Thiết kế bộ biến tần truyền thông ba
pha điều khiển động cơ
Chương 1:
Tổng quan về động cơ điện không
đồng bộ ba pha
1. Nguyên lý hoạt động
Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba
cu
ộn dây đặt lệch nhau 120
o
trong không gian thì từ trường tổng
mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ trường quay. Nếu trong từ
trường quay này có đặt các thanh dẫn điện th
ì từ trường quay sẽ
quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động
cảm ứng trong các thanh dẫn.
Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các
thanh d
ẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy
tắc ban tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng điện
cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái
và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường
quay.
T
ốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường
qua. Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì
ừ đó ta có:
ω = ω
o
(1 – s) (1-2)
hay
n = n
o
(1 – s)
(1-3)
V
ới:
2 n
60
(1-4)
o 1
o
2 n 2 f
60 p
(1-5)
f
1
- tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato.
Tốc độ ω
o
là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu
không có lực cản nào. Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng
Hình 1-2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ
Trong đó:
U
1
– trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V)
I
µ
, I
1
, I
’
2
– dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng
điện roto đã quy đổi về stato (A)
X
µ
, X
1
, X
’
2
– điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato
và điện kháng roto đ
ã quy đổi về stato (Ω)
R
µ
, R
1
, R
’
(1-7)
Trong đó:
X
nm
– điện kháng ngắn mạch, X
nm
= X
1
+ X
’
2
Chương 2: Đường đặc tính cơ
Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương
trình cho những giá trị của M. Đường biều diễn M = f(s) trên trục
tọa độ sOM như hình vẽ 1-4, đó là đường đặc tính cơ của động cơ
điện xoay chiều không đồ
ng bộ ba pha.
Hình 1-3: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha
Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại
điểm đó:
dM
0
ds
(1-8)
Giải phương trình ta có:
2
th
2 2
xoay chiều KDB là một đường
cong phức tạp có hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K.
Đoạn AK gần thẳng v
à cứng. Trên đoạn này momen động cơ tăng
khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm việc trên đoạn
này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên đoạn này
động cơ làm việc không ổn định.
Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 (
s = 1 ) và momen mở máy:
2
1 2
mm
2 2
o 1 2
'
nm
'
R
R )
3U
X
M
(R
(1-11)
ệ độ trượt tới hạn theo tần số s
th
= f(f
1
) và momen tới
hạn theo tần số M
th
= f(f
1
) là phức tạp nhưng vì ω
o
và X
1
phụ thuộc
tỷ lệ với tần số f
1
nên có thể từ các biểu thức của s
th
và M
th
rút ra:
th
1
th
2
1
s
1
1
f
1
u
const
f
(1-14)
Như vậy M
th
sẽ giữ không đổi ở vùng f
1
< f
1dm
. Ở vùng f
1
>
f
1dm
thì không thể tăng điện áp nguồn mà giữ U
1
= U
1dm
nên ở vùng
này M
th
sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số, đồng thời phải
điều chỉnh điện áp theo quy luật
f c/
t
U
ons
để giữ cho động cơ
giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng
làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ
cao. Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng bộ được sử
dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ
vài chục đến hàng nghìn kW. Trong công nghiệp, động cơ không
đồng bộ thường được d
ùng làm nguồn động lực cho các máy cán
thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công
nghi
ệp nhẹ… Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay
máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống hàng ngày, động cơ
không đồng bộ ng
ày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều
ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, trong máy điều
hòa… Tóm lại cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa
và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ
ngày càng rộng rãi.
Bên c
ạnh đó thì nhược điểm của động cơ không động bộ là
so v
ới máy điện một chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều
gặp nhiều khó khăn bởi vì các thông số của máy điện xoay chiều là
các thông s
ố biến đổi theo thời gian cũng như bản chất phức tạp về
mặt cấu trúc của động cơ điện xoay chiều.
Để có thể điều khiển độc lập từ thông và momen của động cơ
điện xoay chiều đ
òi hỏi một hệ thống tính toán cực nhanh và chính
xác trong vi
ệc quy đổi các giá trị xoay chiều về các biến đơn giản.
òi hỏi sự cải tiến thường xuyên của các loại hệ truyền động
khác nhau. Những yêu cầu cải tiến cốt yếu là tăng độ tin cậy, giảm
khẳ năng tiêu thụ điện năng, giảm thiểu chi phí bảo dưỡng, tăng độ
chính xác và tăng khả năng điều khiển phức tạp. V
ì vậy, những hệ
truyền động với động cơ điện một chiều đang dần bị thay thế bởi
những hệ truyền động với động cơ xoay chiều sử dụng điều khiển
vector. Lý do chính để sử dụng rộng r
ãi động cơ một chiều trước
kia là khả năng điều khiển độc lập từ thông và momen cũng như
cấu trúc hệ truyền động khá đơn giản. Tuy nhiên chi phí mua và
b
ảo trì động cơ cao, đặc biệt là khi số lượng máy điện phải dùng
l
ớn. Trong khi đó, các ứng dụng thực tế của lý thuyết điều khiển
vector đ
ã được thực hiện từ những năm 70 với các mạch điều
khiển liên tục. Nhưng các mạch liên tục không thể đáp ứng được
sự đòi hỏi phải chuyển đổi tức thời của hệ quy chiều quay do điều
này đ
òi hỏi một khối lượng tính toán trong một thời gian ngắn.
Sự phát triển của những mạch vi xử lý đã làm thay đổi việc
ứng dụng của lý thuyết điều khiển vector. Khả năng tối ưu trong
điều khiển quá độ của điều khiển vector l
à nền móng cho sự phát
triển rộng rãi của các hệ truyền động xoay chiều ( vì giá thành của
động cơ xoay chiều rẻ hơn s
o với động cơ một chiều ).
Ngoài những phát triển trong điều khiển vector, một sự phát
triển đáng chú ý khác chính là phát triển mạng neural ( neural
Dòng khởi động lớn có thể làm sụt điện áp nguồn, ảnh hưởng đến
các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.
Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là
dòng t
ừ hóa, tải hầu như chỉ có tính cảm. Kết quả là hệ số công
suất ( PF: Power Factor ) rất thấp, khoảng 0,1. Khi tải tăng lên
dòng
điện làm việc bắt đầu tăng. Dòng điện từ hóa duy trì hầu như
không đổi trong suốt quá tr
ình hoạt động từ không tải đến đầy tải.
Vì vậy khi tải tăng hệ số công suất cũng lên. Khi động cơ làm việc
với hệ số công suất nhở hơn 1, dòng điện trong động cơ không
hoàn toàn sin. Điều n
ày cũng làm giảm chất lượng công suất
nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với
động cơ.
Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn cấp hoặc đảo
chiều động cơ. Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính
xác, đảo chiều tốt làm tăng năng suất lao động cũng như chất
lượng sản phẩm. Trong các ứng
dụng trước đây các phương pháp
hãm cơ được sử dụng. Lực ma sat giữa phần cơ và má phanh có tác
dụng hãm. Tuy nhiên việc hãm này rất kém hiệu quả và tổn hao
nhiệt lớn.
Trong nhiều ứng dụng, công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc
vào tốc độ như quạt, máy bơm. Ở những tải loại này, momen cản
tỷ lệ với bình phương tốc đô, công suất tỷ lệ với lập phương của
tốc độ. Do đó việc điều chỉnh tốc độ, điều này phụ thuộc vào tải,
có thể tiết kiệm điện năng. Tính toán cho thấy việc giảm 20% tốc
độ động cơ có thể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào. Mà điều
Điều chỉnh bằng phương pháp nói tầng
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f
1
Trong các phuơng pháp trên thì phương pháp điều chỉnh bằng
cách thay đổi tần số cho phép điều chỉnh cả momen v
à 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 đang ngày càng phát triển. Sau đây xin trình bày
phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay
đổi tần số nguồn f
1
.
3. Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi
tần số nguồn
Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số
nguồn và số đôi cực từ theo công thức:
1
o
2 f
p
(2-1)
Mà ta l
ại có, tốc độ của roto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ
theo công thức:
o
µ
. Vì momen động cơ tỉ lệ
với từ thông trong khe hở từ trường nên việc giữ cho từ thông
không đổi cũng l
àm giữ cho momen không đổi. Có thể kể ra các
luật điều khiển như sau:
- Luật U/f không đổi: U/f = const
- Luật hệ số quá tải không đổi: λ = M
th
/M
c
= const
- Lu
ật dòng điện không tải không đổi: I
o
= const
- Lu
ật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I
1
=
f(Δω)
Chương 5: Phương pháp điều chỉnh
U/f = const
Sdd của cuộn dây stato E
1
tỷ lệ với từ thông Φ
1
và tần số f
1
theo
đổi. Trong phương pháp U/f = const thì tỷ số U
1
/f
1
được giữ không
đổi v
à bằng tỷ số này ở định mức. Cần lưu ý khi momen tải tăng,
dòng động cơ tăng làm tăng sụt áp trên điện trở stato dẫn đến E
1
giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm. Do dó động cơ không hoàn
toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi.
Ta có công thức tính momen cơ của động cơ như sau:
Copyright: Tài liệu đại học ©