NGHIÊN cứu BIẾN tần MICROMASTER của HÃNG SIEMENS ỨNG DỤNG BIẾN tần TRONG điều KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐỒNG bộ NHIÊù ĐỘNG cơ

Hình 1.5: Mạch điện thay thế động cơ không đồng bộa: Mạch điện tương đương 1 pha statob: Mạch điện tương đương 1 pha rotoc: Mạch điện tương đương 1 phad: Mạch điện tương đương 1 pha dạng

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây khoa học kỹ thuật và công nghệ phát triểnrất mạnh mẽ, lĩnh vực Điện - Điện tử không nằm ngoài trào lưu đó Chính khảnăng phát triển mạnh mẽ như vậy đã làm nên quá trình chuyển biến sâu sắc cả

về lý thuyết lẫn thực tiễn trong đời sống khoa học kĩ thuật và công nghệ

Điều này trước hết phải kể đến sự ra đời ngày càng hoàn thiện của các

bộ biến đổi điện tử công suất (ĐTCS), với kích thước nhỏ gọn, tác độngnhanh cao, dễ dàng ghép nối với các mạch dùng mạch vi điện tử, vi xử lýhoặc máy tính Các hệ truyền động điện tự động ngày nay thường sử dụngtheo nguyên tắc điều khiển theo mạch vòng nối cấp, các mạch điều khiểnthích nghi hay nguyên tắc điều khiển vectơ cho các động cơ xoay chiều Phầnlớn các mạch điều khiển này dùng các bộ biến tần (BBT) với chương trìnhphần mềm linh hoạt, dễ dàng thay đổi cấu trúc tham số hoặc luật điều khiển,

vì vậy nó làm tăng độ tác động nhanh và độ chính xác cao cho hệ truyềnđộng Chính những lí do này mà việc chế tạo chuẩn hoá các hệ thống truyềnđộng hiện đại có nhiều đặc tính làm việc khác nhau dễ dàng đáp ứng theo yêucầu của nhà sản suất

Chính vì vậy, để giải quyết các vấn đề trên và hiểu rõ hơn về các BBT

chính là mục đích nghiên cứu đồ án này Đề tài của em là: “Nghiên cứu biến tần MicroMaster của hãng siemens Ứng dụng biến tần trong điều khiển truyền động đồng bộ nhiều động cơ “ Với sự hướng dẫn của giáo viên,

Tiến Sĩ Nguyễn Tiến Ban

Nội dung chính của đề tài bao gồm 3 chương sau:

Chương 1 : Biến tần gián tiếp trong ứng dụng hiện nay

Chương 2 : Biến tần MicroMaster của hãng siemens

Chương 3 : Ứng dụng BBT trong điều khiển truyền động đồng bộ nhiềuđộng cơ

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý Thầy Cô trường ĐạiHọc Dân Lập Hải Phòng, những người đã dìu dắt tôi tận tình, đã truyền đạtcho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian tôi họctập tại trường

Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy, Cô Ngành Điện Tử đặc biệt là Tiến Sĩ Nguyễn Tiến Ban đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ,tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này

Điện-Tôi xin cảm ơn gia đình tôi, những người thân đã cho tôi những điềukiện tốt nhất để học tập trong suốt thời gian dài

Ngoài ra tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả những người bạn của tôi,những người đã cùng gắn bó, cùng học tập và giúp đỡ tôi trong những nămqua cũng như trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp

Hải Phòng, Ngày 26 tháng 8 năm 2008

Chương 1

BIẾN TẦN GIÁN TIẾP TRONG ỨNG DỤNG HIỆN NAY1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay việc tự động hóa trong công nghiệp và ổn định tốc độ động

cơ đã không còn xa lạ gì với những người công tác trong nghành kỹ thuật.Biến tần là một trong thiết bị điện tử hỗ trợ đắc lực nhất trong việc điều chỉnhtốc và thay đổi tốc độ động cơ một cách dễ dàng nhất mà hầu hết các xínghiệp đang sử dụng Biến tần được dùng chủ yếu là để điều khiển động cơ

Trong các nhà máy xí ngiệp thì các bộ biến tần được ứng dụng nhiềuvới những đặc trưng mới như sau:

Thiết kế nhỏ gọn và dễ dàng lắp đặt

Có nhiều cách lựa chọn truyền thông

Điều khiển cho chất lượng truyền động cao

Các đầu ra và đầu vào linh hoạt

Thời gian tăng tốc, giảm tốc có thể cài đặt được

Tránh cộng hưởng lên động cơ hoặc lên máy

Khởi động bám khi biến tần nối động cơ quay

1.2 CẤU TRÚC CHUNG CỦA BIẾN TẦN GIÁN TIẾP

1.2.1 Khái niệm chung về biến tần

Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều với tần số của lướiđiện thành dòng xoay chiều có tần số khác với tần số của lưới

Và bộ biến tần được chia thành 2 loại chính là bộ biến tần trực tiếp và

bộ biến tần gián tiếp

1.2.2 Bộ biến tần gián tiếp

Biến tần gián tiếp là thiết bị điện từ biến đổi năng lượng điện xoaychiều thành xoay chiều có biên độ điện áp và tần số khác với tần số biên độđiện áp của lưới thông qua khâu trung gian

Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua các khâu trung gian mộtchiều do đó có tên là biến tần gián tiếp

Bộ biến tần gián tiếp có sơ đồ khối như hình vẽ 1-1:

Hình 1.1: Sơ đồ khối bộ biến tần gián tiếp

Điện áp xoay chiều có tần số công nghiệp được chỉnh lưu thành nguồnmột chiều nhờ bộ chỉnh lưu ( CL) không điều khiển hoặc bộ chỉnh lưu có điềukhiển Sau đó được lọc qua bộ lọc và đi tới bộ nghịch lưu (NL) sẽ biến đổithành nguồn xoay chiều ba pha có tần số biến đổi cung cấp cho động cơ Tần

số và điện áp thực hiện bởi khâu nghịch lưu thông qua luật điều khiển u/fkhông đổi, điều khiển từ thông không đổi hay điều khiển vector …

- Bộ biến tần gián tiếp có thể chia làm 3 loại chính tuỳ thuộc vào bộchỉnh lưu và nghịch lưu Và sau đây là cấu trúc của từng loại:

+ Bộ biến tần với nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung với bộchỉnh lưu dùng diode hình 1.2:

Hình 1.2: Biến tần gián tiếp nguồn áp và bộ chỉnh lưu diode

Điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu không điều khiển (dùng diode) cótrị số không đổi được lọc nhờ tụ điện có trị số khá lớn Điện áp và tần số đượcđiều chỉnh nhờ bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM) Các mạchnghịch lưu bằng các tranzito ( BJT, MOSFEST, IGBT ) được điều khiển theonguyên lý PWM đảm bảo cung cấp điện áp động cơ có dạng gần sin nhất

+ Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lưu cóđiều khiển dùng tiristor hình 1.3:

Hình 1.3: Biến tần gián tiếp nguồn áp và bộ chỉnh lưu điều khiển

Điện áp điều chỉnh bằng bộ chỉnh lưu có điều khiển ( thông thườngbằng các tiristor hoặc tranzitor ) Bộ chỉnh lưu có chức năng điều chỉnh tần sốđộng cơ Dạng điện áp ra có dạng hình xung vuông

+ Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng và chỉnh lưu điều khiển

Hình 1.4: Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng với bộ chỉnh lưu điều khiển

Nguồn một chiều cung cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng với bộ lọc làcuộn kháng đủ lớn

1.3 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA BỘ BIẾN TẦN GIÁN TIẾP 1.3.1.Ưu điểm

Bộ biến tần làm việc theo nguyên tắc thay đổi tần số và thay đổi điện

rất thấp Trong khi đó, dòng điện đưa vào động cơ không tăng, do phối hợpgiữa điện áp và tần số để giữ cho từ thông đủ sinh mômen Dòng khởi độnglớn nhất của hệ truyền động bằng bộ biến tần chỉ bằng dòng định mức Khởiđộng bằng bộ biến tần không làm sụt áp lưới khi khởi động, đảm bảo các ứngdụng khác không bị ảnh hưởng

Do quá trình khởi động bằng bộ biến tần được mềm hoá nên các chi tiếtcủa hệ truyền động điện sẽ được bảo đảm tuổi thọ cao

Hệ số công suất cosϕ luôn giữ ở 0.96 Điều này đảm bảo cho lưới điện

có hiệu suất sử dụng cao và giảm chi phí cho hệ thống bù công suất phảnkháng

Điều khiển động cơ bằng các bộ biến tần đảm bảo chế độ điều khiểnliên tục Tạo khả năng tự động hoá, nhờ bộ PID có sẵn trong bộ biến tầndùng trong điều khiển vòng kín của quá trình

1.4.1 Điều khiển điện áp-tần số không đổi

1.4.1.1 Chế độ làm việc của động cơ khi điều khiển điện áp-tần số không đổi.

Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ được trình bày ở hình vẽ 1.5 dưới đây:

Hình 1.5: Mạch điện thay thế động cơ không đồng bộ

(a): Mạch điện tương đương 1 pha stato(b): Mạch điện tương đương 1 pha roto(c): Mạch điện tương đương 1 pha(d): Mạch điện tương đương 1 pha dạng đơn giảnChế độ làm việc của động cơ khi điều khiển điện áp-tần số không đổiđược phân tích trên cơ sở giả thiết: Điện áp stato động cơ có dạng hình sin đốixứng ở 3 pha, có trị số biên độ và tần số thay đổi Với giả thiết đó có thể bỏqua hiệu ứng bề mặt; điện trở stato không đổi, điện trở từ hoá có thể bỏ qua,

stato Es sinh ra bởi từ thông khe hở sẽ nhỏ hơn điện áp stato Us, một lượng sụt

áp trên trở kháng tản từ stato (Rs+jXsσ)Is Do bỏ qua các thành phần sóng hàicủa sức từ động, nên từ thông khe hở sẽ có dạng hình sin và từ thông mócvòng mỗi vòng dây stato cũng là hàm hình sin

Từ thông móc vòng 1 vòng dây stato có dạng:

Φ=Φmsinωst (1.1)

Trong đó: ωs=2πfs -Tần số góc của điện áp nguồn cung cấp

Sức điện động ứng với 1 vòng dây stato là:

Với N1 là số vòng dây nối tiếp của một pha; Kw là hệ số dây quấn

Từ (1.1) thấy rằng Φm sẽ tỉ lệ với tỉ số Es/ωs hoặc Es/fs

Khi điều khiển tần số, nếu giữ từ thông khe hở không đổi thì động cơ sẽđược sử dụng hiệu quả nhất, tức là có khả năng sinh mômen lớn nhất Từthông khe hở không đổi khi duy trì tỉ số Es/fs không đổi Nếu sụt áp trên trởkháng tản từ bé có thể bỏ qua thì sức điện động Es sẽ xấp xỉ bằng điện áp Us

Do đó, từ từ thông khe hở sẽ được duy trì gần không đổi khi duy trì tỉ số Us/fs

là hằng số Đây là nội dung cơ bản của luật điều khiển điện áp- tần số khôngđổi Và phương pháp điều khiển này được sử dụng phổ biến trong các hệthống điều khiển hở (ĐKH) đơn giản Đặc tính tuyến tính điện áp- tần sốđược thực hiện bằng các kỹ thuật ĐK điện áp- tần số trong các bộ biến tần.Tuy nhiên ở vùng tần số thấp, sụt áp trên trở kháng tản từ lớn nên từ thôngkhe hở sẽ giảm, khả năng sinh momen của động cơ sẽ giảm

Từ sơ đồ thay thế hình 1.5 có thể viết được các phương trình cân bằngđiện áp sau:

. . . '

) '

' ( )

s

R I jX R

U = + σ + + σ (1.4)

m(.s .r' ) ( 'r jX'r )I.r'

s

R I

I

JX − = + σ (1.5)Momen động cơ được tính theo công thức:

M p I r R s

s

' '

sl

f

f s

ω

ω

=

= (1.7)

Trong đó : ωs = 2 πf s: Tần số góc của nguồn cấp

ωsl = 2 πf sl : Tần số góc của roto ( tốc độ trượt)

fsl , fs : Tần số nguồn cấp của roto và stato

Sử dụng tốc độ góc điện , tốc độ trượt được tính theo:

2 ' '

r s sl s m

r s r s

sl s

r M sl s

s

R

X R X

X X X R R

R X U

p

M

ω

ω ω

ω

ω

Với Xs=Xs σ +Xm : Điện kháng tổng stato ứng với tần số nguồn cấp ωs

Xr’=Xr’σ +Xm : Điện kháng tổng roto ứng với tần số nguồn cấp ωs

Với luật ĐK tần số điện áp - tần số không đổi (Us/ωs= conts), ở vùng

có tần số cao ( xung quanh tần số định mức ) momen tới hạn có trị số gần nhưkhông phụ thuộc tần số nếu tỉ số (Rs/fs) nhỏ Khi tần số giảm, từ thông khe hở

sẽ giảm do sụt áp trên điện trở stato ứng với dòng điện định mức không đổimọi tần số, kết quả momen tới hạn của động cơ sẽ giảm, đặc biệt sẽ giảm

nhanh ở vùng tần số thấp Ví dụ khi ở vùng tần số nhỏ hơn 10Hz Đồ thị đặctính cơ có công suất 170w, 1370 vg/ph trên hình vẽ 1.6 minh họa cho nhậnxét này

Ở trạng thái hãm ( máy phát ) chiều dòng công suất ngược dấu vớiđộng cơ Tương tự áp trên stato cũng có hướng ngược lại, do đó sức điệnđộng stato ( Es) tăng và dẫn tới từ thông khe hở tăng so với trạng thái động cơ.Như kết quả được biểu diễn trên hình vẽ 1.6, nếu coi mạch từ không bão hoà,momen động ở trạng thái hãm sẽ lớn, đặc biệt ở vùng tần số trung bình

Momen 5Hz 10Hz 20Hz 30Hz 40Hz 50Hz

600

500 400 300 200

4 2 -2 0 -4 -6 100

' 2 2 '

2 2 '

)

s s r

s slth

X R X X X

X R R

σ ) và roto (Xrσ ) thì biểu thức (1.10) viết dưới dạng sau

ω ω

r s s

r s slth

X X R

R

+ +

±

Trị số momen tới hạn sẽ được tính theo phương trình (1.9) bằng cáchthay thế ωsl bằng ωslth Từ các phương trình và hình vẽ 1.6 cho ta thấy, khi

điều chỉnh điện áp - tần số không đổi, từ thông động cơ chỉ được duy trì hằng

số khi sụt áp trên dây quấn stato nhỏ có thể bỏ qua Trong áp dụng thực tế dođiện trở stato không thể bỏ qua nên sụt áp trên điện trở stato ứng với dòngđiện định mức sẽ không đổi khi giảm tần số, trong khi sự sụt áp trên điệnkháng giảm theo tần số Do đó sụt áp trên điện trở sẽ chiếm tỉ lệ lớn ở tần sốnhỏ Sẽ ảnh hưởng lớn đến từ thông khe hở

Vì vậy trong thực tế, tỉ lệ điện áp tần số thường được tăng lên ở vùngtần số thấp để bù lại sự sụt áp trên điện trở stato Trên hình 1.7 là các dạngđặc tính điện áp- tần số Dạng đặc tính tuyến tính là dạng mang tính chất lýthuyết, hai đặc tính khác là các đặc tính sử dụng trong thực tế Với dạng đặctính phi tuyến, điện áp tỉ lệ tần số ở vùng có tần số cao, khi tần số giảm nhỏ,điện áp được tăng trơn đều tương đối so với lý thuyết Ở đặc tính thứ 3, điện

áp stato được cộng thêm thành phần U0 ở tần số bằng không:

Us=U0+kωs (1.12)

Hình 1.7: Đặc tính điện áp tần số.

Trị số U0 và k được chọn để điện áp stato có trị số cần thiết ở tần sốbằng không và trị số định mức ở tần số định mức Với phụ tải động cơ yêucầu momen khởi động lớn, điện áp U0 được điều chỉnh để dòng điện động cơ

lớn ở tần số zero (thời điểm đầu tiên của quá trình khởi động ) Nhưng trị số

U0 lớn có thể làm động cơ quá nhiệt nếu động cơ thường xuyên làm việc ở tốc

độ thấp do mức độ làm mát của động cơ tự làm mát giảm đáng kể Với phụ tảiquạt gió, momen động cơ ở tốc độ thấp rất nhỏ, tỉ số điện áp - tần số có thểgiảm nhỏ đến mức độ phát nóng động cơ bé nhất Trong các hệ thống truyềnđộng điện khác, mức độ tăng điện áp ở tần số thấp có thể chỉnh định phù hợpvới đặc tính phụ tải

Trong trường hợp tổng quát, với đặc tính điện áp - tần số cố định sẽkhó duy trì được từ thông khe hở không đổi khi phụ tải động cơ thay đổi Vìsụt áp trên stato là hàm của dòng điện stato ( Is ) ( khi phụ tải tăng, sức điệnđộng Is giảm ) Để khắc phục vấn đề này, điện áp động cơ có thể được điềuchỉnh tăng tỉ lệ với biên độ dòng điện động cơ ở vùng tần số thấp

1.4.1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển điện áp – tần số không đổi

Sơ đồ khối hệ thống truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ vớiđiều khiển điện áp - tần số hằng số được trình bày trên hình 1.8a Mạch lựcgồm một bộ chỉnh lưu điều khiển (CL) một pha hoặc ba pha, bộ lọc và bộnghịch lưu ( NL ) dạng sóng xung vuông Tín hiệu tần số đặt ωsđ khi bỏ qua

tần số trượt sẽ là tín hiệu đặt tốc độ Tín hiệu điều khiển điện áp Usđ được tính

từ tín hiệu tần số nhờ khâu tỉ lệ với hệ số G Ở chế độ làm việc xác lập, từthông khe hở Φ 0 sẽ xấp xỉ tỉ lệ với tỉ số Us/ωs định mức Trị số tín hiệu điện

áp U0* tương ứng với trị số điện áp ban đầu U0 của động cơ đảm bảo động cơtạo ra từ thông khe hở và momen tại tần số bằng không Ở chế độ làm việcxác lập, khi mômen phụ tải tăng , trong vùng đặc tính làm việc ổn định, độtrượt sẽ tăng và trạng thái làm việc ổn định của động cơ tương ứng với sự cânbằng giữa momen động cơ và momen phụ tải Nếu tín hiệu tần số đặt lớn tần

số định mức, điện áp bộ chỉnh lưu sẽ đạt giá trị lớn nhất và không đổi, động

cơ sẽ chuyển chế độ làm việc từ vùng momen không đổi sang vùng giảm từ

thông Từ thông khe hở sẽ giảm, do đó momen động cơ sẽ giảm khi cùng giátrị dòng điện stato.

M

4 32 1 5

6 7

( a) (b)

Hình 1.8: Sơ đồ khối hệ thống biến tần động cơ điều chỉnh điện áp đầu cực.

(a): Sơ đồ khối

(b): Đặc tính cơ

Ở hệ thống điều khiển điện áp vòng hở, từ thông khe hở sẽ thay đổitheo sự biến đổi điên áp nguồn Trên hình 1.8b là đặc tính cơ lí tưởng vớimomen tới hạn không đổi ở vùng tần số dưới định mức, khi động cơ tăng tốc

độ và giảm tốc độ Giả sử động cơ đang làm việc ở chế độ xác lập (điểm 1 );nếu tần số đặt ωsđ tăng nhảy cấp với trị số lớn, độ trượt tăng lớn, điểm làm

việc sẽ vượt qua điểm tới hạn và động cơ sẽ làm việc không ổn định Khi tần

số giảm mạnh thì động cơ cũng sẽ làm việc không ổn định Do đó, để đảmbảo quá trình tăng tốc độ và giảm tốc độ động cơ ổn định, tần số động cơ cầnđược thay đổi chậm và trơn sao cho độ trượt không vượt qua trị số tới hạn.Quá trình tăng tốc độ và hạn chế dòng điện từ điểm 1→4 được minh họa trên

đồ thị 1.8b Khi tần số tăng với giá trị lớn, động cơ sẽ chuyển điểm làm việc

từ 1 sang 2, tiếp theo là quá trình tăng trơn của tần số khi dòng điện được hạnchế ở giới hạn cho phép, tương ứng là momen hằng số ( điểm 2 – 3 ) Cuốicùng, đoạn 3- 4, dòng điện động cơ giảm dần và động cơ làm việc ổn định ởđiểm 4 Quá trình giảm tốc xảy ra và hạn chế dòng điện từ điểm 1→7

sd

ω

ω

1.4.2 Điều khiển từ thông khe hở không đổi

1.4.2.1 Nguyên lý điều chỉnh từ thông khe hở không đổi

Điều khiển từ thông khe hở không đổi, động cơ không đồng bộ có khảnăng sinh momen lớn trong giải điều chỉnh tốc độ rộng, ngay cả khi ở dải tần

số thấp khi ảnh hưởng của điện trở stato lớn Để duy trì được từ thông khe hởkhông đổi trong giải tốc độ rộng, sức điện động stato sẽ được điều chỉnh tỉ lệvới tần số stato cho phương pháp điều chỉnh tỉ lệ điện áp- tần số không đổi

Sức điện động stato được tính theo công thức sau :

Các biểu thức trên cho thấy từ thông khe hở tỉ lệ với tỉ số Es/ωs và do

đó tỉ lệ với tích số LmIm Do đó điều khiển từ thông khe hở không đổi sẽ đồngnghĩa với điều chỉnh tỉ số Es/ωs không đổi Nếu mạch từ động cơ không bãohòa và Lm là hằng số, từ thông khe hở sẽ tỉ lệ với dòng từ hóa Trong thực tếdòng điện từ hóa có thể duy trì ở trị số định mức (tương ứng với điện áp, tần

số định mức và phụ tải định mức)

Ở chế độ non tải, dòng điện từ hóa sẽ có giá trị lớn tương đối so với giátrị ở chế độ làm việc bình thường của động cơ

Theo sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ, dòng điện roto động

cơ I’r xác định theo biểu thức:

I’r =

σ

r r

s

X s

r σ =ωs.L'rσ - Điện kháng tản mạch roto qui đổi về stato

Sử dụng phương trỡnh (1.7), phương trỡnh (1.14) được viết dưới dạngsau:

2

' '

2 '

σ

ω ω

r r

sl s

s r

X R

E I

1.4.2.2 Điều khiển từ thụng khe hở bằng điều khiển điện ỏp - tần số

Với phương phỏp điều khiển điện ỏp- tần số động cơ cú thể làm việcđược ở 2 vựng tốc độ, vựng tốc độ dưới cơ bản và vựng tốc độ trờn cơ bản

a Vựng tốc độ dưới cơ bản.

Khi làm việc với từ thụng khe hở khụng đổi, động cơ sẽ sinh ra momenđịnh mức ứng với dũng điện động cơ và tần số trượt định mức (đồ thị hỡnh1.9) Do đú vựng làm việc này tần số trượt f2 sẽ là hằng số ứng với phụ tảiđịnh mức Tổn hao cụng suất trờn điện trở roto Pr=3Rr’Ir’2 cũng là hằng số.Tuy nhiờn, trong điều kiện làm việc thực tế ở vựng tốc độ rất thấp, ở động cơ

tự làm mỏt do mức độ làm mỏt kộm đi, động cơ khụng thể làm việc với phụtải định mức nờn momen động cơ sẽ giảm

2.0

1.0

M/M đm

Vùng momen không đổi

Vùng công suất không

đổi

Vùng tốc

độ cao

1.0 0

Hỡnh 1.9: Đặc tớnh cơ của động cơ khụng đồng bộ

rdm

r

ω ω

1.0 2.0 0

Thay phương trình (1.14) vào phương trình (1.6) ta có phương trình momencủa động cơ như sau:

I’2=

s s

Theo (1.20) tần số trượt fr tăng dần theo tần số fs như đồ thị hình 1.9bTốc độ roto động cơ sẽ tăng tỉ lệ với tần số:

ωr=ωs(1-s)=Kfs (1.21)

Do điện áp đặt vào động cơ là hằng số, tỉ số fr/fs là hằng số, nên giá trịmomen lớn nhất của động cơ trong vùng làm việc trên tốc độ cơ bản đượcbiểu diễn theo tần số và momen định mức theo biểu thức:

Như minh họa trên hình 1.9, giới hạn trên của tốc độ động cơ ở vùngcông suất không đổi sẽ ứng với điểm tần số roto đạt đến điểm tới hạn vàmomen động cơ sẽ tương ứng với momen tới hạn Trong thực tế, thôngthường phải hạn chế tần số roto giới hạn nhỏ hơn trị số ứng với điểm tới hạn

vì khi động cơ làm việc gần điểm tới hạn, dòng điện động cơ sẽ tăng và do đótổn hao đồng cũng sẽ lớn trong khi momen không tăng Đồng thời, ở tốc độcao, từ thông khe hở giảm, dòng từ hóa nhỏ Khi duy trì dòng điện stato địnhmức, dòng điện roto có thể lớn hơn định mức Do đó động cơ có thể sinh ramomen và công suất lớn hơn giá trị định mức

Mặt khác, do dòng điện từ hóa giảm nên tổn hao công suất giảm vàđiều kiện làm mát ở tốc độ cao cũng được cải thiện tốt hơn

c Sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh điện áp- tần số

Hình 1.11 là sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín điện áp- tần số với điềukhiển tần số độ trượt và hạn chế momen

cl

nl pi

t

c

u/f hc

sơ đồ có thể coi là mạch vòng điều chỉnh momen bên trong mạch vòng tốc độ.Khi tín hiệu đặt tốc độ thay đổi nhảy cấp đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ đượchạn chế ở giá trị tương ứng với tần số trượt lớn nhất, do đó dòng điện vàmomen động cơ được hạn chế ở mức độ cho phép trong quá trình gia tốc.Động cơ sẽ gia tốc nhanh lên đến tốc độ đặt, khi đó tần số trượt sẽ giảmxuống tới giá trị tương ứng với momen phụ tải Khi tín hiệu đặt tốc độ giảmnhảy cấp; tín hiệu tần số trượt đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ mang dấu “-“, động

cơ sẽ làm việc ở chế độ hãm, năng lượng tái sinh được tiêu tán trên điện trởhãm của mạch 1 chiều hay trở về lưới điện nhờ bộ chỉnh lưu điều khiểnngược

rd

s

ω

1.4.2.3 Điều khiển từ thông không đổi bằng điều khiển dòng điện-tần số trượt.

a Quan hệ dòng điện tốc độ trượt

Momen động cơ tạo bởi từ thông qua khe hở và dòng điện động cơ nênđiều khiển trực tiếp dòng điện stato sẽ nhận được đặc tính động học cao hơnphương pháp điều khiển điện áp stato Mặt khác, với bộ biến tần gián tiếpnguồn dòng điều khiển, dễ dàng hạn chế dòng điện và thực hiện bảo vệ ngắnmạch, do vậy sẽ thiết kế được mạch nghịch lưu có độ kinh tế cao

Từ thông khe hở tỉ lệ với dòng điện từ hoá khi mạch từ không bão hoà,nên để duy trì từ thông khe hở không đổi, dòng từ hoá phải được duy trìkhông đổi Theo điều kiện từ thông khe hở không đổi, dòng điện stato sẽ chỉ

là hàm của tốc độ roto và không phụ thuộc vào tần số stato

-10 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

-20 -15 0.1

5 -5 0 10 15 20 0

Is=Im

2 2

'

2 2

'

) (

) (

σ

ω

ω

r sl r

r sl r

L R

L R

+ +

(1.23)

Như vậy để duy trì từ thông khe hở không đổi, dòng điện stato cần thayđổi theo hàm số của tốc độ trượt ωsl (1.23) ứng với giá trị dòng điện từ hoáyêu cầu Giá trị dòng từ hoá đựơc xác định tương ứng với chế độ làm việckhông tảỉ của động cơ ở điện áp và tần số định mức Quan hệ chính xác giữadòng điện stato và tốc độ trượt của 1 động cơ có thể được thực hiện bằngkhâu tạo hàm tương tự hoặc gián đoạn Đặc tính Is(ωsl) của động cơ 170W,

50Hz được minh hoạ trên hình 1.12 Dễ dàng nhận thấy rằng dòng điện statokhông phụ thuộc vào dấu của ωsl, tương ứng với 2 trạng thái làm việc động cơ

ω

r r r

m sl L R

L

+

(1.24)Momen động cơ là hàm của dòng điện stato và tốc độ trượt nhận đượcbằng kết hợp (1.17) và (1.24):

' 2

) (

/ ) (

r sl r

sl r m sl

L R

R L

σ

ω

ω ω

(1.25)Momen động cơ chỉ là hàm của tốc độ trượt và không phụ thuộc vàotần số stato Ứng với một giá trị dòng điện stato, giá trị momen tới hạn:

c.Sơ đồ hệ thống điều khiển dòng điện- tần số trượt.

Sơ đồ thực tế sử dụng biến tần gian tiếp nguồn dòng trình bày trên

hình 1.13

Ở chế độ làm việc độ trượt động cơ bằng không, momen động cơ bằngkhông dòng điện stato động cơ có trị số nhỏ nhất đủ để tạo ra từ thông khe hởkhi độ trượt tăng, dòng điện Id tăng để duy trì từ thông khe hở không đổi, hoặctương đương với điều khiển điện áp- tần số không đổi Đặc tính I’s(ωsl) đốixứng qua trục tung; do đó hệ thống truyền động điện có khả năng làm việcđược ở bốn góc phần tư Một dạng khác của sơ đồ điều khiển từ thông khe hởthông qua điều khiển tần số- tần số trượt được trình bày trên hình 1.14 sauđây.

rd

ω

r

Hình 1.14: Hệ thống truyền động điều khiển độ trượt sử dụng biến tần gián

được tính từ dòng điện mạch một chiều nhờ khâu tạo hàm Tương tự như sơ

đồ (hình 1.11) và (hình 1.13), tín hiệu điều khiển tần số stato được tạo ra bằngcộng hai tín hiệu tốc độ trượt ωsld và tốc độ động cơ ωr Như vậy từ thông khe

hở được điều khiển gián tiếp ở giá trị định mức bằng cách thay đổi tần sốtrượt là hàm của dòng điện một chiều của bộ chỉnh lưu Id Khi động cơ làmviệc không tải, ωsld xấp xỉ bằng không, dòng điện một chiều có trị số tối thiểutương ứng với dòng điện từ hoá của động cơ Giá trị nhỏ nhất của dòng điệncũng cần thiết cho điều kiện chuyển mạch của nghịch lưu dòng điện

Biến tần gián tiếp nguồn dòng điện có ưu việt so với nghịch lưu điện áp vềkhả năng hãm tái sinh Chế độ hãm tái sinh ở sơ đồ (hình 1.14) xảy ra khi tốc

độ trượt âm được thực hiện nhờ một khâu “cảm biến dấu” Khâu “cảm biếndấu” sẽ phát hiện sự thay đổi dấu của sai lệch tốc độ và làm thay đổi dấu của

ωsl trong khi dòng điện Idd luôn không thay đổi dấu Trong chế độ hãm táisinh, nếu tốc độ trượt có trị số lớn hơn giá trị tới hạn, động cơ sẽ hãm tái sinh,nếu tốc độ trượt có trị số lớn hơn giá trị tới hạn, động cơ sẽ giảm tốc độ vớimomen hãm lớn nhất Khi đảo thứ tự phát xung (chuyển mạch) của bộ biếntần, động cơ sẽ đảo chiều và hệ truyền động điện có thể làm việc ở cả bốn gócphần tư.

Tương tự như sơ đồ điều khiển điện áp- tần số, khâu tạo hàm Id (ωsl)hoặc (ωsl)Id được tính sẵn dựa vào các thông số của động cơ bằng các mạchphần ứng tương tự hoặc các thiết bị tính vi xử lý

Quan hệ Id(ωsl) phụ thuộc vào các tham số điện trở và điện cảm động

cơ Trong quá trình làm việc, điện trở có thể thay đổi theo nhiệt độ; điện cảm

sẽ thay đổi theo độ lớn dòng điện và mạch từ có thể bão hoà cục bộ do phân

bố của từ thông tản Do đó khó duy trì được từ thông khe hở không đổi Khihàm số Id(ωsl) được tính sẵn theo các thông số định mức của động cơ

1.4.3 Điều khiển momen

1.4.3.1 Nguyên lý điều khiển.

Momen điện từ động cơ được tính theo biểu thức (1.6).

M=

s r

pI

ω

2 '

3

s

R r'

(1.28)Trong đó: ωs=2лfs

) / '

ω

r s r

m s

L s

M=

s r

pI

ω

2 '

3

s

R r'

' ' '

/ 1

s R L

I I pL

r

r s

r m m

momen động cơ không đồng bộ Ví dụ, khi IsΦ là hằng số, momen động cơ sẽthay đổi sẽ thay đổi tuyến tính theo Ism như minh họa bằng sơ đồ cấu trúc hình1.15

Hình 1.15: Sơ đồ cấu trúc tính momen động cơ

Trong hệ thống truyền động điện, các thành phần dòng điện isΦ,ism đượcđiều bám theo các tín hiệu đặt IsΦd và Ismd nhờ các bộ điều chỉnh dòng điệntương ứng

Các đại lượng đầu vào của các bộ điều chỉnh là các biên độ dòng điệnstato Isd và ωsd Biên độ dòng điện dòng stato là:

Isd= 2 2

smd d

I φ + (1.32)

Thông thường ωsL’r<<R’r/s nên phương trình (1.29) được viết lại nhưsau:

Ismd=IsФd R s

L

r

m sd

smd r

I L

I R

smd r

I L

I R

φ

'

(1.35)

1.4.3.2 Hệ thống điều khiển momen và từ thông.

Trên hình 1.16 là sơ đồ khối hệ thống truyền động điện biến tần giántiếp nguồn áp dạng PWM điều khiển tốc độ với điều khiển độc lập momen và

Usd Kênh điều khiển momen gồm hai mạch vòng điều chỉnh tốc độ và momen

sẽ tạo tín hiệu đặt tần số stato Mạch vòng điều chỉnh momen ở bên trongmạch vòng điều chỉnh tốc độ sẽ làm cho phản ứng của mạch vòng điều chỉnh

tốc độ nhanh hơn và ổn định hơn Từ hai tín hiệu đặt biên độ dòng điện vàtần số, khối phát sóng hình sin sẽ tạo ra ba tín hiệu đặt dòng điện xoay chiều

ba pha đối xứng Dòng điện ba pha được đo nhờ các cảm biến dòng điện vàđưa về phản hồi cho ba mạch vòng điều chỉnh dòng điện xoay chiều với bộđiều chỉnh dòng có dạng trễ Các tín hiệu đầu ra của các bộ điều chỉnh dòngđiện là các tín hiệu điều biến của mạch nghịch lưu dòng điện PWM

1.4.4 Điều khiển độ trượt

1.4.4.1 Nguyên lý điều khiển.

Khi động cơ làm việc với độ trượt tới hạn, hệ số công suất cosφ và hiệusuất sẽ cao Ngược lại khi độ trượt động cơ lớn hơn độ trượt tới hạn, hệ sốcông suất và hệ số momen dòng điện sẽ thấp Trạng thái làm việc với độtrượt lớn xảy ra khi động cơ khởi động trực tiếp với điện áp định mức, dòngđiện động cơ sẽ lớn gấp 5-6 lần định mức, nhưng momen khởi động có thểnhỏ hơn định mức Ở hệ thống điều khiển tần số, luật điều khiển tần số phảiđảm bảo cho động cơ làm việc với độ trượt nhỏ Như vậy động cơ sẽ làm việc

ổn định với hệ số công suất và tỉ số momen dòng điện lớn và sẽ giảm nhỏ tối

đa dòng điện cho nghịch lưu

Có hai phương pháp điều khiển độ trượt: Điều khiển trực tiếp và điềukhiển gián tiếp Ở phương pháp điều khiển gián tiếp, độ trượt được điều khiểnthông qua điều khiển dòng điện stato và từ thông khe hở Phương pháp nàyyêu cầu phải có cảm biến từ thông là loại cảm biến khó chế tạo và giá thànhđắt; vì vậy khả năng ứng dụng trong thực tế bị hạn chế Phương pháp điềukhiển trực tiếp tỏ ra ưu việt hơn phương pháp điều khiển gián tiếp về độchính xác cao Ở hệ thống điều khiển trực tiếp, phản hồi tốc độ được thựchiện từ một máy phát tốc độ

Nội dung cơ bản của phương pháp điều khiển độ trượt là tốc độ góc củanguồn điện stato được tính từ tốc độ trượt và tốc độ roto động cơ, trong đó tốc

độ trượt được điều chỉnh:

Hình 1.17: Sơ đồ điều khiển độ trượt

Trong đó tín hiệu đặt độ trượt ωsld cộng với tốc độ động cơ tạo ra tínhiệu đặt tần số góc stato ωsd Do tốc độ quay động cơ khá lớn, nên để đạt độchính xác cao, cần sử dụng máy phát tốc có độ chính xác cao hoặc máy pháttốc kiểu xung Khi ωsld âm, tốc độ góc ωsd sẽ nhỏ hơn ωr, động cơ không đồng

bộ làm việc với độ trượt và làm việc ở trạng thái hãm tái sinh trả năng lượng

về bộ biến đổi công suất Với bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng, động năngtích luỹ trong hệ thống được hãm tái sinh trả về lưới điện Ở các bộ biến tần

có bộ chỉnh lưu không điều khiển, năng lượng dư thừa sẽ tiêu tán trên điện trởhãm nối trong mạch một chiều Trị số độ trượt lớn nhất được hạn chế sao chođộng cơ làm việc với độ trượt nhỏ hơn trị số tới hạn ở trạng thái động cơ và

máy phát Như vậy chế độ làm việc ổn định của động cơ có thể gần điểm tớihạn để động cơ đạt được tỉ số momen trên 1 ampe lớn và đặc tính động tốt khitốc độ thay đổi tức thời.

1.4.4.2 Phương trình đặc tính động cơ

Khi tần số trựơt bị hạn chế ở giá trị nhỏ, các phương trình đặc tính của động

cơ có thể nhận được ở dạng đơn giản Momen động cơ có thể viết ở dạng tổngquát như sau:

M=KФIr’cosφr (1.38)

Trong đó: Ф-từ thông khe hở ở một cực từ

Ở chế độ làm việc tần số trượt thấp, hệ số công suất roto cosφ2 gầnbằng 1, nên momen động cơ sẽ là:

Như vậy khi từ thông khe hở không đổi và độ trượt nhỏ, momen động

cơ tỉ lệ với tốc độ trượt ở cả trạng thái động cơ và trạng thái máy phát Tốc độroto không ảnh hưởng đến momen động cơ, momen động cơ chỉ suy giảm do

ma sát ổ trục

1.4.5 Điều khiển tối ưu theo hiệu suất

1.4.5.1 Các hệ thống điều khiển tối ưu theo hiệu suất

a Hệ thống điều khiển tốc độ trượt theo hiệu suất

Sơ đồ hệ thống điều khiển tối ưu hiệu suất ở hệ thống truyền động điệndung biến tần gián tiếp nguồn dòng điện như hình 1.18

Hình 1.18: Hệ thống điều khiển độ trượt tối ưu theo hiệu suất

Bộ điều chỉnh tốc độ và bộ điều chỉnh dòng điện đều có cấu trúc PIđảm bảo sai lệch tĩnh bằng không Tín hiệu ra của bộ điều chỉnh tốc độ làlượng đặt tốc độ trượt ωsld Đại lượng đặt dòng điện của vòng điều chỉnh dòngđiện được tính từ tín hiệu đặt tốc độ trượt bằng một khối được lập trình trước(TH)

Quan hệ giữa tín hiệu đặt dòng điện và tốc độ trượt được xây dựng dựatrên điều kiện tối ưu hiệu suất có dạng như trên đồ thị hình 1.19a

(a) (b) (c)

Hình 1.19: Các đặc tính của chế độ điều chỉnh tối ưu theo hiệu suất

(a): Quan hệ Is(ωsl)

(b): Quan hệ ωsl(ωsl*)

(c): Quan hệ tốc độ trượt tối ưu và tốc độ góc roto

Đường nét liền ứng với chế độ điều khiển tối ưu hiệu suất, đường nétđứt ứng với chế độ điều khiển từ thông khe hở không đổi kinh điển Như đã

thấy từ đồ thị hình 1.19, chế độ làm việc của động cơ ở phụ tải bé (gần khôngtải), cả từ thông khe hở và dòng điện stato, do đó hệ số công suất sẽ tăng vàtổn hao giảm Khi phụ tải tăng, dòng điện stato sẽ phải tăng để bù cho sựgiảm của từ thông khe hở Quan hệ giữa tốc độ trượt làm việc ωsl và tín hiệutốc độ trượt đặt ωsld trình bày trên hình 1.19b ở vùng ωsld<ωslo động cơ sẽ làmviệc với tốc độ trượt không đổi Hình 1.19c là đường đặc tính mô tả quan hệgiữa tốc độ trượt tối ưu và tốc độ động cơ Rõ ràng tốc độ trượt tối ưu tăng tỉ

lệ với tốc độ động cơ

b Hệ thống điều khiển tối ưu theo hiệu suất trên cơ sở mô hình tổn hao

Ở hệ thống điều khiển tối ưu theo hiệu suất, tần số góc nguồn điện statođược tính :

Hình 1.20: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển với mô hình tổn hao

Bộ điều khiển đo liên tục tốc độ của động cơ và tính ra tần số f theothuật toán đảm bảo hiệu suất cao nhất Hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển

tối ưu hiệu suất có thể xác định bằng tính toán hoặc mô phỏng và có thể chỉnhđịnh bù nhiệt độ Bộ điều chỉnh tốc độ đưa tín hiệu điều chỉnh bộ chỉnh lưu đểđiều chỉnh điện áp, từ đó điều chỉnh momen động cơ nhằm duy trì tốc độ độclập với điều chỉnh tần số.

Chương 2

BIẾN TẦN MICROMASTER CỦA HÃNG SIEMENS2.1 GIỚI THIỆU VỀ HÃNG SIEMENS VỚI CÁC SẢN PHẨM CÔNG NGHIỆP

Siemens là tập đoàn điện - điện tử và thiết bị viễn thông lớn và uy tínhàng đầu thế giới Siemens đã bắt đầu xâm nhập thị trường Việt Nam từ năm

1979 Hoạt động của tập đoàn này được mở rộng tại Việt Vam vào nhữngnăm 1989 Khởi động bằng việc xây dựng đường truyền số liệu kết nối HàNội với các tỉnh thành với tốc độ truyền 140Mbit/s

Việc thành lập văn phòng đại diện vào năm 1993 tại Hà Nội và ThànhPhố Hồ Chí Minh là một trong những bước tiến quan trọng trong lịch sử củatập đoàn siemens

Siemens có truyền thống là nhà cung cấp hàng đầu về hệ thống tự độnghoá quá trình và các sản phẩm công nghiệp khác cho thị trường thế giới Mụctiêu của Siemens trong các nghành tự động hoá truyền động , thiết bị đóngcắt, điện - điện tử là trở thành công ty dẫn đầu thị trường thế giới, đồng thời

mở rộng kinh doanh trên lĩnh vực này `

Tập đoàn siemens không ngừng giới thiệu mới các dòng sản phẩm củamình thông qua mạng báo trí và triển lãm Các dòng sản phẩm công nghiệpcủa siemens đã mang tới cho người dùng đầy bất ngờ, với những thiết bị ngàycàng hiện đại và nhiều tính năng hơn

Siemens có bề dày kinh nghiệm trong các hệ thống truyền động điệncông nghiệp Bên cạnh các sản phẩm công nghiệp tên tuổi như điện thoại diđộng , các máy công cụ, PLC, các thế hệ cảm biến và các thế hệ biến tần( Như Simodrive, Materdrive, Micromater ) Hiện nay Siemens còn đưa ra thịtrường nhiều dòng sản phẩm công nghiệp hiện đại hơn như dòng biến biến tầnhợp nhất mới có thể cung cấp cho hầu hết mỗi cấp công suất và cho mỗi tính

năng vận hành theo yêu cầu của từng hệ TĐĐ Với những sự phát triển nhưvậy thì Siemens đang là một trong những tập đoàn lớn trên thế giới

2.2 CẤU TẠO CỦA BIẾN TẦN MICROMASTER CỦA HÃNG SIEMENS

2.2.1 Giới thiệu chung về BBT MM.

(a) ( b)

(c)

(d)

Hình 2.1: Giới thiệu một số dòng biến tần MM

(a) BBTMM 410, 0.12 Kw-0.55Kw , 100-120V , 1AC (b) : BBTMM420 , 0.12-3.0Kw , 200-240V , 1AC(c) : BBTMM420 , 7.5-250Kw , 380-480V , 3AC(d) : BBTMM440 , 0.37-75Kw , 380-480V , 3AC