Việc kiểm soát tốc độ của động cơ xoay chiều được thực hiện bằng cách sử dụng bộ điều khiển tần số thay đổi (VFD) trong hầu hết các trường hợp. Mặc dù nhiều tình huống liên quan đến việc sử dụng VFD với động cơ cảm ứng có cuộn dây stato để tạo ra từ trường quay, nhưng chúng cũng có thể đạt được khả năng kiểm soát tốc độ chính xác bằng cách sử dụng cảm biến phản hồi tốc độ hoặc vị trí làm tham chiếu đến VFD.

Trong một số trường hợp, có thể đạt được khả năng kiểm soát tốc độ tương đối chính xác mà không cần cảm biến phản hồi. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một Động cơ nam châm vĩnh cửu (PM) và một quá trình được gọi là “phương pháp tiêm tín hiệu tần số cao”.

1. Động cơ PM

A Động cơ PM là động cơ xoay chiều sử dụng nam châm được nhúng vào hoặc gắn vào bề mặt rôto của động cơ. Các nam châm được sử dụng để tạo ra từ thông động cơ không đổi thay vì yêu cầu từ trường stato tạo ra từ thông bằng cách liên kết với rôto, như trường hợp động cơ cảm ứng. Động cơ thứ tư được gọi là động cơ PM khởi động thẳng hàng (LSPM) kết hợp các đặc tính của cả hai động cơ. Động cơ LSPM kết hợp nam châm của động cơ PM bên trong rôto và các thanh rôto của động cơ lồng sóc để tối đa hóa mô-men xoắn và hiệu suất.

2. Dạng sóng ngược

Emf trở lại là viết tắt của lực điện động ngược nhưng còn được gọi là lực điện động ngược. Sức điện động ngược là điện áp xuất hiện trong động cơ điện khi có chuyển động tương đối giữa cuộn dây stato và từ trường của rôto. Các đặc tính hình học của rôto sẽ xác định hình dạng của dạng sóng phản lực. Các dạng sóng này có thể là hình sin, hình thang, hình tam giác hoặc hình gì đó ở giữa.

Cả máy cảm ứng và máy PM đều tạo ra dạng sóng phản lực. Trong máy điện cảm ứng, dạng sóng phản lực sẽ suy giảm khi trường dư của rôto suy giảm dần do thiếu trường stato. Tuy nhiên, với máy PM, rôto tạo ra từ trường riêng. Do đó, điện áp có thể được tạo ra trong cuộn dây stato bất cứ khi nào rôto chuyển động. Điện áp back-emf sẽ tăng tuyến tính theo tốc độ và là yếu tố quan trọng quyết định tốc độ vận hành tối đa.

3. Tìm hiểu mô men xoắn của máy PM

Mô-men xoắn của máy điện có thể được chia thành hai thành phần: mô-men từ và mô-men từ trở. Mômen từ trở là “lực tác dụng lên vật liệu từ tính có xu hướng thẳng hàng với từ thông chính để giảm thiểu lực từ trở”. Nói cách khác, mômen từ trở là mômen được tạo ra bởi sự căn chỉnh của trục rôto với từ thông stato. Mô-men xoắn từ là “mô-men xoắn được tạo ra bởi sự tương tác giữa từ thông của nam châm và dòng điện trong cuộn dây stato”.

Mô-men từ trở: Mô-men từ trở liên quan đến mô-men xoắn được tạo ra thông qua sự căn chỉnh của rôto xảy ra khi từ trường tạo ra một dòng chảy trực tiếp mong muốn từ cực stato phía bắc đến cực stato phía nam.

Mômen từ: Nam châm vĩnh cửu tạo ra từ thông trong rôto. Stator tạo ra một trường tương tác với từ trường của rôto. Việc thay đổi vị trí của từ trường stato so với từ trường rôto làm cho rôto dịch chuyển. Sự dịch chuyển do tương tác này là mômen từ.

4. SPM so với IPM

Động cơ PM có thể được chia thành hai loại chính: động cơ nam châm vĩnh cửu bề mặt (SPM) và động cơ nam châm vĩnh cửu bên trong (IPM). Cả hai loại thiết kế động cơ đều không có thanh rôto. Cả hai loại đều tạo ra từ thông bằng các nam châm vĩnh cửu được gắn vào hoặc bên trong rôto.

Động cơ SPM có nam châm gắn ở bên ngoài bề mặt rôto. Do việc lắp đặt cơ học này nên độ bền cơ học của chúng yếu hơn so với động cơ IPM. Độ bền cơ học yếu sẽ hạn chế tốc độ cơ học an toàn tối đa của động cơ. Ngoài ra, những động cơ này có độ mặn từ tính rất hạn chế (Ld ≈ Lq). Các giá trị điện cảm đo được tại các cực của rôto là nhất quán bất kể vị trí của rôto. Do tỷ lệ độ mặn gần bằng nhau nên thiết kế động cơ SPM phụ thuộc đáng kể, nếu không muốn nói là hoàn toàn, vào thành phần mômen từ để tạo ra mômen xoắn.

Động cơ IPM có một nam châm vĩnh cửu được gắn vào chính rôto. Không giống như các động cơ SPM, vị trí của nam châm vĩnh cửu làm cho động cơ IPM hoạt động rất cơ học và thích hợp để vận hành ở tốc độ rất cao. Những động cơ này cũng được xác định bởi tỷ số từ trường tương đối cao (Lq > Ld). Do độ mặn từ tính của chúng, động cơ IPM có khả năng tạo ra mô-men xoắn bằng cách tận dụng cả thành phần mô-men từ và mô-men xoắn từ trở của động cơ.

5. Cấu trúc động cơ PM

Cấu trúc động cơ PM có thể được chia thành hai loại: bên trong và bề mặt. Mỗi danh mục có tập hợp con của các danh mục. Động cơ PM bề mặt có thể gắn hoặc gắn nam châm vào bề mặt rôto để tăng độ chắc chắn của thiết kế. Vị trí và thiết kế động cơ nam châm vĩnh cửu bên trong có thể rất khác nhau. Nam châm của động cơ IPM có thể được đặt thành một khối lớn hoặc đặt so le khi chúng đến gần lõi hơn. Một phương pháp khác là nhúng chúng vào dạng nan hoa.

6. Độ tự cảm của động cơ PM thay đổi theo tải

Chỉ có một lượng từ thông nhất định mới có thể được nối với một miếng sắt để tạo ra mô-men xoắn. Cuối cùng, sắt sẽ bão hòa và không còn cho phép từ thông liên kết nữa. Kết quả là độ tự cảm của đường đi do trường từ thông giảm đi. Trong máy PM, các giá trị điện cảm trục d và trục q sẽ giảm khi dòng điện tải tăng.

Độ tự cảm trục d và q của động cơ SPM gần như giống nhau. Vì nam châm ở bên ngoài rôto nên độ tự cảm của trục q sẽ giảm với tốc độ bằng độ tự cảm của trục d. Tuy nhiên, độ tự cảm của động cơ IPM sẽ giảm khác nhau. Một lần nữa, độ tự cảm của trục d thấp hơn một cách tự nhiên vì nam châm nằm trong đường từ thông và không tạo ra đặc tính cảm ứng. Do đó, có ít sắt bão hòa hơn trong trục d, dẫn đến giảm từ thông so với trục q thấp hơn đáng kể.

7. Suy yếu/tăng cường từ thông của động cơ PM

Từ thông trong động cơ nam châm vĩnh cửu được tạo ra bởi nam châm. Trường thông lượng đi theo một đường dẫn nhất định, có thể được tăng cường hoặc chống lại. Việc tăng hoặc tăng cường trường từ thông sẽ cho phép động cơ tạm thời tăng sản lượng mô-men xoắn. Ngược lại với trường từ thông sẽ phủ nhận trường nam châm hiện có của động cơ. Từ trường giảm sẽ hạn chế việc tạo ra mô-men xoắn, nhưng làm giảm điện áp phản lực. Điện áp ngược giảm sẽ giải phóng điện áp để đẩy động cơ hoạt động ở tốc độ đầu ra cao hơn. Cả hai loại hoạt động đều yêu cầu dòng điện động cơ bổ sung. Hướng của dòng điện động cơ qua trục d do bộ điều khiển động cơ cung cấp sẽ xác định hiệu quả mong muốn.

8. Tự cảm nhận và vận hành vòng kín

Những tiến bộ gần đây trong công nghệ truyền động cho phép bộ truyền động AC tiêu chuẩn “tự phát hiện” và theo dõi vị trí nam châm của động cơ. Hệ thống vòng kín thường sử dụng kênh xung z để tối ưu hóa hiệu suất. Thông qua một số quy trình nhất định, biến tần biết vị trí chính xác của nam châm động cơ bằng cách theo dõi các kênh A/B và sửa các lỗi với kênh z. Biết chính xác vị trí của nam châm cho phép tạo ra mô-men xoắn tối ưu mang lại hiệu quả tối ưu.