Bài giảng tổng hợp hệ điện cơ (chương 10)

Ch ng 10
hệ thống điều tốc biến tần - động cơ đồng bộ
10.1. ĐIều tốc biến tần - động cơ đồng bộ
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
Động cơ đồng bộ là loại động cơ mà tốc độ quay của rotor luôn
bằng tốc độ từ tr ờng quay và có giá trị không đổi khi tần số nguồn cung
cấp không đổi. Các động cơ đồng bộ đ ợc chế tạo với giải công suất rất
rộng, công suất nhỏ nh chiếc đồng hồ quay định giờ, công suất lớn đạt
đến hàng cục nghìn KW. Ngoài ra động cơ đồng bộ còn có một u điểm
nổi bật là có thể điều chỉnh đ ợc hệ số công suất của nó bằng việc
khống chế cuộn kích từ, có thể làm cho hệ số công suất bằng 1 hoặc có
thể phát ra công suất phản kháng ( <0
0
, thực hiện chức năng bù công
suất phản kháng). Trong một nhà máy chỉ cần có một vài hệ thống công
suất rất lớn dùng động cơ đồng bộ là có thể cải thiện đ ợc hệ số công
suất của toàn nhà máy.
Ch ng 10
y
0
= 0

y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
Do quá trình khởi động động cơ khi khá phức tạp, đặc biệt là với
động cơ công suất lớn, nghiêm trọng có thể phát sinh dao động mạnh
gây nguy hiểm cho hệ thống và các thiết bị. Ngoài ra, việc điều chỉnh
tốc động đồng bộ duy nhất chỉ có thể điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi
tần số nguồn, vì vậy trừ khi có những yêu cầu đặc biệt, các thiết bị công
nghiệp tr ớc kia rất ít dùng đến động cơ đồng bộ.
Từ khi kỹ thuật bán dẫn công suất và kỹ thuật vi xử lý phát triển,
các bộ biến tần bán dẫn đ ợc sản xuất hàng loạt với giá thành ngày càng
thấp thì việc sử dụng động cơ đồng bộ trong các hệ thống truyền động
điện có điều chỉnh tốc độ đã trở nên phổ biến. Về vấn đề khởi động, với
việc sử dụng biến tần có cài đặt ch ơng trình điều khiển phù hợp cho
phép khởi động mà không cần thêm các thiết bị phụ, kể cả động cơ
công suất lớn c vài chục MW.
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y

4
= x+
Ch ng 10
10.2. Hệ thống Iều tốc động cơ đồng bộ với biến tần điều
khiển ngoài và điều khiển vector
10.2.1. Hệ thống điều tốc nhiều động cơ đồng bộ điều khiển tỷ số
điện áp tần số không đổi mạch vòng hở tốc độ quay
Hình 10.1 thể hiện hệ thống điều tốc nhiều động cơ đồng bộ
điều khiển tỷ số điện áp tần số không đổi mạch vòng hở tốc độ quay.
Đây là loại hệ thống điều tốc biến tần đơn giản nhất, th ờng gặp trong hệ
thống truyền động nhiều động cơ công suất nhỏ của ngành công nghiệp
hoá chất và công nghiệp dệt. Nhiều động cơ đồng bộ sắt từ vĩnh cửu
hoặc từ trở mắc nối với bộ nghịch l u dùng chung, do một tín hiệu tốc độ
quay thống nhất cho tr ớc U* đồng thời điều chỉnh nhiều tốc độ của
động cơ, kèm bộ tạo xung hàm số GF bù sụt áp của stator.
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
Ch ng 10
L
Đ
Hình 10.1: Hệ thống điều tốc biến tần đảm

bảo tỷ số điện áp tần số không đổi của
nhóm nhiều động cơ đồng bộ
TH- Bộ tao hàm số; CL - Bộ chỉnh l u có điều
khiển; NL - Bộ nghịch l u nguồn áp
Điều khiển
điện áp
Điều khiển
tần số
TH
Nhóm các động cơ
đồng bộ kích từ bằng
nam châm vĩnh cửu
hoặc động cơ từ trở
Đ Đ
f
2
, U
2
CL
NL
C
Bộ điều
khiển
Đ
Tín hiệu
đặt
Bộ biến đổi tần
số trực tiếp
Nguồn
kích từ

FT
Hình 10.2: Hệ thống điều tốc động cơ đồng
bộ công suất lớn tốc độ thấp sử dụng bộ
biến tần trực tiếp (xoay chiều- xoay chiều)
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
Ch ng 10
10.2.2. Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ công suất lớn
tốc độ thấp sử dụng bộ biến tần trực tiếp (xoay chiều- xoay chiều)
Một loại hệ thống điều tốc biến tần - động cơ đồng bộ dùng để
truyền động công suất lớn tốc độ thấp, nh máy cán đảo chiều không có
bánh răng, máy tời ở mỏ, máy nghiền của nhà máy xi măng v.v sử
dụng bộ biến tần trực tiếp (xoay chiều-xoay chiều) với tần số đầu ra chỉ
nằm trong khoảng 20 ữ 25 Hz (trong khi tần số l ới điện là 50 Hz), đối với
động cơ đồng bộ có số đôi cực từ lớn (n
p
=10), tốc độ quay đạt ở mức
120 ữ 150 vg/ph, dùng để trực tiếp dẫn động trục cán là rất phù hợp, có
thể bỏ đ ợc hộp giảm tốc và hộp truyền lực rất cồng kềnh.
Sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ thống điều tốc nh trên hình 10.2,
trong đó bộ điều khiển có thể là dạng thông dụng, cũng có thể dùng

kiểu điều khiển vector.
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
Ch ng 10
10.2.3. Hệ thống biến tần điều khiển vector - động cơ đồng bộ
Để có đ ợc chất l ợng cao, hệ thống điều tốc biến tần - động cơ
đồng bộ cũng có thể sử dụng thuật toán điều khiển vector. Nguyên lý cơ
bản của nó cũng giống nh điều khiển vector của động cơ không đồng
bộ, cũng có thể thông qua phép biến đổi toạ độ vector không gian dòng
điện (đại diện cho sức từ động), chuyển đổi t ơng đ ơng thành động cơ
một chiều, sau đó lại phỏng theo ph ơng pháp điều khiển động cơ một
chiều để tiến hành điều khiển. Bởi vì kết cấu của động cơ đồng bộ khác
với kết cấu của động cơ không đồng bộ, nên biểu diễn vector của nó có
những nét riêng biệt.
Đặc điểm chủ yếu của động cơ đồng bộ là: stator của nó có 3
cuộn dây xoay chiều 3 pha, rotor có một cuộn dây kích từ đ ợc cấp bởi
dòng một chiều (hoặc kích từ nam châm vĩnh cửu).
y
0
= 0
y

0
= x
y
1
= y
4
= x+
Ch ng 10
10.2.3. Hệ thống biến tần điều khiển vector - động cơ đồng bộ
Để làm nghiên cứu, tr ớc tiên phải bỏ qua một số yếu tố phụ và đ
a ra một số giả thiết nh sau:
(1) Cực của động cơ là ẩn, hoặc bỏ qua sự thay đổi từ trở của
cực từ lồi.
(2) Không có cuộn dây cản, nói cách khác là bỏ qua hiệu ứng
của cuộn dây cản.
(3) Bỏ qua ảnh h ởng của điện trở và điện cảm tản cuộn dây
stator.
Các giả thiết cơ bản khác giống với các điều kiện giả định đã đ a
ra khi nghiên cứu mô hình toán học động cơ không đồng bộ
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+

Ch ng 10
10.2.3. Hệ thống biến tần điều khiển vector - động cơ đồng bộ
Nh vậy mô hình vật lý động cơ đồng bộ hai cực nh trên hình
10.3, trong đó đ ờng trục của 3 cuộn dây 3 pha A, B, C stator là cố định,
điện áp u
A
, u
B
, u
C
và dòng điện i
A
, i
B
, i
C
đều là đối xứng.
Hình 10.3: Mô hình vật lý của
động cơ đồng bộ hai cực
u
B

1
u
A
u
C
i
C
i

B
i
A
A
C
q
d
U
K
I
K

y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
Ch ng 10ươ
10.2.3. HÖ thèng biÕn tÇn ®iÒu khiÓn vector - ®éng c¬ ®ång bé
2 2
s sT sM
i i i= +
2 2 2 2
K KT KM sT sM

i i i i (i i )
Σ
= + = + −
1
sM
s
s
i
cos
i
−
θ =
1
sM
K
K
i i
cos
i
−
Σ
−
θ =
KT sT
i i= −
y
0
= 0
y
0

= x
y
1
= y
4
= x+
Ch ng 10
10.2. Hệ thống Iều tốc động cơ đồng bộ với biến tần điều
khiển ngoài và điều khiển vector
10.2.1. Hệ thống điều tốc nhiều động cơ đồng bộ điều khiển tỷ số
điện áp tần số không đổi mạch vòng hở tốc độ quay
Từ khi kỹ thuật bán dẫn công suất và kỹ thuật vi xử lý phát triển,
các bộ biến tần bán dẫn đ ợc sản xuất hàng loạt với giá thành ngày càng
thấp thì việc sử dụng động cơ đồng bộ trong các hệ thống truyền động
điện có điều chỉnh tốc độ đã trở nên phổ biến. Về vấn đề khởi động, với
việc sử dụng biến tần có cài đặt ch ơng trình điều khiển phù hợp cho
phép khởi động mà không cần thêm các thiết bị phụ, kể cả động cơ
công suất lớn c vài chục MW.
y
0
= 0
y
0
= x
y
1
= y
4
= x+
Ch ng 10

10.2. Hệ thống Iều tốc động cơ đồng bộ với biến tần điều
khiển ngoài và điều khiển vector
10.2.1. Hệ thống điều tốc nhiều động cơ đồng bộ điều khiển tỷ số
điện áp tần số không đổi mạch vòng hở tốc độ quay
Từ khi kỹ thuật bán dẫn công suất và kỹ thuật vi xử lý phát triển,
các bộ biến tần bán dẫn đ ợc sản xuất hàng loạt với giá thành ngày càng
thấp thì việc sử dụng động cơ đồng bộ trong các hệ thống truyền động
điện có điều chỉnh tốc độ đã trở nên phổ biến. Về vấn đề khởi động, với
việc sử dụng biến tần có cài đặt ch ơng trình điều khiển phù hợp cho
phép khởi động mà không cần thêm các thiết bị phụ, kể cả động cơ
công suất lớn c vài chục MW.