Yêu cầu bài toán cần giải quyết
Để có thể điều khiển đƣợc động cơ xoay chiều 3 pha ta cần điểu khiển đƣợc độ rộng xung của 6 chuyển mạch cầu biến đổi điện 3 pha. Các chuyển mạch cầu này tạo ra thế hiệu xoay chiều 3 pha cho các cuộn Stator của động cơ (Hình 3.1). Sáu chuyển mạch này tạo ra 3 cặp “nửa cầu”, dùng để kết nối đầu cuộn Stator với Bus điện áp cao DC.
Hai chuyển mạch trên cùng “nửa cầu” không bao giờ đƣợc mở đồng thời vì sẽ gây ra đoản mạch. Nếu một chuyển mạch ở trạng thái mở, thì chuyển mạch kia phải ở trạng thái cấm. Các chuyển mạch hoạt động nhƣ một cặp bù. Các thiết bị chuyển mạch dùng trong nửa cầu (trong trường hợp này là các IGBT) thường ở trạng thái cấm nhiều hơn trạng thái mở. Hơn thế nữa khi chuyển trạng thái thì cần một khoảng thời gian trễ để tránh đoản mạch của mỗi nửa cầu.
Động cơ cảm ứng AC đƣợc điều khiển bằng cách thay đổi các chu trình làm việc của PWM một cách hợp lý. Các lối ra của PWM đƣợc điều chế để tổng hợp các dạng sóng hình sin đi qua 3 cuộn động cơ (Hình 3.2).
Dòng điện xoay chiều (AC) chạy qua 3 cuộn Stator là các dòng điện hình sin, có cùng biên độ và tần số, nhƣng mỗi dòng lệch nhau 120 độ. Kết quả là, dòng điện trong các cuộn Stator tạo ra một trường từ xoay. Trường xoay này gây ra lực điện động trong Rotor, rồi lần lượt sinh ra một từ trường trong Rotor. Từ trường trong Rotor kết hợp với trường từ xoay trong Stator, làm cho Rotor quay.
Hình 3.1. Bộ chuyển đổi cầu 3 pha với 6 lối ra PWM
Lựa chọn phương pháp điều khiển Điều khiển V/f mạch hở
Các động cơ cảm ứng AC thường được điều khiển theo phương pháp V/f mạch hở không có phản hồi vận tốc hoặc vị trí. Khi tỷ số V/f đƣợc giữ là hằng số thì giá trị moment (cực đại) không đổi trong cả dải hoạt động của động cơ. Ưu điểm của phương pháp điều khiển này là mạch đơn giản và dễ thực hiện.
Hoạt động của động cơ cảm ứng dựa trên 2 nguyên lý:
1. Tốc độ ban đầu tỷ lệ trực tiếp với tần số của dòng điện xoay chiều trong Stator và số cực của mô tơ.
2. Moment xoay tỷ lệ trực tiếp với tỷ số giữa điện áp cung cấp và tần số của dòng điện AC.
Do vậy, ta có thể điều khiển tốc độ của động cơ bằng cách thay đổi tần số lối vào của dòng điện xoay chiều và duy trì moment xoay bằng cách thay đổi biên độ theo hướng tỷ lệ với tần số.
Hinh 3.2. Tín hiệu 3 pha hình sin
Hình 3.3. Sơ đồ khối bộ điều khiển vòng hở V/f
Một nhƣợc điểm trong việc điều khiển V/f mạch hở là nếu tốc độ khởi tạo quá nhanh hoặc tải thay đổi nhanh thì động cơ có thể không quay. Nếu không có phản hồi thì không thể phát hiện đƣợc động cơ đang ở trạng thái quay hay không quay. Khi động cơ không quay sẽ gây ra dòng điện cao trong động cơ. Bằng cách kiểm tra dòng, có thể phát hiện lỗi này và hiệu chỉnh giảm tần số động cơ phù hợp. Nếu dòng vẫn cao (có thể do sự cố trong cầu biến đổi điện) thì nên ngừng điều khiển để động cơ không quá nóng và không bị phá huỷ.
Điều khiển V/f với hồi tiếp dòng bảo vệ
Sơ đồ mạch điều khiển V/f với hồi tiếp dòng bảo vệ đƣợc minh họa trên hình 3.4. Trong trường hợp này, tốc độ tham chiếu được tạo ra thông qua một bộ đo điện thế nối với kênh ADC. Hàm V/f trong chương trình sẽ tính chu kỳ làm việc cực đại của PWM dựa trên tốc độ tham chiếu. Dòng Bus DC đo đƣợc bằng cách sử dụng một điện trở sơn, tạo ra một điện áp tỷ lệ với dòng qua điện trở đó. Điện áp này đƣợc khuếch đại và một bộ so sánh bên ngoài sẽ so sánh điện áp này với một mức tham chiếu, tương ứng với dòng Bus tối đa cho phép. Lối ra của bộ so sánh điều khiển lối vào Fault A của bộ điều khiển. Nếu tín hiệu lỗi đƣợc xác nhận, lối ra của PWM sẽ bị chặn trong chu kỳ PWM sau.
Để phát hiện trường hợp dòng quá tải liên tục, phải kiểm tra số lần tín hiệu lỗi đƣợc xác nhận trong phần mềm. Ví dụ: Nếu lỗi xảy ra trên 20 lần trong 256 chu kỳ PWM cuối cùng, động cơ ngừng quay và sẽ thông báo hiện tƣợng dòng quá tải. (Số ngƣỡng sự kiện gây ra lỗi dòng quá tải có thể thay đổi đƣợc trong phần mềm).
Điện áp có thể đƣợc kiểm tra qua một kênh ADC để phát hiện dòng điện đang tăng lên. Do vậy việc hiệu chỉnh đƣợc thực hiện bằng cách giảm tần số điều khiển trước khi xảy ra lỗi phần cứng.
Hình 3.4. Sơ đồ điều khiển V/f vòng đóng với hồi tiếp dòng
Điều khiển V/f với hồi tiếp vận tốc
Trong điều khiển V/f mạch hở, tốc độ của Rotor phụ thuộc vào tải. Trong nhiều ứng dụng, tải có thể thay đổi nhiều và dẫn đến tốc độ động cơ sẽ thay đổi theo. Để cải thiện việc điều khiển tốc độ, ta có thể dùng mạch hồi tiếp vận tốc.
Hình 3.5 minh họa sơ đồ điều khiển tốc độ mạch kín đơn giản. Tốc độ tham chiếu vẫn đƣợc thiết lập bằng bộ đo điện thế nhƣ trên. Tuy nhiên, thay vì sử dụng trực tiếp tốc độ tham chiếu để xác định tần số điều khiển, ta so sánh tốc độ này với tốc độ thực tế của động cơ để tìm ra tín hiệu sai lệch tốc độ. Tốc độ thực tế của động cơ đƣợc thiết lập bằng phép đo tốc độ sử dụng đĩa quang (QEI) trong chế độ vận tốc, hoặc lấy lối vào của tín hiệu máy đo tốc độ góc. Trong ứng dụng cụ thể này, đĩa quang QEI đƣợc sử dụng. Sau đó, tín hiệu sai lệch tốc độ đƣợc đƣa vào bộ điều khiển tích phân tỷ lệ (PI). Bộ điều khiển này xác định tần số điều khiển mong muốn cho các cuộn dây của mô tơ. Tỷ số V/f chuẩn xác định biên độ của dạng sóng điều khiển, sau đó tần số và biên độ điều khiển đƣợc dùng để cập nhật chu kỳ tín hiệu PWM của 6 kênh. Các kênh PWM này điều khiển cầu công xuất 3 pha. Hồi tiếp dòng cũng có thể đƣợc sử dụng đồng thời với hồi tiếp vận tốc.
Trên đây là 3 phương pháp điều khiển V/f. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và hạn chế nhất định:
Phương pháp điều khiển V/f mạch hở là đơn giản nhất nhưng ta không biết đƣợc trạng thái hoạt động của động cơ tại thời điểm đang điều khiển. Điều này làm cho khả năng giám sát của bộ biến tần không cao.
Phương pháp điều khiển V/f với mạch hồi tiếp vận tốc có nhiều ưu điểm nhƣng lại khó trong việc thiết kế.
Phương pháp điều khiển V/f với hồi tiếp dòng bảo vệ không khó khăn lắm trong việc thiết kế mà ta lại biết đƣợc trang thái hoạt động của động cơ. Vì vậy, trong đề tài này tôi chọn phương pháp điều khiển V/f với hồi tiếp dòng bảo vệ
Hình 3.5. Sơ đồ khối điều khiển V/f với hồi tiếp vận tốc