Nghiên cứu hệ thống điều khiển trạm bơm nước sạch”

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: “ Nghiên cứu hệ thống điều khiển trạm bơm nước sạch”
Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Mạnh Tiến
Sinh viên thực hiện: Phạm Xuân Thủy

I.

Nội dung thuyết minh.

1. Tìm hiểu về máy bơm.
2. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha.
3. Xây dựng hệ thống điều khiển lưu lượng và áp lực.
4. Mô phỏng hệ thống trạm bơm.

II.

Nội dung bản vẽ.

1


Lời cam đoan
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN
Kính gửi: - Phòng Đào tạo, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
- Viện điện, bộ môn Tự động hóa, Trường Đại học Bách khoa Hà

Nội
- Hội đồng bảo vệ tốt nghiệp
Tên em là: Phạm Xuân Thủy, sinh viên chuyên nghành Tự động hóa XHCN,
trường Đại học Bách khoa Hà Nội, khóa 2010- 2014.
Em xin cam đoan đã thực hiện quá trình làm đồ án tốt nghiệp một cách khoa
học, chính xác và trung thực.
Các kết quả, số liệu nêu trong đồ án đều có thật. Thu được từ quá trình tìm hiểu,
nghiên cứu của bản thân và chưa từng được công bố trong bất kỳ một tài liệu khoa
học, kỹ thuật nào.
Hà Nội, ngày 25/11/2014
Sinh viên

Phạm Xuân Thủy

2


Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Đất nước ta đang trong thời kỳ đổi mới và hội nhập, các tòa nhà cao tầng mọc
lên rất nhanh, cấp đủ nước sinh hoạt cho tòa nhà là nhiệm vụ đặc biệt quan trọng.
Hiểu được tầm quan trọng đó, em chọn đề tài đồ án tốt nghiệp là “ Nghiên cứu
hệ thống điều khiển trạm bơm nước sạch” của trụ sở Bộ Công an. Đây là mốc rất quan
trọng để kiểm tra và đánh giá kiến thức của em trong suốt quá trình được đào tạo tại
trường, đồng thời đánh giá khả năng vận dụng lý thuyết đã được học để áp dụng vào
thực tế.
Trong quá trình làm đồ án em đã nghiêm túc vận dụng những kiến thức sẵn có
của bản thân, những kiến thức đã được học từ các bạn, các thầy cô trong trường và
đặc biệt là những kiến thức từ sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Nguyễn Mạnh Tiến

để hoàn thành đồ án này.
Tuy nhiên, do kiến thức hạn chế và còn thiếu kinh nghiệm, bản đồ án của em
không tránh khỏi những thiếu xót vì vậy kính mong được sự giúp đỡ và chỉ bảo của
các thầy cô trong bộ môn để đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn.

3


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
………………………………….......................................................................................
...........................................................

4


NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
………………………………………...

5


Mục lục

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
TRANG
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ MÁY BƠM…………………………………………….. 1

1.1.

M

áy bơm ……………………………………………………………………….......1
1.1.1. Cấu tạo……………………………………………………………………...1
1.1.2. Nguyên lý hoạt động……………………………………………………….
1.1.3. Đặc tính kỹ thuật……………………………………………………………
1.2. Nguyên lý điều chỉnh lưu lượng………………………………………………
1.2.1. Điều chỉnh bằng tiết lưu…………………………………………………
1.2.2. Điều chỉnh bằng cách thay đổi vòng quay………………………………..
CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA
PHA………………………………………………………………………………………

2.1. Cấu tạo…………………………………………………………………………
2.2. Nguyên lý hoạt động………………………………………………………….
2.3. Đặc tính của động cơ không đồng bộ………………………………………..
2.4. Nguyên lý điều chỉnh tần số………………………………………………..
2.4.1. Quy luật điều khiển tần số cơ bản………………………………………..
2.4.2. Luật điều khiển từ thông khe hở không đổi…………………………….
2.5. Bộ biến tần…………………………………………………………………..
2.5.1. Biến tần trực tiếp…………………………………………………………
2.5.2. Biến tần gián tiếp………………………………………………………..
2.5.3. Mạch nghịch lưu ba pha PMW……………………………………………
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG VÀ ÁP LỰC….

3.1. Thiết lập sơ đồ khối và mô tả hoạt động………………………………
3.1.1. Sơ đồ khối………………………………………………………………
3.1.2. Mô tả hoạt động………………………………………………………..
3.1.3. Chọn thiết bị………………………………………………………………
3.2. Lưu lượng của máy bơm……………………………………………………
3.3. Cột áp của máy bơm…………………………………………………………

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRẠM BƠM……………………………

4.1. Xây dựng sơ đồ cấu trúc…………………………………………………….
4.1.1. Cấu trúc động cơ………………………………………………………
4.1.2. Cấu trúc bộ biến
tần…………………………………………………………………
4.1.3. Cấu trúc của bơm……………………………………………………….

6


Mục lục
4.1.4. Cấu trúc của Đường ống……………………………………………………
4.1.5. Cảm biến đo áp lực………………………………………………………..
4.1.6. Cảm biến đo lưu lượng……………………………………………………
4.2. Tổng hợp bộ điều khiển………………………………………………………..
4.2.1. Bộ điều khiển lưu lượng…………………………………………………….
4.2.2. Bộ điều khiển áp lực…………………………………………………………
KẾT LUẬN………………………………………………………………………………
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………….
LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………………………

7


Chương 1: Tìm hiểu về máy bơm
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ MÁY BƠM
Chúng ta luôn bắt gặp những hệ thống bơm nước tuần hoàn trong các nhà máy
sản xuất công nghiệp hay hệ thống cung cấp nước sinh hoạt trong các tòa nhà cao ốc…
nơi cần lượng nước sinh hoạt lớn với nhu cầu, lưu lượng luôn thay đổi thường xuyên.

Yêu cầu đặt ra là phải giải quyết được việc ổn định áp suất trên đường ống cấp nước
và tiết kiệm năng lượng thông qua hệ thống điều khiển tự động trạm bơm nước sạch.
1.1. Máy bơm.
1.1.1.Cấu tạo.

Hình 1.1. Máy bơm trục đứng.
Máy bơm là một loại máy thủy lực, nhận năng lượng từ bên ngoài( cơ năng,
thủy năng, điện năng..vv..) và truyền năng lượng cho dòng chất lỏng, nhờ vậy đưa chất
lỏng lên một độ cao nhất định hoặc dịch chuyển chất lỏng theo hệ thống đường ống.
Bánh công tác: kết cấu có 3 dạng chính là cánh mở hoàn toàn, mở 1 phần và
cánh kín. Bánh công tác được lắp trên trục của bơm cùng với các chi tiết khác cố định
với trục tạo nên phần quay của bơm gọi là Rôto. Bánh công tác được đúc bằng gang
hoặc thép theo phương pháp đúc chính xác. Các bề mặt cánh dẫn và đĩa bánh công tác
yêu cầu có độ nhẵn tương đối cao để giảm tổn thất. Bánh công tác và Rôto của máy
bơm đều phải được cân bằng tĩnh và cân bằng động để khi làm việc bánh công tác
không chạm vào thân bơm.
Trục bơm: thường được chế tạo bằng thép hợp kim , chống rỉ và thường được
lắp với bánh công tác thông qua mối ghép then.

8


Chương 1: Tìm hiểu về máy bơm
Bộ phận dẫn hướng vào
Bộ phận dẫn hướng ra
Hai bộ phận này thuộc thân máy bơm thường, buồng xoắn ốc, đúc bằng gang,
có hình dạng tương đối phức tạp.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động.
Hạt nước khi nằm trên một đĩa tròn phẳng đang quay sẽ chịu tác dụng của lực
ly tâm và dịch chuyển dần từ tâm ra phía ngoài.

Theo nguyên lý của lực ly tâm, nước được dẫn vào tâm quay của cánh bơm nhờ
lực ly tâm nước được văng ra mép cánh bơm, năng lượng bên ngoài thông qua cánh
bơm đã được truyền cho dòng nước, một phần tạo nên áp năng, một phần tạo nên động
năng khiến nước chuyển động.
Trước khi máy bơm làm việc cần làm cho thân bơm trong đó có bánh công tác
và ống hút được điền đầy nước thường gọi là mồi bơm.
Quá trình đẩy của bơm là khi máy bơm làm việc, bánh công tác quay, các phần
tử chất lỏng trong bánh công tác dưới ảnh hưởng của lực ly tâm văng ra chuyển động
theo máng dẫn và đi vào ống đẩy với áp suất cao hơn .
Quá trình hút của bơm là khi ở lối vào của bánh công tác tạo nên vùng có chân
không. Dưới tác dụng của áp suất trong bể chứa lớn hơn lối vào của máy bơm nước,
chất lỏng ở bể hút liên tục được đẩy vào bơm theo ống hút.
Quá trình đẩy và hút của bơm là liên tục và tạo thành dòng chảy liên tục qua
bơm. Bộ phận dẫn hướng ra thường có dạng xoắn ốc dẫn chất lỏng từ bánh công tác ra
ống đẩy được ổn định.
1.1.3. Đặc tính kỹ thuật:
Phụ thuộc chủ yếu vào hiệu suất vòng quay, hình dạng các đặc tính được thể
hiện như ( Hình 1.2).
Bơm có suất vòng quay cao và trung bình có đường công suất và cột áp
nghiêng hơn, với loại có suất vòng quay thấp thì đường công suất của nó phẳng hơn.
Bơm dòng hỗn hợp có đặc tính lưu lượng, cột áp thoải vì vậy có dạng hơi cong
còn đường công suất có chiều hướng giảm khi tăng năng suất. Loại này đặc trưng cho
bơm hỗn hợp và bơm dọc trục.
N
N
nn

HH H
N

n

Q QQ

Suất
vòng
quay
caobình
Suất
vòng
quay
thấp
Suất
vòng
quay
trung

9


Q
N
n

Chương 1: Tìm hiểu về máy bơm

H
Q

Đường cong xâm thực

Q

Kiểu dòng hỗn hợp
H

Đường cong cột áp đầu hút

Hình 1.2.Các đặc tính của bơm.
1.2. Nguyên lý điều chỉnh lưu lượng.
1.2.1. Điều chỉnh bằng tiết lưu:
Đối với bơm điều chỉnh bằng tiết lưu chỉ thực hiện trên đầu đẩy của máy bơm.
Nếu đặt ở đầu hút thì khi điều chỉnh sâu ( giảm nhanh lưu lượng) dễ xảy ra hiện tượng
đứt dòng, phá vỡ chế độ làm việc ổn định của bơm.
Mặt khác, thay đổi lưu lượng không chỉ phụ thuộc vào độ mở của van tiết lưu
mà còn do sự thay đổi đặc tính của hệ thống.

hQ2
Hht
hs

10

Q


Chương 1: Tìm hiểu về máy bơm
Hình 1.3. phương pháp điều chỉnh bằng tiết lưu
Ta có công thức:

Như vậy có thể thay đổi cột áp tĩnh toàn phần theo hai khả năng:
Thứ nhât: Thay đổi bằng cách thay đổi
Thứ hai: Thay đổi bằng cách thay đổi .
p4
P3 đổi, ta có thể thay đổi
Nếu coi áp suất đầu hút bằng áp suất khí quyển và không thay
P2
bằng haiP1cách:
Thay đổi chiều cao h. Khi tăng h, tăng và lưu lượng giảm, ngược lại khi giảm
h, giảm lưu lượng tăng.
Thay đổi áp xuất đầu xả : Tăng, tăng, lưu lượng giảm và ngược lại.
1.2.2. Điều chỉnh lưu lượng bằng thay đổi số vòng quay:

Hình 1.4. Điều chỉnh bằng thay đổi số vòng quay

11


Chương 1: Tìm hiểu về máy bơm
Máy làm việc với các vòng quay khác nhau: n1; n2; n3; n4.
Trong đó: ; , tương ứng với từng số vòng quay máy có đặc tính công tác khác
nhau, trong khi đặc tính của máy không thay đổi nên các điểm công tác cũng không
đổi.
Tại các điểm , năng suất và cột áp có giá trị tương ứng và .
Từ đặc tính theo số vòng quay ta thấy rằng. Khi tăng số vòng quay, lưu lượng
và cột áp đều tăng, ngược lại khi giảm số vòng quay thì lưu lượng và cột áp đều giảm.
Tương ứng các điểm công tác , ta có các công suất tiêu thụ N và hiệu suất
tương ứng.
Trường hợp lý tưởng trong các cơ cấu truyền động không có tổn thất:

hay:

Trường hợp trong cơ cấu truyền động có tổn thất ( dùng khớp trượt thủy lực,
động cơ không đồng bộ có trở kháng trong mạch roto), những mất mát này tỷ lệ với sự
giảm số vòng quay thì quan hệ sẽ là:
hay:
Như vậy khi có tổn thất, ở chế độ làm việc thay đổi ( Q n – Q), công suất tiêu
hao lớn hơn trong trường hợp lý tưởng.

Điều chỉnh lưu lượng theo số vòng quay có những ưu điểm sau:
Điều chỉnh bằng phương pháp này có thể tăng hoặc giảm lưu lượng khác với
điều chỉnh tiết lưu ( n = const) là loại điều chỉnh một chiều theo chiều giảm lưu lượng.
Vận hành rất hiệu quả vì không có tổn thất năng lượng như điều chỉnh bằng tiết
lưu, tuy nhiên trong thực tế không phải lúc nào cũng sử dụng được phương pháp này.
Đối với máy ly tâm công suất lớn có thể sử dụng động cơ điện thay đổi số vòng
quay theo cấp. Ưu điểm cơ bản là hiệu suất cao nhưng đắt nên ít được sử dụng.
Đối với máy ly tâm công suất nhỏ chạy bằng động cơ điện, việc thay đổi số
vòng quay là không thể thực hiện được.

• Kết luận.
12


Chương 1: Tìm hiểu về máy bơm
Qua những ưu nhược điểm đã nêu trên, ta lựa chọn phương pháp điều chỉnh
bơm bằng việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.

13

Chương 2: Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
XOAY CHIỀU BA PHA
2.1. Cấu tạo: Gồm có 2 phần là phần động và phần tĩnh

Hình 2.1. Hình dạng bên ngoài và sơ đồ đấu dây.

2.1.1. Phần tĩnh- Stato:
Lõi thép được ghép bởi các lá thép kỹ thuật điện hình vành khăn có sẻ rãnh ở
bên trong để đặt dây quấn Stato. Nếu máy có công suất lớn thì lõi thép sẽ được gép từ
nhiều thép hình.
Dây quấn là dây điện từ có thể là dây đồng hoặc nhôm được quấn thành các tổ
bối dây.

2.1.2. Phần động- Rô to:
Lõi thép cũng được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện có sẻ rãnh bên ngoài để
đặt dây quấn rô to.
Động cơ có cuộn dây rô to nối ngắn mạch gọi là động cơ không đồng bộ rô to
ngắn mạch hay còn gọi là rô to lồng sóc.
Đối với loại rô to dây quấn, cuộn dây rô to nối hình sao còn 3 đầu được nối đến
3 vòng góp cố định trên trục gọi là 3 vành trượt. Có 3 chổi than tiếp xúc với 3 vành
trượt này để nối ra ngoài. Có thể nối tiếp dây quấn rô to với các điện trở phụ để mở
máy và điều chỉnh tốc độ, động cơ rô to thường được đúc bằng đồng hoặc nhôm.

2.2.

Nguyên lý hoạt động.

14

Chương 2: Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Hình 2.2. Mô tả nguyên lý hoạt động
Khi có dòng điện ba pha vào ba cuộn dây, đặt lệch nhau trong không gian một
góc thì từ trường tổng đi qua ba cuộn dây là từ trường quay.
Rô to được nối ngắn mạch làm xuất hiện dòng điện ngắn mạch trên dây quấn rô
to, có chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào dòng
cảm ứng này một lực có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái, tạo ra mô men làm
quay rô to theo chiều quay của từ trường quay.
Tốc độ quay của rô to luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường và tốc độ quay
của từ trường phụ thuộc vào số đôi cực p, số cặp cực càng lớn thì tốc độ quay của từ
trường càng giảm.

hoặc:
Tốc độ không đồng bộ của rô to luôn nhỏ hơn tốc độ đồng bộ, được đánh giá
qua một đại lượng là hệ số trượt.
Ở chế độ động cơ độ trượt có giá trị:

Tốc độ là tốc độ lớn nhất mà rô to có thể đạt được nếu không có lực cản nào,
tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ.

2.3.

Đặc tính của động cơ không đồng bộ.

Với những giá trị khác nhau của ( ). Phương trình cho những giá trị của M.
Đường biểu diễn (= ) trên trục tọa độ sOM như ( hình 2.4) đó là đường đặc tính cơ của
động cơ không đồng bộ ba pha.

15


Chương 2: Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Hình 2.3. Đường đặc tính cơ động cơ không đồng bộ ba pha.

2.3.1 Phương trình có dạng.

Đặc tính có một điểm cực trị: Mth và Sth.
Mô men tới hạn:
Độ trượt tới hạn:

Trong đó:
U1 - Điện áp pha đặt vào cuộn dây phần cảm
- Điện trở một pha cuộn dây phần ứng
S - Độ trượt
- Tốc độ quay
R1 - Điện trở một pha cuộn dây phần cảm
Xn - Điện kháng ngắn mạch
- Điện kháng một pha cuộn dây phần cảm
- Điện kháng một pha cuộn dây phần ứng
Đặc tính của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ là một đường cong phức
tạp có hai đoạn AK và BK, được phân bởi điểm tới hạn K.

16


Chương 2: Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
Đoạn AK gần thẳng và cứng, trên đoạn này mô men động cơ tăng khi tốc độ

giảm và ngược lại, chính vì vậy động cơ làm việc trên đoạn này ổn định.
Đoạn BK cong với dốc dương, trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định.
Trên đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ = 0, = 1 và mô men mở
máy:

Điểm A ứng với mô men cân bằng 0 (= 0) và tốc độ đồng bộ:

2.3.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.
Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rô to.
Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato.
Điều chỉnh bằng cách thay đổi số cực từ.
Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa.
Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn

• Kết luận:

Trong các phương pháp trên thì phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không
đồng bộ ba pha bằng cách thay đổi tần số là ưu việt. Nó cho phép điều chỉnh cả mô
men và tốc độ với chất lượng cao nhất, đạt đến mức độ tương đương như điều chỉnh
động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. Ngày nay các hệ truyền
động sử dụng động cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số ngày càng phát triển. Sau đây
Em xin trình bày phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số .

17


Chương 2: Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

2.4.

Nguyên lý điều chỉnh tần số.

Khi thay đổi tần số thì tốc độ đồng bộ của động cơ thay đổi, đồng thời X 1 X2
cũng thay đổi vì (X = 2πf L), kéo theo sự thay đổi của độ trượt tới hạn và mô men tới
hạn .
Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số = f () và mô men tới hạn theo tần số = f ()
là phức tạp nhưng vì và X 1 phụ thuộc và tỷ lệ với tần số nên có thể từ các biểu thức
của , tóm lại:
Khi tần số f giảm, độ trượt tới hạn và mô men tới hạn tăng, nhưng tăng nhanh
hơn.
Khi giảm tần số xuống dưới tần số định mức thì tổng trở của các cuộn dây
giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện trong động cơ
tăng mạnh. Vì vậy khi giảm tần số động cơ xuống dưới giá trị định mức cần đồng thời
giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ:

Như vậy Mth sẽ giữ không đổi ở vùng f , Ở vùng f thì không thể tăng điện áp
nguồn mà giữ nên ở vùng này Mth sẽ giảm tỷ lệ nghịch với bình phương tần số, đồng
thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật:
để giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất.
Tốc độ đồng bộ động cơ:
hoặc:
Như vậy khi thay đổi tần số, tốc độ đồng bộ động cơ sẽ thay đổi, tốc độ động cơ sẽ
thay đổi. Khi điều chỉnh tần số, điện áp phải thay đổi theo để đảm bảo chỉ tiêu năng
lượng cao và động cơ không bị bão hòa từ.
Quan hệ gọi là quy luật điều chỉnh tần số mà trong thực tế có hai quy luật: Quy
luật điều khiển tần số cơ bản và luật điều khiển từ thông khe hở không đổi.

2.4.1. Quy luật điều khiển tần số cơ bản:
Là điều khiển điện áp và tần số đảm bảo khả năng quá tải không đổi với mọi tần
số khác nhau.

Biểu thức của quy luật tần số cơ bản ở dạng tổng quát khi coi điện trở stato
bằng không (= 0):

18


Chương 2: Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Quan hệ phụ thuộc vào đặc tính mô men cản.
Trong thực tế có ba dạng mô men cản: Mc= hằng số; Mc

1/ ; Mc

2

.

+ Mc = hằng số:
+ Mc

+ Mc

2

:

Dạng đặc tính cơ lý tưởng (= 0) ứng với ba luật điều khiển như ( Hình 2.4)
Tốc độ

U/f = const

Momen

MC

19


Chương 2: Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
Tốc độ

MC

Tốc độ

MC

Momen

Momen

Hình 2.4. Đặc tính động cơ với ba luật điều khiển tần số (= 0).

a. U/f = const.
b. U/f 2 = const.
c. U/= const.
Tuy nhiên thực tế R1 khác không nên khả năng quá tải sẽ giảm khi tần số
giảm.

Ở vùng tần số cao ( xung quanh tần số định mức), mô men tới hạn có trị số gần

như không phụ thuộc tần số nếu tỷ số R1/f nhỏ.
Khi tần số giảm, từ thông khe hở sẽ giảm, từ thông khe hở sẽ giảm do sụt áp
trên điện trở stato ứng với dòng định mức không đổi mọi tần số. Kết quả là mô men tới
hạn động cơ sẽ giảm, đặc biệt là giảm nhanh ở vùng tần số thấp.

20


Chương 2: Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
Do điện trở stato không thể bỏ qua nên sụt áp trên điện trở stato ứng với dòng
điện định mức sẽ không đổi khi giảm tần số, trong khi sụt áp trên điện kháng giảm
theo tần số, do đó sụt áp trên điện trở sẽ chiếm tỷ lệ lớn ở tần số nhỏ, sẽ ảnh hưởng
đến từ thông khe hở.
Một ví dụ đơn giản: Ở tần số định mức, giả sử sụt áp trên đện trở là 4% điện áp
pha động cơ; ảnh hưởng của nó đến từ thông khe hở không đáng kể. Ở tần số 1/10
định mức, với tỷ lệ điện áp- tần số không đổi thì sụt áp trên điện trở sẽ bằng 40% điện
áp pha và rõ ràng sẽ làm giảm đáng kể từ thông khe hở, dẫn đến mô men của động cơ
giảm nhiều.
Vì vậy trong thực tế, tỷ lệ điện áp- tần số thường được tăng lên ở vùng tần số
thấp để bù lại sụt áp trên điện trở stato.
Dạng đặc tính tuyến tính là dạng mang tính lý thuyết, đặc tính khác là đặc tính
sử dụng trong thực tế. Với dạng đặc tính phi tuyến, điện áp tỷ lệ tần số ở vùng tần số
cao, khi tần số giảm nhỏ, điện áp được tăng trơn đều tương đối so với lý thuyết.
U1

U1đm

U10

0

fng

fđm

f

Hình 2.5. Dạng đặc tính U/f
Trị số được trọn để điện áp stato có trị số cần thiết ở tần số bằng không và trị số
định mức ở tần số định mức. Với phụ tải động cơ yêu cầu mô men khởi động lớn, điện
áp được điều chỉnh để dòng điện động cơ lớn ở tần số zero ( thời điểm đầu tiên của
quá trình khởi động).
Nhưng trị số lớn có thể làm động cơ quá nhiệt nếu động cơ thường xuyên làm
việc ở tốc độ thấp do mức độ làm mát của động cơ tự làm mát giảm đáng kể.
Với phụ tải quạt gió, mô men động cơ ở tốc độ thấp rất nhỏ, tỷ số điện áp- tần
số có thể giảm nhỏ để mức độ phát nóng động cơ bé nhất. Trong các hệ thống truyền

21


Chương 2: Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
động điện khác, mức độ tăng điện áp ở tần số thấp có thể chỉnh định phù hợp với đặc
tính phụ tải.

2.4.2. Luật điều khiển từ thông khe hở không đổi:
Để khắc phục nhược điểm của luật điều khiển U/f = hằng số, trong thực tế, các
bộ biến tần công nghiệp được cài đặt luật điều khiển từ thông khe hở không đổi.
Khả năng sinh mô men lớn trong dải điều chỉnh tốc độ rộng, ngay cả ở dải tần
số thấp khi ảnh hưởng của điện trở stato lớn. Để duy trì được từ thông khe hở không
đổi trong dải tốc độ rộng, sức điện động stato sẽ được điều chỉnh tỉ lệ điện áp- tần số

không đổi.
Sức điện động stato được tính theo công thức: ( tài liệu máy điện)

E1 = K.Фmf
Từ đó suy ra:

Do đó nếu điều khiển tần số sao cho tỉ lệ E 1/f là hằng số, có thể giữ được từ
thông khe hở không đổi. Do đó điều khiển từ thông khe hở không đổi sẽ đồng nghĩa
với điều chỉnh tỉ lệ E1/ không đổi.
Nếu mạch từ thông không bão hòa và Lm là hằng số, từ thông khe hở sẽ tỉ lệ với
dòng từ hóa. Trong thực tế dòng điện từ hóa có thể duy trì ở trị số định mức (tương
ứng với điện áp, tần số và phụ tải định mức).
Ở chế độ non tải, dòng điện từ hóa có giá trị tương đối so với giá trị ở chế độ
làm việc bình thường của động cơ.
Khi điều chỉnh từ thông khe hở không đổi, tức là tỉ số E 1/ không đổi, dòng điện
rô to, do đó mô men động cơ là hàm của tốc độ trượt và không phụ thuộc vào tần số
nguồn cung cấp…
Đặc tính mô men có dạng như nhau ở các tần số khác nhau. Trong trường hợp
này từ thông khe hở được duy trì ở giá trị với chế độ không tải và điện áp, tần số định
mức. Mô men tới hạn ở mọi tần số có giá trị không đổi và động cơ có khả năng sinh
mô men như nhau ở cả dải điều chỉnh tốc độ.
Trong thực tế, luật điều khiển từ thông khe hở không đổi được thực hiện điều
khiển (f). Ở điều kiện từ thông khe hở không đổi, sức điện động stato tỉ lệ với tần số
stato, sụt áp trên dây quấn stato phụ thuộc vào tần số stato và dòng điện stato. Do đó
điện áp stato cần thiết để duy trì từ thông khe hở không đổi sẽ là hàm của tần số stato
với dòng đện phụ tải I1.

22

Chương 2: Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
Dạng đường cong điện áp là hàm tần số stato với dòng điện stato là tham số của
động cơ.

200
150
50
Tốc độ (rad/s)

40

100

30
50

20
10

0
-50
-100

Momen (Nm)

-150
0

5

10

15

20

25

30

Hình 2.6. Đặc tính động cơ khi điều khiển từ thông khe hở không đổi.

2.5.

Bộ biến tần.
Biến tần là thiết bị để chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện xoay chiều ở đầu vào
từ tần số này thành điện áp, dòng điện có tần số khác ở đầu ra nhờ các khóa bán dẫn.
Biến tần được chia thành hai loại là: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp.
2.5.1. Biến tần trực tiếp.
Biến tần trực tiếp khác với biến tần gián tiếp là tạo ra điện áp trên tải bằng các
phần của điện áp lưới, mỗi lần nối tải vào nguồn bằng một phần tử đóng ngắt duy nhất
trong một khoảng thời gian nhất định, không thông qua một khâu năng lượng trung
gian nào.
Biến tần trực tiếp có thể trao đổi năng lượng với lưới điện một cách liên tục,
nhất là đối với các động cơ cỡ lớn từ vài trăm Kw đến vài Mw. Ngoài ra tổn hao công
suất trên máy biến tần trực tiếp cũng ít hơn vì phụ tải chỉ nối với nguồn qua một phần
tử đóng cắt không phải qua hai phần tử và khâu trung gian như biến tần gián tiếp.
Sơ đồ van và quy luật điều khiển ở biến tần trực tiếp sẽ phức tạp hơn ở biến tần
gián tiếp. Với kỹ thuật điện tử và kỹ thuật vi xử lý phát triển như hiện nay thì vấn đề
này hoàn toàn thực hiện được, trong thực tế ít được sử dụng.

2.5.2. Biến tần gián tiếp.
23


Chương 2: Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
Biến tần gián tiếp hay còn gọi là biến tần có khâu trung gian một chiều, dùng
bộ chỉnh lưu biến đổi nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều sau đó lại dùng bộ
nghịch lưu để biến đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều.
Khâu trung gian một chiều đóng vai trò là một khâu tích lũy năng lượng dưới
dạng nguồn áp dùng tụ điện hoặc nguồn dòng dùng cuộn cảm tạo ra khâu cách ly nhất
định giữa phụ tải và nguồn điện áp lưới.
Tùy thuộc khâu trung gian một chiều làm việc ở chế độ nguồn dòng hay nguồn
áp mà biến tần chia thành: Biến tần nguồn dòng, biến tần nguồn áp không điều khiển
và biến tần nguồn áp có điều khiển.
Để cung cấp cho động cơ nguồn điện có điện áp và tần số thay đổi cần có một
bộ biến đổi tần số gọi là bộ biến tần (BBT). BBT có khâu trung gian một chiều gồm ba
khu: Chỉnh lưu (CL), lọc và nghịch lưu (NL). Điện áp xoay chiều tần số công
nghiệp( 50Hz) được chỉnh lưu thành nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu (CL) điều
khiển hoặc bộ chỉnh lưu điều khiển, sau đó được lọc và bộ nghịch lưu( NL) sẽ biến đổi
thành nguồn điện áp xoay chiều ba pha có tần số biến đổi cung cấp cho động cơ.

Hình 2.7. Sơ đồ khối mạch lực hệ BBT- ĐK

Thiết bị IGBT được công nhận cho hiệu suất cao và chuyển mạch nhanh, được
bật tắt theo trình tự để tạo xung với các độ rộng khác nhau từ điện áp tuyến dẫn một
chiều được trữ trong tụ điện.
Bằng cách điều biến độ rộng xung hoặc PWM, IGBT có thể được bật tắt theo
trình tự giống với sóng dạng sin được áp dụng trên sóng mang.
Trong (Hình 2.8) sóng hình tam giác nhiều chấm biểu thị sóng mang và đường

tròn biểu thị một phần sóng dạng sin.
Nếu IGBT được bật và tắt tại mỗi điểm giao giữa sóng dạng sin và sóng mang,
độ rộng xung có thể thay đổi.

24


Chương 2: Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
PWM có thể tạo đầu ra cho động cơ giống hệt với sóng dạng sin, tín hiệu này
được sử dụng để điều khiển tốc độ và mô men xoắn của động cơ.

Hình 2.8. IGBT và dạng sóng.

Bộ biến tần cần thỏa mãn những yêu cầu sau:
Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn.
Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở không
đổi trong vùng điều chỉnh mô men không đổi.
Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số.
Bộ biến tần bán dẫn điện áp được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện nay,
có hai loại chính tùy thuộc vào bộ chỉnh lưu và nghịch lưu.
•

Bộ biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lưu điều khiển.

•

Bộ biến tần nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung với bộ chỉnh lưu dùng
đi ốt, ( trong đồ án này ta nghiên cứu loại này).

25