Chương 1: Tổng quan. • Chương 2: Cơ sở lý thuyết. • Chương 3: Xây dựng mạch, tính toán và thiết kế • Chương 4: Thực hiện và kết quả • Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. • Tài liệu tham khảo.
3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Động cơ ba pha không đồng bộ Động cơ không đồng bộ 3 pha là động cơ điện xoay chiều 3 pha trong đó dòng điện trong rôto cần thiết để tạo ra mômen quay thu được bằng cảm ứng điện từ từ trường của cuộn dây stato. Do đó, động cơ cảm ứng có thể được chế tạo mà không cần kết nối điện với rôto. Rôto của động cơ cảm ứng có thể là kiểu quấn hoặc kiểu lồng sóc.
Trong đề tài “Tìm hiểu và thiết kế mạch điều khiển động cơ ba pha không đồng bộ” nhóm trình bày về động cơ ba pha không đồng bộ có rôto kiểu lồng sóc. Cấu tạo Cấu tạo của động cơ không đồng bộ gồm hai bộ phận chính là phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor).1 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ 2. Phần tĩnh (Stator) Stato là phần đứng yên của động cơ. Nó bao gồm một khung thép bao quanh hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn stator.
Khung stato là bộ phận bên ngoài của động cơ. Chức năng của khung stato là cung cấp giá đỡ cho lõi stato và cuộn dây stato. Nó cung cấp độ bền cơ học cho các bộ phận bên trong động cơ. Khung có các cánh tản nhiệt ở bề mặt ngoài để tản nhiệt và làm mát động cơ.
Theo các ứng dụng, khung được tạo thành từ thép đúc hoặc thép chế tạo, hợp kim nhôm/ nhôm hoặc thép không gỉ. Lõi của động cơ cảm ứng ba pha được tạo thành từ các lớp mỏng bằng thép silicon để giảm tổn thất dòng điện xoáy và độ trễ; các lá thép kỹ thuật điện có dập rãnh bên trong ghép lại tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép chặt vào trong vỏ máy. 4 Một số khe cách đều nhau được cung cấp ở ngoại vi bên trong của lõi nhiều lớp.
Các dây quấn stator làm bằng dây đồng hoặc dây nhôm có tráng men cách điện được đặt trong các rãnh stato và được nối theo cách thích hợp để tạo thành cuộn dây stato 3 pha cân bằng được nối hình sao hoặc tam giác. Các cuộn dây stato 3 pha được quấn với một số cực nhất định tùy thuộc vào yêu cầu của tốc độ, tức là, số cực càng lớn thì tốc độ của động cơ càng nhỏ và ngược lại. Khi nguồn điện 3 pha cân bằng được cấp vào cuộn dây stato, một từ trường quay (RMF) có cường độ không đổi được tạo ra và RMF này tạo ra dòng điện trong mạch rôto bằng cảm ứng điện từ. Phần quay (Rôto) Rôto lồng sóc bao gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.
Các lá thép kỹ thuận điện có dập rãnh ghép lại tạo thành các rãnh nghiêng gần như song song với trục trục hoặc lệch theo hướng trục, ở giữa có lỗ để lắp trục. Trong mỗi rãnh đặt một thanh đồng hoặc nhôm không cách điện (dây dẫn rôto). Ở mỗi đầu của rôto, các dây dẫn của thanh rôto được nối ngắn mạch bởi các vòng cuối của cùng một vật liệu. Điều này tạo thành một cuộn dây ngắn mạch vĩnh viễn không thể phá hủy được.
Toàn bộ sự sắp xếp này giống như một cái lồng đã từng được sử dụng phổ biến để nuôi sóc và do đó có tên rôto dạng lồng sóc. Rôto này không được kết nối điện với nguồn cung cấp nhưng có dòng điện gây ra trong nó bởi cảm ứng điện từ từ stato. Những động cơ cảm ứng 3 pha sử dụng rôto lồng sóc được gọi là động cơ cảm ứng lồng sóc. Hầu hết các động cơ cảm ứng 3 pha trong các ngành công nghiệp sử dụng rôto lồng sóc vì nó có cấu tạo đơn giản và chắc chắn cho phép nó hoạt động trong môi trường bất lợi nhất.
Mặc dù, nó có một nhược điểm là mô- men xoắn khởi động thấp [2]. Sự lệch của dây dẫn rôto lồng sóc mang lại những ưu điểm sau: giảm tiếng ồn trong quá trình hoạt động; mômen xoắn đồng đều hơn được tạo ra; xu hướng ăn mòn hoặc 5 khóa từ của rôto bị giảm; trong quá trình ăn khớp, các răng của rôto và stato bị khóa với nhau do tác dụng của từ trường.3 Roto dạng lồng sóc 2. Nguyên lý hoạt động Động cơ điện xoay chiều vận hành theo nguyên tắc tạo từ trường quay bằng điện xoay chiều nhiều pha. Khi 3 cuộn dây stato đặt lệch nhau một góc 120˚ của động cơ không đồng bộ 3 pha được nối với nguồn điện xoay chiều ba pha.
Dòng điện qua dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay hay từ trường quay tròn (RMF) gây ra trong lòng stato. Tốc độ của từ trường quay được gọi là tốc độ đồng bộ (Ns ), được xác định: 60. 𝑓 𝑁𝑠 = 𝑝 Trong đó: • f là tần số • p là số cặp cực của dây quấn Stator Trong quá trình quay, từ trường sẽ quét qua các thanh dẫn của rotor, làm xuất hiện sức điện động cảm ứng, tạo ra dòng điện trong các thanh dẫn. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường nên sẽ tương tác với nhau, tạo ra lực điện từ.
Các lực này sẽ tạo ra moment quay với trục rotor, làm rotor quay theo chiều của từ trường. Theo định luật Faraday [3], EMF cảm ứng trong vật dẫn do tốc độ thay đổi của từ thông (dΦ/dt). Mạch rôto cắt từ trường stato và cảm ứng EMF trong thanh rôto. Mạch rôto là một đường dẫn đóng.
Vì vậy, do dòng điện EMF này sẽ chạy qua mạch rôto. Vật dẫn mang dòng điện tạo ra từ trường, vì vậy dòng điện rôto tạo ra một từ trường thứ hai. Chuyển động tương đối giữa từ thông stato và từ thông rôto thì rôto bắt đầu quay giảm nguyên nhân gây ra chuyển động tương đối. Rôto cố gắng bắt từ thông stato và bắt 6 đầu quay.
Chiều quay được cho bởi định luật Lenz [4]. Và có hướng của từ trường quay do stato gây ra. Ở đây, dòng điện rôto được tạo ra do hiện tượng tự cảm. Do đó, động cơ này được gọi là động cơ cảm ứng.
Tốc độ của rôto nhỏ hơn tốc độ của tốc độ đồng bộ. Rôto cố gắng bắt từ trường quay của stato. Nhưng nó không bao giờ bắt được nó. Do đó, tốc độ của rôto nhỏ hơn một chút so với tốc độ của tốc độ đồng bộ.
Tốc độ đồng bộ phụ thuộc vào số cực và tần số nguồn cung cấp. Sự khác biệt giữa tốc độ thực của rôto và tốc độ đồng bộ được gọi là độ trượt cảm ứng đồng bộ 3 pha, dòng điện xoay chiều sẽ cung cấp cho cuộn dây stator một năng lượng để giúp cho nó tạo ra từ thông quay. Từ thông sẽ tạo ra 1 từ trường quay từ trong khe hở không khí giữa stator và rotor, đồng thời tạo ra một điện áp để tạo ra dòng điện chạy qua các thanh rotor. Mạch và dòng điện ở trong dây dẫn rotor lúc này đã được kích hoạt.
Tác động của từ thông quay và dòng điện cùng lúc sẽ tạo ra một lực tạo ra mô men xoắn để thực hiện khởi động động cơ. Mạch nghịch lưu áp ba pha Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều DC không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều AC để cung cấp cho tải xoay chiều. Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp để điều khiển các linh kiện bán dẫn.4 Mạch nghịch lưu Mạch nghịch lưu cơ bản được thể hiện ở hình 2. Trong đó, các khóa bán dẫn là linh kiện bán dẫn cưỡng bức( thông thường các khóa bán dẫn công suất được sử dụng phổ biến là các IGBT).
Điện áp đầu vào là dòng một chiều DC sẽ qua mạch để điều 7 khiển đóng ngắt 6 IGBT với tần số theo ý người điều khiển trực tiếp nghịch lưu điện áp từ một chiều DC thành xoay chiều AC Các thuật toán điều khiển động cơ được đưa ra xoay quanh việc điều khiển các khóa bán dẫn để tạo ra sự thay đổi về điện áp, dòng điện, thời gian chuyển pha, tần số ở đầu ra để phù hợp từng đặc tính tải khác nhau của động cơ. Để tạo ra điện áp 3 pha đối xứng, luật dẫn điện của các IGBT phải tuân theo: • S1 và S4 dẫn lệch nhau 1800 và tạo ra pha a • S3 và S6 dẫn lệch nhau 1800 và tạo ra pha b • S2 và S5 dẫn lệch nhau 1800 và tạo ra pha c • Và các pha lệch nhau 1200 2. Phương pháp điều khiển động cơ ba pha không đồng bộ SINPWM Điều khiển động cơ thông qua điều khiển bộ nghịch lưu để tạo ra điện áp có biên độ và tần số phù hợp cung cấp cho động cơ. Một số phương pháp được sử dụng để thực hiện như: điều chế độ rộng xung (SINPWM hay SPWM), điều chế vector không gian (Space Vector) [5],… Phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để điều chỉnh điện áp động cơ là điều chế độ rộng xung SPWM và nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp này cho đề tài “Tìm hiểu và thiết kế mạch điều khiển động cơ không đồng bộ”.
Giới thiệu về phương pháp điều chế xung (SPWM) SPWM (Sine–triangle pulse width modulation: điều chế độ rộng xung sin-tam giác) được sử dụng trong thiết kế vi-biến-tần (được sử dụng trong các ứng dụng điện mặt trời và phong điện). Các tín hiệu chuyển mạch này được đưa vào các linh kiện FET được sử dụng trong thiết bị. Thông thường động cơ không đồng bộ 3 pha sử dụng dòng điện xoay chiều 3 pha có tần số từ 50Hz đến 60Hz. Đồ thị điện áp có hình dạng như hình sau: 8 Hình 2.5 Sóng sine 3 pha 2.
Điều chế xung SinPWM Để tạo ra một điện áp xoay chiều bằng phương pháp SINPWM, ta sử dụng một tín hiệu xung tam giác tần số cao đem so sánh với một điện áp sin chuẩn có tần số f. Nếu đem xung điều khiển này cấp cho một bộ biến tần một pha thì ngõ ra sẽ thu được một dạng điện áp dạng điều rộng xung có tần số bằng với tần số nguồn sin mẫu và biên độ hài bậc nhất phụ thuộc vào nguồn điện một chiều cung cấp và tỉ số giữa bên độ sóng sin mẫu và sóng mang. Tần số sóng mang phải lớn hơn tần số của sóng sin mẫu [6].