Khởi động mềm động cơ không đồng bộ

Bài báo phân loại động cơ không đồng bộ thành hai loại chính dựa trên cấu tạo rôto: động cơ rôto ngắn mạch (lồng sóc) và động cơ rôto dây quấn. Động cơ rôto ngắn mạch, hay còn gọi là động cơ rôto lồng sóc, có cấu tạo đơn giản hơn, sử dụng lồng nhôm hoặc đồng đặt trong rãnh rôto, hai đầu được nối ngắn mạch. Loại này có ưu điểm là giá thành rẻ và cấu tạo đơn giản. Ngược lại, động cơ rôto dây quấn có cấu tạo phức tạp hơn, sử dụng cuộn dây rôto cách điện, tương tự cuộn dây stato của động cơ điện xoay chiều. Cuộn dây này có số cặp cực và pha cố định. Với động cơ ba pha, ba đầu cuối được nối với nhau bên trong, ba đầu còn lại được nối ra ngoài qua ba vành trượt trên trục rôto. Mặc dù đắt hơn và nặng hơn, động cơ rôto dây quấn lại có tính năng động tốt hơn, cho phép điều khiển và khởi động linh hoạt hơn, phù hợp với những hệ thống yêu cầu chính xác về mô-men và tốc độ. Sự lựa chọn giữa hai loại động cơ phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng, cân nhắc giữa chi phí, hiệu suất và khả năng điều khiển.

Kết cấu động cơ không đồng bộ, dù phụ thuộc nhiều vào tính toán điện từ và tản nhiệt, nhưng cũng ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của máy. Đối với những động cơ công suất lớn, lõi thép được ghép từ các lá thép để tăng khả năng làm mát. Vỏ máy thường làm bằng gang đúc hoặc gang thép, có các gân tản nhiệt để tăng diện tích tiếp xúc với không khí, hỗ trợ quá trình làm mát. Vỏ máy có thể được thiết kế với đế để gắn vào bệ máy hoặc nền nhà tùy theo yêu cầu lắp đặt. Trên đỉnh máy có móc để thuận tiện cho việc di chuyển. Ngoài ra, còn có nắp máy, giá đỡ ổ bi và hộp đấu dây được tích hợp trên vỏ máy. Vật liệu cách điện trong động cơ là một hệ thống phức tạp, bao gồm nhiều loại vật liệu khác nhau, được kết hợp và xử lý cẩn thận để đảm bảo tính năng cơ, điện, nhiệt. Chất lượng của hệ thống cách điện ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và tuổi thọ của động cơ. Việc lựa chọn vật liệu và kỹ thuật gia công phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ bền và an toàn cho động cơ.

Kết cấu máy điện cũng được phân loại dựa trên cấp độ bảo vệ môi trường, được ký hiệu bằng mã IP và hai số. Số thứ nhất chỉ mức độ bảo vệ chống tiếp xúc của người và vật thể rơi vào máy, từ cấp 0 (không bảo vệ) đến cấp 6 (bảo vệ hoàn toàn). Số thứ hai chỉ mức độ bảo vệ chống nước, từ cấp 0 (không bảo vệ) đến cấp 8 (có thể ngâm trong nước vô thời hạn). Cấp bảo vệ ảnh hưởng lớn đến thiết kế kết cấu của máy điện, quyết định vật liệu, hình dạng và cách lắp ráp các bộ phận để đáp ứng yêu cầu về an toàn và khả năng hoạt động trong môi trường cụ thể. Ví dụ, một động cơ sử dụng trong môi trường khắc nghiệt, nhiều bụi bẩn và ẩm ướt sẽ cần cấp bảo vệ IP cao hơn so với động cơ sử dụng trong môi trường sạch sẽ và khô ráo. Sự lựa chọn cấp bảo vệ phù hợp đảm bảo an toàn cho người vận hành và độ bền của thiết bị.

Tài liệu đề cập đến phương pháp khởi động trực tiếp động cơ không đồng bộ. Phương pháp này đơn giản nhưng gây ra những khó khăn đáng kể, đặc biệt đối với động cơ lớn. Khởi động trực tiếp có thể dẫn đến sự giảm điện áp nguồn đáng kể trong quá trình khởi động, gây quá tải hoặc sụt áp, dẫn đến khởi động thất bại. Hơn nữa, khởi động trực tiếp không được kiểm soát có thể làm tăng nhiệt độ động cơ do điều kiện làm mát giảm, gây nguy hiểm cho thiết bị và giảm tuổi thọ. Dòng điện và mô-men điện từ sinh ra trong quá trình khởi động trực tiếp không được điều chỉnh phù hợp với yêu cầu của tải, tiềm ẩn nguy cơ gây hư hỏng cho động cơ và hệ thống truyền động. Vì những hạn chế này, các phương pháp khởi động khác hiệu quả hơn được nghiên cứu và ứng dụng.

Với sự phát triển của công nghệ điện tử, khởi động mềm bằng biến tần trở nên phổ biến hơn. Phương pháp này cung cấp khả năng kiểm soát chính xác tần số và điện áp cung cấp cho động cơ. Ban đầu, tần số và điện áp rất nhỏ, sau đó tăng dần cho đến khi đạt giá trị định mức. Nhờ vậy, dòng điện và mô-men xoắn được điều khiển một cách mượt mà, giảm thiểu sụt áp và quá tải trên lưới điện cũng như tác động lên động cơ. Đây là một giải pháp hiệu quả để khắc phục những nhược điểm của khởi động trực tiếp, đặc biệt trong các hệ thống yêu cầu khởi động êm ái và chính xác.

Bài báo nghiên cứu sâu hơn về khởi động mềm sử dụng Thyristor. Hệ thống khởi động mềm bao gồm ba cặp Thyristor nối ngược, một vi điều khiển (μC) thực hiện điều khiển và bảo vệ, mạch tạo xung điều khiển và các mạch ngoại vi. Điều khiển góc mở Thyristor là yếu tố quan trọng trong việc kiểm soát dòng điện và mô-men. Việc lựa chọn góc mở phù hợp giúp giảm thiểu quá độ mô-men và dòng điện, đảm bảo khởi động êm ái. Các chiến lược điều khiển đề xuất bao gồm so sánh hàm cosin và hàm không đổi để xác định góc mở Thyristor, nhằm tối ưu hóa quá trình khởi động. Mô hình mô phỏng được sử dụng để phân tích và kiểm chứng hiệu quả của phương pháp điều khiển này, nhằm loại bỏ dao động mô-men và giữ dòng điện khởi động ổn định.

Dao động mô-men điện từ ở tần số nguồn là một vấn đề cần được giải quyết trong khởi động mềm. Bài báo phân tích nguyên nhân của hiện tượng này là do chuyển đổi không được kiểm soát của ba pha trong chu kỳ đầu tiên của điện áp cung cấp. Để khắc phục, các chiến lược điều khiển được đề xuất, bao gồm việc sử dụng góc mở khác nhau cho các Thyristor trong chu kỳ đầu tiên. Việc lựa chọn góc mở phụ thuộc vào dòng điện liên tục hay gián đoạn và góc công suất của động cơ. Chiến lược này được thiết kế để loại bỏ dao động mô-men, đảm bảo mô-men khởi động ổn định và tránh gây sốc cho hệ thống truyền động. Việc điều khiển được thực hiện trên vi điều khiển 8-bit, bao gồm cả chức năng bảo vệ và hiển thị.

Mô tả hệ thống khởi động mềm gồm ba cặp Thyristor nối ngược, một vi điều khiển (μC) đảm nhiệm điều khiển và bảo vệ, mạch tạo xung điều khiển, và các mạch ngoại vi. Mạch ngoại vi nhận ba điện áp dây và hai tín hiệu dòng điện qua máy biến áp và cảm biến Hall. Chỉ một tín hiệu dòng điện được dùng làm phản hồi để giữ dòng điện không đổi trong quá trình khởi động. Sự lệch pha 60º giữa các van dẫn trong quá trình khởi động và trạng thái ổn định (trừ chu kỳ đầu tiên) được đề cập. Để triệt tiêu dao động mô-men ở tần số lưới, thuật toán điều khiển góc mở khác nhau được áp dụng cho các Thyristor T1, T2, và T3 trong chu kỳ đầu tiên, tùy thuộc vào dòng điện dây liên tục hay không liên tục. Điều khiển góc mở Thyristor được thực hiện bằng cách so sánh hai tín hiệu: cosin và điện áp không đổi.

Sự liên tục của dạng sóng dòng điện phụ thuộc vào góc mở α ban đầu, điều chỉnh dòng khởi động về giá trị định sẵn. Với dòng gián đoạn, hai chiến lược chuyển đổi ban đầu khác nhau được sử dụng tùy thuộc vào góc mở α nhỏ hơn hay lớn hơn góc hệ số công suất của động cơ. Để loại bỏ dao động mô-men, sáu Thyristor nhận xung phát lần lượt tại các điểm xác định của chu kỳ điện áp đầu tiên. Các chiến lược này được xác định bằng cách so sánh hàm cosin và hàm không đổi. Góc mở α và θ được tinh chỉnh để loại bỏ dao động mô-men. Phương pháp điều khiển được thực hiện trên vi điều khiển 8-bit, bao gồm các chức năng điều khiển, bảo vệ và hiển thị. Mô hình lai ABC/DQ được dùng để phân tích tính chất quá độ của khởi động mềm.

Chiến lược điều khiển dòng điện được mô tả trong sơ đồ, góc α ban đầu được đặt ở 120º cho trường hợp xấu nhất để giữ dòng khởi động thấp. Tại mỗi lần khởi động, góc mở đầu được lấy từ EEPROM theo giá trị tới hạn kI(peak). Phương pháp này giảm thời gian khởi động. Tại thời điểm t2, bộ điều khiển thay đổi giá trị không đổi α bằng biến thiên cosin, tạo xung thấp ở đường bao dòng khởi động từ t2 đến t3. Chu trình này lặp lại cho đến khi động cơ đạt tốc độ định mức. Một lỗi tích hợp có thể phát sinh do tín hiệu INT rời rạc và sai số đo bù đắp, gây trôi dạt và bão hòa. Vấn đề này được đề cập nhưng không được giải quyết chi tiết trong phần này.

Kỹ thuật điều khiển mô-men điện từ được đề xuất để loại bỏ dao động mô-men và giữ dòng điện gần như không đổi. Kỹ thuật này cho phép kiểm soát mô-men điện từ gần như không đổi trong suốt quá trình khởi động, nhưng có thể xuất hiện xung mô-men ở giai đoạn cuối. Kiểm soát trực tiếp mô-men điện từ được đề xuất như một giải pháp tốt hơn. Một sơ đồ điều khiển chi tiết sử dụng ba tín hiệu: tín hiệu tham chiếu mô-men, tín hiệu ước tính mô-men và tín hiệu đồng bộ điện áp được trình bày. Góc kích hoạt Thyristor được điều khiển dựa trên tín hiệu lỗi mô-men. IM hoạt động ở các chế độ khác nhau tùy thuộc vào điều khiển Thyristor. Kỹ thuật giới hạn dòng điện có thể hạn chế dòng điện nhưng gây ra xung mô-men không mong muốn.

Dao động mô-men điện từ ở tần số nguồn điện được xác định là do sự chuyển đổi không được kiểm soát của ba pha động cơ khi cấp điện áp vào chu kỳ đầu tiên. Sự chuyển đổi đột ngột này, đặc biệt trong trạng thái khởi động mới, tạo ra thành phần dao động mô-men đáng kể. Hiện tượng này ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống truyền động, gây ra sốc cơ học và có thể dẫn đến hư hỏng các thành phần như trục, khớp nối và bánh răng, đặc biệt nếu vật liệu không đủ bền hoặc hoạt động trong thời gian dài. Vì vậy, việc kiểm soát và giảm thiểu dao động mô-men là rất cần thiết để đảm bảo sự vận hành ổn định và tuổi thọ của động cơ.

Để loại bỏ dao động mô-men, bài báo đề xuất chiến lược điều khiển góc mở Thyristor. Trong chu kỳ điện áp đầu tiên, sáu Thyristor (Hình 2.1) được kích hoạt lần lượt tại các điểm định sẵn. Chiến lược này được áp dụng cho cả trường hợp dòng điện liên tục và gián đoạn, tùy thuộc vào góc mở α nhỏ hơn hay lớn hơn góc hệ số công suất của động cơ. Đối với hầu hết các động cơ lồng sóc, góc công suất nằm trong khoảng 0,2-0,3, tương ứng với góc khoảng 75°. Việc xác định chính xác góc mở Thyristor (α và θ) là quan trọng để triệt tiêu dao động. Ví dụ, với α = 65º và θ = 75º, dao động mô-men được loại bỏ hiệu quả đối với hầu hết các động cơ. Tuy nhiên, việc xác định α0 bởi vi điều khiển và thiết lập giá trị giới hạn dòng điện vẫn là một thách thức cần được nghiên cứu thêm.

Bài báo so sánh các chiến lược điều khiển, bao gồm sử dụng hàm cosin và hàm không đổi để xác định góc mở Thyristor. Tất cả các chức năng điều khiển, bảo vệ và hiển thị được thực hiện trên một vi điều khiển 8-bit. Phân tích tính chất quá độ của khởi động mềm được thực hiện bằng mô hình lai ABC/DQ. Mô phỏng được tiến hành trên động cơ trung thế và động cơ điện áp thấp. Kết quả lý thuyết được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Một trong những phương pháp đề xuất là sử dụng góc mở ban đầu α = 120º cho máy mới và điều chỉnh góc mở dựa trên giá trị tới hạn kI(peak) lưu trữ trong EEPROM, giúp giảm thời gian khởi động. Tuy nhiên, phương pháp sử dụng chiếu lượng cosin đường thẳng có hạn chế do dải điều khiển hẹp.

Qua mười hai tuần thực hiện đề tài “Tìm hiểu phương pháp khởi động mềm của động cơ không đồng bộ, giữ cho M=const”, nghiên cứu cho thấy tầm quan trọng của việc hiểu rõ đặc điểm và phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ trong công nghiệp. Đề tài đã cung cấp những kiến thức thiết thực cho sinh viên sắp tốt nghiệp, bao gồm nghiên cứu đặc điểm của động cơ, các phương pháp khởi động, điều chỉnh điện áp, và tính toán các phần tử trong bộ khởi động để thiết kế mạch khởi động. Những kiến thức này sẽ rất hữu ích cho công việc sau này của sinh viên. Việc nghiên cứu tập trung vào việc tìm hiểu và thiết kế hệ thống khởi động mềm, đặc biệt là khả năng giữ cho mô-men xoắn (M) không đổi trong suốt quá trình khởi động, một yếu tố quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp.

Đề tài “Tìm hiểu phương pháp khởi động mềm của động cơ không đồng bộ, giữ cho M=const” được đánh giá là bổ ích cho sinh viên sắp ra trường. Thực tế, động cơ không đồng bộ đóng vai trò rất quan trọng trong công nghiệp, vì vậy việc nghiên cứu đặc điểm, phương pháp khởi động và điều chỉnh điện áp của nó là cần thiết. Khả năng tính toán các phần tử trong bộ khởi động và thiết kế mạch khởi động động cơ là những kỹ năng thực tiễn quan trọng giúp sinh viên tự tin hơn trong công việc sau này. Mặc dù còn nhiều hạn chế, đề tài đã giúp sinh viên tự đánh giá và hiểu rõ hơn các kiến thức chuyên môn đã được học tập trong nhiều năm, cùng với sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô trong bộ môn Điện công nghiệp và dân dụng.