Giáo trình hướng dẫn phân tích khả năng ứng dụng điểu khiển tốc độ trong động cơ truyền động điện p3 pot

19
Hình 2.2 Sơ đồ biến tần gián tiếp
Bộ nghịch lưu có thể là độc lập hay phụ thuộc tùy theo phụ tải ở mạng
tiêu thụ với tần số ấn định. Giữa bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu thường là bộ
lọc để san bằng sự đập mạch của điện áp hay dòng điện chỉnh lưu.
Bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu có thể làm việc độ
c lập với nhau và có
thể thực hiện chuyển mạch tự nhiên hay nhân tạo, bao gồm các nhóm:
1- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch hỗn hợp: bộ biến đổi đảo
chiều dùng nghịch lưu phụ thuộc với chuyển mạch tự nhiên, còn nghịch lưu
độc lập, dùng chuyển mạch nhân tạo.
2- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch t
ự nhiên hoàn toàn: trường
hợp thiết bị điện một chiều, động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ bù và với các
phụ tải khác có hệ số công suất cao và trong trường hợp truyền động điện nối
tầng van không đồng bộ.
3- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch nhân tạo hoàn toàn. Khi đó
cả bộ chỉnh lưu và bộ ngh
ịch lưu đều được thực hiện chuyển mạch nhân tạo.
Ưu điểm chính của bộ biến đổi tần số dùng khoá điện tử có khâu trung
gian dòng điện một chiều là có thể nhận được ở đầu ra của nó nhờ nghịch lưu
độc lập, tần số có thể thay đổi được trong dải rộng, không phụ thuộc vào tần
số nguồn cung cấp.
Nh
ược điểm cơ bản của bộ biến đổi loại này là biến đổi năng lượng hai
lần nên làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi và làm tăng kích thước và khối
lượng của nó.
Bộ biến tần dùng van bán dẫn có khâu trung gian dòng điện xoay
chiều một pha tần số cao
.

Để nhận được tần số 50 Hz ở cửa ra của bộ biến tần khoá điện tử này
thì tần số điện áp của khâu trung gian dòng điện xoay chiều không được nhỏ
hơn 450 Hz. Bộ biến tần với khâu trung gian dòng điện một pha có chuyển
mạch hỗn hợp. Bộ biến tần loại này dẫn dòng cả hai phía, đảm bảo trao đổi

20
năng lượng phản kháng giữa nguồn và phụ tải. Khi động cơ làm việc ở chế độ
máy phát, có thể trả lại năng lượng tác dụng về lưới cung cấp. Giá trị cực đại
của tần số ra của bộ biến tần khoá điện tử này được giới hạn bởi giá trị tần số
điện áp ở khâu trung gian dòng điện một pha và th
ường vào khoảng 50 – 60
Hz, nhưng về nguyên tắc thì có thể đạt giá trị lớn hơn.
Bộ biến tần khoá điện tử có khâu trung gian dòng điện xoay chiều tần
số cao sử dụng nhiều sơ đồ phức tạp, được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnh
lưu hình tia ba pha và chỉnh lưu đảo chiều dùng sơ đồ cầu ba pha. Ở đây việc
biến đổi đi
ện áp tần số cao thành điện áp có tần số thấp điều chỉnh được,
thường được thực hiên nhờ bộ biến tần trực tiếp một pha đến ba pha dùng
chuyển mạch tự nhiên. Những bộ biến đổi loại này không mang lại ứng dụng
thực tiễn trong truyền động điện vì sơ đồ mạch lực và hệ thống điều khiển khá
phức tạp.
Các nguyên tắc biến đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều trong
các bộ biến đổi dùng khoá điện tử. Các bộ nghịch lưu và tính chất của chúng.
Phần quan trọng cấu thành các bộ biến tần khoá điện tử có khâu trung
gian dòng điện một chiều cùng với các bộ chỉnh lưu là các bộ nghịch lưu.
Nghịch lưu là quá trình biến đổi dòng điện mộ
t chiều thành xoay chiều.
Đó là quá trình biến đổi hệ thống điện áp một chiều sang mạch xoay chiều
nhờ các khóa điều khiển (thyristor hay transitor).
Thiết bị thực hiện quá trình này được gọi là nghịch lưu. Các bộ nghịch

lưu thường được chia ra theo loại phụ tải và theo tương quan công suất
chuyển mạch và mạch tiêu thụ là độc lập hay phụ thuộc.
Nghịch lưu độc lập là nghịch lưu làm việc với tải độc lập, ở đó không
chứa sẵn nguồn năng lượng tác dụng, có cùng điện áp và tần số với đầu ra
nghịch lưu. Vì vậy tần số, dạng điện áp được xác định do chế độ làm việc đó
đến các thông số ở đầu ra nghịch lưu.

21

Nghịch lưu phụ thuộc là nghịch lưu trả lại năng lượng cho lưới điện
xoay chiều có điện áp, tần số cố định và công suất tác dụng lớn hơn đáng kể
so với công suất mà nghịch lưu trả lại. Khi này những thông số về điện áp, tần
số ở đầu ra của nghịch lưu phụ thuộc không ảnh hưởng đến chế độ làm việc
c
ủa nó, những thông số này hoàn toàn được xác định bởi các thông số của
lưới mà nghịch lưu trả năng lượng lại.
Tuỳ theo kiểu chuyển mạch nghịch lưu mà được chia ra làm hai nhóm:
-
Các bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên.
-
Các bộ nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức
Nghịch lưu phụ thuộc được đặc trưng bằng chuyển mạch tự nhiên của
các khoá điện tử, hệ thống điều khiển các khóa điện tử của bộ nghịch lưu này
thường là phụ thuộc (được đồng bộ hoá) như ở bộ chỉnh lưu.
Nghịch lưu độc l
ập được đặc trưng bằng chuyển mạch cưỡng bức và
việc điều khiển các thysistor hay transitor đều từ bên ngoài (không phụ thuộc
cả mạng cung cấp lẫn tải tiêu thụ). Nhưng nghịch lưu độc lập có thể có chế độ
làm việc với chuyển mạch tự nhiên cho các khoá điện tử (khi làm việc với
động cơ đồng bộ quá bù, phụ tải điện dung v.v…). Ch

ẳng hạn, ở chế độ máy
điện một chiều, việc chuyển mạch của các khoá điện tử trong nghịch lưu phụ
thuộc vào vị trí góc và tốc độ góc của roto động cơ, nghĩa là hệ thống điều
khiển nghịch lưu đó cần phải được đồng bộ hoá và bị phụ thuộc vào vị trí
roto. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là biến nghịch l
ưu độc lập thành
nghịch lưu phụ thuộc, bởi vì việc xác định nghịch lưu độc lập dựa trên cơ sở
tần số, biên độ điện áp, dạng điện áp ở đầu ra và chế độ làm việc của nghịch
lưu này có phụ thuộc vào năng lượng tác dụng cũng như tần số của nguồn
cung cấp hay không.
Do tính độc lập về ch
ế độ làm việc của nguồn điện một chiều và sự duy trì
nghiêm ngặt các quá trình điện từ trong nghịch lưu độc lập, người ta chia ra

22
thành nghịch lưu độc lập nguồn điện áp và nghịch lưu độc lập nguồn dòng
điện.
Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện là nghịch lưu mà dạng dòng điện ở
dầu ra của nó được xác định chỉ bằng sự chuyển mạch dòng điện giữa các
khoá điện tử của nghịch lưu, còn dạng điện áp thì phụ thuộc vào tính chất của
phụ tải. Việc đưa bộ chỉnh lưu điều khiển vào chế độ nguồn dòng điện điều
ch
ỉnh được khi làm việc với nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện được thực
hiện bằng cách đấu thêm điện kháng san bằng có điện cảm rất lớn ở đầu vào
hoặc dùng khâu phản hồi âm dòng điện trong chỉnh lưu điều khiển và sử dụng
cuộn kháng san bằng có giá trị điện cảm đủ để san bằng sự đập m
ạch của
dòng điện chỉnh lưu.
Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện không thể làm việc với tải cảm
kháng, vì khi dòng điện đột biến ở đầu ra (thời điểm thay đổi cực tính điện áp

trên tải làm hở mạch nguồn dòng điện) sẽ làm xuất hiện quá điện áp lớn hơn
giới hạn cho phép. Nghịch lưu
độc lập nguồn dòng điện sẽ gần đạt đến nghịch
lưu dòng điện lý tưởng khi nó làm việc với tải có tính chất dung kháng.
Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện có thể cho phép làm việc với tải có tính
chất cảm kháng hay động cơ điện xoay chiều nhưng trong trường hợp này cần
phải hạn chế quá điện áp chuyển mạch và tốc độ
tăng trưởng của dòng điện
khi thay đổi cực tính và phải có biện pháp đặc biệt để dập tắt hoặc trả lại năng
lượng phản kháng đã tĩch luỹ trên tải cho nguồn cung cấp. Khả năng làm việc
với tải có hệ số công suất vượt góc trước làm cho nghịch lưu độc lập nguồn
dòng điện có ưu việt hơn cả nhờ vi
ệc sử dụng tính chất chuyển mạch tự nhiên.
2.1.3 Các luật điều khiển tần số
a) Luật điều khiển tần số theo khả năng quá tải
Mô men cực đại mà động cơ sinh ra được chính là mô men tới hạn M
th
,
khả năng quá tải về mô men được quy định: Khi điều chỉnh tần số thì trở
kháng, từ thông, dòng điện của động cơ thay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu

23
điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện
áp. Đối với hệ thống biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ cho khả năng
quá tải về mô men là không đổi trong bằng hệ số quá tải về mô men λ
M
.
M
M
λ

th
M
=

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stator (R
s
=0) thì ta có:
22
2
ss
m
th
22 2
srσ 00
UU
L
Mk
2L L ωω
==
(2.1)
với ω
0
là tốc độ không tải
Điều kiện để giữ hệ số quá tải không đổi là:
dm
thdmth
M
M
M
M

M
λ ==
(2.2)
Thay (2.3) vào (2.2) ta được:
dm0dm
sdm
0
s
M
M
ω
U
ω
U
=
(2.3)
Đặc tính cơ của máy công tác có dạng
x
dm
0
dmc
ω
ω
MM
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜

⎝
⎛
=

Thay phương trình trên vào phương trình (2.3) ta rút ra được luật điều chỉnh
tần số điện áp để có hệ số quá tải về mô men là không đổi là:
()
2
x
1
*
s
*
s
2
x
1
sdm
s
2
x
1
0dm
0
sdm
s
fU
f
f
ω

ω
U
U
+
++
=⇔
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
(2.4)
•
Khi x=0 tức là phụ tải có M
c
=const thì:
U

s
*
=f
s
*
↔ U
s
/f
s
=const
•
Khi x=1 tức là phụ tải có công suất không đổi thì:
U
s
*
=(f
s
*
)
3/2

•
Khi x=2 tức là phụ tải dạng bơm ly tâm và quạt gió thì:

24
U
s
*
=(f
s

*
)
2
suy ra U
s
/f
s
2
=const
b) Luật điều chỉnh giữ từ thông không đổi

Chế độ định mức là chế độ làm việc tối ưu về tuổi thọ của động cơ
không đồng bộ. Trong chế độ này từ thông là định mức và mạch từ có công
suất tối đa. Luật điều chỉnh điện áp tần số mà ta đã trình bày ở trên là luật gần
đúng giữ từ thông không đổi trên phạm vi toàn dải điều chỉnh. Tuy nhiên từ
thông động c
ơ trên mỗi đặc tính còn phụ thuộc rất nhiều vào độ trượt s, tức là
phụ thuộc mô men tải trên trục động cơ. Vì thế, trong các hệ điều chỉnh yêu
cầu chất lượng cao thì ta cần tìm cách bù từ thông.

Từ phương trình mô tả mô men của động cơ không đồng bộ ta thấy,
nếu giữ được từ thông của khe hở không khí hay từ thông stator không đổi thì
mô men sẽ không phụ thuộc vào tần số và mô men tới hạn sẽ không đổi trong
toàn dải điềi chỉnh. Nếu coi R
s
= 0 thì:
const
ω
U
ω

U
ψ
sdm
sdm
s
s
s
===

Tuy nhiên ở vùng tần số làm việc thấp thì sụt áp trên điện trở mạch
stator đáng kể so với sụt áp trên điện cảm stator. Do đó từ thông cũng giảm đi
và mô men tới hạn cũng giảm.
Quan hệ giữa dòng điện stator và từ thông rotor như sau:
2
sr
m
r
s
)ω(T1
L
ψ
I += (2.5)
Thực tế là khi giữ từ thông rotor không đổi ψ
r
= ψ
rdm
thì vec tơ dòng điện
rotor và vec tơ từ thông rotor phải luôn vuông góc với nhau trong không gian. Mặt
khác, do mô men điện từ là tích vec tơ của hai vec tơ này nên khi chúng vuông góc
với nhau thì mô men trở thành tích của hai đại lượng. Do đó, từ biểu thức (2.5) ta

thấy để điều chỉnh cho từ thông không đổi ta chỉ cần điều chỉnh dòng điện stator và
tần số f
s
sao cho thoả mãn biểu thức trên.
c) Luật điều khiển tần số trượt không đổi

25
Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ở chế độ xác lập ta có phương trình:
()
2
rr
2
sr
r
2
m
Tω1
Iω
R
L
2
3
M
+
=
(2.6)
trong đó: ω
r
=ω
s

-ω
Vì vậy nếu giữ ω
r
=const thì M=f(I
s
2
). Lấy đạo hàm của mô men M theo tốc độ
ω
r
sau đó cho bằng 0 ta tìm được tốc độ ω
r
tới hạn và mô men tới hạn.
2
s
rσ
2
m
th
r
r
rth
I
L
L
4
3
M
L
R
ω

=
=

Như vậy nếu giữ ω
r
=ω
th
=R
r
/L
r
=1/T
r
thì mô men điện từ của động cơ sinh ra
bằng mô men tới hạn của động cơ. Trường hợp này ta gọi là luật điều chỉnh
sao cho động cơ sinh ra mô men tối đa ứng với một giá trị cho trước của dòng
điện stator. Mặt khác vì ω
r
=2пf
r
nên luật này còn gọi là luật điều chỉnh giữ tần
số mạch rotor là hằng số.
d) Điều chỉnh tần số bằng phương pháp véc tơ không gian
Qua sự phân tích một số phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không
đồng bộ nêu trên ta thấy, hầu hết các phương pháp đó đều có đặc điểm là
không sử dụng các thiết bị phản hồi nên mặc dù đạt được sự tối ưu về giá
thành song mục tiêu quan trọng là chất lượng điều khiển lại chưa đạt được độ
chính xác cao. Sự đị
nh hướng của trường rotor không được sử dụng, trạng
thái của động cơ bị bỏ qua, mô men không được điều khiển Kỹ thuật điều

khiển này gọi là điều khiển vô hướng. Mặt khác chúng ta đều đã biết động cơ
không đồng bộ là thiết bị mang tính chất phi tuyến, mặc dù đã bỏ qua ảnh
hưởng của bão hoà từ, tổn thất trong lõi thép và các thành phần sóng hài b
ậc
cao nhưng chúng ta vẫn gặp rất nhiều khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ
động cơ vì quá trình điện từ trong động cơ không đồng bộ hết sức phức tạp.
Phần cảm và phần ứng của động cơ có quan hệ chặt chẽ với nhau. Với mong

26
muốn làm sao chế ngự được hoàn toàn động cơ không đồng bộ đạt được chất
lượng truyền động như động cơ một chiều, người ta đã đưa ra một phương
pháp điều khiển đó là phương pháp điều chế véc tơ không gian. Nội dung của
phương pháp này là người ta biến các đại lượng véc tơ dòng điện, điện áp và
từ thông từ h
ệ toạ độ ba pha về hệ toạ độ hai pha (dq), hệ toạ độ này quay
đồng bộ với từ trường quay. Tiến hành điều khiển và khảo sát trên hệ toạ độ
dq và khi có kết quả ta quy đổi ngược trở về hệ toạ độ ba pha để tạo ra các tín
hiệu điều khiển bộ biến tần bằng các thay đổi độ rộng xung (PWM).
Hệ truyền động động c
ơ không đồng bộ điều khiển tần số theo phương
pháp không gian vec tơ cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ trong phạm vi
rộng, có khả năng sinh mô men quay ở tốc độ thấp (thậm chí ở tốc độ 0) và
điều chỉnh trơn một cách tuỳ ý. Tốc độ đạt được độ chính xác cao, đáp ứng
mô men tốt.
Xuất phát từ cơ sở đó hiện nay các nhà khoa học đã và đang đi sâu
nghiên cứu để tìm ra một phương pháp điều khiển tối ưu nhất cho động cơ
không đồng bộ. Trong đó, phương pháp điều khiển tần số tựa theo từ thông
rotor sẽ là một trong những hướng phát triển chính của hệ truyền động xoay
chiều trong những năm tới. Với sự phát tri
ển của công nghệ điện tử và bán

dẫn công suất, việc tính toán, đo các giá trị thực đã được gói trọn trên một bản
mạch. Vấn đề chủ chốt của một hệ điều khiển vào lúc đó chỉ còn là thuật toán
điều khiển. Như vậy nếu giải quyết được vấn đề trên thì hệ truyền động động
cơ không đồng bộ s
ẽ dần thay thế hệ truyền động động cơ một chiều trong
hầu hết các lĩnh vực, kể cả công nghệ cao như hệ điều khiển chương trình
người máy. Cũng từ đó ta dễ dàng phân lập các hệ truyền động để nâng cao
chất lượng công nghệ. Như vậy ta đã góp phần vào vấn đề mấu chốt là kinh tế
và chất lượng.
2.1.4 Bộ biến tần áp bán dẫn

Có nhiều loại biến tần nhưng do giới hạn của đề tài chỉ nghiên cứu về

27
biến tần áp.

Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp
là nghịch lưu mà ở dạng điện áp ở
đầu ra của nó được xác định chỉ bằng việc đóng, ngắt các khoá điện tử trong
nghịch lưu, còn dạng dòng điện thì phụ thuộc vào tính chất của phụ tải. Khi
nghịch lưu độc lập nguồn điện áp làm việc với tải phản kháng cần phải đảm
bảo khả năng trao đổi nă
ng lượng phản kháng giữa tải và nguồn điện áp một
chiều. Tụ điện có dung lượng đủ lớn đấu song song ở đầu vào nghịch lưu độc
lập nguồn điện áp, còn sơ đồ đấu song song ngược với nghịch lưu độc lập
nguồn điện áp được gọi là chỉnh lưu ngược. Điều này cho phép dòng điện
chảy trong mạch t
ải lệch pha so với điện áp tải.

Hình 2.3 Sơ đồ mạch lực của bộ biến tần nguồn áp một pha dùng

Transitor