Giáo trình Mạch điện tử công suất và ứng dụng - Chương 7: Điều khiển động cơ một chiều và xoay chiều dùng bán dẫn

- Ufh
Ifh
Đến mạch
phát xung
kích SCR
Phản hồi áp
- Ufh
Ifh
Phản hồi dòng
Tạo hàm dốc
Điều khiển áp Điều khiển dòng
D2 D3
D4
Q4
Q5
M1
-
+
R7
R9
R18
RUN / STOP1
R16
R8C1
POT
R11
R10
R12
C4
C5
R17
R13
U1C
10
9
8R15
C3
C2
U1B
5
6
7
U1A
3
2
1
4
11
II
 2. Điều khiển động cơ 1 chiều dùng BBĐ áp DC: 
16/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 Dùng BBĐ áp DC có thể dùng để điều khiển động cơ DC trong các 
trường hợp: 
 - Truyền động động cơ chấp hành 
 - Nguồn điện một chiều có sẵn 
 Truyền động chấp hành (SERVO DRIVE): 
 - Làm ngỏ ra, bộ phận chấp hành của HT điều khiển tự động 
 - là HT điều khiển vị trí: cho phép đão chiều, có momen lớn ở tốc độ thấp 
 - Có quán tính nhỏ, tác động nhanh 
 Việc thiết kế BBĐ có các điểm cần lưu ý sau: 
 - Sơ đồ đk giống như bộ nguồn DC hay chỉnh lưu điều khiển pha. 
 - Để hạn chế dòng điện, mạch lái có bộ phận hạn dòng tức thời bên cạnh 
việc sử dụng vòng điều khiển dòng điện, 
 - Việc chọn sơ đồ động lực và điều khiển cần đề ý đến khả năng hãm 
của BBĐ. 
 VII.3 SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC: 
17/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 1. Nguyên lý hoạt động, phân loại: 
 - Quay từng góc xác định khi kích 1 xung vào cuộn dây thích hợp 
 - làm phần tử chấp hành trong các hệ thống tự động chỉ cần điều khiển 
vòng hở và dùng kỹ thuật số. 
 - công suất bé. 
 Có ba loại động cơ bước: 
 - Động cơ bước loại từ trở (reluctance type) 
 (a) 
Cuộn dây 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 
Cuộn dây 2 0 1 0 0 1 0 0 1 0 
Cuộn dây 3 0 0 1 0 0 1 0 0 1 
Cực từ X Y X Y X Y X Y X 
Cuộn dây 1 2 3 1 2 3 1 2 3 
 thời gian ---> 
 - Động cơ bước loại nam châm vĩnh cửu: lực mạnh hơn 
18/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Cuộn dây 1a 1000100010001 
Cuộn dây 1b 0010001000100 
Cuộn dây 2a 0100010001000 
Cuộn dây 2b 0001000100010 
 thời gian ---> 
Cuộn dây 1a 1100110011001 
Cuộn dây 1b 0011001100110 
Cuộn dây 2a 0110011001100 
Cuộn dây 2b 1001100110011 
 thời gian ---> 
- momen giữ (holding torque) khi 1 và 2 cuộn dây có điện – điều khiển ½ bước 
 - Động cơ bước hỗn hợp: là loại thông dụng nhất 
19/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 Động cơ bước 5 pha: có momen lớn, quay nhanh hơn. 
Terminal 1 ++++-----+++++-----+ 
Terminal 2 ---+++++-----+++++-- 
Terminal 3 ++-----+++++-----+++ 
Terminal 4 -+++++-----+++++---- 
Terminal 5 -----+++++-----+++++ 
 time ---> 
 - Mạch động lực gồm 5 nửa cầu (10 ngắt điện) 
 - Thứ tự 5 -> 4 -> 3 -> 2 -> 1 (hình 3.17) cho một chiều quay và ngược 
lại cho chiều ngược. 
 Tần số làm việc cực đại của động cơ bước (tốc độ quay tối đa): 
 - nguyên nhân làm momen giảm khi tăng tần số xung 
 - cách khắc phục: Dùng mạch lái hai nguồn 
 Điều khiển gia / giảm tốc 
20/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 2. Mạch lái cuộn dây động 
cơ bước: 
 - Mạch lái cuộn dây 1 cực 
tính để tạo dạng dòng có momen 
lớn nhất 
 - Mạch ổn định dòng điện và 
nguyên tắc vi bước (microstep) 
Tín hiệu điều khiển
Dòng qua
cuộn dây
ĐK1
ĐK1
ĐK2
ĐK2
R4
Q2
D1
Q1R2
12V
24V
R1
R3
R5
21/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
VII.4 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU DÙNG BIẾN TẦN: 
1. So sánh động cơ AC và DC: Động cơ AC gồm có: 
- động cơ đồng bộ (ĐB ) dùng khi công suất rất lớn (hàng MW) 
- động cơ không đồng bộ (KĐB) dùng rộng rãi 
So sánh động cơ một chiều và KĐB: 
Động cơ DC 
Cấu tạo phức tạp, giá thành cao 
Hiệu suất thấp, sụt tốc theo tải lớn 
Yêu cầu bảo trì thường xuyên 
Momen khởi động, khả năng quá tải 
 (momen) lớn 
Dòng khởi động lớn và không thể khỡi 
 động trực tiếp 
Điều khiển tốc độ chất lượng cao bằng 
 cách thay đổi áp phần ứng 
Động cơ KĐB 
Cấu tạo đơn giản, giá thành hạ 
Hiệu suất cao, sụt tốc theo tải bé 
Gần như không phải bảo trì 
Momen khởi động, khả năng quá tải 
 (momen) bé 
Dòng khởi động lớn và cho phép khỡi 
 động trực tiếp 
Điều khiển tốc độ chất lượng cao bằng 
 cách thay đổi tần số nguồn (biến tần).
Điều khiển tần số động cơ KĐB đang được sử dụng rộng rãi. 
22/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
2. Đặc tính cơ động cơ KĐB và điều khiển tốc độ: 
 Hai mô hình dùng để khảo sát động cơ KĐB: 
 - Mạch tương đương: khảo sát trạng thái xác lập hay quá độ điện cơ. 
 - Biểu diễn dạng ma trận hay trạng thái: chính xác nhưng phức tạp. 
a. Mạch tương đương động cơ KĐB và đặc tính cơ: 
 - Xtator tạo ra từ trường quay (TTQ) tốc độ: 
 2. .ow fπ= (rad/s) hay 60o fn p
⋅= (RPM) trong đó 
 f là tần số , p là số đôi cực , độ trượt: 
o r
o
w ws
w
−= , 
 wr : tốc độ rotor 
 TTQuay (thay đổi) Ỉ dòng cảm ứng rotor 
Từ trường
quay
Rotor
wo
rw
 Từ trường dòng rotor + TTQ Ỉ Momen quay 
=> khi w Ỉ wO : dòng rotor, M Ỉ 0 : nên gọi là động cơ KĐB 
23/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Xu: điện kháng từ 
hóa; 
Ro: tổn hao trong 
mạch từ xtator. 
X’2 và R’2: điện 
kháng, điện trở rotor 
quy đổi về xtator. 
(a) chính xác (b) gần đúng
ROTOR
qui đổi về
xtator
XTATOR
UU
jXnm
jXu
jX1
R'2/s
jXu
jX'2
R'2/s
R1
Ro
X1 + X’2 = Xnm 
 Từ mạch tương đương gần đúng, dòng điện rotor quy đổi về xtator: 
'
2 2'
2 2
nm
UI
RX s
=
⎛ ⎞+ ⎜ ⎟⎝ ⎠
 U: điện áp pha 
=> công suất điện từ ( )' 2'2 23đt oRP I Mws= = 
 Tổn hao của động cơ: ( )2' '2 2 23. . . .đt oP P R I s P Mw sΔ Δ = = = 
 => công suất cơ : ( ). 1o đt đtP M P P s Pω= = − Δ = − 
24/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Suy ra biểu thức của momen : 
2. t
t
t
MM ss
s s
=
+ , 
 Momen tới hạn 
23.
2 .t o nm
UM
w x
= , 
Độ trượt tới hạn 
'
2
t
nm
Rs s
x
= = ± 
Hình IV.1.2. Đặc tính cơ động cơ KĐB khi thay đổi 
áp xtator và (a) là đặc tính phụ tải quạt gió. 
 Hai quan hệ cần lưu ý: 
 .đt oP M w= và . . oP s M wΔ = 
25/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Nhận xét: 
- Khi s bé, momen M, dòng rotor quy đổi I’2 tỉ lệ với độ trượt s: 
2 t
t
MM s
s

 , 
'
2 '2' 22 2
.
nm
U U sI
RRX s
=
⎛ ⎞+ ⎜ ⎟⎝ ⎠

 => Momen tỉ lệ dòng rotor 
- Dòng điện khởi động từ 5.. 7 lần dòng định mức . 
- M bằng không ở tốc độ đồng bộ, 
- động cơ hãm (tương ứng chế độ máy phát) khi tốc độ lớn hơn tốc độ 
đồng bộ 
- không có ổn định tĩnh với tải mômen hằng số khi s > st hay s < - st . 
- Độ trượt ở momen định mức từ 3 .. 5 % => sụt tốc theo tải khá bé 
- . . oP s M wΔ = không phụ thuộc phương án điều chỉnh tốc độ. 
26/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
b. mô hình động động cơ KĐB và biểu thức momen: 
Mạch tương đương cho biết quan hệ momen theo dòng hiệu dụng: 
 => không xét quán tính điện từ 
Khi xét tác dụng tức thời của dòng điện (xét ảnh hưởng L): mô hình động 
Momen này tỉ lệ với tích vector của dòng điện rotor và từ thông khe hở: 
^ ^ ^ ^3 3. . . . . .sin
2 2r rm m
M p I p Iψ ψ δ= × = 
 p: số đôi cực 
^
mψ : vector từ thông xuyên (móc vòng) khe hở xtator-rotor (cũng là TTQ) 
^
rI : vector sức từ động (MMF) rotor 
 δ : góc lệch giữa vector sức từ động rotor và vector từ thông khe hở, hệ số 3/2 
xuất hiện do các tính toán 3 pha. 
 Khi phân tích dòng xtator thành hai thành phần dq: 
3 ( . . )
2 dm qs qm ds
M p i iψ ψ= − ψdm vàψqm: từ thông móc vòng của khe hở, 
 ids và iqs : dòng rotor trong hệ tọa độ quay. 
27/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 Khi ta giữ hai vector từ thông và dòng rotor luôn thẳng góc,biểu 
thức momen được viết lại: 
. 0qm dsiψ = => 3 3( . . ) . .2 2dm qs qm ds dm qsM p i i p iψ ψ ψ= − = 
 Nếu ta giữ thông ψdm có biên độ không đổi, và vì từ thông móc vòng 
ψdm do dòng ids tạo ra: 
 => M =K.ids.iqs 
 => biểu thức momen M có dạng như ở động cơ DC. 
 ĐÂY LÀ CƠ SỞ CỦA CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VEC TƠ HAY 
TỰA TỪ THÔNG, là các PP hiện đại, cho phép động cơ AC thay thế DC 
trong các truyền động chất lượng cao. 
28/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 3. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ: 
 a. Các PP điều khiển tốc độ động cơ KĐB: 
- Điều khiển năng lượng trượt: 
- Không thay đổi tốc độ TTQ, 
- thay đổi tốc độ động cơ bằng cách tăng sụt tốc (hay độ trượt). 
- . .Δ = oP M sw tăng theo độ trượt, 
- độ trượt s cần phải bé hơn st => phạm vi hẹp. 
- Điều khiển tốc độ TTQ: nhiều ưu điểm 
 - Thay đổi số đôi cực p: ưu: đơn giản; nhược: có nấc (thường là 2), động 
cơ có kích thước, trọng lượng tăng cao. 
 - Điều khiển tần số: điều chỉnh vô cấp, hiệu suất cao, có thể sử dụng 
vòng hở, chất lượng cao Ỉ rất cao khi ĐK vectơ từ thông 
 ĐK tần số cũng là nguyên lý chung để ĐK tốc độ tất cả động cơ AC 
29/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 b. Biến tần điều khiển động cơ KĐB: 
 - Có hai loại biến tần bán dẫn(thường được gọi là INVERTER): 
o
oi
v
A
B
C
N
K
C
B
T2T1 T3
T4 T5 T6
R
L
NL
NA3 3
Lưới Tải
NL
ND3 3
Lưới Tải
L
C
L
- Biến tần trực tiếp (Cycloconverter) 
- Biến tần có trung gian một chiều: 
 Dùng nghịch lưu nguồn dòng (NLND) 
 Dùng nghịch lưu nguồn áp (NLNA). 
Bài toán hạn chế bảo hòa từ ( B không đổi) 
 U = k.S.B.N.f 
 => U/f = hằng số : biến tần VF 
30/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 c. Các sơ đồ điều khiển HT biến tần – động cơ KĐB: 
 Có hai nhóm: 
 - Điều khiển V/F 
 - Điều khiển trực tiếp momen hay điều khiển 
vector hay tựa từ thông. 
 Điều khiển V/F : Hai thông số đk: U và f 
Biến tần
(Nghịch lưu)
Lưới
Tải
Đặt U
Đặt f
 - Nguyên lý cơ bản U / f = hằng số 
 Dùng bộ tạo hàm 
 - chức năng Torque boost 
 hay Load Compensation 
 Đặc tính U / f: theo lý thuyết (a), thực tế (b), khi 
cần momen lớn (c) hay nhỏ (d). 
f
U/Uđm
(a)
(b)
(c) (d)
31/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 Sơ đồ điều khiển biến tần cổ điển (F/ V): 
 Biến tần: điều khiển chỉnh lưu + nghịch lưu + truyền động đcơ KĐB 
 a. Sơ đồ điều khiển biến tần 
nguồn áp vòng hở: 
- Bù tải (bù sụt tốc) 
- tần số tối thiểu = 3 Hz 
- hãm động năng, hãm tái sinh 
 b. Sơ đồ điều khiển biến tần 
nguồn áp có phản hồi tốc độ: 
+
+
Đặt tần
số f *
Bù sụt
tốc
ĐK tần số
ĐK điện áp
Biến tần
Lưới
Động cơ
f
V
 + Điều khiển 2 vòng thông thường: 
- điều khiển bằng sai 
lệch tốc độ, ĐK w 
có dạng PI. 
- Phản hồi âm dòng 
có ngắt 
V
ĐK điện áp
ĐK tần số
f
+
__
+
Đặt w 
Phản hồi w
ĐK w ĐK I
ĐK ngắt dòng
Phản hồi dòng
32/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 + Vòng tốc độ thực tế: 
 sai lệch tốc độ sau khi 
xử lý được xem là độ 
trượt s: 
- khi s bé momen tỉ tệ độ 
trượt, ngỏ ra ĐK w 
chính là giá trị momen 
động cơ 
Đặt w
rotor
_
+
Phản hồi w
rotor
+
+
ĐK s ĐK tần số
s
wr
ĐK s là bộ hiệu chỉnh PI có bảo hòa
cần thiết phù hợp nguyên lý điều khiển TĐĐ 
- Khi ĐK w có dạng PI có bảo hòa, độ trượt được giới hạn, tránh trường hợp 
tần số đặt tăng quá cao. 
33/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 Sơ đồ điều khiển vecto HT biến tần động cơ KĐB: 
 Biến tần có mođun tính toán thông số hoạt động của động cơ KĐB để: 
 Có dòng xtato sao cho: 
vector từ thông và dòng rotor luôn thẳng góc 
vector từ thông và dòng rotor luôn thẳng góc 
=> M =K.ids.iqs 
(a,b,c)q
Bộ tổng hợp dòng điện hình sin ba pha
d (α,β)
 ~ i
M ~ i
β
i
w
α
Ψ
i
Bộ nghịch
lưu điện áp
VDC
c
a
bi
i
i
(d,q)
(α,β)
PWM
mΨ
e e
Cảm biến
từ thông 
cos w t
chuẩn
vector cơ hệ
Ψ
α
β
sin w t
Ψ
Tính biên độ
từ thông| |
^
C
 Nguyên lý ĐK vectơ động cơ KĐB có dùng cảm biến từ thông khe hở 
34/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
VII.5 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CỔ GÓP 
 1. Nguyên lý hoạt động động cơ một chiều không cổ góp: 
Động cơ Đồng bộ 3 pha + bộ nghịch lưu đóng ngắt theo vị trí của rotor 
 => bộ nghịch lưu làm nhiệm vụ của cổ góp động cơ một chiều 
35/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Có nhiều dạng động cơ một chiều không cổ góp: 
- Động cơ chấp hành xoay chiều (AC servo motor) (thường đi kèm bộ 
điều khiển - servo driver) có momen rất lớn. 
 - Động cơ từ trở đóng ngắt (Switched Reluctance Motor) công suất bé 
 - Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet 
Synchronous Motor – PM Motor) dùng chung biến tần với động cơ KĐB 
- Động cơ một chiều không cổ góp công suất rất lớn (MW) dùng với 
nghịch lưu SCR chuyển mạch lưới 
36/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 2. Sơ đồ điều khiển: 
 Để điều khiển động cơ một chiều không cổ góp, cần các bộ phận sau: 
 - Bộ nghịch lưu ba pha dùng transistor hay SCR ở công suất rất lớn. 
 - Cảm biến vị trí rotor (bộ phận này có thể bị thay thế bằng việc quan 
sát áp (dòng) qua cuộn dây. 
 - Mạch phát xung, xử lý tín hiệu vị trí rotor để điều khiển bộ nghịch lưu. 
 Sơ đồ phát xung điều khiển BBĐ: 
 - In put: cảm biến từ trường đặt giữa cuộn 
dây 
 - output: đóng ngắt sao cho dòng pha sớm 
90O từ trường (cùng pha áp cảm ứng) 
sơ đồ khối cảm biến từ trường 
dùng hiệu ứng Hall 
37/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 (a) Dòng bắt đầu chạy từ C qua A (b) Dòng bắt đầu chạy từ C qua B 
38/38 ch7-8 ĐK ĐCơ /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Quay thuận: 
Tr1 = (–H2) . H3 
Tr4 = H2 . (–H3) 
Quay ngược: 
Tr4 = (–H2) . H3 
Tr1 = H2 . (–H3) 
NGUYÊN LÝ ĐK ĐIỆN ÁP (để ĐK tốc độ): 
 Điều rộng xung nhóm 1, 2, 3 
Hệ thống điều khiển vòng kín: 
 - hoàn toàn giống như ở động cơ một chiều 
- vòng dòng điện, tốc độ, vị trí tính từ trong ra ngoài.