BÁO cáo đồ án TRUYỀN ĐỘNG điện tự ĐỘNG đề tài điều CHỈNH tốc độ ĐỘNG cơ KHÔNG ĐỒNG bộ BA PHA BẰNG tần số

Nhưng với sự phát triển mạnh của ngành khoa học kĩ thuật ngàynay như ngành kĩ thuật vi xử lý, điện tử công suất cộng với các lý thuyết điều khiển,truyền động dẫn đến việc động cơ không đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài này, nhóm sinh viên thực hiện xin chân thành cảm

ơn quý thầy cô Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh đã hướng dẫn,truyền đạt kiến thức cho nhóm trong suốt quá trình học tập Đặc biệt, nhóm xinchân thành cảm ơn Thầy Trần Quang Thọ đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiệnthuận lợi cho nhóm trong suốt thời gian thực hiện đồ án

Bên cạnh đó, nhóm cũng xin cảm ơn các anh, chị khóa trước cũng như các bạnsinh viên trong lớp 17142CL4 đã nhiệt tình đóng góp ý kiến và chia sẻ kinh nghiệmtrong quá trình thực hiện đồ án

Cuối cùng, dù đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đề tài đặt ra đảm bảo thời hạnnhưng do kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài không tránhkhỏi những thiếu sót Nhóm rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô

và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đồ án

Tống Anh Vương Nguyễn Thanh Trọng

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 3 2.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3

2.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ 3

2.2.1 Khái niệm chung 3

2.2.2 Phân loại 3

2.2.3 Cấu tạo 4

2.2.4 Nguyên lý hoạt động 7

2.3 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 8

2.3.1 Phương trình đặc tính cơ 8

2.3.2 Ảnh hưởng của việc thay đổi tần số nguồn cung cấp stotor đến đặc tính cơ 11

CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU CHUNG VỀ BIẾN TẦN 16

3.1 KHÁI QUÁT VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA BIẾN TẦN 16

3.2 PHÂN LOẠI BIẾN TẦN 18

3.2.1 Biến tần trực tiếp 18

3.2.2 Biến tần gián tiếp 21

3.3 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TẦN 25

3.3.1 Sơ đồ cấu trúc của biến tần 25

3.3.2 Nguyên Lý hoạt động của bộ biến tần 26

3.3.3 Một số lưu ý khi điều khiển tốc độ động cơ KĐB bằng biến tần 27

CHƯƠNG 4: KẾT NỐI BIẾN TẦN ABB ACS150 VỚI ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ LỒNG SỐC 30

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TẬP ĐOÀN ASEA BROWN BOVERI (ABB) 30

4.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BIẾN TẦN ABB ACS150 SERIES 3 PHA 220VAC, 380VAC CÔNG SUẤT 0,37 – 4KW 30

4.2.1 Đặc điểm nổi bật 31

4.2.2 Chức năng nổi trội 32

4.2.3 Thông số kĩ thuật 32

4.2.4 Bảng tóm tắc chức năng và hiển thị trên bảng điều khiển tích hợp 33 4.3 ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ABB – ACS150 35

4.3.1 Khởi động và nhập thông số 35

4.3.2 Các phương pháp điều khiển sử dụng biến tần ACS150 43

KẾT LUẬN 50

CHƯƠNG 1: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng pháttriển mạnh mẽ Do đó động cơ điện năng đóng vai trò rất quan trọng trong các ngànhsản xuất cũng như đời sống Vì vậy các loại động cơ điện được chế tạo ngày càng hoànthiện hơn, trong đó động cơ điện không đồng bộ 3 pha chiếm tỉ lệ lớn trong các ngànhcông nghiệp do động cơ không đồng bộ 3 pha có nhiều ưu điểm như việc khởi động dễdàng, giá thành rẻ, vận hành êm, kích thước nhỏ gọn, làm việc chắc chắn, đặc tính làmviệc tốt, bảo quản đơn giản, chi phí vận hành và bảo trì thấp Tuy vậy nó có nhượcđiểm là đặc tính cơ phi tuyến mạnh, nên trước đây với các phương pháp điều khiểncòn đơn giản, loại động cơ này phải nhường chỗ cho động cơ điện một chiều và khôngđược ứng dụng nhiều Nhưng với sự phát triển mạnh của ngành khoa học kĩ thuật ngàynay như ngành kĩ thuật vi xử lý, điện tử công suất cộng với các lý thuyết điều khiển,truyền động dẫn đến việc động cơ không đồng bộ 3 pha được ứng dụng rộng rãi trong

hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần động cơmột chiều Có nhiều phương pháp điều chỉnh vận tốc động cơ không đồng bộ ba phanhư: điều tốc giảm điện áp, điều tốc bộ ly hợp trượt điện từ, điều tốc thay đổi số đôicực, điều tốc biến tần…Trong đó điều tốc bằng hệ thống biến tần có hiệu suất caonhất, chất lượng tốt nhất, được sử dụng rộng rãi nhất Vì vậy, bản đồ án này nhóm emxin thực hiện đề tài điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng tần số

 Ưu điểm của việc kết hợp biến tần với động cơ không đồng bộ ba pha:

 Hiệu suất làm việc của máy tăng cao

 Quá trình khởi động và dừng động cơ rất êm dịu nên giúp cho tuổi thọ của động

cơ và các cơ cấu cơ khí dài hơn Có thể giúp động cơ chạy nhanh hơn, giúp tăngsản lượng đầu ra cho máy, tăng tốc độ cho các quạt thông gió

 Biến tần thường có hệ thống điện tử bảo vệ quá dòng, bảo vệ cao áp và thấp áp,tạo ra một hệ thống an toàn khi vận hành Sử dụng biến tần an toàn, tiện lợi vàviệc bảo dưỡng biến tần cũng ít hơn do vậy đã giảm bớt số nhân công phục vụ

và vận hành máy …

 Biến tần giúp tiết kiệm điện năng ở mức tối đa trong quá trình khởi động và vậnhành

 Nhờ nguyên lý làm việc chuyển đổi nghịch lưu qua diode và tụ điện nên hệ sốCosφ đạt ít nhất là 0.96, công suất phản kháng từ động cơ rất thấp, gần nhưđược bỏ qua, do đó giảm được dòng đáng kể trong quá trình hoạt động, giảmchi phí trong lắp đặt tủ tụ bù, giảm thiểu hao hụt đường dây.

 Ngoài ra, hệ thống máy có thể kết nối với máy tính ở trung tâm Từ trung tâmđiều khiển nhân viên vận hành có thể thấy được hoạt động của hệ thống và cácthông số vận hành (áp suất, lưu lượng, vòng quay, …), trạng thái làm việc cũngnhư cho phép điều chỉnh, chuẩn đoán và xử lý các sự cố có thể xảy ra

 Sử dụng biến tần giúp cải tiến công nghệ hiện tại một cách đáng kể

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

BA PHA

Động cơ không đồng bộ là động cơ điện hoạt động với tốc độ quay của Rotorchậm hơn so với tốc độ quay của từ trường Stator.Ta thường gặp động cơ không đồng

bộ Rotor lồng sóc vì đặc tính hoạt động của nó tốt hơn dạng dây quấn

Stator được quấn các cuộn dây lệch nhau về không gian (thường là 3 cuộn dâylệch nhau góc 120°) Khi cấp điện áp 3 pha vào dây quấn, trong lồng Stator xuất hiện

từ trường Fs quay tròn với tốc độ n= 60 f

p , với p là số cặp cực của dây quấn Stator, f

là tần số

Từ trường này móc vòng qua Rotor và gây điện áp cảm ứng trên các thanh dẫnlồng sóc của rotor Điện áp này gây dòng điện ngắn mạch chạy trong các thanh dẫn.Trong miền từ trường do Stator tạo ra, thanh dẫn mang dòng I sẽ chịu tác động của lựcBio-Savart-Laplace lôi đi Có thể nói cách khác: dòng điện I gây ra một từ trường Fr(từ trường cảm ứng của Rotor), tương tác giữa Fr và Fs gây ra moment kéo Rotorchuyển động theo từ trường quay Fs của Stator

2.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ

2.2.1 Khái niệm chung

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lýcảm biến điện từ có tốc độ quay của rotor n khác với tốc độ quay từ trường

Máy điện không đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn stator (sơ cấp) với lưới điệntần số không đổi, dây quấn rotor (thứ cấp) Dòng điện trong dây quấn rotor được sinh

ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số phụ thuộc vào rotor, nghĩa là phụ thuộc vàotải trên trục của máy

Cũng như các máy điện khác, máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, cónghĩa là có thể làm việc ở chế độ động cơ điện hoặc máy phát điện

2.2.2 Phân loại

Máy điện không đồng bộ có nhiều loại được chia theo nhiều cách khác nhau:

- Theo kết cấu của vỏ: máy điện không đồng bộ có thể chia theo các kiểu chính

sau: kiểu kín, kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu chống nổ…

- Theo kết cấu rotor: rotor kiểu lồng sóc và rotor kiểu dây quấn.

- Theo số pha trên dây quấn stator: 1 pha, 2 pha, 3 pha.

2.2.3 Cấu tạo

Hình 2.1: Cấu tạo động cơ KDB

2.2.3.1 Phần tĩnh (stator)

Hình 2.2: Stator

Vỏ máy:

Vỏ máy có tác dụng cố định lõi thép, dây quấn, giữ chặt máy trên kệ và bảo

vệ máy Thường vỏ máy được làm bằng gang Đối với máy có công suất tươngđối lớn ( 1000kW ) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy Tuỳ theocách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau

Lõi thép:

Lõi thép trong võ máy làm nhiệm vụ dẫn từ Lõi thép stator hình trụ do các

lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong ghép lại với nhau tạo thành cácrãnh theo hướng trục Mỗi lá thép kỹ thuật đều được phủ sơn cách điện để giúpgiảm tổn hao do từ trường quay đi qua lõi sắt gây nên Khi đường kính ngoài lõisắt nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại Khi đường kính ngoài lớn hơnthì dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại

Dây quấn:

Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt vớilõi sắt Dây quấn stator gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 1200 điện Dòng xoaychiều ba pha chạy trong dây quấn stator tạo ra từ trường quay

2.2.3.2 Phần quay (rotor)

Hình 2.3: Rotor

Lõi thép: lá thép được dùng như stator Lõi thép được ép trực tiếp lên lõi máyhoặc lên giá rotor của máy

Rotor có 2 loại chính : rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc

Rotor dây quấn:

Rotor có dây quấn giống như dây quấn của stator Dây quấn 3 pha của rotorthường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằngđồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạchđiện bên ngoài Đặc điểm là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ haysuất điện động phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính năng mở máy, điềuchỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi máy làm việc bìnhthường dây quấn rotor được nối ngắn mạch Nhược điểm so với động cơ rotorlồng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt, dễ cháy nổ.Rotor lồng sóc:

Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator Trong mỗi rãnh củalõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và đượcnối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thànhmột cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc

2.2.3.3 Khe hở không khí

Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều Khe hở trong máy điện không đồng

bộ rất nhỏ (0,2 mm ÷ 1mm) Để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậymới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn

2.2.4 Nguyên lý hoạt động

Như đã biết trong vật lý, khi dòng điện xoay chiều 3 pha vào ba cuộn dây đặtlệch nhau 1200 trong không gian thì từ trường tổng đi qua 3 cuộn dây là từ trườngquay Nếu trong từ trường quay có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quétqua các thanh dẫn này và làm xuất hiện 1 sức điện điện cảm ứng trong các thanh dẫn.Trong động cơ không đồng bộ thì phía rotor ( phần cảm ứng sức điện động ) được nốingắn mạch làm xuất hiện dòng điện ( ngắn mạch ) trên dây quấn rotor, dòng điện cóchiều xác định theo quy tắc bàn tay phải Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòngcảm ứng này 1 lực từ có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái và tạo ra 1 momentlàm quay rotor theo chiều quay của từ trường quay

Muốn cho động cơ làm việc, stator của động cơ cần được cấp dòng điện xoaychiều Dòng điện qua dây quấn stator sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ:

n= 60 f

p (vòng/ phút) (2-1) trong đó: f- là tần số của nguồn điện p- là số đôi cực của dây quấn stator

Từ trường quay của stator cảm ứng lên các thanh dây dẫn rotor sức điện động

E2 làm sinh ra dòng điện trong thanh dẫn rotor và làm rotor quay cùng chiều từ trườngquay nhưng với tốc độ quay của rotor n luôn luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường

ns: n < ns (chế độ động cơ) nên gọi là động cơ không đồng bộ Dòng điện rotor cũngcảm ứng lên stator sức điện động E1.

Tốc độ không đồng bộ của rotor n nhỏ hơn tốc độ đồng bộ ns và sự sai lệch nàyđược đánh giá qua 1 đại lượng gọi là hệ số trượt s:

p là tốc độ động cơ

ω= 2 π n

60 (rad/s) (2-3)

Ở chế độ động cơ, hệ số trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1 ns, ωs là tốc độ từ trường quay,cũng là tốc độ lớn nhất mà rotor có thế đạt được khi không có bất kì lực cản nào Tốc

độ này gọi là tốc độ đồng bộ hay tốc độ không tải lý tưởng Tần số lưới điện Việt Nam

là 50Hz và vì p là số nguyên nên tốc độ đồng bộ thường là 3000, 1500, 1000, 750,

 U1f là trị số hiệu dụng của điện áp pha stator (V)

 Io, I1, I2 là các dòng mạch từ hóa, dòng stator, dòng rotor đã quy về stator (A)

 X1, X2, Xm là điện kháng stator, điện kháng rotor đã quy về stator, điện khángmạch từ (Ω)

R , R, R là điện trở stator, điện trở rotor đã quy về stator, điện trở mạch từ (Ω)

 s là hệ số trượt của động cơ

Khi cuộn dây stator được cấp với điện áp định mức U1ph.đm trên 1 pha mà rotor khôngquay thì mỗi pha của cuộn dây rotor sẽ xuất hiện 1 sức điện động cảm ứng E2ph.đm theonguyên lý của máy biến áp Hệ số quy đổi sức điện động là:

 Dòng điện : I’2 = KI.I2 (2-8)

 Điện kháng : X’2 = KX.X2 (2-9)

 Điện trở : R’2 = KR.R2 (2-10)Dòng điện stator:

(2-Khi động cơ hoạt động , công suất điện từ P12 chuyển từ stator sang rotor thành côngsuất cơ Pcơ đưa ra trên trục động cơ và công suất nhiệt ∆P2 đốt nóng cuộn dây:

P12 = Mđt.ω0 (2-13)

Nếu bở qua tổn thất phụ thì có thể xem moment điện từ Mđt của động cơ bằng momen

cơ Mcơ:

Mđt = Mcơ = M (2-14)Và: P12 = Pcơ + ∆P2 (2-15)

Trong đó: Pcơ = M.ω là công suất cơ trên trục động cơ

∆P2 = 3.I’22.R’2 là tổn hao công suất đồng trong rotor

Suy ra : M.ω0 = M.(ω0 - ω) = M.ω0.s (2-16)Thay vào phương trình tính moment ta được:

Phương trình trên biểu thị mối quan hệ M = f(s) = f[s(ω)] gọi là phương trìnhđặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha Nếu biểu diễn đặc tính cơ trên đồ thị

sẽ là đường cong như hình 5 Có thể xác định các điểm cực trị của đường cong đóbằng cách cho đạo hàm dM ds =0 ta sẽ được các cực trị số về độ trượt tới hạn sth vàmoment tới hạn Mth tại các điểm cực trị:

Trong đó: a= R1

R2'

Hình 2.5: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Vì đang xem ở chế độ động cơ nên nên giá trị Mth và sth trên đặc tính cơ chỉ có dấu +

2.3.2 Ảnh hưởng của việc thay đổi tần số nguồn cung cấp stator đến đặc tính cơ.

Phương trình đặc tính cơ cho ta thấy đặc tính cơ của động cơ không đồng bộchịu ảnh hưởng của nhiều thông số điện: điện áp lưới U1ph, điện trở mạch rotor R’2,điện trở và điện kháng stator R1, X1, số đôi cực p và tần số lưới Ở đây chỉ đề cập đếnảnh hưởng của tần số lưới đến đặc tính cơ động cơ không đồng bộ 3 pha

Khi f thay đổi thì các thông số sau thay đổi: tốc độ đồng bộ, độ trượt giới hạn,

moment tới hạn Phương pháp này có nhược điểm: khi ở vùng tần số thấp làm động cơquá dòng, còn ở vùng tần số cao có thể làm động cơ bị suy giảm moment

Khi thay đổi f 1 thì tốc đô đồng bộ ω0 sẽ thay đổi, đồng thời X1, X2 cũng bị thayđổi (X = 2π.f.L) kéo theo sự thay đổi cả độ trượt tới hạn sth và moment tới hạn Mth

Hình 2.6: Đặc tính khi thay đổi tần số

Ta nhận thấy khi thay đổi tần số f1, nếu bỏ qua điện trở dây quấn stator R1 = 0 thì Mth

là:

M th= 3U 1 ph2

2 ω0X eq (2-21)Mặt khác:

M th= 3 U 1 ph2 p2

2 (2 π ).2 f12L eq (2-24)Đặt: A= 3 p

Biểu thức trên cho ta thấy rằng khi tăng tần số nguồn mà vẫn giữ nguyên U1ph

thì moment tới hạn giảm rất nhiều Do đó khi thay đổi tần số nguồn thì đồng thời phảithay đổi U1ph theo các quy luật nhất định đảm bảo sự làm việc tương ứng của động cơvới nhiều loại tải khác nhau Nghĩa là tỷ số giữa moment cực đại và moment phụ tảiđối với các dạng đặc tính cơ là hằng số:

λ =

M th

M c = const 27)

(2-Từ biểu thức Mth = A

U 1 ph2

f12 ta có:

(2-Với Mc là đặc tính cơ của tải, biểu thức thực nghiệm mang tính tổng quát của Mc nhưsau:

Mc = Mco + ( Mcđm – Mco) ( n nđm)x

(2-29) Khi xem Mco ≈ 0 thì biểu thức trên sẽ là:

Mc = Mcđm ( n nđm)x = Mcđm ( f1

f 1 đm)x(2-30)

Mco là moment cản của tải đối với trục quay khi n = 0

Mcđm là moment cản cảu tải đối với trục quay khi n = nđm

x là số mũ đặc trưng mô tả đặc tính cơ của tải khác nhau

Như vậy muốn điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần

số ta phải có bộ nguồn xoay chiều có khả năng điều chỉnh tần số điện áp đồng thờitheo các quy luật sau:

CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU CHUNG VỀ BIẾN TẦN

3.1.KHÁI QUÁT VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA BIẾN TẦN

Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngàycàng có nhiều thiết bị điện - điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phậnđáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơđiện

Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độđộng cơ điện Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còncủa chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống… Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giầy,cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc…Vìthế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các

hệ thống điều khiển trong công nghiệp

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông … Từ

đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:

 Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất

 Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phức tạpcủa cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử

Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động

cơ và thông qua đó có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí Biến tần sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự dòng điện đặt vào các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay động cơ

Khảo sát cho thấy:

 Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment

 Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng.

 Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu

về từ việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ

Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt:

 Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt

 Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van

 Giảm tiếng ồn công nghiệp

 Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ

 Giúp tiết kiệm điện năng tối đa

Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổitần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương thức khác, không dùng mạch điện tử

Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp Ưu điểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn chế như:

 Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn

 Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu

 Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, di chuyển, bảotrì cũng như thay mới

 Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp ngõ ra

do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp

Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải … mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường hợp này

3.2 PHÂN LOẠI BIẾN TẦN

- Biến tần trực tiếp (cycloconverter): AC (tần số cao) → AC (tần số thấp)

- Biến tần gián tiếp (Inverter): AC→ DC → AC

3.2.1 Biến tần trực tiếp

Biến tần trực tiếp: loại này biến đổi thẳng dòng điện xoay chiều tần số f1 thành

f2 (f2 < f1) không qua khâu chỉnh lưu nên hiệu suất cao hơn loại gián tiếp Biến tần trựctiếp thường được dùng cho truyền động công suất lớn, tốc độ làm việc thấp, thí dụ đểcung cấp cho các động cơ rotor lồng sóc, các động cơ rotor dây quấn cung cấp bởi 2nguồn, các động cơ đồng bộ…Tuy nhiên biến tần trực tiếp có các nhược điểm như: hệ

số công suất thấp, tần số điều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số nguồn cung cấp…

Bộ biến tần trực tiếp được tạo nên từ hai nhóm bộ biến đổi nối song songngược nhau Ta nhận thấy công suất tức thời trên tải p = u.i biến thiên theo bốn giaiđoạn Trong các giai đoạn mà dòng điện i cùng chiều với điện áp u, kết quả p = u.i > 0,

bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu

Hình 3.1: Biến tần trực tiếp tổng quát

3.2.1.1 Biến tần trực tiếp một pha

Hình 3.2: Bộ biến tần trực tiếp một pha

Các bộ chuyển mạch hai nửa chu kỳ gồm hai nhóm: nhóm dương ký hiệu P vànhóm âm ký hiệu N Các thyristor được mồi không trễ (góc mở α = 0), nghĩa là P đượccoi như nhóm chỉnh lưu diode Tải nhận được cả hai nửa chu kỳ của điện áp nguồn vớibiên độ điện áp vì tải thuần trở nên điện áp trùng pha với dòng điện Khi tăng góc mởthì điện áp ra tiến tới không

Trên sơ đồ Hình 3.2 ta nhận thấy nếu Thyristor của nhóm dương P và nhóm

âm N dẫn đồng thời sẽ xảy ra ngắn mạch nguồn Để tránh tình trạng này ta có thể đặtthêm cuộn kháng san bằng giữa các nhóm để hạn chế dòng điện chạy vòng qua cácnhóm hoặc tiến hành điều khiển sao cho nhóm này không thể mồi khi nhóm kia chưa

Có thể chỉnh điện áp ra bằng cách chỉnh góc mở Tuy nhiên khi đó các điều hòa bậc cao sẽ tăng thêm

3.2.1.2 Biến tần trực tiếp 3 pha

Hình 3.3: Bộ biến tần trực tiếp 3 pha

Hình 3.3 trình bày sơ đồ biến tần trực tiếp ba pha có sỉ số đập mạch bậc ba và 18 thyristor cung cấp cho tải ba pha Các nhóm biến đổi nối hình tia

- Điện áp ra cực đại của bộ biến tần có chỉ số đập mạch p là:

U 0 max=√2U phasinπ

Gọi U01max là trị số cực đại của điều hòa cơ bản và r = U 01max

U 0 max Sự biến thiên của góc mồi α để tạo nên điện áp ra mong muốn hình sin được xác định bằng:

α=arc cos[U 01 max

U 0 max sin ω0t] (3-3)

là một hàm phi tuyến, với r ≤ 1 Tuy nhiên góc mồi của nhóm biến đổi dương P khôngthể giảm bằng không vì khi đó góc mồi của nhóm biến đổi âm N bằng 1800 Điều nàykhông thể thực hiện được do sự trùng dẫn của các thyristor Vì thế góc mở của nhómbiến đổi dương phải được giới hạn góc αmin và điện áp ra sẽ giảm một lượng cosαmin

3.2.2 Biến tần gián tiếp

Biến tần gián tiếp: với biến tần loại này, dòng điện xoay chiều đầu vào tần số

f1 được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều ( f = 0 ), lọc rồi lại được biến đổi thành dòng điện xoay chiều tần số f2 Đây là loại biến tần được dùng phổ biến hơn vì tần số

ra f2 hoàn toàn không phụ thuộc vào tần số vào mà chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển.Biến tần gián tiếp cần có khâu chỉnh lưu trung gian

Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần gián tiếp

Từ sơ đồ cấu trúc ta thấy điện áp xoay chiều có các thông số (U1,f1) đượcchuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu, qua một bộ lọc rồi được biến trở lại điện

áp xoay chiều với điện áp U2, tần số f2 Việc biến đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệusuất biến tần Song bù lại loại biến tần này chophép thay đổi dễ dàng tần số f2 khôngphụ thuộc vào f1 trong một dải rộng cả trên và dưới f1 vì tần số ra chỉ phụ thuộc vàomạch điều khiển

Bộ biến tần này còn gọi là biến tần độc lập, trong biến tần này đầu tiên điện ápđược chỉnh lưu thành dòng một chiều, sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoay chiều

Khác với bộ biến tần trực tiếp việc chuyển mạch được thực hiện nhờ lưới điện xoaychiều, trong bộ nghịch lưu cũng như trong bộ điều áp một chiều, hoạt động của chúngphụ thuộc vào loại nguồn và tải.

Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần Tuy nhiên việc ứng dụng hệđiều khiển số nhờ kỹ thuật vi xử lý nên ta phát huy tối đa các ưu điểm của biến tần loạinày và thường sử dụng nó hơn

Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm hai loại sửdụng nghịch lưu áp và nghịch lưu dòng

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng, dạng củadòng điện trên tải phụ thuộc vào dạng dòng điện của nguồn, còn dạng áp trên tải phụthuộc là tuỳ thuộc vào các thông số của tải quy định

Hình 3.5: Bộ biến tần nguồn dòng ba pha

Trong cầu biến tần mỗi thyristor nối thêm một diode, gọi là diode chặn Cácthyristor đều được mở theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, …

Bất kỳ thời điểm nào, trừ giai đoạn trùng dẫn, chỉ có hai thyristor dẫn dòng.Dòng điện tải có dạng sóng “gần sin chữ nhật” gồm hai khối Các khối cách nhau mộtkhoảng, trường hợp lý tưởng khoảng bằng π3 trong khoảng này dòng điện pha tải bằng

0 Các pha stator của động cơ lần lượt nhận các dòng điện “sin chữ nhật” lệch nhau

góc 2 π3 , tạo ra từ trường quay mà tốc độ của nó quyết định bởi nhịp điệu cấp xungđiều khiển cầu biến tần Động cơ điện sản sinh ra ở các pha các sức điện động tươngứng:

3.2.2.2 Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp ba pha

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp (nghĩa là điệntrở nguồn bằng 0) Dạng của điện áp trên tải tuỳ thuộc vào dạng của điện áp nguồn,còn dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào thông số của mạch tải quy định

Dòng hiệu IC – I0 chạy qua diode phóng DZ1 không qua tải Tại t2 dòng IC = I0,dòng tụ điện giảm nhảy bậc xuống 0 Từ thời điểm này dòng tải gây nên do nănglượng tích lũy trong cảm kháng của tải chạy qua mạch khép kín bởi DZ4 (sức điệnđộng cảm ứng đã phân cực DZ4 theo hướng dẫn) Bây giờ DZ4 đóng vai trò của diodezero Dòng I0 chạy trong mạch DZ4-L1-pha A-pha C-L3-D2-T2-DZ4 Nếu độ cảm khángcủa tải đủ lớn, năng lượng điện từ trong mạch vừa nói trên có thể không phóng trongkhoảng ω2t =π/3 Điều đó có nghĩa là sau một góc π/3 kể từ khi T3 dẫn năng lượngkháng được đưa về nguồn vì khi T2 ngắt, DZ5 bắt đầu phân cực dẫn, dòng tải bây giờchảy theo mạch sau: DZ4-L1-pha A-pha C-L3-DZ5-Ud(+)-Ud(-)-DZ4 Ở chế độ hãm máyphát của động cơ năng lượng kháng được chuyển về nguồn từ tải cũng qua diode DZ.Đặc trưng của loại chuyển mạch này là chuyển mạch cưỡng bức, nguồn năng lượngdùng để chuyển mạch được tụ điện nạp tới điện áp tỷ lệ với điện áp nguồn Ud cấp cho

Khi giảm giá trị điện áp nguồn giảm năng lượng tích lũy trong tụ điện có thể không

thực hiện được sự chuyển mạch