Giáo trình hình thành hệ thống ứng dụng mạch chuyển trong động cơ không đồng bộ roto p3 pdf

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

28

Hình 2.4 Điện áp tải (u), dòng điện tải (i) và dòng nguồn(i
s
)

Hoạt động của sơ đồ

Giả thiết T
2
và T
4
đang cho dòng chảy qua ( dòng tải đi từ B đến A). Khi
t = 0, cho xung điều khiển mở T
1
và T
3
, T
2
và T
4
bị khoá lại (do thiết bị chuyển
mạch thực hiện). Dòng tải i = - I
m
không thể đảo chiều một cách đột ngột. Nó tiếp
tục chảy theo chiều cũ nhưng theo mạch: D
5
→ E→ D
7
→ Z → D
5
và suy giảm dần.
D
5
và D
7

dẫn dòng khiến T
1
và T
3
vừa kịp mở đã bị khoá lại. Điện áp trên tải là U = E.
Khi t = t
1
, i = 0, D
1
và D
3
bị khoá lại, T
1
và T
3
sẽ mở lại nếu còn xung điều
khiển tác động ở các cực điều khiển của T
1
và T
3
, dòng tải i > 0 và tăng trưởng,
chảy theo chiều từ A đến B.
Giai đoạn từ t = 0 đến t
1
là giai đoạn hoàn năng lượng.
Khi t = T/2, cho xung điều khiển mở T
2
và T
4
, T

1
và T
3
bị khoá lại. Dòng tải
i chạy qua D
6
và D
8
khiến cho T
2
và T
4
vừa kịp mở đã khoá lại. Khi t = t
3
, i = 0,
T
2
và T
4
sẽ mở lại, i < 0, chảy theo chiều từ B đến A, … Dòng tải i biến thiên theo
theo quy luật hàm mũ giữa hai giá trị I
m
và - I
m
.
Biểu thức của dòng tải i

29
Khi bắt đầu cho xung mở T
1

và T
3
, ta có phương trình:
Ldi/dt + Ri = E , (2.7)
di/dt + ai = a E/R
Dưới dạng toán tử Laplace, ta có:
pI(p) – i(0) + aI(p) = aE/Rp
trong đó sơ kiện i(0) = - I
m
và a = R/L.
Do đó

(
)
at
m
at
eIe1i
R
E
−−
−−=
(2.8)
Tương tự như vậy, khi cho xung mở T2 và T
4
ta có phương trình:
- Ldi/td – Ri = E
Và i =
(
)

(
)
m
-a t-T/2 -a t-T/2
E
1-e +I e
R
⎡⎤
⎢⎥
⎣⎦
(2.9)
Dòng nguồn
Chúng ta quy ước: i
s
> 0 khi nguồn nuôi cung cấp năng lượng cho tải,
tức là khi các transitor dẫn dòng; i
s
< 0 khi tải trả năng lượng về nguồn nuôi,
tức là các điot dẫn dòng.
Dòng điện i
s
là dòng điện xoay chiều dạng răng cưa.
Chất lượng điện áp tải và dòng tải
Điện áp tải có dạng “sin chữ nhật”, đối xứng. Nó là một hàm lẻ, chu kỳ.
Triển khai Fourier của nó gồm các số hạng sóng sin:
u =
4E
π
(sinωt +
1

3
sin3ωt +
1
5
sin5ωt+ …) (2.10)
Biên độ của số hạng thứ 10 bằng 5,2% biên độ số hạng thứ nhất.
Mạch tải là động cơ nên gồm có thành phần R và L. Tổng trở của mạch
tải liên quan đến bậc của sóng hài như sau:
Z
n
=
()
2
2
R+nωL


30
Trong đó n = 1, 3, 5, 7… Vì Z
5
> Z
3
> Z
1
nên biên độ sóng hài của
dòng tải giảm nhanh so với sự suy giảm của biên độ sóng hài điện áp tải.
Biên độ của số hạng thứ 3 của dòng tải chỉ còn bằng 5,4% biên độ của
số hạng thứ nhất của nó.
Như vậy đối với tải cảm kháng, ta chỉ cần lấy 3 số hạng đầu trong khai
triển Fourier của điện áp tải để tính toán cũng khá chính xác.

Sơ đồ điều biến độ rộng xung PMW (Pluse Width Modulation)
Thiết bị biến tần trình bày ở trên chỉ tạo ra được dạng điện áp xoay
chiều chữ nhật, hoặc gần chữ nhật, chứa nhiều sóng hài. Muốn giảm nhỏ ảnh
hưởng của sóng hài, người ta dùng các bộ lọc, và như vậy, trọng lượng và giá
thành của thiết bị biến tần sẽ cao.
Điều mong muốn là làm thế nào để vừa điều chỉnh đượ
c điện áp mà vẫn
giảm nhỏ được ảnh hưởng của các sóng hài bậc thấp. Biện pháp điều biến độ
rộng xung đáp ứng yêu cầu trên. Nội dung chính của biện pháp này như sau:
- Tạo một sóng dạng sin, u
r
, ta gọi là sóng điều biến, có tần số bằng tần
số mong muốn.
- Tạo một sóng dạng tam giác, biên độ cố định, u
p
, ta gọi là sóng mang,
có tần số lớn hơn nhiều (thường là bội ba) tần số sóng điều biến.
- Dùng một khâu so sánh u
r
và u
p
. Các giao điểm của hai sóng này xác
định khoảng phát xung điều khiển mở transitor công suất.
Người ta chia điều biến độ rộng xung thành hai loại:
- Điều biến độ rộng xung đơn cực: điện áp ra trên tải là một chuỗi xung,
độ rộng khác nhau, có trị số 0 và ± E.
- Điều biến độ rộng xung lưỡng cực: điện áp ra trên tải là một chuỗi
xung, độ rộng khác nhau, có tr
ị số ± E.
Tỉ số giữa biên độ sóng điều biến và biên độ sóng mang, ký hiệu là M,

được gọi là tỉ số điều biến, M = A
r
+ A
p
.
Điều chỉnh A
r
cũng chính là điều chỉnh độ rộng xung.