Giao trinh bai tap chuong3 cstd

Ta có các so sánh sau về hai loại động cơ một chiều và KĐB: Động cơ DC Cấu tạo phức tạp, giá thành cao Hiệu suất thấp, sụt tốc theo tải lớn Yêu cầu bảo trì thường xuyên Momen khởi động,

CHƯƠNG 8 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC

VIII 1 CÁC VẤN ĐỀ VỀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU:

1 So sánh động cơ xoay chiều và một chiều:

Động cơ xoay chiều gồm có động cơ đồng bộ (ĐB) và không đồng bộ (KĐB) Nếu động

cơ ĐB chỉ được dùng khi công suất rất lớn (hàng MW) do cấu tạo phức tạp và khó điều khiển thì động cơ KĐB lại rất phổ biến ở mọi ngành kinh tế quốc dân Vì thế từ động cơ xoay chiều thường dùng để chỉ động cơ KĐB nếu không có sự nhấn mạnh khác Ngoài ra, trong họ động cơ xoay chiều còn có động cơ một chiều không cổ góp (brushless DC motor) được sử dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp vào thời gian gần đây do có các ưu điểm của động cơ KĐB và động cơ một chiều Vì thế trong chương này, ta sẽ khảo sát các sơ đồ truyền động với hai loại động cơ này

Ta có các so sánh sau về hai loại động cơ một chiều và KĐB:

Động cơ DC

Cấu tạo phức tạp, giá thành cao

Hiệu suất thấp, sụt tốc theo tải lớn

Yêu cầu bảo trì thường xuyên

Momen khởi động, khả năng quá tải

Dòng khởi động lớn và không thể khỡi

động trực tiếp

Điều khiển tốc độ chất lượng cao bằng

cách thay đổi áp phần ứng

Động cơ KĐB Cấu tạo đơn giản, giá thành hạ Hiệu suất cao, sụt tốc theo tải bé Gần như không phải bảo trì Momen khởi động, khả năng quá tải

Dòng khởi động lớn và cho phép khỡi

động trực tiếp Điều khiển tốc độ chất lượng cao bằng

cách thay đổi tần số nguồn (biến tần) Trước đây, truyền động điện động cơ DC luôn được dùng khi cần chất lượng cao cho đến khi các bộ biến tần bán dẫn xuất hiện Từ những năm 70, các bộ biến đổi tần số bán dẫn đã được nhiều công ty sản xuất nhưng chỉ đến các năm cuối thế kỷ 20 thì các hệ thống điều khiển tần số động cơ KĐB mới thật sự chiếm lĩnh thị trường truyền động điện có điều khiển tốc độ, khi mà giá thành và chất lượng biến tần có sự thay đổi về chất nhờ sự phát triển vượt bực của công nghiệp bán dẫn công suất và vi điều khiển

2 Đặc tính cơ động cơ KĐB và điều khiển tốc độ:

Có hai mô hình được sử dụng để khảo sát động cơ KĐB:

- Mô hình tĩnh: mạch tương đương của động cơ KĐB là một biến áp có thứ cấp quay Mô hình này thường được dùng khi khảo sát trạng thái xác lập hay quá trình quá độ điện cơ, khi cho các cuộn dây động cơ không có quá trình quá độ (không có quá độ điện từ)

- Mô hình động: Mô hình này dựa vào lý thuyết về động cơ phổ quát (generalized machine), sử dụng biểu diễn dạng ma trận hay phương trình trạng thái, nó cho phép khảo sát quá trình quá độ khi tính đến quán tính điện từ của động cơ và nhờ đó điều khiển chính xác động học của động cơ xoay chiều trong đó có động cơ không đồng bộ Mô hình động phải được sử dụng khi điều khiển vector

a Mạch tương đương động cơ KĐB và đặc tính cơ:

Dòng điện ba pha lệch nhau 120o theo thời gian chạy qua các cuộn dây xtator được bố trí lệch 120o trong không gian sẽ tạo ra từ trường quay (TTQ) ở khe hở, có tốc độ là n o 60 f

p

⋅

bằng vòng/phút (RPM), hay w o =2 .π f khi tính bằng rad/s, với f là tần số , p là số đôi cực

Momen quay là kết quả của sự tương tác của từ trường rotor và từ trường quay này Ở động cơ đồng bộ, từ trường rotor do nam châm vĩnh cửu hay dòng kích từ tạo ra Ở động cơ KĐB, từ trường rotor tạo ra do dòng điện cảm ứng trong các cuộn dây rotor với nguồn kích thích là TTQ xtator Vì thế rotor không thể tự quay đồng bộ (cùng tốc độ) với TTQ, khi mà sức điện động cảm ứng bằng không dẫn đến dòng rotor bằng không

Khi khảo sát sự làm việc trong chế độ xác lập ở tần số f o , mô hình của động cơ KĐB là một biến áp, sơ cấp là các cuộn dây xtator, thứ cấp là các cuộn dây rotor Khi rotor quay với tốc

độ là wr , nó có độ trượt so với TTQ là o r

o

w w s

X1, R1: điện kháng tản và điện trở cuộn dây xtator

Xu: điện kháng từ hóa; Ro: đặc trưng cho các tổn hao trong mạch từ xtator

X’2 và R’2: điện kháng tản và điện trở cuộn dây rotor quy đổi về xtator

Từ trường quay

Rotor

wo

r w

Ro

jX2

E

Hình VIII.1.1.(a) Từ trường quay (TTQ) xtator và (b) mô hình động cơ dùng biến áp quay

ROTOR qui đổi về xtator

XTATOR

U U

jXnm jXu

jX1

R'2/s jXu

jX'2

R'2/s R1

Ro

Hình VIII.1.1 (c) và (d): mạch tương đương của động cơ KĐB khi quy đổi về xtator và gần đúng

Để tính toán đơn giản, người ta hay sử dụng mạch gần đúng hình VIII.1.1 (d) khi bỏ qua R1, Ro và ghép X1 + X’2 = Xnm Khi đó:

dòng điện rotor quy đổi về xtator: '

với U: điện áp pha và công suất cung cấp cho rotor (công suất điện từ) P2 hay công suất điện từ (tổng công suất rotor nhận) Pđt : 2' ( )' 2

Hình VIII.1.2.a Đặc tính cơ động cơ KĐB khi thay

đổi áp xtator và (a) là đặc tính phụ tải quạt gió.

Hình VIII.1.2.b Quan hệ dòng điện rotor I khi thay đổi tốc độ, ở độ trượt s bé, I tỉ lệ với s,

Tổn hao của động cơ, xem như chỉ có ở điện trở rotor: ' ( )' 2

2 3 .2 2 đt

Δ Δ = = <VIII.1.3> và công suất cơ nhận được trên trục động cơ: P o =M.ω=P đt− Δ = −P (1 s P) đt <VIII.1.4>

Từ đó có thể suy ra biểu thức của momen :

2 t

t t

w x

= <VIII.1.6>

Mt xuất hiện khi độ trượt bằng giá trị tới hạn 2'

t nm

R

s s

x

= = ± <VIII.1.7>

và đặc tính cơ động cơ KĐB được vẽ trên hình VIII.1.2 khi thay đổi áp pha xtator U

Các nhận xét:

¾ Nhận xét đầu tiên rất quan trọng là khi tần số f o không đổi, công suất điện từ tỉ lệ với

momen động cơ M và tổn hao rotor ΔP tỉ lệ với tích số độ trượt và momen:

P =M w ; Δ =P s M w o <VIII.1.8>

Tổn hao rotor ΔP tỉ lệ momen M, độ trượt s và tốc độ đồng bộ wo, điều này không

phụ thuộc phương án điều chỉnh tốc độ Từ đó suy ra các phương pháp điều khiển tốc độ động

cơ KĐ với tần số không đổi sẽ có hiệu suất thấp nếu momen tải M không đổi

¾ Khi độ trượt s bé, momen M có thể xem tỉ lệ với độ trượt Thật vậy:

2 2 .

=+

suy ra khi đómomen M cũng tỉ lệ với dòng điện như động cơ một chiều

¾ Khi độ trượt tăng cao, momen tăng chậm và qua cực trị là momen tới hạn Mt sau đó

giảm rất nhanh trong khi dòng điện I’2 vẫn tăng, đến 5 7 lần dòng định mức khi s = 1 Momen bé (có thể bé hơn momen định mức ở các động cơ độ trượt bé, hiệu suất cao) trong khi dòng khởi động lớn là nhược điểm rất lớn của động cơ KĐB so với động cơ một chiều

¾ M bằng không khi hoạt động ở tốc độ đồng bộ, động cơ hãm (tương ứng chế độ máy phát) khi hoạt động ở tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ và không có ổn định tĩnh với tải mômen hằng số khi s > st hay s < - st Độ trượt ở momen định mức từ 3 5 % đối với động cơ thông thường và cao hơn đối với các động cơ có momen khởi động lớn, dòng khởi động bé Có thể nhận xét là sụt tốc tương đối của truyền động điện dùng động cơ KĐB theo tải khá bé so với động cơ DC

b Mô hình động của động cơ KĐB:

Mạch tương đương khảo sát phần a chỉ đáp ứng cho việc tính toán chế độ xác lập hay

quá độ không tính đến quán tính điện từ Để khảo sát đầy đủ hơn, kể cả ảnh hưởng của bảo hòa từ trên đáp ứng của hệ thống, người ta sử dụng mô hình động của động cơ KĐB

* Một số kiến thức cơ sở máy điện: (Xem phụ lục chương VIII : TTQ và các phép biến đổi)

- Biểu thức căn bản của momen động cơ: Từ nguyên lý momen của động cơ KĐB là do sự tác động của từ trường khe hở trên dòng điện trong rotor, người ta thành lập biểu thức momen động cơ KĐB Momen này tỉ lệ với tích vector của dòng điện rotor và từ thông khe hở:

I : vector sức từ động (MMF) rotor

δ : góc lệch giữa vector sức từ động rotor và vector từ thông khe hở, hệ số 3/2 xuất hiện

do các tính toán 3 pha

<VIII.1.18> là dạng vector của biểu thức momen (hay) lực điện từ, hay biểu thức momen của động cơ một chiều

- Thành lập hệ phương trình vi phân mô tả động cơ KĐB dựa vào tự cảm và hỗ cảm các cuộn dây xtator và rotor: Phương trình cho vector điện áp xtator:

chỉ số s trên dùng để nhấn mạnh là đang khảo sát đối với hệ tọa độ đứng yên , ,v i s s s s ψs s lần lượt là vector giá trị tức thời của áp, dòng xtator, từ thông móc vòng đối với hệ trục cố định Mỗi vector có thể biểu điễn dưới dạng:

s

X = X U +X U +X U <VIII.1.20>

với U U U là các vector cơ hệ ba pha ( as, bs, cs 1,e j23π,e j43π)

Nếu hệ trục tọa độ quay với tốc độ đồng bộ w, <VIII.1.19> được viết lại:

Nếu thế w = 0 vào, ta có lại phương trình áp xtator đối với hệ tọa độ vuông không quay

(α,β) Xét mạch rotor với giả sử có áp xung đối, phương trình ở hệ tọa độ quay cũng hoàn toàn

tương tự, chỉ số r để chỉ thông số rotor nhưng trong khảo sát ta luôn quy đổi về mạch xtator:

Vì rotor quay tốc độ wr nên đối với hệ trục quay tốc độ w, ta có tốc độ tương đối w – wr

và <VIII.1.23> phải bổ sung thành:

trong đó Ll là tự cảm tản, Lm là tự cảm từ hóa, chỉ số s hay r chỉ rằng đại lượng thuộc về

xtator hay rotor

i

qs

dr _

qr r

Mạch tương đương trục d

Mạch tương đương trục q

Điện áp xung đối ở rotor vr đưa vào để nâng tính tổng quát của mô hình (nhớ lại mô hình

biến áp của động cơ) Với động cơ lồng sóc, đối áp này bằng 0 (ngắn mạch)

Từ đó có thể viết phương trình liên quan các thành phần dòng , áp xtator vds, vqs, ids,

iqs và rotor vqr, vdr, idr, iqr theo điện trở, điện cảm động cơ là 4 phương trình vi phân bậc

nhất, dưới dạng ma trận như sau:

3

( )2

i : vector liên hợp của dòng rotor

Biểu thức momen động cơ M này và cùng với phương trình căn bản của truyền động điện:

− = = <VIII.1.28> trong đó chỉ số m được thêm vào để ký hiệu

wm là tốc độ thực của động cơ (phân biệt w là tần số), wr là tốc độ điện, p là số đôi cực, cho ta

đủ điều kiện để khảo sát động học của động cơ có tính đến quán tính điện từ

Ở tọa độ (d,q), dòng áp là những giá trị một chiều, cho phép tính toán đơn giản, sau đó ta

dùng các phép biến đổi trả về hệ ba pha thực tế

- Mô hình động cơ trong hệ α,β

(vuông góc cố định): Trong một số trường

hợp đơn giản hay để kiểm chứng lại các

biểu thức của khảo sát ở chế độ xác lập ở

phần a., ta cho w = 0 trong phương trình

<VIII.1.26> và mạch tương đương hình

VIII.1.3

Khi đó, các đại lượng dòng áp là

hình sin nhưng các biểu thức momen

<VIII.1.27> sẽ không thay đổi khi viết ở

tọa độ (α,β) cố định (công thức Stanley)

Hình VIII.1.5 là mạch tương đương một

pha của động cơ khi có xét đến từ thông,

trong đóV^mlà vec tơ áp pha có suất (biên

s Mạch tương đương trục

Mạch tương đương trục

r lr i

Hình VIII.1.4 Mạch tương đương ở hệ trục vuông góc cố định

Trong đó v vαs, βslà các điện áp ở hệ trục vuông cố định

Từ thông xuyên (móc vòng) hay sức điện động cảm ứng ψ có suất (biên độ) : ^r

ψ

ls s

m

r r

^

ψ^

^

R L

L

L R

Hình VIII.1.5 Mạch tương đương một pha và sơ đồ Thevevin khi xem L từ hóa bằng vô cùng

Trong nhiều trường hợp, Lm lớn nên bỏ qua, ta có mạch Thevenin, trong đó:

RTH = Rs + Rr và LTH = Ls + Lr , V^TH =w.ψ^r

Các nhận xét: Việc chuyển sang tọa độ quay (d,q) quay cùng tốc độ từ trường đã biến các

đại lượng hình sin (hay vector) thành một chiều (không đổi), từ đó việc tính toán trở nên đơn

giản Từ các ý nghĩa của thành phần d, q của dòng điện (điện áp) trên, người ta có thể xây dựng

thuật toán điều khiển hiệu quả hơn động cơ KĐB, làm cho TĐĐ xoay chiều có thể cạnh tranh và ngày nay đã vượt TĐĐ một chiều

c Các phuơng pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB rotor lồng sóc:

- điều khiển năng lượng trượt: Khi không thay đổi tốc độ TTQ (số đôi cực của cuộn dây,

tần số làm việc không đổi), ta chỉ có thể thay đổi tốc độ động cơ bằng cách tăng sụt tốc (hay độ trượt) Các phương pháp có thể sử dụng làđiều khiển (giảm) áp xtator, tăng R, X ở xtator Như ta

đã nhận xét ở phần khảo sát đặctính cơ, các phương pháp này có tác dụng rất hạn chế: tổn hao

ΔP tăng theo độ trượt, phạm vi điều chỉnh hẹp vì độ trượt s cần phải bé hơn st để hệ thống có ổn

định tỉnh

- Điều khiển tốc độ TTQ: Khi thay đổi tốc độ TTQ, các phương trình đặc tính cơ không đổi, và có thể xem các đặc tính của động cơ là không đổi nếu chế độ làm việc của động cơ không lệch quá xa chế độ thiết kế Khi đó, sụt tốc của động cơ bé, chỉ lệch với tốc độ của TTQ độ trượt s có trị số khoảng vài phần trăm, kết quả là có thể sử dụng điều khiển vòng hở Ngoài

ra, chi phí bảo trì thấp và hiệu suất làm việc rất cao vì như đã nhận xét ở trên, tổn hao tỉ lệ độ trượt và công suất điện từ

Có hai nguyên lý: thay đổi số đôi cực p và điều khiển tần số

Nguyên lý 1 có bất lợi chính là có nấc cố định, phải thực hiện khi chế tạo Có thể đổi nối cuộn dây để thay đổi số đôi cực (tỉ số tốc độ 2:1) hay chế tạo động cơ có nhiều cuộn dây để có tỉ số định trước Phương pháp sau có đặc tính linh hoạt hơn nhưng kích thước, trọng lượng động cơ tăng cao

o

o i v

L

Hình VIII.1.4.a: Biến tần trực tiếp, sơ đồ một pha

NL NA

NL ND

Hình VIII.1.4.b: Biến tần có trung gian một chiều

Điều khiển tần số có khả năng điều chỉnh vô cấp nhưng yêu cầu sử dụng bộ biến đổi tần số là một thiết bị rất phức tạp Có hai loại biến tần bán dẫn:

- Biến tần trực tiếp (Cycloconverter) – hình VIII.1.4.a: Sử dụng các bộ chỉnh lưu điều khiển pha làm việc 4 phần tư mặt phẳng tải với góc kích SCR thay đổi liên tục sao cho áp ra là điện xoay chiều BBĐ này chỉ cho ra tần số khá nhỏ so với tần số lưới điện nhưng có thể cung cấp cho động cơ công suất rất lớn, hàng MW

- Biến tần có trung gian một chiều: có sơ đồ khối như hình VIII.1.4.b Điện lưới được chỉnh lưu (có điều khiển hay không) thành một chiều và sau đó nghịch lưu trở lại xoay chiều Đây cũng là sơ đồ khối cho hầu hết những bộ nghịch lưu dùng trong công nghiệp vì năng lượng điện của các nhà máy đều lấy từ lưới

Có hai loại biến tần có trung gian một chiều phụ thuộc vào loại nghịch lưu được sử dụng: Biến tần với nghịch lưu nguồn dòng (NLND) và nghịch lưu nguồn áp (NLNA) Các biến tần này có đặc tính như bộ nghịch lưu tương ứng

Như đã trình bày trong phần khảo sát nghịch lưu, khi giảm tần số là cần giữ từ thông các cuộn dây không vượt quá giá trị cho phép, thường là định mức Với nhận xét đó, ta có hai phương pháp thực hiện biến tần bán dẫn cho điều khiển động cơ:

- Thay đổi áp cung cấp tỉ lệ với tần số để giữ từ thông qua mạch không vượt quá giá trị

cho phép (biến tần V/F) Khi duy trì được độ trượt s bé, động cơ KĐB sẽ làm việc với đặc tính

phụ tải momen không đổi Bất lợi của sơ đồ điều khiển này (cũng như khi hoạt động với điện lưới) ở chỗ ta cung cấp cho động cơ một nguồn áp còn momen, dòng điện động cơ phụ thuộc vào

chế độ làm việc Khi độ trượt lớn, dòng rất lớn trong khi momen bé làm giảm hiệu quả, đặc tính động kém

- Để động cơ có chế độ hoạt động

tối ưu hơn, ta có phương pháp điều khiển

vector Dựa trên nghiên cứu mô hình động

của động cơ KĐB, người ta tìm ra được

quan hệ của các thành phần của dòng

xtator với từ thông khe hở và dòng điện

rotor, từ đó tính được trị số tức thời của

dòng xtator để tạo ra momen trên trục

mong muốn Phương pháp này làm cho

đặc tính truyền động tốt hơn trong chế độ

tỉnh cũng như ở quá trình quá độ, có thể so

sánh được với động cơ DC Trong chế độ

điều khiển này, từ thông của động cơ luôn

được kiểm soát ở giá trị tối ưu

Điều khiển tần số động cơ KĐB là

phương án truyền động điện đáng chú ý

nhất hiện nay do chất lượng cao và giá Hình VIII.1.3 So sánh đặc tính cơ hai phương án điều khiển tần số: V/F và vector.

thành ngày càng hạ Ngay cả ở các phương án điều khiển đơn giản như biến tần V/F, hiệu suất và chất lượng truyền động đã khá tốt

Đối với động cơ rotor dây quấn, nhờ khả năng tác động vào mạch rotor, việc điều khiển năng lượng trượt trở nên hiệu quả hơn Có hai phương án:

* Sử dụng R phụ ở xtator: Khi đó Mt không đổi, độ trượt tới hạn st tăng theo R’2 Kết quả là phạm vi điều chỉnh tốc độ được nới rộng, tổn hao rotor tiêu tán chủ yếu trên R phụ nên không làm phát nóng động cơ ở độ trượt s lớn

* Sử dụng sức điện động xung đối ở mạch rotor, còn gọi là hệ thống nối cấp Khi đó, năng lượng trượt được tái sinh về lưới hay biến ra cơ năng cung cấp cho tải, không những phạm vi điều chỉnh tốc độ được nới rộng mà hiệu suất toàn hệ thống còn được nâng cao Nhược điểm là hệ thống phức tạp, sử dụng động cơ rotor dây quấn đắt tiền, có chi phí bảo trì cao hơn động cơ lồng sóc.

VIII 2 ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯỢNG TRƯỢT Đ CƠ KĐB:

1 Điều khiển điện áp động cơ KĐB và Soft start:

Các công thức từ <VIII.1.5> đến <VIII.1.7> cho ta nhận xét: Cùng độ trượt s, khi thay đổi (giảm) áp xtator: tốc độ TTQ không đổi, dòng điện thay đổi (giảm) tỉ lệtrong khi momen thay đổi

(giảm) theo bình phương Không những thế, độ trượt tới hạn st theo lý thuyết là không đổi làm

phạm vi điều chỉnh tốc độ bị giới hạn và tổn hao trong rotor tăng theo độ trượt làm cho điều khiển áp có tác dụng rất hạn chế đối với động cơ KĐB

- Đặc tính điều chỉnh: Để giữ tổn hao ΔP không đổi khi tốc độ TTQ không đổi, từ

Δ =P M s w o<VIII.1.8> suy ra momen tải phải giảm tỉ lệ nghịch với độ trượt:

o

P M

> 2 – đường cong (a) trên hình VIII.1.2.a Đặc tính điều chỉnh này đúng cho tất cả trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB không thay đổi tốc độ TTQ

Trong thực tế, điều khiển áp xtator dộng cơ KĐB chỉ được sử dụng trong các trường hợp:

- Truyền động tải có M giảm mạnh khi giảm tốc như tải quạt gió hay máy bôm ly tâm

(còn gọi là tải có momen thay đổi – variable torque)

- Sử dụng cho các động cơ đặc biệt, có độ trượt định mức lớn, dòng khởi động bé, có thể làm việc dài hạn ở độ trượt lớn Đó là các động cơ có rotor rãnh sâu và điện trở lớn (lớp D theo hiệp hội các nhà sản xuất thiết bị điện Mỹ – NEMA) hay động cơ có momen hầu như không đổi ở độ trượt lớn (Torque motor) Loại thứ hai này có thể dùng cho các truyền động cuộn các sản phẩm vào rulô, yêu cầu lực kéo không đổi khi tốc độ dài là không đổi ứng với tốc độ quay ru lô thay đổi theo đường kính cuộn

ĐIỀU KHIỂN

- Hạn chế dòng

- Tào hàm dốc (RAMP)

- Liên động, điều khiển logic và nối mạng

M

ĐỘNG CƠ KĐB CT

CONTACTOR (*)

Hình VIII.2.1 Sơ đồ khối bộ soft start, trong đó các phần tử

có dấu (*) là tùy chọn, chỉ dùng cho các hệ thống đắt tiền.

Hình VIII.2.2 Đặc tính cơ của động cơ ngẫu lực (Torque motor) khi điều chỉnh áp.

- Một ứng dụng quan trọng của các phương pháp này là dùng để khởi động động cơ KĐB

Sơ đồ tăng dần áp xtator bằng bộ điều khiển pha áp AC để hạn chế dòng khởi động và điều khiển gia tốc động cơ KĐB được ứng dụng rộng rãi, có tên thương mại là SOFT START Chữ SOFT START nhấn mạnh được khả năng điều khiển gia tốc của bộ khởi động Một bộ soft start hiện đại không chỉ có nhiệm vụ khởi động, nó còn có thể là một trung tâm đo lường – điều khiển động cơ được nối mạng với bộ điều khiển trung tâm của dây chuyền sản xuất hay phân xưởng

Một ứng dụng khác, ít phổ biến hơn, là sử dụng bộ điều khiển áp động cơ AC để tiết kiệm điện năng Khác với máy biến áp, động cơ KĐB có dòng không tải khá lớn (có thể đến 60% dòng định mức) do có khe hở xtator-rotor trong mạch từ Như vậy khi làm việc không tải, tổn hao trong động cơ lớn và sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng động cơ Trong trường hợp này, việc giảm áp cung cấp làm giảm tốc độ, năng suất không đáng kể nhưng sẽ làm giảm dòng điện dẫn đến giảm tổn hao công suất Hàm điều khiển là giảm nhỏ nhất dòng qua mạch ở mọi chế độ làm việc, có hạn chế áp tối thiểu và tối đa Khi đang làm việc ổn định, nếu dòng tăng ta sẽ tăng áp đến khi dòng qua cực tiểu và ngược lại

2 Ly hợp trượt (động cơ VS) :

Một hệ thống rất phổ biến ở các nước Đông Á (Nhật, Đài loan) là động cơ VS hay ly hợp trượt có sơ đồ khối HT như sau:

Lưới Ỉ Động cơ sơ cấp tốc độ cố định(KĐB) Ỉ Ly hợp trượt Ỉ Tải tốc độ thay đổi

Ưu điểm sơ đồ này là rất đơn giản, rẻ tiền, dễ chế tạo nhờ sử dụng động cơ KĐB rotor lồng sóc là truyền động sơ cấp Nhược điểm của hệ thống này là hiệu suất thấp vì đây cũng là phương án điều khiển năng lượng trượt Ly hợp trượt gồm có hai phần (hình VIII.2.3):

- Phần chủ động (sơ cấp) là những cực

từ làm bằng những khối sắt kết hợp với cuộn

kích từ điện một chiều, nối cứng với động cơ sơ

cấp nên quay với tốc độ cố định Từ trường tạo

ra là từ trường quay như động cơ KĐB

- Phần thụ động (thứ cấp) cũng là những

những khối sắt nối với tải và chuyển động

trong TTQ của phần chủ động

Động cơ

sơ cấp

Tải Khớp chủ động Khớp bị động

Cuộn dây kích từ

Hình VIII.2.3 Nguyên lý cấu tạo VS motor

Ly hợp trượt làm việc theo nguyên lý của động cơ KĐB, phần thụ động chuyển động quay theo TTQ, nhưng độ trượt sẽ phụ thuộc vào dòng kích từ là dòng điện một chiểu qua cuộn dây và momen cản của tải Đặc tính cơ khi thay đổi dòng kích từ có dạng tương tự như đặc tính cơ động

cơ ngẫu lực trên hình VIII.2.2 Độ trượt tới hạn và momen khởi động đều lớn hơn giá trị tương ứng của động cơ KĐB do cấu tạo của mạch từ Nhờ mạch từ chỉ là những khối sắt mà khớp trượt có thể làm việc dài hạn ở độ trượt lớn và có độ tin cậy cao

Gọi P1, P2, ω1, ω2 lần lượt là công suất và tốc độ của phần sơ và thứ cấp và M là momen của hệ thống, ta có:

P1= M.ω1 và P2= M.ω2 suy ra tổn hao trong khớp theo giản đồ hình VIII.2.5:

ΔP = P1− P2 = M.ω1 − M.ω2 = s M.ω1 <VIII.2.1> như ở động cơ KĐB

PI

Máy phát tốc

Phản hồi tốc độ

Phát xung

Đặt tốc độ Nguồn

SCRDfCKT

Hình VIII.2.4 Sơ đồ động ly hơp trượt và mạch điều khiển

P Δ

Hình VIII.2.5 Giản đồ truyền năng lượng ly hơp trượt

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ dùng khớp trượt được cho ở hình VIII.2.4 Tốc độ phản hồi về bằng máy phát tốc AC chế tạo sẳn trong khớp Bộ hiệu chỉnh thường là PI hay PID và mạch động lực là chỉnh lưu điều khiển pha 1 SCR có diod phóng điện cung cấp năng lượng cho cuộn kích từ Sự đơn giản của bộ điều khiển đã làm giảm giá thành và tăng độ tin cậy của hệ thống

VIII.3 ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG CƠ KĐB BẰNG BIẾN TẦN V/F:

1 Nguyên lý họat động:

Khi sử dụng bộ biến đổi tần số để cung cấp cho động cơ KĐB điện 3 pha với tần số f

thay đổi, tốc độ động cơ thay đổi theo tốc độ TTQ là wo = 2.π.f/p (rad/s), p: số đôi cực với sụt

tốc tương đối bằng độ trượt s khá nhỏ Để giữ từ thông không vượt quá giá trị cho phép (thường

bằng định mức), điện áp động cơ cần phải thay đổi tỉ lệ với tần số

Thật vậy, điện áp cảm ứng của cuộn dây khi có từ thông biến đổi hình sin: U ≡ N.φ f

N: số vòng dây, φ: từ thông , f: tần số, suy ra U / f = hằng số để từ thông φ không đổi

Thực tế, do sụt áp trong cuộn dây xtator còn

do điện trở, khi tần số đủ bé thì áp không còn giảm tỉ

lệ (đuờng cong b của hình VIII.3.1) Khi từ thông

được giữ không đổi, ta có thể chứng minh là momen

của động cơ có thể tạo ra cũng không đổi như đặc tính

cơ trên hình VIII.I.3 (của biến tần SYSDRIVE hảng

OMRON) Cũng giống như động cơ DC, khi làm việc

với từ thông không đổi, đặc tính phụ tải của động cơ

sẽ là momen không đổi và khi làm việc với tần số lớn

hơn định mức, điện áp động cơ được giữ không đổi và

ta có đặc tính phụ tải là công suất không đổi Biến tần

cung cấp điện áp ngỏ ra là một hàm của tần số được

gọi là biến tần V/F

Với các đặc tính phụ tải khác nhau, quan hệ

f

U/Uđm

(a) (b)

Hình VIII.3.1: Đặc tính U / f: theo lý thuyết (a) và thực tế (b) Đặc tính U / f khi cần momen lớn (c) hay nhỏ (d)

V/F cũng được hiệu chỉnh để động cơ có momen thích hợp Ví dụ nếu phụ tải động cơ là máy bôm ly tâm hay quạt gió, áp được phép giảm nhanh hơn tần số => từ thông giảm kéo theo dòng từ hóa giảm, tăng được hiệu suất Ngược lại, áp đặt vào động cơ có thể tăng một ít khi dòng tải tăng để giảm sụt tốc, tăng momen (chức năng Torque boost hay Load Compensation của các biến tần)

Biến tần được đặc trưng bằng hai thông số: áp (V) và công suất định mức (kW) Tuy nhiên, dòng định mức và khả năng quá tải (ngắn hạn) của nó mới chính là tính năng thực của biến tần Có thể xem công suất định mức của biến tần tương ứng với động cơ có cos F tiêu biểu Các nhà sản xuất phân ra làm hai loại biến tần công nghiệp:

- Biến tần (làm việc với tải) momen không đổi (constant torque): được phép quá tải ngắn hạn lớn (đến 165% giá trị định mức) Nhóm này cho phép khởi động đầy tải hay cung cấp gia tốc lớn cho chuyển động

- Biến tần (làm việc với tải) momen thay đổi (variable torque): thực tế là với tải có momen giảm theo tốc độ như quạt gió, máy bôm ly tâm Nhóm này khởi động hầu như không tải, gia tốc khởi động bé và như vậy được chế tạo với khả năng quá tải ngắn hạn khá bé (từ 110% đến 120% giá trị định mức) Có thể thấy là với cùng công suất định mức

Đặc tính cơ khi điều khiển tần số:

• có momen tới hạn M t không thay đổi:

x w L tăng khi giảm f

• Đặc tính điều chỉnh: Như đã chúng minh ở trên, khi độ trượt s nhỏ, momen M của

động cơ tỉ lệ với dòng I’ 2và như vậy đặc tính điều chỉnh của động cơ khi thay đổi tần số là momen không đổi: Momen không đươc vượt quá giá trị định mức để dòng qua động cơ trong

giá trị định mức Đặc tính này cũng phù hợp với tính chất momen tới hạn M t của động cơ cũng không đổi khi điều chỉnh tần số

2 Sự làm việc của động cơ AC với nguồn không sin:

Vì BBĐ sử dụng các ngắt điện, dòng hoặc áp qua động cơ là những xung vuông và đại lượng còn lại cũng không thể hình sin Kết quả làsự làm việc của động cơ bị ảnh hưởng, tác dụng quan trong nhất của dòng áp không sin là động cơ bị phát nóng phụ và có momen phụ

A Sóng hài áp dòng đặt vào động cơ:

Sóng hài điện áp của nghịch lưu nguồn áp có những đặc tính:

- Vì là ba pha, hệ thống không có hài bội 3 và trong đa số trường hợp, không có hài bậc chẵn, bậc của sóng hài bằng n = 6 k ± 1, k = 1, 2, 3

- Biên độ giảm nhanh, tỉ lệ với 1/n

Ví dụ khi phân tích sóng hài dạng áp nghịch lưu 6 nấc như hình VIII.3.2 ở trang sau, ta có

biên độ hài bậc n là Un = ± U1 /n, tính bằng số U5 = – U1 / 5 , U7 = + U1 / 7 U 1 là biên độ hài cơ bản (bậc n = 1)

- Đối với nghịch lưu nguồn dòng, dòng qua động cơ là những xung vuông, có quan hệ như

ví dụ sóng hài áp trên

V

C B

A

S5 S4

+

S3 S1

D4

Hình VIII.3.2: Mạch động lưc. Dạng áp dây và pha NL nguồn áp 6 nấc.

Trường hợp đặc biệt là khi hệ thống có điều chế, biên độ sóng hài ở tần số sóng mang rất cao nhưng dòng điện tương ứng thường rất bé, không đáng kể như khảo sát sóng hài dòng điện sau đây:

- Đối với nghịch lưu nguồn áp, sóng hài dòng có thể tính từ sóng hài điện áp theo nguyên lý xếp chồng từ tổng trở động cơ (hình VIII.1.1.b) đối với hài bậc n: ( )2 2' 2

Zn có thể xem là tỉ lệ với bậc sóng hài n suy ra dòng bậc cao giảm tỉ lệ với bình phương của n

Để tính chính xác hơn, cần để ý độ trượt sn phụ thuộc vào tần số

Khi làm việc ở tốc độ định mức, s1 =s 0 trong khi so với tốc độ của TTQ sóng hài bậc

cao có tần số n lần lớn hơn, sn ≅ 1 và Z n n w L nm từ đó suy ra trị hiệu dụng sóng hài bậc n:

động cơ, còn gọi là dòng khóa rotor (dòng qua động cơ khi rotor không quay) hay quen thuộc hơn: dòng khởi động

b Phát nóng phụ:

Vì phát nóng trong mạch tỉ lệ với bình phương giá trị hiệu dụng dòng điện, khi sử dụng dòng điện không sin, động cơ phải chịu thêm sự phát nóng của sóng hài dòng điện, gọi là phát nóng phụ ΔPΣn Với dạng sóng nghịch lưu áp 6 nấc, ta có:

2 '

∑ <VIII.3.1> Ta có thể tính tổng <VIII.3.1> và khi

giả sử dòng khởi động Inm gấp 7 giá trị định mức, suy ra phát nóng phụ ở chế độ làm việc định

- Momen đập mạch do sự tương tác của các từ trường không cùng tần số, đáng chú ý nhất

là momen M6, tạo ra do sự tương tác giữa hai sóng hài bậc 5 và 7, M6 là phách nên tỉ lệ với

| I5 – I7 | Trong hệ thống dùng nghịch lưu áp 6 nấc, I5 – I7 = Inm / 50 và nếu ta xem momen tỉ lệ với dòng điện, có thể suy ra momen đập mạch M6 lớn hơn 10 % momen định mức của động

cơ

Sựï rung động do sóng hài còn gây tiếng ồn ở dãy tần số cao

Khi tần số làm việc thấp, ảnh hưởng của sóng hài bậc cao trở nên quan trọng hơn và trong các hệ thống điều khiển tần số động cơ KĐB, ta luôn phải giải quyết bài toán hạn chế sóng hài bên cạnh việc điều khiển điện áp để nâng cao chất lượng hoạt động Hiện nay, với các biến tần điều rộng xung được bán trên thị trường, phát nóng và momen phụ hầu như không đáng kể

Ảnh hưởng của biến tần với cách điện của động cơ: Là tải có tự cảm làm việc với thiết bị đóng ngắt, bên trong động cơ KĐB có thể xảy ra quá áp cục bộ làm hỏng cách điện Nguy cơ này còn bị tăng cường bởi hiện tượng rung động ở tần số cao Vì thế, các nhà sản xuất thường chế tạo động cơ chuyên dùng với biến tần để có thể vận hành tốt hơn

2 Sơ đồ điều khiển biến tần V/F cổ điển:

a Sơ đồ điều khiển biến tần nguồn áp vòng hở: Hình VIII.4.5

Hệ thống rất đơn giản, từ tín hiệu điều khiển tần số, ta suy ra yêu cầu điều khiển điện áp qua khâu tạo hàm F/V Từ hai tín hiệu này, ta điều khiển hoạt động của biến tần theo các sơ đồ

đã được giới thiệu trong chương 5: nghịch lưu và biến tần Khi làm việc ở tần số lớn hơn tần số định mức của động cơ điện áp đặt vào động cơ không đổi suy ra từ thông động cơ bị giảm kéo theo sự giảm của momen, tương ứng với chế độ làm việc công suất không đổi

Điều khiển vòng hở rất thông dụng ở các bộ biến tần chất lượng thấp và trung bình, tuy

nhiên chất lượng hoạt động của hệ thống truyền động đã khá tốt vì sụt tốc tỉ lệ vớ độ trượt s ,

khá bé

Có thể thay đổi đặc tính bộ tạo hàm F/V

cho thích hợp với các tải khác nhau Một ít

phản hồi dương dòng (bù tải – còn gọi là Load

compensation hay Torque boost) đuợc sử dụng

để giảm độ sụt tốc độ theo tải Mạch hạn chế

dòng cũng rất cần thiết để hạn chế sự cố khi có

các chế độ làm việc không thích hợp, ví dụ như

khi độ trượt lớn Khi đó cả áp và tần đều giảm

Ở công suất nhỏ hơn vài trăm KW,

Darlington transistor (trước đây) hay IGBT

+ +

Đặt tần số f *

Bù sụt tốc

ĐK tần số

ĐK điện áp

Biến tần Lưới

Động cơ

f V

Hình VIII.4.5: Điều khiển biến tần nguồn áp vòng hở

luôn được sử dụng cùng với điều chế độ rộng xung hình sin Trong thời gian gần đây, các bộ biến tần này được điều khiển bằng các vi điều khiển có bộ điều rộng xung và việc điều chế độ rộng xung hình sin thực hiện bằng chương trình

Khác với nghịch lưu nguồn dòng, nghịch lưu nguồn áp có tính thuận nghịch Với tải động

cơ KĐB, khi làm việc ở tốc độ cao hơn tốc độ đồng bộ (tốc độ TTQ), cơ năng được biến ngược thành điện năng: ta có máy phát KĐB Khi đầu vào biến tần là chỉnh lưu diod, điện năng này sẽ được tích trữ trong tụ điện lọc phía một chiều làm điện áp tăng lên Để nghịch lưu được phép làm việc tiếp tục, ta phải đóng một transistor để tiêu hao chúng trên điện trở (hình III.4 chương III) gọi là mạch hãm động năng, hay ta phải ngắt xung cung cấp cho bộ nghịch lưu và động cơ quay tự do (coast to stop) để tránh hư hỏng thiết bị Trường hợp này xảy ra khi giảm tần số hoạt động quá nhanh hay động cơ làm việc với tải thế năng

Một số tính năng hay gặp ở các biến tần thực tế:

- Đặt trước thời gian và dạng của quá trình tăng tốc (acceleration), giảm tốc (deceleration) Ngoài việc điều khiển quá trình khởi động theo yêu cầu của tải, đây cũng là một yêu cầu quan trọng với động cơ Việc tăng dần tốc độ TTQ cho phép động cơ luôn làm việc ở độ

trượt s bé (momen lớn và dòng điện bé, là chế độ làm việc tốt nhất) khi khởi động

- Hãm động năng (DC braking) động cơ KĐB bằng điện một chiều: động cơ KĐB thuờng không đủ momen khi sử dụng với biến tần V/F làm việc ở tần số dưới 3 Hz Để hãm động cơ khi muốn dừng chính xác, người ta đưa dòng một chiều vào cuộn dây xtator tương ứng với từ trường cố định ở khe hở, rotor là phần tử đẫn điện khi di chuyển trong từ trường cũng sẽ có dòng cảm ứng vàtổn hao, tương ứng lực hãm chuyển động

- Có bộ hiệu chỉnh PID dùng cho ứng dụng biến tần vào điều khiển quá trình, khả năng điều khiển từ xa qua mạng RS485, nhớ và hiển thị lỗi…

b Sơ đồ điều khiển biến tần nguồn áp có phản hồi tốc độ:

Nhược điểm quan trọng của sơ đồ vòng hở là chất lượng truyền động không cao, ngoài việc không kiểm soát chính xác tốc độ, ảnh hưởng sụt áp nguồn và tải thay đổi làm ảnh hưởng đến từ

thông và momen động cơ Để cải thiện, người ta lắp thêm mạch phản hồi tốc độ

Phản hồi dòng

Hình VIII.4.6.a: Điều khiển biến tần nguồn áp vòng kín với vòng tốc độ

- Trong sơ đồ đầu tiên sơ đồ điều khiển có vòng tốc độ (hình VIII.4.6.a), tần số ngỏ ra

được điều khiển bằng sai lệch tốc độ, Bộ hiệu chỉnh ĐK w có dạng tích phân tỉ lệ PI Phản hồi

âm dòng được đưa vào để bảo vệ động cơ và hạn chế trường hợp khi khởi động, sai lệch tốc độ quá lớn có thể làm tần số, điện áp tăng cao, dòng điện qua động cơ tăng cao nhưng momen vẫn bé vì độ trượt lớn

- Với sơ đồ hình

VIII.4.6.b, sai lệch tốc độ sau khi

xử lý được xem là độ trượt s ,

cộng với tốc độ rotor để tạo nên

tần số đặt cho BBĐ Sơ đồ này

cho phép điều khiển tốt hơn vì

khi đó, ngỏ ra của bộ điều khiển

tốc độ ĐK w chính là giá trị

momen động cơ

Đặt w rotor

_ +

Phản hồi w rotor +

+

wr

ĐK s là bộ hiệu chỉnh PI có bảo hòa

Hình VIII.4.6.a: Điều khiển biến tần nguồn áp vòng kín với hiệu chỉnh độ trượt s

cần thiết (khi s bé momen tỉ tệ độ trượt) phù hợp với nguyên lý điều khiển truyền động điện

Ngoài ra, độ trượt có thể được giới hạn khi bộ điều khiển ĐK w có dạng PI + khâu bảo hòa,

tránh trường hợp làm việc ở độ trượt lớn đã mô tả trên

Ngoài hạt nhân điều khiển, tất cả các biến tần đều có những đặc tính khác tương tự như điều khiển vòng hở đã mô tả trên

Ngày nay, hai sơ đồ trong phần này ít thông dụng hơn vì khi cần truyền động chất lượng cao, người ta chuyển sang dùng điều khiển vector

3 Biến tần điều khiển từ thông và momen:

a Biến tần điều khiển điện áp:

Từ mô hình vector của động cơ KĐB, ta có thể tính toán được momen và từ thông của động cơ từ dòng và áp của động cơ làm cơ sở để điều khiển chính xác hơn Vòng điểu khiển từ thông tác động trên áp ra của nghịch lưu và vòng tốc độ – momen quyết định tần số ngỏ ra Hai vòng điều khiển tốc độ, momen đảm bảo chất lượng điều khiển tốt hơn các sơ đồ trên Cũng giống như hình VIII.4.6.a, ngỏ ra khối điều khiển tốc độ là độ trượt, được cộng với tốc độ rotor để tạo ra tần số (tốc độ) yêu cầu

Phương án này khắc phục nhược điểm của sơ đồ dùng khối tạo hàm F / V là khi điện áp ngỏ ra được chỉnh vòng hở theo tần số, ta không xác định được chính xác từ thông, dẫn đến bảo hòa hay thiếu – cả hai đều làm giảm momen của động cơ Tuy nhiên, như theo sơ đồ khối ở hình