CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Lý do chọn đề tài Động cơ không chổi than (brushless motor) là một công nghệ động cơ tiên tiến và hiệu suất cao, thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và gia dụng, như xe điện, máy móc công nghiệp, quạt hướng trục,…Thêm vào đó, các động cơ có chổi than sử dụng trên ô tô lâu nay có nhiều hạn chế gây ra từ chổi than như tuổi thọ thấp, gây nhiễu điện từ do tia lửa điện. Vì vậy, nghiên cứu và phát triển bộ biến tần 3 pha cho động cơ không chổi than là một đề tài hấp dẫn và có tính ứng dụng rộng.
Sử dụng bộ biến tần 3 pha giúp điều khiển động cơ không chổi than một cách hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Bộ biến tần có khả năng điều chỉnh tần số và điện áp đầu vào cho động cơ, tạo điều kiện để tối ưu hóa hoạt động của động cơ và giảm thiểu tổn thất năng lượng. Bộ biến tần 3 pha cung cấp khả năng điều khiển chính xác tốc độ, mô-men xoắn và hướng quay của động cơ không chổi than. Điều này cho phép tùy chỉnh linh hoạt và đáng tin cậy các thông số hoạt động của động cơ để đáp ứng yêu cầu cụ thể của ứng dụng.
Lựa chọn đề tài "Bộ biến tần 3 pha cho động cơ không chổi than" có cơ sở vững chắc về tính ứng dụng rộng, hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng và khả năng điều khiển chính xác của động cơ không chổi than. Nghiên cứu về đề tài này đem lại những lợi ích quan trọng và có thể đóng góp vào sự phát triển và ứng dụng của công nghệ này trong các lĩnh vực khác nhau. Mục đích đề tài Nghiên cứu, thiết kế, làm ra một hệ thống điều khiển hiệu quả và chính xác cho động cơ không chổi than bằng cách sử dụng bộ biến tần. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài "Bộ biến tần 3 pha cho động cơ không chổi than" là hệ thống bộ biến tần và động cơ không chổi than.
Phạm vi nghiên cứu 1 Nguyên lý hoạt động của động cơ không chổi than: Nghiên cứu về nguyên lý hoạt động, cấu tạo và các đặc điểm kỹ thuật của động cơ không chổi than để hiểu rõ về yêu cầu và đặc điểm đặc biệt khi sử dụng bộ biến tần. Các phương pháp điều khiển và điều chỉnh của bộ biến tần: Nghiên cứu về các phương pháp điều khiển và điều chỉnh tần số, biên độ và hướng quay của động cơ không chổi than thông qua bộ biến tần. Thiết kế và triển khai bộ biến tần 3 pha: Nghiên cứu về các linh kiện, mạch điện và phần cứng cần thiết để xây dựng một bộ biến tần 3 pha cho động cơ không chổi than. Đảm bảo tính ổn định, đáng tin cậy và hiệu quả của hệ thống.
Đánh giá hiệu suất và khả năng điều khiển: Thực hiện các thử nghiệm và đánh giá hiệu suất, khả năng điều khiển của hệ thống bộ biến tần 3 pha trên động cơ không chổi than. Đánh giá các thông số quan trọng như tốc độ, mô-men xoắn, hiệu suất điện và khả năng điều khiển. Đề xuất cải tiến và ứng dụng: Dựa trên kết quả nghiên cứu, đề xuất các cải tiến và ứng dụng tiềm năng của hệ thống bộ biến tần 3 pha cho động cơ không chổi than trong các lĩnh vực như xe điện, máy móc công nghiệp, hệ thống tái tạo năng lượng,. Điện một chiều DC (Direct Current) Dòng điện một chiều đề cập đến chiều dòng điện theo một hướng.
Trong mạch điện một chiều, hiệu điện thế không đổi theo thời gian và dòng điện chạy liên tục theo một chiều. Các nguồn DC phổ biến bao gồm pin, pin nhiên liệu và tấm pin mặt trời. DC thường được sử dụng trong các thiết bị và hệ thống điện tử yêu cầu nguồn điện liên tục và ổn định, chẳng hạn như máy tính, điện thoại thông minh và các ứng dụng điện áp thấp [1]. Điện xoay chiều AC (Alternating Current) Dòng điện xoay chiều đề cập đến dòng điện tích đảo ngược hướng của nó theo định kỳ.
Trong mạch điện xoay chiều, điện áp và dòng điện thay đổi cực và độ lớn theo thời gian, dao 2 động theo hình sin. AC là dạng năng lượng điện tiêu chuẩn được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng dân dụng, thương mại và công nghiệp [2]. Đồ thị điện áp dòng điện theo thời gian của DC và AC [3] 2. Mạch biến tần ba pha 2.
Định nghĩa Hình 2. Mạch điện biến tần ba pha Bộ chuyển đổi DC sang AC thường được gọi là biến tần. Mục đích chính của mạch điện này là cung cấp nguồn điện áp ba pha, trong đó biên độ, pha và tần số của điện áp có thể được 3 kiểm soát. Các bộ biến tần nguồn điện áp DC/AC ba pha đang được sử dụng rộng rãi trong các ổ đĩa động cơ, bộ lọc hoạt động và bộ điều khiển lưu lượng điện thống nhất trong hệ thống điện và nguồn điện không bị gián đoạn để tạo ra các cường độ điện áp xoay chiều và tần số có thể kiểm soát bằng cách sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).
Biến tần ba pha tiêu chuẩn có sáu công tắc MOSFET mà việc chuyển đổi của chúng phụ thuộc vào sơ đồ điều chế. DC đầu vào thường được lấy từ một hoặc ba pha cấp nguồn tiện ích pha thông qua bộ chỉnh lưu cầu đi-ốt và bộ lọc LC hoặc C. Nguyên lý hoạt động Đầu vào DC được đưa vào mạch biến tần. Mạch biến tần chuyển đổi đầu vào DC thành đầu ra AC 3 pha có thể điều chỉnh được.
Điều này được thực hiện thông qua việc sử dụng các thành phần điều khiển như transistor MOSFET. Bộ biến tần 3 pha có hệ thống điều khiển và điều chỉnh để quản lý tần số và điện áp đầu ra. Điều này cho phép điều chỉnh tốc độ và mô- men xoắn của động cơ theo nhu cầu ứng dụng. Biến tần bao gồm một số công tắc điện tử được gọi là MOSFET, việc mở và đóng công tắc được điều khiển bởi bộ điều khiển.
Chúng có thể mở và đóng siêu nhanh theo cặp để kiểm soát dòng điện. Bằng cách kiểm soát đường đi của dòng điện và thời gian dòng điện chạy theo các đường khác nhau, chúng ta có thể sản xuất điện xoay chiều từ nguồn một chiều. Để điều khiển các pha trong quá trình chuyển mạch sáu bước, một biến tần ba pha được sử dụng để điều khiển nguồn DC tới ba pha, chuyển đổi giữa dòng điện dương (màu đỏ) và dòng điện âm (màu xanh). Để cung cấp dòng điện dương cho một trong các pha, cần phải bật công tắc nối với pha đó ở phía cao (High Side), trong khi đối với dòng điện âm, cần phải bật công tắc phía thấp (Low Side).
Thực hiện điều này theo hình được mô tả ở dưới trong khi rôto ở một góc từ 60 đến 120 độ so với từ trường của stato, biến tần ba pha giữ cho động cơ quay ở tốc độ không đổi. Thay đổi tốc độ động cơ có thể đạt được bằng cách điều chỉnh điện áp đặt vào. Một cách khác để kiểm soát tốc độ động cơ mà không làm thay đổi điện áp nguồn là điều chế độ rộng xung hoặc PWM. Trạng thái hoạt động của mạch biến tần ba pha [4] 2.
Biến tần ba pha - Chế độ dẫn 120 độ Mạch lý tưởng được vẽ trước khi nó có thể được chia thành ba phân đoạn (Segment) là phân đoạn một, phân đoạn hai & phân đoạn ba và chúng ta sẽ sử dụng các ký hiệu này trong phần sau của bài viết. Phân đoạn một bao gồm một cặp chuyển mạch S1&S2, phân đoạn hai bao gồm cặp chuyển mạch S3 &S4 và phân đoạn ba bao gồm cặp chuyển mạch S5&S6. Tại bất 5 kỳ thời điểm nào, không bao giờ được đóng cả hai công tắc trong cùng một phân khúc vì điều đó dẫn đến đoản mạch pin làm hỏng toàn bộ thiết lập, vì vậy, nên luôn luôn tránh trường hợp này. Vì thời gian dẫn được chọn là 120º nên công tắc S1 sẽ mở sau 120º, do đó S1 được đóng từ 0º đến 120º.
Vì nửa chu kỳ của tín hiệu hình sin đi từ 0 đến 180º, nên trong thời gian còn lại, S1 sẽ mở và được biểu thị bằng vùng màu xám ở trên. Bây giờ sau 120º của pha đầu tiên, pha thứ hai cũng sẽ có chu kỳ dương như đã đề cập trước đó, vì vậy công tắc S3 sẽ đóng sau S1. S3 này cũng sẽ được giữ ở chế độ đóng thêm 120º nữa. Vì vậy, S3 sẽ được đóng từ 120º đến 240º.
Tương tự, pha thứ ba cũng có chu kỳ dương sau 120º của chu kỳ dương pha thứ hai nên công tắc S5 sẽ đóng sau 120º của chu kỳ đóng S3. Sau khi đóng công tắc, nó sẽ được giữ ở trạng thái đóng đến 120º trước khi được mở và cùng với đó, công tắc S5 sẽ được đóng từ 240º đến 360º [5]. Chu kỳ mở và đóng đối xứng này sẽ được tiếp tục để đạt được điện áp ba pha mong muốn. Kiểu chuyển đổi cho chế độ dẫn 120º [5] 6 Hình 2.
Sơ đồ mạch điện ba pha [5] Gọi o là giao điểm của 3 mạch điện A,B,C.4, chúng ta suy ra : Từ 0-60: S1&S4 đóng trong khi các công tắc còn lại mở. Từ 60-120: S1 & S6 đóng trong khi các công tắc còn lại mở. Từ 120-180: S3&S6 đóng trong khi các công tắc còn lại mở.