TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT DIESEL 1.1 Công dụng máy phát Diesel
Chất lƣợng điện năng của máy phát điện
Tần số và điện áp là các chỉ tiêu quan trọng quyết định chất lƣợng điện năng
Điện áp là yếu tố quan trọng trong quá trình vận hành, khi điện áp định mức cung cấp cho phụ tải Sự thay đổi điện áp trong quá trình làm việc có thể ảnh hưởng đến chế độ hoạt động của các thiết bị điện Chẳng hạn, khi điện áp giảm trong mạng điện chiếu sáng, hiệu quả phát sáng của đèn sẽ giảm Tương tự, động cơ điện xoay chiều và động cơ điện một chiều cũng sẽ giảm tốc độ khi điện áp không đủ Nếu điện áp giảm không đảm bảo, sẽ không thể hòa vào lưới điện.
Tần số là yếu tố quan trọng thể hiện công suất tác dụng của máy phát điện; khi tần số giảm, công suất cơ không được đảm bảo, dẫn đến việc không thể hòa vào lưới điện Đặc biệt, nếu phụ tải là động cơ điện xoay chiều, khi tần số giảm, tốc độ của động cơ cũng sẽ giảm theo.
Nếu tần số và điện áp không được đảm bảo, sẽ dẫn đến tăng chi phí vốn đầu tư và chi phí vận hành, đồng thời giảm năng suất và hiệu quả của các thiết bị điện Sự giảm tần số và điện áp không chỉ gây thiệt hại cho hệ thống điện mà còn ảnh hưởng đến tất cả các ngành kinh tế khác.
Khi thiết kế và vận hành hệ thống, cần chú trọng đến các biện pháp nâng cao chất lượng tần số và điện áp Để giải quyết vấn đề điện áp và tần số, việc nghiên cứu các hệ thống tự động ổn định là rất quan trọng nhằm đảm bảo ổn định điện áp hiệu quả.
- Chỉ tiêu của chất lượng điện áp
+ Độ lệch điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp nhỏ hơn 1% trong 1 giây) so với giá trị định mức
+ Độ dao động điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp không nhỏ hơn 1% trong 1 giây)
U U max min 100% (1.2) + Độ không hình sin của dạng đường cong điện áp
U 1 : Điện áp thành phần cơ bản
Khi KKsin nhỏ hơn 5%, đường cong điện áp có thể được coi là hình sin Để xác định độ không hình sin của điện áp, chỉ cần tính đến sóng bậc 1 và 3 là đủ.
+ Độ không đối xứng của điện áp phadm
Nếu điện áp có K2 < 1% thì có thể xem thực tế nhƣ là đối xứng
+ Độ lệch trung tính phadm
Trong đó U 0 điện áp thứ tự không
Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp
Để điều chỉnh điện áp của máy phát, người ta thường sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh điện áp thông qua việc điều chỉnh dòng kích từ Trong chế độ làm việc bình thường, dòng kích từ sẽ giúp thay đổi điện áp giữa hai cực của máy phát và điều chỉnh công suất phản kháng vào lưới Thiết bị này hoạt động nhằm duy trì điện áp ổn định khi phụ tải thay đổi và nâng cao giới hạn công suất truyền tải từ máy phát vào hệ thống Để đảm bảo cung cấp dòng điện một chiều ổn định cho cuộn kích từ của máy phát điện đồng bộ, cần có hệ thống kích từ với công suất định mức lớn, thường yêu cầu từ 0.2% đến 0.6% công suất định mức của máy phát.
Dòng kích từ trong cuộn dây roto của máy phát điện là dòng điện một chiều, do đó cần có hệ thống nguồn cung cấp riêng Hệ thống kích từ tự động điều chỉnh dòng kích từ trong quá trình làm việc, và đặc tính cùng cấu trúc của thiết bị điều chỉnh kích từ ảnh hưởng quyết định đến chất lượng điều chỉnh điện áp và tính ổn định của hệ thống.
Trong thực tế người ta có 4 phương pháp để điều chỉnh dòng kích từ một cách tự động đó là các phương pháp sau:
- Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều
- Hệ thống kích từ dùng các máy phát điện xoay chiều có vành góp
- Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều không vành góp
- Hệ thống kích từ xoay chiều dùng nguồn chỉnh lưu có điều khiển
Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp AVR
Bộ điều chỉnh điện áp tự động liên tục giám sát điện áp đầu ra của máy phát điện và so sánh với điện áp tham chiếu Nó điều chỉnh dòng điện kích thích để giảm thiểu sai số giữa điện áp đo được và điện áp tham chiếu Để thay đổi điện áp của máy phát điện, chỉ cần điều chỉnh điện áp tham chiếu, thường được đặt ở giá trị định mức khi máy phát hoạt động độc lập hoặc là điện áp thanh cái trong chế độ hòa lưới.
Hình 1.1:Hệ thống tự động ổn định điện áp AVR
Mỗi hệ thống kích từ của máy phát được trang bị bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR), kết nối với các biến điện áp một pha 110V trong tủ thiết bị Bộ AVR đáp ứng thành phần pha thứ tự thuận của điện áp máy phát mà không phụ thuộc vào tần số Là loại điện tử kỹ thuật số, AVR nhận tín hiệu đầu vào từ điện áp 3 pha tại đầu cực máy phát và sử dụng nguyên lý điều chỉnh PID để điều chỉnh độ lệch điện áp, đồng thời có chức năng điều chỉnh hằng số hệ số công suất và hằng số dòng điện trường.
Bộ AVR cơ bản bao gồm một vòng lặp điều chỉnh áp sử dụng tín hiệu tích phân tải để đảm bảo ổn định tạm thời và ổn định động Việc đo lường điện áp máy phát được thực hiện trên cả ba pha, với độ chính xác của điện áp điều chỉnh nằm trong khoảng 0.5% giá trị cài đặt, áp dụng cho các chế độ vận hành từ không tải đến đầy tải.
Bộ AVR nhận tín hiệu điều khiển từ bên ngoài để điều chỉnh giá trị mẫu liên tục mà không cần bộ phận quay Để hạn chế độ dốc của tín hiệu bên ngoài, có thể sử dụng một mạch cản nếu cần thiết.
1.2.2 Ổn định tần số của máy phát điện
Tần số là chỉ tiêu quan trọng phản ánh chất lượng điện năng trong hệ thống điện, vì trong điều kiện hoạt động bình thường, tần số ở tất cả các điểm là đồng nhất Tuy nhiên, tần số sẽ thay đổi khi có sự mất cân bằng giữa tổng công suất tác dụng của các động cơ sơ cấp, như máy phát Diesel, và phụ tải tác dụng của máy phát điện.
Cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống điện ở chế độ bình thường:
Trong đó: P T : Công suất của máy phát Diesel kéo máy phát
P pt : Công suất của phụ tải điện
: Tổn thất công suất tác dụng
Mô men kéo của máy phát diesel
Q : Lưu lượng nước vào máy phát diesel
H : Độ chênh áp suất đầu và cuối máy phát diesel
Hiệu suất của máy phát diesel phụ thuộc vào việc ổn định tần số Có hai phương pháp chính để đảm bảo sự ổn định này: ổn định sơ cấp và ổn định thứ cấp Chúng ta sẽ lần lượt nghiên cứu từng phương pháp để hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động và hiệu quả của chúng.
1.2.3 Ổn định tần số thứ cấp Điều chỉnh thứ cấp là quá trình tăng công suất máy phát điều tần để đƣa tần số về trị số định mức Tăng công suất máy phát bằng cách tăng tốc độ cho tuabin Nhờ cơ cấu đo lường khá chính xác độ lệch tần số khỏi giá trị định mức và phát tín hiệu điều khiển
Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống truyền động máy phát Diesel
Chúng ta sẽ xem xét một cơ cấu đo lường đơn giản phản ứng theo độ lệch tức thời của tần số Sơ đồ mạch bao gồm điện trở và điện kháng hoặc điện dung nối song song Khi tần số hệ thống đạt mức định mức, dòng I1 và I2 sẽ bằng nhau Tuy nhiên, khi tần số giảm hoặc tăng, điều này sẽ ảnh hưởng đến dòng điện trong mạch.
Các chỉ tiêu và thông số ổn định tần số
Bộ điều tốc giữ cho vòng quay ổn định hoặc thay đổi theo ý muốn của con người, không bị ảnh hưởng bởi tải trọng Đặc tính của bộ điều tốc được xác định bởi một số thông số chính.
Cảm biến vị trí (P/U) f và f’ của động cơ đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh độ sai lệch δ Độ sai lệch này được tính bằng tỷ số giữa sự chênh lệch vòng quay động cơ khi tăng từ không đến toàn tải và vòng quay trung bình tb.
Trong bài viết này, nkt đại diện cho vòng quay của động cơ khi hoạt động ở chế độ không tải, tính bằng vòng/phút (v/ph), trong khi nH là vòng quay của động cơ khi làm việc ở chế độ định mức, cũng được tính bằng v/ph.
Hệ thống điều tốc có vòng quay trung bình (H kt tb n n) được xác định bởi δ, mức độ sai số tĩnh, phản ánh khả năng duy trì vòng quay ban đầu Khi δ càng nhỏ, chất lượng bộ điều tốc càng cao, nhưng thời gian điều chỉnh sẽ tăng lên Đường đặc tính điều tốc vuông góc với trục hoành (δ=0) được gọi là đặc tính siêu tĩnh, trong khi đường có độ dốc (δ > 0) được xem là đặc tính tĩnh Ngoài ra, độ rộng vùng không nhạy cũng là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của bộ điều tốc.
Khi có lực ma sát, sự thay đổi nhỏ trong vận tốc góc của động cơ có thể làm dịch chuyển các cơ cấu của bộ điều tốc Tuy nhiên, do ảnh hưởng của lực ma sát trong các cơ cấu này, bộ điều tốc không phản ứng khi vận tốc góc thay đổi nhẹ Khu vực không nhạy là vùng mà tại đó bộ điều tốc không có phản ứng, và chiều rộng của khu vực này thể hiện độ nhạy của bộ điều tốc εkn.
Trong đó, ω , cb , ω ” cb giá trị vận tốc góc tại các điểm biên của khu vực không nhạy khi tăng và giảm vòng quay động cơ
Trong bộ điều tốc hiện đại, lực ma sát khô rất nhỏ, và độ không nhạy không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng làm việc của động cơ khi hoạt động độc lập Tuy nhiên, trong điều kiện làm việc song song, ngay cả một độ nhạy nhỏ cũng có thể dẫn đến sai lệch lớn về công suất giữa các động cơ, vì chế độ cân bằng của hệ thống điều chỉnh có thể thiết lập ở bất kỳ chế độ phụ tải nào trong khu vực không nhạy của động cơ Độ không nhạy của bộ điều tốc tăng lên theo thời gian khai thác và bảo dưỡng động cơ Dù động cơ còn mới và bộ điều tốc giống nhau, vùng không nhạy không hoàn toàn giống nhau, do đó cần xem xét cẩn thận khi hiệu chỉnh Độ thay đổi vòng quay lớn nhất φ được xác định là tỉ số giữa biên độ dao động vòng quay lớn nhất và vòng quay định mức trong thời gian chuyển tiếp.
H dd H dd n n (1.10) Δn dd (Δω dd ) biên độ dao động vòng quay (vận tốc góc) lớn nhất trong quá trình chuyển tiếp
Giá trị độ thay đổi vòng quay tương đối lớn nhất φ phụ thuộc vào chất lượng bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật và mức độ thay đổi tải theo quy định Độ không ổn định vòng quay tương đối ψ là tỉ số giữa biên độ vòng quay của động cơ trong chế độ ổn định và vòng quay ổn định tương đối, bao gồm các điều kiện như định mức và không tải.
Δω s là biên độ dao động vận tốc góc tương ứng với chế độ ổn định, trong khi ωH và ωkt đại diện cho vận tốc góc trong chế độ ổn định, bao gồm chế độ định mức và không tải.
Thời gian điều chỉnh t ct là khoảng thời gian từ khi bắt đầu thay đổi tải đến khi biên độ dao động vòng quay nằm trong giới hạn ổn định cho phép Thời gian này còn phụ thuộc vào loại và chất lượng bộ điều tốc, cũng như trạng thái kỹ thuật và mức độ thay đổi tải theo quy định.
Các phương án thiết kế
Từ những nguyên lý đo và làm việc hệ điều tốc máy phát Diesel (mục 2.2) thấy có 2 nguyên tắc điểu khiển ổn định tần số sơ cấp đó là:
1.4.1 Hệ điều khiển tương tự
Có sơ đồ nhƣ hình vẽ:
Hình 1.7: Hệ thống điều khiển ổn định máy phát tương tự tần số
Có sơ đồ khối nhƣ hình vẽ:
Hình 1.8: Hệ thống điêu khiển số
Các hệ thống truyền động cho hệ ổn định tần số
Để đáp ứng yêu cầu công nghệ trong việc điều chỉnh tần số của máy phát điện, đặc biệt là việc điều chỉnh bộ điều tốc, chúng ta cần nghiên cứu các hệ thống khác nhau nhằm lựa chọn các phương án truyền động phù hợp.
Hệ thống truyền động TĐ cho phép thiết kế đáp ứng yêu cầu truyền động ổn định tần số, hiện đang được ứng dụng trong công nghiệp Tuy nhiên, hệ thống này cũng gặp phải một số nhược điểm liên quan đến khả năng duy trì sự ổn định tần số.
1) Mặt điều khiển rất phức tap, thông thường hệ truyền động được ứng dụng cho công suất lớn (hệ trong hệ ổn định tần số công suất nhỏ)
2) Xung điện áp động cơ điện một chiều
Hệ thống này có nhiều ưu điểm vượt trội so với hệ thống truyền động truyền thống, nhưng cũng gặp một số nhược điểm khi phải đảm bảo yêu cầu truyền động ổn định tần số cho máy Diesel.
Bộ điều khiển vị trí
3) Hệ thống truyền động biến tần động cơ điện đồng bộ roto nam châm vĩnh cửu
Hệ thống này có nhiều ưu điểm, bao gồm thiết kế đảm bảo truyền động ổn định về tần số, cùng với việc dễ dàng mua sắm thiết bị vật tư và động cơ hoạt động an toàn, chắc chắn.
=> Với ba phương án ở trên thì phương án ba hợp lý nhất cho nên trong luận văn ta chọn phương án ba
CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐC ĐIỆN ĐB_KTVC ỨNG DỤNG CHO ĐIỀU CHỈNH ỔN ĐỊNH TẦN SỐ
CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐC ĐIỆN ĐB_KTVC ỨNG DỤNG CHO ĐIỀU CHỈNH ỔN ĐỊNH TẦN SỐ
Xây dựng mô hình toán học của động cơ ĐB_KTVC
Để biến đổi điện năng thành cơ năng thì động cơ điện đồng bộ là một trong những thiết bị điện đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
Hệ truyền động điều khiển tốc độ cho động cơ đồng bộ BAP hiện nay đang được áp dụng phổ biến với công suất từ vài trăm W đến hàng trăm MW.
Động cơ đồng bộ đóng vai trò quan trọng trong các hệ truyền động tự động, đặc biệt là ở giải công suất lớn và cực lớn Mặc dù ở công suất nhỏ và vừa, nó phải cạnh tranh với động cơ không đồng bộ và động cơ một chiều, nhưng ngày nay, động cơ đồng bộ công suất nhỏ đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi để thay thế Đặc biệt, máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử dụng nhiều trong các truyền động secvô nhỏ như động cơ trục chính và truyền động vị trí trong kỹ thuật robot Động cơ đồng bộ có nhiều ưu điểm, như khả năng làm việc với cosφ = 1, giúp nâng cao hệ số công suất và giảm tổn hao điện năng So với động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có hiệu suất cao hơn nhờ giảm tổn thất đồng và sắt, đồng thời dễ dàng trong việc làm mát Ngoài ra, động cơ này không cần vành trượt và chổi than, giúp đơn giản hóa quy trình chế tạo, giảm chi phí và nâng cao độ tin cậy Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu còn có khả năng hoạt động ở tốc độ rất thấp và rất cao, vượt trội hơn so với động cơ một chiều, đồng thời cho phép điều chỉnh tốc độ và mô men một cách dễ dàng.
Tiêu chuẩn thiết kế các động cơ servo đồng bộ dùng cho truyền động máy công cụ, tay máy và robot phải thỏa mãn các yêu cầu sau đây:
- Mật độ từ thong khe hở không khí cao
- Tỷ số “công suất/trọng lƣợng” cao (công suất lớn nhất có thể/khối lƣợng động cơ)
- Tỷ số “moment/quán tính” lớn (để đạt đƣợc gia tốc lớn)
- Moment đều (đập mạch moment nhỏ) ngay cả khi tốc độ rất thấp (để đạt đƣợc độ chính xác cao về vị trí)
- Có thể điều khiển đƣợc moment mở máy
- Tốc độ vận hành cao
- Có khả năng sinh moment lớn (thời gian tang tốc, giảm tốc ngắn)
- Hiệu suất cao và hệ số cosphi cao
Có thể thỏa mãn các yêu cầu này bằng sử dụng điều khỉển vector các máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (ĐCĐBNCVC) hoạt động dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay của cuộn stator và từ trường của nam châm vĩnh cửu trên rotor Khi số đôi cực của từ trường stator và rotor tương đương, chúng sẽ quay đồng bộ, tạo ra lực kéo điện từ và momen điện từ Động cơ khởi động dưới tác dụng của momen không đồng bộ do tương tác giữa từ trường rotor và dòng điện trong dây quấn stator Khi đạt tốc độ gần đồng bộ, rotor được kéo vào trạng thái đồng bộ nhờ từ trường quay của stator ĐCĐBNCVC có nhiều ưu điểm vượt trội so với động cơ phản kháng và động cơ đồng bộ từ trễ, bao gồm chỉ số năng lượng (cosφ, η) cao hơn, kích thước và trọng lượng nhỏ hơn với cùng công suất, cũng như khả năng quá tải và ổn định tần số quay tốt hơn.
Động học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Máy điện đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu có cấu trúc stator tương tự như ĐCKĐB, với hệ thống cuộn dây nhận nguồn điện ba pha Khi áp dụng điện áp xoay chiều ba pha lên cuộn dây stator, dòng stator được tạo ra, dẫn đến điện áp cảm ứng trên rotor và xuất hiện dòng rotor Dòng stator tạo ra từ thông, là nguyên nhân sinh ra mômen quay của máy điện Để xảy ra cảm ứng và tạo mômen, cần có sự trượt giữa chuyển động quay của rotor và vecto từ thông stator Tuy nhiên, máy điện đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu sử dụng nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt, giúp từ thông luôn tồn tại, loại bỏ nhu cầu trượt tốc độ và cho phép máy hoạt động hoàn toàn đồng bộ.
Mô hình động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đƣợc minh họa hình 2.1 và hình 2.2 dưới đây:
Hình 2.1 Mô hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực lồi
Cuộn dây pha V q u sv i sv u sv i sv
Cuộn dây pha V q u sv i sv u sw i sw
Hình 2.2 Mô hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực ẩn
Sự khác biệt chính giữa ĐCKĐB và ĐCĐB nằm ở phương thức sản sinh từ thông rotor Trong ĐCKĐB, từ thông rotor được tạo ra bởi dòng kích từ isd, một phần của dòng stator Ngược lại, từ thông rotor của ĐCĐB có thể được hình thành từ cuộn kích thích độc lập với cuộn dây stator hoặc từ các nam châm vĩnh cửu được bố trí trên bề mặt rotor Do đó, dòng điện stator trong ĐCĐB chỉ còn chứa dòng tạo moment quay i sv mà không có dòng kích từ i sv ĐCĐB sử dụng cuộn kích từ độc lập với cấu trúc cơ học đặc biệt, bao gồm loại kích thích bằng nam châm vĩnh cửu.
Mô hình động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông rotor luôn phân cực và hướng nhất quán, điều này phụ thuộc vào cấu trúc cơ học của máy điện Tính định hướng này giúp đơn giản hóa quá trình xây dựng mô hình điều khiển động cơ.
Nếu nhƣ ở ĐCKĐB ta phải tìm cách ƣớc lƣợng biên độ từ thông rotor thì ở ĐCĐB biên độ đó đã được biết trước
Trong hệ thống ĐCKĐB, việc tính toán góc pha của từ thông rotor là cần thiết để điều chỉnh điều khiển, trong khi ở ĐCĐB, góc pha ban đầu đã được xác định và có thể được theo dõi chính xác thông qua máy đo tốc độ quay rotor Các hình 2.1 và 2.2 cho thấy việc áp dụng các phương pháp điều chỉnh trên tọa độ dq một cách thuận lợi mà không cần quan tâm đến tọa độ α,β Hệ thống kích thích bằng nam châm vĩnh cửu có thể được thay thế bằng hệ thống kích thích cuộn và dòng kích tương ứng, cho phép tập trung vào loại ĐCĐB nam châm vĩnh cửu cực tròn và đầy đủ.
Phương trình của động cơ trong hệ tọa độ (a,b,c)
Sử dụng định luật Kirhoff 2, chúng ta có 3 phương trình vi phân Trường hợp riêng cho từng dây quấn stator, các phương trình cân bằng điện áp nhƣ sau:
Các từ thông ψ as, ψ bs, và ψ cs được xác định như sau: ψ as = Lasas i as + Lasbs i bs + Lascs i cs + ψ asm; ψ bs = Lbsas i as + Lbsbs i bs + Lbscs i cs + ψbsm; ψ cs = Lcsas i as + Lcsbs i bs + Lcscs i cs + ψcsm.
Viết dưới dạng ma trận như sau:
+ dt d dt d dt d cs bs as
Các dây quấn stator được bố trí lệch nhau 120 độ, tạo ra từ thông ψ asm, ψ bsm, và ψ csm nhờ vào nam châm vĩnh cửu Từ thông này có dạng hàm tuần hoàn theo góc dời rotor θr, giả định theo quy luật hình sin Biên độ từ thông ψ m do nam châm vĩnh cửu tạo ra được xác định bởi công thức: ψ asm = ψ m sin θr và ψ bsm = ψ m sin (θr - ).
Trong đó: θr: độ dời góc rotor ψ m: biên độ từ thông tạo ra bởi NCVC
Phương trình từ thông bs r m m as r m is as i
Viết vector từ thông dưới dạng ma trận: abcs = Lsiabcs + m 3
3 sin 2 sin i i i r r r cs bs as
Ma trận điện cảm stator L s nhƣ sau:
L r m m is r m m r m m r m m r m m is r m m r m m r m m r m m is s (2.11) Đối với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu rotor hình tròn vậy đường sức từ theo các trục d, q giống nhau, ta có: Rmq = Rmd
Ma trận L s trở thành m is m m m m is m m m m is s
L (2.12) và từ thông đƣợc diễn tả nhƣ sau: as is m as L m i cs m sin r
1 r m cs m bs m is as m bs (2.13)
1 r m cs m is bs m as m cs L i L i L L i hoặc là: abcs = Lsiabcs + m m is m m m m is m m m m is
3 sin 2 sin i i i r r r cs bs as
Từ đó ta có phương trình cân bằng điện áp dưới dạng vectơ như sau:
Uabcs = rsiabcs + di abcs /dt (2.15)
Uabcs = rsiabcs + Ls diabcs /dt + d m/dt Ở đây:
Bằng cách dùng ma trận đảo L s 1 biến đổi phương trình trên ta được: abcs s 1 s abcs s 1 m L s 1 U abcs dt
Phương trình động học của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Phương trình động học của động cơ điện đồng bộ 3pha trên tọa độ các
* Xây dựng vector không gian ĐCXCBP – Dù là ĐCKĐB hay ĐCĐB – đều có ba cuộn dây stator với dòng điện bap ha, bố trí không gian nhƣ hình vẽ:
Hình 2.3 Mô hình đơn giản của ĐCĐB ba pha
Khi sử dụng biến tần để điều khiển động cơ, ba dòng điện i su, isv và isw sẽ chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ, không phụ thuộc vào việc động cơ được đấu theo hình sao hay tam giác Đây là ba dòng điện đầu ra quan trọng của biến tần trong quá trình hoạt động của động cơ.
Ba dòng điện trong hệ thống thỏa mãn phương trình isu(t) + isv(t) + isw(t) = 0 Mỗi dòng điện pha được mô tả bởi các công thức: isu(t) = is|cos(wst), isv(t) = is|cos(wst + 120°), và isw(t) = is|cos(wst + 240°) Lý tưởng, ba cuộn dây của ĐCXCBP được đặt lệch nhau một góc 120°.
Trên mặt cắt ngang 120 độ, nếu thiết lập hệ trục tọa độ phức với trục thực đi qua cuộn dây u của động cơ, ta có thể tạo ra vector không gian is(t).
Pha U Pha V Pha W i sw i su i sv
Theo công thức (2.20), vector i-s(t) có modulus không đổi và quay trên mặt phẳng phức với tốc độ ωs, tạo với trục thực một góc γ = ωs(t) (trong đó fs là tần số của mạch Stator) Cách xây dựng vector is(t) được mô tả chi tiết như sau.
Hình 2.4 thiết lập các vector không gian từ các đại lượng pha
Các dòng điện pha được thể hiện qua hình chiếu của các vector trên trục cuộn dây tương ứng Tương tự, các đại lượng khác của động cơ như điện áp Stator, dòng Rotor và từ thông Stator hoặc Rotor cũng có thể được biểu diễn bằng các vector không gian Trong đó, trục thực được gọi là α và trục ảo là β Hình chiếu của vector dòng xuống hai trục này được ký hiệu là i sα và i sβ.
Hình 2.5 Biểu diễn dòng điện Stator dưới dạng vector không gian với các phần tử i sα và i sβ Thuộc hệ tọa độ Stator cố định
Hai dòng điện hình sin α và β có thể được hình dung như hai cuộn dây cố định, thay thế cho ba cuộn dây u, v, w trong động cơ điện Dựa vào công thức (2.18) và điều kiện điểm trung tính của ba cuộn dây Stator không nối đất, chỉ cần đo hai trong ba dòng điện Stator là đủ để thu thập thông tin đầy đủ về vector i s (t) cùng các thành phần trong công thức.
Công thức (2.19) chỉ áp dụng khi trục cuộn dây pha u được chọn làm trục quy chiếu chuẩn, như thể hiện trong hình 2.5 Việc này có vai trò quan trọng trong toàn bộ quá trình xây dựng hệ thống điều khiển điều chỉnh sau này, với mối quan hệ isα = isu và isβ.
Các vector điện áp Stator, dòng Rotor và từ thông Stator cùng với Rotor đều được thể hiện qua các phần tử trong hệ tọa độ Stator, bao gồm jβ và i sβ.
120 o i sw is = isα + j.isβ us = usα + j.usβ ir = i rα + j.i rβ (2.22) ψ r = ψrα + j.ψrβ ψ s = ψsα + j.ψsβ
* Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian
Mục đích của bài viết này là hướng dẫn cách quan sát các đại lượng vector trên hệ tọa độ Stator cố định, đồng thời chuyển đổi quan sát sang hệ tọa độ quay đồng bộ với từ thông Stator.
Xét hệ tọa độ tổng quát xy và hình dung có một hệ tọa độ khác x * y * có chung điểm gốc nằm lệch đi một góc * so với hệ xy
Quan sát một góc V bất kỳ ta thu đƣợc:
Trên hệ xy: V xy = c + jy (2.23)
Hình 2.6: Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V
Từ hình 2.6, ta có: x * = x cos * + ysin *
(2.25b) Thay (2.25a) và (2.25b) vào (2.23) và (2.24) ta đƣợc:
Một cách tổng quát ta thu đƣợc từ (2.27a) và (2.27b) công thức chuyển hệ tọa độ sau đây: V xy = V * e j * V * =V xy e j * (2.28)
Trong hệ tọa độ xy, x * y * được coi là cố định, nhưng thực tế, góc lệch pha giữa chúng có thể thay đổi, với tốc độ góc được xác định bởi d * /dt Khi góc này biến thiên, hệ tọa độ x * y * trở thành hệ tọa độ quay tròn, xoay quanh điểm gốc của hệ tọa độ xy với một tốc độ góc nhất định.
Khi quan sát động cơ điện xoay chiều không đồng bộ, ta thấy rằng nó quay với tốc độ góc d/dt, trong đó d là góc giữa trục Rotor và trục chuẩn qua cuộn dây pha u Vector dòng Stator is và vector từ thông Rotor r có độ lớn và góc pha ngẫu nhiên Đồng thời, vector từ thông cũng quay với tốc độ góc s = 2 fs d s/dt, trong đó fs là tần số của mạch điện Stator.
Sự chênh lệch giữa các tần số tạo ra dòng Rotor với tần số fs, được biểu diễn dưới dạng vector irquay với tốc độ góc s = 2 fs.
Hình 2.7: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ từ thông Rotor, còn gọi là hệ tọa độ dq jq j d s
Mô hình máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu (MĐĐB-KTVC) được xây dựng dựa trên giả thiết máy điện có kết cấu tròn đối xứng Các đại lượng xoay chiều ba pha được biểu diễn dưới dạng vector và chuyển sang hệ tọa độ từ thông dq, đồng thời là hệ tọa độ cố định trên Rotor Điều này cho phép xuất phát từ sơ đồ thay thế một pha, như được trình bày trong hình 2.8.
Hình 2.8: Sơ đồ thay thế của MĐĐB-KTVC
Từ sơ đồ thay thế ta viết được các phương trình sau:
- Phương trình điện áp Stator f s s t f d s s f s iω ψ dt i dψ R
Phương trình từ thông có thể được viết lại dưới dạng thành phần và sau một số lần biến đổi, ta thu được hệ phương trình liên quan đến các đại lượng như L, i và các ký hiệu khác Hệ phương trình này mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố trong hệ thống điện từ, giúp phân tích và tính toán hiệu suất hoạt động của các thiết bị.
Với phương trình từ thông: j p
L sdq R s sq sq sd p sd sd sd i ψ L ψ i ψ L
+ Lsd điện cảm Stator đo ở vị trí đỉnh cực
+ Lsq điện cảm Stator đo ở vị trí ngang cực
+ p từ thông cực (vĩnh cửu)
L hằng số thời gian Statorr tại vị trí đỉnh cực (trục d)
L hằng số thời gian Statorr tại vị trí đỉnh cực (trục q) Phương trình momen của MĐĐB-KTVC có dạng sau đây:
3zp[ sdisq + isdisq (Lsd - Lsq)] (2.33)
Khi chúng ta chọn động cơ ĐB_KTVC nếu là cực ẩn thì có L sd ≈ L sq vì vậy mô men của động cơ còn lại là:
KHẢO SÁT CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ MÁY PHÁT DIESEL 3.2 Các vấn đề điều khiển ổn định tần số
Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC)
Điều khiển định hướng theo từ trường, hay còn gọi là điều khiển vectơ, có khả năng đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh trong cả chế độ tĩnh và động Nguyên lý của điều khiển vectơ dựa trên việc điều khiển động cơ đồng bộ, tương tự như cách điều khiển động cơ một chiều.
Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển vectơ của hệ ổn định tần số máy sử
FT u S u S u Sd u Sq e S e S S i Sd u cđ ĐCVTKG a b c i Sa i Sc
Phương pháp điều khiển vectơ dựa trên định hướng từ thông rôto cho phép điều khiển độc lập giữa dòng stator và mômen động cơ, đáp ứng yêu cầu điều chỉnh hệ thống trong quá trình quá độ Kênh điều khiển mômen bao gồm mạch vòng điều chỉnh tốc độ và mạch vòng điều chỉnh dòng điện sinh mômen, trong khi kênh điều khiển từ thông chỉ cần một mạch vòng điều chỉnh dòng điện sinh từ thông Hệ thống truyền động điện động cơ đồng bộ có thể đạt được các đặc tính tĩnh và động cao, tương đương với động cơ một chiều Cấu trúc điều khiển vectơ theo từ thông rotor là một trong những cấu trúc hiện đại nhất cho hệ truyền động biến tần-động cơ xoay chiều Hệ thống bao gồm động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu và bô nghịch lưu, với các khối điều khiển như sensor đo dòng, máy đo tốc độ, và các khâu chuyển đổi dòng và điện áp, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Điều khiển trực tiếp mômen (DTC)
Điều khiển trực tiếp mô men cho động cơ đồng ba pha là phương pháp điều khiển mô men điện từ, trong đó tốc độ được điều chỉnh gián tiếp Phương pháp này dựa vào tác động trực tiếp của các vectơ điện áp lên vectơ từ thông của stator Thay đổi trạng thái của vectơ từ thông dẫn đến sự thay đổi mô men điện từ của động cơ Các vectơ điện áp được lựa chọn dựa trên sai lệch giữa từ thông stator và mô men điện từ với các giá trị đặt Tùy thuộc vào sai lệch này, một vectơ điện áp tối ưu được chọn để điều chỉnh các đại lượng về đúng với giá trị mong muốn Đây là phương pháp điều khiển đơn giản, ít phụ thuộc vào thông số động cơ, đồng thời đáp ứng nhanh và linh hoạt.
Trong hệ thống truyền động điện biến tần cho thang máy, việc sử dụng động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu là phổ biến Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men của động cơ đồng bộ được áp dụng, với sơ đồ khối minh họa như trong hình 3.2.
Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ biến tần động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu IPM, điều khiển trực tiếp mômen (DTC)
S cla,b,c S Nla,b,c Điều khiển chỉnh lưu PWM Điều khiển nghịch lưu ĐKNL ĐKCL
Thông số của hệ thống
Thông số động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu (PMSM) của
Công suất P = 4.5 kW Điện cảm Stator : Ls = 5,4 mH Điện trở Stator: Rs = 0,47
Tốc độ quay danh định: n_N = 3000 vong/phut
Tốc độ quay tối đa: n_max = 4500 vong/phut
3.2.2 Số liệu về biến tần 4Q
- Thông số nguồn vào khối chỉnh lưu: U = 220/380V, f = 50Hz;
- Phần một chiều của biến tần PWM: Udc = 650V, Idc = 15A
- Thông số đầu ra của biến tần: U max = 2U 2.220 311(V), f = (5 50) Hz
- Chọn IGBT là loại BUS622
Trong đó : M = 0.57 là tỷ số điều chế
V là sai lệch điện áp một chiều ( g V
