Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN TIẾN LUẬT
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC
TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ
Khoá học: K10
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
TRUNG TÂM HỌC LIỆU - ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
Chƣơng I
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ PHƢƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ
1.1. Mô tả chung về động cơ không đồng bộ.
- Ở đây ta chủ yếu nghiên cứu động cơ không đồng bộ ba pha.
- Động cơ không đồng bộ ba pha là máy điện quay không đồng bộ ba pha. về cấu tạo, động
cơ không đồng bộ gồm 2 phần chính là phần tĩnh hay là stato và phần quay là rôto. Stato
thường gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120° trong không gian.
Rôto phân làm 2 loại chính: rôto dây quấn và rôto lồng sóc. Rôto dây quấn là kiểu rôto có
dây quấn giống ở stato, dây quấn rôto được đặt và các rãnh của lõi sắt rôto. Còn rôto lồng
sóc thì không dùng dây quấn mà dùng các thanh dẫn bằng đồng hay nhôm, các thanh dẫn
này được nối ngắn mạch với nhau ở mỗi đầu bằng vòng ngắn mạch. a b
c
c
ba
I1
I2
X1
R1
X'2
R'2/s
I3
Xm
Rm
U1Hình 1.2. Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ
- Trong sơ đồ:
+U
1
: Trị số hiệu dụng của điện áp pha stato.
+I
µ,
I
1
, I
2
: Các dòng điện từ hoá, stato và rôto đã quy đổi về stato.
+X
σ,
X
2
2
'
2
1
22
11
11
.
I
f
2
0
2
0
1
1
+ I
1nm
: Dòng điện ngắn mạch stato.
+ I
: Dòng điện từ hoá có tác dụng tạo ra từ trường quay từ hoá lõi sắt động cơ. Ta cũng
tìm được dòng điện rôto quy đổi về stato:
2
2
'
21
1
'
2
2/
nm
f
2
: Công suất tổn hao đồng trong rôto.
P
12
=P
cơ
+ΔP
2
=>M.ω
1
=M.+ΔP
2
Do đó: ΔP
2
=M(ω
1
-ω)=M.ω
1
.s
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
Mặt khác: ΔP
2
=3.I
’2
2
.R
2
’
2
1
(1.3)
Xác định cực trị bằng cách tính
0
ds
dM
Từ đó suy ra:
+
Trong hai biểu thức trên dấu + ứng với trạng thái động cơ. Dấu - ứng với trạng thái máy
phát. Do đó M
th
ở chế độ máy phát lớn hơn ở chế độ động cơ.
Ở đây nghiên cứu hệ truyền động với động cơ không đồng bộ nên ta quan tâm nhiều tới
trạng thái làm việc động cơ nên đường đặc tính cơ lúc này thường biểu diễn trong khoảng
0<s<s
th
, gọi là đoạn đặc tính cơ làm việc.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thể biểu diễn đơn gian hơn bằng
các lập tỉ số giữa (1.3) và (1.5) ta có:
th
th
th
thth
sa
s
s
s
s
saM
M
.
).1(.2
Trong đó:
1.3.1. Mô hình động cơ không đồng bộ trong không gian ba pha.
- Quy ước: A,B, C chỉ thứ tự pha các cuộn dây rôto và a,b,c chỉ thứ tự các cuộn dây stato.
Giả thiết:
- Cuộn dây stato, rôto đối xứng 3 pha.
- Dây quấn stato được bố trí sao cho từ thông khe hở có phân bố dạng hình sin dọc
theo chu vi khe hở không khí.
- Tham số không đổi.
- Mạch từ chưa bão hoà.
- Khe hở không khí δ đồng đều.
- Nguồn 3 pha cấp hình sin và đối xứng (lệch pha góc 2л/3).
Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuôn dây k như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
Trong đó: k là thứ tự cuộn dây A, B, C rôto và a,b,c stato.
dt
dRIU
k
kkk
Ψ
k
là từ thông móc vòng của mỗi cuộn dây thứ k.Ψ
k
=∑L
jk
i
j
σ
là điện cảm tản
N
s
là số vòng dây quấn stato
N
r
là số vòng dây quấn rôto
1
L
L
L
L
ss
s
1
.
2
2
L
L
LN
NL
r
s
rr
i
C
B
A
r
i
i
i
i
,
S
S
S
s
R
R
R
R
00
00
00
b
a
C
B
A
7
s
s
s
s
LL
r
r
r
s
r
s
L
N
N
L
1
2
1
2
1
2
1
1
2
cos)32cos()32cos(
)32cos(cos)32cos(
)32cos()32cos(cos
.)( ML
m
r
t
m
ms
r
s
LL
LL
dt
d
LL
dt
d
L
dt
d
dt
d
L
u
u
r
t
m
mS
r
s
r
S
R)(
dtt
0
Kết luận: nếu mô tả toán học như trên thì rất phức tạp nên cần đơn giản giảm bớt đi.
Tới năm 1995 Kôvacs(Liên Xô) đề xuất phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ và
Park(Mỹ) đưa ra phép biến đổi d,q.
1.3.2. Phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ:
Trong máy điện ba pha thường dùng cách chuyển các giá trị tức thời của điện áp thành
các vectơ không gian. Lấy một mặt phẳng cắt động cơ theo hướng vuông góc với trục và
biển diễn từ không gian thành mặt phẳng. Chọn trục thực của mặt phẳng trùng với trục pha
a.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
is
Ia
+1(
is
a .ic
a.ib
is
+j(
2Hình 1.4 Tương quan giữa hệ toạ độ αβ và toạ độ pha a,b,c
Ba vectơ dòng điện stato i
s
=i
sα
+ ji
sβ
cbassa
iiiii 2
3
1
Re
cbss
iiii
3
3
Im
Theo cách thức trên có thể chuyển vị từ 6 phương trình (3rôto, 3 stato) thành nghiên
cứu 4 phương trình.
Phép biến đổi từ 3 pha (a,b,c) thành 2 pha(α,β) được gọi là phép biến đổi thuận. Còn
phép biến đổi từ 2 pha thành 3 pha được gọi là phép biến đổi ngược.
Đơn gian hơn, khi chiếu i
s
lên một hệ trục xy bất kỳ quay với tốc độ ω
k
:
Ia
x
is
k
a.ib
a
y
2Hình 1.5 Hệ toạ độ quay bất kỳ.
q
Pha B
d
Pha A
Pha C
is
isq
s
is
r
isd
sα
cosθ +i
sβ
sinθ
I
sq
=
i
sβ
cosθ +i
sα
sinθ
αβ a,b,c
i
a
= i
sa
ssac
ssab
iii
iii
.3
2
)(
2
3
ipm
rM
Phương trình chuyển động:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11
dt
d
p
J
mm
cM
Phương trình điện áp cho ba cuộn dây stato:
dt
t
dtiRtu
sa
sassa
)(
)()(
Sử dụng khái niệm vectơ tổng ta nhận được phương trình vectơ:
dt
diRu
s
s
s
ss
s
s
.
- Khi quan sát ở hệ toạ độ α,β:
Đối với mạch rôto ta cũng có được phương trình như trên, chỉ khác là do cấu tạo các lồng
sóc là ngắn mạch nên u
r
=0(quan sát trên toạ độ gắn với trục rôto)
Từ thông stato và rôto được tính như sau:
dt
diR
r
r
r
rr
0
mrsss
LiLi
1.4. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ:
1.4.1.Các phƣơng pháp điểu khiển tốc độ động cơ không đồng bộ:
Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
12
2
2
'
2
~
stato
Rô to
K
Hình 1.7. Các phương pháp điều khiển
a. Điều khiển điện áp stato:
Điều chỉnh
điện áp
Stato
Kinh tế
Điều chỉnh
tần số
nguồn cấp
Stato
Tổn thất
Điều
chỉnh
bằng pp
xung điện
trở rôto
Điều chỉnh
công suất
trượt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13
Do mômen động cơ không đồng bộ tỉ lệ với bình phương điện áp stato, do đó có thể
điều chỉnh được mômen và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stato trong
khi giữ nguyên tần số. Đây là phương pháp đơn giản nhất, chỉ sử dụng một bộ biến đổi
trả lại lưới thì tiết kiệm được năng lượng.
- Khi điều chỉnh với ω<ω
1
: được gọi là điều chỉnh nối cấp dưới đồng bộ(lấy năng lượng P
s
ra phát lên lưới).
- Khi điều chỉnh với ω>ω
1
(s<0): điều chỉnh công suất trượt trên đồng bộ (nhận năng lượng
P
s
vào) hay còn gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ hoặc truyền động động cơ hai
nguồn cung cấp.
- Nếu tái sử dụng năng lượng P
s
để tạo P
cơ
: được gọi là truyền động nối câp cơ. Phương
pháp này không có ý nghĩa nhiều vì khi ω giảm còn 1/3.ω
1
thì P
s
=2/3.P
1
tức là công suất
một chiều dùng để tận dụng P
s
phải gần bằng động cơ chính(xoay chiều), nếu không thì lại
không nên điều chỉnh sâu ω xuống. Trong thực tế không sử dụng phương pháp này.
MHình 1.8. Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh tần số.
Với một động cơ khi đã chế tạo thì số đôi cực (P
p
) cố định do đó khi thay đổi tần số f
thì dẫn đến tốc độ thay đổi và sẽ dẫn đến tốc độ động cơ thay đổi.
Khi điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ thường phải điều chỉnh cả điện áp, dòng
điện hoặc từ thông trong mạch stato do trở kháng, từ thông, dòng điện…của động cơ bị
thay đổi.
- Khi điều chỉnh tần số, giả sử điện áp là điện áp định mức(U
dm
):
+ Nếu giảm tần số f < f
đm
(trong khi giữ U=U
dm
) thì từ thông ψ tăng lên, dẫn đến dòng từ
hóa tăng lên, lúc này lõi thép bị bão hoà làm cho máy nóng làm việc sẽ kém đi, dẫn đến
hiệu suất thấp, nóng mạch từ. Vì vậy, để đảm bảo một chỉ tiêu mà không làm động cơ bị
quá dòng, cần phải điều chỉnh cả điện áp động cơ, cụ thể là giảm điện áp cùng với việc
giảm tần số theo quy luật nhất định.
+ Nếu tăng tần số vì điện áp U
1
=U
dm
(điện áp định mức là lớn nhất). Lúc này từ thông θ
động cơ sẽ giảm xuống làm cho momen động cơ giảm, dẫn đến tốc độ động cơ giảm rất
nhiều. Trường hợp mômen động cơ yếu có thể làm cho động cơ không quay được.
và dòng điện stato i
s
.
Lịch sử điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xuất phát từ thông số ψ
s
, thông qua
các giá trị biên độ của đại lượng điện áp và dòng điện stato, ngày nay gọi là điểu khiển vô
hướng.
- Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi:
Để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì cần phải
điều chỉnh cả điện áp. Đối với biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ cho khả năng quá
tải về mômen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ. Luật điều chỉnh là
2/1 x
ss
fu
với x phụ thuộc tải. Khi x=0 (Mc=const, ví dụ cơ cấu nâng hàng) thì luật điều chỉnh là u
s
/f
s
=const.
- Luật điều chỉnh tần số-điện áp giữ từ thông không đổi:
Ở hệ thống điều khiển điện áp/tần số, sức điện động stato động cơ được điều chỉnh tỉ lệ với
tần số đảm bảo duy trì từ thông khe hở không đổi. Động cơ có khả năng sinh mômen như
nhau ở mọi tần số định mức. Có thể điều chỉnh tốc độ ở hai vùng:
Vùng dưới tốc độ cơ bản: giữ từ thông không đổi thông qua điều khiển tỷ số sức điện động
khe hở/tần số là hằng số.
đó bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và nhiễu.
Nếu điều chỉnh cả biên độ và pha của dòng điện thì có thể điều chỉnh được từ thông rôto
mà không cần cảm biến tốc độ.
-Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện.
Phương pháp điều chỉnh này sử dụng biến tân nguồn dòng. Biến tần nguồn dòng có
ưu điểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch lưc đơn giản mà vẫn thực hiện hãm tái
sinh động cơ. Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là nguồn điện điều khiển. Để
tạo nguồn điện một chiều thường dùng chỉnh lưu điều khiển hoặc băm xung áp một chiều
có bộ điều chỉnh dòng điện có cấu trúc tỷ lệ-tích phân(PI), mạch lọc là điện kháng tuyến
tính có trị số điện cảm đủ lớn.
1.4.2. Điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ:
Một số hệ thống yêu cầu chất lượng điều chỉnh động cao thì các phương pháp điều
khiển kinh điển khó đáp ứng được. Hệ thống điều khiển định hướng theo từ trường còn gọi
là điều khiển vectơ, có thể đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và động.
Nguyên lý điều khiển vectơ dựa trên ý tưởng điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ
tương tự như điều khiển động cơ một chiều. Phương pháp này đáp ứng được yêu cầu điều
chỉnh của hệ thống trong quá trình quá độ cũng như chất lượng điều khiển tối ưu mômen.
Việc điều khiển vectơ dựa trên định hướng vectơ từ thông rôto có thể cho phép điều khiển
tác rời hai thành phần dòng stato, từ đó có thể điều khiển độc lập từ thông và mômen động
cơ. Kênh điều khiển từ thông thường gồm một mạch vòng điều chỉnh dòng điện sinh từ
thông. Do đó hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ có thể tạo được các đặc
tính tĩnh và động cao, có thể so sánh được với động cơ một chiều.
- Nguyên lý điều khiển vectơ:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
17
Dựa trên ý tưởng điều khiển động cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ
một chiều. Động cơ một chiều có thể điều khiển độc lập dòng điện kích từ và dòng phần
ứng để đạt được mômen tối ưu theo công thức tính mômen:
--
Thì có thể điều khiển M bằng cách điều chỉnh tốc độ đôc lập các thành phần dòng điện
trên hai trục vuông góc của hệ toạ độ quay đồng bộ với vectơ từ thông rôto. Lúc này vấn
đề điều khiển động cơ không đồng bộ tương tự như dòng điều khiển động cơ điện một
chiều. Ở đây thành phần dòng điện i
ds
đóng vai trò tương tự như dòng điện kích từ động cơ
một chiều(i
kt
) và thành phần dòng i
qs
tương tự như dòng phần ứng động cơ một chiều(i
u
).
Các thành phần có thể tính được nhờ sử dụng khái niệm vectơ không gian. Với ý tưởng
định nghĩa vectơ không gian dòng điện của động cơ được mô tả ở hệ toạ độ quay với tốc
độ ω
s
, các đại lượng dòng điện điện áp, từ thông sẽ là các đại lượng một chiều.
Mạch điều
khiển và mạch
nghịch lưu
Is2
Is1
Iqs1
Iqs2
Ids
s1
r
d
q
đắt tiền, độ tin cậy thấp(hiện nay đã có vi mạch tích hợp cao, độ chính xác cao), việc đo
dòng điện qua cảm biến gây chậm trễ, đáp ứng momen của hệ điều khiển vectơ chậm(cở
10ms) và ảnh hưởng của bão hoà mạch từ tới R
s
lớn.
1.4.3. Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi.
Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi hay điều chỉnh điện áp-tần số với từ thông
là hàm của mômen tải thuộc phương pháp điều chỉnh vô hướng. Phương pháp này sử dụng
bộ biến tần-động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc. Ta giả thiết điện áp và dòng điện đầu ra
của bộ biến tần là hình sin, có biên độ và tần số có thể thay đổi được thì nhìn vào sơ đồ
thay thế và các biểu thức tính toán mômen, dòng điện…ta thấy khi điều chỉnh tần số thì trở
kháng của động cơ thay đổi, do đó khi điều chỉnh tần số thì ta phải điều chỉnh cả điện áp
để đảm bảo động cơ không bị quá dòng và đảm bảo khả năng sinh mômen theo yêu cầu
đặc tính tải.
Mômen lớn nhất mà động cơ không đồng bộ sinh ra được(với tần số và điện áp nhất
định)chính là mômen tới hạnh, như vậy khả năng quá tải về mômen là λ
M
=M
th
/M
c
nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato thì biểu thức mômen tới hạn tính như sau:
2
dm
dm
Hình 1,11. Đặc tính cơ điều chỉnh tần số theo luật giữ khả năng quá tải không đổi.
Từ hai biểu thức trên ta có thể tính được:
thdmdm
sdmó
M
M
UU
.
00
Dạng đặc tính cơ thống kê của các máy sản xuất dạng gần đúng:
Khi hệ ổn định thì M=M
c
và động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc có đặc tính cơ cứng nên
có thể xem ω=ω
1
, từ đó ta có:
2/12/1
1
1
x
Hay ở dạng đơn vị tương đối:
)2/1*(* x
fU
nếu gần đúng thì ta có
s
f
U
1
1
nên có thể coi luật điều khiển này là luật từ thông là hàm
của mômen tải:
**
cs
M
1.4.4. Điều khiển điện áp-tần sô giữ từ thông động cơ không đổi.
Từ thông móc vòng qua khe hở không khí ψ
δ
được tính.
f
1đm
: tần số định mức, f
1
*
: tần số đơn vị tương đối
Nếu bỏ qua thành phần sụt áp trên điện trở stato ta có
*
*
1
*
1
f
U
tương ứng với quy luật
1
1
f
U
= hằng số đã nêu ở mục (3-2), bị suy giảm ở vùng tần số thấp khi sụt áp trên điện trở
stato có thể so sánh với điện áp stato U
1
. Điều này dẫn đến momen động cơ suy giảm theo
tần số. Để đảm bảo từ thống ψ
σ
*
1
giá trị điện áp sẽ có hai thành phần:
Thành phần thứ nhất U
11
lấy từ hàm quan hệ U
1
(f
1
), thành phần thứ 2 tỷ lệ với dòng
điện tả U
12
~I
1
.
Dạng đặc tính cơ theo luật điều khiển điện áp tần số giữ từ thông động cơ không đổi
được vẽ trên
0
M
Mth
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
21
Hình 1.12. Đặc tính cơ điều khiển điện áp - tần số giữ từ thông động cơ không đổi
Nhận xét: Phương pháp điều khiển U
1
Copyright: Tài liệu đại học ©