Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các hệ thống tự động hóa và truyền động công nghiệp, động cơ thực hiện đóng vai trò cơ cấu chấp hành trực tiếp chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học. Các động cơ điện một chiều truyền thống sử dụng hệ thống vành đổi chiều và chổi than bộc lộ nhiều nhược điểm cố hữu như phát sinh tia lửa điện, mòn tiếp điểm cơ khí, giới hạn dải tốc độ và gây tổn hao nhiệt lớn trên rotor khó tản nhiệt. Cùng với sự phát triển của công nghệ vật liệu nam châm vĩnh cửu và các thiết bị bán dẫn công suất (transistor, MOSFET, IGBT), động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC - BLDC) trở thành giải pháp thay thế hiệu quả nhờ cấu trúc chuyển mạch điện tử và mật độ công suất cao.

Đề tài "Động cơ một chiều không chổi than BLDC sử dụng làm động cơ thực hiện" được thực hiện bởi 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 (năm 2020), tập trung giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về các loại động cơ điện phổ biến trong truyền động công nghiệp (động cơ điện một chiều, động cơ không đồng bộ một pha, động cơ đồng bộ).
  2. Phân tích nguyên lý làm việc, cấu tạo chi tiết (stator, rotor, cảm biến vị trí) và các phương pháp chuyển mạch điện tử của động cơ BLDC.
  3. Xây dựng mô hình toán học, thiết lập phương trình sức điện động, phương trình mô men điện từ và phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC phục vụ ứng dụng làm động cơ thực hiện.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là cấu trúc điện từ, cơ chế chuyển mạch và mô hình toán của động cơ BLDC ba pha. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở phân tích lý thuyết máy điện và các phương thức điều khiển chuyển động trong kỹ thuật truyền động điện công nghiệp. Nhiệm vụ tốt nghiệp được giao ngày 30 tháng 3 năm 2020 và hoàn thành ngày 20 tháng 6 năm 2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên lý thuyết máy điện kinh điển và kỹ thuật điện tử công suất:

  • Phương trình cân bằng điện áp và sức điện động máy điện một chiều, định luật cảm ứng điện từ và lực điện từ theo quy tắc bàn tay trái.
  • Lý thuyết từ trường đập mạch phân tích thành hai từ trường quay ngược chiều của động cơ dị bộ một pha; lý thuyết máy điện đồng bộ và hiện tượng Görges khi khởi động không đồng bộ.
  • Hiệu ứng Hall (phát hiện bởi E. Hall năm 1879) và nguyên lý cảm biến vị trí từ trường (Hall, cảm biến từ trở MR, cảm biến quang).
  • Mô hình máy điện sóng hình thang (trapezoidal wave) và phương trình vi phân ma trận trạng thái điện áp ba pha stator có xét đến tương hỗ cảm ($M$) và tự cảm ($L$).

Phương pháp nghiên cứu được tác giả sử dụng là phương pháp phân tích - tổng hợp lý luận kỹ thuật kết hợp với mô hình hóa giải tích. Tác giả khảo sát sơ đồ tương đương, thiết lập các tích phân từ thông móc vòng trong khe hở không khí, từ đó suy dẫn biểu thức giải tích của sức điện động và mô men tức thời. Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu bao gồm các công thức giải tích máy điện, sơ đồ nguyên lý mạch van bán dẫn cầu 6 transistor và giản đồ logic chuyển mạch sáu bước (six-step commutation).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG TRONG CHUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Chương 1 trình bày tổng quan lý thuyết về ba nhóm động cơ điện cơ bản trong hệ truyền động:

  • Động cơ điện một chiều: Phân loại theo cấu trúc kích từ gồm kích từ độc lập, song song, nối tiếp và hỗn hợp. Phương trình cân bằng sức điện động xác lập có dạng $U = E_ư + I_ư R_t$ (với $E_ư = C_e \Phi n$). Đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập/song song có dạng tuyến tính $n = \frac{U}{C_e \Phi} - \frac{R_t}{C_e C_m \Phi^2} M$, trong khi động cơ kích từ nối tiếp có đặc tính dạng hypebol không có tốc độ không tải lý thuyết (tuyệt đối không để động cơ nối tiếp chạy không tải hoặc nối bằng dây cu-roa). Về khởi động, phương pháp đóng trực tiếp sinh dòng khởi động lớn $I_{kđ} = (10 \div 30) I_{đm}$ nên phải dùng điện trở khởi động phụ. Ba phương pháp điều chỉnh tốc độ gồm thay đổi điện áp nguồn cấp, thay đổi điện trở mạch phần ứng và thay đổi từ thông kích từ. Hệ thống truyền động hiện đại sử dụng bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn thay thế hệ thống máy phát - động cơ cổ điển. Ba trạng thái hãm điện bao gồm: hãm động năng, hãm dòng điện ngược (nối ngược) và hãm tái sinh trả năng lượng về nguồn.
  • Động cơ dị bộ một pha: Cấu tạo stator gồm cuộn chính và cuộn phụ (đặt lệch không gian $90^\circ$), rotor lồng sóc đúc nhôm. Từ trường đập mạch được tách thành hai từ trường quay có độ trượt thuận $S_1 = \frac{N_{tt} - N}{N_{tt}}$ và độ trượt ngược $S_2 = 2 - S_1$. Do mô men mở máy bằng 0, động cơ cần giải pháp khởi động bằng vòng ngắn mạch bằng đồng trên cực từ hoặc dùng tụ điện làm lệch pha dòng điện $90^\circ$. Khi động cơ ba pha mất một pha trong lúc vận hành, dòng điện làm việc tăng lên $\sqrt{3}$ lần để duy trì công suất tải.
  • Động cơ đồng bộ: Phân tích 4 chế độ làm việc trên đồ thị vectơ (không tải, máy phát công suất tác dụng và phản kháng, động cơ tiêu thụ công suất cảm kháng/dung kháng theo dòng kích từ). Do quán tính và tần số đổi chiều mô men $f_m = 50\text{ Hz}$, động cơ không có mô men khởi động tự thân ($M_{tb} = 0$). Các phương pháp khởi động gồm dùng động cơ phụ, khởi động tần số và khởi động không đồng bộ (khởi động dị bộ). Trong khởi động dị bộ, tác giả chỉ rõ hiện tượng Görges sinh ra vùng lõm "yên ngựa" trên đường đặc tính cơ do từ trường ngược tạo bởi dòng cảm ứng tần số $f_2 = s f_1$ trong cuộn kích từ, giải pháp khắc phục là nối cuộn kích từ qua điện trở phụ $R_p \approx 10 R_{kt}$.

CHƯƠNG 2: ĐỘNG CƠ BLDC

Chương 2 đi sâu vào cấu tạo, cơ chế chuyển mạch và mô hình toán học của động cơ một chiều không chổi than:

  • Giới thiệu và cấu tạo: Động cơ BLDC thực chất là máy điện xoay chiều đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu có sức phản điện động hình thang. Về mặt bố trí cơ học, BLDC hoán đổi vị trí so với động cơ một chiều truyền thống: phần ứng đặt trên stator và phần cảm (nam châm) đặt trên rotor. Stator gồm các lá thép kỹ thuật điện dập rãnh, cuộn dây ba pha được phân bố đều. Rotor sử dụng nam châm Ferrite (mật độ từ thấp, giá rẻ) hoặc hợp kim đất hiếm (mật độ từ cao, kích thước gọn). Kết cấu rotor chia làm hai dạng: nam châm gắn trên bề mặt (cho tốc độ thấp/trung bình) và nam châm chèn ẩn bên trong lõi thép (chắc chắn, dùng cho tốc độ cao).
  • Cảm biến vị trí và chuyển mạch: Cảm biến vị trí rotor gồm cảm biến hiệu ứng Hall, cảm biến từ trở MR hoặc cụm 6 transistor quang/LED kết hợp màn chắn $180^\circ$. Quá trình chuyển mạch điện tử sử dụng mạch cầu 6 van bán dẫn điều khiển theo 6 sector ($60^\circ$ điện mỗi bước). Tại mỗi thời điểm, luôn có hai cuộn pha được cấp điện (một pha nối cực dương $+E$, một pha nối cực âm $-E$) và một pha nghỉ, góc dẫn dòng của mỗi pha là $120^\circ$ điện, đảm bảo dòng điện vuông góc trùng pha với sức điện động để cực đại hóa mô men và giảm đập mạch mô men.
  • Phương trình sức điện động và mô men: Từ tích phân từ thông móc vòng $\Psi_1(\theta) = [1 - \frac{\theta}{\pi/2}] \Psi_{1max}$, sức điện động cảm ứng hình thang có biên độ đỉnh phẳng: $$E = \frac{4}{\pi} N_{ph} B_g l \pi r_1 \omega_e$$ Mô men điện từ tức thời có dạng $M_e = \frac{P_e}{\omega_e} = \frac{2 P_e I_p}{\omega_e} = \frac{4}{\pi} N_{ph} B_g l \pi r_1 I_p$, chứng minh tính chất mô men không đổi trong cả chu kỳ và đồng dạng với biểu thức máy điện một chiều ($M_e = K \Phi I_ư$). Phương trình đặc tính cơ có dạng tuyến tính: $$\omega = \frac{U}{K\Phi} - \frac{R}{(K\Phi)^2} M_e$$
  • Mô hình toán học vi phân: Thiết lập hệ phương trình ma trận điện áp ba pha stator dựa trên giả thiết đối xứng điện cảm $L_a = L_b = L_c = L$, hỗ cảm $L_{ab} = L_{bc} = L_{ca} = M$ và điều kiện cân bằng dòng điện $i_a + i_b + i_c = 0$: $$\begin{cases} V_a = R i_a + (L - M) \frac{di_a}{dt} + e_a \ V_b = R i_b + (L - M) \frac{di_b}{dt} + e_b \ V_c = R i_c + (L - M) \frac{di_c}{dt} + e_c \end{cases}$$ Ảnh hưởng của độ tự cảm cuộn dây làm cho sườn trước và sườn sau của dòng điện thực tế bị nghiêng thoai thoải chứ không vuông góc lý tưởng.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã tổng hợp và chuẩn hóa các thông số vận hành, phương thức điều khiển và đặc tính của các hệ truyền động điện khảo sát:

Tiêu chí Động cơ một chiều truyền thống Động cơ dị bộ một pha Động cơ đồng bộ Động cơ BLDC
Cơ chế chuyển mạch Cơ khí (chổi than - cổ góp) Không chuyển mạch Không chuyển mạch Điện tử (Mạch cầu bán dẫn)
Dạng sức điện động Một chiều Biến thiên điều hòa Biến thiên hình sin Dạng sóng hình thang ($120^\circ$ đỉnh phẳng)
Đặc tính cơ Tuyến tính / Hypebol Phi tuyến, có điểm uốn Tuyệt đối cứng ($n = n_{tt}$) Tuyến tính ($\omega = f(M_e)$)
Mô men khởi động tự thân Có ($I_{kđ}$ lớn) Không có ($M_{kđ} = 0$) Không có ($M_{kđ} = 0$) Có (theo tín hiệu vị trí rotor)
Bảo trì và tuổi thọ Thấp do mòn chổi than Cao Cao Rất cao, không phát sinh tia lửa điện
Ứng dụng chính nêu trong văn bản Truyền động công suất lớn Dân dụng, công nghiệp nhỏ Máy phát, truyền động công suất lớn Ổ đĩa, quạt mát, máy in, scan, xe điện ($10\div 100\text{ kW}$), servo ($<10\text{ kW}$)

Bảng trạng thái kích mở van bán dẫn 6 bước được đồ án chuẩn hóa chi tiết:

  • Chiều quay thuận: Sector 1 (T1, T2, T6 dẫn), Sector 2 (T1, T5, T6 dẫn), Sector 3 (T4, T5, T6 dẫn), Sector 4 (T3, T4, T5 dẫn), Sector 5 (T2, T3, T4 dẫn), Sector 6 (T1, T2, T3 dẫn).
  • Chiều quay ngược: Sector 1' (T3, T4, T5 dẫn), Sector 2' (T4, T5, T6 dẫn), Sector 3' (T1, T5, T6 dẫn), Sector 4' (T1, T2, T6 dẫn), Sector 5' (T1, T2, T3 dẫn), Sector 6' (T2, T3, T4 dẫn).

Về mặt đóng góp học thuật, công trình đã:

  • Thiết lập hệ thống phương trình giải tích mô tả đầy đủ quá trình điện từ trong động cơ BLDC từ từ thông móc vòng, sức điện động cảm ứng đến mô men điện từ.
  • Xây dựng hệ phương trình vi phân ma trận ba pha có tính đến hiệu ứng hỗ cảm $(L-M)$, phản ánh chính xác động học của động cơ sóng hình thang.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Toàn bộ nội dung đồ án tập trung vào phân tích lý thuyết máy điện và thiết lập mô hình giải tích, chưa xây dựng mô hình mô phỏng số (như trên phần mềm Matlab/Simulink) và chưa chế tạo mạch điều khiển phần cứng thực nghiệm với vi xử lý/DSP để kiểm chứng các thông số tính toán.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu các giải pháp điều khiển tự động vòng kín (điều khiển vị trí, điều khiển dòng điện và tốc độ dùng bộ điều khiển PID hoặc điều khiển không cảm biến sensorless), thiết kế thi công mạch nghịch lưu ba pha thực tế điều khiển động cơ BLDC làm cơ cấu chấp hành trong các hệ thống servo.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tự động công nghiệp, Cơ điện tử và Tự động hóa khi nghiên cứu về máy điện và hệ thống truyền động điện tử.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

  1. Phương pháp phân tích từ trường và cơ chế khởi động dị bộ của máy điện đồng bộ (đặc biệt là giải pháp triệt tiêu hiện tượng Görges bằng điện trở phụ $R_p \approx 10 R_{kt}$).
  2. Bảng ma trận trạng thái logic chuyển mạch 6 bước cho cầu bán dẫn ba pha điều khiển động cơ BLDC quay thuận và quay ngược.
  3. Hệ phương trình vi phân rút gọn mô tả điện áp ba pha stator có xét đến thông số tự cảm $L$ và hỗ cảm $M$.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao động cơ BLDC được gọi là động cơ một chiều nhưng thực chất lại là động cơ xoay chiều đồng bộ?
Động cơ BLDC được cấp nguồn từ nguồn một chiều (ắc quy, pin, chỉnh lưu) nhưng thông qua bộ nghịch lưu bán dẫn chuyển mạch điện tử, dòng điện đưa vào các cuộn dây stator thực chất là dòng điện xoay chiều biến thiên theo vị trí rotor. Do rotor sử dụng nam châm vĩnh cửu quay đồng bộ với từ trường quay của stator nên về bản chất vật lý nó là động cơ xoay chiều đồng bộ kích từ vĩnh cửu có dạng sóng phản điện động hình thang.

2. Hiện tượng Görges trong quá trình khởi động động cơ đồng bộ là gì và cách xử lý như thế nào?
Khi khởi động dị bộ động cơ đồng bộ, từ trường quay stator quét qua cuộn kích từ hở mạch sẽ cảm ứng sức điện động rất lớn. Nếu nối khép mạch cuộn kích từ, dòng xoay chiều tần số $f_2 = s f_1$ sinh ra từ trường ngược, tạo mô men cản làm đặc tính cơ khởi động xuất hiện vùng lõm hình "yên ngựa" (hiện tượng Görges), có thể khiến động cơ bị kẹt tốc độ ở nửa tốc độ đồng bộ ($n \approx \frac{N_{tt}}{2}$). Tác giả nêu giải pháp khắc phục là nối cuộn kích từ qua một điện trở phụ có giá trị $R_p \approx 10 R_{kt}$.

3. Kết cấu rotor của động cơ BLDC có những dạng nào và ưu nhược điểm ra sao?
Rotor BLDC có hai dạng kết cấu chính:

  • Nam châm gắn trên bề mặt: Chế tạo đơn giản, chi phí thấp nhưng độ bền cơ học kém hơn, phù hợp cho các ứng dụng tốc độ thấp và trung bình.
  • Nam châm ẩn bên trong lõi thép: Chế tạo và lắp ráp phức tạp hơn nhưng kết cấu chắc chắn, chịu lực ly tâm tốt, chuyên dùng cho các ứng dụng vận hành ở tốc độ cao.

4. Dạng sóng sức điện động và dòng điện lý tưởng trong động cơ BLDC ba pha được xác định như thế nào?
Dạng sóng sức điện động pha lý tưởng của động cơ BLDC có dạng hình thang với độ rộng đỉnh phẳng là $120^\circ$ điện trong mỗi nửa chu kỳ. Dòng điện cấp vào mỗi cuộn pha là xung chữ nhật có độ rộng dẫn $120^\circ$ điện, trùng pha hoàn toàn với đỉnh phẳng của sức điện động để tối ưu hóa mô men sinh ra và triệt tiêu dao động mô men.

5. Phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC có dạng như thế nào và có phụ thuộc vào tham số nào?
Phương trình đặc tính cơ của BLDC được thiết lập dưới dạng: $$\omega = \frac{U}{K\Phi} - \frac{R}{(K\Phi)^2} M_e$$ Đặc tính có dạng đoạn thẳng tuyến tính, tốc độ quay $\omega$ giảm dần theo tải mô men $M_e$, chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi điện áp nguồn nạp $U$, điện trở phần ứng $R$ và từ thông nam châm $K\Phi$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trần Văn Trung đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về các dòng động cơ điện trong truyền động công nghiệp, từ động cơ một chiều cổ điển, động cơ dị bộ một pha đến động cơ đồng bộ. Trọng tâm công trình đã làm sáng tỏ cấu tạo, nguyên lý chuyển mạch điện tử 6 bước và thiết lập thành công mô hình toán học giải tích cho động cơ BLDC sóng hình thang. Các phương trình sức điện động, mô men điện từ và ma trận vi phân điện áp được xây dựng chặt chẽ, tạo cơ sở lý thuyết chuẩn xác cho việc nghiên cứu và ứng dụng động cơ BLDC trong các hệ truyền động tự động hóa.