các van bán dẫn của bộ
42
chuyển mạch được điều khiển phụ thuộc vào tín hiệu vị trí rotor. Các tín hiệu từ cảm biến vị trí qua các bộ logic giải mã đưa ra các tín hiệu điều khiển trong bộ điều khiển dòng điện và đảo chiều dòng điện tương ứng. Tín hiệu này qua bộ khuếch đại cách ly đểđiều khiển đóng mở các van bán dẫn.
Có hai phương pháp điều khiển tốc độ động cơ:
- Phương pháp điều khiển biên độ điện áp một chiều Ud tương tự như truyền động động cơ một chiều có vành góp.
- Phương pháp điều khiển biến điệu độ rộng xung PWM với Ud không đổi.
Truyền động động cơ BLDC có ưu điểm so với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là cấu trúc điều khiển và mạch đo vị trí đơn giản, công suất động cơ có thể chế tạo ở dải lớn hơn (hàng chục kW). Tuy vậy, nhược điểm cơ bản là gây ra đập mạch momen do một chu kỳ chuyển mạch sáu lần, biên độ momen thay đổi theo vị trí cực từ.