Hãm Động Cơ Không Đồng Bộ

Phần này mô tả chi tiết cấu tạo của động cơ không đồng bộ, đặc biệt là loại rotor lồng sóc, được đánh giá cao về cấu tạo đơn giản, chi phí thấp và độ tin cậy cao. So với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có ưu điểm về giá thành và khả năng vận hành ổn định. Đặc biệt, động cơ không đồng bộ sử dụng trực tiếp nguồn điện xoay chiều ba pha, loại bỏ sự cần thiết của các thiết bị biến đổi trung gian. Về mặt cấu tạo vật lý, đối với những động cơ có công suất lớn, lõi thép được chia thành nhiều phần và ghép lại thành hình trụ bằng các lá thép, giúp tăng khả năng làm mát cho mạch từ. Vỏ máy thường làm bằng gang đúc chắc chắn, kết hợp với các đường gân tản nhiệt để tối ưu hóa quá trình tản nhiệt. Tùy thuộc vào yêu cầu lắp đặt, động cơ có thể được gắn trên bệ máy, sàn nhà hoặc các vị trí khác. Đối với các động cơ công suất lớn, móc nâng thường được lắp đặt trên đỉnh máy để thuận tiện cho việc di chuyển. Ngoài vỏ máy, còn có nắp máy với giá đỡ ổ bi, hộp đấu dây và bảng ghi thông tin chi tiết của động cơ. Mạch từ stator được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện mỏng (0.3-0.5mm), được cách điện để chống dòng Fuco. Lá thép stator có dạng hình tròn với các rãnh được xẻ bên trong. Để giảm dao động từ thông, số rãnh stator và rotor thường khác nhau. Rotor lồng sóc có các rãnh hướng trục, với lỗ để lắp trục. Rãnh rotor có thể song song hoặc nghiêng một góc nhất định để giảm dao động từ thông. Động cơ công suất lớn thường có thêm các rãnh thông gió dọc thân rotor. Rotor dây quấn bao gồm lõi thép với các rãnh hướng trục chứa dây quấn ba pha, thường được nối sao, với ba đầu ra nối với vành trượt và biến trở điều chỉnh tốc độ.

Nguyên lý hoạt động của máy điện không đồng bộ dựa trên mô hình ba pha với ba cuộn dây đặt lệch nhau 120 độ trên chu vi máy. Rotor là cuộn dây ngắn mạch. Khi cấp ba dòng điện ba pha vào ba cuộn dây với tần số f1, từ trường quay được sinh ra với tốc độ 60f1/p. Từ trường quay này cắt các thanh dẫn của rotor và stator, tạo ra suất điện động tự cảm e1 ở cuộn stato và suất điện động cảm ứng e2 ở cuộn rotor. Do stato cố định còn rotor quay trên ổ bi, rotor phải quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường. Tuy nhiên, tốc độ n không thể bằng tốc độ đồng bộ của từ trường (n_tt) vì nếu n = n_tt, từ trường sẽ không cắt các thanh dẫn nữa, dẫn đến không có suất điện động cảm ứng (E2 = 0), dòng điện (I2 = 0) và mômen quay bằng không. Rotor sẽ giảm tốc độ, từ trường lại cắt các thanh dẫn, tạo ra suất điện động, dòng điện và mômen quay, khiến rotor tiếp tục quay. Sự khác biệt giữa tốc độ quay của rotor và tốc độ quay của từ trường tạo ra độ trượt, một yếu tố quan trọng trong hoạt động của động cơ không đồng bộ. Độ trượt (s) được định nghĩa là tốc độ tương đối giữa thanh dẫn rotor và từ trường stator. Trong chế độ hãm động năng, độ trượt được thay thế bằng tốc độ tương đối. Mô tả về hãm tái sinh được trình bày, bao gồm trường hợp nguồn cấp có tần số cố định và trường hợp nguồn cấp có tần số điều chỉnh được. Các phương pháp hãm ngược bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch rotor hoặc đảo chiều từ trường stator cũng được đề cập. Hãm động năng được giải thích là quá trình động cơ làm việc như máy phát điện đồng bộ cực từ ẩn với tốc độ và tần số thay đổi, phụ tải lúc này là điện trở mạch rotor. Trong hãm động năng kích từ độc lập, từ thông Φ không đổi, còn trong hãm động năng tự kích từ, Φ thay đổi.

Phương pháp hãm tái sinh được đề cập là một trong những kỹ thuật hãm động cơ không đồng bộ hiệu quả. Nguyên lý của nó dựa trên việc chuyển đổi động năng của động cơ thành điện năng và trả lại cho nguồn cấp. Điều này xảy ra khi động cơ quay nhanh hơn tốc độ đồng bộ của từ trường quay, do tác động của tải thế năng. Đặc tính ω(M) thể hiện động cơ hoạt động ở chế độ máy phát. Mômen hãm được tạo ra giúp giữ vận tốc động cơ không vượt quá một giá trị nhất định và có khả năng dừng động cơ. Một trường hợp khác của hãm tái sinh là khi nguồn cung cấp có tần số điều chỉnh được. Bằng cách điều chỉnh tần số nguồn thấp hơn vận tốc làm việc của động cơ, động cơ sẽ chuyển sang chế độ hãm tái sinh. Phương pháp này hiệu quả vì tần số nguồn có thể được điều chỉnh đến mức triệt tiêu, cho phép dừng động cơ hoàn toàn. Như vậy, hãm tái sinh là một phương pháp hãm động cơ không đồng bộ thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng và có hiệu quả cao trong một số điều kiện vận hành cụ thể.

Hãm ngược là một phương pháp hãm động cơ không đồng bộ khác được đề cập trong tài liệu. Có hai cách thực hiện hãm ngược: thêm điện trở lớn vào mạch rotor hoặc đảo chiều từ trường stator. Trong trường hợp thêm điện trở vào mạch rotor, mômen động cơ giảm, dẫn đến giảm tốc độ. Động cơ hoạt động như một máy phát mắc nối tiếp với lưới điện. Nếu tải là thế năng, động cơ sẽ làm việc ổn định ở một điểm mới. Khi đảo chiều từ trường stator (đảo 2 trong 3 pha stator), dòng điện đảo chiều lớn, cần thêm điện trở phụ để hạn chế quá dòng. Động cơ sẽ chuyển sang trạng thái mới, và sẽ làm việc ổn định ở một điểm xác định, phụ thuộc vào loại tải (tải ma sát hoặc tải thế năng). Cả hai phương pháp hãm ngược đều tạo ra mômen hãm làm giảm tốc độ động cơ, nhưng cần lưu ý việc lựa chọn và tính toán điện trở phụ thích hợp để đảm bảo an toàn và hiệu quả của quá trình hãm.

Hãm động năng là một phương pháp hãm động cơ không đồng bộ dựa trên việc tận dụng động năng tích lũy trong động cơ. Phương pháp này được thực hiện bằng cách ngắt động cơ khỏi lưới điện và kết nối vào nguồn một chiều độc lập. Động cơ lúc này hoạt động như máy phát điện đồng bộ cực từ ẩn, với tốc độ và tần số thay đổi, phụ tải là điện trở mạch rotor. Để lập phương trình đặc tính cơ của động cơ khi hãm động năng, chế độ máy phát đồng bộ có tần số thay đổi được thay thế bằng chế độ động cơ không đồng bộ. Hãm động năng được chia thành hai loại: hãm động năng kích từ độc lập (từ thông Φ không đổi) và hãm động năng tự kích từ (từ thông Φ thay đổi). Trong cả hai trường hợp, động cơ hoạt động như máy phát điện, chuyển đổi động năng thành nhiệt năng tiêu tán trên điện trở mạch rotor. Tài liệu đề cập đến việc sử dụng tụ điện tự kích từ cho mục đích hãm động năng, nhưng lưu ý dòng điện quá độ có thể xuất hiện khi động cơ vẫn quay ở tốc độ cao.

Hệ thống hãm động năng ba giai đoạn được thiết kế để đạt hiệu quả hãm động cơ không đồng bộ trên một phạm vi tốc độ rộng. Hệ thống tận dụng tụ điện tự kích từ để duy trì quá trình hãm. Giá trị điện dung tụ điện được điều chỉnh, ban đầu thấp để tránh tăng điện áp đột biến, sau đó tăng lên khi tốc độ giảm. Hệ thống sử dụng hai tụ điện, một nhỏ (C1) và một lớn (C2). Quá trình hãm động cơ bắt đầu bằng việc ngắt công tắc SW1 và đóng SW2, giai đoạn tự kích thích do tụ C1 đảm nhận, giảm tốc độ xuống khoảng 50%. Trước khi quá trình tự kích thích của C1 kết thúc, SW3 đóng, kết nối C1 song song với C2, mở rộng phạm vi hoạt động của tự kích từ và giảm tốc độ đáng kể. Sau một thời gian trễ (t2), SW4 đóng, ngắn mạch hai pha của động cơ, tạo ra phanh từ (magnetic braking), giảm đột ngột tốc độ. Cuối cùng, SW5 đóng, cấp một lượng nhỏ điện một chiều vào cuộn dây động cơ để dừng hẳn. Một khối điều khiển ngắt bên trong cho phép dừng chương trình đang chạy. Hệ thống sử dụng hai bộ định thời 16-bit hoạt động như bộ đếm và các cổng điều khiển, trong đó port 3 có thêm đường dẫn để giao tiếp với bộ nhớ ngoài.

Mạch động lực sử dụng một bộ khởi động từ gồm contactor L và role nhiệt Rn. Các relay 24VDC đóng mở các contactor B, D, E để thực hiện hãm. Trong quá trình hãm động năng tự kích từ, mạch sử dụng hai tụ điện mắc song song: C1 (450VAC/100µF) và C2 (450VAC/150µF). Mạch động lực được cách ly với mạch vi điều khiển thông qua optocoupler PC817. Sau khi nhấn nút stop, nguồn cung cấp bị ngắt. Contactor B đóng, kết nối tụ C1 vào hai pha động cơ và ngắt mạch start. Sau thời gian trễ t1 (0.12s), contactor D đóng, đưa tụ C2 vào song song với C1. Sau thời gian trễ t2 (0.2s), contactor E đóng, ngắn mạch hai pha động cơ và cấp nguồn một chiều (kích từ độc lập) để dừng động cơ. Sau 1s, mạch điều khiển ngắt nguồn cho các contactor để bảo vệ động cơ. Việc lựa chọn giá trị tụ điện, đặc biệt là C1, rất quan trọng. Giá trị C1 cao giúp giảm thời gian hãm nhưng có thể gây quá áp nghiêm trọng. C1 nên được chọn khoảng 8-10 lần giá trị tối thiểu cần thiết cho hãm động năng tụ kích từ, với điện áp định mức khoảng 1.5 lần điện áp quá độ của động cơ. Tính toán giá trị điện dung cho C2 tương tự như C1.

Phần này tập trung vào thiết kế mạch điều khiển cho hệ thống hãm động năng ba giai đoạn. Mạch sử dụng contactor (L) và role nhiệt (Rn) như bộ khởi động. Để đảm bảo an toàn và tối ưu hóa quá trình hãm, hệ thống sử dụng các relay 24VDC để đóng mở các contactor B, D, và E. Trong quá trình hãm động năng tự kích từ, hai tụ điện C1 (450VAC/100µF) và C2 (450VAC/150µF) được mắc song song. Mạch động lực được cách ly với mạch vi điều khiển bằng optocoupler PC817. Khi nút stop được nhấn, nguồn cung cấp bị ngắt và mạch điều khiển hãm bắt đầu hoạt động. Contactor B được cấp điện, kết nối tụ C1 vào hai pha động cơ và ngắt mạch start. Sau thời gian trễ t1 (0.12s), contactor D được cấp điện, kết nối tụ C2 song song với C1. Sau thời gian trễ t2 (0.2s), contactor E đóng, ngắn mạch hai pha động cơ và cấp nguồn một chiều (kích từ độc lập) để dừng động cơ hoàn toàn. Sau 1s, mạch điều khiển ngắt nguồn cho các contactor để bảo vệ động cơ. Thiết kế này đảm bảo quá trình hãm động cơ an toàn và hiệu quả, kết hợp nhiều phương pháp hãm động năng.

Phần này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tính toán tham số và lựa chọn linh kiện, đặc biệt là tụ điện cho hệ thống hãm động năng. Việc lựa chọn giá trị tụ điện, đặc biệt là tụ C1 (tụ điện đầu tiên), ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất phanh, tốc độ hãm và điện áp quá độ. Một giá trị tụ điện C1 cao hơn sẽ giúp giảm thời gian phanh, nhưng lại dẫn đến quá áp lớn hơn. Vì hiệu quả của tụ điện không tỉ lệ thuận với giá trị của nó và giá trị điện dung cao hơn tạo ra quá độ điện áp nghiêm trọng, nên cần cân bằng giữa thời gian phanh và điện áp quá độ. Do đó, giá trị tụ điện C1 được khuyến nghị khoảng 8-10 lần giá trị tối thiểu cần thiết cho hãm động năng tụ kích từ. Tụ điện cần được chọn với điện áp định mức khoảng 1.5 lần giá trị điện áp quá độ của động cơ. Việc tính toán giá trị điện dung cho tụ C2 tương tự như cho tụ C1. Các thông số mạch tương đương của động cơ (Rs, Rr, Xls, Xlr, Xm) được đo bằng các phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để phục vụ cho việc tính toán. Điện dung tối thiểu để tự kích thích được xác định dựa trên giá trị bão hòa của Xm. Các kết quả tính toán và thực nghiệm được so sánh để đảm bảo độ chính xác của thiết kế.