Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong kỹ thuật truyền động điện hiện đại, các hệ thống chấp hành đòi hỏi độ chính xác cao, dải điều chỉnh tốc độ rộng, đáp ứng động nhanh và độ tin cậy vận hành lâu dài. Động cơ điện một chiều truyền thống (DC Motor) sở hữu đặc tính cơ tuyến tính và khả năng điều khiển mô men đơn giản, song việc tồn tại cơ cấu chổi than – cổ góp cơ khí dẫn đến nhiều hạn chế nghiêm trọng: phát sinh tia lửa điện, mài mòn cơ học, gây nhiễu điện từ, chi phí bảo dưỡng cao và giới hạn tốc độ quay cực đại. Đồng thời, việc cuộn dây phần ứng đặt trên rotor gây khó khăn lớn cho việc tản nhiệt, hạn chế mật độ công suất của máy điện.
Sự phát triển của công nghệ vật liệu nam châm vĩnh cửu (đặc biệt là hợp kim đất hiếm) kết hợp với kỹ thuật điện tử công suất đã thúc đẩy sự ra đời và ứng dụng sâu rộng của động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC Motor – BLDC). Động cơ BLDC khắc phục triệt để các nhược điểm của động cơ có chổi than nhờ thay thế cổ góp cơ khí bằng cơ cấu chuyển mạch điện tử tĩnh (sử dụng van bán dẫn), hoán đổi phần cảm nam châm vĩnh cửu về rotor và đưa cuộn dây phần ứng lên stator để tăng cường khả năng làm mát. Động cơ BLDC được ứng dụng đa dạng từ quy mô công suất nhỏ (vài W đến vài chục W trong ổ đĩa quang, quạt tản nhiệt máy tính, máy in, máy scan), công suất trung bình trong các hệ thống servo công nghiệp (dưới 10 kW), đến công suất lớn trong các hệ truyền động xe điện (vài chục kW đến 100 kW).
Đồ án tốt nghiệp đại học ngành Điện tự động công nghiệp (Lớp DC2001, Khóa 2016 – 2020) của sinh viên Trần Văn Trung, dưới sự hướng dẫn của GS. TSKH Thân Ngọc Hoàn tại Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng, được thực hiện nhằm nghiên cứu toàn diện lý thuyết truyền động và mô hình hóa động cơ BLDC phục vụ làm động cơ thực hiện.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài gồm 3 nội dung chính:
- Nghiên cứu, khảo sát tổng quan đặc tính kỹ thuật, phương pháp khởi động, điều chỉnh tốc độ và các chế độ hãm điện của các loại động cơ truyền động cơ bản (động cơ điện một chiều, động cơ dị bộ một pha, động cơ đồng bộ).
- Phân tích chi tiết cấu tạo, nguyên lý chuyển mạch điện tử tĩnh, các loại cảm biến xác định vị trí góc quay rotor (cảm biến Hall, cảm biến từ trở MR, cảm biến quang) và nguyên lý điều khiển 6 sector cho động cơ BLDC ba pha theo hai chiều quay.
- Thiết lập các phương trình giải tích sức điện động (sđđ), mô men điện từ, phương trình đặc tính cơ và xây dựng hệ phương trình vi phân mô hình toán học ba pha mô tả trạng thái quá độ và xác lập của động cơ BLDC có tính đến thông số tự cảm và hỗ cảm cuộn dây.
Phạm vi và đối tượng nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Động cơ điện một chiều không chổi than (BLDC) ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu và các hệ thống truyền động điện công nghiệp liên quan.
- Phạm vi thời gian và không gian: Đề tài được giao ngày 30 tháng 03 năm 2020 và hoàn thành nghiệm thu trước ngày 20 tháng 06 năm 2020 tại Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết máy điện, lý thuyết truyền động điện tự động và kỹ thuật điều khiển nghịch lưu công suất:
- Khung lý thuyết trường điện từ và chuyển đổi năng lượng cơ điện: Lý thuyết cân bằng sức điện động và cân bằng mô men trên trục máy điện; định luật cảm ứng điện từ Faraday; định lý Biot-Savart; lý thuyết từ trường đập mạch và sự phân rã từ trường quay trong động cơ dị bộ một pha; lý thuyết góc công suất $\theta$ và hiện tượng Görges trong máy điện đồng bộ.
- Lý thuyết hiệu ứng Hall: Do E. Hall phát hiện năm 1879, giải thích sự xuất hiện hiệu điện thế tỷ lệ thuận với cường độ từ trường và dòng điện khi điện tích dịch chuyển trong bản bán dẫn đặt dưới từ trường vuông góc.
- Lý thuyết chuyển mạch nghịch lưu cầu 6 van: Phân tích hoạt động của bộ biến đổi bán dẫn (transistor, MOSFET, IGBT) dẫn dòng 120 độ điện (six-step commutation) đồng bộ với sức phản điện động dạng hình thang đỉnh phẳng $120^\circ$.
Phương pháp nghiên cứu thực hiện trong đồ án:
- Phương pháp phân tích giải tích và mô hình hóa toán học: Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả điện áp, dòng điện và sức phản điện động của hệ thống stator ba pha đối xứng dưới dạng ma trận; xây dựng công thức tính toán từ thông móc vòng cực đại $\Psi_{1\max}$, sức điện động hiệu dụng $E$ và mô men điện từ tức thời $M_e$.
- Phương pháp phân tích logic trạng thái chuyển mạch: Lập bảng ma trận đóng cắt của 6 van bán dẫn nghịch lưu ($T_1 \dots T_6$) tương ứng với 6 sector góc quay của rotor cho cả chế độ quay thuận và quay ngược dựa trên tín hiệu màn chắn quang học $180^\circ$ và cảm biến vị trí.
- Phương pháp tổng hợp, so sánh định tính và định lượng: So sánh đặc tính làm việc, hiệu suất, tổn hao và dải điều chỉnh giữa động cơ BLDC với động cơ DC truyền thống, động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ kích từ điện từ.
Nguồn dữ liệu nghiên cứu: Toàn bộ thông số giải tích, biểu đồ đặc tính cơ, phương trình toán học và sơ đồ cấu trúc mạch điện tử công suất được tổng hợp từ hệ thống giáo trình máy điện, truyền động điện chuyên ngành và các tài liệu kỹ thuật máy điện tự động hóa.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Các loại động cơ sử dụng trong chuyền động điện
Chương này trình bày có hệ thống cơ sở lý thuyết, đặc tính làm việc, phương pháp khởi động, điều chỉnh tốc độ và hãm điện của ba nhóm máy điện công nghiệp truyền thống:
- Động cơ điện một chiều:
- Phân loại theo phương thức kích từ: Kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp.
- Phương trình cân bằng điện áp và đặc tính cơ: Ở chế độ xác lập, phương trình có dạng $U = E_ư + I_ư R_t$ với $E_ư = C_e \Phi n$. Đặc tính cơ động cơ kích từ độc lập/song song là một đường thẳng $n = \frac{U}{C_e \Phi} - \frac{R_t + R_{đc}}{C_e C_m \Phi^2} M$. Động cơ kích từ nối tiếp có đặc tính dạng hypebol khi máy chưa bão hòa ($I_ư \le I_{đm}$); tác giả nhấn mạnh động cơ nối tiếp không có tốc độ không tải, khi tải giảm quá mức tốc độ tăng vọt nguy hiểm nên tuyệt đối không được vận hành không tải hoặc truyền động bằng dây đai (cu-roa).
- Khởi động: Phương pháp khởi động trực tiếp có dòng khởi động rất lớn $I_{kđ} = \frac{U_{đm}}{R_t} = (10 \div 30) I_{đm}$ gây sụt áp lưới và đánh lửa cổ góp nên ít dùng. Phương pháp khởi động qua điện trở phụ hạn chế dòng điện $I_{kđ} = \frac{U_{đm}}{R_t + R_{kđ}}$ và cắt dần từng nấc điện trở khi tốc độ tăng.
- Điều chỉnh tốc độ: Phân tích 3 phương pháp gồm thay đổi điện áp nguồn cấp $U$ (điều chỉnh giảm dưới tốc độ định mức, độ bằng phẳng cao), thay đổi điện trở mạch phần ứng $R_{đc}$ (phạm vi hẹp, tổn hao lớn; để giảm 50% tốc độ thì tổn hao trên điện trở chiếm tới 50% công suất đưa vào), và thay đổi từ thông $\Phi$ (điều chỉnh tăng trên tốc độ định mức, kinh tế, dải rộng; lưu ý không để mạch kích từ bị hở vì dòng kích từ về 0 sẽ làm tốc độ tăng vô hạn gây phá hủy cơ khí). Hệ thống bộ biến đổi (chỉnh lưu công suất) – động cơ được phân tích như giải pháp thay thế hoàn hảo cho hệ máy phát – động cơ cổ điển.
- Các chế độ hãm điện: Khảo sát hãm động năng ($U=0, I_ư = -E_ư / R_t$), hãm ngược (đưa điện trở lớn vào mạch phần ứng khi có mô men thế năng hoặc đổi chiều điện áp cấp $I_ư = -\frac{U+E_ư}{R_t+R_{đc}}$), và hãm tái sinh trả năng lượng về nguồn khi tốc độ rotor vượt tốc độ không tải ($E_ư > U$).
- Tổn hao: Phân loại tổn hao chính (tổn hao cơ, tổn hao sắt từ, tổn hao đồng) và tổn hao phụ (tổn hao dòng xoay chiều Foucault, tổn hao nối cân bằng, tổn hao do phân bố từ trường không đều).
- Động cơ dị bộ một pha:
- Cấu tạo mạch từ gồm stator có các rãnh đặt 2 cuộn dây (cuộn chính và cuộn khởi động đặt lệch pha không gian $90^\circ$) hoặc cực từ xẻ rãnh gắn vòng ngắn mạch bằng đồng; rotor là lồng sóc đúc nhôm.
- Nguyên lý hoạt động: Từ trường đập mạch được phân tích thành hai từ trường quay ngược chiều cùng biên độ, tạo nên hai mô men $M_1$ và $M_2$ với độ trượt tương ứng $s_1$ và $s_2 = 2 - s_1$. Do đó tại $\omega_m = 0$, mô men tổng $M = M_1 + M_2 = 0$, động cơ không có mô men mở máy tự thân.
- Phương pháp khởi động: Khởi động bằng vòng ngắn mạch (mô men nhỏ, cấu tạo rẻ) hoặc dùng tụ điện nối tiếp cuộn phụ để tạo dòng điện lệch pha $90^\circ$ về thời gian. Khởi động bằng 2 tụ mắc song song giúp tăng mô men khởi động, sau đó ngắt bớt 1 tụ để cải thiện đặc tính làm việc liên tục.
- Động cơ dị bộ ba pha làm việc ở chế độ một pha: Nếu mất pha trước khi đóng điện, động cơ không quay và phát tiếng kêu ì; nếu mất pha khi đang quay, dòng điện làm việc tăng lên $\sqrt{3}$ lần. Khi chuyển đổi động cơ 3 pha sang dùng nguồn 1 pha có tụ điện làm việc liên tục, công suất đạt khoảng 70% – 80% công suất định mức ba pha.
- Động cơ đồng bộ:
- Phân tích chế độ làm việc qua góc công suất $\theta$: Tùy thuộc góc tải và dòng kích từ, máy điện đồng bộ có thể vận hành ở chế độ máy phát (phát công suất tác dụng $P$ và phản kháng $Q$), chế độ động cơ, hoặc chế độ máy bù đồng bộ (chạy không tải quá kích từ để phát công suất phản kháng cải thiện hệ số $\cos\varphi$).
- Khởi động: Tần số nguồn 50 Hz tạo từ trường quay tốc độ cao trong khi rotor quán tính lớn nên mô men trung bình bằng 0 ($M_{tb} = 0$). Các phương pháp khởi động gồm dùng động cơ phụ kéo ngoài, khởi động bằng biến tần, và khởi động dị bộ (đặt lồng sóc ngắn mạch ở mặt cực từ). Tác giả phân tích chi tiết hiện tượng Görges (xuất hiện vùng yên ngựa trên đặc tính mô men do từ trường quay ngược của dòng cảm ứng mạch kích từ sinh ra mô men âm khi tốc độ $n > N_{tt}/2$). Để khắc phục hiện tượng này, mạch kích từ được nối qua điện trở phụ có giá trị xấp xỉ 10 lần điện trở kích từ ($R_p \approx 10 R_{kt}$).
Chương 2: Động cơ BLDC
Chương này tập trung nghiên cứu toàn diện về cấu tạo, nguyên lý làm việc, chuyển mạch điện tử và mô hình hóa toán học động cơ BLDC:
- Tổng quan và đặc tính:
- Bản chất động cơ BLDC là máy điện xoay chiều đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu có sức phản điện động dạng sóng hình thang. Chuyển mạch dòng điện thực hiện bằng van bán dẫn điện tử công suất thay thế cơ cấu chổi than – cổ góp.
- Ưu điểm: Tuyến tính hóa quan hệ tốc độ – mô men, đáp ứng động nhanh do mô men quán tính rotor nhỏ, hiệu suất cao (không có tổn hao đồng trên rotor), tuổi thọ cao, không gây nhiễu cơ khí/điện từ, mật độ công suất lớn, tản nhiệt cuộn dây stator ra vỏ thuận lợi.
- Nhược điểm: Giá thành chế tạo cao do sử dụng nam châm vĩnh cửu; nam châm Ferrite mật độ từ trường thấp và dễ bị khử từ khi nhiệt độ tăng cao; nam châm hợp kim đất hiếm có giá thành đắt.
- Cấu tạo chi tiết:
- Stator: Gồm các lá thép kỹ thuật điện dập rãnh ghép cách điện, đặt các cuộn dây ba pha phân bố đều dọc theo chu vi mặt trong để tạo ra sức phản điện động dạng hình thang đỉnh phẳng $120^\circ$ điện.
- Rotor: Trục thép mang nam châm vĩnh cửu với 2 kết cấu chính:
- Nam châm gắn trên bề mặt lõi (Surface-mounted): Đơn giản, dùng cho tốc độ thấp và trung bình.
- Nam châm chèn ẩn bên trong lõi (Interior PM): Chế tạo phức tạp nhưng độ bền cơ học cao, chịu lực ly tâm lớn, dùng cho dải tốc độ cao.
- Vật liệu nam châm: Nam châm Ferrite giá rẻ, từ thông thấp; nam châm hợp kim đất hiếm có mật độ từ thông trên đơn vị thể tích rất cao, giúp thu nhỏ kích thước động cơ.
- Cảm biến vị trí góc quay rotor:
- Cảm biến hiệu ứng Hall: Gồm 3 phần tử Hall gắn cố định trên stator lệch nhau các góc điện thích hợp nhằm phát hiện cực từ N/S của rotor.
- Cảm biến từ trở MR: Phát hiện sự biến thiên từ trở mạch từ theo vị trí góc quay.
- Cảm biến quang: Sử dụng bộ 6 transistor quang (PT1 – PT6) kết hợp 6 đèn LED và màn chắn $180^\circ$ gắn trên trục rotor để tạo các tín hiệu điều khiển logic cho cầu nghịch lưu.
- Nguyên lý chuyển mạch 6 bước (Six-step Commutation):
- Trong mỗi khoảng dẫn (sector), chỉ có 2 pha dẫn điện nối tiếp giữa hai cực nguồn ($+E$ và $-E$), pha còn lại bị ngắt. Góc dẫn của mỗi pha là $120^\circ$ điện.
- Dòng điện được điều khiển trùng pha với đỉnh phẳng của sức phản điện động hình thang để cực đại hóa mô men sinh ra và giảm thiểu độ đập mạch mô men.
- Giải tích phương trình sức điện động và mô men:
- Từ thông móc vòng cực đại của cuộn dây: $$\Psi_{1\max} = w_1 B_g \pi l r_1$$ Trong đó $w_1$ là số vòng dây, $B_g$ là cảm ứng từ khe hở, $l$ là chiều dài tác dụng, $r_1$ là bán kính rotor.
- Sức điện động hiệu dụng pha: $$E = \frac{4}{\pi} N_{ph} B_g \pi l r_1 \omega_e$$
- Công suất điện từ tức thời và mô men điện từ: $$P_e = e_a i_a + e_b i_b + e_c i_c = 2 E_p I_p$$ $$M_e = \frac{P_e}{\omega_e} = \frac{4}{\pi} N_{ph} B_g \pi l r_1 I_p$$ Biểu thức chứng minh mô men điện từ của động cơ BLDC không đổi theo chu kỳ và hoàn toàn tương đương với phương trình mô men của động cơ DC truyền thống ($M_e = K \Phi I_ư$).
- Phương trình đặc tính cơ: $$\omega = \frac{U}{K\Phi} - \frac{R}{(K\Phi)^2} M_e$$
- Mô hình toán học vi phân ba pha:
- Thiết lập hệ phương trình vi phân ma trận điện áp stator có kể đến điện trở $R$, điện cảm riêng $L$ ($L_a = L_b = L_c = L$) và hỗ cảm $M$ giữa các cuộn pha ($L_{ab} = L_{bc} = L_{ca} = M$): $$\begin{bmatrix} V_a \ V_b \ V_c \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} R & 0 & 0 \ 0 & R & 0 \ 0 & 0 & R \end{bmatrix} \begin{bmatrix} i_a \ i_b \ i_c \end{bmatrix} + \frac{d}{dt} \begin{bmatrix} L & M & M \ M & L & M \ M & M & L \end{bmatrix} \begin{bmatrix} i_a \ i_b \ i_c \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} e_a \ e_b \ e_c \end{bmatrix}$$
- Dựa vào điều kiện trung tính cách ly $i_a + i_b + i_c = 0 \Rightarrow M i_b + M i_c = -M i_a$, hệ phương trình vi phân rút gọn thành: $$\begin{cases} V_a = R i_a + (L - M) \frac{di_a}{dt} + e_a \ V_b = R i_b + (L - M) \frac{di_b}{dt} + e_b \ V_c = R i_c + (L - M) \frac{di_c}{dt} + e_c \end{cases}$$ Điện cảm tương đương $(L - M)$ là nguyên nhân làm sườn trước và sườn sau của xung dòng điện thực tế bị nghiêng (tăng/giảm dòng theo hằng số thời gian), không đạt dạng xung vuông lý tưởng.
Thiết kế kỹ thuật và giải pháp chuyển mạch
Đồ án xây dựng chi tiết bảng trạng thái đóng mở của bộ nghịch lưu cầu 6 van bán dẫn ($T_1 \dots T_6$) điều khiển stator nối hình sao/tam giác tương ứng với 6 sector góc quay của rotor cho cả hai chiều quay thuận và nghịch:
| Sector | Góc điện | Trạng thái van dẫn (Quay thuận) | Dòng điện pha (Quay thuận) | Trạng thái van dẫn (Quay ngược) | Dòng điện pha (Quay ngược) |
|---|---|---|---|---|---|
| Sector 1 | $0^\circ - 60^\circ$ | $T_1, T_2, T_6$ | $i_a = I_p, i_b = 0, i_c = -I_p$ | $T_3, T_4, T_5$ | $i_a = -I_p, i_b = 0, i_c = I_p$ |
| Sector 2 | $60^\circ - 120^\circ$ | $T_1, T_5, T_6$ | $i_a = I_p, i_b = -I_p, i_c = 0$ | $T_2, T_3, T_4$ | $i_a = 0, i_b = -I_p, i_c = I_p$ |
| Sector 3 | $120^\circ - 180^\circ$ | $T_4, T_5, T_6$ | $i_a = 0, i_b = -I_p, i_c = I_p$ | $T_1, T_2, T_3$ | $i_a = I_p, i_b = -I_p, i_c = 0$ |
| Sector 4 | $180^\circ - 240^\circ$ | $T_3, T_4, T_5$ | $i_a = -I_p, i_b = 0, i_c = I_p$ | $T_1, T_2, T_6$ | $i_a = I_p, i_b = 0, i_c = -I_p$ |
| Sector 5 | $240^\circ - 300^\circ$ | $T_2, T_3, T_4$ | $i_a = -I_p, i_b = I_p, i_c = 0$ | $T_1, T_5, T_6$ | $i_a = -I_p, i_b = I_p, i_c = 0$ |
| Sector 6 | $300^\circ - 360^\circ$ | $T_1, T_2, T_3$ | $i_a = 0, i_b = I_p, i_c = -I_p$ | $T_4, T_5, T_6$ | $i_a = -I_p, i_b = 0, i_c = I_p$ |
Bảng logic chuyển mạch trên đảm bảo tại mọi thời điểm, từ trường stator luôn tạo với từ trường rotor một góc vuông không gian xấp xỉ $90^\circ$ để duy trì mô men quay cực đại và ổn định theo cả hai chiều chuyển động.
Kết quả và đóng góp
Đồ án tốt nghiệp của tác giả Trần Văn Trung đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:
- Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết truyền động điện: Phân tích đầy đủ các biểu thức toán học xác định đặc tính cơ, phương pháp khởi động và các chế độ hãm điện của động cơ một chiều, động cơ dị bộ một pha và động cơ đồng bộ; chỉ rõ cơ chế triệt tiêu hiện tượng Görges khi khởi động động cơ đồng bộ bằng điện trở phụ $R_p \approx 10 R_{kt}$.
- Làm rõ bản chất vật lý và ưu thế của động cơ BLDC: Khẳng định tính chất sóng hình thang của sức phản điện động và chứng minh bản chất động cơ BLDC là máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu có chuyển mạch điện tử tĩnh, cho phép tản nhiệt tốt hơn và mật độ công suất vượt trội so với máy điện DC truyền thống.
- Xây dựng hoàn chỉnh thuật toán điều khiển chuyển mạch 6 bước: Thiết lập ma trận trạng thái đóng cắt 6 van nghịch lưu bán dẫn ($T_1 \dots T_6$) theo 6 sector tín hiệu cảm biến góc quay cho cả chiều quay thuận và quay ngược.
- Thiết lập hệ phương trình vi phân mô hình toán học ba pha: Xây dựng hệ phương trình trạng thái mô tả quan hệ điện áp – dòng điện – sđđ pha stator có tính đến độ tự cảm $L$ và hỗ cảm $M$ giữa các cuộn dây pha ($L-M$).
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đồ án:
- Nội dung đồ án tập trung chủ yếu vào nghiên cứu lý thuyết, phân tích giải tích và mô hình hóa toán học; chưa thực hiện mô phỏng số (như xây dựng mô hình trên Matlab/Simulink) để khảo sát đáp ứng quá độ của hệ thống.
- Chưa tiến hành thiết kế phần cứng thực nghiệm (mạch vi điều khiển, mạch lái driver, khối van công suất MOSFET/IGBT) và đo đạc dạng sóng dòng điện, sức điện động thực tế trên động cơ vật lý.
Hướng nghiên cứu tiếp:
- Xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động BLDC hoàn chỉnh trên phần mềm chuyên dụng để khảo sát các thuật toán điều khiển kín tốc độ và dòng điện (PI, PID, điều khiển mờ).
- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển không cảm biến (Sensorless Control) dựa trên đo lường sức phản điện động qua điểm không (Zero Crossing Detection) hoặc bộ quan sát trạng thái nhằm giảm chi phí cảm biến và tăng độ tin cậy trong môi trường khắc nghiệt.
- Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển thực nghiệm sử dụng vi điều khiển/DSP phục vụ ứng dụng truyền động servo hoặc xe điện.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:
- Sinh viên, học viên ngành Điện tự động công nghiệp, Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử khi làm đồ án môn học Truyền động điện, Đồ án Điện tử công suất hoặc khóa luận tốt nghiệp về động cơ không chổi than.
- Các kỹ sư thiết kế hệ thống truyền động điện trong công nghiệp, thiết bị gia dụng và xe điện quan tâm đến giải pháp chuyển mạch 6 bước và mô hình hóa giải tích máy điện BLDC.
- Phần đáng tham khảo nhất: Chương 2 với phương pháp thiết lập phương trình sđđ, phương trình mô men điện từ, bảng logic đóng mở van bán dẫn 6 sector và hệ phương trình vi phân ma trận rút gọn có xét đến hỗ cảm pha stator.
Câu hỏi thường gặp
-
Động cơ BLDC có cấu tạo và bản chất điện từ khác gì so với động cơ điện một chiều truyền thống? Về cấu tạo, động cơ BLDC hoán đổi vị trí: phần cảm (nam châm vĩnh cửu) đặt trên rotor, phần ứng (dây quấn 3 pha) đặt trên stator, và loại bỏ hoàn toàn cơ cấu cổ góp – chổi than để thay bằng bộ chuyển mạch van bán dẫn điện tử. Về bản chất điện từ, BLDC là động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu có sức phản điện động dạng hình thang đỉnh phẳng $120^\circ$ điện, nhưng có đặc tính cơ tuyến tính tương tự động cơ DC kích từ độc lập.
-
Hiện tượng Görges trong quá trình khởi động dị bộ của động cơ đồng bộ là gì và cách khắc phục như thế nào? Hiện tượng Görges (hay vùng yên ngựa trên đặc tính cơ khởi động) xuất hiện do từ trường quay do dòng cảm ứng ở mạch kích từ sinh ra phân tách thành 2 từ trường quay ngược chiều; khi tốc độ rotor vượt quá nửa tốc độ đồng bộ ($n > N_{tt}/2$), từ trường quay ngược tạo ra mô men âm chống lại chiều quay của động cơ, có thể làm động cơ bị kẹt lại không tăng tốc được. Tác giả chỉ ra biện pháp khắc phục là nối mạch kích từ qua một điện trở phụ có giá trị $R_p \approx 10 R_{kt}$.
-
Trong phương pháp chuyển mạch 6 bước của động cơ BLDC, tại một thời điểm có bao nhiêu cuộn dây stator được cấp điện? Tại mỗi thời điểm (trong một sector $60^\circ$ điện), luôn chỉ có 2 cuộn dây pha được cấp điện nối tiếp giữa hai cực nguồn ($+E$ và $-E$), cuộn dây pha thứ 3 hoàn toàn không được cấp điện (dòng điện bằng 0). Mỗi pha dẫn điện trong khoảng có độ rộng $120^\circ$ điện trong mỗi nửa chu kỳ.
-
Tại sao khi điều chỉnh tốc độ động cơ DC bằng phương pháp thay đổi từ thông $\Phi$, tuyệt đối không được giảm dòng kích từ về giá trị 0? Khi dòng kích từ giảm về 0, máy chỉ còn lại từ thông dư rất nhỏ, theo phương trình tốc độ $n = \frac{U - I_ư R_t}{C_e \Phi}$, mẫu số tiến gần về 0 sẽ làm tốc độ động cơ tăng vọt lên vô cùng lớn (hiện tượng lồng tốc), gây ra lực ly tâm cực mạnh phá hủy toàn bộ kết cấu cơ khí của rotor và gây nguy hiểm nghiêm trọng cho người vận hành.
-
Hệ phương trình vi phân mô hình toán học ba pha của stator động cơ BLDC được rút gọn như thế nào khi tính đến hỗ cảm giữa các pha? Do ba cuộn dây stator đối xứng và nối hình sao trung tính cách ly, tổng dòng điện ba pha luôn bằng 0 ($i_a + i_b + i_c = 0 \Rightarrow M i_b + M i_c = -M i_a$). Khi thay thế vào ma trận điện cảm chứa tự cảm $L$ và hỗ cảm $M$, hệ phương trình vi phân được rút gọn thành dạng độc lập cho từng pha: $V_k = R i_k + (L - M) \frac{di_k}{dt} + e_k$ (với $k \in {a, b, c}$).
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trần Văn Trung đã hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu tổng quan các hệ truyền động điện truyền thống và đi sâu phân tích toàn diện động cơ một chiều không chổi than BLDC. Công trình đã luận giải chi tiết cấu tạo, cơ chế cảm biến vị trí, nguyên lý chuyển mạch 6 sector và xây dựng thành công mô hình toán học giải tích xác định sđđ, mô men và phương trình vi phân ba pha của động cơ BLDC. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết vững chắc cho việc thiết kế, điều khiển và ứng dụng động cơ BLDC làm cơ cấu thực hiện trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp và truyền động di động.