ứng dụng của biến tần trong việc điều khiển trạm bơm nhà máy nước nàng mau huyện vị thủy tỉnh hậu giang

Tuy nhiên, trong những năm gần ñây với sự phát triển của các bộ truyền ñộng có tần số thay ñổi biến tần làm việc với các linh kiện bán dẫn ñiện tử công suất, ñộng cơ không ñồng bộ ñã ñượ

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

KHOA CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ðẠI HỌC

ỨNG DỤNG CỦA BIẾN TẦN TRONG

VIỆC ðIỀU KHIỂN TRẠM BƠM NHÀ MÁY NƯỚC NÀNG MAU HUYỆN VỊ

THỦY TỈNH HẬU GIANG

Ngành: Kỹ Thuật ðiện – K30

Mã số SV: 1041113 Cần Thơ 12/2008

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

BỘ MÔN KỸ THUẬT ðIỆN -0O0 -

Cần Thơ, ngày 08 tháng 12 năm 2008

PHIẾU ðỀ NGHỊ ðỀ TÀI TỐT NGHIỆP CỦA SINH VIÊN

4 Họ và tên cán bộ hướng dẫn: Th.s ðoàn Phú Cường

5 Mục ñích của ñề tài: Tìm hiểu và khảo sát ứng dụng của biến tần trong việc ñiều khiển trạm bơm

6 Các nội dung chính của ñề tài

Chương 0: GIỚI THIỆU

Chương I: CÁC VẤN ðỀ CƠ BẢN CỦA ðỘNG CƠ ðIỆN

Chương II: THIẾT BỊ BIẾN TẦN

Chương III: ðIỀU KHIỂN TẦN SỐ ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ

Chương IV: THIẾT BỊ ðÓNG CẮT, ðIỀU KHIỂN, BẢO VỆ MẠCH ðIỆN VÀ CẢM BIẾN ðO ÁP SUẤT CHẤT LƯU

Chương V: TRANG BỊ ðIỆN TRẠM BƠM NHÀ MÁY NƯỚC NÀNG MAU HUYỆN VỊ THỦY – TỈNH HẬU GIANG

Chương VI: KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ

7 Các yêu cầu hỗ trợ: Thực tập tại Nhà máy nước Nàng Mau

8 Kinh phí dự trù cho việc thực hiện ñề tài: 500.000ñ ( Năm trăm nghìn ñồng)

Ý kiến của CBHD Sinh viên ñề nghị Th.s ðoàn Phú Cường Nguyễn Nhựt Tiến

Ý kiến của Bộ Môn HỘI ðỒNG XÉT TỐT NGHIỆP

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Sau 12 tuần thực hiện ñề tài luận văn tốt nghiệp, ñến nay luận văn ñã ñược hoàn thành Có ñược kết quả ngày hôm nay, ngoài sự phấn ñấu của bản thân, tôi nhận ñược sự ñộng viên của gia ñình và bạn bè

Qua ñó, tôi xin chân thành cảm ơn Quí thầy cô bộ môn Kỹ thuật ðiện ñã tạo ñiều kiện thật tốt cho tôi thực hiện luận văn này Tôi xin chân thành cảm ơn sự tận tình hướng dẫn của thầy ðoàn Phú Cường trong thời gian vừa qua

Chân thành cảm ơn tập thể cán bộ kỹ thuật của Nhà máy nước Nàng Mau huyện Vị Thủy – Tỉnh Hậu Giang ñã hướng dẫn và tạo ñiều kiện cho tôi trong quá trình thực tập tại công ty

Cần Thơ, ngày 08 tháng 12 năm 2008

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Nhựt Tiến

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

CHƯƠNG 0 GIỚI THIỆU

0.1 Nội dung ñề tài luận văn:

Tìm hiểu và khảo sát ứng dụng của biến tần trong việc ñiều khiển tự ñộng trạm bơm Nhà máy nước Nàng Mau – Huyện Vị Thủy – Tỉnh Hậu Giang và những lợi ích cũng như hiệu quả tiết kiệm ñiện năng khi sử dụng biến tần

0.2 Phương pháp thực hiện:

Tham khảo tài liệu, các ñề tài nghiên cứu khoa học

Tìm hiểu nguyên lý hoạt ñộng của biến tần trong việc ñiều khiển trạm bơm Nhà máy nước Nàng Mau thông qua sơ ñồ ñiều khiển và sự vận hành của nó trong thực tế

0.3 Thời gian và ñịa ñiểm thực hiện:

Thời gian: 5/9 ñến 10/12/2008

ðịa ñiểm: Bộ môn Kỹ Thuật ðiện - Khoa Công Nghệ - Trường ðại Học Cần Thơ

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

CHƯƠNG I CÁC VẤN ðỀ CƠ BẢN CỦA ðỘNG CƠ ðIỆN 1.1 Khái niệm:

ðộng cơ ñiện là thiết bị ñiện từ, làm việc dựa vào hiện tượng cảm ứng ñiện

từ Về cấu tạo gồm mạch từ (lõi thép) và mạch ñiện (các dây quấn), dùng ñể biến ñổi ñiện năng thành cơ năng, hoặc dùng ñể biến ñổi thông số ñiện năng như biến ñổi ñiện áp, dòng ñiện, tần số, số pha… là loại ñộng cơ chủ yếu ñược dùng trong công nghiệp, giao thông vận tải và dân dụng

Ngày nay, ñộng cơ ñiện ñược dùng trong hầu hết mọi lĩnh vực, từ các ñộng

cơ nhỏ dùng trong lò vi sóng ñể chuyển ñộng ñĩa quay, hay trong các máy ñọc ñĩa (máy chơi CD hay DVD), ñến các ñồ nghề như máy khoan, hay các máy gia dụng như máy giặt, sự hoạt ñộng của thang máy hay các hệ thống thông gió cũng dựa vào ñộng cơ ñiện Ở nhiều nước, ñộng cơ ñiện ñược dùng trong các phương tiện vận chuyển, ñặt biệt trong các ñầu máy xe lửa Trong công nghệ máy tính, ñộng cơ ñiện ñược sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang (chúng là các ñộng cơ bước rất nhỏ)

1.2 Phân loại:

ðộng cơ ñiện có nhiều loại và có nhiều cách phân loại khác nhau, có thể phân loại theo công suất, theo cấu tạo, theo chức năng, theo loại dòng ñiện (xoay chiều, một chiều), theo nguyên lý làm việc…Ta có thể phân loại như sau:

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứuHình 1.1 Sơ ñồ phân loại các ñộng cơ ñiện cơ bản thường gặp

1.3 ðộng cơ ñiện xoay chiều:

1.3.1 Khái niệm chung:

ðộng cơ ñiện xoay chiều là ñộng cơ ñiện hoạt ñộng với dòng ñiện xoay chiều

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Stator như hình 1.2a gồm các cuộn dây của ba pha ñiện quấn trên các lõi sắt

bố trí trên một vành tròn ñể tạo ra từ trường quay

Hình 1.2 Stator và rotor của ñộng cơ ñiện xoay chiều

1.3.4 Nguyên lý làm việc của ñộng cơ ñiện xoay chiều:

Khi mắc ñộng cơ vào mạng ñiện xoay chiều, từ trường quay do stator gây ra làm cho rotor quay trên trục Chuyển ñộng quay của rotor ñược trục máy truyền ra ngoài và ñược sử dụng ñể vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển ñộng

khác

1.4 ðộng cơ ñiện không ñồng bộ:

1.4.1 Khái niệm chung:

ðộng cơ ñiện không ñồng bộ là loại ñộng cơ ñiện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng ñiện từ, có tốc ñộ quay của rotor n (tốc ñộ của ñộng cơ) khác với tốc ñộ quay của từ trường n1

ðộng cơ ñiện không ñồng bộ có hai dây quấn: dây quấn stator (sơ cấp) nối với lưới ñiện tần số không ñổi f, dây quấn rotor (thứ cấp) ñược nối tắt lại hoại khép kín qua ñiện trở Dòng ñiện trong dây quấn rotor ñược sinh ra nhờ sức ñiện ñộng cảm ứng có tần số f2 phụ thuộc vào tốc ñộ rotor nghĩa là phụ thuộc vào tải ở trên trục ñộng cơ

ðộng cơ ñiện không ñồng bộ so với các loại ñộng cơ khác có cấu tạo và vận hành không phức tạp nên ñược sử dụng phổ biến trong công nghiệp làm nguồn ñộng lực kéo tải làm việc ở tốc ñộ gần như không thay ñổi, ở ñộ trượt thấp, hiệu suất ñộng cơ khá cao Trước ñây, ñộng cơ không ñồng bộ ít ñược dùng ở những lĩnh vực

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

ñòi hỏi thay ñổi tốc ñộ trong phạm vi rộng hoặc cần ñiều khiển chính xác tốc ñộ Tuy nhiên, trong những năm gần ñây với sự phát triển của các bộ truyền ñộng có tần số thay ñổi (biến tần) làm việc với các linh kiện bán dẫn ñiện tử công suất, ñộng

cơ không ñồng bộ ñã ñược dùng vào những lĩnh vực mà trước ñây phải sử dụng ñộng cơ ñiện một chiều là chủ yếu Nhờ vào ñặc tính ñơn giản, làm việc tin cậy, giá

rẻ nên ñộng cơ không ñồng bộ ngày càng sử dụng rộng rãi hơn, kể cả các lĩnh vực giao thông (xe hơi ñiện, xe lửa ñiện) và trong các quá trình công nghệ khác

1.4.2 Cấu tạo:

Cấu tạo của ñộng cơ ñiện không ñồng bộ như hình 1.3 gồm hai bộ phận chủ yếu stator và rotor, ngòai ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy Trục làm bằng thép, trên ñó gắn rotor, ổ bi và phía cuối trục có gắn một quạt gió ñể làm mát máy dọc trục

Hình 1.3 Cấu tạo của ñộng cơ ñiện không ñồng bộ

1 Lõi thép stator; 2 Dây quấn stator; 3 Nắp máy; 4 Ổ bi; 5 Trục máy;

6 Hộp ñầu cực; 7 Lõi thép rotor; 8 Thân máy; 9 Quạt gió làm mát; 10 Hộp quạt

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

b Dây quấn:

Dây quấn stator làm bằng dây dẫn bọc cách ñiện (dây ñiện từ) ñược ñặt trong các rãnh của lõi thép Dòng ñiện xoay chiều ba pha chạy trong ba dây quấn stator sẽ tạo ra từ trường quay

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

ñúc nhôm vào các rãnh lõi thép rotor tạo thành thanh nhôm, hai ñầu ñúc vòng ngắn mạch và cánh quạt làm mát như hình 1.5b

Hình 1.5 Rotor lồng sóc + Rotor dây quấn, trong rãnh lõi thép rotor ñặt dây quấn ba pha Dây quấn rotor thường nối sao, ba ñầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng ñồng, cố ñịnh trên trục rotor và ñược cách ñiện với trục như hình 1.6 Nhờ ba chổi than tỳ sát vào ba vòng tiếp xúc, dây quấn rotor ñược nối với ba biến trở bên ngoài, ñể mở máy hay ñiều chỉnh tốc ñộ

Hình 1.6 Rotor dây quấn ðộng cơ lồng sóc là loại rất phổ biến, ñộng cơ rotor dây quấn có ưu ñiểm về

mở máy và ñiều chỉnh tốc ñộ song giá thành ñắt và vận hành kém tin cậy hơn ñộng

cơ lồng sóc nên chỉ ñược dùng khi ñộng cơ lồng sóc không ñáp ứng ñược các yêu cầu về truyền ñộng

1.4.3 Nguyên lý làm việc của ñộng cơ ñiện không ñồng bộ:

Khi ta cho dòng ñiện ba pha tần số f vào ba dây quấn stator, sẽ tạo ra từ trường quay p ñôi cực, quay với tốc ñộ là

p

60f

n1= Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor, cảm ứng các sức ñiện ñộng Vì dây quấn rotor nối ngắn mạch, nên sức ñiện ñộng cảm ứng sẽ sinh ra dòng ñiện trong các thanh dẫn rotor Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng ñiện rotor, kéo rotor quay cùng chiều quay từ trường với tốc ñộ n

ðể minh họa trên hình 1.7 vẽ từ trường quay tốc ñộ n1, chiều sức ñiện ñộng

và dòng ñiện cảm ứng trong thanh dẫn rotor, chiều các lực ñiện từ Fñt

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Khi xác ñịnh chiều sức ñiện ñộng cảm ứng theo quy tắc bàn tay phải, ta căn

cứ vào chiều chuyển ñộng tương ñối của thanh dẫn ñối với từ trường Nếu coi từ trường ñứng yên, thì chiều chuyển ñộng tương ñối của thanh dẫn ngược với chiều

n1, từ ñó áp dụng quy tắc bàn tay phải, xác ñịnh chiều sức ñiện ñộng như hình vẽ

Chiều lực ñiện từ xác ñịnh theo quy tắc bàn tay trái, trùng với chiều quay n1 Tốc ñộ n của máy nhỏ hơn tốc ñộ từ trường quay n1, vì nếu tốc ñộ bằng nhau thì không có sự chuyển ñộng tương ñối trong dây quấn rotor không có sức ñiện ñộng và dòng ñiện cảm ứng, lực ñiện từ bằng không

Hình 1.7 Chiều sức ñiện ñộng và dòng ñiện cảm ứng trong thanh dẫn rotor

1.4.4 ðặc tính của ñộng cơ ñiện không ñồng bộ:

1.4.4.1 Tốc ñộ của ñộng cơ:

Tốc ñộ quay của rotor của ñộng cơ cảm ứng phụ thuộc vào tốc ñộ ñồng bộ và tải trên trục ñộng cơ Rotor không quay ở tốc ñộ ñồng bộ mà có xu hướng trượt lại phía sau Hệ số trượt khi ñầy tải khoảng 5% Khi chạy ở tốc ñộ không tải, hệ số trượt khoảng 1%

Tốc ñộ của ñộng cơ cảm ứng ñược tính bằng công thức sau:

p: số cực của stator

s: hệ số trượt (%) Với ñộng cơ ñiện không ñồng bộ rotor lồng sóc có thể ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ bằng cách thay ñổi tần số dòng ñiện stator, bằng cách thay ñổi nối dây quấn stator ñể thay ñổi số ñôi cực p của từ trường, hoặc thay ñổi hệ số trượt s Tất cả các phương pháp ñều thực hiện ở phía stator ðối với ñộng cơ rotor dây quấn thường ñiều chỉnh tốc ñộ bằng cách thay ñổi ñiện trở rotor ñể thay ñổi hệ số trượt s, việc ñiều chỉnh thực hiện ở phía rotor

1.4.4.2 Hệ số trượt:

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

ðộ chênh lệch giữa tốc ñộ từ trường quay và tốc ñộ của rotor gọi là tốc ñộ trượt n2: n2 = n1 – n

Trong ñó, n1: tốc ñộ từ trường quay n: tốc ñộ của rotor

Hệ số trượt của tốc ñộ là:

1

1 1

2

n

n n n

n

Khi rotor ñứng yên (n = 0), hệ số trượt s = 1 Khi rotor quay ñịnh mức thường thì s = 0.02 ÷ 0.06

1.4.4.3 Moment quay của ñộng cơ không ñồng bộ ba pha:

Moment do ñộng cơ cảm ứng sinh ra thay ñổi theo ñộ lớn từ trường stator và

từ trường rotor Góc lệch pha giữa hai từ trường này cũng ảnh hưởng ñến moment

Khi cấp ñiện ba pha cho stator, rotor vẫn ñứng yên Dòng ñiện ba pha tạo ra

từ trường quay trong stator Tại thời ñiểm này, hệ số trượt là 100% và từ trường stator cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor ở tốc ñộ lớn nhất ðiện áp cảm ứng trong rotor là cực ñại và tần số bằng tần số stator Trong trường hợp này, cảm kháng của rotor rất lớn so với ñiện trở của rotor Vì vậy, dòng ñiện rotor trễ pha so với ñiện áp một góc khá lớn ðiện áp và dòng ñiện stator cũng có sự lệch pha kết quả dẫn tới dòng ñiện rotor trễ pha so với dòng ñiện stator một góc khá lớn Từ trường

do các dòng ñiện này sinh ra cũng lệch pha một góc khá lớn kết quả là moment sinh

ra nhỏ

Khi rotor bắt ñầu quay, hệ số trượt giảm và từ trường stator cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor với tốc ñộ giảm ðiều này làm cho ñiện áp và tần số của rotor giảm Hơn nữa, khi tốc ñộ của rotor tăng thì tần số và ñiện áp của rotor giảm Nếu tốc ñộ rotor tăng ñến gần tốc ñộ ñồng bộ thì sẽ không có ñiện áp cảm ứng, dòng ñiện rotor và sẽ không có moment sinh ra

Khi tần số rotor giảm, cảm kháng của rotor cũng giảm kết quả là góc lệch pha giữa dòng ñiện stator và rotor giảm Hai từ trường này sẽ gần nhau hơn, lực hút giữa hai từ trường tăng và moment sinh ra lớn

Khi ñộng cơ mang tải, tốc ñộ của rotor giảm cho ñến khi sức ñiện ñộng cảm ứng trong rotor ñạt ñến một giá trị ñủ lớn ñể tạo ra moment quay ñộng cơ ở tốc ñộ không ñổi

Phương trình xác ñịnh moment của ñộng cơ cảm ứng như sau:

M = KMΦsIRcosΦR (1.3) Trong ñó, M: moment

KM: hằng số moment

Φs: từ thông stator

IR: dòng ñiện rotor cosΦR: hệ số công suất của rotor

1.4.4.4 Mối quan hệ giữa tốc ñộ và moment của ñộng cơ không ñồng bộ:

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Hình 1.8 ðường ñặc tính cơ của ñộng cơ không ñồng bộ

Từ ñặc tuyến ta thấy, vận tốc không tải hơi nhỏ hơn vận tốc ñồng bộ n1, nhưng khi moment tải tăng, tốc ñộ ñộng cơ giảm Tiếp tục tăng tải, moment ñộng cơ tăng ñến khi moment ñộng cơ ñạt giá trị lớn nhất Nếu tiếp tục tăng tải moment ñộng cơ chẳng những không tăng mà ngược lại nhanh chóng giảm về giá trị moment khởi ñộng ñồng thời tốc ñộ ñộng cơ nhanh chóng giảm về zero Khi khởi ñộng, ñộng cơ có tốc ñộ thấp nhưng dòng khởi ñộng rất lớn và tiêu thụ công suất lớn hơn chế ñộ vận hành bình thường

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

CHƯƠNG II THIẾT BỊ BIẾN TẦN

2.1 Khái quát:

Biến tần là thiết bị dùng ñể chuyển ñổi ñiện áp hoặc dòng ñiện xoay chiều ở ñầu vào từ một tần số này thành ñiện áp hoặc dòng ñiện có tần số khác ở ñầu ra Biến tần ñược dùng ñể ñiều khiển vận tồc ñộng cơ xoay chiều theo phương pháp ñiều khiển tần số, theo ñó tần số của lưới nguồn sẽ ñổi thành tần số biến thiên Ngoài việc thay ñổi tần số còn có sự thay ñổi tổng số pha Từ nguồn lưới một pha, thông qua biến tần ta có thể mắc tải là ñộng cơ ba pha Bộ biến tần còn ñược sử dụng rộng rãi trong kĩ thuật nhiệt ñiện, chẳng hạn như cung cấp năng lượng cho lò cảm ứng

2.2 Phân loại:

Phân loại dựa vào tổng số pha gồm có biến tần một pha và biến tần ba pha Phân loại dựa vào cấu trúc mạch ñiện và nguyên tắc hoạt ñộng gồm có biến tần trực tiếp (Cycloconverter), biến tần gián tiếp (Inverter)

Cho dù là bộ biến tần trực tiếp hay gián tiếp nó cũng phải thõa mãn các yêu cầu sau:

+ Có khả năng ñiều chỉnh tần số theo tốc ñộ ñặt mong muốn

+ Có khả năng ñiều chỉnh ñiện áp theo tần số ñể duy trì từ thông khe hở không khí trong vùng ñiều chỉnh moment không ñổi

+ Có khả năng cung cấp dòng ñiện ñịnh mức ở mọi tần số

2.3 Biến tần gián tiếp:

2.3.1 Khái niệm:

Biến tần gián tiếp dùng khâu chỉnh lưu ñể tạo ra nguồn một chiều, nó biến ñổi nguồn một chiều ra nguồn xoay chiều có tần số mong muốn

2.3.2 Cấu tạo chung:

Cấu tạo cơ bản của một biến tần có hình dạng như sau:

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Hình 2.1 Cấu tạo cơ bản của biến tần Mỗi bộ phận có những chức năng sau:

2.3.2.1 Bộ chỉnh lưu:

Bộ chỉnh lưu có chức năng chỉnh ñiện áp xoay chiều với tần số cố ñịnh ở ngõ vào Bộ chỉnh lưu gồm chỉnh lưu không ñiều khiển và bộ chỉnh lưu ñiều khiển với nhiều dạng: mạch tia, mạch cầu, một pha hoặc ba pha

2.3.2.2 Bộ nghịch lưu:

Bộ nghịch lưu có thể là một pha hoặc ba pha Quá trình chuyển mạch của bộ nghịch lưu áp thường là quá trình chuyển ñổi cưỡng bức Bộ chỉnh lưu có chức năng biến nguồn ñiện một chiều ñã ñược chỉnh lưu thành nguồn ñiện xoay chiều mà tần số có thể ñiều chỉnh ñược

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

lưu ñiều biến ñộ rộng xung (PWM) Các mạch nghịch lưu bằng transistor (BJT, MOSFEST, IGBT) ñược ñiều khiển theo nguyên lý PWM ñảm bảo cung cấp ñiện

áp cho ñộng cơ có dạng gần sin nhất

Hình 2.2 Bộ biến tần với nghịch lưu nguồn áp ñiều biến ñộ rộng xung với bộ chỉnh

Hình 2.3 Bộ biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng xung vuông với bộ chỉnh lưu ñiều

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

2.3.4 Nguyên tắc hoạt ñộng của biến tần:

2.3.4.1 Biến tần áp ba pha:

Trên hình 2.5 vẽ sơ ñồ mạch ñiện của thiết bị biến tần áp ba pha gián tiếp gồm các khối chức năng chính sau:

+ Khối chỉnh lưu

+ Khối trung gian một chiều gồm Lf, Cf là khâu lọc ñiện ñể tạo nguồn ñiện

áp một chiều không ñổi

+ Khối nghịch lưu ñộc lập gồm các diode D1 ÷ D6 tạo thành cầu ba pha, ñấu song song ngược với cầu ba pha tạo nên bởi các thyristor T1 ÷ T6 cho phép dòng ñiện phụ tải trả năng lượng phản kháng về nguồn nhờ tụ ñiện Cf

+ Khối ñộng cơ không ñồng bộ ba pha

Hình 2.5 Sơ ñồ biến tần áp gián tiếp ba pha

Ta xét nguyên tắc hoạt ñộng của sơ ñồ

Thứ tự mở các thyristor là: T1, T2, T3, T4, T5, T6 Các thyristor ñược ñiều khiển mở lệch pha nhau một khoảng thời gian là T/6 của chu kì ñiện áp ñặt vào ñộng cơ Mỗi thyristor dẫn ñiện trong khoảng ωt = π Tại mỗi thời ñiểm có ba thyristor cùng dẫn, hai thyristor ở nhóm này và một thyristor ở nhóm kia theo các tổ hợp sau ñây:

+ Trong khoảng thời gian 0 ≤ ωt ≤ π/3 T1, T5, T6 dẫn

+ Trong khoảng thời gian π/3 ≤ ωt ≤ 2π/3 T1, T2, T6 dẫn

+ Trong khoảng thời gian 2π/3 ≤ ωt ≤ π T1, T2, T3 dẫn

+ Trong khoảng thời gian π ≤ ωt ≤ 4π/3 T2, T3, T4 dẫn

+ Trong khoảng thời gian 4π/3 ≤ ωt ≤ 5π/3 T3, T4, T5 dẫn

+ Trong khoảng thời gian 5π/3 ≤ ωt ≤ 2π T4, T5, T6 dẫn

Khi T1 hay T4 dẫn, sẽ hình thành tương ứng nữa sóng dương hay nữa sóng

âm của dòng ñiện ia của pha a

Khi T3 hay T6 dẫn, sẽ hình thành tương ứng nữa sóng dương hay nữa sóng

âm của dòng ñiện ib của pha b

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Khi T2 hay T5 dẫn, sẽ hình thành tương ứng nữa sóng dương hay nữa sóng

âm của dòng ñiện ic của pha c

Có thể xét sự hình thành ñiện áp của các pha a, b, c của phụ tải ñộng cơ qua sáu tổ hợp ñấu dây giữa các pha a, b, c của ñộng cơ tương ứng với sáu nhóm các thyristor cùng mở như hình 2.6a

Hình 2.6 Trạng thái ñấu dây giữa các pha phụ tải trong những khoảng thời gian

khác nhau của một chu kỳ biến thiên của ñiện áp phụ tải

Giả thiết dây quấn stator của ñộng cơ ñấu hình sao và tổng trở của pha là Za

ZxZ/2Z

Ec

va

ZxZ/2Z

E-b

+

=Tương tự ta suy ra ñược các ñiện áp va, vb, vc trong năm khoảng tiếp theo của chu kì T của ñiện áp ñặt vào ñộng cơ

Dựa vào ñó ta vẽ ñược ñồ thị của các ñiện áp va, vb, vab= va - vb như hình 2.7 Các ñiện áp pha va, vb, vc lệch pha nhau một góc 2π/3, còn các ñiên áp dây cũng lệch pha nhau một góc 2π/3

ðối với trường hợp phụ tải là ñộng cơ, do có tính cảm kháng nên dòng ñiện các pha của phụ tải ia, ib, ic là những dòng ñiện xoay chiều không ñiều hòa bao gồm

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

các ñoạn ñường cong tăng trưởng và suy giảm theo quy luật hàm số mũ như trên hình 2.7 ñối với dòng ñiện ia của pha a

Hình 2.7 ðồ thị ñiện áp phụ tải va, vb, vab và dòng ñiện pha a của phụ tải iaMuốn ñiều chỉnh tần số fL của ñiện áp phụ tải cần thay ñổi khoảng thời gian

mở các thyristor T/6 ðể ñiều chỉnh trị số ñiện áp trên phụ tải vL, chỉ việc ñiều chỉnh trị số E của ñiện áp chỉnh lưu bằng cách thay ñổi góc mở α của các thyristor của khâu chỉnh lưu hoặc có thể dùng các phương pháp ñiều chế ñộ rộng của các xung ñiện áp bằng chính khâu nghịch lưu

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

+ Khâu trung gian có nhiệm vụ giữ cho dòng ñiện ra của khâu chỉnh lưu không ñổi nhờ cuộn cảm san bằng Lf ñể cung cấp cho cầu nghịch lưu ba pha

+ Khâu nghịch lưu là một cầu biến tần ba pha Trong khâu này mỗi thyristor ñược nối tiếp thêm với một diode Các diode này ñảm bảo sự liên tục của dòng ñiện các pha phụ tải khi có sự chuyển mạch dòng ñiện giữa các pha Ở mỗi nữa cầu có ba

tụ ñiện nối giữa các pha a, b, c có chức năng là các tụ chuyển mạch

Hình 2.8 Sơ ñồ biến tần dòng ba pha gián tiếp Giả sử ở trạng thái ban ñầu T1 và T6 dẫn Ta có ia = Id, ib = -Id, ic = 0

Tại thời ñiểm ωt = π/3, T2 ñược kích Nhờ tụ chuyển mạch C6 khi T2 dẫn thì

Ta nhận thấy các thyristor ñược ñiều khiển mở theo thứ tự T1, T2, T3, T4, T5,

T6 Khoảng thời gian giữa hai xung dòng ñiện ñiều khiển mở hai thyristor liên tiếp bằng 1/6 chu kì T của dòng ñiện các pha của phụ tải ia, ib, ic

ðiều chỉnh nhịp của xung dòng ñiện ñiều khiển mở các thyristor có thể thay ñổi tần số fL của dòng ñiện phụ tải ia, ib, ic

Tại bất kì thời ñiểm nào cũng có hai thyristor thuộc hai nhóm khác nhau dẫn ñiện, một thyristor của nhóm cathode chung (T2, T4, T6) và một thyristor thuộc nhóm anode chung (T1, T3, T5) Khoảng dẫn ñiện của mỗi thyristor là ωt = 2π/3

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Dòng ñiện một chiều không ñổi qua các pha của phụ tải nhờ các thyristor ñã

bị cắt thành hai khối chữ nhật, một khối dương, một khối âm, mỗi khối kéo dài một khoảng dẫn bằng 2π/3, khối nọ cách khối kia một khoảng bằng π/3

2.4 Biến tần trực tiếp:

2.4.1 Khái niệm:

Bộ biến tần trực tiếp tạo ra ñiện áp xoay chiều ở ngõ ra với trị hiệu dụng và tần số ñiều khiển ñược, trị hiệu dụng và tần số ñiện áp ngõ ra luôn nhỏ hơn trị hiệu

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

dụng và tần số của ñiện áp nguồn Từ ñiện thế cung cấp xoay chiều hình sin với tần

số 50/60 Hz, ta có thể tạo ñược ñiện thế xoay chiều hình sin với tần số thay ñổi ñược bằng cách “cắt từng ñoạn” ñiện thế cung cấp ghép lại sao cho ñiện thế trung bình có dạng hình sin Biến tần hoạt ñộng dựa vào nguyên tắc này ñược gọi là biến tần trực tiếp

2.4.2 Cấu tạo chung:

Bộ biến tần trực tiếp tổng quát ñược tạo nên từ hai nhóm bộ biến ñổi nối song song ngược như hình 2.10

Hình 2.10 Sơ ñồ nguyên tắc của biến tần trực tiếp Dạng sóng ñiện áp vL, dòng ñiện iL trên tải ñược biểu diễn trên hình 2.11

Ta nhận thấy công suất tức thời trên tải pL = vLiL biến thiên theo bốn giai ñoạn:

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

2.4.3 Nguyên tắc hoạt ñộng của biến tần trực tiếp:

ðể giới thiệu nguyên tắc biến tần trực tiếp ta dùng mạch biến tần ñơn giản một pha cả ở phía ñầu vào và ở phía ñầu ra như hình 2.12 Xét với trường hợp phụ tải thuần trở R Nhóm G1 gồm T1, T2 là nhóm chỉnh lưu tạo ra nữa sóng dương của ñiên áp tải vL và dòng ñiện tải iL Chỉ có thể tiến hành kích mở T1 khi ñiện áp vs1

của thứ cấp máy biến áp có trị số dương Tương tự chỉ khi nào vs2 > 0 mới có thể tiến hành kích mở T2

Hình 2.12 Biến tần trực tiếp một pha ñơn giản có mạch ñầu vào một pha, phụ tải

thuần trở Trong các khoảng thời gian (0 ÷ t1), (t2 ÷ t3), (t4 ÷ t5) trên hình 2.13a và 2.13b

ta có ñiện áp vs1 dương nên ta tiến hành kích mở T1 với góc mở α = 0 Khi T1 dẫn ta

có vL = vs1 và iL = vs1/R

Còn trong khoảng thời gian (t1 ÷ t2), (t3 ÷ t4) thì vs2 > 0 do ñó ta kích mở T2

với α = 0 Khi T2 dẫn ta có vL = vs2 và iL = vs2/R Kết quả bán kỳ dương ñiện áp phụ tải vL và dòng ñiện phụ tải iL ñược tạo nên bởi năm bán kỳ dương của vs1 và vs2 ðể tạo ra bán kỳ âm của vL và iL ta cho nhóm G2 làm việc Trong nhóm này T3 chỉ có thể dẫn ñiện khi vs1 < 0 và T4 chỉ có thể dẫn ñiện khi vs2 < 0

Vì thế trong các khoảng thời gian (t5 ÷ t6), (t7 ÷ t8), (t9 ÷ t10) ta kích T3 với góc mở α = 0 Còn T4 ñược ñiều khiển mở trong các khoảng thời gian (t6 ÷ t7), (t8 ÷

ðể cho ñiện áp vL của phụ tải có dạng gần với ñường biểu diễn hình sin hơn,

ta ñiều khiển mở các thyristor với góc mở α ≠ 0 và thay ñổi góc mở α theo quy luật giống nhau trong các bán chu kỳ dương và âm như hình 2.13c

Trên hình 2.13d vẽ ñồ thị các dòng ñiện iT1, iT2, iT3, iT4, is Ta nhận thấy dòng ñiện nguồn cung cấp ở phía sơ cấp máy biến áp bị biến dạng không còn là dòng ñiện hình sin nữa

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Hình 2.13 ðiện áp vL, dòng ñiện iL của phụ tải, dòng ñiện qua các thyristor iT1, iT2,

iT3, iT4 và ñồ thị dòng ñiện sơ cấp máy biến áp is khi α = 0 và khi α ≠ 0

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

2.4.4 Mạch biến tần một pha có chỉ số chuyển mạch m = 3:

Hình 2.14 Mạch biến tần trực tiếp một pha có chỉ số chuyển mạch m = 3

Sơ ñồ mạch biến tần như hình 2.14 gồm hai nhóm chỉnh lưu ba pha hình tia

G1, G2 nối song song ngược nhau Hai nhóm G1, G2 ñược cung cấp từ thứ cấp của máy biến áp nguồn ba pha có các ñiện áp thứ cấp va, vb, vc Nhóm chỉnh lưu thuận

G1 cung cấp ñiện áp chỉnh lưu dương Vdc1 còn nhóm chỉnh lưu ngược G2 cung cấp ñiện áp chỉnh lưu âm Vdc2 Mạch biến tần có chỉ số chuyển mạch m = 3 vì trong một chu kỳ của ñiện áp nguồn dòng ñiện tải bị chuyển mạch m = 3 lần từ thyristor này sang thyristor khác ñối với nhóm chỉnh lưu ba pha hình tia Muốn cho các ñiện áp chỉnh lưu Vdc1, Vdc2 của các nhóm G1, G2 có cùng giá trị trung bình thì góc mở α1

của các thyristor thuộc nhóm G1 và góc mở α2 của các thyristor thuộc nhóm G2 phải tuân theo quan hệ:

α1 + α2 = π Khi ñó ta có :

Vdc1

2π

V63

= cosα1 = V0cosα1

Vdc2

2π

V63

= cosα2 = V0cosα2

Và Vdc1 = -Vdc2 hay V0cosα1 = -V0cosα2 Với V là trị số hiệu dụng của ñiện áp pha va, vb, vc của thứ cấp máy biến áp nguồn

Mạch biến tần với hai nhóm chỉnh lưu song song ngược G1, G2 có thể vận hành theo hai kiểu:

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

2.4.4.1 Kiểu vận hành ñộc lập của các nhóm chỉnh lưu G 1 và G 2 :

Khi nhóm G1 hoạt ñộng, nhóm này ñược cấp xung ñiều khiển mở các thyristor

Còn nhóm G2 khi ñó bị cắt xung dòng ñiện ñiều khiển nên bị khóa Và ngược lại khi nhóm G2 dẫn thì nhóm G1 ngưng dẫn

Trong trường hợp vận hành ñộc lập của nhóm chỉnh lưu thuận G1 và nhóm chỉnh lưu ngược G2 có hai cách ñiều khiển mở dẫn ñiện các thyristor

+ ðiều khiển mở dẫn ñiện các thyristor với góc mở α không ñổi

+ ðiều khiển mở dẫn ñiện các thyristor với góc mở α biến thiên theo quy luật nhất ñịnh trong các bán chu kỳ dương và bán chu kỳ âm của ñiện áp phụ tải vL

Trên hình 2.15 là ñiện áp vL trên phụ tải của mạch biến tần một pha có chỉ số chuyển mạch m = 3 khi ñiều khiển mở dẫn ñiện các thyristor của các nhóm chỉnh

lưu G1, G2 với góc mở α không ñổi

Hình 2.15 ðồ thị ñiện áp phụ tải vL của mạch biến tần một pha có m = 3 khi

góc mở của các thyristor α = 0 ðối với trường hợp này ta có thể xét quan hệ giữa tần số fL của ñiện áp phụ

tải và tần số fs của ñiện áp lưới ñiện như sau:

Gọi N là số ñoạn ñường cong hình sin có trong một bán chu kỳ của ñiện áp phụ tải vL Khi ñó ta có:

=

m

2ππm

2πN

2L

TωLập tỉ số:

s

fL

f2m2Nmm

2ππm

2πN

πL

Ts

T

=

−+

=

−+

=

Từ ñó suy ra:

2m2N

ms

fL

f =

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Vậy khi chỉ số chuyển mạch m và tần số fs ñã xác ñịnh thì tần số fL ñược quyết ñịnh bởi N là số ñoạn cong hình sin có trong một bán chu kỳ của ñiện áp ra vLtrên phụ tải của mạch biến tần

Khi N = 1 thì fL = fs Còn khi N > 1 thì fL < fs Muốn ñiện áp ra vL trên tải có dạng mong muốn là sóng hình sin lý tưởng ta phải ñiều khiển mở dẫn ñiện các thyristor của các nhóm chỉnh lưu G1 và G2 với các góc mở tương ứng α1 và α2 biến thiên theo quy luật nhất ñịnh trong các bán chu kỳ dương và các bán chu kỳ âm của ñiện áp ra vL sao cho giá trị trung bình của các ñiện áp chỉnh lưu Vdc1, Vdc2 của các nhóm G1 và G2 biến thiên theo quy luật hình sin mong muốn:

V0cosα1 = -V0cosα2 = vL= 2 sinωV Lt

Từ ñó suy ra cosα1= - cosα2 =

0V

V2sinωLt = qsinθL

Trong ñó

0V

V2

q = gọi là hệ số ñiều chỉnh ñiện áp ra

Trên hình 2.16 là quan hệ giữa α1, α2 với góc θL trong các trường hợp q = 1

và q = 0.8 khi tuân theo các hệ thức:

cosα1 = - cosα2 = qsinθL α1 + α2 = π

Hình 2.16 Quan hệ giữa α1, α2 và θ2 = ωt Khi ñiều chỉnh biên ñộ V0 của cosα1 và cosα2 ta có thể ñiều chỉnh ñược biên

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Với giá trị trung bình của các ñiện áp cỉnh lưu Vdc1, Vdc2 do các nhóm G1, G2cung cấp cho tải là:

Vdc1 = V0cosα1 = V0sinγ

Vdc2 = -V0cosα2 = V0sinγ Muốn ñiều chỉnh các ñiện áp trung bình Vdc1, Vdc2 chỉ cần tác ñộng vào góc

γ

Khi γ = 0 thì α1 = α2 = 900 và Vdc1 = Vdc2 = 0 Quan hệ giữa γ và góc α1 là một ñường cong có tên gọi là “ sóng biến ñiệu dương suy giảm” kí hiệu là M+, quan

hệ giữa γ và góc α2 gọi là “ sóng biến ñiệu âm tăng trưởng” kí hiệu là M-

Góc α1 ñược tính từ giao ñiểm của các ñoạn ñường cong hình sin dương của ñiện áp nguồn

Góc α2 ñược tính từ giao ñiểm của các ñoạn ñường cong hình sin âm của ñiện áp nguồn

Mỗi thyristor của nhóm G1 có một sóng M+ Mỗi thyristor của nhóm G2 có một sóng M-

Vì góc α1 chỉ có thể lấy giá trị từ 0 ñến π nên góc γ chỉ có thể biến thiên từ - π/2 ñến π/2

Hình 2.17 Các sóng M+ và M- của các thyristor thuộc các nhóm chỉnh lưu G1và G2

Trên hình 2.17 vẽ các sóng M1+, M3+, M5+ của các thyristor T1, T3, T5 thuộc nhóm G1 và các sóng M2-, M4-, M6- của các thyristor T2, T4, T6 thuộc nhóm G2

Ta nhận thấy các sóng M1+ và M4- ngược pha với vb, M3+ và M6- ngược pha với vc, M5+ và M2- ngược pha với va

Góc γ chỉ rõ thời ñiểm bắt ñầu mở dẫn ñiện của từng thyristor

ðể cho ñiện áp trên phụ tải của mạch biến tần có dạng rất gần với quy luật biến thiên hình sin mong muốn ta chọn ñiện áp mẫu cần tạo ra vL có biên ñộ bằng

V0 và tần số bằng tần số mong muốn fL

Dựa vào các ñường biểu diễn các sóng M+, M- của các thyristor và ñường biểu diễn ñiện áp mẫu vL ñã chọn ta sẽ xác ñịnh ñược các thời ñiểm cần phải phát xung dòng ñiện ñể ñiều khiển mở các thyristor

Trong bán kỳ dương của vL ñường biểu diễn vL cắt “sóng biến ñiệu dương suy giảm M+” tại t2 trên hình 2.18

Ta có góc ω(t2 – t1) = γ(t2) Do ñó, tại ñiểm giao nhau ấy ta có V0sin γ(t2) =

vL(t2) Tại thời ñiểm t2 có một thyristor thuộc nhóm G1 tương ứng với sóng M+ sẽ ñược ñiều khiển mở dẫn ñiện

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Hình 2.18 Xác ñịnh thời ñiểm mở dẫn ñiện của các thyrisrtor ðường biểu diễn vL cắt “sóng biến ñiệu âm tăng trưởng M-” tại t4 trên hình 2.18 Ta có góc ω(t4 – t3) = γ(t4) Do ñó, tại ñiểm giao nhau ấy ta có V0sin γ(t4) =

vL(t4) Tại thời ñiểm t4 có một thyristor thuộc nhóm G2 tương ứng với sóng M- sẽ ñược ñiều khiển mở dẫn ñiện

Trong bán kỳ âm ñường cong vL cắt ñường M+ tại t4 Góc ω(t4 – t1) = γ(t4) và

áp gồm nhiều ñoạn hình sin ghép lại ðường cong ñiện áp này rất gần với ñiện áp mẫu mong muốn ñã chọn vL

2.4.4.2 Kiểu vận hành ñồng thời của các nhóm chỉnh lưu G1 và G 2 :

Muốn vận hành ở chế ñộ làm việc ñồng thời của hai nhóm G1, G2 cần phải ñặt giữa hai nhóm chỉnh lưu này một cuộn cảm chặn dòng ñiện như hình 2.19 nhằm hạn chế dòng ñiện cân bằng ic chảy giữa nhóm G1 và G2 theo chiều từ G1 sang G2

Hình 2.19 Mạch biến tần trực tiếp một pha có chỉ số chuyển mạch m = 3 vận

hành ở chế ñộ làm việc ñồng thời của các nhóm G , G

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

CHƯƠNG III ðIỀU KHIỂN TẦN SỐ ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ

3.1 Phương trình ñiều khiển cơ bản của hệ truyền ñộng ñiều tốc biến tần:

Khi ñiều tốc ñộng cơ ñiện, một nhân tố quan trọng là phải cố gắng duy trì ñược lượng từ thông Φ trên mỗi cực không ñổi và bằng giá trị ñịnh mức Từ thông quá yếu sẽ không phát huy hết khả năng của lõi sắt ñộng cơ và là một dạng lãng phí, nếu tăng từ thông có thể làm cho nó bão hòa, dẫn tới dòng ñiện kích từ quá lớn, khi nghiêm trọng làm cuộn dây quá nóng làm hỏng ñộng cơ Trong ñộng cơ không ñồng bộ xoay chiều, từ thông là do tổng hợp tác dụng của mạch rotor và stator gây

ra Vì thế, việc giữ cho từ thông Φ không ñổi là một ñiều khá phức tạp

Giá trị hiệu dụng của sức ñiện ñộng cảm ứng của mỗi pha stator ñộng cơ không ñồng bộ ba pha là:

E1 = 4.44fw1kdq1 Φmax (3.1) Trong ñó, E1: giá trị hiệu dụng của sức ñiện ñộng cảm ứng do từ thông ở khe

hở không khí trong mỗi pha stator ñộng cơ không ñồng bộ ba pha gây ra

f: tần số mạch stator (Hz)

w1: số vòng quấn của mỗi cuộn dây của mỗi pha stator

kdq1: hệ số dây quấn

Φmax: biên ñộ từ thông ở khe hở không khí mỗi cực (Wb)

Từ công thức (3.1) có thể thấy, chỉ cần ñiều khiển tốt E1 và f là có thể ñạt ñược mục ñích ñiều khiển từ thông Φmax Muốn thế cần phải xét hai trường hợp sau:

3.1.1 ðiều tốc thấp hơn tần số cơ bản:

Từ công thức trên có thể thấy, muốn giữ cho Φmax không ñổi, lúc tần số f từ trị số ñịnh mức fn ñiều tốc xuống thấp hơn, bắt buộc phải ñồng thời hạ E1 xuống sao cho:

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Lúc tần số thấp, U1 và E1 ñều khá nhỏ, thành phần sụt áp trở kháng chiếm khá lớn, không thể bỏ qua Lúc này, phải mạnh dạn nâng cao ñiện áp U1 lên một ít nhằm bù lại lượng sụt áp trên mạch stator ðặc tính ñiều khiển tỉ số ñiện áp và tần

số là hằng ñược thể hiện trên hình 3.1, trong ñó khi có bù sụt áp stator là ñuờng b còn không có bù là ñường a

f0

U1

fn

U1n

ab

Hình 3.1 ðặc tính ñiều khiển tỷ số ñiện áp và tần số hằng số

3.1.2 ðiều tốc cao hơn tần số cơ bản:

Khi ñiều tốc cao hơn tần số cơ bản, tần số có thể tăng lên từ fn, nhưng ñiện

áp U1 không thể tăng quá ñiện áp ñịnh mức U1n tối ña mà chỉ giữ ñược U1 = U1n ðiều ñó sẽ làm cho từ thông giảm xuống theo tỉ lệ nghịch với tần số

Hình 3.2 ðặc ñiểm ñiều khiển ñiều tốc biến tần ñộng cơ không ñồng bộ ðem kết hợp hai trường hợp tần số thấp và cao hơn so với tần số cơ bản có thể ñược ñường ñặc tính ñiều khiển ñiều tốc biến tần ñộng cơ không ñồng bộ như hình 3.2 Nếu ñộng cơ ở những tốc ñộ khác nhau ñều có dòng ñiện ñịnh mức thì ñộng cơ có thể làm việc lâu dài trong ñiều kiện nhiệt ñộ tăng lên cho phép, lúc này tốc ñộ quay về cơ bản thay ñổi theo từ thông

3.2 Phương pháp ñiều khiển bộ nghịch lưu áp:

Trong hệ thống ñiều tốc biến tần biến áp ñược cấp ñiện bởi bộ biến tần xoay chiều - một chiều - xoay chiều thông dụng, muốn nhận ñược tần số ñiện áp theo yêu

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

cầu của ñiều tốc biến tần phù hợp với chế ñộ ñiều khiển bộ chỉnh lưu nhất thiết phải ñiều chỉnh ñược Lúc ñiều tốc phải ñồng thời ñiều khiển bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu như hình 3.3, ñiều này ñã kéo theo một loạt vấn ñề:

+ Mạch ñiện chính có hai khâu công suất ñiều khiển ñược, nghĩa là khá phức tạp

+ Bởi vì khâu một chiều trung gian có tụ lọc sóng hoặc bộ ñiện kháng với quán tính lớn làm cho tính thích nghi trạng thái ñộng của hệ thống trở nên chậm chạp

+ Bởi vì bộ chỉnh lưu ñiều khiển ñược làm cho hệ số cung cấp của nguồn ñiện sẽ bị xấu ñi khi công suất ñầu ra giảm xuống theo sự thay ñổi của thiết bị biến tần, ñồng thời sinh ra dòng ñiện hài tần số cao

+ ðầu ra của bộ nghịch lưu là ñiện áp hoặc dòng ñiện biến thiên sáu phách bậc thang, khi truyền dẫn ñộng cơ ñiện càng tạo ra nhiều sóng hài bậc cao dẫn tới moment biến ñộng khá lớn ảnh hưởng tới tính ổn ñịnh làm việc của ñộng cơ ñặc biệt nghiêm trọng là khi ở tốc ñộ thấp

Hình 3.3 Sơ ñồ nguyên lý bộ biến tần xoay chiều – một chiều – xoay chiều thường

Bộ biến tần PWM ứng dụng kĩ thuật này về cơ bản ñã giải quyết ñược vấn ñề tồn tại trong bộ biến tần sóng nhịp thường gặp, tạo ñiều kiện cho sự phát triển lĩnh vực mới là hệ thống ñiều tốc dòng ñiện xoay chiều cận ñại Hình 3.4 ñã thể hiện sơ

ñồ nguyên lý của bộ biến tần PWM

Hình 3.4 Sơ ñồ nguyên lý bộ biến tần xoay chiều – một chiều – xoay chiều SPWM

Từ ñây có thể thấy, nó vẫn là thiết bị biến tần xoay chiều - một chiều - xoay chiều, chỉ khác là bộ chỉnh lưu không còn ñiều khiển ñược, ñiện áp ra của nó sau khi ñi qua tụ lọc sóng (có kèm theo ñiện cảm hạn chế dòng) ñã hình thành ñiện áp một chiều có trị số biên ñộ không ñổi, áp lên bộ nghịch lưu, linh kiện ñóng mở công suất trong bộ nghịch lưu mở thông hoặc cắt bỏ, ñầu ra của nó sẽ nhận một loạt xung

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

hình chữ nhật với ñộ rộng khác nhau, còn phương pháp ñiều khiển quy luật phân bố thời gian và trình tự thao tác ñóng mở chính là phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung Tại ñây, thông qua việc thay ñổi hình chữ nhật có thể ñiều chế giá trị biên ñộ ñiện

áp của sóng cơ bản một chiều do bộ nghịch lưu ñưa ra, thỏa mãn yêu cầu phối hợp ñiều khiển của ñiều tốc biến tần với ñiện áp và tần số

ðặc ñiểm chủ yếu của mạch ñiện trên hình 3.4 là:

+ Mạch ñiện chính chỉ có một khâu công suất ñiều khiển ñược, ñơn giản hóa cấu trúc

+ Sử dụng bộ chỉnh lưu không ñiều khiển nên làm cho hệ số công suất của mạng ñiện không liên quan tới ñộ lớn của ñiện áp ñầu ra bộ nghịch lưu, mà tiến gần tới một

+ Bộ nghịch lưu thực hiện ñồng thời ñiều tần và ñiều áp, không liên quan tới tham số của linh kiện khâu một chiều trung gian, ñã làm tăng nhanh mức ñộ thích nghi trạng thái ñộng của hệ thống

+ Có thể nhận ñược ñồ thị ñiện áp ñầu ra tốt hơn so với ñồ thị hình thang sáu phách thường thấy, có thể hạn chế hoặc loại bỏ sóng hài bậc thấp, làm cho ñộng cơ

có thể vận hành ở ñiện áp biến thiên gần như sin, biến ñộng của moment khá nhỏ,

mở rộng rất lớn phạm vi ñiều tốc của hệ thống truyền dẫn, ñồng thời nâng cao ñược chức năng của hệ thống

Các bộ nghịch lưu áp thường ñược ñiều khiển dựa theo kĩ thuật ñiều chế ñộ rộng xung và quy tắc kích ñóng ñối nghịch Quy tắc này ñảm bảo dạng áp tải ñược ñiều khiển tuân theo giản ñồ kích công tắc và kĩ thuật ñiều chế ñộ rộng xung có tác dụng hạn chế tối ña các ảnh hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải

Dựa vào phương pháp thiết lập giản ñồ kích ñóng các công tắc trong bộ nghịch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng ñiều chế ñộ rộng xung khác nhau như sau:

3.2.1 Phương pháp ñiều chế ñộ rộng sin (Sin PWM):

Giản ñồ kích ñóng công tắc bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu

cơ bản là sóng ñiều chế tần số cao và sóng ñiều khiển dạng sin

Sóng ñiều chế có thể ở dạng tam giác Sóng ñiều khiển mang thông tin về ñộ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của ñiện áp ở ngõ ra Trong trường hợp

bộ nghịch lưu áp ba pha, ba sóng ñiều khiển của ba pha phải lệch nhau 1/3 chu kỳ của nó

3.2.2 Phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung vuông (Square PWM):

Sóng ñiều khiển có dạng chữ nhật

3.2.3 Phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung tối ưu (Optimum PWM):

Ảnh hưởng của một số sóng hài bậc thấp chứa trong ñiện áp ra có thể ñược khử bỏ bằng phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung tối ưu Giản ñồ kích ñóng các

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

công tắc ñược thiết lập trên cơ sở phân tích hàm tối ưu theo các biến là góc kích ñóng các linh kiện

3.2.4 Phương pháp ñiều chế theo dòng ñiện:

Giản ñồ kích ñóng các công tắc ñược xác ñịnh trên cơ sở so sánh dòng ñiện yêu cầu của tải và dòng ñiện ño ñược

3.2.5 Phương pháp ñiều rộng:

Phương pháp này còn ñược gọi là phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung ñơn,

là trường hợp ñặc biệt của phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung Trong mỗi nữa chu

kỳ, áp ra chỉ có một xung ñiện áp ðộ lớn ñiện áp tải ñược ñiều khiển bằng cách thay ñổi ñộ rộng xung ñiện áp Phương pháp này chỉ áp dụng ñiều khiển bộ nghịch lưu áp một pha

3.2.6 Phương pháp ñiều khiển theo biên ñộ:

Phương pháp này gọi tắt là phương pháp ñiều biên Phương pháp này ñòi hỏi ñiện áp nguồn ñiều khiển ñược Các công tắc trong cặp công tắc cùng pha ñược kích ñóng với thời gian bằng nhau và bằng một nữa chu kỳ áp ra Bộ nghịch lưu áp ba pha ñiều khiển theo biên ñộ còn gọi là bộ nghịch lưu sáu bước

3.3 Nguyên lý làm việc của bộ nghịch lưu ñiều chế ñộ rộng sin:

Bộ nghịch lưu SPWM, chính là hệ thống mà ñiện áp ñầu ra ñúng là hình sin thuần túy, nó có thể chia nữa chu kỳ hình sin ra N phần bằng nhau như hình 3.5a sau ñó lấy diện tích bao bởi trục hoành và ñường cong hình sin tạo ra ñược thay thế bằng một xung hình chữ nhật cùng chiều cao có diện tích bằng nó, trung ñiểm của xung hình sin trùng với tâm của mỗi một phần trên sóng hình sin như hình 3.5b

Hình 3.5 Thứ tự sắp xếp các xung hình chữ nhật cùng biên ñộ tương ñương với

sóng hình sin

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Như vậy, ñồ thị sóng do N xung hình chữ nhật cùng biên ñộ nhưng khác nhau về chiều rộng ñã thay thế bán chu kỳ hình sin Tương tự ở bán chu kỳ âm của sóng hình sin cũng ñược thay thế theo phương pháp này Một loạt xung trên hình 3.5b chính là ñồ thị ñầu ra của bộ nghịch lưu SPWM Có thể thấy rằng do biên ñộ bằng nhau của các xung nên bộ nghịch lưu có thể cung cấp nguồn ñiện một chiều không ñổi Giá trị biên ñộ xung của ñầu ra bộ nghịch lưu chính là ñiện áp ñầu ra của

bộ chỉnh lưu Lúc bộ nghịch lưu làm việc ở trạng thái lý tưởng, tín hiệu của các linh kiện ñóng mở tương ứng cũng sẽ có một loạt xung tương tự như hình 3.5b Biện pháp thường dùng trong thực tế là ñưa ra khái niệm “ñiều chế” trong kỹ thuật thông tin, ñồ thị sóng mong muốn (ở ñây là sóng hình sin) làm sóng ñiều chế, còn tín hiệu chịu sự ñiều khiển của nó gọi là sóng mang Trong bộ SPWM thường dùng sóng tam giác cân làm sóng tải bởi vì sóng tam giác cân là hình sóng tuyến tính có ñộ rộng trên dưới ñối xứng nhau, lúc nó giao với ñường cong trơn bất kỳ, ở thời ñiểm giao ấy ñiều khiển ñược ñóng ngắt mở thông của linh kiện, nghĩa là nhận ñược ñộ rộng xung cùng biên ñộ với xung hình chữ nhật có trị số của hàm số ñường cong này, ñó chính là kết quả cần thiết của bộ ñiều chế ñộ rộng xung

3.3.1 Nguyên lý làm việc:

Hình 3.6 Phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

ðể ñiều khiển mạch nghịch lưu ñiều biến ñộ rộng xung, người ta thường dùng phương pháp so sánh hai ñiện áp như hình 3.6a ðiện áp thứ nhất ñược sử dụng là ñiện áp chuẩn vr có dạng hình sin, có tần số fr là tần số mong muốn của ñiện

áp ra của nghịch lưu

ðiện áp thứ hai là ñiện áp mang vp có dạng ñối xứng, có tần số fp > fr Các thời ñiểm giao nhau của các ñường biểu diễn của các ñiện áp vr và vp chính là các thời ñiểm phải phát ra các xung dòng ñiện (iG1, iG2) hoặc (iG3, iG4) ñể lần lượt mở các cặp thyristor (T1, T2) và (T3, T4) như hình 3.6c

Xét quá trình trong một chu kỳ của ñiện áp mang vp như hình 3.7

Hình 3.7 ðiện áp mang vp trong một chu kì Khi so sánh các ñiện áp vr và vp, chúng giao nhau tại các hoành ñộ ωt = α và

ωt = 2π – α Các giao ñiểm này quyết ñịnh chỉ số trung bình của ñiện áp ra trên phụ tải:

−α0

α2πα

2πα2π EdθEdθ

Edθ2π1

Từ ñồ thị hình 3.7 ta tính ñược

α = 2

V r

v1

Trong ñó Vpm là biên ñộ của ñiện áp mang

Trong một chu kỳ của ñiện áp mang, trị số trung bình của ñiện áp ra trên phụ tải tỉ lệ với ñiện áp chuẩn vr Nếu ñiện áp chuẩn vr có dạng hình sin thì ñiện áp trung bình cũng có dạng hình sin Muốn ñiều chỉnh biên ñộ của ñiện áp ra cần tác ñộng

vào tỷ số vr/Vpm

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

3.3.2 Phương pháp loại bỏ sóng hài chỉ ñịnh:

Mô thức ñiều khiển bộ nghịch lưu SPWM không phải là duy nhất, nhiều năm trở lại ñây nhiều người nghiên cứu các mô thức ñiều khiển ñối với SPWM và ñã nêu

ra khá nhiều phương thức, một trong số ñó chính là mô thức ñiều khiển SPWM loại

bỏ sóng hài chỉ ñịnh Mạch nghịch lưu ñiều biến ñộ rộng xung cho phép băm ñiện

áp vL trên phụ tải thành các xung có bề rộng khác nhau nên ñiện áp vL của phụ tải sẽ chứa ít sóng hài hơn

Tại ñây ñiện áp ñầu ra bộ nghịch lưu vẫn là một nhóm sóng xung biên ñộ bằng nhau, ñộ rộng khác nhau, hơn nữa là nữa chu kỳ ñối xứng nhưng chúng không phải tạo thành bởi giao ñiểm của sóng tải tam giác và sóng ñiều chế hình sin, mà là xuất phát từ phương pháp loại bỏ sóng hài cho một số bậc ñược chỉ ñịnh thông qua tính toán ñể xác ñịnh thời ñiểm ñóng mở của các xung Ta xét sóng ñiện áp như hình 3.8

Nếu chọn 0’ làm tâm ñối xứng thì ñiện áp ra trên tải vL là hàm số chu kỳ lẻ ñối xứng qua trục hoành nên khi khai triển thành chuỗi Fourier nó chỉ gồm các số hạng hình sin lẻ Biên ñộ các sóng hài lẻ này ñược xác ñịnh theo biểu thức tổng quát:

Vm,n = π∫2( )

0f θπ

1

0

2

sin sin

sin

α α

α

θθθ

θθ

π4E

Hình 3.8 Xung lưỡng cực có bề rộng biến thiên

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Biên ñộ của sóng cơ bản (n = 1) là:







= +

−

= +

−

0 2cos5α 2cos5α

1

0 2cos3α 2cos3α

1

2 1

6 23 α

0 2

0 1

Khi ñó ñện áp vL trên phụ tải chỉ chứa sóng cơ bản với n = 1và sóng hài bậc cao với n = 7; 9; 11…Cần phải nhấn mạnh phép loại bỏ sóng hài chỉ ñịnh ñể xác ñịnh một loạt thời ñiểm ñóng mở xung là có thể loại bỏ ñược các sóng hài có bậc chỉ ñịnh một cách hiệu quả, nhưng những sóng hài ngoài bậc chỉ ñịnh chưa chắc ñã ñược loại bỏ hoặc giảm bớt, thậm chí có lúc tăng lên Nhưng chúng thuộc những sóng hài bậc cao không có ảnh hưởng lớn ñối với ñộng cơ Hơn nữa, các sóng hài bậc cao này có biên ñộ khá nhỏ lọc dễ nên có thể xem như ñiện áp vL = Vm,1sinωt

3.3.3 ðiều kiện ràng buộc khi ñiều chế ñộ rộng xung:

Dựa vào ñặc ñiểm ñộ rộng xung, công tắc của mạch ñiện chính của bộ nghịch lưu trong nữa chu kỳ ñiện áp ñầu ra của chúng phải ñóng mở N lần, còn năng lực ñóng mở của bản thân công tắc phụ thuộc vào khả năng chuyển ñổi của nó

và cấu trúc của mạch ñiện chính Vì vậy, kỹ thuật ñiều chế ñộ rộng xung khi ứng dụng vào ñiều chế ñộ rộng xung của dòng xoay chiều tất yếu phải chịu một ñiều kiện ràng buộc với hai ñiểm sau:

+ Tần số ñóng mở, tổn hao công suất ñóng mở của công tắc bộ nghịch lưu ñã hạn chế số xung trong mỗi giây của bộ nghịch ñiều chế ñộ rộng xung Khả năng ñổi chiều của thyristor thông dụng còn kém, tần số ñóng mở của nó không vượt quá 300

~ 500Hz Ngày nay, nó ít ñược sử dụng trong bộ nghịch lưu SPWM Người ta thay thế nó bằng bóng công suất GTR với tần số ñóng mở ñạt tới 1 ~ 5kHz, bóng bán dẫn GTO tần số ñóng mở là 1 ~ 2kHz, bóng công suất trường P – MOSFEST tần số ñóng mở trên 20kHz Sau này ñều dùng GTR làm linh kiện ñóng mở

+ ðể ñảm bảo làm việc an toàn cho các linh kiện ñóng mở của mạch ñiện chính, cần phải làm cho sóng xung cần ñiều chế có ñộ rộng xung nhỏ nhất bị hạn chế bởi thời gian giãn cách tối thiểu, nhằm ñảm bảo ñộ rộng xung lớn hơn thời gian

mở thông ton và thời gian ngắt toff của linh kiện ñóng mở ðiều này yêu cầu biên ñộ của tín hiệu tham khảo không vượt qua lượng phần trăm nào ñó của giá trị cực ñại xung truyền tải tam giác ðộ ñiều chế ñược ñịnh nghĩa như sau:

M = Vrm/Vpm (3.3) Trong ñó Vrm và Vpm lần lượt là giá trị biên của xung sóng tải tam giác và tín hiệu tham khảo của sóng ñiều chế hình sin Trong trường hợp lý tưởng M thay ñổi

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

trong phạm vi 0 ~ 1 ñể ñiều chỉnh biên ñộ của ñiện áp ñầu ra, trên thực tế M luôn luôn nhỏ hơn 1 Lúc ñộ ñiều chế vượt quá hạn chế của ñộ rộng xung cực tiểu có thể thay ñổi chế ñộ làm việc của ñộ rộng xung cực tiểu theo quy ñịnh phá vỡ quy luật ñiều chế ñộ rộng xung chính tắc Nhưng như vậy sẽ làm cho giá trị biên ñộ của ñiện

áp ñầu ra bộ nghịch lưu không còn là hàm số tuyến tính của biên ñộ ñiện áp ñiều chế mà nghiêng về giá trị thấp, ñồng thời kéo theo ñiện áp sóng hài tăng lên

3.4 ðặc tính cơ của ñộng cơ không ñồng bộ ở chế ñộ tĩnh khi ñiều khiển

phối hợp tần số và ñiện áp:

3.4.1 ðặc tính cơ của ñộng cơ không ñồng bộ khi ñiện áp và tần số không ñổi:

Moment quay của ñộng cơ là:

' 2 '2 2

ñt =Tần số góc của từ trường quay:

p

ω

ω1=Trong ñó, ω: tần số góc của dòng ñiện stator p: số ñôi cực từ

Ta có dòng ñiện

2 1 2 ' 2 1

1 '

2

) X (X /s R R

U I

+ + +

=Moment quay của ñộng cơ:

2 1 2 ' 2 1

' 2

2 1

X X /s R R sω

R 3pU M

+ + +

R

sω ω

U 3p

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Lúc s tiến gần ñến 1 ta có

2 1 2 ' 2 1

' 2

2 1

X X R

sR s

ωR ω

U 3p M

+ + +

3.4.2 ðặc tính cơ khi phối hợp ñiều khiển ñiện áp và tần số:

Lúc ñộng cơ không ñồng bộ mang phụ tải vận hành ổn ñịnh ta có:

2 1 2 ' 2 1

' 2

2 1

X X /s R R sω

R 3pU M

+ + +

=ðối với cùng một yêu cầu phụ tải, nghĩa là với một tốc ñộ quay n nhất ñịnh, khi vận hành ở một phụ tải nhất ñịnh, có thể tồn tại nhiều cách phối hợp giữa ñiện

áp và tần số cho ñộng cơ không ñồng bộ, lúc ñó ñường ñặc tính cơ cho các trường hợp cũng sẽ khác nhau Vì vậy, cũng có các phương án ñiều khiển phối hợp ñiện áp

và tần số khác nhau

3.4.2.1 ðiều khiển phối hợp tỷ số ñiện áp và tần số không ñổi (U 1 /ω=const):

Muốn giữ cho từ thông Φmax không ñổi, nhằm tận dụng hết khả năng của lõi sắt từ, phát huy hết khả năng của moment do ñộng cơ sinh ra, khi dưới tần số cơ bản phải dùng phương pháp ñiều khiển tỷ số ñiện áp và dòng ñiện không ñổi Lúc thực hành ñiều khiển tỷ số ñiện áp và dòng ñiện không ñổi, tốc ñộ quay ñồng bộ tự khắc cũng thay ñổi theo tần số

' 2

ω U 3p

M R

2 1

ω ω

U 2

3p M

+ +

hệ thống