Điều khiển V/f (Scalar Control) — Phương pháp cơ bản
V/f (Voltage/Frequency) là phương pháp điều khiển đơn giản nhất: duy trì tỷ lệ V/f = hằng số bằng định mức. Ví dụ: motor 380V/50Hz → V/f = 7.6 V/Hz. Khi giảm tần số xuống 25Hz, biến tần cũng giảm điện áp xuống 190V để giữ tỷ lệ từ thông.
Ưu điểm V/f
- Đơn giản, không cần encoder phản hồi (open-loop).
- Giá thành thấp, ổn định với nhiều loại motor.
- Phù hợp cho tải bơm, quạt (tải bình phương — torque tăng theo bình phương tốc độ).
Nhược điểm V/f
- Lực mô-men giảm mạnh ở tần số thấp (<10Hz) — không giữ được tải khi tốc độ chậm.
- Không kiểm soát được lực mô-men chính xác — tốc độ thực phụ thuộc tải (slip).
- Không duy trì được mô-men ở tốc độ 0 (không thể giữ thang máy hay cẩu trục khi dừng).
Điều khiển Vector — FOC (Field Oriented Control)
FOC giải quyết vấn đề của V/f bằng cách biến đổi hệ tọa độ: thay vì điều khiển điện áp pha (a, b, c), FOC chuyển sang hệ tọa độ quay theo từ thông rotor (d-q frame):
- Trục d (flux axis): Thành phần dòng điện song song với vector từ thông rotor → tạo và duy trì từ thông (Id = hằng số ở tốc độ định mức).
- Trục q (torque axis): Thành phần dòng điện vuông góc với vector từ thông → tạo lực mô-men (Iq tỷ lệ thuận với torque).
Bằng cách điều khiển Id và Iq độc lập (mỗi cái bằng một vòng PI riêng), biến tần điều khiển motor cảm ứng giống hệt motor DC kích từ riêng — phản ứng mô-men nhanh và chính xác.
Sensorless Vector vs Closed-loop Vector
Sensorless Vector (không encoder)
Biến tần ước tính tốc độ và vị trí từ thông rotor bằng cách đo dòng và điện áp motor (motor model observer). Không cần encoder → giảm chi phí, phù hợp với motor tiêu chuẩn. Hiệu suất tốt đến ~1Hz. Không giữ được mô-men ở tốc độ rất thấp (dưới 0.5Hz).
Closed-loop Vector (có encoder)
Encoder gắn trên trục motor phản hồi tốc độ thực về biến tần. Độ chính xác tốc độ cao hơn (0.01% thay vì 0.5% với sensorless), mô-men ổn định từ 0Hz (Zero Speed Torque). Cần thiết cho: thang máy, cẩu trục, máy cuốn dây (winder) cần mô-men ổn định từ khi đứng yên.
Điều khiển Torque (Mô-men) trực tiếp
Một số ứng dụng cần điều khiển lực mô-men trực tiếp thay vì tốc độ:
- Máy cuốn dây (winder/unwinder): Dây cuốn lên cuộn lớn dần → đường kính tăng → tốc độ góc phải giảm nhưng lực căng (tension) không đổi. PLC đặt lệnh torque, biến tần duy trì torque mà không quan tâm tốc độ.
- Thử tải motor (dynamometer): Biến tần tạo lực hãm kiểm soát được để thử tải động cơ khác.
- Máy ép: Lực ép yêu cầu cố định, tốc độ tùy theo vật liệu.
DTC — Direct Torque Control (ABB)
ABB phát triển DTC (Direct Torque Control) — phương pháp thay thế FOC. Thay vì biến đổi tọa độ phức tạp, DTC điều khiển trực tiếp vector từ thông và mô-men bằng bảng chuyển đổi (switching table) và so sánh tức thời. DTC cho đáp ứng mô-men nhanh hơn FOC (dưới 1ms so với vài ms), không cần encoder ngay cả ở tốc độ thấp. Biến tần ACS880 của ABB dùng DTC cho ứng dụng kéo giấy, máy cán thép.
Ứng dụng thực tế tại Việt Nam
- Băng tải tốc độ biến đổi: Sensorless vector đủ để duy trì tốc độ ổn định khi tải thay đổi (thùng hàng lên xuống băng tải).
- Thang máy: Closed-loop vector với encoder — Zero Speed Torque giữ thang khi đóng phanh, mở phanh mượt mà không bị giật.
- Máy dệt, máy kéo sợi: Torque control duy trì lực căng sợi không đổi dù cuộn sợi to dần.
- Máy bơm ly tâm áp suất không đổi: V/f vẫn dùng được vì bơm ly tâm là tải bình phương, không cần torque control.