Điều khiển động cơ RTG bằng biến tần

Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ ba pha chiếm tỷ lệ rất lớn do kết cấu đơn giản, hoạt động ổn định, hiệu suất cao và giá thành thấp. Nguồn cung cấp điện trực tiếp từ lưới điện, với dải công suất rộng từ vài trăm W đến vài ngàn kW. Tuy nhiên, so với động cơ một chiều, hệ thống điều chỉnh tốc độ cho động cơ không đồng bộ có tỷ lệ nhỏ hơn. Sự phát triển của các linh kiện bán dẫn công suất như điôt, tranzitor, và thyristor đã tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc khai thác các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ sử dụng động cơ không đồng bộ, mở ra nhiều ứng dụng mới trong các ngành công nghiệp đòi hỏi sự chính xác cao về tốc độ và mô-men.

Biến tần là thiết bị quan trọng giúp thay đổi tần số và điện áp, từ đó điều chỉnh mô-men và đạt được tốc độ động cơ mong muốn. Việc sử dụng biến tần ngày càng phổ biến, nhất là trong các lĩnh vực đòi hỏi tốc độ và mô-men chính xác. Biến tần giúp khắc phục những hạn chế khi khởi động động cơ so với các phương pháp khác như khởi động trực tiếp, khởi động sao-tam giác, hay khởi động bằng biến áp tự ngẫu ba pha. Thêm vào đó, biến tần còn có ưu điểm tiết kiệm điện năng tiêu thụ. Tuy nhiên, các biến tần sử dụng thyristor thường gặp nhược điểm là sóng hài bậc cao trong điện áp xoay chiều đầu ra có biên độ lớn, ảnh hưởng đến sự ổn định của động cơ, đặc biệt ở tốc độ thấp. Sự ra đời của các linh kiện điện tử công suất điều khiển hoàn toàn như GTO và IGBT đã cải thiện đáng kể vấn đề này.

Bài báo đề cập đến biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều, trong đó biến tần sử dụng chỉnh lưu điều khiển bằng tiristor tạo ra nhiều sóng hài bậc cao, ảnh hưởng đến độ ổn định của động cơ, đặc biệt ở tốc độ thấp. Một loại biến tần khác được đề cập là sử dụng chỉnh lưu không điều khiển, qua bộ lọc tạo điện áp một chiều không đổi cấp cho khâu nghịch lưu. Linh kiện đóng cắt trong khâu nghịch lưu là các phần tử điều khiển hoàn toàn, được điều khiển với tần số cao, tạo ra xung hình chữ nhật có độ rộng thay đổi, cho phép điều chế biên độ điện áp của sóng cơ bản đầu ra. Loại biến tần này có thể hạn chế hoặc loại bỏ sóng hài bậc thấp, giúp động cơ hoạt động với điện áp biến thiên gần như hình sin, mô-men biến động nhỏ và mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ. Đặc điểm của biến tần điều khiển vector cũng được đề cập, nổi bật với việc sử dụng nghịch lưu điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) để cải thiện chất lượng điều tốc động cơ xoay chiều.

Transistor có cực điều khiển cách ly (IGBT) là một linh kiện bán dẫn công suất 3 cực, kết hợp khả năng đóng cắt nhanh và chịu tải lớn. IGBT được điều khiển bằng điện áp, nên công suất điều khiển yêu cầu rất nhỏ. Vùng làm việc an toàn (SOA) của IGBT được mô tả, cho thấy khả năng đóng cắt công suất suy giảm khi tần số làm việc càng cao. Cấu trúc n-p-n của IGBT làm cho điện áp thuận thấp hơn so với Mosfet, nhưng thời gian đóng cắt chậm hơn, đặc biệt khi khóa lại. IGBT được sử dụng rộng rãi trong các biến tần hiện đại, giúp khắc phục nhược điểm của các loại biến tần cũ hơn sử dụng thyristor, cho phép điều khiển chính xác hơn và hiệu quả hơn trong các ứng dụng công nghiệp. Một số nhược điểm của động cơ không đồng bộ ba pha cũng được nêu ra, bao gồm mô-men tỷ lệ với bình phương điện áp, khe hở không khí nhỏ làm giảm độ tin cậy, và vấn đề nóng quá mức khi điện áp lưới thay đổi.

Đồ án nghiên cứu hệ thống điều khiển cầu trục RTG (giàn bánh lốp) tại Xí nghiệp xếp dỡ Chùa Vẽ. Cầu trục RTG có các cơ cấu điều khiển chính gồm: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, và cơ cấu di chuyển giàn. Nguồn điện cho cầu trục được cung cấp bởi hệ thống diesel lai máy phát điện đồng bộ. Cầu trục RTG được đặc trưng bởi tính cơ động và năng suất cao. Hệ thống điều khiển cần đảm bảo tốc độ nâng phù hợp với tải trọng định mức để tối ưu năng suất bốc xếp và hiệu quả kinh tế. Tốc độ nâng quá cao dẫn đến kích thước và trọng lượng của các bộ truyền cơ khí lớn, làm tăng chi phí chế tạo. Ngược lại, tốc độ nâng quá thấp ảnh hưởng đến năng suất. Tốc độ nâng của RTG trong nghiên cứu này có thể đạt tới 45m/phút. Hệ thống điều khiển cần đáp ứng các yêu cầu về thời gian đảo chiều, thời gian hãm, khả năng làm việc liên tục trong chế độ quá độ (đảo chiều liên tục theo chu kỳ bốc xếp), gia tốc và độ dật.

Hệ thống điều khiển cầu trục RTG được thiết kế để vận hành đơn giản, với các cần điều khiển và nút bấm phanh hãm được bố trí hợp lý trên cabin. Các nút bấm cảnh báo và khẩn cấp cũng được bố trí thuận tiện. Hệ thống điều khiển cần đáp ứng yêu cầu công nghệ bốc xếp đa dạng, cụ thể là tốc độ cao khi nâng hạ móc không hoặc tải trọng nhẹ, và tốc độ thấp, ổn định khi hạ hàng hóa vào vị trí yêu cầu. Các hệ thống truyền động cần có các tốc độ trung gian. Nguyên lý cấp nguồn cho hệ thống bao gồm: Khởi động máy phát điện xoay chiều (ACG), đóng cầu dao MCB1 để kiểm tra điện áp và tần số, cấp nguồn cho bộ điều khiển máy phát. Tiếp theo, đóng cầu dao MCB2 để cấp nguồn cho hệ thống đo lường. Các cầu dao MCB3, MCB4, MCB6, MCB7, MCB8 và MCB9 được sử dụng để cấp nguồn cho các bộ biến tần (INV1, INV2, INV3), các cơ cấu phụ, hệ thống phanh hãm, động cơ bơm hơi, hệ thống chống lắc, quạt làm mát, v.v... Hệ thống còn có chức năng bảo vệ quá tải cho cơ cấu nâng hạ hàng.

Hệ thống điện của cầu trục RTG bao gồm máy phát điện xoay chiều (ACG), hệ thống đo lường (máy biến dòng, máy biến điện áp, vôn kế, ampe kế), và một module tín hiệu DO 200VAC để điều khiển các công tắc tơ. Việc liên lạc giữa CPU của PLC và màn hình hiển thị, báo lỗi được thực hiện qua cáp quang và giao diện T-LINK. Người sử dụng có thể kiểm tra và thay đổi thông số qua giao diện RS232 kết nối với máy tính. Hệ thống sử dụng biến tần (INV1, INV2, INV3) để điều khiển động cơ nâng hạ, di chuyển xe cầu và di chuyển xe con. Tóm lại, toàn bộ quy trình công nghệ và chương trình hoạt động của cầu trục đã được lập trình và cài đặt sẵn, nhưng người dùng vẫn có thể can thiệp và điều chỉnh thông số nếu cần thiết. Điều này đảm bảo sự linh hoạt và khả năng tùy biến hệ thống theo nhu cầu thực tế.

Bài báo thảo luận về các loại biến tần, tập trung vào biến tần gián tiếp. Một loại biến tần gián tiếp sử dụng chỉnh lưu điều khiển bằng thyristor, tạo ra điện áp (dòng điện) đầu ra khác xa dạng sin, gây ra nhiều sóng hài bậc cao và làm mô-men biến động lớn, ảnh hưởng đến sự ổn định của động cơ, đặc biệt ở tốc độ thấp. Nhược điểm này hạn chế việc ứng dụng trong các hệ thống hiện đại. Tuy nhiên, sự ra đời của các linh kiện điện tử công suất điều khiển hoàn toàn (GTO, IGBT) đã cải thiện đáng kể tình hình. Một loại biến tần gián tiếp khác được đề cập sử dụng chỉnh lưu không điều khiển, tạo ra điện áp một chiều ổn định cấp cho khâu nghịch lưu. Khâu nghịch lưu sử dụng các phần tử điều khiển hoàn toàn, đóng cắt với tần số cao, tạo ra xung hình chữ nhật có độ rộng thay đổi để điều chế biên độ điện áp, đáp ứng yêu cầu điều khiển tần số và điện áp của hệ thống. Loại biến tần này cho phép nhận được đồ thị điện áp đầu ra tốt hơn, hạn chế sóng hài, và mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ.

Biến tần điều khiển vector được đề cập như một giải pháp tiên tiến. Sự xuất hiện của các linh kiện bán dẫn công suất điều khiển hoàn toàn dẫn đến việc sử dụng nghịch lưu điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM), cải thiện chất lượng điều tốc động cơ xoay chiều. Mạch điện của biến tần này đơn giản hơn, với hệ số công suất gần 1. Tuy nhiên, ở các hệ điều tốc vòng kín dùng biến tần gián tiếp SPWM, chất lượng động vẫn chưa đạt được như hệ thống điều tốc hai mạch vòng động cơ một chiều. Đặc điểm chính của mạch điện chỉ có một khâu công suất điều khiển, đơn giản hóa cấu trúc và hệ số công suất của mạng điện không phụ thuộc vào biên độ điện áp đầu ra. So với các hệ điều tốc vòng kín khác, biến tần gián tiếp SPWM đã cải thiện đáng kể chất lượng tĩnh, nhưng chất lượng động vẫn còn hạn chế. Điều này cho thấy sự cần thiết phải tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả hơn.

Bài báo phân tích hai phương pháp điều khiển tốc độ động cơ: điều khiển vòng kín (close loop control) và điều khiển vòng hở (open loop control). Điều khiển vòng hở dựa trên luật điều khiển V/F hoặc điều khiển bù trượt (slip compensation), đơn giản nhưng độ chính xác phụ thuộc vào mức độ thay đổi mô-men cản. Điều khiển vòng kín sử dụng phản hồi từ các tín hiệu như dòng điện, tốc độ, từ thông. Các phương pháp điều khiển vòng kín bao gồm điều khiển trượt theo tần số (slip-frequency control) và điều khiển vector (vector control), cả loại có và không cần cảm biến. Điều khiển vector được xem là phương pháp hiện đại hơn, cho phép điều khiển chính xác hơn mô-men và tốc độ, đặc biệt phù hợp với các tải đòi hỏi phản hồi nhanh và độ chính xác cao. Trong khi đó, phương pháp điều khiển V/f đơn giản hơn, phù hợp với các tải không đòi hỏi phản hồi nhanh, ví dụ như quạt gió và bơm. Điều khiển bù trượt là một phương pháp vòng hở, sử dụng tín hiệu dòng điện đầu ra để điều khiển mô-men, so sánh với tín hiệu đặt tần số để thực hiện luật V/f, nhưng được coi là phương pháp điều khiển thô.

Phần này so sánh hệ thống điều khiển vector với phương pháp điều khiển V/f (tần số/điện áp) đơn giản hơn. Hệ thống điều khiển vector được mô tả là một hệ thống hoàn thiện hơn về điều khiển tốc độ động cơ. Các tín hiệu được đưa về hệ vi xử lý để tính toán và biến đổi, tạo ra tín hiệu điều khiển phù hợp với tải. Hệ thống điều khiển vector có ưu điểm là phù hợp cho các đối tượng đòi hỏi phản ứng nhanh và độ chính xác cao, với quy trình tăng giảm tốc độ nhanh và dải tốc độ động cơ rộng. Điều khiển V/f, ngược lại, được sử dụng khi tốc độ động cơ gần như không đổi mặc dù mô-men thay đổi trong một dải tần số nhất định. Hệ số trượt nhỏ hơn 10% khi mô-men cản thay đổi trong dải cho phép. Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi tần số và điện áp ra của biến tần dựa trên quy luật V/f là phương pháp đơn giản nhưng ít chính xác hơn vector control.

Điều khiển vector, hay còn gọi là điều khiển tựa từ thông rôto (FOC), được mô tả là phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha tương tự như động cơ một chiều. Tín hiệu phản hồi từ encoder (PG) và cảm biến dòng điện (current detector) được đưa vào bộ vi xử lý. Tín hiệu phản hồi tốc độ được so sánh với tốc độ đặt, bộ vi xử lý tính toán góc teta để xác định vector điều chế Us. Để tính toán thành phần isd và isq, cần biết từ thông rôto, đại lượng khó đo trực tiếp (có thể đo bằng cảm biến Hall). Vì vậy, người ta thường ước lượng từ thông. Tín hiệu dòng điện từ các biến dòng đặt tại đầu ra biến tần được chuyển đổi sang hệ tọa độ mới (isanpha và isbeta), rồi chuyển sang hệ dq với góc teta đã tính toán. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi mô-men (thay đổi dòng phần ứng) và từ thông (thay đổi dòng kích thích) để đạt được tốc độ mong muốn. Điều này cho thấy sự phức tạp hơn nhưng chính xác hơn so với phương pháp điều khiển V/f.

Một biểu đồ mô men điện từ của động cơ cho thấy trong khoảng thời gian 0.5s, khi đặt tốc độ cần là 500 và mô-men cản là 0, dòng điện quá độ vẫn nhỏ hơn so với chế độ làm việc khác. Điều này chứng minh hiệu quả của điều khiển vector trong việc giảm thiểu dòng điện quá độ. Hệ thống điều khiển vector được sử dụng trong đồ án này, cụ thể trên cầu trục RTG (QC) tại Xí nghiệp xếp dỡ Chùa Vẽ, cho thấy khả năng ứng dụng thực tiễn của phương pháp này. Việc sử dụng điều khiển vector giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành của cầu trục, đáp ứng yêu cầu chính xác và nhanh chóng trong các thao tác nâng hạ và di chuyển hàng hóa. So với các phương pháp điều khiển khác, điều khiển vector mang lại nhiều lợi ích về độ chính xác, tốc độ phản hồi và hiệu quả năng lượng, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi sự chính xác cao như hệ thống cầu trục RTG.