1.2.2 Ứng dụng của động cơ điện một chiều - Trong đời sống con người: động cơ điện một chiều được sử dụng rấtphổ biến trong nhiều lĩnh vực như : + Các bộ phận khởi động của ôtô, xe máy
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Giới thiệu chung về động cơ điện
Động cơ điện, còn gọi là motor điện, là máy điện dùng để chuyển đổi điện năng thành cơ năng, phục vụ trong các thiết bị gia đình như quạt điện, tủ lạnh, máy giặt, máy bơm nước và máy hút bụi Các động cơ này giúp quay bánh công tác của bơm, quạt, máy nén hoặc nâng vật liệu, góp phần vận hành hiệu quả các thiết bị dân dụng và công nghiệp Máy phát điện là thiết bị ngược lại, chuyển đổi cơ năng thành điện năng, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống cung cấp điện Động cơ điện không chỉ phổ biến trong gia đình mà còn đóng vai trò then chốt trong các ứng dụng công nghiệp, nâng cao năng suất và hiệu quả công việc.
Hì nh 1.1: Hình ảnh của động cơ điện
1.1.1 Ứng dụng của động cơ điện
Trong cuộc sống hàng ngày, động cơ điện đóng vai trò quan trọng trong hầu hết các lĩnh vực, từ những thiết bị nhỏ như lò vi sóng, máy đọc đĩa, đến các thiết bị gia dụng như máy giặt, máy khoan, thang máy và hệ thống thông gió Ngoài ra, động cơ điện còn được sử dụng rộng rãi trong vận chuyển, đặc biệt trong các phương tiện như đầu máy xe lửa tại nhiều quốc gia.
Trong giao thông vận tải động cơ điện được ứng dụng trong các phương tiện giao thông như: Xe đạp điện, xe ô tô điện, xe lai…
Trong công nghệ máy tính: Động cơ điện được sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang (chúng là các động cơ bước rất nhỏ)
1.1.2 Phân loại động cơ điện
Động cơ điện có nhiều loại khác nhau, nhưng dựa trên chức năng, người ta phân thành hai nhóm chính là động cơ một chiều và động cơ xoay chiều Mỗi loại động cơ này còn được chia thành nhiều loại nhỏ phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.
Hình 1.2: Các loại động cơ điện chính
Các loai động cơ được phân loại dựa trên nguồn cung năng lượng, cấu trúc động cơ và cơ chế vận hành
1.1.3 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện
Động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển động (rotor), đều được quấn nhiều vòng dây dẫn hoặc trang bị nam châm vĩnh cửu, giúp tạo ra từ trường Khi cuộn dây trên rotor và stator được kết nối với nguồn điện, các từ trường phát sinh tương tác, từ đó sinh ra mômen quay hoặc chuyển động quay của rotor quanh trục Đây chính là nguyên lý hoạt động chính của động cơ điện, giúp biến năng lượng điện thành năng lượng cơ học hiệu quả.
Hầu hết các động cơ điện hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ, tuy nhiên, còn có các loại động cơ sử dụng nguyên lý khác như lực tĩnh điện và hiệu ứng điện áp Nguyên lý cốt lõi của các động cơ điện từ là tạo ra lực cơ học trên một cuộn dây có dòng điện chạy qua nằm trong từ trường, theo định luật lực Lorentz, và lực này vuông góc với cả cuộn dây lẫn từ trường.
Động cơ điện chủ yếu là động cơ xoay, trong đó phần chuyển động gọi là rotor, còn phần cố định gọi là stator Tuy nhiên, cũng có loại động cơ tuyến tính, trong đó phần chuyển động là tuyến tính thay vì quay tròn Động cơ xoay chiếm ưu thế nhờ khả năng vận hành rộng rãi, còn động cơ tuyến tính thường được sử dụng trong các ứng dụng cần di chuyển tuyến tính chính xác.
Động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều (DC motor) là loại máy điện hoạt động dựa trên nguồn điện một chiều Chúng có khả năng vận hành linh hoạt, có thể hoạt động ở chế độ máy phát điện hoặc chế độ động cơ điện Hình 1.3 minh họa một động cơ điện sử dụng dòng điện 1 chiều, thể hiện rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của loại máy này.
Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vẫn đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp Động cơ điện một chiều nổi bật với khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt, phù hợp cho các ngành yêu cầu kiểm soát tốc độ chính xác như cán thép, hầm mỏ và vận tải Máy phát điện và các ứng dụng khác của máy điện một chiều cũng góp phần nâng cao hiệu quả và ứng dụng trong các điều kiện làm việc đa dạng.
1.2.2 Ứng dụng của động cơ điện một chiều
- Trong đời sống con người: động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực như :
+ Các bộ phận khởi động của ôtô, xe máy, máy kéo…
+ Các hệ truyền động có công suất nhỏ như quạt điện, máy xay sinh tố, động cơ bơm nước…
+ Lĩnh vực nghiên cứu, giảng dạy…
Trong ngành công nghiệp, động cơ điện một chiều đóng vai trò cực kỳ quan trọng nhờ khả năng kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn vượt trội, giúp vận hành hiệu quả các máy cắt kim loại và thiết bị công cụ Ngoài ra, loại động cơ này còn được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống giao thông vận tải như tàu điện và xe điện, góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền của các phương tiện.
1.2.3 Phân loại động cơ điện một chiều
Khi xem xét động cơ điện một chiều và máy phát điện một chiều, người ta phân loại dựa vào phương pháp kích từ Dựa trên nguyên lý này, động cơ điện một chiều được chia thành các loại chính như động cơ kích từ độc lập, động cơ kích từ song song và động cơ kích từ phân cực Việc lựa chọn loại động cơ phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng và yêu cầu điều khiển trong hệ thống điện Các loại này đều có đặc điểm riêng về cấu tạo, cách thức hoạt động và khả năng điều chỉnh công suất phù hợp với từng mục đích sử dụng.
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng biệt, đảm bảo nguồn điện kích từ không liên hệ trực tiếp với phần ứng của máy Loại động cơ này hoạt động ổn định nhờ sự tách biệt giữa dòng điện phần ứng và dòng điện phần kích từ, giúp kiểm soát tốt hơn quá trình vận hành Chính vì vậy, động cơ một chiều kích từ độc lập thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu điều chỉnh tốc độ chính xác và ổn định.
+) Động cơ điện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ nối song song với phần ứng
+) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp bao gồm hai dây quấn kích từ, trong đó có một cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng Loại động cơ này kết hợp ưu điểm của cả hai kiểu kích từ, giúp nâng cao hiệu suất và khả năng điều chỉnh tốc độ Đặc trưng của động cơ kích từ hỗn hợp là khả năng điều chỉnh mô-men xoắn và tốc độ linh hoạt, phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau.
1.2.4 Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm có các bộ phận chính sau:
- Hệ thống chổi than, vành góp
Hình 1.4: Một số bộ phận của động cơ điện một chiều
Hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường, gồm có :
Gông từ chính là bộ phận tạo ra từ trường trong máy điện, gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ bên ngoài lõi sắt Các cực từ được gắn chắc chắn vào vỏ máy bằng các bulông, góp phần giữ cho cấu trúc vững chắc Một cặp cực từ (đôi cực) gồm có cực nam và cực bắc đặt đối xứng qua trục động cơ, phù hợp với từng loại máy Trong các máy điện nhỏ, cực từ thường được chế tạo bằng thép khối để đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu.
+) Lõi sắt: làm bằng lá thép kĩ thuật điện (thép cacbon) dày từ 0.5-1 mm, được ép và tán chặt lại với nhau thành một khối
Dây quấn kích từ được làm bằng dây đồng có bọc cách điện, đảm bảo an toàn và độ bền cao Mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ lưỡng thành từng khối riêng biệt, giúp đảm bảo tính cách điện và ổn định trong quá trình hoạt động Trước khi đặt lên cực từ, dây quấn đều được tẩm sơn cách điện nhằm nâng cao khả năng chống chịu và tuổi thọ của sản phẩm.
Hình 1.5: Cực từ chính của động cơ một chiều b) Cực từ phụ: Đặt giữa các cực từ chính với tác dụng cải thiện đổi chiều,
Cực từ phụ được làm bằng thép khối trên đặt các cuộn dây quấn Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bu lông
Cực từ phụ bao gồm:
+) Lõi thép : làm bằng thép khối
Dây quấn được làm bằng đồng, bọc cách điện, mỗi cuộn dây đều được tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên cực từ phụ để đảm bảo cách điện an toàn Gông từ đóng vai trò là mạch từ nối liền các cực từ chính, đồng thời tạo thành vách máy, giúp từ thông móc vòng qua các cuộn dây và khép kín trong mạch từ Trong các máy điện lớn, gông từ thường được chế tạo bằng thép đúc chắc chắn, còn trong các máy điện nhỏ, gông từ được làm bằng thép lá uốn thành hình trụ tròn rồi hàn lại để đảm bảo khả năng dẫn từ tốt Ngoài ra, trong các động cơ điện nhỏ, vỏ máy thường được làm bằng gang để tăng độ bền và cách điện.
Nắp máy có vai trò bảo vệ các chi tiết bên trong khỏi tác động của ngoại lực, ngăn chặn các vật thể lạ rơi vào gây hỏng hóc như cuộn dây, mạch từ Đồng thời, nắp máy còn đảm bảo an toàn cho người sử dụng bằng cách tránh tiếp xúc trực tiếp với các bộ phận điện có dòng điện cao Trong các máy điện nhỏ và vừa, nắp máy còn tích hợp chức năng làm giá đỡ ổ bi, giúp tăng độ ổn định và bền bỉ của máy Thường thì nắp máy được chế tạo từ chất liệu gang để đảm bảo độ bền và khả năng chịu lực tốt.
Cơ cấu chổi than đóng vai trò quan trọng trong việc truyền dòng điện vào hoặc ra khỏi máy, tùy thuộc vào loại máy như động cơ hoặc máy phát điện Chổi than được đặt trong hộp chổi than, cố định nhờ lò xo tì chặt lên cổ góp để đảm bảo tiếp xúc điện tốt Hộp chổi than được gắn chắc chắn trên giá chổi than và cách điện an toàn với giá Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than chính xác, sau đó cố định bằng vít để đảm bảo duy trì vị trí tốt nhất trong quá trình hoạt động.
1.2.3.2 Rotor: Là phần quay của động cơ, bao gồm:
Lõi sắt phần ứng có tác dụng dẫn từ hiệu quả nhờ vào cấu tạo từ lá thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0.5mm, được phủ lớp cách điện mỏng ở hai mặt và ép chặt để giảm tổn hao do dòng xoáy gây ra Các lá thép này còn được dập các rãnh nhằm tạo chỗ đặt cuộn dây phần ứng khi ép thành hình trụ tròn, giúp tăng khả năng dẫn từ Lõi sắt được ép cứng vào trục, tạo thành một khối thống nhất chắc chắn, đảm bảo hoạt động ổn định của bộ phận phần ứng.
Hình 1.6: Lõi sắt phần ứng rotor của động cơ điện một chiều
Trong các động cơ trung bình trở lên, người ta thường dập các lỗ thông gió trên lõi sắt để tạo các lỗ thông gió dọc trục, giúp tăng khả năng làm mát Đối với các động cơ điện lớn hơn, lõi sắt thường được chia thành những đoạn nhỏ, giữa các đoạn này có khe hở thông gió nhằm tăng hiệu quả làm mát khi gió thổi qua Các khe hở thông gió đóng vai trò quan trọng trong việc giảm nhiệt độ hoạt động của máy, đảm bảo độ bền và hiệu suất của động cơ điện.
Trong các động cơ điện, cấu trúc phần ứng đóng vai trò quan trọng Đối với động cơ nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục nhằm tối ưu không gian và giảm thiểu trọng lượng Trong các động cơ lớn hơn, người ta đặt giá rotor giữa trục và lõi sắt để tiết kiệm thép kỹ thuật điện, giúp giảm trọng lượng rotor Dây quấn phần ứng có chức năng sinh ra sức điện động và dòng điện chạy qua, được làm bằng dây đồng có lớp cách điện và quấn cẩn thận trong các rãnh của lõi thép; trong các máy nhỏ, dây quấn có tiết diện tròn, còn trong các máy công suất vừa và lớn, tiết diện dây là hình chữ nhật để phù hợp với yêu cầu kỹ thuật Khi lắp dây quấn vào rãnh rotor, người ta dùng các nêm chèn để cố định, tránh dây bị văng ra ngoài do tác động của lực điện từ trong quá trình hoạt động Cổ góp, hay còn gọi là vành góp, có chức năng chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều Cổ góp gồm nhiều phiến đồng ghép thành hình trụ và ép chặt vào trục, các phiến được cách điện bằng các tấm mên dày từ 0,4 đến 1,2mm; các đuôi phiến góp cao hơn để hàn đầu dây quấn phần ứng, mỗi phiến góp chỉ hàn một đầu dây, tạo thành các cuộn dây phần ứng nối tiếp nhằm đảm bảo hoạt động hiệu quả của động cơ.
Hình 1.7: Cổ góp của rotor của động cơ điện một chiều d ) Các bộ phận khác bao gồm :
Cánh quạt giúp làm nguội máy bằng cách hút gió từ bên ngoài qua các khe hở trên nắp máy, được lắp trên trục động cơ Khi động cơ hoạt động, gió được thổi vào để làm mát dây quấn và mạch từ, đảm bảo hoạt động hiệu quả của máy.
+) Trục máy : Là bộ phận trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt, ổ bi… Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt
1.2.3.3 Hệ thống chổi than – vành góp
Động cơ điện xoay chiều
Ở động cơ xoay chiều ta tìm hiểu và xét đến động cơ xoay chiều không đồng bộ
Hình 1.12: Động cơ không đồng bộ 3 pha, rotor lồng sóc [7]
1.3.1 Khái niệm chung Động cơ điện không đồng bộ là loại động cơ xoay chiều làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của rôto n ( tốc độ quay của máy ) khác với tốc độ quay của từ trường n1 Động cơ điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, nghĩa là có thể làm việc ở chế độ động cơ điện và máy phát điện Động cơ điện không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt
1.3.2 Ứng dụng của động cơ xoay chiều
Máy điện không đồng bộ là loại động cơ điện xoay chiều phổ biến, đặc biệt sử dụng rotor lồng sóc, nhờ vào nhiều ưu điểm vượt trội như kết cấu đơn giản, độ bền chắc chắn và hiệu suất hoạt động cao Với giá thành hợp lý, động cơ không đồng bộ được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp và cuộc sống hàng ngày.
Trong ngành công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được sử dụng như nguồn động lực chính cho các máy cán thép vừa và nhỏ, cũng như cho các thiết bị máy công cụ trong các nhà máy công nghiệp nhẹ Việc chọn lựa động cơ phù hợp giúp nâng cao hiệu suất vận hành và đảm bảo hoạt động liên tục của dây chuyền sản xuất Động cơ không đồng bộ có ưu điểm về độ bền, kinh tế và dễ bảo trì, phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau.
Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm.
Trong đời sống hàng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng thiết thực như quạt gió, động cơ trong tủ lạnh và máy quay đĩa, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động và tiện ích cho cuộc sống hàng ngày.
Với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng mở rộng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các ngành công nghiệp hiện đại.
1.3.3 Phân loại động cơ xoay chiều Động cơ điện xoay chiều được sản xuất với nhiều kiểu và công suất khác nhau và có thể phân loại như sau:
- Theo sơ đồ nối điện có thể phân ra làm 2 loại:
- Theo tốc độ có thể phân thành 2 loại:
+ Động cơ không đồng bộ a ) Động cơ điện đồng bộ:
Động cơ đồng bộ hoạt động ở tốc độ không đổi được xác định bởi tần số của hệ thống, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu ổn định và chính xác về tốc độ Loại động cơ này cần có nguồn dòng điện một chiều để kích thích, có mômen khởi động thấp, thích hợp cho các thiết bị khởi động ở mức tải thấp như máy nén khí và máy phát điện Động cơ đồng bộ còn giúp cải thiện hệ số công suất của hệ thống điện, làm tăng hiệu quả vận hành Chính vì những đặc điểm này, động cơ đồng bộ thường được sử dụng trong các hệ thống cần khả năng hoạt động ổn định và tối ưu công suất.
Hình1.13: Động cơ đồng bộ
- Cấu tạo của động cơ đồng bộ:
Rotor là yếu tố khác biệt chính giữa động cơ đồng bộ và không đồng bộ Trong đó, rotor của động cơ đồng bộ quay cùng tốc độ với từ trường quay, giúp đảm bảo hiệu quả truyền động cao và ổn định Điều này làm cho động cơ đồng bộ phù hợp với ứng dụng yêu cầu tốc độ cố định và độ chính xác cao.
Stator tạo ra từ trường quay tỷ lệ thuận với tần số cung cấp, đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận hành của động cơ Động cơ quay với tốc độ đồng bộ được xác định bởi phương trình N= 120f/p, trong đó N là tốc độ quay của động cơ, f là tần số dòng điện cung cấp, và p là số cực của máy Hiểu rõ mối quan hệ này giúp tối ưu hóa hiệu suất và điều chỉnh tốc độ của động cơ một cách chính xác.
P: số cực từ b ) Động cơ không đồng bộ
Hình1.14: Các bộ phận của động cơ không đồng bộ
Động cơ điện xoay chiều là loại động cơ rất phổ biến trong công nghiệp, được sử dụng rộng rãi cho nhiều thiết bị khác nhau Nhờ vào thiết kế đơn giản, chi phí thấp và dễ dàng bảo trì, loại động cơ này trở thành lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng công nghiệp Đặc biệt, chúng có thể nối trực tiếp với nguồn điện xoay chiều, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cao trong vận hành.
Một động cơ không đồng bộ có hai bộ phận cơ bản sau:
+) Rotor: Trong động cơ không đồng bộ có 2 loại rotor:
• Rotor lồng sóc: Bao gồm các dẫn dầy đặt tại các rãnh song song, đầu thanh này được nối vào vòng đoản mạch
Rotor dây quấn có nhiều cực, giống như stator, được kết nối trong ba pha và các đầu dây này liên kết với vành trượt treo trên trục, tiếp xúc với chổi than để truyền điện và tạo ra từ trường cần thiết cho quá trình hoạt động của máy.
Stator là bộ phận chính của máy điện, gồm các vòng dập định hình có rãnh chứa cuộn dây 3 pha được quấn cho số cực nhất định Các cuộn dây này được bố trí trong không gian lệch nhau 120 độ để tạo ra từ trường đều và tối ưu hiệu suất hoạt động của máy.
- Phân loại động cơ không đồng bộ
Có thể phân động cơ không đồng bộ thành hai nhóm chính :
Động cơ không đồng bộ một pha là loại động cơ phổ biến nhất trong các thiết bị gia dụng như quạt, máy giặt và máy sấy quần áo, hoạt động bằng nguồn điện một pha với một cuộn dây stator và rotor lồng sóc Đặc điểm nổi bật của loại động cơ này là chỉ có một cuộn dây stator và yêu cầu thiết bị khởi động riêng để hoạt động hiệu quả Công suất của động cơ không đồng bộ một pha thường dao động trong khoảng 3 đến 4 mã lực, phù hợp cho các ứng dụng trong gia đình.
Động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng từ trường quay do nguồn cung cấp ba pha cân bằng sinh ra, giúp chúng hoạt động hiệu quả và mạnh mẽ hơn Hầu hết các động cơ này đều có rotor lồng sóc, có khả năng khởi động tự (khởi động từ), phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp yêu cầu công suất lớn như máy bơm, máy nén, băng tải, lưới điện công suất cao và máy mài Khoảng 10% các động cơ trong ngành công nghiệp hiện nay là loại động cơ không đồng bộ ba pha, nhờ vào khả năng vận hành ổn định và độ bền cao.
Chúng thích hợp trong dải từ1/3 tới hàng trăm mã lực
1.3.4 Cấu tạo động cơ xoay chiều
Ta xét cấu tạo và nguyên lí làm việc của động cơ xoay chiều không đồng bộ
Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ gồm hai phần chính là phần tĩnh (stator) và phần động (rotor), cùng với vỏ máy và nắp máy để bảo vệ và hỗ trợ hoạt động của động cơ Cấu tạo này giúp động cơ hoạt động ổn định, mạnh mẽ và bền bỉ trong các ứng dụng công nghiệp và dân dụng.
Hình 1.16: Các bộ phận của động cơ không đồng bộ a ) Phần tĩnh (stator): Gồm có 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài
Hình1.17: Các bộ phận của stato của động cơ không đồng bộ
+) Lõi thép: Được dùng để dẫn từ, được chế tạo từ các lá thép kĩ thuật điện dày
0.35mm hoặc 0.5mm được dập thành rãnh bên trong, trên bề mặt có phủ sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện phu-cô Các lá thép được ghép thành hình trụ rỗng, bên trong hình thành các rãnh để đặt dây quấn, lõi thép được ép vào vỏ máy
Hình 1.18: Lõi thép stator của động cơ không đồng bộ [1]
CÁC PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI TỐC ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện một chiều
2.1.1 Khái quát chung Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trọng một phạm vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ đặc biệt, thiết bị đơn giản hơn và rẻ tiền hơn các thiết bị điều khiển của động cơ ba pha Vì một số ưu điểm như vậy cho nên động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp, trong giao thông vận tải
2.1.2 Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện một chiều
- Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng
- Phương pháp thay đổi từ thông Ф
- Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
2.1.2.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
Nguyên lý điều khiển trong phương pháp này dựa trên việc giữ điện áp U bằng Uđm và góc ф cố định, đồng thời nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng nhằm tăng điện trở phần ứng Điều này giúp điều chỉnh đặc tính của motor, nâng cao độ cứng của đường đặc tính cơ, từ đó kiểm soát tốt hơn quá trình vận hành và tăng hiệu suất làm việc của hệ thống.
(2.1) +) Ta thấy khi điện trở càng lướn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càng mềm hơn
Hình 2.1 trình bày sơ đồ nguyên lý và họ đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ Rf Khi Rf bằng 0, động cơ đạt độ cứng tự nhiên với giá trị lớn nhất, cho phép đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng cao hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ Do đó, việc thay đổi Rf sẽ dẫn đến sự giảm độ cứng của họ đặc tính cơ so với đặc tính cơ tự nhiên, giúp điều chỉnh đặc tính cơ của động cơ phù hợp với yêu cầu vận hành.
Đặc điểm của phương pháp:
+) Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm)
Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn thất năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ Trong thực tế, phương pháp này thường được sử dụng cho các động cơ điện trong cần trục để tối ưu hóa hiệu quả hoạt động.
Phương pháp đánh giá các chỉ tiêu không thể điều khiển liên tục mà phải thực hiện điều khiển nhảy cấp, với dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số momen tải Tải nhỏ hơn sẽ khiến dải điều chỉnh D= ωmax / ωmin trở nên nhỏ hơn, giúp tối ưu hóa hiệu suất điều khiển Phương pháp này cho phép điều chỉnh max / ωmax / ωmin càng nhỏ, đồng thời có khả năng điều chỉnh min càng nhỏ để phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật Với khả năng điều chỉnh trong dải D=3:1, phương pháp này đảm bảo linh hoạt và chính xác trong quá trình kiểm soát hệ thống.
+) Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản
2.1.2.2 Phương pháp thay đổi từ thông Ф
Để thay đổi từ thông trong động cơ giả thiết U=Uđm, Rư=const, ta có thể điều chỉnh dòng điện kích từ bằng cách thay đổi dòng điện trong mạch kích từ, chẳng hạn như nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hoặc thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ, nhằm mục đích kiểm soát từ thông và hiệu suất hoạt động của động cơ.
Khi động cơ hoạt động ở chế độ định mức với kích thích tối đa ф=фmax, phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh bằng cách tăng điện trở vào mạch kích từ, từ đó giảm từ thông ф nhằm điều chỉnh tốc độ Việc giảm ф dẫn đến tốc độ không tải lý tưởng tăng, đồng thời độ cứng đặc tính cơ giảm, giúp hình thành họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên, tối ưu hóa hoạt động của động cơ trong các điều kiện tải khác nhau.
Hình 2.2: Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông
Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông, dòng điện sẽ tăng và có thể vượt quá mức cho phép nếu mô-men không đổi Để đảm bảo dòng điện không vượt quá giá trị an toàn trong quá trình giảm từ thông, cần phải thực hiện các biện pháp thích hợp nhằm kiểm soát dòng điện và duy trì hiệu suất hoạt động của động cơ Điều này giúp tránh gây hư hỏng cho động cơ và tối ưu hoá hiệu quả làm việc của hệ thống.
Mt theo cùng tỷ lệ
Đặc điểm của phương pháp:
+) Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng
+) Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức,việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch
+) Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi
Trong quá trình đánh giá các chỉ tiêu điều khiển, nhận thấy sai số tốc độ lớn và đặc tính điều khiển nằm trên cùng dốc hơn so với đặc tính tự nhiên của máy Dải điều khiển phụ thuộc chủ yếu vào phần cơ của thiết bị, cho phép điều khiển trơn tru trong phạm vi điều chỉnh D=3:1 Nhờ công suất của cuộn dây kích từ nhỏ, dòng điện kích từ cũng nhỏ, từ đó tạo điều kiện điều khiển liên tục với hệ số ф gần bằng 1.
+) Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục
Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển
2.1.2.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển…các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk vì nguồn có cồn suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không Để đưa tốc độ động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng 1:10 hoặc hơn nữa
Hình 2.3: Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng
Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi, độ cứng của đặc tính cơ cũng không thay đổi, trong khi tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, cho thấy phương pháp điều chỉnh này là triệt để Để xác định phạm vi điều chỉnh tốc độ, ta nhận thấy tốc độ lớn nhất của hệ thống bị giới hạn bởi đặc tính cơ bản tại điện áp phần ứng định mức và từ thông giữ nguyên mức định mức Tốc độ nhỏ nhất trong dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về độ chính xác của sai số tốc độ và mômen khởi động, với các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ tương ứng khi mômen đạt mức định mức.
(2.6) Để thỏa mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: Mnmmin= Mcmax=KM.Mđm
Hệ số quá tải về mômen (KM) đóng vai trò quan trọng trong đánh giá khả năng chịu tải của cơ cấu Do đặc tính của các đường thẳng song song trong đặc tính cơ, có thể xác định độ cứng của cơ dựa trên các phương trình liên quan đến KM Việc hiểu rõ về mối liên hệ giữa hệ số quá tải và đặc tính cơ giúp cải thiện thiết kế và đảm bảo tính an toàn của các hệ thống cơ khí Trong quá trình tính toán, các đường thẳng song song thể hiện rõ ràng phương trình mô men, từ đó xác định chính xác độ cứng đặc tính cơ Đây là yếu tố then chốt để tối ưu hóa hiệu suất và độ bền của các kết cấu kỹ thuật dựa trên đặc tính cơ học của vật liệu.
Hình 2.4: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp [7]
Trong một cơ cấu máy cụ thể, tỷ lệ ωmax/ωmin càng nhỏ cho thấy khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt hơn Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng này cho phép xác định chính xác các tham số như điện áp tối đa (0max), mô-men động cơ (Mđm) và hệ số điều chỉnh (KM), góp phần mở rộng phạm vi điều chỉnh D dựa trên tính tuyến tính của độ cứng Khi sử dụng thiết bị nguồn điều chỉnh để điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ, điện trở tổng của mạch phần ứng thường gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng của chính động cơ, giúp cải thiện hiệu suất và kiểm soát tốc độ tốt hơn.
Do đó có thể tính sơ bộ được:
Tải có đặc tính mômen không đổi dẫn đến phạm vi điều chỉnh tốc độ không vượt quá 10 Các máy yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì hệ thống hở không phù hợp để đáp ứng yêu cầu này.
Trong phạm vi phụ tải cho phép, đặc tính cơ tĩnh của hệ truyền động một chiều kích từ độc lập có thể coi là tuyến tính Việc điều chỉnh điện áp phần ứng ảnh hưởng đến độ cứng của hệ, với đặc tính cơ giữ nguyên trong toàn dải, dẫn đến độ sụt tốc tương đối đạt giá trị lớn nhất tại điểm thấp nhất của dải điều chỉnh Nếu sai số tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất không vượt quá giá trị cho phép, hệ truyền động vẫn đảm bảo hoạt động với độ chính xác phù hợp trong toàn bộ dải điều chỉnh Do đó, hệ truyền động có thể vận hành ổn định trong phạm vi điều chỉnh, duy trì sai số tốc độ trong giới hạn cho phép.
Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện xoay chiều
Trong động cơ điện xoay chiều ta xét tới việc điều khiển động cơ xoay chiều không đồng bộ
2.2.1 Khái quát chung Động cơ điện xoay chiều được dùng rất phổ biến trong một dải công suất rộng
Trong các hệ thống yêu cầu điều chỉnh tốc độ, đặc biệt với dải điều chỉnh rộng, động cơ xoay chiều truyền thống gặp nhiều khó khăn và ít được sử dụng hơn so với động cơ một chiều Tuy nhiên, nhờ sự phát triển của công nghệ điện tử và bán dẫn, khả năng điều chỉnh tốc độ của động cơ xoay chiều không đồng bộ đã được cải thiện đáng kể, mang lại hiệu quả và linh hoạt hơn trong các ứng dụng công nghiệp.
Việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp nhiều khó khăn do các tham số của máy biến đổi theo thời gian và cấu trúc phức tạp hơn so với động cơ điện một chiều, làm tăng độ phức tạp trong quá trình điều chỉnh và vận hành.
Các phương pháp điều khiển phổ biến:
• Điều khiển điện áp stator
• Điều khiển điện trở rotor
• Điều khiển công suất trượt rotor
2.2.2 Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 2.2.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực Đây là cách điều chỉnh tốc độ có cấp Đặc tính cơ thay đổi vì tốc độ đồng bộ
Động cơ có thể thay đổi số đôi cực nhờ vào thiết kế đặc biệt của cuộn dây stator, cho phép điều chỉnh cách nối dây để phù hợp với các số đôi cực khác nhau Các đầu dây nối được đưa ra các hộp đấu dây ở vỏ động cơ, giúp dễ dàng thay đổi kết nối Trong khi đó, số đôi cực của cuộn dây rotor cũng phải được điều chỉnh tương ứng, tuy nhiên, việc này khá khó khăn đối với động cơ rotor dây quấn Đối với rotor lồng sóc, khả năng tự thay đổi số đôi cực theo stator giúp cải thiện hiệu suất và linh hoạt trong vận hành Động cơ rotor lồng sóc thường được chế tạo sẵn với các cuộn dây stator có thể đổi nối để thay đổi số đôi cực, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Để thay đổi số cặp cực của động cơ không đồng bộ, việc chia cuộn dây thành các đoạn là cần thiết, thường là chia thành hai đoạn (cuộn dây có điểm giữa) Có hai cách đổi nối dây để thực hiện điều này, giúp điều chỉnh số cặp cực phù hợp với yêu cầu vận hành của động cơ.
- Đổi nối từ tam giác sang sao kép; sơ đồ nối dây như trên hình 2.5
- Đổi nối từ sao sang sao kép; sơ đồ nối dây như trên hình 2.5
Hình 2.5: Sơ đồ đổi nối dây quấn stator
Khi chuyển từ từ nối đơn sang từ nối kép, số cặp cực giảm đi một nửa, dẫn đến tốc độ không tải tăng gấp đôi Quá trình này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của mạch, giúp cải thiện tốc độ và hoạt động của thiết bị Việc thay đổi cấu trúc kết nối là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa tốc độ và độ ổn định của hệ thống.
Mặt khác Ta có tốc độ của động cơ điện không đồng bộ là: n = n1.(1-s) = (vg/ph)
Từ công thức trên ta có thấy để thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ ta có thể thay đổi bằng cách thay đổi số đôi cực
Số đôi cực từ trường quay phụ thuộc vào cấu tạo của dây quấn, ảnh hưởng đến hiệu suất và tốc độ của động cơ Động cơ điện không đồng bộ có cấu tạo dây quấn dễ thay đổi số đôi cực, giúp điều chỉnh tốc độ một cách linh hoạt Loại động cơ này thường được gọi là động cơ nhiều cấp tốc độ, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi điều chỉnh tốc độ liên tục.
Có nhiều cách để thay đổi số đôi cực của dây quấn stator:
+) Đổi cách nối dây để có số đôi cực khác nhau Dùng trong động cơ điện hai tốc độ theo tỷ lệ 2:1
+) Trên rãnh stator đặt 2 dây quấn độc lập có số đôi cực khác nhau, thường để đạt hai tốc độ theo tỷ lệ 4:3 hoặc 6:5
Trên rãnh stator được lắp đặt hai dây quấn độc lập, mỗi dây quấn có số đôi cực khác nhau Các dây quấn này có thể thay đổi cách nối để tạo ra các số đôi cực khác nhau, giúp động cơ điện hoạt động linh hoạt với từ 3 đến 4 tốc độ khác nhau.
Hình 2.6: Sơ đồ đổi số đôi cực [1]
Dây quấn rotor trong động cơ không đồng bộ có số đôi cực bằng với số đôi cực của dây quấn stator Khi thay đổi số đôi cực của dây quấn stator để điều chỉnh tốc độ, dây quấn rotor cũng phải được đấu lại, gây bất tiện Do đó, loại động cơ này không phù hợp để điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực.
2.2.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp động cơ (điện áp đặt vào mạch stator)
Phương pháp này được thực hiện khi giữ nguyên tần số hoạt động của động cơ Điện áp cung cấp cho động cơ được lấy từ một bộ biến đổi điện áp xoay chiều, có thể là máy biến áp tự ngẫu hoặc bộ biến đổi điện áp bán dẫn Việc sử dụng bộ biến đổi điện áp giúp kiểm soát điện áp hiệu quả, đảm bảo hoạt động ổn định của động cơ trong các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa Đây là giải pháp tối ưu để điều chỉnh điện áp phù hợp, duy trì hiệu suất và tuổi thọ của động cơ.
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý và họ đặc tính của động cơ không đồng bộ khi thay đổi điện áp đặt vào mạch stator[7]
Thay đổi điện áp chủ yếu chỉ ảnh hưởng đến phía giảm dưới giá trị định mức, dẫn đến mômen tới hạn giảm nhanh theo bình phương của điện áp Điều này cho thấy rằng việc điều chỉnh điện áp có tác động rõ rệt đến khả năng làm việc của hệ thống, đặc biệt là trong việc kiểm soát mômen tới hạn Chính vì vậy, kiểm soát điện áp chính xác là yếu tố quan trọng để duy trì ổn định và hiệu quả hoạt động của thiết bị.
Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ thường có độ trượt tới hạn nhỏ, vì vậy phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm điện áp thường đi kèm với việc tăng điện trở phụ trong mạch rotor Việc này giúp tăng độ trượt tới hạn, từ đó mở rộng dải điều chỉnh tốc độ của động cơ.
Khi điện áp đặt vào động cơ giảm, mômen tới hạn của các đặc tính cơ giảm, dẫn đến giảm khả năng chịu tải của động cơ Trong khi đó, tốc độ không tải lý tưởng (hoặc tốc độ đồng bộ) vẫn giữ nguyên, làm cho độ cứng đặc tính cơ giảm theo Điều này gây ra giảm độ ổn định tốc độ của động cơ, khiến nó kém ổn định hơn khi hoạt động ở tốc độ thấp.
2.2.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rotor
Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ rotor dây quấn và được sử dụng rộng rãi vì tính đơn giản của nó Sơ đồ nguyên lý cùng các đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phần ứng thể hiện rõ qua hình 2.1.
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý và họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phần ứng động cơ không đồng bộ [1]
+) Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ về phía giảm
+) Tốc độ càng giảm, đặc tính cơ càng mềm, tốc độ động cơ càng kém ổn định trước sự lên xuống của mômen tải
+) Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số mômen tải Mômen tải càng nhỏ, dải điều chỉnh càng hẹp
+) Khi điều chỉnh sâu (tốc độ nhỏ) thì độ trượt động cơ tăng và tổn hao năng lượng khi điều chỉnh càng lớn
+) Phương pháp này có thể điều chỉnh trơn nhờ biến trở nhưng do dòng phần ứng lớn nên thường được điều chỉnh theo cấp
2.2.2.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số của nguồn xoay chiều
Thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ giúp điều chỉnh tốc độ không tải một cách linh hoạt, từ đó thay đổi đặc tính cơ của động cơ Khi tần số càng cao, tốc độ quay của động cơ cũng tăng lên, mang lại hiệu quả vận hành tối ưu trong nhiều ứng dụng công nghiệp Đây là phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện hiệu quả, thích hợp cho các hệ thống yêu cầu kiểm soát tốc độ chính xác và linh hoạt.
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG TRÊN XE Ô TÔ ĐIỆN
Khái niệm
Ô tô điện là loại phương tiện sử dụng động cơ điện thay vì động cơ đốt trong truyền thống, giúp giảm khí thải và ô nhiễm môi trường Năng lượng để vận hành ô tô điện được lưu trữ trong pin hoặc các thiết bị lưu trữ năng lượng có khả năng sạc lại nhiều lần Công nghệ ô tô điện được xem là “ước mơ” của ngành ô tô nhờ vào khả năng hoạt động sạch, hoàn toàn không phát thải khí gây ô nhiễm, nên còn được gọi là “ô tô không khí thải” (Zero Emission Vehicle).
Hình 3.1: Hình ảnh xe ô tô điện [1]
Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện
Thay vì sử dụng động cơ đốt trong (Internal Combustion Engine), ô tô điện được truyền động bằng động cơ điện
Một số loại động cơ điện đã và đang được sử dụng trên ô tô điện như sau:
Hình 3.2: Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện [7]
Ưu điểm của việc sử dụng động cơ điện
Động cơ điện nổi bật với khả năng điều khiển chính xác và linh hoạt, giúp áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến để tối ưu hóa hiệu suất vận hành Nhờ đó, chất lượng động học của ô tô được nâng cao rõ rệt, mang lại trải nghiệm lái xe tối ưu và tiết kiệm năng lượng hơn.
Động cơ điện không sử dụng nhiên liệu đốt như xăng hay dầu, giúp giảm thiểu khí thải gây ô nhiễm môi trường Đây là ưu điểm nổi bật của động cơ điện so với động cơ đốt trong truyền thống.
Động cơ điện nổi bật với khả năng điều khiển chính xác, cho phép áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến nhằm nâng cao hiệu suất và độ ổn định của ô tô điện Điều này giúp cải thiện chất lượng động lực học, đem lại trải nghiệm lái xe mượt mà và tin cậy hơn cho người dùng.
Khả năng đáp ứng mômen nhanh và chính xác Động cơ điện có khả năng đáp ứng mômen nhanh gấp khoảng 100 lần so với động cơ đốt trong`
Có thể sử dụng hai hay bốn động cơ in-wheel lắp trong mỗi bánh xe
Hình 3.3 minh họa động cơ in-wheel tích hợp trong bánh xe, giúp tối ưu hóa hệ truyền động Ô tô truyền thống chỉ sử dụng một động cơ đốt trong kết nối với cầu chủ động qua trục các-đăng, còn ô tô điện có thể trang bị từ một đến bốn động cơ in-wheel tích hợp trực tiếp trong bánh xe, tăng cường hiệu suất và khả năng vận hành.
Việc tích hợp động cơ trực tiếp trong bánh xe đã cách mạng hóa cơ khí của ô tô điện, mang lại cấu trúc tối ưu và hiệu quả hơn Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất năng lượng mà còn cho phép kiểm soát độc lập từng bánh xe, giúp xe điện vận hành linh hoạt và chính xác hơn trong mọi điều kiện lái.
Có thể tính toán dễ dàng và chính xác mômen của động cơ điện
Khác với động cơ đốt trong, mômen điện từ của động cơ điện có thể được tính toán và ước lượng dễ dàng bằng cách đo các thông số về dòng điện và điện áp Việc ước lượng chính xác mômen giúp kiểm soát chính xác lực sinh ra của động cơ, từ đó tối ưu hóa khả năng điều khiển lực tác động giữa mặt đường và bánh xe – điều rất khó thực hiện đối với động cơ đốt trong.
Các Yêu cầu đối với ô tô điện
a Các yêu cầu đối với hệ truyền động kéo trên ô tô điện
Tính năng vận hành của một chiếc xe nói chung được đánh giá dựa trên các tiêu chí sau:
Khả năng tăng tốc của xe được xác định bởi thời gian cần thiết để từ trạng thái đứng yên hoặc tốc độ thấp đạt được tốc độ cao hơn Điều này phản ánh hiệu năng và khả năng vận hành của phương tiện, góp phần nâng cao trải nghiệm lái xe Khả năng tăng tốc nhanh giúp xe linh hoạt hơn trong giao thông, đặc biệt trong các tình huống cần vượt xe hoặc thoát khỏi các tình huống nguy hiểm Do đó, thời gian tăng tốc ngắn càng chứng tỏ xe có khả năng vận hành mạnh mẽ và tối ưu hơn.
+ ) Khả năng vận hành của xe trên các loại đường khác nhau
Tốc độ tối đa mà xe điện có thể đạt được là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của phương tiện Động cơ truyền động cho ô tô điện phải đáp ứng các yêu cầu đặc biệt, khác biệt so với động cơ công nghiệp, bao gồm khả năng cung cấp công suất cao, khả năng vận hành êm ái và hiệu quả năng lượng tối ưu Những điểm cần phân tích chính của động cơ ô tô điện bao gồm độ bền, khả năng kiểm soát tốc độ, và khả năng chịu tải lớn để đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn trên mọi cung đường.
Động cơ truyền động cho ô tô điện thường có công suất từ 30 kW đến hơn 100 kW, giúp xe vận hành mạnh mẽ Tuy nhiên, nếu sử dụng động cơ công nghiệp thông thường, khối lượng của nó sẽ rất lớn, khiến xe tăng trọng lượng, tiêu tốn nhiều năng lượng hơn và giảm quãng đường di chuyển mỗi lần sạc điện — một yếu tố quan trọng trong hiệu suất của ô tô điện.
+ ) Đặc tính làm việc phù hợp với đặc tính của ô tô
Đánh giá một số loại động cơ điện
Các loại động cơ điện phổ biến được sử dụng trên ô tô điện hiện nay gồm có động cơ không đồng bộ (động cơ cảm ứng), động cơ nam châm vĩnh cửu, động cơ một chiều và động cơ từ trở chuyển mạch Những loại động cơ này đều đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp hiệu suất và độ tin cậy cho hệ thống truyền động của xe điện Việc lựa chọn động cơ phù hợp giúp tối ưu hóa hiệu quả năng lượng và nâng cao trải nghiệm lái xe.
Dưới đây là phân tích chi tiết về ưu nhược điểm của các loại động cơ nhằm giúp bạn lựa chọn phù hợp cho xe ô tô điện Động cơ một chiều (DC) nổi bật với khả năng vận hành đơn giản, phản ứng nhanh và dễ kiểm soát tốc độ, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu mô-men xoắn cao ngay từ khi khởi động Tuy nhiên, động cơ này có nhược điểm là hiệu suất không cao bằng các loại khác và cần thiết bị biến áp phức tạp hơn, dẫn đến chi phí bảo trì và vận hành cao hơn Trong xu hướng phát triển của xe ô tô điện, động cơ một chiều vẫn giữ vị trí quan trọng nhờ khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt, phù hợp với các mục đích sử dụng khác nhau Việc lựa chọn động cơ phù hợp sẽ dựa trên các tiêu chí về hiệu suất, chi phí và yêu cầu vận hành của từng dòng xe trong thị trường ô tô điện hiện nay.
Động cơ một chiều, đặc biệt là động cơ một chiều kích từ nối tiếp, được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng tạo ra mômen lớn ở vùng tốc độ thấp Đặc tính mômen-tốc độ của loại động cơ này phù hợp lý tưởng cho các ứng dụng truyền động kéo, mang lại hiệu suất cao và độ tin cậy trong hoạt động.
Việc điều chỉnh tốc độ và mở rộng dải tốc độ của động cơ dễ dàng thực hiện bằng các bộ điều chỉnh điện áp Động cơ kích từ hỗn hợp vừa có khả năng cung cấp mômen khởi động lớn, vừa linh hoạt trong việc mở rộng dải tốc độ thông qua việc điều chỉnh giảm từ thông kích từ Đây là phương pháp hiệu quả giúp kiểm soát tốc độ động cơ một cách chính xác và dễ dàng hơn.
- Động cơ một chiều truyền thống có kích thước và trọng lượng lớn, hiệu suất thấp, độ tin cậy kém, gây nhiễu điện từ, gây ồn
Cần thực hiện bảo trì, bảo dưỡng định kỳ cho các động cơ có cơ cấu chuyển mạch cơ khí hoặc loại động cơ sử dụng bộ vành góp, chổi than do chúng có tuổi thọ thấp và yêu cầu duy trì để hoạt động hiệu quả Việc bảo dưỡng giúp hạn chế ảnh hưởng của ma sát giữa chổi than và cổ góp, góp phần nâng cao tuổi thọ của động cơ Ngoài ra, động cơ này thường hạn chế về khả năng chịu nhiệt độ cao và khí hậu ẩm ướt, bụi bặm, nên cần có biện pháp bảo vệ phù hợp để đảm bảo hoạt động ổn định trong điều kiện khắc nghiệt.
Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển ngày càng phát triển mạnh mẽ, động cơ một chiều dần nhường chỗ cho các loại động cơ mới hơn Trong số đó, động cơ không đồng bộ (Induction Motor) nổi bật nhờ ưu điểm về độ bền và khả năng vận hành ổn định, trở thành lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp hiện đại.
- Động cơ không đồng bộ có ưu điểm giá thành thấp, thông dụng, dễ chế tạo
- Động cơ không đồng bộ có cấu trúc đơn giản, tin cậy, hoạt động êm, ít phải bảo dưỡng, có khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt
Do không có cơ cấu chuyển mạch cơ khí, hệ thống cho phép mở rộng dải tốc độ động cơ một cách linh hoạt Việc điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng bằng cách thay đổi tần số nguồn nhờ các bộ biến tần bán dẫn công suất lớn và các thuật toán điều khiển tối ưu Thuật toán điều khiển tựa từ thông rotor (FOC) giúp động cơ đạt được đặc tính vận hành như động cơ một chiều kích từ độc lập, nâng cao hiệu suất và độ chính xác kiểm soát tốc độ.
Thuật toán này cũng cho phép mở rộng dải tốc độ của động cơ bằng cách điều
Động cơ từ trở đồng bộ (SynRM) có cấu trúc stator giống động cơ xoay chiều thông thường, gồm dây quấn và lõi sắt từ, nhưng rotor được thiết kế gồm các lớp vật liệu từ tính và phi từ tính đan xen nhau Cấu trúc này tạo ra từ trở dọc trục và từ trở ngang trục khác nhau, sinh ra mômen từ trở giúp động cơ quay Tuy nhiên, động cơ SynRM có nhược điểm là hiệu suất không cao do tổn hao đồng và tổn hao thép trên rotor.
Hình 3.6 trình bày cấu trúc của động cơ từ trở đồng bộ (SynRM) và so sánh rotor của động cơ SynRM với động cơ không đồng bộ để làm rõ những điểm khác biệt chính Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor - SRM) nổi bật với khả năng hoạt động linh hoạt và hiệu quả cao, thích hợp trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất điện năng tối ưu SRM có cấu trúc đơn giản, chỉ gồm dây quấn trên stato và rotor không dây quấn, giúp giảm chi phí bảo trì và nâng cao độ bền của hệ thống Việc lựa chọn giữa SynRM, SRM và các loại động cơ không đồng bộ phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về công suất, hiệu suất và điều kiện vận hành của từng ứng dụng cụ thể.
Hình 3.7: Động cơ từ trở thay đổi – SRM [1]
Động cơ SRM có cấu trúc đơn giản và bền vững, mang lại độ tin cậy cao và điều khiển dễ dàng Với dải tốc độ rộng, nó phù hợp cho hệ truyền động không sử dụng hộp số Động cơ này còn có mômen khởi động lớn, mômen quán tính nhỏ, và không có tổn hao trên rôto, giúp phù hợp cho môi trường nhiệt độ cao Cấu trúc của rôto rất đơn giản do không sử dụng nam châm, cuộn dây hay cơ cấu chuyển mạch cơ khí.
Động cơ từ trở chuyển mạch gặp nhược điểm lớn về đập mạch mômen, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động Ngoài ra, do cấu tạo cực lồi, động cơ có tính phi tuyến cao, gây khó khăn trong việc điều khiển và thiết kế động cơ phù hợp Một dòng động cơ khác là động cơ một chiều không cổ góp, mang lại những ưu điểm riêng biệt trong các ứng dụng công nghiệp.
Động cơ một chiều không cổ góp nổi bật với hiệu suất cao và mật độ công suất lớn nhờ không có cuộn dây kích từ trên rôto, giúp mở rộng dải tốc độ làm việc bằng kỹ thuật điều khiển sớm pha Đặc biệt, loại động cơ này có quán tính nhỏ, đảm bảo khả năng tác động nhanh, phù hợp cho các ứng dụng trên xe ô tô nhằm giảm trọng lượng toàn bộ xe và nâng cao hiệu suất sử dụng nhiên liệu, đáp ứng các yêu cầu ngày càng cấp thiết trong lĩnh vực vận tải.
Trước kia, tốc độ và mômen của động cơ bị hạn chế do độ bền cơ khí của rôto Tuy nhiên, hiện nay đã phát triển công nghệ nhúng các nam châm vào lõi rotor, giúp nâng cao độ bền và mở ra khả năng vận hành với mômen lớn và tốc độ cao hơn.
+ ) Nhược điểm: Động cơ một chiều không cổ góp công suất lớn có giá thành cao do rotor được chế tạo từ các hợp kim đất hiếm
Nhược điểm cơ bản của động cơ một chiều không cổ góp là có nhấp nhô mômen lớn, xuất hiện 6 xung mômen trong 1 chu kì
Hình 3.8: Cấu trúc động cơ một chiều không cổ góp [3] f Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (Interior Permanent
Động cơ IPM (Động cơ mô-tơ vĩnh cửu nam châm trong rotor) có những ưu điểm vượt trội trong ứng dụng ô tô điện Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) là lựa chọn lý tưởng nhờ hiệu suất cao, khả năng sinh mô-men lớn và dễ kiểm soát chất lượng vận hành Trong đó, động cơ IPMSM (nam châm vĩnh cửu chìm trong rotor) phù hợp với xe hiện đại nhờ đặc tính nổi bật, như đã được sử dụng trong các mẫu xe thương mại Nissan Leaf và Mitsubishi i-MiEV của Nhật Bản Động cơ PMSM thường có nam châm gắn trên bề mặt rotor, còn động cơ IPMSM có nam châm chìm bên trong rotor, tạo ra sự khác biệt về điện cảm dọc trục và ngang trục, giúp gia tăng mô-men từ trở (Reluctance Torque) cộng với mô-men từ chym sinh ra (Magnet Torque) Tính năng này giúp động cơ IPMSM sinh ra mô-men rất cao, phù hợp tuyệt đối cho ứng dụng ô tô điện Ngoài ra, động cơ IPMSM phản ứng phần ứng mạnh, giảm từ thông hiệu quả, tăng khả năng điều chỉnh tốc độ và hoạt động tốt trong vùng điều chỉnh tốc độ cao, đặc biệt trong các điều kiện phù hợp của hệ thống.
Hình 3 9: So sánh cấu trúc của động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm [1]
Việc lựa chọn động cơ phù hợp cho ô tô điện phụ thuộc vào nhiều tiêu chí, trong đó giá thành rẻ và đơn giản trong điều khiển là hàng đầu Động cơ một chiều truyền thống vẫn là lựa chọn phù hợp khi ưu tiên các yếu tố này Mặc dù động cơ không đồng bộ vẫn được sử dụng trên một số ô tô điện nhờ vào công nghệ đã phát triển, nhưng do khối lượng lớn, nó ít phù hợp cho ô tô điện lai.
Điều khiển động cơ điện trên xe ô tô
Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp sử dụng bộ inventer ( Biến tần ) trên ô tô điện
Lí do sử dụng biến tần để điều khiển động cơ là vì:
Hệ truyền động biến tần - động cơ nổi bật nhờ khả năng điều chỉnh vô cấp tốc độ động cơ, giúp người dùng dễ dàng thay đổi tốc độ theo mong muốn trong phạm vi rộng Việc điều chỉnh tần số cho phép kiểm soát linh hoạt and tối ưu hiệu suất hoạt động của hệ thống truyền động Đây là tính năng quan trọng giúp nâng cao hiệu quả vận hành và tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa.
Sử dụng biến tần mang lại nhiều lợi ích vượt trội như tự động nhận dạng động cơ, điều khiển qua mạng, cùng khả năng thiết lập 16 cấp tốc độ phù hợp với từng ứng dụng Công nghệ này giúp khống chế dòng khởi động, đảm bảo quá trình khởi động êm ái, từ đó nâng cao độ bền kết cấu cơ khí Ngoài ra, biến tần còn giảm thiểu chi phí lắp đặt và bảo trì, tiết kiệm không gian lắp đặt, đồng thời tích hợp các chế độ tiết kiệm năng lượng, mang lại hiệu quả vận hành tối ưu và bền vững.
3.2.1 Biến tần a) Giới thiệu chung
Biến tần (Inverter) hay bộ biến đổi tần số (Variable Frequency Drive - VFD) là thiết bị điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cấp cho động cơ, giúp kiểm soát hiệu quả hoạt động của máy móc Ngoài ra, biến tần còn được gọi là bộ điều chỉnh tốc độ động cơ (Variable Speed Drive - VSD), phù hợp trong các ứng dụng cần điều chỉnh tốc độ linh hoạt Điện áp cấp cho động cơ thay đổi theo tần số của biến tần, khiến thiết bị còn gọi là bộ biến đổi điện áp tần số (Variable Voltage Variable Frequency Drive - VVVFD), nhằm tối ưu hiệu suất năng lượng và vận hành của hệ thống động lực.
Hệ thống điều tốc độ động cơ với biến tần được sử dụng phổ biến để kiểm soát vận tốc động cơ xoay chiều thông qua phương pháp điều khiển tần số, trong đó tần số của nguồn điện sẽ biến thiên theo yêu cầu Ngoài việc điều chỉnh tần số, biến tần còn thay đổi số pha của dòng điện, từ nguồn lưới một pha có thể kết nối với tải động cơ ba pha nhờ vào chức năng biến tần Phân loại biến tần là một yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.
Biến tần thường được chia thành hai loại:
Bộ biến đổi này cho phép chuyển đổi nguồn điện xoay chiều không đổi về điện áp và tần số, chỉ cần sử dụng một bước biến đổi duy nhất Nhờ đó, nó giúp điều chỉnh điện áp và tần số của nguồn điện một cách linh hoạt và hiệu quả This thiết bị là giải pháp tối ưu cho các ứng dụng yêu cầu điều chỉnh điện năng chính xác và ổn định.
Bộ biến tần trực tiếp, còn gọi là bộ biến đổi sóng cố định, hoạt động mà không qua các khâu trung gian trong quá trình biến đổi Đây là loại bộ biến tần có khả năng chuyển đổi năng lượng một cách trực tiếp, giúp tăng hiệu suất và giảm thiểu các tổn thất trong quá trình vận hành.
Hình 3.17: Thiết bị biến tần trực tiếp[7]
Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều được tảo bởi mạch điện
Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp[7]
Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận ngược lần lượt được điểu khiển làm việc theo chu kỳ nhất định Trên phụ tải sẽ nhận được điện áp xoay chiều U1
Biên độ của hệ thống phụ thuộc vào góc điều khiển α, trong khi tần số của nó lại liên quan đến tần số khống chế thông qua quá trình chuyển đổi hoạt động của hai sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược.
Nếu góc α không thay đổi thì điện áp trung bình đầu ra có giá trị không đổi trong mỗi nửa chu kỳ điện áp đầu ra
Để nhận được dạng điệp áp đầu ra hình sin rõ nét hơn, cần liên tục điều chỉnh góc mở của các van trong mỗi sơ đồ chỉnh lưu trong suốt quá trình làm việc, tương ứng với mỗi nửa chu kỳ của điện áp ra Điện áp trung bình trong mỗi nửa chu kỳ được thể hiện bằng đường nét đứt trong hình, cho thấy hình dạng sin rõ ràng Quá trình điều khiển sơ đồ chỉnh lưu ngược trong nửa chu kỳ của điện áp âm cũng tương tự như vậy, đảm bảo điều chỉnh tối ưu cho dạng sóng đầu ra.
Hình 3.19: Đồ thị điện áp đầu ra cảu thiết bị biến tần xoay chiều hình sin[7]
Bộ biến tần trực tiếp nổi bật với khả năng thiết kế công suất lớn ở đầu ra và hiệu suất cao, giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống điện Tuy nhiên, sản phẩm này cũng gặp phải một số nhược điểm cần lưu ý.
+) Chỉ có tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra với tần số thấp hơn tần số điện áp lưới
+) Khó điều khiển ở tần số cận không vì khi đó tổn hao sóng hài trong
+) Độ chính xác trong điều khiển không cao
+) Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin
Là bộ biến đổi tần số gián tiếp thông qua một khâu trung gian một chiều.
Bộ biến tần gián tiếp cho phép khắc phục những nhược điểm của bộ biến tần trực tiếp ở trên
Hình 3.20: Thiết bị biến tần gián tiếp[7]
+) Thiết bị biến tần gian tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển
Hình 3.21: Thiết bị tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển[7]
Bộ biến tần này có cấu trúc gồm các thành phần chính như chỉnh lưu, lọc và nghịch lưu, đảm bảo chuyển đổi điện áp lưới thành điện áp một chiều có điều chỉnh nhờ bộ chỉnh lưu điều khiển tiristor Quá trình điều chỉnh điện áp ra U2 được thực hiện bằng cách điều khiển góc điều khiển của bộ chỉnh lưu, giúp kiểm soát điện áp đầu ra chính xác Khối nghịch lưu sử dụng các thiết bị như tiristor hoặc transistor để điều chỉnh tần số, phục vụ yêu cầu của hệ thống Quá trình điều khiển này được phối hợp trên cùng một mạch điện, đảm bảo hoạt động thống nhất của toàn bộ hệ thống biến tần.
Bộ biến tần này có cấu trúc đơn giản và dễ điều khiển, nhưng do quá trình biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều bằng chỉnh lưu tiristor, hệ số công suất giảm thấp khi điện áp ra thấp Quá trình biến đổi điện áp hoặc dòng điện từ một chiều sang xoay chiều thường sử dụng nghịch áp 3 pha bằng tiristor, dẫn đến sóng hài bậc cao trong điện áp xoay chiều đầu ra có biên độ khá lớn Đây là nhược điểm chính của loại biến tần này, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động và chất lượng điện năng.
+) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp
Hình 3.22: Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp[7]
Bộ biến tần xoay gián tiếp sử dụng bộ chỉnh lưu không điều khiển kết hợp với bộ biến đổi xung điện áp một chiều giúp điều chỉnh điện áp một chiều đầu vào của khối nghịch lưu Công nghệ này được thể hiện rõ qua sơ đồ mô tả, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả trong việc chuyển đổi năng lượng Việc kết hợp bộ chỉnh lưu và biến đổi xung điện áp là giải pháp tối ưu để kiểm soát điện áp đầu vào, nâng cao hiệu suất hệ thống biến tần xoay gián tiếp.
Việc biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều để cấp cho khối nghịch lưu sử dụng bộ chỉnh lưu đi ốt không điều khiển
Khối nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều với tần số điều chỉnh được Tuy nhiên, nó không có khả năng điều chỉnh điện áp ra của nghịch lưu Để khắc phục, hệ thống bố trí thêm bộ biến đổi xung điện áp một chiều giữa khối chỉnh lưu và nghịch lưu giúp điều chỉnh giá trị điện áp một chiều cung cấp cho nghịch lưu Nhờ đó, điện áp xoay chiều đầu ra của nghịch lưu U2 có thể được điều chỉnh theo ý muốn, đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu.
Mặc dù bộ biến tần mới yêu cầu bổ sung thêm một khay, nhưng hệ số công suất đầu vào vẫn khá cao, giúp khắc phục những hạn chế của bộ biến tần thứ nhất như đã trình bày trong hình 3.17.
Khối nghịch lưu đầu ra không thay đổi nên vẫn tồn tại nhược điểm là sóng hài bậc cao có biên độ khá lớn
+) Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu thuần sin sử dụng bộ điều chế độ rộng xung (PWM)
Hình 3.23: Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu thuần sin sử dụng bộ điều chế độ rộng xung [7]
Bộ biến tần này có khâu trung gian một chiều, với sự khác biệt ở khâu chỉnh lưu không điều khiển, giúp quá trình chuyển đổi năng lượng trở nên hiệu quả hơn Điện áp đầu ra sau khi qua bộ chỉnh lưu này đảm bảo ổn định và phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp Việc sử dụng chỉnh lưu không điều khiển giúp giảm thiểu chi phí, đơn giản hóa hệ thống và tăng độ bền của thiết bị Đây là giải pháp lý tưởng cho các hệ thống cần điều chỉnh tốc độ và công suất một cách linh hoạt, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của bộ biến tần.
Chỉnh lưu không điều khiển
B ộ biến đổi xung điện áp
Chỉnh lưu không điều khiển
3 f2,U2 3 f1,U1 lọc C hoặc LC cho điện áp một chiều có giá trị không đổi dùng để cấp cho khâu nghịch lưu,