Nghiên cứu, thiết kế kỹ thuật và công nghệ chế tạo các hệ thống điều khiển truyền động điện cho máy móc và các thiết bị tàu thuỷ (ứng dụng thiết bị điện tử công suất lớn)

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
CÔNG TY CƠ KHÍ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU THUỶ
o0o




Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật đề tài cấp nhà nước


“NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ
CHẾ TẠO CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG
ĐIỆN CHO MÁY MÓC VÀ CÁC THIẾT BỊ TÀU THUỶ”
(Ứng dụng điện tử công suất lớn)
Mã số: KC.06.23.CN


Chủ nhiệm Đề tài: Th.s Nguyễn Văn Thắng

6981
08/9/2008



Hà nội, tháng 05/2008
TỔNG CÔNG TY CÔNG NGHIỆP TÀU THUỶ VIỆT NAM
CÔNG TY CƠ KHÍ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU THUỶ
o0o




BÁO CÁO TỔNG KẾT

KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI






“NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO MÁY MÓC VÀ
CÁC THIẾT BỊ TÀU THUỶ”
(ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LỚN)


Mã số
: KC.06.23.CN

Thuộc chương trình
: KHCN trọng điểm cấp nhà nước giai đoạn 2001-2005
“Ứng dụng công nghệ tiên tiến trong sản xuất sản phẩm xuất khẩu và sản phẩm chủ lực”

Chủ nhiệm Đề tài
: Th.s Nguyễn Văn Thắng
Cơ quan
: Công ty Cơ khí - Điện - Điện tử tàu thuỷ


Cơ quan chủ trì Đề tài
: Công ty Cơ khí - Đi
ện - Điện tử tàu thuỷ
Địa chỉ
: Tổ 6 - Láng thượng - Đống đa - Hà nội






Hà nội, tháng 05/2008
BÀI TÓM TẮT


Nội dung: Nghiên cứu, thiết kế, ứng dụng thành tựu công nghệ về điện tử
công suất của thế giới chế tạo hệ thống điều khiển truyền động điện trên boong
tàu thuỷ đạt chất lượng cao, tính năng hoạt động ổn định, lắp đặt xuống tàu thuỷ.
Mục tiêu của đề tài: Thiết kế kỹ thuật và công nghệ
chế tạo các hệ thống,

thiết bị điều khiển truyền động máy móc tàu thuỷ, chủ động về kỹ thuật, công
nghệ để nhanh chóng tiếp cận và hội nhập khu vực và thế giới.
Phương pháp tiếp cận và hướng nghiên cứu: dựa trên trình độ khoa học
kỹ thuật hiện có ở trong và ngoài ngành công nghiệp đóng tàu ở nước ta. Qua
khảo sát tình hình cung ứng vật tư thiết b
ị, kết hợp với việc tìm hiểu tài liệu ở
trong nước về khả năng kỹ thuật và công nghệ chế tạo, nhóm Đề tài đã chọn giải
pháp tính toán, thiết kế hệ thống và nguyên lý đặc trưng, lựa chọn các phần tử,
block, panel có đặc trưng kỹ thuật phù hợp của các hãng lớn có uy tín của nước
ngoài và tích hợp, ghép nối, hoàn thiện sản phẩm đưa xuống tàu áp dụng thử

nghiệm, lấy số liệu phân tích, điều chỉnh rút kinh nghiệm. Sản phẩm tạo ra phù
hợp với điều kiện làm việc nặng nề của máy móc trên boong tàu thuỷ. Đây được
xem là đóng góp mới quan trọng nhất của đề tài.
Kết quả đạt được: Hoàn thành các nội dung đăng ký, các tài liệu nghiên
cứu, tính toán, thiết kế và qui trình công nghệ thoả mãn tiêu chuẩn qui phạm và
phù hợp với khả nă
ng trình độ thiết kế và chế tạo trong nước, chuẩn hoá được
mẫu mã, module cho các thiết bị và hệ thống điều khiển truyền động điện ứng
dụng điện tử công suất lớn cho máy neo, cần cẩu tàu thuỷ, đã đưa xuống lắp đặt
thử nghiệm hoạt động dưới tàu, làm cơ sở cho việc thiết kế kỹ thuật công nghệ
để
lâu dài đi đến chế tạo được các hệ thống điều khiển truyền động điện cho hầu
hết các thiết bị trên boong mà không phải nhập đồng bộ từ nước ngoài.
Kết quả của đề tài mang ý nghĩa về khoa học kỹ thuật, kinh tế, xã hội cao,
lần đầu bộ biến đổi tần số công suất lớn được ứng dụng thành công trên tàu
thuỷ.
Đề tài cũng đồng thời tạo điều kiện cho quá trình đào tạo nâng cao trình độ
khoa học kỹ thuật và năng lực công nghệ dần từng bước làm chủ các hệ thống
điều khiển để có thể tự chế tạo các máy móc thiết bị hiện đại với công nghệ cao,

đóng góp đội ngũ cán bộ kỹ thuật có khả năng đáp ứng những đòi hỏi c
ấp thiết
của công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước nói chung và cho ngành
công nghiệp tàu thuỷ đang phát triển.

1
MỤC LỤC

BẢNG KÝ HIỆU 3
MỞ ĐẦU 4
PHẦN I: TỔNG QUAN CHUNG 6
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN TỬ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ỨNG DỤNG
VÀO TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 6
1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng thiết bị điện tử công suất lớn 6
1.2 Một số phần tử bán dẫn công suất ứng dụng trong điều khiển truyền động điện. 10
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG
ĐIỆN 14
2.1 Đặt vấn đề về hệ truyền động 14
2.2 Khái quát chung về điều khiển động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc 17
2.2.1 Sơ đồ thay thế và các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ khi
điều khiển bằng thay đổi tần số nguồn cung cấp 17

2.2.2 Hệ thống điều khiển tần số và đặc tính động cơ không đồng bộ 20
2.3 Động cơ không đồng bộ trong hệ thống điều khiển tần số bằng bù sụt áp trên điện
trở Stator 21

2.3.1 Ảnh hưởng của điện trở Stator lên bản chất và đặc tính của động cơ 21
2.3.2 Điều khiển tần số với việc bù sụt áp trên điện trở Stator 25
2.4 Tính chất động của hệ thống điều khiển truyền động động cơ không đồng bộ
bằng biến đổi tần số 26

CHƯƠNG 3:CÁC BỘ BIẾN TẦN DÙNG CHO TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TÀU THUỶ.38
3.1 CÁC BỘ BIẾN TẦN TRỰC TIẾP CHO TÀU THUỶ 38
3.1.1 Nguyên lý hoạt động 38
3.1.2 Phân loại và sơ đồ bộ biến tần trực tiếp 39
3.2 CÁC BỘ BIẾN TẦN VỚI KHÂU TRUNG GIAN 1 CHIỀU CHO TRUYỀN
ĐỘNG ĐIỆN TÀU THUỶ 42

3.2.1 Nguyên lí hoạt động và phân loại 42
3.2.2 Phương pháp điều chỉnh điện áp ra của bộ biến đổi 43
3.2.3 Một số đặc thù khác biệt của các nghịch lưu kiểu dòng và áp, phạm vi áp
dụng của chúng 45

3.2.4 Sơ đồ động lực của các bộ biến đổi trong truyền động điện tàu thuỷ 47
3.2.5 Tính toán bộ biến đổi tần số 49
PHẦN II: THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO HỆ
THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MÁY NEO VÀ CẦN CẨU TÀU THUỶ 54
CHƯƠNG 1:HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MÁY NEO 54

2
1.1 Yêu cầu và điều kiện làm việc của thiết bị neo 54
1.2 Đặc tính phụ tải của thiết bị neo tàu thuỷ 57
1.3 Tính toán hệ truyền động 62
1.4 Sơ đồ thiết kế hệ truyền động điện máy neo 65
CHƯƠNG 2:HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CẦN CẨU TÀU THUỶ 66
2.1 Yêu cầu và điều kiện làm việc của cần cẩu trên tàu thuỷ 66
2.2 Đặc tính phụ tải và yêu cầu hệ truyền động cơ cấu tời nâng hàng 67
2.3 Tính chọn động cơ truyền động 74
2.4 Kiểm nghiệm công suất động cơ 76
2.5 Sơ đồ thiết kế 77

CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN VÀ CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ, PHẦN TỬ CHO HỆ ĐIỀU
KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MÁY MÓC TRÊN BOONG TÀU THUỶ 78
3.1 Phân tích công nghệ và lựa chọn giải pháp kỹ thuật để ứng dụng phần tử, thiết bị
điện tử công suất lớn cho hệ truyền động điện trên tàu thuỷ. 78

3.2 Chế tạo, lựa chọn và tích hợp các phần tử thiết bị và panel cho hệ điều khiển
truyền động điện máy neo và cần cẩu 79

3.3 Lắp đặt, thử nghiệm và hướng dẫn sử dụng, vận hành hệ thống 80
CHƯƠNG 4:QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO, LẮP ĐẶT, THỬ NGHIỆM CHO
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRÊN BOONG TÀU THUỶ 81
4.1 Yêu cầu cơ bản về quy trình công nghệ chế tạo và lắp đặt thử nghiệm 81
4.2 Sơ đồ quy trình công nghệ 82
4.3 Các bước thực hiện 83
4.4 Các chỉ tiêu đánh giá các sản phẩm của đề tài 88
PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO 93


3
BẢNG KÝ HIỆU

PLC PROGRAMABLE LOGIC CONTROLLER
SCADA SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION
DCS DITRIBUTED CONTROL SYSTEM
PC PERSONAL COMPUTER
IC INTERGRATED CHIP
CPU CENTER PROCCESING UNIT
DTC DIRECT TORQUE CONTROL
TĐĐ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

CL CHỈNH LƯU
NL NGHỊCH LƯU
CLĐK CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN
BXA BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP XOAY CHIỀU
ĐKB ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
ĐB ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
BBĐ BỘ BIẾN ĐỔI
RTLS ROTOR LỒNG SÓC




4
MỞ ĐẦU
Thông tin chung về Đề tài:
• Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế kỹ thuật và công nghệ chế tạo các hệ thống
điều khiển truyền động điện cho máy móc và các thiết bị tàu thủy (ứng dụng
thiết bị điện tử công suất lớn)
• Mã số KC.06.23.CN
• Cấp quản lý: Nhà nước
• Thuộc chương trình: “Ứng dụng công nghệ tiên tiến trong sản xuấ
t sản phẩm
xuất khẩu và sản phẩm chủ lực” – KC06

Đối với các quốc gia nằm ven biển như Việt Nam, tàu thuỷ là một phương tiện
vận tải rất quan trọng trong vận tải, lưu chuyển hàng hoá, thăm dò đại dương, đánh
bắt hải sản xa bờ và đảm bảo an ninh quốc phòng đối với vùng biển và hải đảo. Theo
chủ trương hiện đại hoá ngành công nghiệ
p đóng tàu cũng như nội địa hoá các sản
phẩm của ngành tàu thuỷ, ngành CN tàu thuỷ đã không ngừng nâng cao năng lực thiết

kế, đầu tư chiều sâu, đổi mới công nghệ đóng tàu mới, đồng thời quyết tâm đẩy mạnh
phát triển công nghiệp phụ trợ, chế tạo các máy móc, thiết bị lắp đặt lên tàu thay cho
việc phải nhập ngoại hầu hết như hiện nay.
Trướ
c những yêu cầu thực tế, vấn đề ứng dụng kỹ thuật vi xử lý và công nghệ tự
động hoá nhằm tạo ra các sản phẩm có chất lượng, độ tin cậy và ổn định cao trong hệ
thống điều khiển và tự động hoá trên tàu biển là đòi hỏi cấp thiết. Việc nghiên cứu
thiết kế và làm chủ công nghệ chế tạo hệ thống điều khiển truy
ền động điện máy móc,
đặc biệt là máy móc trên boong tàu thuỷ ứng dụng các thiết bị điện tử công suất lớn
nhằm góp phần giải quyết các yêu cầu đó.
Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và làm chủ công nghệ chế tạo các hệ
thống thiết bị điều khiển truyền động điện cho các máy móc và thiết bị tàu thuỷ (đặc
biệt là các máy móc trên boong) trên c
ơ sở ứng dụng thiết bị điện tử công suất lớn.
Từ những bước phát triển đầu của nghành công nghiệp đóng tàu nước ta việc
nghiên cứu về hệ thống truyền động điện các máy móc, thiết bị tàu thuỷ đã được quan
tâm và đã có các công trình nghiên cứu khoa học về chế tạo máy neo; nghiên cứu,
thiết kế, chế tạo cần cẩu tàu thuỷ; nghiên c
ứu bộ biến tần trực tiếp, …Tuy nhiên, do
những khó khăn khách quan và chủ quan, các sản phẩm chế tạo ra còn tồn tại vấn đề
về công suất động cơ điều khiển, kích thước, khối lượng, độ tin cậy hoạt động, …nên
chưa thể chuẩn hóa và ứng dụng rông rãi. Với việc ứng dụng điện tử công suất lớn
trong các hệ thống điề
u khiển truyền động điện cho máy móc và thiết bị trên tàu thủy,
đề tài sẽ góp phần giải quyết các hạn chế nêu trên.

5
Hiện nay, lĩnh vực điều khiển, tự động hóa thế giới nói chung và nghành công
nghiệp tàu thủy nói riêng đã đi trước chúng ta một thời gian dài; mặt khác, trình độ

nền sản xuất công nghiệp trong nước còn chưa cao. Vì vậy, để sản xuất, chế tạo các
phần tử, thiết bị truyền động điện - điện tử công suất lớn, chúng ta cần phân tích các
công nghệ hiện có đồng th
ời tìm hiểu, tham khảo, học hỏi, lựa chọn và làm chủ các
giải pháp kỹ thuật công nghệ, lựa chọn, mua sắm và tích hợp thiết bị, phần mềm công
nghệ từ các nước công nghiệp tiên tiến, bắt nhịp với đà phát triển chung của thế giới.
Với mong muốn góp phần vào sự phát triển vững chắc cũng như chiến lược nội
địa hóa nghành công nghiệp tàu thủy, mặc dù g
ặp nhiều khó khăn, song đề tài đã được
hoàn thành theo các hạng mục nội dung đã đăng ký. Trong báo cáo này, những kết
quả mang nội dung khoa học được nhấn mạnh và đi sâu phân tích hơn.

6
PHẦN I: TỔNG QUAN CHUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN TỬ ĐIỆN TỬ
CÔNG SUẤT ỨNG DỤNG VÀO TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng thiết bị điện tử công suất lớn
Trên tàu thuỷ nói riêng, các ngành công nghiệp sản xuất nói chung, nắm
vững đặc tính cơ và nâng cao chất lượng điều khiển truyền động điện đóng một
vai trò rất quan trọng trong việc nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm. Đối
với tàu thuỷ đòi hỏi độ tin cậy, ổn đị
nh, chất lượng điều khiển, phương pháp
điều khiển còn cao hơn nhiều vì phải đáp ứng các yêu cầu riêng (theo các công
ước và quy phạm).
Trong những năm qua, ngành đóng tàu của các nước có công nghệ tiên tiến
và truyền thống phát triển như Nauy, Hà Lan, Nhật Bản, Hàn Quốc đang ở
trình độ rất cao so với Việt Nam, đặc biệt là trong lĩnh vực điều khiển tự động
hoá. Có thể nói trình độ nghiên c
ứu, ứng dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại được

áp dụng đã và đang ngày càng phát triển.
- Về thiết kế: Với bề dày thiết kế và đóng tàu vài trăm năm, việc thiết kế đã
được thực hiện bằng các chương trình phần mềm rất hiện đại, được mô
phỏng, chạy thử trên máy tính, được qua hệ thống kiểm tra chất l
ượng rất
ngặt nghèo, việc ứng dụng kết nối rất mở
- Về phương pháp công nghệ: Các phần tử, thiết bị điện tử công suất được chế
tạo với công nghệ cao, ngày càng hoàn thiện về chất lượng, kích thước mẫu
mã, tính năng, giá thành sản xuất giảm đáng kể so với các Inverter sản xuất
những năm 1970 -1980.
- Về phương pháp nghiên cứ
u ứng dụng: Trải qua hàng trăm năm, lĩnh vực
điều khiển tự động đã ứng dụng, nghiên cứu hàng loạt các phương pháp điều
khiển, gần đây hàng loạt các phương pháp điều khiển hiện đại đã được xây
dựng và phát triển như: Điều khiển thích nghi (Adaptive Control), Điều
khiển mờ (Fuzzy Control), điều khiển bám (Back Stepping) Các nhà
nghiên cứu đã lần l
ượt ứng dụng rộng rãi các phương pháp này để điều khiển
các thết bị điện tử công suất lớn cho các thiết bị cho các ngành công nghiệp
nói chung.

7
Những năm của thập kỷ 60 và 70 của thế kỷ XX, thế giới đã tập trung
nghiên cứu giải pháp dùng Thyristor để tạo ra các loại biến tần trong truyền
động điện nói chung và truyền động điện tàu thuỷ nói riêng, nhằm: Khởi động
mềm, điều khiển trơn láng, phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, hoạt động êm
Nhưng những hệ
thống như vậy còn cồng kềnh, chiếm chỗ, đòi hỏi những điều
kiện khó đáp ứng, lại kém tin cậy đã dẫn đến xu hướng chuyển sang ứng dụng
thuỷ lực trong truyền động các máy móc trên boong tàu thuỷ được coi là giải

pháp thoả đáng nhất do hệ truyền động thuỷ lực có ưu điểm là hoạt động êm, dễ
điều chỉnh, đ
iều khiển, hệ truyền động có công suất lớn nhưng chỉ khởi động
một lần cho động cơ truyền động bơm thuỷ lực, không làm ảnh hưởng đến lưới
điện, chất lượng điều khiển cao. Tuy nhiên hệ thống điều khiển thuỷ lực cũng
tồn tại những hạn chế lớn:
- Độ va đập lớn.
- Kích thước lớn, nặng nề.
- Đường ống thuỷ lực phức tạp.
- Chi phí lắp đặt, bảo dưỡng lớn, khó thay thế, sửa chữa.
- Độ tin cậy thấp do các chi tiết dễ gây sự cố, đường ống dài nhiều điểm
ghép nối.
Vào thập kỷ 90 người ta đã nghiên cứu và tạo ra được những thiết bị điện
tử công su
ất có khả năng đáp ứng được mọi yêu cầu của các hệ thống truyền
động điện mà kích thước nhỏ, gọn, độ tin cậy cao, có thể khắc phục được nhiều
nhược điểm của hệ thống truyền động thuỷ lực như: độ va đập, nặng nề, cồng
kềnh, nhiều cơ cấu, chi tiết dễ gây sự cố, thành phầ
n của hệ thống và tính phức
tạp tăng lên gấp nhiều lần (vì vẫn phải có động cơ điện lai bơm thuỷ lực, lại còn
có các van, ống lớn dẫn đến tận máy móc mới truyền động được v.v). Đã có
nhiều hãng sản xuất máy móc, thiết bị nặng đã quay trở lại với truyền động điện
ứng dụng thiết bị điệ
n tử công suất như hãng Mab, Tadano (Nhật)
Trong những năm gần đây, cùng với đà phát triển to lớn của lĩnh vực điều
khiển tự động, tự động hoá và điều khiển tàu thuỷ cũng được chú trọng nghiên
cứu đặc biệt ở trong nước. Vào những thập kỷ 70 - 80 khi ngành đóng tàu Việt
nam bắt đầu đóng những con tàu 1000T đầu tiên thì các nghiên cứu, thiết kế về
truyền động điện các máy móc, thiết bị đã được quan tâm và đã có nhiều công
trình đóng góp vào việc sản xuất hàng loạt các cẩu hàng, máy neo, máy lái cho

8
tàu thuỷ. Tuy nhiên, các mạch điều khiển phần lớn là các rơle, công tắc tơ hoặc
các thiết bị điện tử điều khiển không được chuẩn hóa nên còn rất nhiều hạn chế:
khối lượng lớn, kích thước cồng kềnh, khó điều khiển, không tin cậy trong môi
trường tàu thuỷ. Tiếp theo là một thời gian dài các đơn vị tập trung vào nghiên
cứu điều khiển các thi
ết bị trên boong bằng thuỷ lực, khí nén. Phương pháp điều
khiển này có chỗ dễ dàng hơn, thao tác dễ hơn nhưng có nhược điểm khá lớn là
hệ thống cồng kềnh, nhiều ống dẫn và cút nối nên không tránh khỏi bị nứt, gãy
do bị rung động lớn dẫn đến không điều khiển được, điều này đặc biệt nguy
hiểm vì phần lớn các thiết bị trên boong liên quan đế
n sự an toàn tính mạng của
con tàu và con người.
Sau này một số viện, trường đại học, cơ quan có quan tâm đến việc điều
khiển truyền động điện ứng dụng thiết bị điện tử công suất lớn. Tuy nhiên, về
mức độ thì chỉ có một vài sản phẩm được tạo ra nhưng còn hạn chế về công suất
động cơ điều khiển (không l
ớn hơn 5 kW), mặt khác các thiết bị này mới ở mức
độ mạch logic, anolog rời rạc, chưa quan tâm đến chuẩn hoá dùng cho tàu thuỷ
và chuẩn hoá tín hiệu ra để phục vụ kết nối giao diện với các thiết bị khác, phục
vụ cho việc thiết lập một mạng giám sát điều khiển sau này (SCADA, DCS).
Trong năm 2002, với sự mạnh dạn thử nghiệm phục vụ cho nghiên cứu về
sau. Công ty Cơ
khí - Điện - Điện tử tàu thuỷ đã ký kết hợp đồng nghiên cứu,
lắp ráp thành công hệ thống điều khiển chân vịt mũi bằng điện tử công suất lớn
với công suất 94 kW cho tàu khách K108 đóng tại Nhà máy đóng tàu Sông Cấm
xuất khẩu cho Pháp. Đến nay hệ thống vẫn hoạt động tốt, tuy nhiên phần lớn
thiết bị là nhập ngoại chưa được chu
ẩn hoá, nguyên lý điều khiển chưa hiện đại

(Điều khiển theo vòng lặp hở).
Năm 2003 - 2004, các thiết bị điện tử công suất lớn nhập đồng bộ từ Nhật
Bản đã được ứng dụng cho truyền động điện các máy móc thiết bị trên tàu thuỷ
thay thả phao (như V64) đóng tại Nhà máy đóng tàu Bến Kiền.
Trong những năm qua, nhà nước đã t
ạo điều kiện phát triển ngành công
nghiệp tàu thuỷ thành một ngành kinh tế mũi nhọn. Đặc biệt năm 2004, thủ
tướng Chính phủ đã phê duyệt bổ sung đề án phát triển Tổng công ty công
nghiệp tàu thuỷ Việt Nam giai đoạn đến 2010 và định hướng đến 2020, trong đó
mục tiêu quan trọng đến năm 2010 phấn đấu các sản phẩm ngành đạt 60% tỷ lệ
nội địa hoá. Việc nghiên cứu, thi
ết kế, chế tạo hệ thống điều khiển thiết bị trên
boong bằng thiết bị điện tử công suất lớn là một bước đi đúng đắn và mạnh mẽ.

9
Nhằm chế tạo (trong nước) các phần tử, thiết bị truyền động điện - điện tử
công suất lớn, cần có một phương cách khả thi và hiệu quả. Trước hết phải nhận
rõ rằng nền sản xuất của nước ta chưa thể ngay lập tức đáp ứng nhu cầu tự chế
tạo các thiết bị phức tạp đ
a chức năng, đòi hỏi công nghệ cao, do đó bước đầu
tiên là chúng ta phải học hỏi các nước công nghiệp tiên tiến, tìm ra được con
đường đi ngắn nhất phù hợp cho nước ta thông qua:
- Tham quan, tìm hiểu các hệ thống, công trình, công nghệ về lĩnh vực liên
quan trong và ngoài nước
- Mua thiết bị, công nghệ, phần mềm, tìm hiểu, học hỏi, làm chủ công nghệ,
làm chủ phần mềm, đi tắt, đón đầ
u để ứng dụng kỹ thuật tiên tiến, hiện đại
nhất để định hướng giải quyết vấn đề, chế tạo các phần tử, thiết bị trên,
đảm bảo không bị lạc hậu so với khu vực và trên thế giới.
Qua đó định hướng giải quyết vấn đề, chế tạo các phần tử, thiết bị trên từ

đơn giản đến phức t
ạp. Trên cơ sở đó, Công ty đã đi sâu vào phân tích, tìm hiểu
và đưa ra phương pháp nghiên cứu thiết thực nhất phù hợp với tình hình thực tế
và công nghệ trong nước:
- So sánh giữa các công nghệ hiện có, từ đó lựa chọn được một công nghệ
hiện đại nhất, tối ưu nhất phù hợp với tình hình thực tế sản xuất trong
nước, sau đó đi sâu vào vào nghiên cứu và ứng dụ
ng
- Kết hợp giữa kỹ thuật truyền động điện - điện tử công suất lớn với các
thành tựu của công nghệ thông tin để xây dựng một hệ thống điều khiển
truyền động điện hiện đại, tin cậy, thân thiện với người sử dụng, dễ dàng
trong việc ghép nối, mở rộng hệ thống.
- Áp dụ
ng các chương trình phần mềm hiện đang phổ biến và tiên tiến trong
điều khiển
- Thông qua các chương trình mô phỏng trên máy tính, phân tích, lựa chọn
các phần tử có đặc tính kỹ thuật đáp ứng nhưng có kích thước nhỏ gọn, độ
tin cậy cao
- Sử dụng các thiết bị đo lường, kiểm nghiệm chất lượng cao để kiểm tra,
phân tích, tối ưu hoá lựa chọn, đảm bả
o độ tin cậy, chính xác, an toàn, tiết
kiệm trước khi tiến hành sản xuất, lắp ráp, chế tạo, giảm thiểu các thiệt hại
về vật tư, thiết bị, thời gian, và sức lao động trong việc sản xuất, chế tạo
thử.
- Tận dụng các thành quả của công nghệ thông tin trong xây dựng các quy
trình kiểm tra, mô phỏng trên máy tính

10
1.2 Một số phần tử bán dẫn công suất ứng dụng trong điều khiển truyền
động điện

Thyristor khoá được bằng cực điều khiển GTO (GATE TURN OFF
THYRISTOR)
Thyristor cho phép cắt dòng tải bằng dòng điều khiển khi cấp điện cho nó
bằng điện áp một chiều là thyristor GTO (thyristor khoá được bằng dòng điều
khiển). Việc ra đời và ứng dụng GTO đã phát huy ư
u điểm cơ bản của các phần
tử bán dẫn, đó là khả năng đóng ngắt dòng điện lớn nhưng lại được điều khiển
bằng tín hiệu điện có công suất nhỏ. Cấu trúc của GTO biểu diễn trên hình 1.1

TRANSITOR công suất BJT(Bipolar junction transitor)


Transitor là loại cấu trúc có 3 lớp bán dẫn p-n-p hoặc n-p-n tạo nên 2 lớp
tiếp giáp pn. BJT công suất thường có cấu trúc n-p-n và làm việc như phần tử
khoá. Cấu tạo của một BJT như hình 1.2. Do làm việc như phần tử khoá nên khi
mở dòng phải thoả mãn
Bazơ Emitơ
Côlectơ
B
C
E
n
p
n n
n-
n
K
G
n+

n

p
n+ n+ n+
J
1

J
2


J
3

H
ình 1.1 Cấu trúc của
GTO (a) và ký hiệu của
GTO (b)

G
A
A
K
p+ n+ p+ p+ n+ p+
Hình 1.2 a) Cấu trúc tran-si-to BJT, b) Ký biệu

11
I
B
>

β
C
I
hay I
B
=k
bh
β
C
I

trong đó k
bh
=1,2-1,5 gọi là hệ số bão hoà. Khi khoá dòng điều khiển I
B
bằng 0
lúc đó dòng colecto gần bằng 0, điện áp U
CE
sẽ lớn đến giá trị điện áp nguồn
cung cấp cho mạch tải nối tiếp Transitor. Tổn hao công suất trên Transitor bằng
tích dòng colectơ với điện áp rơi trên colecto-emitơ có giá trị rất nhỏ khi khoá.
TRANSITOR trường MOSFET
Khác với cấu trúc BJT, MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều
khiển bằng điện áp với dòng điều khiển cực nhỏ. Hình 1.3 biểu diễn cấu trúc bán
dẫn và ký hiệu của m
ột MOSFET kênh dẫn kiểu n. Trong đó G là cực điều khiển
cách li hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng
có độ cách điện cực lớn. Hai cực còn lại là cực gốc S và cực máng D.

Trong cấu trúc bán dẫn MOSFET, các phần tử mang điện là các điện tử nên

được gọi là phần tử mang điện cơ bản. Từ cấu trúc củ
a MOSFET có thể thấy
rằng giữa cực máng và cực gốc tồn tại một tiếp giáp p-n, tương đương với một
diôt ngược nối giữa D và S. Trong các bộ biến đổi, để trao đổi năng lượng giữa
nguồn và tải cần các điôt ngược song song với các van bán dẫn. Như vậy
MOSFET có ưu điểm là đã có sẵn điot này. MOSFET có tần số đóng cắt lớn tuy
nhiên thời gian đ
óng cắt lại chịu ảnh hưởng của các tụ kí sinh ở các cực.
Van bán dẫn IGBT(insulated Gate Transistor)
Transisto IGT (insulated Gate Transisto) là loại Transisto có cực cửa, nó
còn có tên khác như: IGBT (insulated Bipolar Transisto), COMFET
(Conductivity modulated FET), GEMFET (Gain modulated FET), GBR
(insulated Gate Retifier). IGBT là loại van công suất kết hợp công nghệ
Hình 1.3 MOSFET : a) cấu trúc, b) Ký hiệu, c) Đặc tính
G
D
S
b)
C
ự
c
g
ốc
C
ự
c đ khiển
n n n
p

p

n-
n
C
ự
c mán
g
a
)

U
D
=2V
U
D
=0,5V
i
D

U
D
=220
U
D
=10V
U
D
=1V
dẫn
U
GS

10
5V
0
c)

12
MOSFET và Bipolar Transisto để được đặc tính điều khiển của MOSFET và đặc
tính ra của Bipolar Transisto (có khả năng chịu dòng lớn).
THYRISTOR cảm ứng tĩnh điện SITH ( Static Induction Thyristor)
SITH có cấu trúc như hình 1.4 do Nhật chế tạo vào năm 1988. Như ta thấy
từ hình vẽ cấu trúc của SITH chỉ khác SIT là có thêm một lớp p
+
phía cực D,
như vậy theo thứ tự các miền bán dẫn là pnpn nên có tên gọi thyristor mặc dù cơ
chế hoạt động hoàn toàn khác thyristor, thực chất nó giống điôt (p
+
n) được điều
khiển theo kiểu trường và cũng thuộc loại thường mở như SIT. Khi U
GK
= 0 van
dẫn dòng điện như điôt, để khóa nó cần U
GK
<0 và phải giữ điện áp này chừng
nào còn muốn van khóa. Vì có cấu trúc điôt nên SITH chịu được điện áp ngược
và khi quá áp cũng bị chọc thủng, điện áp này thường không lớn vì đó là cái giá
phải trả cho tần số làm việc cao. Về chức năng SITH tương đương như GTO
nhưng có tần số làm việc cao hơn và công suất nhỏ hơn. SITH là một phần tử rất
được chú ý nghiên cứu để
đạt thêm những tính năng như công suất lớn hơn, khả

năng khóa với cả hai chiều điện áp, trở thành loại thường khóa. Phạm vi ứng
dụng của nó sẽ là: gia nhiệt cảm ứng, truyền tải DC-DC tần số cao v.v
THYRISTOR tích hợp cực điều khiển IGCT (Integrated Gate Commutated
Thyristor)
Một cải tiến đáng kể của loại GTO thường về cực điều khiển, đóng gói và
các diode ngược cũng như sự thay đổi quá trình đóng ngắt đối với GTO đã tạo ra
một thiết bị mới là IGCT. Ý tưởng cơ bản của IGCT là sự lai ghép một cấu trúc
GTO cải tiến và có cảm kháng cực điều khiển rất nhỏ. Ngược lại với cấu tạo
của IGBT gồm nhiều phần tử (khoảng 60 chip + 450 dây liên kết đối với IGBT
3300V-1200A) thì một IGCT chỉ chứ
a có một ít phần cơ khí.
p+

p+
p+
n+
n-
n-
n+
I
I
A
G
K
a)
n+
p+
b)
Hình 1.4 Linh kiện SITH a)Cấu trúc, b) Ký hiệu trên sơ đồ vẽ
A

G
K

13
So sánh các thông số một số van công suất mới và truyền thông
1. Các van đang dùng đại trà
Loại van
Tham số
Thyristor GTO TRIAC BT MOSFET IGBT
Điện áp (V) 6000 4500 1200 600 500 1200
Dòng điện (A) 3500 2500 500 500 50 100
Tần số (kHz) 2 0.4 15 100 50
Công suất (kw) 100-1000 100 <10 100
2. Các van mới nhiều triển vọng
Loại van
Tham số
IGBT SIT SITH MCT
Điện áp (V) 1200 1000 1200 800
Dòng điện (A) 100 200 400 100
Số miền quá độ pn 2 0 1 3
Đặc điểm điều khiển tuyến tính tuyến tính tuyến tính on/off
Kiểu điều khiển điện áp điện áp dòng điện điện áp
Nhiệt độ làm việc (
o
C) -65÷150 -50÷150 -40÷125 -196÷250
Sụt áp khi dẫn (V) 2,5 70 4 1,1
du/dt (V/µs)
2000 - 2000 20000
di/dt (A/µs
150 - 900 2000

t mở (µs)
0,3 0,25 2 0,2
t khóa (µs)
3 0,3 9 2,5
Điện áp đỉnh lớn nhất (V) 2000 1500 1500 1000
Tần số làm việc max (kHz) 50 50 8 40
Công suất max (kw) 300 270 960 100
Như vậy ta thấy phần lớn các phần tử bán dẫn công suất mới được cấu tạo
bằng các chip cơ bản mắc song song với nhau, điều đó đã làm kích thước của
thiết bị nhỏ hơn và tổn hao ít hơn.

14
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG
CƠ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

2.1 Đặt vấn đề về hệ truyền động
Hệ truyền động một chiều
Trong công nghiệp, động cơ một chiều từ khi ra đời được sử dụng rất nhiều
do những chỉ tiêu truyền động động và tĩnh của nó. Nó được dùng rất phổ biến
trong các ngành đòi hỏi cao về điều chỉnh tốc độ, yêu cầu điều chỉnh t
ốc độ liên
tục trong phạm vi rộng như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải Công suất
lớn nhất của máy điện một chiều hiện nay khoảng 10.000kW, điện áp khoảng
vài trăm đến 1000V. Động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm nổi bật như điều
chỉnh tốc độ tương đối dễ dàng, chất lượng đ
iều chỉnh tốt.
Tuy nhiên, máy điện một chiều giá thành đắt, sử dụng nhiều kim loại màu
hơn, chế tạo và bảo quản cổ góp phức tạp, trong quá trình làm việc thường
xuyên xảy ra đánh lửa gây nguy hiểm. Hướng phát triển hiện nay là cải tiến tính
năng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của máy và chế tạo máy có công suất lớn

hơn.
Động cơ điện một chiề
u được phân loại theo cách kích từ thành: động cơ
kích từ độc lập, động cơ kích từ nối tiếp, kích từ song song, kích từ hỗn hợp.
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ song song gàn như giống
nhau nhưng khi cần công suất lớn người ta thường dùng động cơ kích từ độc lập
để điều chỉnh dòng điện kích thích được thuận tiện và kinh t
ế hơn, mặc dù động
cơ này đòi hỏi phải có thêm nguồn điện phụ bên ngoài. Động cơ loại kích từ nối
tiếp được dùng rất nhiều, chủ yếu trong ngành kéo tải bằng điện.
Do sự phát triển của các thiết bị điện tử nên việc phát triển một hệ truyền
động một chiều có nhiều thuận lợi, tuy nhiên truyền động một chi
ều gặp khó
khăn cho chi phí ban đầu và chi phí bảo dưỡng.
Hệ truyền động động cơ đồng bộ
Động cơ đồng bộ (ĐB) có những ưu điểm nhất định nên trong thời gian gần
đây được sử dụng rộng rãi hơn và có thể so sánh được với động cơ không đồng
bộ trong lĩnh vực truyền động điện. Về ưu điểm tr
ước hết phải nói là động cơ

15
đồng bộ được kích thích bằng dòng điện một chiều nên có thể làm việc với
cos
ϕ
=1 và không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện, kết quả là hệ số
công suất của lưới điện được nâng cao, làm giảm điện áp rơi và công suất tổn
thất trên đường dây. Động cơ đồng bộ ít chịu ảnh hưởng của điện áp lưới điện
do mô men tỉ lệ với U còn với động cơ không đồng bộ mô men tỉ lệ
với U
2

, vì
vậy khi điện áp lưới sụt thì khả năng giữ tải của động cơ đồng bộ lớn hơn động
cơ không đồng bộ. Hiệu suất ĐB lớn hơn động cơ không đồng bộ vì ĐB có khe
hở tương đối lớn khiến tổn hao sắt phụ nhỏ. ĐB mang tính ưu việt của cả ĐKB
và động cơ một chi
ều. Nhược điểm của ĐB là cấu tạo phức tạp, đòi hỏi phải có
máy kích từ hoặc nguồn cung cấp dòng một chiều khiến giá thành cao. Việc mở
máy ĐB cũng phức tạp hơn.
Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ rất phong phú, có cấu
trúc và đặc tính điều chỉnh khác nhau tuỳ thuộc vào công suất, tả
i và phạm vi
điều chỉnh.
Hệ truyền động động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ ba pha (ĐKB) được sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỷ lệ rất lớn so với
các loại động cơ khác. ĐKB có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn,
sử dụng nguồn cấp tr
ực tiếp từ lưới xoay chiều 3 pha. Khác với động cơ một
chiều, ĐKB có cấu tạo phần cảm và phần ứng không tách biệt. Từ thông cũng
như mô men động cơ sinh ra phụ thuộc nhiều tham số. Hệ truyền động điện
ĐKB là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh. Vì vậy ĐKB khó
điều chỉnh tốc độ, chất lượ
ng điều chỉnh không cao nhưng ngày nay nhờ sự tiến
bộ của khoa học kỹ thuật, công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn ĐKB đã được
khai thác các ưu điểm của mình. Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh mạnh
với hệ T - Đ. Trong định hướng xây dựng hệ truyền động ĐKB, người ta có xu
hướng tiếp cận các đặc tính điều chỉnh c
ủa động cơ một chiều.
Trong công nghiệp thường sử dụng 4 hệ truyền động điều chỉnh tốc độ
ĐKB:

1. Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng BBĐ Thyristor
2. Điều chỉnh điện trở roto bằng BBĐ xung Thyristor
3. Điều chỉnh công suất trượt P
s


16
4. Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp động cơ bằng các BBĐ tần số
Thyristor hay Transitor
.
Trong quá trình thực hiện đề tài nhóm tác giả đã tiến hành phân tích tìm
hiểu kỹ đặc điểm, ưu nhược điểm từng hệ truyền động đồng thời xét điều kiện
khả thi của nền khoa học kỹ thuật nước nhà. Mặt khác, xét riêng đối với ứng
dụng cụ thể ở đây, các thiết bị trên tàu thuỷ phải làm việc trong những điều ki
ện
khá đặc biệt. Do tính chất của thiết bị vận tải không hạn chế về mặt địa lý nên
phải công tác trong các vùng khí hậu rất khác nhau. Độ ẩm tuyệt đối dao động
trong giới hạn rộng, sự ngưng tụ hơi nước không chỉ trên bề mặt thiết bị máy
móc mà còn ở phía trong nữa. Sương mù và hơi nước mặn là hiện tượng đặc
trưng cho điều kiện bi
ển, lượng muối chứa trong không khí có tác động xấu tới
trang thiết bị, phá huỷ các loại vật liệu cấu thành máy móc. Đồng thời các thiết
bị trên tàu thuỷ phải chịu cả sự tác động cơ học từ bên ngoài như sóng, gió và từ
bên trong do hoạt động của các máy lớn như máy chính và các máy phụ khác.
Những chấn động này phức tạp và thay đổi. Chấn động lớn quá mức có thể làm
giảm độ tin c
ậy trong công tác, giảm tuổi thọ, gây hỏng hóc trong cấu tạo. Một
đặc trưng nữa của môi trường làm việc là điều kiện giới hạn không gian, tập
trung thiết bị trong diện tích hẹp. Vì vậy ảnh hưởng qua lại, nhiễu của các thiết
bị khá lớn.

Các thiết bị, hệ thống đo lường điều khiển trên tàu có những yêu cầu hết
sức khắt khe và mang nhiều đặ
c trưng khác các hệ thống trên bờ. Các thiết bị
điện trên tàu yêu cầu độ tin cậy làm việc cao, hoạt động an toàn chắc chắn, chịu
được va đập, rung, lắc lớn. Ngoài ra còn phải có kích thước gọn nhẹ, kín nước,
cấp bảo vệ cao. Qua việc phân tích các hệ thống truyền động kể trên, tác giả
nhận thấy hệ truyền động động cơ roto lồng sóc ứng dụng điện tử
công suất
lớn điều khiển tần số là phù hợp, thể hiện bước đi đúng đắn và sáng tạo.
Thứ nhất, hệ truyền động sử dụng nguồn điện xoay chiều ba pha, nguồn
điện chính trên tàu không cần các máy biến áp, bộ biến đổi và không gây lệch
pha, ảnh hưởng xấu tới lưới với công suất lớn trên 100kW.
Thứ hai, đặc điểm của
động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc là đơn giản,
làm việc tin cậy, bền vững, giá thành hạ, dễ bảo quản, bảo vệ trong môi trường
tàu thuỷ Động cơ rotor lồng sóc có kết cấu kín, gọn nhẹ phù hợp với điều kiện
khắc nghiệt của khí hậu biển. Do sự phát triển của công nghiệp điện tử công

17
suất, động cơ rotor lồng sóc đã phát huy hết những ưu điểm của chúng và được
ứng dụng ngày càng phổ biến trong công nghiệp và trong sản xuất. Người ta đã
chế tạo được các bộ biến tần tĩnh cho phép sử dụng động cơ rotor lồng sóc vào
truyền động điện trên tàu thuỷ, điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số. Việc
điều
chỉnh tốc độ động cơ không còn đáng lo ngại, chất lượng điều chỉnh được nâng
cao, dải điều chỉnh mở rộng.
Thứ ba, phương pháp điều khiển tần số có chất lượng điều khiển cao, đáp
ứng nhanh, khởi động mềm không ảnh hưởng tới lưới điện trên tàu, phù hợp với
điều kiện hi
ện nay.

Đề tài được lựa chọn xuất phát từ những nhu cầu thực trạng công nghiệp
tàu thuỷ nước ta và sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại. Áp dụng
phương pháp mới để nâng cao chất lượng hệ thống là ứng dụng khoa học kỹ
thuật tiên tiến trên thế giới, mạnh dạn mở ra hướng đi mới cho nền công nghiệp
nước nhà. Vì vậy,
đây có thể được coi là giải pháp hiện đại và tối ưu cho các hệ
truyền động trên tàu, đặc biệt là điều khiển truyền động máy neo và cần cẩu.
2.2 Khái quát chung về điều khiển động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc
Có nhiều phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc
như: thay đổi điện áp đặt vào dây quấn stator, thay đổi số cặ
p cực, nhiều dây
quấn trên một stator mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm khác nhau, duy
chỉ có phương pháp thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ là khả dĩ đáp
ứng được các yêu cầu của hệ thống TĐĐ, đặc biệt là yêu cầu về dòng điện khởi
động nhỏ nhưng mô men khởi động lại phải lớn, vì vậy ở đây ta chỉ nghiên c
ứu
về phương pháp này.
2.2.1 Sơ đồ thay thế và các phương trình cơ bản của động cơ không đồng
bộ khi điều khiển bằng thay đổi tần số nguồn cung cấp
Sơ đồ thay thế có dạng hình T, với các giả thiết là:
1. Điện áp đối xứng và có dạng hình Sin
2. Đặc tính từ hoá của động cơ là tuyến tính
Giả thiết này cho phép áp dụng trở kháng của m
ạch từ hoá là không đổi
khi điều chỉnh từ thông trong phạm vi hẹp
3. Bỏ qua hiệu ứng của dòng điện dò

18
4. Thuần trở của mạch từ hoá bằng 0. Giá trị của nó thường không quá
10% trở kháng mạch từ hoá, sơ đồ thay thế ở tần số đã cho là không đổi.

5. Ở tần định mức, trở kháng là X
0
, X
1
,
'
2
X
6. Thuần trở rotor là
'
2
r
/s tức là
β
α
,
2
r
β
α



Tần số tương đối Stator:
dm
f
f
1
1
=

α
(2.1)
Độ trượt tuyệt đối, tức tần số tương đối dòng rotor:

dmdmdm
f
f
1
2
1
1
1
=
−
=
∆
=
ω
ω
ω
ω
ω
β
(2.2)

α
β
ω
ω
=

∆
=
1
s
Điện áp tương đối:
dm
U
U
=
γ
(2.3)
- Hệ số tản tương ứng với Stator và rotor
0
'
2
2
0
1
1
;
x
x
x
x
==
ττ


2121
τ

τ
τ
τ
τ
.
+
+
=
(2.4)
Ngoài ra:
(
)
21
1
τ
+= rb

r
c .
α
=

01
/ Xrd = (2.5)

1
1
τ
+
=e

Từ sơ đồ tính toán ta có:
() ()
()
()
βα
β
αγ
αββα
β
αγ
αα
,

2
.

2'
2
222'
21
2222
22'
2
2'
2
'
21
A
B
U

rxcdrrccb
xr
UEE
dm
dm
=
++++
+
==
(2.6)
Hình 2.1 – Sơ đồ thay thế dạng chữ T

19
() ()
()
()
βα
β
γ
ααββα
β
γφ
α
,
.
.
.2
.
.
11

2'
2
222'
21
2222
22'
2
2'
2
11
A
B
fC
U
redrrcb
Xr
fC
U
dm
dm
dm
dm
=
++++
+
=
(2.7)
()
() ()
()

()
βα
β
γ
ααββα
βτ
γ
α
,
.
2
1/
.
1
2'
2
222'
21
2222
2
2
2
2
0
2'
2
1
A
C
U

redrrcb
xr
UI
dm
dm
=
++++
++
=
(2.8)
() ()
()
βα
β
γ
ααββα
β
γ
α
,
.
2
.
2'
2
222'
21
2222
'
2

A
U
redrrcb
UI
H
H
=
++++
=+

() ()
()
()
βα
β
γ
ααββα
βτ
γ
µα
,
.
2
/
.
2'
2
222'
21
2222

22
2
2
0
2'
2
A
D
U
redrrcb
xr
UI
dm
H
=
++++
+
=
(2.9)
() ()
()
βα
β
γ
ω
ααββα
β
ω
α
,

.
.2
.
'
2
1
2
1
2'
2
222'
21
2222
'
2
1
2
1
'
A
r
Um
redrrcb
r
Um
M
dm
dm
dm

dm
=
++++
=
(2.10)
w
kC ,
11
444
ω
= : Hằng số cấu trúc cuộn dây pha
m
1
: Số pha
(
)
β
α
ω
ω
−= .
H1

Rõ ràng, ở chế độ ngắn mạch là
β
α
β
α
=
=

thay vào các công thức nên ta có:
- Dòng Stator khi ngắn mạch:
()
() ()
2'
2
2222'
21
2222
2
2
2
2
0
2'
2
1
2
1/
.
redrrcb
xr
UI
dm
nm
αααα
ατ
γ
α
++++

++
=+
(2.11)
- Mô men (bắt đầu khởi động):
() ()
2'
2
2222'
21
2222
'
2
2
1
2
1
2
.
redrrcb
r
Um
M
dm
dm
m
αααα
α
γ
ω
απ

++++
=
(2.12)
- Dòng Stato khi không tải lí tưởng:
()
2
2
'
20
2
1
222
0
010

α
γ
α
γ
αµα
XXr
U
edX
U
II
mmdm
++
=
+
==+

®
(2.13)
+ Trong một loạt trường hợp người ta sử dụng hợp lí các công thức, biểu diễn
qua từ thông động cơ
αϕφα
αα
H
EfCEE
111
'
21
. === (2.14)

20
dm
φ
φα
ϕ
= = Từ thông tương đối của động cơ
()
(
)
()
β
β
ϕ
β
βτ
φα
α

B
C
E
xr
xr
fCI
dmdm

.
.1/

1
22'
2
2'
2
2
2
2
2
0
2'
2
111
=
+
++
=

()

β
β
ϕ
β
β
φ
α
B
E
Xr
fCI
dmdm

1
2'
2
2'
2
211
'
2
=
+
= (2.15)
()
β
β
ϕ
ω
β

β
φ
ω
αα
B
r
Em
Xr
r
fCm
M
dm
dm
dm
dm
'
2
2
1
2
11
22
2
2'
2
'
2
2
1
2

1
2
11

.
. =
+
=

Hoặc:
αααααα
φϕ
ω
φφ
2
'
2
1
11
2
'
2
cos I
Em
CosIKH
dm
dm
M
==
Trong đó:

dm
dm
M
fCm
K
1
111
ω
=

22'
2
2'
2
'
2
2
.
β
φ
α
xr
r
Cos
+
=
(2.16)
Trong các công thức này
(
)

β
φ
α
,ff
=
và xác định theo công thức trên
2.2.2 Hệ thống điều khiển tần số và đặc tính động cơ không đồng bộ
2.2.2.1 Yêu cầu đối với đặc tính tĩnh và cách thực hiện
a. Bảo đảm khả năng quá tải trong tất cả các dải tần số
b. Bảo đảm độ cứng của đường đặc tính cơ, cao hơn là ở đặc tính tự nhiên
Yêu cầu thứ nhất được thực hiện trong phạm vi điều chỉnh hẹp trong hệ
thống hở bằng cách thực hiện luật điều khiển tần số. Luật điều tầ
n tức là tỉ số
giữa tần số và điện áp đặt lên Stator của động cơ bảo đảm đặc tính động cơ
tương ứng với đặc tính tải tổng hay chính xác hơn, bảo đảm
cons
t
=
α
ở n bất kì.
Đặc điểm của hệ thống hở là điều chỉnh để có U = f(f) đã xác định.
Với yêu cầu thứ 2, thì hệ thống hở không thực hiện được. Trong hệ thống
kín, nó được thực hiện theo phản hồi tác động đồng thời lên điện áp và tần số.
Trong hệ thống kín nhiệm vụ giữ
const
=
λ
được thực hiện bằng cách điều
chỉnh điện áp hay dòng Stator theo hàm của tần số và tải, trong đó
λ

được giữ
theo tỉ số giữa mô men cực đại tính toán và mô men tải thực tế. Vì vậy hệ thống
kín điều khiển thường có hai mạch ổn định tốc độ và điều chỉnh điện áp hay
dòng Stator.
Ngoài ra còn một số yêu cầu: bảo đảm đặc tính mô men dạng máy xúc,
thực hiện nhiệm vụ điều khiển tối ưu ở chế độ tĩnh, bả
o đảm yêu cầu về mô
men, tốc độ khi dòng cực tiểu, bảo đảm tổng công suất (công suất theo Cos
max
ϕ
)

21
2.2.2.2 Các nguyên lí điều tần cơ bản và phân loại hệ thống
Người ta phân làm hai nguyên lí cơ bản:
a. Điều tần, trong đó nhân tố điều khiển là tần số và điện áp trên Stator
(ĐKT_ĐA)
b. Điều tần, trong đó nhân tố điều khiển là tần số và dòng điện Stator
(ĐKT-DĐ)
Phương pháp đầu tiên là có truyền thống và đã được hoàn thiện đầy đủ.
Phương pháp sau mới được nghiên cứu trong khoảng 10 năm trở l
ại đây. Nó có
nhiều khó khăn vì vậy ít được sử dụng trong thực tế.
Có thể phân ra các hệ thống điều tần cơ bản như sau:
1 Hệ thống hở.
2 Hệ thống kín với:
- ổn định tốc độ không ổn định từ thông
- ổn định từ thông và tốc độ
- ổn định mô men
φ

hoặc I và độ trượt
- Điều khiển từ thông và ổn định độ trượt
- Điều khiển
φ
theo hàm của tải(không ổn định
β
)
- Điều khiển tối ưu
2.3 Động cơ không đồng bộ trong hệ thống điều khiển tần số bằng bù sụt
áp trên điện trở Stator
2.3.1 Ảnh hưởng của điện trở Stator lên bản chất và đặc tính của động cơ
Mức độ ảnh hưởng của thuần trở Stator lên đặc tính động cơ phụ thuộc
không những vào các tham số của động cơ mà phụ thuộc rất nhiều vào luật điều
khiển tần số. Điều đó biểu hiện lớn nhất trong trường hợp khi điện áp chỉ được
điều chỉnh theo tần số
(
)()
α
fU = mà không phụ thuộc tải (
β
).
Khi điều chỉnh theo luật
γα
== hayConst
f
U
,
thì lúc giảm tần số mô men
cực đại giảm nhanh, và vì vậy, độ cứng của đường đặc tính cơ bị giảm. Điều đó
dẫn đến khi tần số giảm, tổn hao tăng, khả năng quá tải giảm, độ bền vững của

hệ thống giảm và với f
0≈ thì động cơ hầu như không có khả năng làm việc
nữa. Trong phòng thí nghiệm, người ta đã xây dựng đường đặc tính cơ theo luật

22
Const
f
U
=
. Cho động cơ A42-4 (2,8kw-1420vòng/phút– 380v/220v) và được
kết quả như sau: Thí nghiệm ở điện áp giảm xuống 12v.
Nm
M
Hzv
f
U
Hzv
f
U
Hzv
f
U
/
10
26
/
25
65
/
50

129
3
3
2
2
1
1
=
=
=

Hình 2.2
Từ đồ thị ta thấy:
a.
M
max
giảm nhanh từ 4,5Nm xuống 2Nm khi dải tần thay đổi trong khoảng
5/1.
b.
Khi n∆ ở cả dải tần như nhau thì các mô men tương ứng giảm
n
m
∆
∆
giảm,
tức độ cứng của đường đặc tính cơ tự nhiên giảm
Ta xét nguyên nhân giảm mô men khi tần số giảm ở
Cons
t
=

β

+ Mô men được xác định bởi từ thông
,cos,
2
ϕ
φ
dòng rotor
'
2
I

+ Từ sơ đồ thay thế ta thấy
,cos
2
ϕ
không phụ thuộc tần số mà chỉ phụ thuộc
vào
β
.
2'
2
2
2'
2
'
2
2
/
x

r
r
Cos
+
=
β
β
ϕ
(2.17)
+ Dòng
'
2
I khi Cons
t
=
β
chỉ là hàm của
φ
.
+
2'
2
2
2'
2
11
'
2
1
'

2

x
r
fC
Z
E
I
dm
+
==
β
φ
α
β
α
α
(2.18)
Với
dm
Cos
Cos
i
2
2

ϕ
ϕ
ϕµ
=

Trong đó:
dm
dm
M
M
φ
φ
ϕ
µ
=
=