Động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ, đặc biệt là động cơ rotor lồng sóc, được ưa chuộng trong ngành công nghiệp nhờ nhiều ưu điểm vượt trội so với động cơ một chiều (DC) Những ưu điểm này bao gồm không cần bảo trì thường xuyên, độ tin cậy cao, khối lượng và quán tính nhỏ, giá thành rẻ, và khả năng hoạt động trong môi trường độc hại hoặc dễ cháy nổ Chính vì vậy, động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi hơn các loại động cơ khác Tuy nhiên, phần lớn động cơ không đồng bộ hiện nay chủ yếu phục vụ cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ không đổi, do các phương pháp điều khiển tốc độ trước đây có chi phí cao hoặc hiệu suất không tối ưu.
Việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc gặp nhiều khó khăn do tính không tuyến tính của phương trình động Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ bán dẫn công suất cao và vi xử lý, các bộ điều khiển động cơ không đồng bộ hiện nay đã được cải tiến về hiệu suất và giảm giá thành so với bộ điều khiển DC Dự báo rằng trong tương lai gần, động cơ không đồng bộ sẽ trở thành lựa chọn phổ biến cho hầu hết các hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ.
Cấu tạo của động cơ không đồng bộ
Phần tĩnh (Stator)
Stator có cấu tạo gồm vỏ máy, lõi sắt và dây quấn
Vỏ máy có vai trò quan trọng trong việc cố định lõi sắt và dây quấn, nhưng không được sử dụng làm mạch dẫn từ Thông thường, vỏ máy được chế tạo từ gang, trong khi những vỏ máy có công suất lớn thường được làm từ thép tấm hàn Hình dạng của vỏ máy cũng thay đổi tùy thuộc vào phương pháp làm nguội được áp dụng.
Lõi sắt là phần dẫn từ trong các thiết bị điện, nơi từ trường quay đi qua Để giảm thiểu tổn hao lõi sắt, nó được chế tạo từ nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau Khi đường kính ngoài của lõi sắt nhỏ hơn 90 mm, người ta sử dụng cả tấm tròn ép lại; còn khi đường kính lớn hơn 90 mm, các tấm hình rẽ quạt sẽ được ép lại để tạo thành lõi.
- Dây quấn : Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lỗi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt.
Phần quay (Rotor)
Rotor có hai loại chính là: rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc
Rotor dây quấn tương tự như dây quấn của stator, với dây quấn ba pha của rotor thường được đấu hình sao Ba đầu còn lại của rotor được kết nối vào vành trượt.
Chương 1: Tổng quan động cơ không đồng bộ và các phương pháp điều khiển làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài Đặc điểm là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay sức điện động phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi máy làm việc bình thường, dây quấn rotor được nối ngắn mạch Nhược điểm so với động cơ rotor lồng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt, dễ cháy nổ,…
- Rotor lồng sóc : Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator
Trong lõi sắt của rotor, các rãnh được lắp đặt thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm, kéo dài ra ngoài lõi và được nối lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch Cấu trúc này tạo thành một lồng, thường được gọi là lồng sóc.
Khe hở không khí
Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ nhằm hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới, điều này giúp nâng cao hệ số công suất của máy.
Nguyên lý hoạt động của động cơ
Động cơ không đồng bộ là máy điện xoay chiều hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, với tốc độ quay của rotor khác biệt so với tốc độ từ trường Loại máy này có thể hoạt động ở hai chế độ: chế độ động cơ và chế độ máy phát Tuy nhiên, máy phát điện không đồng bộ ít được sử dụng do hiệu suất làm việc không cao.
Động cơ điện hiện đại được thiết kế với nhiều chi tiết và chất lượng tốt hơn so với động cơ không đồng bộ trước đây, nhưng vẫn hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và lực điện từ Khi stator nhận nguồn điện xoay chiều, sức điện động cảm ứng xuất hiện, tạo dòng điện trong rotor Dòng điện ba pha trong stator tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ n = 60 f/P Sự tương tác giữa từ trường stator và dòng điện rotor tạo ra moment, hình thành nguyên lý hoạt động của động cơ cảm ứng.
Ứng dụng của động cơ không đồng bộ
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu được sử dụng làm động cơ điện Với kết cấu đơn giản, độ bền cao, hiệu suất tốt và chi phí thấp, động cơ không đồng bộ trở thành lựa chọn phổ biến trong nhiều ứng dụng.
Hình 1.1 Động cơ không đồng bộ sống, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp,…
Ngày nay, hệ thống truyền động điện đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải và thiết bị điện dân dụng, với khoảng 50% điện năng tiêu thụ cho các hệ truyền động này Khoảng 75-80% hệ thống truyền động hoạt động với tốc độ không đổi, trong khi phần còn lại có khả năng điều chỉnh tốc độ để phù hợp với yêu cầu cụ thể Sự phát triển của công nghệ bán dẫn và vi xử lý đã thúc đẩy việc sử dụng các hệ điều tốc điện tử trong tự động hóa Động cơ không đồng bộ, với ưu điểm như cấu trúc đơn giản, hiệu suất cao và chi phí thấp, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành kinh tế, từ công nghiệp chế biến đến nông nghiệp, cũng như trong các thiết bị gia dụng như quạt và máy giặt Sự phát triển của điện khí hóa và tự động hóa đã mở rộng phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ trong đời sống hàng ngày.
So với máy điện một chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp nhiều khó khăn do các thông số biến đổi theo thời gian và cấu trúc phức tạp của động cơ Để tách riêng điều khiển moment và từ thông, cần một hệ thống tính toán nhanh và chính xác để chuyển đổi các giá trị xoay chiều thành biến đơn giản Do đó, phần lớn động cơ điện xoay chiều thường được sử dụng trong các ứng dụng có tốc độ không đổi, vì các phương pháp điều khiển trước đây thường tốn kém và có hiệu suất kém.
* Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc là loại máy điện quay được dùng phổ biến nhất trong kỹ thuật truyền động điện do các ưu điểm sau [26, 28]:
- Có khả năng quá tải và moment lớn
- Có thể làm việc ở tốc độ rất thấp hoặc rất cao
- Đặc biệt rotor lồng sóc có kết cấu đơn giản chắc chắn
Chương 1: Tổng quan động cơ không đồng bộ và các phương pháp điều khiển
Phần quay không yêu cầu cách điện, cho phép hoạt động trong môi trường có tính hoạt động cao, vì không phát sinh tia lửa điện như ở động cơ một chiều.
Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ
Trước đây, động cơ thường được thiết kế để hoạt động với tải không đổi, dẫn đến hiệu suất thấp và công suất đầu vào không được sử dụng hiệu quả Khi khởi động trực tiếp từ lưới điện, dòng khởi động lớn gây ra tổn thất công suất đáng kể trên đường truyền và trong rotor, làm nóng động cơ và có thể làm hỏng lớp cách điện Hơn nữa, dòng khởi động lớn còn có thể gây sụt giảm điện áp nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác cùng sử dụng nguồn điện với động cơ.
Khi động cơ hoạt động không tải, dòng điện chủ yếu là dòng từ hóa, dẫn đến hệ số công suất (PF) rất thấp Khi tải tăng, dòng điện làm việc cũng tăng theo, trong khi dòng điện từ hóa vẫn duy trì ổn định Điều này khiến hệ số công suất cải thiện khi tải tăng Tuy nhiên, khi động cơ hoạt động với hệ số công suất nhỏ hơn 1, dòng điện không hoàn toàn là sóng sin, gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng công suất nguồn.
Trong quá trình làm việc, việc dừng khẩn cấp hoặc đảo chiều động cơ với độ chính xác cao là rất quan trọng, giúp tăng năng suất lao động và chất lượng sản phẩm Trước đây, các phương pháp hãm cơ được sử dụng, nhưng chúng có hiệu quả kém và gây tổn hao nhiệt lớn do lực ma sát giữa phần cơ và má phanh.
Trong nhiều ứng dụng như quạt và máy bơm, công suất đầu vào phụ thuộc vào tốc độ, với moment cản tỷ lệ với bình phương tốc độ và công suất tỷ lệ với lập phương tốc độ Việc điều chỉnh tốc độ theo tải có thể tiết kiệm điện năng, với tính toán cho thấy giảm 20% tốc độ động cơ có thể tiết kiệm 50% công suất đầu vào Tuy nhiên, điều này không khả thi với động cơ sử dụng điện áp lưới trực tiếp Khi lưới điện có hệ số công suất thấp, dòng điện trong động cơ chứa nhiều thành phần điều hòa bậc cao, làm tăng tổn thất và giảm tuổi thọ động cơ Moment sinh ra bởi động cơ bị gợn sóng, và các thành phần điều hòa bậc cao có thể được loại bỏ khi hoạt động ở tần số cao, nhưng ở tần số thấp, động cơ sẽ rung lắc, ảnh hưởng đến cấu trúc Nếu động cơ hoạt động trên lưới nguồn không ổn định mà không được bảo vệ, tuổi thọ của nó sẽ bị giảm.
Dựa trên những phân tích, việc áp dụng phương pháp điều khiển thông minh là cần thiết Sự tiến bộ của van công suất và công nghệ sản xuất IC tích hợp cao đã tạo ra các bộ vi xử lý với tốc độ xử lý ngày càng nhanh Điều này, kết hợp với sự phát triển của kỹ thuật tính toán, đã giúp nâng cao chất lượng điều khiển động cơ không đồng bộ.
Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ
Phương pháp điều khiển V/f = const (điều khiển vô hướng)
Tốc độ động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn cung cấp, và khi tần số thay đổi, tốc độ quay cũng sẽ thay đổi Giảm tần số trong khi giữ điện áp ổn định có thể làm tăng từ thông, dẫn đến hiện tượng bão hòa mạch từ, gây méo dạng dòng điện và điện áp, đồng thời tăng tổn hao do xuất hiện các hài bậc cao Ngược lại, nếu từ thông giảm quá thấp, khả năng tải của động cơ cũng sẽ giảm Do đó, việc giảm tần số dưới mức định mức thường đi kèm với việc giảm điện áp stator để đảm bảo từ thông trong máy luôn duy trì ở mức định mức.
* Các đặc trưng của điều khiển vô hướng:
- Biến điều khiển là điện áp và tần số
- Sử dụng bộ điều chế độ rộng xung
- Thường điều khiển ở dạng vòng hở,
- Từ thông giữ không đổi bằng cách giữ V/f = const
* Ưu điểm của điều khiển vô hướng:
- Thiết kế đơn giản, không cần tín hiệu hồi tiếp
- Rẻ tiền, dễ sử dụng
* Nhược điểm của điều khiển vô hướng:
- Không điều khiển tối ưu được moment
- Không điều khiển trực tiếp, điều khiển độc lập giữa moment và từ thông
- Độ chính xác không cao
Phương pháp điều khiển trực tiếp moment (DTC – Direct Torque Control)
Dựa vào sai số giữa giá trị đặt và giá trị ước lượng từ các khâu tính toán hồi tiếp về moment và từ thông, có thể điều khiển trạng thái của bộ nghịch lưu PWM thông qua tín hiệu điều khiển đóng cắt khóa công suất Mục tiêu là giảm sai số moment và từ thông trong phạm vi cho phép đã được xác định trước.
- Điều khiển độc lập giữa moment và từ thông
- Định hướng được từ thông do đó tối ưu được moment
- Điều khiển trực tiếp moment và từ thông
- Không cần hồi tiếp tốc độ, moment, từ thông lấy trực tiếp từ hệ quan sát
Chương 1: Tổng quan động cơ không đồng bộ và các phương pháp điều khiển
- Không cần bộ điều khiển dòng điện, các bộ điều chế độ rộng xung, khâu chuyển hệ tọa độ (biến đổi Park)
- Thời gian tính toán nhanh
- Ít phụ thuộc vào tham số động cơ
- Sự suy giảm kích từ và dao động từ thông ở vùng vận tốc thấp và moment ở vùng có vận tốc cao
- Tần số đóng cắt của bộ nghịch lưu biến thiên theo điểm làm việc của động cơ.
Phương pháp định hướng từ trường (FOC – Field Oriented Control)
Động cơ điện đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển moment chính xác, đặc biệt trong các hệ truyền động có đặc tính động cao Moment được sinh ra nhờ sự tương tác giữa dòng điện trong cuộn ứng và từ thông trong hệ thống kích từ Để tối ưu hóa moment, từ thông cần được duy trì ở mức tối ưu, giảm thiểu bão hòa mạch từ Khi từ thông không đổi, moment tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng Việc điều khiển độc lập từ thông và dòng phần ứng là khả thi với động cơ DC kích từ độc lập Trong trường hợp động cơ điện không đồng bộ, cuộn ứng là rotor, và từ thông được tạo ra bởi dòng trong cuộn stator, trong khi dòng rotor không được điều khiển trực tiếp bởi nguồn ngoài mà do sức điện động cảm ứng từ chuyển động của rotor trong từ trường stator.
Trong động cơ điện không đồng bộ rotor lồng sóc, dòng stator là yếu tố duy nhất được điều khiển trực tiếp, làm cho việc tối ưu hóa moment trở nên khó khăn do không thể thiết lập mối quan hệ cố định giữa từ thông stator và rotor Phương trình moment mang tính phi tuyến, nhưng việc điều khiển moment ở trạng thái xác lập có thể được mở rộng cho quá độ thông qua hệ thống điều khiển vector Nguyên lý điều khiển định hướng từ thông rotor cho phép điều khiển độc lập giữa từ thông và moment, tạo ra điều kiện thuận lợi cho việc tối ưu hóa hiệu suất của động cơ.
Phương pháp điều khiển dòng stator FOC chủ yếu dựa vào biên độ, góc pha và các vector Điều khiển này sử dụng hệ trục d – q bất biến để tham chiếu thời gian và tốc độ, nhằm khảo sát động cơ không đồng bộ tương tự như động cơ DC FOC tập trung vào các đại lượng tức thời, mang lại độ chính xác cao trong cả chế độ làm việc ổn định và chế độ quá độ.
- Định hướng được từ thông nên tối ưu được moment
- Moment được điều khiển gián tiếp
- Điều khiển chính xác vận tốc
- Đảm bảo moment ở vận tốc zero
- Tương tự như điều khiển DC
- Phải có hồi tiếp tốc độ trong giải thuật điều khiển
- Chuyển đổi hệ quy chiếu liên tục
- Cần phải có bộ điều khiển độ rộng xung, phụ thuộc vào bộ điều khiển dòng và tham số động cơ.
