Tải bản đầy đủ (.pdf) (37 trang)

Điện tử công xuất II P5

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.4 MB, 37 trang )

Trang 1 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
CHƯƠNG 4 BỘ NGUỒN AC VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC

IV. 1 BỘ NGUỒN AC BÁN DẪN:
1. Phân loại:
Bộ nguồn xoay chiều bán dẫn chỉ chung các thiết bò sử dụng mạch điện tử công suất để
cung cấp năng lượng điện AC cho các tải công nghiệp và dân dụng, ta có thể gặp các loại sau:
- Ổn áp AC dùng bán dẫn dùng các mạch điều khiển áp AC hay sử dụng các ngắt điện
bán dẫn để đổi nối biến áp tự ngẫu nhằm ổn đònh áp (dòng) ra ở giá trò mong muốn. Ưu điểm lớn
nhất của các thiết bò này là gọn nhẹ, giá thành thấp, tác động nhanh so với các thiết bò có chuyển
động. Một nhược điểm lớn của nhóm này là khả năng quá tải kém vì dùng các ngắt điện bán dẫn
và áp ra không hình sin khi sử dụng điều khiển pha.
- Các bộ nguồn không gián đoạn (UPS) dùng để cung cấp năng lượng cho các thiết bò sử
dụng điện lưới mà sự gián đoạn nguồn có thể gây thiệt hại nghiêm trọng.
- Các bộ nguồn cho thiết bò gia nhiệt sử dụng dòng điện cảm ứng (dòng Foucault), thường
có tần số cao hơn tần số công nghiệp (trên 500 Hz). Đây là đối tượng khảo sát của chương 5.
- Các bộ biến đổi tần số dùng cho điều khiển động cơ AC. Các BBĐ này biến đổi điện
lưới (1 hay 3 pha) thành 3 pha có tần số và điện áp thay đổi cung cấp cho động cơ xoay chiều. Có
hai loại: biến tần trực tiếp sử dụng BBĐ điều khiển pha đảo chiều và biến tần có qua trung gian
một chiều. Một lưu ý là trong công nghiệp, các bộ biến tần hay được gọi là nghòch lưu
(INVERTER), có lẽ vì trọng tâm của thiết bò là bộ nghòch lưu, vốn là một mạch ĐTCS rất phức
tạp.
Khác với bộ nguồn DC và bộ điều khiển động cơ DC, các bộ nguồn AC và bộ điều khiển
động cơ AC có sơ đồ động lưc và điều khiển rất khác biệt vì tải của chúng rất đa dạng. Và vì thế
mà mỗi loại sẽ được giới thiệu ở một phần khác nhau.
2. Bộ nguồn không gián đọan (UPS – bộ lưu điện):
Để cung cấp năng lượng cho tải
AC khi mất nguồn, UPS sử dụng bộ
nghòch lưu độc lập biến đổi năng lượng
tích trữ trong accu thành điện xoay chiều
tần số lưới cung cấp tiếp tục cho tải. Do


năng lượng tích trữ của accu rất hữu hạn,
các UPS thường chỉ làm việc trong thời
gian ngắn, chờ khởi động máy phát dự
phòng hay để thực hiện quá trình dừng
máy (ví dụ ở máy tính làsao lưu các tài
liệu và đóng windows). Có lẽ vì thế mà
nó còn có tên là bộ lưu điện.

Nạp
Accu
Nghòch
lưu
Lưới
Tải
Chuyển mạch
Điều khiển

Hình IV.0.1: Sơ đồ khối bộ nguồn xoay chiều không gián
đoạn
Có hai loại:
- Off-line (hình IV.0.1): bình thường, bộ nghòch lưu ở trạng thái chờ, tải sử dụng điện lưới.
Khi mất nguồn, UPS khởi động bộ nghòch lưu và chuyển mạch tải. Thời gian khám phá mất điện
Trang 2 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
+ chuyển mạch tải cần đủ nhanh (vài chục ms) để không ảnh hưởng hoạt động của tải.
Sơ đồ off-line thường dùng cho thiết bò công suất bé, khi đó accu có điện áp thấp và bộ
nghòch lưu thường là một pha, dùng sơ đồ biến áp có điểm giữa. Dạng sóng nghòch lưu (phía xoay
chiều) thường có dạng điều rộng 1 xung đơn giản, là kết quả của việc dùng vi mạch điều khiển
độ rộng xung kiểu đẩy kéo như đã khảo sát trong phần bộ nguồn DC.
- On-line: Thường dùng cho công suất lớn hay thiết bò cần chất lượng cao, tải luôn sử
dụng năng lượng từ bộ nghòch lưu, và hệ thống không có bộ chuyển mạch. Áp ra thường được

điều chế hình sin, đưa qua bộ lọc tần số cao để có được dạng sóng giống như điện lưới, tránh
việc tăng tổn hao của các tải dùng điện.
Sơ đồ khối bộ nghòch lưu có đầu vào là áp DC của bình accu 24 V và ngỏ ra hình sin
220 VAC công suất bé (< vài Kw):
Accu å [NL1 å BA tần số cao å CL å Lọc 1 ]å NL2 å Lọc 2 å tải
Cụm biến đồi áp DC [ ] dùng để nâng áp từ 24 VDC ra 300 VDC, sử dụng Nghòch Lưu 1
có sơ đồ điều rộng 1 xung với biến áp có điểm giữa. Biến Áp tần số cao giúp giảm kích thước và
tăng hiệu suất hệ thống. Nghòch Lưu 2 là điều rộng xung hình sin dùng vi điều khiển nên mạch
điện đơn giản, kinh tế.
Ngày nay với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, sơ đồ khối trên bắt đầu áp dụng cho
cả UPS loại off-line, nhằm tăng chất lượng thiết bò.
IV. 1 CÁC VẤN ĐỀ VỀ TĐĐ AC:
1. So sánh động cơ AC và DC:
Động cơ AC gồm có động cơ đồng bộ (ĐB ) và không đồng bộ (KĐB). Nếu động cơ ĐB
chỉ được dùng khi công suất rất lớn (hàng MW) do cấu tạo phức tạp và khó điều khiển thì KĐB
lại rất phổ biến do cấu tạo đơn giản, chi phí vận hành thấp. Ta có thể gặp động cơ KĐB ở mọi
ngành kinh tế quốc dân, từ dân dụng đến công nghiệp.
Ta có các so sánh sau về hai loại động cơ một chiều và KĐB sau:
Động cơ DC

Cấu tạo phức tạp, giá thành cao
Hiệu suất thấp, sụt tốc theo tải lớn
Yêu cầu bảo trì thường xuyên
Momen khởi động, khả năng quá tải
(momen) lớn
Dòng khởi động lớn và không thể khỡi
động trực tiếp
Điều khiển tốc độ chất lượng cao bằng
cách thay đổi áp phần ứng
Động cơ KĐB


Cấu tạo đơn giản, giá thành hạ
Hiệu suất cao, sụt tốc theo tải bé
Gần như không phải bảo trì
Momen khởi động, khả năng quá tải
(momen) bé
Dòng khởi động lớn và cho phép khỡi
động trực tiếp
Điều khiển tốc độ chất lượng cao bằng
cách thay đổi tần số nguồn (biến tần).
Trước đây, truyền động điện động cơ DC luôn được dùng khi cần chất lượng cao cho đến
khi các bộ biến tần bán dẫn xuất hiện. Cho đến đầu những năm 90, các bộ biến đổi tần số đã
được nhiều công ty sản xuất nhưng chỉ đến các năm cuối thế kỷ thì các hệ thống điều khiển tần
số động cơ KĐB mới thật sự chiếm lónh thò trường truyền động điện có điều khiển tốc độ, khi mà
Trang 3 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
giá thành biến tần giảm đáng kể nhờ công nghiệp bán dẫn công suất và vi xử lý phát triển.
2. Đặc tính cơ động cơ KĐB và điều khiển tốc độ:
Có hai mô hình được sử dụng để khảo sát động cơ KĐB:
- Mô hình tónh: mạch tương đương là mộr biến áp có thứ cấp quay, thường được dùng khi
khảo sát trạng thái xác lập hay gần đúng, khi để tính toán cho điều khiền pha điện áp xtator
trong truyền động điện .
- Mô hình động:biểu diễn dạng ma trận hay phương trình trạng thái, cho phép khảo sát và
điều khiển chính xác động học của động cơ, sử dụng khi điều khiển vector.
a. Mạch tương đương động cơ KĐB và đặc tính cơ:
Dòng điện ba pha chạy trong các cuộn dây xtator sẽ tạo ra từ trường quay (TTQ) ở khe
hở, có tốc độ là
60
o
f
n

p

= , tính bằng vòng/phút (RPM) hay 2. .
o
wf
π
= khi tính bằng rad/s, với
f là tần số , p là số đôi cực. Momen quay là kết quả của sự tương tác của từ trường rotor và từ
trường quay này. Ở động cơ đồng bộ, từ trường rotor do nam châm vónh cửu hay dòng kích từ tạo
ra. Ở động cơ KĐB, từ trường rotor là do dòng điện cảm ứng trong các cuộn dây rotor với nguồn
kích thích là TTQ xtator. Rotor không thể quay đồng bộ (cùng tốc độ) với TTQ vì khi đó sức điện
động cảm ứng bằng không dẫn đến dòng bằng không.
Khi khảo sát sự làm việc trong chế độ xác lập, mô hình của động cơ KĐB là một biến áp
có thứ cấp quay. Khi rotor quay với tốc độ là w
r
, nó có độ trượt so với TTQ bằng
or
o
ww
s
w

= và
tần số dòng điện rotor sẽ bằng
.
ro
fsf
= , mạch tương đương của động cơ được trình bày trên hình
IV.1.1 (d) và (a) khi quy đổi mạch rotor về xtator, trong đó:
X1, R1: điện kháng tản và điện trở

cuộn dây xtator.
Xu: điện kháng từ hóa; Ro: đặc
trưng cho các tổn hao trong mạch từ xtator.
X’2 và R’2: điện kháng tản và điện
trở cuộn dây rotor quy đổi về xtator.

XTATOR
U
skE
1:k
ROTOR
jXu
R2
R1jX1
Ro
jX2
E
Hình IV.1.1.(d)
Từ trường
quay
Rotor
w
o
r
w
(c)
(a) chính xác (b) gần đúng
ROTOR
qui đổi về
xtator

XTATOR
U
U
jXnm
jXu
jX1
R'2/s
jXu
jX'2
R'2/s
R1
Ro

Hình IV.1.1.(c) Từ trường quay xtator w
o
và tốc độ rotor w
r
, (d), (a) và (b): Mạch tương đương
của động cơ KĐB.
Để tính toán đơn giản, người ta hay sử dụng mạch gần đúng hình IV.1.1 (b) khi bỏ qua R1,
Ro và ghép X1 + X’2 = Xnm. Khi đó:
Trang 4 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
dòng điện rotor quy đổi về xtator:
'
2
2
'
2
2
nm

U
I
R
X
s
=
⎛⎞
+
⎜⎟
⎝⎠
<IV.1.1>
với U: điện áp pha và công suất cung
cấp cho rotor (công suất điện từ) P
2
hay P
đt


()
'
2
'
2
2
3
đt
R
P I
s
= <IV.1.2>.

Tổn hao của động cơ, xem như chỉ có ở điện
trở rotor , là

( )
2
''
222
3. . .
đt
P PRI sPΔΔ= = <IV.1.3>
và công suất cơ nhận được trên trục động cơ
là:
( )
.1
t đt
P MPP sP
ω
==−Δ=− <IV.1.4>
Từ đó có thể suy ra biểu thức của momen :

2.
t
t
t
M
M
ss
s s
=
+

<IV.1.5> với

Hình IV.1.2. Đặc tính cơ động cơ KĐB khi thay đổi áp
xtator và (a) là đặc tính phụ tải quạt gió.
M
t
là momen tới hạn,
2
3.
2.
t
onm
U
M
wx
= <IV.1.6>
xuất hiện khi độ trượt bằng giá trò tới hạn
'
2
t
nm
R
ss
x
==±
<IV.1.7>.
vàđặc tính cơ động cơ KĐB được vẽ trên hình IV.1.2 khi thay đổi áp pha xtator U.
Cũng có thể suy ra
.
đt o

P Mw=
và Momen tỉ lệ công suất điện từ và tổn hao rotor
..
o
P sMwΔ= <IV.1.8>.
Các nhận xét:
- Khi độ trượt s bé, momen M có thể xem tỉ lệ với độ trượt và theo <IV.1.1>
'
2
'
2
'
2
2
2
.
nm
UUs
I
R
R
X
s
=
⎛⎞
+
⎜⎟
⎝⎠

vì khi s bé,

'
2
nm
R
X
s


M cũng tỉ lệ với dòng điện như động cơ một chiều. Khi độ trượt tăng lên, momen tăng
chậm và qua cực trò là momen tới hạn M
t
trong khi dòng điện I’
2
vẫn tăng, đến từ 5.. 7 lần dòng
đònh mức khi s = 1 (dòng khởi động).
- M bằng không khi hoạt động ở tốc độ đồng bộ, động cơ hãm (tương ứng chế độ máy
phát khi hoạt động ở tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ và không có ổn đònh tónh với tải mômen hằng
số khi s > s
t
hay s < - s
t
. Độ trượt ở momen đònh mức từ 3 .. 5 % đối với động cơ thông thường và
cao hơn đối với các động cơ có momen khởi động lớn, dòng khởi động bé. Vậy sụt tốc của truyền
động điện dùng động cơ KĐB theo tải khá bé so với động cơ DC.
- Tổn hao rotor ΔP tỉ lệ momen M và độ trượt s và tốc độ đồng bộ
w
o
, Điều này không
Trang 5 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
phụ thuộc phương án điều chỉnh tốc độ. Để giữ tổn hao ΔP không đổi khi tốc độ TTQ không đổi,

từ <IV.1.8> suy ra momen tải phải giảm tỉ lệ nghòch với độ trượt:
.
o
P
M
s w
Δ
=
. Phương án này
thích hợp với tải quạt gió hay máy bôm ly tâm, các tải này có momen
M
c
tỉ lệ với w
n
, n > 2 –
đường cong (a) trên hình IV.1.2.
b. Mô hình động của động cơ KĐB:
Mạch tương đương khảo sát phần a. chỉ đáp ứng cho việc tính toán chế độ xác lập hay
quá độ không tính đến quán tính điện từ (giả sử mạch điện có đáp ứng tức thời). Để khảo sát đầy
đủ hơn, kể cả ảnh hưởng của bảo hòa từ trên đáp ứng của hệ thống, người ta sử dụng mô hình
động của động cơ KĐB.
* Một số kiến thức cơ sở máy điện: (Xem phụ lục chương IV : TTQ và các phép biến đổi)
- Biểu thức căn bản của momen động cơ: Từ nguyên lý momen của động cơ KĐB làdo sự
tác động của từ trường khe hở trên dòng điện trong rotor, người ta thành lập biểu thức momen
động cơ: Momen động cơ xoay chiều tỉ lệ với tích vector của dòng điện rotor và từ thông khe hở:
^^ ^ ^
33
.. .. . .sin
22
rr

mm
Mp I p I
ψ ψδ
=×= <IV.1.18> trong đó:
p: số đôi cực

^
m
ψ
: vector từ thông xuyên (móc vòng) khe hở xtator-rotor (cũng chính là TTQ)

^
r
I : vector sức từ động (MMF) rotor
δ : góc lệch giữa vector sức từ động rotor và vector từ thông khe hở, hệ số 3/2 xuất hiện
do các tính toán 3 pha.
<IV.1.18> có dạng quen thuộc của momen (hay) lực điện từ, giống như biểu thức momen
của động cơ một chiều (công thức <3.1> ở chương 3) là momen tỉ lệ với từ thông và dòng điện.
- Thành lập hệ phương trình vi phân mô tả động cơ KĐB dựa vào tự cảm và hỗ cảm các
cuộn dây xtator và rotor: Phương trình dạng vector điện áp xtator:
s
ss
s
ss
d
vRi
dt
ψ
=+ <IV.1.19> trong đó chỉ số s dưới để cho biết là thông số mạch xtator, chỉ
số s trên dùng để nhấn mạnh là đang khảo sát đối với hệ tọa độ đứng yên.

,,
s ss
ss
s
vi
ψ
lần lượt là
vector giá trò tức thời của áp, dòng xtator, từ thông móc vòng đối với hệ trục cố đònh. Mỗi vector
có thể biểu điễn dưới dạng:
s
as bs cs
as bs cs
XXU XU XU=++ <IV.1.20>
với
,,
as bs cs
UUU là các vector cơ hệ ba pha (
24
33
1, ,
jj
ee
π π
) .
Nếu hệ trục tọa độ quay với tốc độ đồng bộ w, <IV.1.19> được viết lại:
s
ss
s
d
vRi

dt
ψ
ω ψ
=+ +× <IV.1.21> , tích vector
s
ω ψ
× là sức điện động sinh ra do sự quay
của hệ. Tính tích vector, đổi phương trình <IV.1.21> sang hệ tọa độ vuông góc quay tần số w:
Trang 6 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
.
.
qs
qs s qs ds
ds
ds s ds qs
d
vRi w
dt
d
vRi w
dt
ψ
ψ
ψ
ψ
=++
=+−
<IV.1.22>
Nếu thế w = 0 vào, ta có lại phương trình áp xtator đối với hệ tọa độ vuông không quay
(α,β). Xét mạch rotor với giả sử có áp xung đối, phương trình ở hệ tọa độ quay cũng hoàn toàn

tương tự, chỉ số r để chỉ thông số rotor nhưng trong khảo sát ta luôn quy đổi về mạch xtator:
.
.
qr
qr r qr dr
dr
dr r dr qr
d
vRi w
dt
d
vRi w
dt
ψ
ψ
ψ
ψ
=++
=+−
<IV.1.23>
Vì rotor quay tốc độ w
r
nên đối với hệ trục quay tốc độ w, ta có tốc độ tương đối w – w
r

và <IV.1.23> phải bổ sung thành:
()
()
qr
qr r qr r dr

dr
dr r dr r qr
d
vRi ww
dt
d
vRi ww
dt
ψ
ψ
ψ
ψ
=++−
=+−−
<IV.1.24> .
<IV.1.23>, <IV.1.24> cho ta mạch tương đương trong hệ trục (dq) của động cơ KĐB có áp
xung đối như hình IV.1.3, khi để ý:
.()
.()
.()
.()
qs ls qs m qs qr
qr lr qr m qs qr
ds ls ds m ds dr
ds lr qr m ds dr
L iLii
L iLii
L iLii
L iLii
ψ

ψ
ψ
ψ
=+ +
=+ +
=+ +
=+ +
<IV.1.25>
trong đó L
l
là tự cảm tản, L
m
là tự cảm từ hóa, chỉ số s hay r chỉ rằng đại lượng thuộc về
xtator hay rotor.
Điện áp xung đối ở rotor v
r
đưa vào để nâng tính tổng quát của mô hình (nhớ lại mô hình
biến áp của động cơ). Với động cơ lồng sóc, đối áp này bằng 0 (ngắn mạch).
Trang 7 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
v v
i
i
qs
qs
s
s m
r m
_
_
ls lr

r
qr
qr
ψ
w.
(w - w ).
ψ
ds
dr
r
ψ
qs
qr
ψ
m
(w - w ).
lrs m
i
ψ
ψ
w.
ls
s
_
r
dr
ds
ψ
i
qs

dr
_
qr
r
v
m
dr
ψ
r m
ds
v
ds
Ma
ïch tương đương trục d
Mạch tương đương trục q
R L = L L R
L
L = L L
L
L = L L
L = L L
R R
Hình IV.1.3
Từ đó có thể viết phương trình liên quan các thành phần dòng , áp xtator v
ds
, v
qs
, i
ds
,

i
qs
và rotor v
qr
, v
dr
, i
dr
, i
qr
theo điện trở, điện cảm động cơ là 4 phương trình vi phân bậc
nhất, dưới dạng ma trận như sau:

.. . .
....
.() .()
() . () .
qs s s s m m qs
ds s s s m m ds
qr m r m r r r r qr
dr r m m r r s s dr
v R sL wL sL wL i
vwLRsLwLsLi
vsLwwLRsLwwLi
v w w L sL w w L R sL i
+
⎡⎤⎡ ⎤⎡⎤
⎢⎥⎢ ⎥⎢⎥
−+−
⎢⎥⎢ ⎥⎢⎥

=
⎢⎥⎢ ⎥⎢⎥
−+−
⎢⎥⎢ ⎥⎢⎥
−− −− +
⎢⎥⎢ ⎥⎢⎥
⎣⎦⎣ ⎦⎣⎦
<IV.1.26>
- Thành lập biểu thức momen: từ <IV.1.18>, ta đổi sang hệ tọa độ (d,q):
*
3
(. .)
2
3
(. .)
2
33
.(. .) ...
22
hay khi thay thế bằng các gía trò tương đương
dm qr qm dr
dm qs qm ds
m drqs qrds msr
Mp i i
Mp i i
MpLiiii pLii
ψψ
ψψ
=−
=−

=−=
<IV.1.27>
*
r
i : vector liên hợp của dòng rotor
Biểu thức momen động cơ M này vàcùng với phương trình căn bản của truyền động điện:
1
mr
c
dw dw
MM J J
dt p dt
−= = <IV.1.28> trong đó chỉ số m được thêm vào để ký hiệu
w
m
là tốc độ thực của động cơ (phân biệt w là tần số), w
r
là tốc độ điện, p là số đôi cực, cho ta
đủ điều kiện để khảo sát động học của động cơ có tính đến quán tính điện từ. Ở tọa độ (d,q),
dòng áp là những giá trò một chiều, cho phép tính toán đơn giản, sau đó ta dùng các phép biến
đổi trả về hệ ba pha thực tế.
- Mô hình động cơ trong hệ α,β (vuông góc cố đònh): Trong một số trường hợp đơn giản
hay để kiểm chứng lại các biểu thức của khảo sát ở chế độ xác lập ở phần a., ta cho w = 0 trong
phương trình <IV.1.26> và mạch tương đương hình IV.1.3.
Trang 8 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
Khi đó, các đại lượng dòng áp là
hình sin nhưng các biểu thức momen
<IV.1.27> sẽ không thay đổi khi viết ở
tọa độ (
α,β) cố đònh (công thức Stanley).

Hình IV.1.5 là mạch tương đương một pha
của động cơ khi có xét đến từ thông,
trong đó
^
m
V là vec tơ áp pha có suất (biên
độ) :
^
22
m
s s
Vvv
α β
=+,
,
s s
vv
α β
là các
điện áp ở hệ trục vuông cố đònh.
Từ thông xuyên (móc vòng) hay
sức điện động cảm ứng
^
r
ψ
có suất (biên
độ) :
^
22
rr

r
α β
ψ ψψ
=+

ls
v
s
Mạch tương đương trục
Mạch tương đương trục
r
lr
i
ψ
i
- w
m
r
ψ
ψ
α
β
α
r
β
r
r
β
s
β

β
s
s
β
ψ
s
r
s
α
α
ψ
r
β
i
s
i
s
m
ψ
α
v
α
lr
α
r
ls
r
r
w
L

L
L
R
R
R
R
L
L
L

Hình IV.1.4 Mạch tương đương ở hệ trục vuông góc cố đònh
V
m
r
w.
lr
r
ψ
ls
s
m
r
r
^
ψ
^
^
RL
L
L

R

V
m
^
TH
w.
^
ψ
rr
TH
^
V =
TH
R
L

Hình IV.1.5 Mạch tương đương một pha và sơ đồ Thevevin khi xem L từ hóa bằng vô cùng
Trong nhiều trường hợp, L
m
lớn nên bỏ qua, ta có mạch Thevenin, trong đó:
R
TH
= R
s
+ R
r
và L
TH
= L

s
+ L
r
,
^^
.
TH
r
Vw
ψ
=
Các nhận xét: Việc chuyển sang tọa độ quay (d,q) quay cùng tốc độ từ trường đã biến các
đại lượng hình sin (hay vector) thành một chiều (không đổi), từ đó việc tính toán trở nên đơn
giản. Từ các ý nghóa của thành phần d, q của dòng điện (điện áp) trên, người ta có thể xây dựng
thuật toán điều khiển hiệu quả hơn động cơ KĐB, làm cho TĐĐ xoay chiều có thể cạnh tranh và
ngày nay đã vượt TĐĐ một chiều.
c. Các phng pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB rotor lồng sóc:
- điều khiển năng lượng trượt: Khi không thay đổi tốc độ TTQ (số đôi cực của cuộn dây,
tần số làm việc không đổi), ta chỉ có thể thay đổi tốc độ động cơ bằng cách tăng sụt tốc (hay độ
trượt). Các phương pháp có thể sử dụng làđiều khiển (giảm) áp xtator, tăng R, X ở xtator. Như ta
đã nhận xét ở trên, các phương pháp này có tác dụng rất hạn chế: tổn hao
ΔP tăng theo độ trượt,
phạm vi điều chỉnh hẹp vì độ trượt s cần phải bé hơn s
t
để hệ thống có ổn đònh tỉnh.
- Điều khiển tốc độ TTQ: Khi thay đổi tốc độ TTQ, các phương trình đặc tính cơ không
đổi, và có thể xem các đặc tính của động cơ làkhông đổi nếu chế độ làm việc của động cơ không
lệch quá xa chế độ thiết kế. Khi đó, sụt tốc của động cơ bé, chỉ lệch với tốc độ của TTQ độ trượt
Trang 9 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
s có trò số khoảng vài phần trăm, kết quả là có thể sử dụng điều khiển vòng hở. Ngoài ra, chi phí

bảo trì thấp và hiệu suất làm việc rất cao vì như CM trên, tổn hao tỉ lệ độ trượt và công suất
điện từ.
Có hai phương pháp thực hiện: thay đổi số đôi cực p và điều khiển tần số.
Phương pháp 1 có các bất lợi là có nấc cố đònh, phải thực hiện khi chế tạo. Có thể đổi nối
cuộn dây để thay đổi số đôi cực (tỉ số tốc độ 2:1) hay chế tạo động cơ có nhiều cuộn dây để có tỉ
số đònh trước. Khi đóù kích thước, trọng lượng động cơ tăng cao.
Điều khiển tần số có thểø điều chỉnh vô cấp nhưng yêu cầu sử dụng bộ biến đổi tần số
phức tạp. Có hai loại biến tần bán dẫn:
- Biến tần trực tiếp (Cycloconverter) – hình IV.1.4.a: Sử dụng các bộ chỉnh lưu điều khiển
pha làm việc 4 phần tư mặt phẳng tải với góc kích SCR thay đổi liên tục sao cho áp ra là điện
xoay chiều. BBĐ này chỉ cho ra tần số khá nhỏ so với tần số lưới điện, thường sử dụng để cung
cấp cho động cơ công suất rất lớn, quay tốc độ chậm.
- Biến tần có trung gian một chiều:
có sơ đồ khối như hình IV.1.4.b. Điện lưới
được chỉnh lưu (có điều khiển hay không)
thành một chiều và sau đó nghòch lưu trở
lại xoay chiều. Đây cũng là sơ đồ khối cho
hầu hết những bộ nghòch lưu dùng trong
công nghiệp vì năng lượng điện của các
nhà máy đều lấy từ lưới.
Có hai loại biến tần có trung gian
một chiều phụ thuộc vào loại nghòch lưu
được sử dụng: Biến tần với nghòch lưu
nguồn dòng (NLND) và nghòch lưu nguồn
áp (NLNA). Các biến tần này có đặc tính
như bộ nghòch lưu tương ứng.
Như đã trình bày trong phần khảo
sát nghòch lưu, khi giảm tần số là cần giữ

Hình IV.1.3. So sánh đặc tính cơ hai phương án điều khiển

tần số: V/F và vector.
từ thông các cuộn dây không vượt quá giá trò cho phép, thường là đònh mức. Với nhận xét đó, ta
có hai phương pháp thực hiện biến tần bán dẫn cho điều khiển động cơ:
- Thay đổi áp cung cấp tỉ lệ với tần số để giữ từ thông qua mạch không vượt quá giá trò
cho phép (biến tần V/F). Khi duy trì được độ trượt
s bé động cơ KĐB sẽ làm việc với đặc tính
phụ tải momen không đổi. Bất lợi của sơ đồ này (cũng như khi hoạt động với điện lưới) ở chỗ ta
cung cấp cho động cơ một nguồn áp và momen, dòng điện động cơ phụ thuộc vào chế độ làm
việc. Khi đó có thể xảy ra trường hợp dòng rất lớn trong khi momen bé (ví dụ như khi độ trượt
lớn) làm giảm hiệu qua, đặc tính động kém.
- Để động cơ có chế độ hoạt động tối ưu hơn, ta có phương pháp điều khiển vector. Dựa
trên nghiên cứu mô hình động của động cơ KĐB, người ta tìm ra được quan hệ của các thành
phần của dòng xtator với từ thông khe hở và dòng điện rotor, từ đó tính được dòng xtator tức thời
để tạo ra momen momen trên trục một cách tối ưu. Phương pháp này làm cho đặc tính truyền
động tốt hơn trong chế độ tỉnh cũng như ở quá trình quá độ, có thể so sánh được với động cơ DC.
Điều khiển tần số động cơ KĐB là phương án truyền động điện đáng chú ý nhất hiện nay
Trang 10 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
do chất lượng cao và giá thành ngày càng hạ. Ngay cả ở các phương án điều khiển đơn giản như
biến tần V/F, hiệu suất và chất lượng truyền động đã khá tốt.

o
o
i
v
A
B
C
N
KCB
T2T1 T3

T4 T5 T6
R
L

Hình IV.1.4.a: Biến tần trực tiếp, sơ đồ một pha
NL
NA
33
Lưới Tải
NL
ND
33
Lưới Tải
L
C
L

Hình IV.1.4.b: Biến tần có trung gian một chiều
Đối với động cơ rotor dây quấn, nhờ khả năng tác động vào mạch rotor, việc điều khiển
năng lượng trượt trở nên hiệu quả hơn. Có hai phương án:
* Sử dụng R phụ ở xtator: Khi đó M
t
không đổi, độ trượt tới hạn s
t
tăng theo R’2. Kết
quả là phạm vi điều chỉnh tốc độ được nới rộng, Tổn hao rotor tiêu tán chủ yếu trên R phụ nên
không làm phát nóng động cơ ở độ trượt s lớn.
* Sử dụng sức điện động xung đối ở mạch rotor, còn gọi là hệ thống nối cấp. Khi đó, năng
lượng trượt được tái sinh về lưới hay biến ra cơ năng cung cấp cho tải, không những phạm vi điều
chỉnh tốc độ được nới rộng mà hiệu suất toàn hệ thống còn được nâng cao. Nhược điểm là hệ

thống phức tạp, sử dụng động cơ rotor dây quấn đắt tiền, có chi phí bảo trì cao hơn động cơ lồng
sóc.

IV. 2 ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯNG TRƯT Đ. CƠ KĐB:
1. Điều khiển điện áp động cơ KĐB và Soft start:
Các công thức từ <IV.1.5> đến <IV.1.7> cho ta nhận xét: Cùng độ trượt s, khi thay đổi
(giảm) áp xtator: tốc độ TTQ không đổi, dòng điện thay đổi (giảm) tỉ lệtrong khi momen thay đổi
(giảm) theo bình phương. Không những thế, độ trượt tới hạn s
t
theo lý thuyết là không đổi làm
phạm vi điều chỉnh tốc độ bò giới hạn và tổn hao trong rotor tăng theo độ trượt làm cho điều
khiển áp có tác dụng rất hạn chế đối với động cơ KĐB. Trong thực tế, điều khiển áp xtator dộng
cơ KĐB chỉ được sử dụng trong các trường hợp:
- Truyền động tải có M giảm mạnh khi giảm tốc như tải quạt gió hay máy bôm ly tâm
(còn gọi là tải có momen thay đổi).
- Sử dụng cho các động cơ đặc biệt, có độ trượt đònh mức lớn, dòng khởi động bé, có thể
làm việc dài hạn ở độ trượt lớn. Đó là các động cơ có rotor rãnh sâu và điện trở lớn (lớp D theo
hiệp hội các nhà sản xuất thiết bò điện Mỹ – NEMA) hay động cơ có momen hầu như không đổi
ở độ trượt lớn (Torque motor). Loại thứ hai này có thể dùng cho các truyền động cuộn các sản
phẩm vào rulô, yêu cầu lực kéo không đổi trong khi tốc độ dài là không đổi, tốc độ quay thay đổi
theo đường kính cuộn.

- Một ứng dụng quan trọng của các phương pháp này là dùng để khởi động động cơ KĐB.
Sơ đồ tăng dần áp xtator bằng bộ điều khiển pha áp AC để hạn chế dòng khởi động và điều
khiển gia tốc động cơ KĐB được ứng dụng rộng rãi, có tên thương mại là SOFT START. Chữ
SOFT START nhấn mạnh được khả năng điều khiển gia tốc của bộ khởi động. Một bộ soft start
hiện đại không chỉ có nhiệm vụ khởi động, nó còn có thể là một trung tâm đo lường – điều khiển
động cơ được nối mạng với bộ điều khiển trung tâm của dây chuyền sản xuất hay phân xưởng.
Trang 11 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
ĐIỀU KHIỂN

- Hạn chế dòng
- Tào hàm dốc (RAMP)
- Liên động, điều khiển logic và
nối mạng
LƯỚI
khối SCR
T1 T2
G
CONTACTOR (*)
CB
M
ĐỘNG CƠ KĐB
CT
CONTACTOR (*)

Hình IV.2.1. Sơ đồ khối bộ soft start, trong đó các phần tử
có dấu (*) là tùy chọn, chỉ dùng cho các hệ thống đắt tiền.


Hình IV.2.2. Đặc tính cơ của động cơ ngẫu lực
(Torque motor) khi điều chỉnh áp.
Một ứng dụng khác, ít phổ biến hơn, là sử dụng bộ điều khiển áp động cơ AC để tiết kiệm
điện năng. Khác với máy biến áp, động cơ KĐB có dòng không tải khá lớn do có khe hở xtator-
rotor trong mạch từ. Do đó tổn hao khi làm việc không tải lớn và làm giảm hiệu quả sử dụng
động cơ. Khi đó, việc giảm áp cung cấp không làm giảm tốc độ nhưng sẽ làm giảm dòng dẫn đến
giảm tổn hao công suất. Hàm điều khiển là giảm nhỏ nhất dòng qua mạch ở mọi chế độ làm
việc, có hạn chế áp tối thiểu và tối đa. Khi đang làm việc ổn đònh, nếu dòng tăng ta sẽ tăng áp
đến khi dòng qua cực tiểu và ngược lại.
2. Ly hợp trượt (động cơ VS) :
Một hệ thống rất phổ biến ở các nước Đông Á (Nhật, Đài loan) là động cơ VS hay ly hợp

trượt có sơ đồ khối HT như sau:
Lưới
å Động cơ sơ cấp tốc độ cố đònh(KĐB) å Ly hợp trượt å Tải tốc độ thay đổi
Ưu điểm là rất đơn giản, rẻ tiền, dễ chế tạo và sử dụng động cơ KĐB rotor lồng sóc là
truyền động sơ cấp. Nhược điểm của hệ thống này là hiệu suất thấp vì đây cũng là phương án
điều khiển năng lượng trượt. Ly hợp trượt gồm có hai phần (hình IV.2.3):
- Phần chủ động (sơ cấp) là những cực
từ làm bằng những khối sắt kết hợp với cuộn
kích từ điện một chiều, nối cứng với động cơ sơ
cấp nên quay với tốc độ cố đònh. Từ trường tạo
ra là từ trường quay như động cơ KĐB.
- Phần thụ động (thứ cấp) cũng là những
những khối sắt nối với tải và chuyển động
trong TTQ của phần chủ động.
Động cơ
sơ cấp
Tải
Khớp chủ động Khớp bò động
Cuo
än dây kích từ
Hình IV.2.3. Nguyên lý cấu tạo VS motor
Ly hợp trượt làm việc theo nguyên lý của động cơ KĐB, phần thụ động chuyển động quay
theo TTQ, nhưng độ trượt sẽ phụ thuộc vào dòng kích từ là dòng điện một chiểu qua cuộn dây và
momen cản của tải. Đặc tính cơ khi thay đổi dòng kích từ có dạng tương tự như đặc tính cơ động
cơ ngẫu lực trên hình IV.2.2. Độ trượt tới hạn và momen khởi động đều lớn hơn giá trò tương ứng
của động cơ KĐB do cấu tạo của mạch từ. Nhờ mạch từ chỉ là những khối sắt mà khớp trượt có
thể làm việc dài hạn ở độ trượt lớn và có độ tin cậy cao.
Gọi
P1, P2,
ω1, ω2

lần lượt là công suất và tốc độ của phần sơ và thứ cấp và M là
Trang 12 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
momen của hệ thống, ta có:
P1= M.
ω1
và P2= M.
ω2
suy ra tổn hao trong khớp theo giản đồ hình IV.2.5:
ΔP = P1

P2 = M.
ω1 −
M.
ω2
= s. M.
ω1
<IV.2.1>

như ở động cơ KĐB.

M, w1 M, w2
PI
Máy phát
tốc
Phản hồi
tốc độ
Phát
xung
Đặt
tốc

độ
N
guồn
SCR
Df
CKT

Hình IV.2.4. Sơ đồ động ly hơp trượt và mạch điều khiển


P1 P2
P
Δ

Hình IV.2.5. Giản đồ truyền năng lượng ly
hơp trượt
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ dùng khớp trượt được cho ở hình IV.2.4. Tốc độ
phản hồi về bằng máy phát tốc AC chế tạo sẳn trong khớp. Bộ hiệu chỉnh thường là PI hay PID
và mạch động lực là chỉnh lưu điều khiển pha 1 SCR có diod phóng điện cung cấp năng lượng
cho cuộn kích từ. Sự đơn giản của bộ điều khiển cũng làm giảm giá thành và tăng độ tin cậy của
hệ thống.
IV.3 ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG CƠ KĐB BẰNG BIẾN TẦN V/F:
1. Nguyên lý họat động:
Khi sử dụng bộ biến đổi tần số để cung cấp cho động cơ KĐB điện 3 pha với tần số f
thay đổi, tốc độ động cơ thay đổi theo tốc độ TTQ là w
o
= 2.π.f/p (rad/s), p: số đôi cực. Để giữ
từ thông không vượt quá giá trò cho phép (thường bằng đònh mức), điện áp động cơ cần phải thay
đổi tỉ lệ với tần số. Thật vậy, điện áp cảm ứng của cuộn dây khi có từ thông biến đổi hình sin:
U


N.
φ
.f N: số vòng dây,
φ
: từ thông , f: tần số
suy ra U / f = hằng số để từ thông
φ
không đổi.
Thực tế, do sụt áp trong cuộn dây xtator còn
do điện trở, khi tần số đủ bé thì áp không còn giảm tỉ
lệ (đøng cong b. của hình IV.3.1). Khi từ thông được
giữ không đổi, ta có thể chứng minh là momen của
động cơ có thể tạo ra cũng không đổi (xem đặc tính cơ
trên hình IV.I.3 của biến tần SYSDRIVE hảng
OMRON). Cũng giống như động cơ DC, khi làm việc
với từ thông không đổi, đặc tính phụ tải của động cơ
sẽ là momen không đổi và khi làm việc với tần số lớn
hơn đònh mức, điện áp động cơ được giữ không đổi và
ta có đặc tính phụ tải là công suất không đổi. Biến tần
cung cấp điện áp là một hàm của tần số được gọi là
biến tần V/F.
f
U/m
(a)
(b)
(c)
(d)

Hình IV.3.1: Đặc tính U / f: theo lý thuyết

(a) và thực tế (b). Đặc tính U / f khi cần
momen lớn (c) hay nhỏ (d).
Trang 13 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
Với các đặc tính phụ tải khác nhau, quan hệ V/F cũng được hiệu chỉnh để động cơ có
momen thích hợp. Ví dụ nếu là tải momen thay đổi (varible torque – tải máy bôm, quạt gió), áp
được phép giảm nhanh hơn tần số => từ thông giảm kéo theo dòng từ hóa giảm, tăng được hiệu
suất. Ngược lại, áp đặt vào động cơ có thể tăng một ít khi dòng tải tăng để giảm sụt tốc, tăng
momen (chức năng Torque boost hay Load Compensation của các biến tần).

2. Sự làm việc của động cơ AC với nguồn không sin:
Vì BBĐ sử dụng các ngắt điện, dòng hoặc áp qua động cơ là những xung vuông và đại
lượng còn lại cũng không thể hình sin. Kết quả làsự làm việc của động cơ bò ảnh hưởng, tác dụng
quan trong nhất của dòng áp không sin là động cơ bò phát nóng phụ và có momen phụ.
a. Sóng hài áp dòng đặt vào động cơ:
Sóng hài điện áp của nghòch lưu nguồn áp có những đặc tính:
- Vì là ba pha, hệ thống không có hài bội 3 và trong đa số trường hợp, không có hài bậc
chẵn, bậc của sóng hài bằng n = 6 k ± 1, k = 1, 2, 3 ..
- Biên độ giảm nhanh, tỉ lệ với 1/n.
Ví dụ khi phân tích sóng hài dạng áp nghòch lưu 6 nấc như hình IV.3.2 ở trang sau, ta có
biên độ hài bậc n
là U
n
=
±
U
1
/n, tính bằng số U
5
= – U
1

/ 5 , U
7
= + U
1
/ 7 . U1 là biên độ
hài cơ bản (bậc n = 1).
- Đối với nghòch lưu nguồn dòng, dòng qua động cơ là những xung vuông, có quan hệ như
ví dụ sóng hài áp trên.
V
CB
A
S5S4
+
S3S1
S6
S2
_
D1 D2 D3
D6D5D4
Hình IV.3.2: Mạch động lưc.

Dạng áp dây và pha NL nguồn áp 6 nấc.
Trường hợp đặc biệt là khi hệ thống có điều chế, biên độ sóng hài ở tần số sóng mang rất
cao nhưng dòng điện tương ứng thường rất bé, không đáng kể như khảo sát sóng hài dòng điện
sau đây:
- Đối với nghòch lưu nguồn áp, sóng hài dòng có thể tính từ sóng hài điện áp theo nguyên
lý xếp chồng từ tổng trở động cơ (hình IV.1.1.b) đối với hài bậc n:
()
2
'

2
2
..
nnm
n
R
ZnwL
s
⎛⎞
=+
⎜⎟
⎝⎠
.
Z
n
có thể xem là tỉ lệ với bậc sóng hài n suy ra dòng bậc cao giảm tỉ lệ với bình phương của n.
Để tính chính xác hơn, cần để ý độ trượt s
n
phụ thuộc vào tần số.
Khi làm việc ở tốc độ đònh mức,
1
0
s s=  trong khi so với tốc độ của TTQ sóng hài bậc
cao có tần số n lần lớn hơn, s
n


1 và ..
nnm
ZnwL từ đó suy ra trò hiệu dụng sóng hài bậc n:

Trang 14 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA
2
/
Rn nm
I In , chỉ số “
R
“ dùng để chỉ giá trò hiệu dụng,
1
/
nm nm
I VX= là dòng ngắn mạch của
động cơ, còn gọi là dòng khóa rotor (dòng qua động cơ khi rotor không quay) hay quen thuộc
hơn: dòng khởi động.
b. Phát nóng phụ:
Vì phát nóng trong mạch tỉ lệ với bình phương giá trò hiệu dụng dòng điện, khi sử dụng
dòng điện không sin, động cơ phải chòu thêm sự phát nóng của sóng hài dòng điện, gọi là phát
nóng phụ ΔP
Σn
. Với dạng sóng nghòch lưu áp 6 nấc, ta có:

2
'
2
2
3. . , 5,7,11,13...
nm
n
n
I
PR n

n
Σ
⎛⎞
Δ= =
⎜⎟
⎝⎠

<IV.3.1>. Ta có thể tính tổng <IV.3.1> và khi giả
sử dòng khởi động I
nm
gấp 7 giá trò đònh mức, suy ra phát nóng phụ ở chế độ làm việc đònh mức
như sau:

'2 '2
221
3 0.0021 0.1 3 10%
nnmR
P RI RI P
Σ
Δ= = Δii i  iii i <IV.3.2>
Vậy khi động cơ làm việc với dạng sóng nghòch lưu áp 6 nấc, tổn hao trong cuộn dây tăng
thêm 10% ở chế độ đònh mức hay nói cách khác, động cơ bò giảm khả năng tải 10%. Ngoài ra
động cơ còn có tổn hao phụ trong lõi thép do từ trường tần số cao, nhất là khi dùng điều rộng
xung.
c. Momen phụ:
Khi trong mạch từ có dòng điện 3 pha của sóng hài bậc cao, ta cũng có TTQ của sóng hài
và kết quả là trong động cơ xuất hiện các momen phụ:
- Momen quay của hài bậc cao. Sóng hài bậc 6k – 1 có TTQ ngược và 6k + 1 cùng chiều
với TTQ thành phần cơ bản. Do độ trượt đối với TTQ của hài bậc cao rất lớn momen này nên
không đáng kể.

- Momen đập mạch do sự tương tác của các từ trường không cùng tần số, đáng chú ý nhất
là momen M
6
, tạo ra do sự tương tác giữa hai sóng hài bậc 5 và 7, M
6
là phách nên tỉ lệ với
| I
5
– I
7
| . Trong hệ thống dùng nghòch lưu áp 6 nấc, I
5
– I
7
= I
nm
/ 50 và một cách gần đúng, ta
có thể xem momen tỉ lệ với dòng điện, có thể suy ra momen đập mạch M
6
lớn hơn 10 %
momen đònh mức của động cơ.
Khi tần số làm việc thấp, ảnh hưởng của sóng hài bậc cao trở nên quan trọng hơn và trong
các hệ thống điều khiển tần số động cơ KĐB, ta luôn phải giải quyết bài toán hạn chế sóng hài
bên cạnh việc điều khiển điện áp.
3. Các phương pháp điều khiển điện áp biến tần qua trung gian một chiều:
Có hai phương pháp điều khiển điện áp:
- Điều khiển biên độ áp ra bằng các thay đổi áp trung gian một chiều. Có thể dùng chỉnh
lưu SCR ở ngỏ vào hay chỉnh lưu diode + BBĐ áp DC. Phương án đầu đơn giản hơn nhưng áp DC
có nhấp nhô cao hơn, cần mạch lọc đắt tiền để có áp một chiều phẳng. Phương pháp này sử dụng
chủ yếu cho biến tần nguồn dòng.

- Điều chế độ rộng xung. Được sử dụng rộng rải ở các biến tần dùng transistor và hệ
thống có chất lượng cao. Đặc điểm của phương pháp này là yêu cầu tần số làm việc của ngắt
điện từ vài trăm Hz đến 15 KHz và sơ đồ điều khiển phức tạp. Một ưu điểm khác là điều khiển

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay
×