Báo cáo khoa học: "Giải pháp nâng cao hiệu quả và hiệu suất sử dụng hệ Biến tần - Động cơ không đồng bộ ba pha" pps

Điển hình nhất trong việc lãng phí ở trên mà chúng ta có thể khắc phục được là sử dụng động cơ không hợp lý, lựa chọn phương án điều khiển thích hợp, cài đặt chế độ điều khiển động cơ ph

Giải pháp nâng cao hiệu quả và hiệu suất sử dụng

hệ Biến tần - Động cơ không đồng bộ ba pha

TS trần văn thịnh

Khoa Điện - Điện tử – Trường ĐH Bách Khoa Hμ Nội

ThS vũ xuân hùng

Bộ môn Trang bị điện - Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bμi báo nμy trình bμy một số kết quả nghiên cứu, phân tích, đánh giá nhằm nâng

cao hiệu quả, hiệu suất sử dụng hệ biến tần - động cơ không đồng bộ ba pha

Summary: This paper presents some results of the research, analysis and evaluation to

improve effectiveness and efficiency of an inverter- induction motor system

i Đặt vấn đề

CT 2

Trong các xí nghiệp công nghiệp việc sử dụng động cơ điện để truyền chuyển động cho các máy sản xuất là phổ biến Khi lắp đặt một động cơ điện cho một chuyển động nào đó, chúng ta cần chú ý tới các thông số như là công suất, hiệu suất, cosϕ, mômen, phương pháp

điều chỉnh tốc độ v.v

Hiện nay việc sử dụng động cơ điện ở nhiều nơi còn nhiều lãng phí Chỉ cần khảo sát sơ qua một vài xí nghiệp chúng ta cũng có thể thấy ngay những bất hợp lý đó Những bất hợp lý có thể do lỗi chọn phương án thiết kế, động cơ thường xuyên chạy non tải, hoặc do lỗi vận hành không đúng chế độ v.v Điển hình nhất trong việc lãng phí ở trên mà chúng ta có thể khắc phục

được là sử dụng động cơ không hợp lý, lựa chọn phương án điều khiển thích hợp, cài đặt chế độ

điều khiển động cơ phù hợp với tính chất tải Động cơ điện khi sử dụng không hợp lý sẽ có hiệu suất, cosϕ thấp, máy làm việc ồn rung, chóng hỏng

Trong bài báo này chúng tôi sẽ trình bày một số kết quả nghiên cứu, phân tích, đánh giá nhằm khắc phục các nhược điểm trên và nâng cao hiệu quả, hiệu suất hệ biến tần - động cơ không đồng bộ ba pha (ĐC KĐB)

ii Giải pháp nâng cao chất lượng vμ hiệu quả sử dụng hệ Biến tần - ĐC KĐB

ba pha

- Khi ĐC KĐB làm việc với biến tần, do điện áp không hình sin làm tăng tổn hao phụ trong

động cơ - tổn hao bề mặt và tổn hao đập mạch, biến tần sẽ phát ra sóng tần số cao làm ảnh hưởng đến các thiết bị điện khác Ngoài thành phần mômen do sóng cơ bản sinh ra còn có các mômen đập mạch do sóng hài bậc cao sinh ra làm cho tốc độ động cơ bị dao động, động cơ

phát ra tiếng ồn lớn Vì vậy ta cần phải tìm cách nâng cao chất lượng điện áp đầu ra của biến

tần: Tăng tần số sóng mang fc lên thì điện áp sẽ gần hình sin hơn, tuy nhiên giá trị fc bị giới hạn

bởi khả năng đóng cắt của van bán dẫn, của vi mạch điều khiển và chỉ có thể vận hành trong

giá trị cho phép của nhà sản xuất (ví dụ biến tần Micromaster 420 của Siemens fc ≤ 16 kHz) Sử

dụng kết hợp với bộ lọc sóng hài bậc cao, tuy giải pháp này đơn giản, hiệu quả nhưng làm tăng

giá thành của thiết bị biến tần và cồng kềnh

- Sử dụng phương

pháp điều chế xung tối ưu

để giảm tổn thất năng lượng

trong quá trình đóng cắt

van bán dẫn, lựa chọn

phương pháp điều chế thích

hợp để tận dụng tối đa công

suất nguồn một chiều Ví dụ

phương pháp PWM 60o: Để giảm tổn hao đóng cắt của van bán dẫn, người ta đã san phẳng

đỉnh sóng điều biến trong khoảng từ 600 đến 1200 và từ 2400 đến 3000 (trong một chu kỳ tính

theo độ điện) [7] Nhờ đó, các van bán dẫn công suất được giữ nguyên trạng thái của nó trong

1/3 chu kỳ, kết quả là hạn chế được tổn thất năng lượng do chuyển mạch gây ra

L

C

1

2

3

4

1

2

3

4

Hình 1 a) Bộ lọc thông thấp LC; b) Bộ lọc cộng hưởng

CT 2

hàng trăm kHz, triệt tiêu được ảnh hưởng của nhiễu điện từ

khiể

ề lưới khi động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh, thì ta

có th

- Thực hiện chuyển mạch mềm, chuyển mạch cộng hưởng [10]: Người ta tạo ra mạch cộng

hưởng có điều khiển, sao cho khi chuyển mạch điện áp trên van bằng không (gọi là chuyển

mạch ZVS - Zero Voltage Switching) hoặc dòng điện qua van bằng không (gọi là chuyển mạch

ZCS - Zero Current Switching) Như vậy chuyển mạch cộng hưởng, chuyển mạch mềm đã giảm

được tổn hao khi đóng cắt, giảm được các ứng suất do chuyển mạch gây ra (tốc độ biến thiên

điện áp du/dt, tốc độ biến thiên dòng điện di/dt), cho phép làm việc với tần số đóng cắt cao đến

- Tận dụng năng lượng trong chế độ hãm tái sinh để tr

L dc

ả về lưới, bằng cách phối hợp điều

n cả phần chỉnh lưu và nghịch lưu:

Để tận dụng được năng lượng trả v

ể sử dụng sơ đồ hình 3 Tuy nhiên sơ đồ này khá phức tạp làm tăng giá thành thiết bị cả

phần mạch động lực và mạch điều khiển (phải dùng 2 DSP thông thường hoặc một DSP kép có

AC/DC

AC

D3

T4

D4 T6

DC/AC

Cr Lr

T r1

T dc

Mạch cộng hưởng

Hình 2 Nghịch lưu chuyển mạch mềm

CT 2

hãm tái sinh của biến tần bằng cách sử dụng chỉnh lưu transistor cho phép

- Đối với hệ biến tần PWM thì khi vận hành ta cần phải lựa chọn luật điều khiển U/fx v cài

đặt t

boost Ub, tqđ = 0.6 sec, flv = 50 Hz Dòng được giới hạn t

Trường hợp Uboost quá bé, với tải có tính thế năng thì vùng động cơ bị quay ngược sẽ tăng, tổn h

chức năng như 2 DSP thông thường) nên thường chỉ thấy trong các thiết bị công nghiệp có công suất lớn, hay tầu điện

Nghiên cứu chế độ tạo ra được hệ truyền động có đặc tính động rất tốt, có hiệu suất biến đổi năng lượng cao, cải thiện đáng kể hình dáng của dòng điện lưới Trong nhiều trường hợp khác, việc phối hợp làm việc giữa chỉnh lưu và nghịch lưu còn giúp giảm đáng kể dung lượng của tụ lọc trong mạch một chiều, điều này cho phép chế tạo các bộ biến tần hoặc có kích thước và khối lượng nhỏ, hoặc sử dụng các tụ dầu có tuổi thọ và độ an toàn làm việc cao

T42

D52

T41

D51

D11

C

Hình 3 Hệ biến tần - ĐCKĐB có khả năng trả năng lượng về lưới khi hãm tái sinh

ĐC KĐB

ham số phù hợp với đặc tính tải [3] Bởi vì luật điều khiển U/fx liên quan tới thời gian khởi

động của động cơ, liên quan tới khả năng hạn chế dòng điện khởi động, liên quan tới tổn thất năng lượng trong quá trình động, thậm chí nếu không cài đặt thích hợp động cơ có thể không khởi động được Dưới đây là một số kết quả khảo sát ĐC KĐB 14 kW dãy 3K160M4 kéo tải có mômen Mt = const, để minh chứng cho nhận định trên:

+ Trường hợp đặc tính U/f thích hợp: U = 5%

rong phạm vi cho phép, tốc độ tăng đều, tổn thất năng lượng không quá lớn

Hình 4

a) Dòng điện, mômen, tốc độ b) Tổn hao đồng

ao năng lượng trong quá trình động tăng Trường hợp tqd quá bé hoặc Uboost quá lớn, dòng khởi động sẽ lớn, tổn hao đồng tăng trong quá trình động, mômen dao động mạnh Ví dụ

tqđ = 0.4 sec, Uboost = 20%Ub (cài đặt giá trị này quá lớn), flv = 50 Hz:

Hình 5.

a) Dòng điện, mômen, tốc độ b) Tổn hao đồng

- Điều khiển tối ưu mômen quay: Ta phải tận dụng tối đa khả năng của động cơ và thiết bị

biến tần để tạo ra mômen quay với dòng điện bé nhất hoặc tạo ra mômen quay tối đa khi dòng

điện và điện áp bị giới hạn Để thực hiện giải pháp tối ưu mômen quay, hiện nay có các biến tần

làm việc theo nguyên lý điều khiển trực tiếp mômen (DTC: Direct Torque Control) tựa theo từ

thông stato, điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto Tuy nhiên để thực hiện việc điều khiển tối

ưu mômen quay thì cần phải sử dụng chip DSP có độ chính xác cao, tốc độ tính toán nhanh và

thuật toán điều khiển cũng phức tạp hơn so với biến tần PWM điều khiển theo luật U/fx, do đó

giá thành của thiết bị biến tần này khá cao, thường chỉ sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt

Trên hình 6 là đặc tính mômen và tốc độ của hệ điều khiển vectơ biến tần - ĐC KĐB trong tựa

theo tọa độ từ thông rôto, có nhận dạng hằng số thời gian trong quá trình động

CT 2

Hình 6 Kết quả mô phỏng điều khiển mômen quay trên cơ sở áp đặt nhanh

dòng điện stato trong hệ điều khiển vec tơ FOC

iii Điều khiển tối ưu năng lượng hệ biến tần điều khiển vectơ - ĐC KĐB

Khi thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện xoay chiều, vấn đề vận hành tối ưu về

phương diện năng lượng được giữ một vai trò quan trọng Tổn hao làm lãng phí năng lượng và

tăng nhiệt độ động cơ buộc nhà thiết kế phải có những giải pháp hữu ích Các thiết bị điện tử

công suất hiện đại có thể đạt được hiệu suất tới 98%, động cơ có công suất trung bình và lớn có

thể đạt tới 95% tại điểm làm việc danh định Ngược lai, ở chế độ non tải hiệu suất có thể giảm

đáng kể

Một vấn đề nảy sinh khi xét hiện tượng thiết bị điều khiển chịu các giới hạn về dòng và áp Khi đó, việc điều khiển các biến trạng thái (từ thông rotor, dòng điện stator) phải được thực hiện sao cho luôn luôn tận dụng được thiết bị truyền động, tận dụng động cơ một cách tối đa

Phương pháp điều khiển tựa từ thông rôto cho ta một công cụ mạnh: bằng cách áp đặt chính xác hai thành phần dòng tạo từ thông và tạo mômen quay, ta có thể điều khiển cách ly hai

đại lượng này Với mômen là một đại lượng độc lập phụ thuộc vào tải, nên công cụ còn lại để

điều khiển tối ưu là từ thông rôto

Mục đích điều khiển tối ưu là sử dụng tối đa động cơ theo các điều kiện cụ thể Nghĩa là: hoặc để sinh mômen quay với dòng điện stator bé nhất, hoặc là sinh ra mômen tối đa với dòng

điện giới hạn Việc này nếu thành công thì tối ưu mômen ta thu được dòng điện nhỏ nhất, hay nói cách khác có hiệu suất tốt nhất

- Nguyên tắc điều khiển tối ưu hiệu suất:

Có hai phương án điều khiển tối ưu hiệu suất:

+ Phương án 1: Dò tìm điểm cực tiểu tổn thất năng lượng

Từ biểu thức tính công suất điện cấp cho động cơ ở chế độ xác lập:

P1 =

2

3

Re(us.i*S) =

2

3

2

3 ) ji i ).(

ju u ( Sd + Sq Sd ư Sq = SdSd+ SqSq (1) hoặc:

P1 = pcu + pfe + Pcơ = [Rsi2sd (Rs (1 )Rr)i2sq (1 ) Lsisdisq]

2

3 + + ưσ + ưσω (2)

r s

2 m

L L

L

1 ư

= σ

CT 2

Dùng thuật toán dò tìm chiều biến thiên từ thông rôto thích hợp, để tìm giá trị cực tiểu công suất điện cấp cho động cơ (tính theo biểu thức trên hoặc đo trực tuyến) tức là tổn hao công suất

đạt giá trị cực tiểu

+ Phương án 2: Cân bằng hai thμnh phần tổn hao phụ thuộc vμo từ thông vμ mômen

Công thức tính các loại tổn hao năng lượng:

pcu= [Rsi2sd (Rs (1 )Rr)i2sq] (3)

2

pfe=

fe

2 sd m s fe

2 s

R

) i L ( 2

3 R

) ( 2

≈ ψ

ω μ

(4)

trong đó: Rfe≈

sN

s feN

R ω

ω

Ngoài ra còn có tổn hao phụ, tổn hao phụ thường được tính gần đúng bằng kz.pcu, với

kz ≈ 0,3

Biểu thức tính tổng tổn hao năng lượng trong ĐC KĐB:

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

σ

ư + +

+

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

ω ω + +

= + +

=

sq r s

z 2

sd s feN

2 m sN s z fe

cu

R

L R

) k 1 ( 2

3 p p ) k 1 (

) i ( f p ), i ( f p

; p p i

b i

a

p 2 2sq 1 2 1 sd 2 sq

=

Δ (6)

Với giả thiết mômen quay không đổi ở chế độ xác lập: M ∼ isdisq = const ta thu được điều

kiện để công suất tổn hao bé nhất là: Δp1=Δp2, tức là thành phần tổn hao phụ thuộc vào dòng

tạo từ thông và thành phần tổn hao phụ thuộc vào dòng tạo mômen phải bằng nhau

Để thực hiện phương án này, ta tính toán trực tuyến (on - line) hai thành phần tổn hao trên,

so sánh chúng với nhau và dùng một khâu điều chỉnh PI để điều chỉnh modul từ thông rôto sao

cho hai thành phần tổn hao đó cân bằng với nhau (hình 7), khi đó tổn hao năng lượng là nhỏ

nhất [3, 9]

Hình 7 Điều khiển từ thông rôto để cân bằng hai thμnh phần tổn thất năng lượng

Rr, Rs

ψ* r

isq

ψμ

isd, ωs

Rs Rfe

1

p

Δ (isd)

2

p

Δ (isq)

PI

iv Những khuyến cáo khi lựa chọn phương án truyền động điện

CT 2

Bài toán khó đối với các nhà sản xuất là chọn cách đầu tư như thế nào cho hợp lý Khi đó

đối với một hệ thống truyền động điện, cần chọn giữa việc sử dụng động cơ không điều khiển

với động cơ có điều khiển Trong các phương pháp điều khiển thì chọn phương pháp nào Trên

quan điểm về chất lượng làm việc của hệ thống truyền động điện và tiết kiệm năng năng lượng

chúng tôi khuyến cáo:

- Đối với những loại tải có động cơ làm việc hết công suất và không cần điều chỉnh tốc độ

hay một thông số nào đó, thì nên chọn động cơ điện không đồng bộ không điều khiển Bởi vì

phương án này vốn đầu tư thấp và vận hành đơn giản

- Đối với những loại tải chỉ cần điều khiển trong quá trình khởi động và hãm động cơ (trường

hợp này thường gặp đối với động cơ công suất lớn), nên chọn điều khiển bằng các bộ khởi động

mềm bán dẫn

- Đối với những loại tải cần điều khiển quá trình khởi động, hãm và có điều chỉnh tốc độ có

thể chọn phương án điều khiển là động cơ điện một chiều và xoay chiều Nếu dùng động cơ

điện xoay chiều thì có thể điều khiển bằng ly hợp điện từ và điều khiển bằng biến tần Trong các

phương pháp điều khiển đó thì sử dụng biến tần có nhiều ưu điểm hơn với các lý do sau:

+ Khi điều khiển bằng biến tần chúng ta có thể điều khiển tối ưu hiệu suất được nên

tổn hao năng lượng thấp hơn, từ đó có giá thμnh chi phí năng lượng điện cho một đơn vị sản

phẩm thấp hơn

+ Khi điều khiển bằng biến tần chúng ta có hệ số công suất cos ϕ của lưới cao hơn Hệ

số công suất cos ϕ khi điều khiển bằng biến tần gần như không thay đổi khi điều chỉnh tần số

- Đối với những loại tải mà động cơ điện thường cho làm việc non tải thì việc sử dụng biến tần để

điều khiển là phương án tối ưu hơn cả

Đối với các nhà đầu tư nếu chọn chất lượng sản phẩm và tiết kiệm năng lượng là hàng đầu thì chọn biến tần điều khiển động cơ là tối ưu hơn cả

Tài liệu tham khảo

[1] Vũ Xuân Hùng, Trần Văn Thịnh; Phương pháp tổng hợp và mô phỏng hệ Biến tần điều khiển vectơ - Nhận dạng hằng số thời gian rôto; Tạp chí Khoa học GTVT, 3/2005

[2] Vũ Xuân Hùng, Trần Văn Thịnh, Hồ Mạnh Tiến; Điều khiển trực tiếp từ thông stato và mô men của ĐC

KĐB sử dụng kỹ thuật điều chế SVM; Tạp chí KH GTVT, 11/2005

[3] Vũ Xuân Hùng; Tính toán tổn thất năng lượng trong quá trình động của động cơ không đồng bộ khi

được cấp điện từ biến tần PWM, Tạp chí Khoa học GTVT, 11/2003

[4] Tài liệu kỹ thuật về biến tần 3G3MV của Omron; Biến tần Micromaster 420, Siemens

[5] N.R.N Idris, A.H.M Yatim; DTC of Induction Machines with Constant Switching Frequency and

Reduced Torque Ripple; IEEE Transactions on IE; Volume 51, No 4, August 2004

[6] Domenico Casadei, others; FOC and DTC: Two Viable Schemes for Induction Motors Torque Control;

IEEE Press; 2002

[7] Richard Valentine, Motor Control Electronics Handbook, McGraw-Hill, 1998

[8] J Vithayathil, Power Electronics - Principles &Applications, McGraw-Hill,Inc, 1996

[9] Ng Ph Quang, A Dittrich, Truyền động điện thông minh, Nhà xuất bản KHKT, 2002

[10] Lê Văn Doanh, Trần Văn Thịnh; Điện tử công suất, Nhà xuất bản KHKT, 2005Ă

CT 2