Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ sử dụng nghịch lưu áp

Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ sử dụng nghịch lưu áp Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ sử dụng nghịch lưu áp Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ sử dụng nghịch lưu áp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG THIẾT BỊ ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS PHẠM HÙNG PHI

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ðOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC BẢNG 7

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

MỞ ðẦU 11

CHƯƠNG 1: ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ðIỀU CHỈNH TỐC ðỘ 13

1.1 Giới thiệu chung về ñộng cơ ñiện không ñồng bộ 13

1.2 Cấu tạo của ñộng cơ không ñồng bộ 13

1.2.1 Phần tĩnh hay stator 13

1.2.1.1 Vỏ máy 13

1.2.1.2 Lõi sắt 13

1.2.1.3 Dây quấn stator 14

1.2.2 Phần quay hay rotor 14

1.2.2.1 Lõi sắt 14

1.2.2.2 Rotor và dây quấn của rotor 14

1.3 ðặc tính cơ của ñộng cơ không ñồng bộ 15

1.3.1 Xây dựng ñặc tính cơ của ñộng cơ không ñồng bộ 15

1.3.2 Ảnh hưởng của các thông số ñến ñặc tính cơ 19

1.4 Các phương pháp ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ không ñồng bộ 19

1.4.1 ðiều khiển ñiện áp stator 20

1.4.2 ðiều khiển ñiện trở rotor 21

1.4.3 ðiều chỉnh công suất trượt 21

1.4.4 ðiều khiển tần số nguồn cấp stator 21

1.4.4.1 Phương pháp ñiều khiển vô hướng 23

1.4.4.1.1 ðiều chỉnh ñiện áp- tần số với từ thông là hàm của mômen tải 23 1.4.4.1.2 ðiều chỉnh ñiện áp- tần số giữ từ thông ñộng cơ không ñổi 25

1.4.4.1.3 ðiều chỉnh dòng ñiện- tần số giữ từ thông ñộng cơ không ñổi 27

1.4.4.2 Phương pháp ñiều khiển vector 29

1.4.4.2.1 Nguyên lý ñiều khiển vector 29

1.4.4.2.2 Phương pháp ñiều khiển tựa từ thông rotor FOC 30

1.4.4.2.2 Phương pháp ñiều khiển trực tiếp từ thông và mômen (DTC) 33

CHƯƠNG 2: NGHỊCH LƯU ÁP 34

2.1 Giới thiệu chung về nghịch lưu 34

2.3 Bộ nghịch lưu áp 37

2.3.1 Khái niệm về nghịch lưu áp 37

2.3.2 Phân loại bộ nghịch lưu áp 38

2.3.3.1 Cấu trúc của bộ nghịch lưu áp hai mức 39

2.3.3.2 Hoạt ñộng của bộ nghịch lưu áp hai mức 40

2.3.4 Nghịch lưu áp nhiều mức 44

2.3.4.1 Bộ nghịch lưu ñiốt kẹp (Diode clamped multilevel inverter) 44

2.3.4.2 Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor 50

2.3.4.3 Bộ nghịch lưu nhiều mức kiểu cầu H nối tầng (cascade H- bridge multilevel inverter) 54

CHƯƠNG 3: ðIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP TỪ THÔNG VÀ MÔMEN CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 61

3.1 Mô hình toán của ñộng cơ không ñồng bộ 61

3.1.1 Biến ñổi hệ tọa ñộ 61

3.1.1.1 Vector không gian 61

3.1.1.2 Các hệ tọa ñộ 62

3.1.1.3 Biến ñổi tọa ñộ a-b-c→d-q 63

3.1.1.4 Biến ñổi tọa ñộ α-β→d-q 65

3.1.1.5 Phép biến ñổi hệ tọa ñộ hệ tọa ñộ a-b-c→α-β 66

3.1.2 Mô hình toán học của ñộng cơ không ñồng bộ trong không gian vector 67 3.2 Phương pháp ñiều khiển trực tiếp từ thông và mômen (DTC) 69

3.2.1 Nguyên lý của DTC 69

3.2.2 Mô hình tổng quát của DTC 71

3.2.3 DTC với nghịch lưu áp 2 mức 73

3.2.4 DTC với nghịch lưu áp 3 mức ðiốt kẹp (3L-NPC) 78

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ðIỀU KHIỂN BIẾN TẦN – ðỘNG CƠ BẰNG MATLAB – SIMULINK 83

4.1 Xây dựng mô hình mô phỏng DTC cho nghịch lưu áp hai mức 83

4.2 Xây dựng mô hình mô phỏng DTC cho nghịch lưu áp ba mức 87

4.3 So sánh kết quả mô phỏng giữa DTC cho nghịch lưu áp hai và ba mức. 90

KẾT LUẬN VÀ ðỀ XUẤT 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

LỜI CAM đOAN

Sau một thời gian tôi nghiên cứu và học tập tại Viện đào tạo Sau ựại học,

Trường đại học Bách khoa Hà nội Dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của Thầy

giáo TS Phạm Hùng Phi- Phó Trưởng Viện điện, cùng tập thể giảng viên của Bộ

môn Thiết bị ựiện Ờ ựiện tử, Viện điện, Trường đại học Bách khoa Hà nội; Sự giúp

ựỡ, chia sẻ của gia ựình, bạn bè Tôi ựã hoàn thành ựược Luận văn này Tôi xin cam

ựoan toàn bộ nội dung của luận văn mà tôi thực hiện trong thời gian vừa qua là

trung thực và không sao chép của ai

Hà nội, Ngày Ầ tháng ẦẦnăm 2012

Người cam ựoan

Phạm Văn Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này ựược hoàn thành tại Viện đào tạo Sau ựại học, trường đại học

Bách khoa Hà Nội Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc của mình tới Thầy

giáo TS Phạm Hùng Phi- Phó Trưởng Viện điện, Trường đại học Bách khoa Hà

Nội Với những kiến thức, kinh nghiệm quý báu của mình, Thầy ựã giúp ựỡ và chỉ

bảo cho tôi, ựể tôi có thể hoàn thành tốt luận văn theo ựúng thời hạn mà nhà trường

cũng như bộ môn giao cho

Qua ựây cho phép tôi bày tỏ lòng biết ơn ựến Viện đào tạo Sau ựại học, ựến

các thầy, cô giáo tham gia giảng dạy khóa học Tôi xin chân thành cảm ơn những

nhận xét, ựóng góp ý kiến thiết thực của các thầy, cô giáo trong bộ môn Thiết bị

điện Ờ điện tử, Viện điện, Trường đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy, cô giáo, các nhà khoa học chấm phản

biện, các thầy, cô giáo trong hội ựồng bảo vệ và tất cả các ựồng nghiệp ựã cho

những nhận xét quý báu ựể luận văn ựược hoàn thiện hơn

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn ựến Bà, Ba mẹ, anh em, bạn bè tôi;

Lãnh ựạo và các ựồng nghiệp tại Khoa điện, Trường đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật

Vinh ựã luôn luôn ựộng viên, giúp ựỡ tôi suốt quá trình học tập và làm luận văn

Hà nội, Ngày Ầ tháng Ầ năm 2012

Phạm Văn Tuấn

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

x , x r ðại lượng của mạch phía mạch Rotor

DTC ðiều khiển trực tiếp từ thông và mômen (viết tắc của Direct

Touque Control) FOC ðiều khiển hướng trường rotor (Flux Orientd Control)

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Khái quát phương pháp ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ không ñồng bộ ba pha

20

Bảng 2.1: Giá trị ñiện thế dây và ñiện thế pha trường hợp các van dẫn 120 0 41

Bảng 2.2: Giá trị ñiện thế dây và ñiện thế pha trường hợp các van dẫn 1800 44

Bảng 2.3 Trạng thái chuyển mạch pha (pha A) của bộ nghịch lưu 3L- NPC 46

Bảng 2.4 Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L- NPC 50

Bảng 2.5 Trạng thái chuyển mạch (pha a)của 3L- FLC 51

Bảng 2.6 Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha a của bộ nghịch lưu 3L- FLC 53

Bảng 2.7 Trạng thái chuyển mạch (pha A)của 5L- CHB 56

Bảng 3.1 Phương pháp chọn vector không gian ñiện áp cho nghịch lưu áp 2 mức 77 Bảng 3.2 Bảng biểu diễn sự biến thiên của từ thông và mômen trong vùng k các vector ñiện áp không gian 81

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ ñồ thay thế máy ñiện không ñồng bộ hình Ґ 15

Hình 1.2 ðặc tính cơ của máy ñiện không ñồng bộ 17

Hình 1.3 Mô tả vào – ra ñộng cơ không ñồng bộ khi ñiều khiển tần số 22

Hình vẽ 1.4 ðặc tính cơ ðCKðB khi xét khả năng quá tải 25

Hình 1.5 Cấu trúc ñiều khiển ñiện áp- tần số giữ từ thông ñộng cơ không ñổi 26

Hình 1.6 Dạng ñặc tính cơ khi ñiều khiển ñiện áp- tần số giữ từ thông ñộng cơ không ñổi 26

Hình 1.7 Sơ ñồ thay thế ñộng cơ không ñồng bộ khi cấp bởi nguồn dòng 27

Hình 1.8 ðặc tính cơ máy ñiện không ñồng bộ cấp từ nguồn dòng 28

Hình 1.9 Quan hệ I1∗( )f2∗ khi ψδ∗ = 1 29

Hình 1.10 ðồ thị vector phương pháp ñiều khiển tựa từ thông rotor 31

Hình 1.11 ðiều khiển vector mômen và từ thông rotor 32

Hình 2.1 Bộ nghịch lưu dòng một pha 35

Hình 2.2a Mạch ñộng lực của Bộ nghịch lưu dòng ba pha 36

Hình 2.2b Dạng sóng dòng ñiện các pha của bộ nghịch lưu dòng ba pha 37

Hình 2.3 Cấu trúc của bộ nghịch lưu áp 2 mức 39

Hình 2.4 Trình tự chuyển mạch các van loại dẫn 120 0 40

Hình 2.5 Dạng sóng ñiện thế của ñiện áp dây và ñiện áp pha 41

Hình 2.6 Trình tự chuyển mạch của các van loại dẫn 180 0 42

Hình 2.7 Sơ ñồ thay thế 6 trường hợp dẫn của các tổ hợp van 43

Hình 2.8 Dạng sóng ñiện áp pha và ñiện áp dây trường hợp các van dẫn 1800 43

Hình 2.9 Bộ nghịch lưu áp ba mức ñiốt kẹp 45

Hình 2.10 Trạng thái, ñiện áp ñiều khiển các chuyển mạch và ñiện áp ra 46

Hình 2.11 ðiện áp pha và ñiện áp dây của bộ nghịch lưu 3L- NPC 47

Hình 2.12a Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với dòng ñiện tải i A > 0 48

Hình 2.12b Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với dòng ñiện tải i A < 0 49

Hình 2.13 Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor ba mức 51

Hình 2.14a Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với dòng ñiện tải i A > 0 52

Hình 2.14b Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với dòng ñiện tải i A < 0 53

Hình 2.15 Bộ nghịch lưu 5 mức kiểu cầu H nối tầng 55

Hình 2.16 Quá trình chuyển mạch giữa các trạng thái 57

Hình 2.17a Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1→4→7→14→16 với dòng ñiện tải i A > 0 58

Hình 2.17b Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1→ 4→7→14→16 với dòng ñiện tải i A < 0 59

Hình 3.1 62

Minh hoạ cho quá trình xây dựng vectơ không gian dòng ñiện stator 62

Hình 3.2 Các hệ trục toạ ñộ a-b-c và d-q 64

Hình 3.3 Hệ toạ ựộ d-q và α-β 66

Hình 3.4 Hệ trục a-b-c và α-β 67

Hình 3.5 Tương quan giữa hệ toạ ựộ α-β và toạ ựộ pha a-b-c 68

Hình 3.6 Mô hình tổng quát của phương pháp ựiều khiển trực tiếp từ thông và mômen 71

Hình 3.7 Sơ ựồ ựiều khiển DTC cổ ựiển với nghịch lưu áp hai mức 73

Hình 3.8 Sơ ựồ nguyên lý của nghịch lưu áp hai mức 73

Hình 3.9 Các vector không gian của nghịch lưu ựiện áp hai mức 76

Hình 3.10 Biến thiên của từ thông và mômen với vector không gian ựiện áp 77

Hình 3.11 Nghịch lưu áp 3 mức với loại NPC 79

Hình 3.12 Các trạng thái của mỗi pha trong nghịch lưu áp 3 mức với loại NPC 79

Hình 3.13 Vector không gian ựiện áp cho nghịch lưu áp 3 mức 81

Hình 3.14 Phương pháp lựa chọn vector không gian cho nghịch lưu áp 3 mức 82

Hình 4.1 Sơ ựồ mô phỏng hệ thống ựiều khiển trực tiếp từ thông và mômen ựiều khiển đCKđB sử dụng nghịch lưu áp hai mức 84

Hình 4.2 Khối tắnh toán 84

Hình 4.3 Khối tắnh toán ựiện áp V abc 84

Hình 4.4 Khối ước lượng từ thông 85

Hình 4.5 Khối ước lượng mômen 85

Hình 4.6 Khối xác ựịnh sector 85

Hình 4.7 Khối ựiều chỉnh từ thông 85

Hình 4.8 Khối ựiều chỉnh mômen 86

Hình 4.9 Khối bảng chọn vector ựiện áp 86

Hình 4.10 Sơ ựồ mô phỏng hệ thống ựiều khiển trực tiếp từ thông và mômen ựiều khiển đCKđB sử dụng nghịch lưu áp ba mức 87

Hình 4.11 Khối tắnh toán 88

Hình 4.12 Khối tắnh toán ựiện áp V abc 88

Hình 4.13 Khối ước lượng từ thông 88

Hình 4.14 Khối ước lượng mômen 88

Hình 4.15 Khối xác ựịnh sector 89

Hình 4.16 Khối ựiều chỉnh từ thông 89

Hình 4.17 Khối ựiều chỉnh mômen 89

Hình 4.18 Khối bảng chọn vector ựiện áp 90

Hình 4.19 đáp ứng của dòng ựiện khi từ thông và mômen ựặt là hằng số với nghịch lưu áp hai mức 91

Hình 4.20 Phân tắch sóng hài của dòng ựiện khi từ thông và mômen ựặt là hằng số với nghịch lưu áp hai mức 91

Hình 4.21 đáp ứng của dòng ựiện khi từ thông và mômen ựặt là hằng số với nghịch lưu áp ba mức 92

Hình 4.22 Phân tắch sóng hài của dòng ựiện khi từ thông và mômen ựặt là hằng số với nghịch lưu áp ba mức 92

Hình 4.23 đáp ứng của từ thông khi từ thông và mômen ựặt là hằng số với nghịch

Hình 4.24 đáp ứng của từ thông khi từ thông và mômen ựặt là hằng số với nghịch

Hình 4.27 đáp ứng của từ thông khi từ thông ựặt là hằng số, mômen ựặt có bước

nhảy, với nghịch lưu áp hai mức 95

Hình 4.28 đáp ứng của từ thông khi từ thông ựặt là hằng số, mômen ựặt có bước

nhảy, với nghịch lưu áp ba mức 96

Hình 4.29 đáp ứng của mômen khi từ thông ựặt là hằng số, mômen ựặt có bước

nhảy, với nghịch lưu áp hai mức 96

Hình 4.30 đáp ứng của mômen khi từ thông ựặt là hằng số, mômen ựặt có bước

nhảy, với nghịch lưu áp ba mức 97

Hình 4.31 đáp ứng của từ thông khi từ thông ựặt có bước nhảy, mômen ựặt là hằng

số, với nghịch lưu áp hai mức 98

Hình 4.32 đáp ứng của từ thông khi từ thông ựặt có bước nhảy, mômen ựặt là hằng

số, với nghịch lưu áp ba mức 98

Hình 4.33 đáp ứng của mômen khi từ thông ựặt có bước nhảy, mômen ựặt là hằng

số, với nghịch lưu áp hai mức 99

Hình 4.34 đáp ứng của mômen khi từ thông ựặt có bước nhảy, mômen ựặt là hằng

số, với nghịch lưu áp ba mức 99

MỞ ðẦU

ðộng cơ ñiện không ñồng bộ có nhiều ưu ñiểm so với ñộng cơ ñiện một

chiều như: cấu tạo ñơn giản, vận hành tin cậy, giá thành thấp…Tuy nhiên, ñể ñiều

chỉnh tốc ñộ ñộng cơ không ñồng bộ trong một dải ñiều chỉnh rộng, cần thiết bị ñiều

khiển phức tạp và giá thành cao

Ngày nay, dưới sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và

thiết bị số (vi xử lý, vi ñiều khiển), nhiều phương pháp ñiều khiển kinh tế ñược ñề

xuất ñể ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ không ñồng bộ Chính vì vậy, hệ truyền ñộng

dùng ñộng cơ không ñồng bộ dần thay thế cho các hệ thống truyền ñộng một chiều

Phương pháp ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ không ñồng bộ kinh tế nhất là thay

ñổi tần số nguồn cấp cho ñộng cơ không ñồng bộ Do tốc ñộ ñộng cơ xấp xỉ bằng

tốc ñộ ñồng bộ, nên ñộng cơ làm việc với ñộ trượt và công suất trượt nhỏ Tuy

nhiên phương pháp này phức tạp (do yêu cầu tính toán các ñại lượng ñiều chỉnh) và

ñắt tiền

Trong các hệ thống truyền ñộng ñiện xoay chiều ngày nay, biến tần ñược sử

dụng rộng rãi trong việc ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ không ñồng bộ Ưu ñiểm của

biến tần là chúng ta có thể dễ dàng khởi ñộng và ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ rất

mềm, ñạt ñược những ñáp tuyến của tốc ñộ theo quy trình sản xuất cũng như dễ

dàng giao tiếp với các thiết bị khác như PLC, máy tính… và ưu ñiểm lớn nhất của

các nhà sản xuất hay lựa chọn phương pháp này là vấn ñề kinh tế, khi mà giá cả của

một ñộng cơ một chiều ñắt gấp nhiều lần so với ñộng cơ xoay chiều không ñồng bộ

ba pha cùng công suất và vấn ñề bảo trì cho hai loại ñộng cơ này cũng tương tự như

giá cả của chúng

Luận văn này tập trung chủ yếu nghiên cứu về biến tần nguồn áp với phương

áp ñiều khiển trực tiếp từ thông và mômen (DTC)

Nội dung của luận văn ñược chia làm 4 chương

Chương 1: ðộng cơ không ñồng bộ và các phương pháp ñiều chỉnh tốc ñộ

Trình bày về tổng quan chung, các phương pháp ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ

ñiện không ñồng bộ, ñặc biệt về phương pháp ñiều chỉnh tần số stator

Chương 2: Nghịch lưu áp

Tác giả trình bày chủ yếu về nghịch lưu áp hai mức và ña mức

Chương 3: Phương pháp ñiều khiển trực tiếp từ thông và mômen cho nghịch

lưu áp mức

Trong chương này, tác giả sẽ trình bày về phương pháp ñiều khiển trực tiếp

từ thông và mômen cho nghịch lưu áp hai mức và ba mức

Chương 4: Mô phỏng ñiều khiển biến tần – ñộng cơ bằng Matlab-simulink

Xây dựng sơ ñồ ñiều khiển phương pháp ñiều khiển trực tiếp từ thông và

mômen cho nghịch lưu áp hai mức và ba mức; mô phỏng bằng phần mềm

Matlab-Simulink

Qua kết quả mô phỏng, tác giả sẽ ñưa ra các nhận xét và so sánh ưu nhược

ñiểm giữa nghịch lưu áp hai mức và nghịch lưu áp ba mức

CHƯƠNG 1: ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

ðIỀU CHỈNH TỐC ðỘ

1.1 Giới thiệu chung về ñộng cơ ñiện không ñồng bộ

ðộng cơ ñiện không ñồng bộ ñược sử dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất

Ưu ñiểm của loại ñộng cơ này là: Cấu tạo ñơn giản (ñặc biệt là ñộng cơ không ñồng

bộ rotor lồng sóc); so với ñộng cơ một chiều, ñộng cơ ñiện không ñồng bộ có giá

thành hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn Ngoài ra ñộng cơ không ñồng bộ có thể dùng

trực tiếp lưới ñiện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến

ñổi kèm theo

Nhược ñiểm của ñộng cơ không ñồng bộ là ñiều chỉnh tốc ñộ và khống chế

các quá trình quá ñộ khó khăn; riêng với ñộng cơ ñiện không ñồng bộ rotor lồng sóc

có các chỉ tiêu khởi ñộng xấu hơn so với ñộng cơ một chiều và ñộng cơ không ñồng

bộ rotor dây quấn Tuy nhiên, ngày nay dưới sự phát triển của các thiết bị ñiện tử

công suất lớn, kỹ thuật vi xử lý, vi ñiều khiển… nên việc ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ

không ñồng bộ ngày càng hiệu quả Vì vậy, các hệ truyền ñộng dùng ñộng cơ

không ngày càng chiếm ưu thế

1.2 Cấu tạo của ñộng cơ không ñồng bộ

ðộng cơ không ñồng bộ chia thành hai loại: rotor dây quấn và rotor lồng sóc

ðộng cơ không ñồng bộ gồm các bộ phận chính sau:

1.2.1 Phần tĩnh hay stator

1.2.1.1 Vỏ máy

Vỏ máy có tác dụng cố ñịnh lõi sắt và dây quấn, vỏ máy không phải là mạch

dẫn từ, thường làm bằng gang Với vỏ máy có công suất lớn (từ 1000 kW trở lên)

thường dùng thép tấm hàn lại

1.2.1.2 Lõi sắt

Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường qua lõi sắt là từ trường quay, nên có tổn

với nhau Mỗi lá thép kỹ thuật ñiện có sơn cách ñiện ñể giảm tổn hao do dòng ñiện

xoáy gây ra

1.2.1.3 Dây quấn stator

Dây quấn stator ñược ñặt vào các rãnh của lõi sắt và ñược ñược cách ñiện với

lõi sắt, dây quấn stator thường làm bằng ñồng

1.2.2 Phần quay hay rotor

1.2.2.1 Lõi sắt

Nói chung thì người ta dùng thép kỹ thuật ñiện như ở stator Lõi sắt ñược ép

trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rotor của máy Phía ngoài của lá thép có xẻ

rãnh ñể ñặt dây quấn

1.2.2.2 Rotor và dây quấn của rotor

Rotor có hai loại chính: rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc

* Rotor kiểu dây quấn: Rotor có dây quấn giống như dây quấn stator Trong

máy ñiện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp vì bớt ñược

những dây ñầu nối, kết cấu dây quấn trên rotor chặt chẽ Trong máy ñiện cỡ nhỏ

thường dùng dây quấn ñồng tâm một lớp Dây quấn ba pha của rotor thường ñấu

hình sao, còn ba ñầu kia ñược nối vào ba vành trượt thường làm bằng ñồng ñặt cố

ñịnh ở một ñầu trục và thông qua chổi than có thể ñấu với mạch ñiện bên ngoài ðặc

ñiểm của loại ñộng cơ ñiện rotor dây quấn là có thể thông qua chổi than ñưa ñiện

trở phụ hay sức ñiện ñộng phụ vào mạch ñiện rotor ñể cải thiện tính năng mở máy,

ñiều chỉnh tốc ñộ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi làm việc bình thường

dây quấn rotor ñược nối ngắn mạch

* Rotor kiểu lồng sóc: Kết cấu dây quấn của rotor lồng sóc khác với dây

quấn stator Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor ñặt vào thanh dẫn bằng ñồng hay nhôm

dài ra khỏi lõi sắt và ñược nối tắt lại ở hai ñầu bằng hai vành ngắn mạch bằng ñồng

hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc Dây quấn lồng

sóc không cần cách ñiện với lõi sắt ðể cải thiện tính năng mở máy, trong máy công

suất tương ñối lớn, rãnh rotor có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc làm thành hai

rãnh lồng sóc hay còn gọi là lồng sóc kép Trong máy ñiện cỡ nhỏ, rãnh rotor

thường ñược làm chéo ñi một góc so với tâm trục

1.3 ðặc tính cơ của ñộng cơ không ñồng bộ

1.3.1 Xây dựng ñặc tính cơ của ñộng cơ không ñồng bộ

ðể xây dựng phương trình ñặc tính cơ của ñộng cơ ñiện không ñồng bộ ta sử

dụng sơ ñồ thay thế hình T hoặc hình Ґ Khi nghiên cứu ta ñưa ra một số giả thiết

- Ba pha của ñộng cơ là ñối xứng, khe hở không khí là ñồng ñều;

- Các thông số của ñộng cơ không phụ thuộc vào nhiệt ñộ, ñiện trở rotor

không phụ thuộc vào tần số dòng ñiện; mạch từ của máy ñiện chưa bão hòa nên các

ñiện kháng không ñổi;

- Tổng dẫn mạch từ hóa không ñổi, dòng ñiện từ hóa không phụ thuộc vào tải

mà chỉ phụ thuộc vào ñiện áp ñặt vào stator ñộng cơ;

- Bỏ qua tổn hao ma sát;

- ðiện áp lưới ñối xứng hình sin

Từ các giả thiết này ta có sơ ñồ thay thế ñộng cơ ñiện không ñồng bộ hình Ґ

1x C

s

r C

' 2 2 1

I

Hình 1.1 Sơ ñồ thay thế máy ñiện không ñồng bộ hình Ґ

Trong ñó: U - trị số hiệu dụng của ñiện áp pha stator; 1

//

2 1

I - các dòng ñiện từ hóa, dòng ñiện stator, dòng ñiện rotor ñã quy

/ 2

1,,r r

rµ - ñiện trở tác dụng của mạch từ hóa, cuộn dây stator và của dây

quấn rotor ñã quy ñổi về phía stator;

/ 2

1,,x x

xµ - ñiện kháng mạch từ hóa, ñiện kháng tản stator và ñiện kháng tản

rotor ñã quy ñổi về stator;

f 1 - tần số của nguồn ñiện;

p- số ñôi cực từ của máy

Từ sơ ñồ thay thế hình Ґ ta dễ dàng tính ñược quan hệ của mômen ñiện từ

của máy so với hệ số trượt theo biểu thức (1.3):

2 / 2 1 1 1

/ 2 2 1 1

2

x C x s

r C r

f

s

r U p m

M ñt

π

(1.3)

ðây chính là phương trình ñặc tính cơ của ñộng cơ ñiện không ñồng bộ

Nếu ta biểu diễn ñặc tính (1.3) trên ñồ thị sẽ là ñường cong như hình 1.2 Có

thể xác ñịnh các ñiểm cực trị của ñường cong này bằng cách giả phương trình

1

/ 2 1

x C x r

r C

s th

++

±

2 1 1

pU m C

M th

π

(1.5)

Trong hai biểu thức (1.4) và (1.5) dấu “+” ứng với chế ñộ ñộng cơ; dấu “-”

ứng với chế ñộ máy phát Do ñó M th ở chế ñộ máy phát lớn hơn M th ở chế ñộ ñộng

cơ Thông thường 2

1

r không vượt quá 5% ( /)2

2 1

2 1 1

1.2

2

1

x C x r f

pU m C

M th

++

Ngoài ra khi nghiên cứu hệ truyền ñộng không ñồng bộ người ta quan tâm

nhiều tới trạng thái ñộng cơ nên ñường ñặc tính cơ lúc này thường biểu diễn trong

khoảng tốc ñộ 0<s<s th, gọi là ñoạn ñặc tính là việc

Phương trình ñặc tính cơ của ñộng cơ ñiện không ñồng bộ có thể biểu diễn

thuận tiện hơn bằng cách lập tỷ số giữa (1.3) và (1.5) và biến ñổi ta có biểu thức

(1.7)

th th

th

th th

s a s

s

s

s

s a M

M

2

1

2

+ +

+

Trong ñó: /

2 1

1

r C

x

r s

' 2

= (1.9)

nm th

x f

pU m M

4 1

2 1 1

Trong ñó: M 0- mômen không tải

Do M 0 rất nhỏ so với mômen trên ñầu trục M 2 nên ñặc tính cơ của ñộng cơ

không ñồng bộ M2 = f(n) ó thể coi bằng M ñt= f (n), do ñó ñường ñặc tính cơ của

ñộng cơ không ñồng bộ có dạng như ñường ñặc tính M = f (s) vẽ ở hình 1.2

1.3.2 Ảnh hưởng của các thông số ñến ñặc tính cơ

Từ phương trình ñặc tính cơ ñộng cơ không ñồng bộ (1.3), ta thấy các thông

số ảnh hưởng tới ñặc tính cơ bao gồm:

- Ảnh hưởng của ñiện áp của stator;

- Ảnh hưởng của ñiện trở, ñiện kháng stator;

- Ảnh hưởng của ñiện trở, ñiện kháng mạch rotor (ñối với ñộng cơ không ñồng bộ

rotor dây quấn);

- Ảnh hưởng của tần số của nguồn cấp cho ñộng cơ f1

Ngoài ra việc thay ñổi số ñôi cực sẽ làm thay ñổi tốc ñộ ñồng bộ và làm thay

ñổi ñặc tính cơ (trường hợp này xảy ra ñối với ñộng cơ có nhiều cấp tốc ñộ)

1.4 Các phương pháp ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ không ñồng bộ

Từ phương trình ñặc tính cơ của ñộng cơ không ñồng bộ (phương trình 1.3)

Ta có thể dựa vào ñó ñể ñiều khiển mômen bằng cách thay ñổi các thông số

như ñiện áp cung cấp, ñiện trở phụ, tốc ñộ trượt và tần số nguồn

Hiện nay có các phương pháp ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ không ñồng bộ chủ yếu

sau:

Bảng 1.1 Khái quát phương pháp ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ không ñồng bộ ba pha

Từ bảng 1.1 ở trên, ta thấy có bốn phương pháp, nếu ñứng trên phương diện

tổn thất khi ñiều chỉnh ta có hai phương pháp: ðiều chỉnh tổn thất và ñiều chỉnh

kinh tế Còn phân loại theo sơ ñồ bố trí mạch lực ta có mạch tác ñộng nên stator và

mạch tác ñộng vào rotor

1.4.1 ðiều khiển ñiện áp stator

Do mômen ñộng cơ không ñồng bộ tỷ lệ với bình phương ñiện áp stator, do

ñó có thể ñiều chỉnh ñược mômen và tốc ñộ không ñồng bộ bằng cách ñiều chỉnh

ñiện áp stator trong khi giữ nguyên tần số ðây là phương pháp ñơn giản nhất, chỉ

sử dụng một bộ biến ñổi ñiện năng (biến áp, thyristor) ñể ñiều chỉnh ñiện áp ñặt vào

các cuộn stator

Phương pháp ñiều chỉnh ñiện áp stator dùng Thyristor có phạm vi ñiều chỉnh

tốc ñộ và mômen hẹp ðường 1 là giới hạn góc mở αmax, ñường 2 hạn chế do ñưa

ñiện trở phụ, ñường 3 hạn chế do quá dòng ñiện Vì vậy, ngày nay người ta ít dùng,

chủ yếu ñể khởi ñộng ñộng cơ ñiện không ñồng bộ rotor lồng sóc phụ tải bơm và

quạt gió

1.4.2 ðiều khiển ñiện trở rotor

Phương pháp ñiều chỉnh ñiện trở phụ nối vào rotor của ñộng cơ không ñồng

bộ rotor dây quấn Thực chất là phương pháp tổn thất p cu2 = 3r ’ 2 I 2 ’2, hiệu suất

truyền ñộng suy giảm khi ñiều chỉnh sâu tốc ñộ Tuy nhiên phương pháp này có

hiệu quả tốt là mômen khởi ñộng lớn, thích hợp với truyền ñộng cơ cấu nâng hạ của

cầu trục và cần trục, nên nó vẫn ñược sử dụng ở dải công suất bé và trung bình

Nhược ñiểm: ñặc tính cơ không tốt, hiệu suất thấp, vùng ñiều chỉnh không

rộng

1.4.3 ðiều chỉnh công suất trượt

Phương pháp ñiều chỉnh công suất trượt pcu2 = sPñt ñược thực hiện với ñộng

cơ rotor dây quấn Thực chất của phương pháp này là công suất ñiện ñược cấp ñủ

cho ñộng cơ ở phía stator, với phụ tải ñịnh trước, ñể ñiều chỉnh giảm tốc ñộ (giảm

công suất ñầu ra trục ñộng cơ), ta lấy bớt công suất ở phía rotor (gọi là công suất

trượt) ñược biến ñổi trả lại lưới, nếu bỏ qua tổn thất bộ biến ñổi ta có

( ) dt Cu

dùng ở dải công suất lớn (> 400 kW) thì mới có hiệu quả kinh tế

1.4.4 ðiều khiển tần số nguồn cấp stator

ðiều chỉnh tần số ñộng cơ không ñồng bộ là phương pháp ñiều chỉnh kinh tế,

tuy vậy nó ñòi hỏi kỹ thuật cao và phức tạp ðiều này xuất phát từ bản chất và

nguyên lý làm việc của ñộng cơ là phần cảm và phần ứng không tách biệt Có hai

hướng tiếp cận trong ñiều khiển ñộng cơ ñiện không ñồng bộ:

- Hướng thứ nhất là coi stator là phần cảm tạo ra từ thông ψs, còn mômen

ñược sinh ra do sự tương tác giữa ψ và dòng ñiện rotor I

- Hướng thứ hai là coi rotor là phần cảm tạo ra từ thông ψr, còn mômen

ñược sinh ra do sự tương tác giữa ψr và dòng ñiện stator I 1

Tuy vậy cả dòng ñiện I 1 , I 2 và từ thông ψs, ψr ñều ñược xác ñịnh từ một

nguồn cấp từ stator U1, f1 Vì vậy khi ñiều chỉnh tần số, ñộng cơ không ñồng bộ

ñược xem như là ñối tượng phi tuyến ña thông số tác ñộng xen kênh lẫn nhau như

Hình 1.3 Mô tả vào – ra ñộng cơ không ñồng bộ khi ñiều khiển tần số

- ðầu vào: Gồm hai ñại lượng ñiện áp U 1 ñối với nghịch lưu nguồn áp (hoặc

dòng ñiện I1 ñối với nghịch lưu nguồn dòng) và tần số f 1

- ðầu ra: mômen và tốc ñộ của ñộng cơ

- Mômen cản ñược coi là ñầu vào của tải

Khi ñiều chỉnh tần số f 1 tốc ñộ ω1 thay ñổi, vấn ñề quan trọng ở ñây là tham

số ñầu ra mômen ñộng cơ cần phải ñiều khiển cân bằng với mômen tải M c, sao cho

tốc ñộ ñộng cơ ổn ñịnh Vì vậy bài toán ñiều chỉnh tần số ñộng cơ không ñồng bộ

quy về tìm giá trị của ñiện áp U 1 hoặc dòng ñiện I 1 ở giá trị tần số f 1 ñể ñộng cơ sinh

ra mômen ñáp ứng với mômen tải, sao cho tổn thất công suất ∆p và lượng tiêu thụ

công suất phản kháng là nhỏ nhất Từ lý luận trên ta thấy từ thông máy ñiện không

ñồng bộ khi ñiều chỉnh tần số là thông số ñiều khiển cực kỳ quan trọng

Lịch sử phát triển ñiều chỉnh tần số ñộng cơ không ñồng bộ ñầu tiên suất

phát từ thông số ψsthông qua các giá trị biên ñộ của ñại lượng ñiện áp và dòng ñiện

stator, ngày nay gọi là ñiều chỉnh vô hướng Có rất nhiều công trình nghiên cứu ñề

xuất luật ñiều khiển tần số tối ưu, nhưng thực tế ñược ứng dụng trong công nghiệp

ψ (còn gọi là ñiều khiển năng lực quá tải không ñổi) phương pháp này dễ

thực hiện, có hiệu quả là năng lượng tổn thất ∆p nhỏ, lượng tiêu thụ công suất phản

kháng luôn luôn nhỏ hơn hoặc bằng công suất phản kháng ñịnh mức Tuy vậy ổn

ñịnh tốc ñộ ở vùng tốc ñộ thấp gặp khó khăn

- ðiều chỉnh ñiện áp- tần số hoặc tần số- dòng ñiện sao cho từ thông stator

s

ψ luôn luôn không thay ñổi ở toàn dải ñiều chỉnh ψ*s =1 Phương pháp này dễ

thực hiện, tuy vậy tổn thất công suất ∆p và lượng tiêu thụ công suất phản kháng Q

không phải là nhỏ nhất Ổn ñịnh tốc ñộ ở vùng tốc ñộ thấp khó khăn, do vậy ñiều

chỉnh vô hướng ñược ứng dụng trong công nghiệp khi không yêu cầu ñiều chỉnh sâu

tốc ñộ

1.4.4.1 Phương pháp ñiều khiển vô hướng

1.4.4.1.1 ðiều chỉnh ñiện áp- tần số với từ thông là hàm của mômen tải

ðiều chỉnh ñiện áp- tần số hay còn gọi là ñiều chỉnh vô hướng hệ thống biến

tần ñộng cơ không ñồng bộ rotor lồng sóc Nếu giả thiết ñiện áp và dòng ñiện ñầu ra

của các bộ biến tần là hình sin, có biên ñộ và tần số ñiều khiển ñược thì nhìn vào

các sơ ñồ thay thế và biểu thức tính dòng ñiện và mômen có thể thấy rằng: Khi ñiều

chỉnh tần số thì trở kháng của ñộng cơ thay ñổi, dẫn ñến dòng ñiện, từ thông và

mômen… thay ñổi Do ñó, khi ñều chỉnh tần số nhất thiết phải ñiều chỉnh ñiện áp

ñộng cơ ñể ñảm bảo một mặt ñộng cơ không bị quá dòng, mặt khác ñảm bảo ñược

khả năng sinh mômen theo yêu cầu ñặc tính mômen tải

ðối với hệ biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ khả năng quá tải về

mômen của ñộng cơ là không ñổi trong suốt dải ñiều chỉnh tốc ñộ Mômen lớn nhất

mà ñộng cơ không ñồng bộ có khả năng sinh ra (ứng với ñiện áp, tần số nhất ñịnh)

chính là mômen tới hạn, như vậy khả năng quá tải về mômen là:

Nếu bỏ qua ñiện trở dây quấn stator thì biểu thức mômen tới hạn của ñộng cơ

không ñồng bộ có thể tính như sau:

2 

Trong ñó: K th là hằng số, phụ thuộc vào thông số của ñộng cơ

ðiều kiện ñể giữ hệ số quá tải về mômen không ñổi là:

cdm thdm

ðộng cơ không ñồng bộ rotor lồng sóc có ñặc tính cơ rất cứng, nghĩa là có

thể coi ω=ω1 và nếu bỏ qua M co trong biểu thức tính mômen tải thì ta có:

2 / 1

1 1 2 / 1

1

1

x

dm x

dm

f U

1 nên có thể coi luật ñiều khiển này chính là luật

từ thông hàm của mômen phụ tải

c

Hình vẽ 1.4 ðặc tính cơ ðCKðB khi xét khả năng quá tải

1.4.4.1.2 ðiều chỉnh ñiện áp- tần số giữ từ thông ñộng cơ không ñổi

Từ thông móc vòng qua khe hở không khí ψδ ñược tính

−

1

1 1 1

* 1 1 1

1

1

f

r jx I f

U f

f1* tần số ñơn vị tương ñối

Nếu bỏ qua thành phần sụt áp trên ñiện trở stator ta có *

1

* 1

*

1 Khi ñộng cơ làm việc ở vùng tần số thấp

khi ñó sụt áp trên dây quấn stator có thể so sánh ñược với ñiện áp U1làm cho ψδ bị

suy giảm ðiều này dẫn ñến mômen ñộng cơ suy giảm theo tần số ðể ñảm bảo từ

thông không ñổi ta cần bù lượng ñiện áp rơi trên ñiện trở stator

Giải pháp thực hiện trong thực tế hay dùng là phát hàm U1(f1) với dòng ñiện

không tải I 0 Khi ñộng cơ mang tải ta bù thêm lượng ñiện áp tỷ lệ với sụt áp trên

ñiện trở stator ∆U1=I1r1 Như vậy tại giá trị tần số ñầu vào f1 giá trị ñiện áp sẽ có

hai thành phần: thành phần thứ nhất U11 lấy từ quan hệ U1(f1), thành phần thứ hai tỷ

lệ với dòng ñiện tải U12 ~ I1 Sơ ñồ cấu trúc ñược trình bày như trên hình 1.5

Hình 1.5 Cấu trúc ñiều khiển ñiện áp- tần số giữ từ thông ñộng cơ không ñổi

Dạng ñặc tính cơ theo luật ñiều khiển ñiện áp- tần số giữ từ thông ñộng cơ

không ñổi ñược vẽ trên hình 1.6

Phương pháp ñiều khiển ñiện áp- tần số ñể giữ từ thông ñộng cơ không ñổi

ñơn giản, dễ thực hiện Vì vậy phần lớn biến tần trong công nghiệp thường dùng

phương pháp này

1.4.4.1.3 ðiều chỉnh dòng ñiện- tần số giữ từ thông ñộng cơ không ñổi

Khi cấp cho ñộng cơ từ biến tần nguồn dòng, ñại lượng ñầu vào ñặt cho ñộng

cơ là dòng ñiện stator I 1 và tần số f1 ðể xây dựng ñặc tính cơ của ñộng cơ không

ñồng bộ cấp từ nguồn dòng, ta sử dụng sơ ñồ thay thế hình Γ với nguồn cấp là ngồn

dòng

/ 2

Suy ra

2

' 2 2 '

2 3ω

r pI

Trong ñó: ω2 tần số của dòng ñiện trên dây quấn rotor

Từ sơ ñồ thay thế MðKðB hình Γ, với nguồn cấp là nguồn dòng, ta có:

( )2 2 2 2

L r

L I

'

2

2 2 ' 2

L r

L r p

2 2 2

3

I L

L p

Hình 1.8 ðặc tính cơ máy ñiện không ñồng bộ cấp từ nguồn dòng

Dấu (+) chế ñộ ñộng cơ; dấu (-) chế ñộ máy phát ðặc tính cơ của máy ñiện

không ñồng bộ cấp từ nguồn dòng ñược vẽ trên hình 1.8, ta thấy dạng ñặc tính cơ

này không thay ñổi so với ñặc tính cơ khi máy ñược cấp từ nguồn áp Do không ảnh

hưởng của tổng trở stator nên ñặc tính cơ cấp từ nguồn dòng cứng hơn Khi thay ñổi

dòng ñiện cấp cho ñộng cơ, mômen tới hạn M th sẽ thay ñổi, còn ω2th không thay

ñổi

Khi ñiều khiển nguồn dòng I1, nếu không quan tâm tới dòng ñiện từ hóa Iµ

mạch từ của ñộng cơ rất dễ rơi vào vùng bão hòa, tần số trượt tới hạn ω2th tăng vì

2

L giảm, ñặc tính cơ sẽ mềm ñi rất nhiều Do vậy, khi ñiều khiển tốc ñộ ðCKðB

cấp từ nguồn dòng người ta thường quan tân tới hệ I1(f2) giữ cho từ thông ðCKðB

không ñổi Theo [3], quan hệ I1(f2) ñược cho theo (1.24) và hình 1.9

2 2 2 2 2

2 2 1

1

K f

K f

r

L

K =ω ;

2 1

21

L L

I

* min 1

I

* 2

f

0

* 1

I

Hình 1.9 Quan hệ I1∗( )f2∗ khi ψδ∗ = 1

1.4.4.2 Phương pháp ñiều khiển vector

Một hệ thống yêu cầu chất lượng ñiều chỉnh ñộng cao thì các phương pháp

ñiều khiển vô hướng khó ñáp ứng ñược Hệ thống ñiều khiển ñịnh hướng theo từ

trường còn gọi là ñiều khiển vector, có thể ñáp ứng ñược các yêu cầu ñiều chỉnh

trong chế ñộ tĩnh và ñộng

1.4.4.2.1 Nguyên lý ñiều khiển vector

Nguyên lý ñiều khiển vector dựa trên ý tưởng ñiều khiển vector ñộng cơ

không ñồng bộ tương tự như ñiều khiển ñộng cơ một chiều

ðộng cơ một chiều có thể ñiều chỉnh ñộc lập dòng ñiện kích từ và dòng ñiện

phần ứng ñể ñạt ñược mômen tối ưu theo công thức:

(khi chọn trục d trùng với chiều vector từ thông rotor) thì có thể ñiều khiển mômen

M bằng cách ñiều chỉnh ñộc lập các thành phần dòng ñiện trên hai trục vuông góc

của hệ tọa ñộ quay ñồng bộ d-q Lúc này vấn ñề ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ

tương tự như ñiều khiển ñộng cơ một chiều

Từ lý luận này người ta ñưa ra hai phương pháp ñiều khiển vector sau:

1.4.4.2.2 Phương pháp ñiều khiển tựa từ thông rotor FOC

ðiều khiển vector FOC dựa trên mô hình hai pha của máy ñiện không ñồng

bộ Vector dòng ñiện stator có thể phân tích thành hai thành phần: thành phần từ

thông Isd (thành phần tạo ra từ thông) và thành phần mômen isq (tạo ra mômen của

ñộng cơ) Hai thành phần này của dòng ñiện có thể tách rời và có thể ñược ñiều

khiển một cách ñộc lập giống như trong máy ñiện một chiều Nguyên lý của phương

pháp ñiều khiển FOC ñược minh hoạ trên hình 1.10

Hình 1.10 ðồ thị vector phương pháp ñiều khiển tựa từ thông rotor

Trong hình 1.10, góc θe giữa trục α và trục d ñược xác ñịnh theo biểu thức

isd, isq- Các thành phần từ thông và mômen của dòng ñiện stator

Ψr- Từ thông rotor (trùng với trục d)

Vì trục dọc d trùng với vector từ thông nên

r

ψ = không ñổi, ψrq = 0 và γ

cos

s

sd i

i = ; i sq = i s sin γ

Sơ ñồ ñiều khiển mômen và từ thông rotor theo phương pháp ñiều khiển

vector ñược ñưa ra trên hình 1.11 Theo [2] ta có hệ phương trình:

qs r r

r

m gl

gl r e

r

ds m r

r e

m

r qs

m

r ds

i L

R L

dt s

i L

T L

L p i

L i

ψω

ωωθ

τψ

ψψ

=

+

= +

2 3

Cần phải chú ý rằng dấu (*) trong hệ phương trình (1.28) và trên hình 1.11 dùng ñể

ký hiệu những giá trị ñặt của các dòng ñiện, mômen và từ thông của ñộng cơ

Hình 1.11 điều khiển vector mômen và từ thông rotor

Nếu giữ biên ựộ vector từ thông rotor không ựổi (bằng các bộ ựiều chỉnh) thì

mômen của ựộng cơ tỷ lệ thuận với thành phần dòng ựiện stator trên trục q và do ựó

người ta gọi thành phần dòng ựiện này là thành phần dòng ựiện sinh mômen

Phương pháp ựiều khiển như vậy gọi là ựiều khiển tựa từ thông rotor

* Nhận xét về ựiều khiển tựa từ thông rotor

Ưu ựiểm:

+ Mô hình của ựộng cơ xoay chiều giống như một chiều, do ựó có thể ựiều khiển

tách dòng;

+ Phương pháp này cho ta ựặc tắnh ựộng học khá tốt (ựáp ứng nhanh và chắnh xác);

+ Tần số chuyển mạch của van bán dẫn không lớn lắm

Nhược ựiểm:

+ đáp ứng mômen không nhanh;

+ Yêu cầu khối lượng tắnh toán lớn và phức tạp;

+ để ựiều khiển chắnh xác từ thông và mômen ta cần phải biết vị trắ chắnh xác của

từ thông rotor;

điều chỉnh

dòng ựiện Tắnh

Cảm biến tốc ựộ

3 Φ

+ Rất nhạy với sự biến thiên của thông số của ñộng cơ nhất là ñiện trở rotor

1.4.4.2.2 Phương pháp ñiều khiển trực tiếp từ t hông và mômen (DTC)

Phương pháp ñiều khiển tựa từ thông rotor ngoài những yêu ñiểm nổi bật,

còn tồn tại một số nhược ñiểm quan trọng ñó là ñộ tác ñộng nhanh không cao do mô

hình phức tạp, do thực hiện các phép biến ñổi tọa ñộ, và vẫn phải ñiều khiển mômen

gián tiếp qua ñiều khiển các thành phần dòng ñiện Phương pháp ñiều khiển trực

tiếp mômen, từ thông cho phép ta ñiều khiển trực tiếp mômen ñiện từ bởi một

nguyên lý hết sức ñơn giản Theo [3] ta có:

sr s r m r s

m

L L

L

L p

ðây là biểu thức tính mômen của ñộng cơ ñiện không ñồng bộ trong hệ tọa

ñộ tĩnh Vector từ thông rotor biến thiên chậm hơn so với vector từ thông stator, do

ñó có thể ñạt ñược giá trị mômen yêu cầu bằng cách quay vector từ thông stator

càng nhanh càng tốt theo hướng làm tăng góc γsr

Phương pháp DTC sẽ ñược trình bày ở chương 3

Kết luận cho chương 1:

Như vậy trong chương 1, chúng ta ñã nghiên cứu về ñộng cơ không ñồng bộ

và các phương pháp ñiều chỉnh tốc ñộ; Nội dung của phương pháp ñiều chỉnh tốc

ñộ bằng tần số ñược nghiên cứu kỹ ñể phục vụ cho việc nghiên cứu trong chương 3

Trong chương tiếp theo (chương 2), chúng ta sẽ tìm hiểu về Nghịch lưu áp

CHƯƠNG 2: NGHỊCH LƯU ÁP 2.1 Giới thiệu chung về nghịch lưu

Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển năng lượng ñiện một chiều sang năng

lượng ñiện xoay chiều ñể cung cấp cho tải xoay chiều ðại lượng ñược ñiều khiển ở

ngõ ra là ñiện áp hoặc dòng ñiện Có thể chia Nghịch lưu thành các loại: Nghịch lưu

dòng, nghịch lưu áp và nghịch lưu cộng hưởng Trong chương này ta chỉ xét nghịch

lưu dòng và nghịch lưu áp

Các bộ nghịch lưu tạo thành bộ phận chủ yếu trong cấu tạo của bộ biến tần

Ứng dụng quan trọng và tương ñối rộng rãi của chúng nhằm vào lĩnh vực truyền

ñộng ñiện ñộng cơ xoay chiều với ñộ chính xác cao Trong lĩnh vực tần số cao, bộ

nghịch lưu ñược dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần

Bộ nghịch lưu còn dùng ñể tạo ra nguồn ñiện xoay chiều cho nhu cầu gia ñình, làm

nguồn cấp ñiện liêu tục UPS, ñiều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu còn ñược ứng

dụng vào lĩnh vực bù nhiễu công suất phản kháng…

Linh kiện trong bộ nghịch lưu có vai trò như một khóa dùng ñể ñóng, ngắt

dòng ñiện qua nó Trong các ứng dụng với công suất vừa và nhỏ, có thể sử dụng

transistor BJT, MOSFET, IGBT làm khóa và ở phạm vi công suất lớn có thể sử

dụng GTO, IGCT…

2.2 Bộ nghịch lưu dòng

Nghịch lưu dòng là thiết bị biến ñổi nguồn dòng một chiều thành dòng xoay

chiều có tần số tùy ý

ðặc ñiểm cơ bản của nghịch lưu dòng là nguồn một chiều cấp ñiện cho bộ

chuyển ñổi là nguồn dòng, do ñó ñiện cảm ñầu vào (Ld) thường có giá trị rất lớn (lý

tưởng coi là vô cùng lớn), ñể ñảm bảo dòng ñiện liên tục

Ta xét một bộ nghịch lưu một pha như Hình 2.1 Khi các tiristo T1 và T2

dẫn, hai tụ ñược nạp ñiện với ñiện tích dương với các bản cực trái Việc mồi các

tiristo T3 và T4 làm các tụ nối các cực của tiristo T1 và T2 tương ứng ñể khóa chúng

lại Bây giờ dòng ñiện ñi qua T3C1D1, tải và D2C2T4 ðiện áp trên các cực của tụ

ñiện sẽ ñảo chiều ở một số thời ñiểm nhất ñịnh phụ thuộc vào ñiện áp tải, các ñiốt

D3 và D4 bắt ñầu dẫn Dòng ñiện nguồn sau một giai ñoạn ngắn sẽ chuyển từ D1

sang D3 và từ D4 sang D2 Cuối cùng các ñiốt D1 và D2 ngừng dẫn, khi dòng ñiện

hoàn toàn ngược chiều ðiện áp trên các tụ ñiện ñổi chiều ñể chuẩn bị cho nửa chu

kỳ sau

Các tụ ñiốt ñược dùng ñể cách ly các tụ ñiện với ñiện áp tải Dòng ñiện tải là

sóng hình chữ nhật nếu bỏ qua giai ñoạn chuyển mạch, ñiện áp ra có dạng hình sin

nhưng mang các ñỉnh nhọn tại thời ñiểm chuyển mạch

a Mạch ñiện; b Dạng sóng của dòng ñiện tải

Trên thực tế thì nghịch lưu dòng ba pha ñược sử dụng phổ biến vì công suất

của nó lớn và ñáp ứng ñược các ứng dụng trong công nghiệp Trong các hệ thống

truyền ñộng ñiện ñiều chỉnh nghịch lưu nguồn dòng dùng cho các hệ thống công

suất lớn và trung bình thường dùng sơ ñồ cầu ba pha, trong ñó các van bán dẫn là

các van thyristor hoặc GTO

Hình 2.2a Mạch ñộng lực của Bộ nghịch lưu dòng ba pha

Hình 2.2b Dạng sóng dòng ñiện các pha của bộ nghịch lưu dòng ba pha

Biến tần nguồn dòng cho phép truyền năng lượng theo hai chiều, ñiều này có

nghĩa là khi nghịch lưu nguồn dòng làm việc với tải là ñộng cơ ñiện xoay chiều thì

ñộng cơ có thể thực hiện quá trình hãm tái sinh

* Một số ưu ñiểm của nghịch lưu nguồn dòng:

- Có khả năng vượt qua ñược các sự cố chuyển mạch và tự phục hồi về trạng

thái làm việc bình thường

- Có khả năng hãm tái sinh trả năng lượng về lưới bằng ñảo dấu cực tính của

ñiện áp một chiều trong khi chiều dòng ñiện không thay ñổi Vì vậy không yêu cầu

nối thêm một bộ chỉnh lưu ñảo chiều ñiện áp Sự làm việc của ñộng cơ khi ñộ trượt

âm sẽ tự ñộng ñiều khiển ñảo dấu ñiện áp một chiều vì dòng ñiện một chiều là biến

ñược ñược ñiều khiển Do ñó năng lượng tự ñộng ñược tái sinh trả về lưới ñiện

* Nhược ñiểm của hệ truyền ñộng biến tần nghịch lưu dòng ñiện:

- Không thể làm việc ñược ở chế ñộ không tải

- Kích thước của tụ ñiện và ñiện cảm lọc nguồn một chiều khá lớn Các tụ

chuyển mạch phải có trị số lớn cần thiết ñể thu nhận năng lượng của cuộn dây stator

khi chuyển mạch

- ðể ñảm bảo năng lượng phản kháng tối thiểu thì ñộng cơ phải ñược thiết kế

sao cho ñiện cảm tản nhỏ nhất ðiều này sẽ làm tăng mức giá ñộng cơ, ảnh hưởng

tới giá trị kinh tế

2.3 Bộ nghịch lưu áp

2.3.1 Khái niệm về nghịch lưu áp

Nghịch lưu áp là thiết bị biến ñổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay

chiều với tần số tùy ý

Trên thực tế thì nghịch lưu nguồn áp ñược sử dụng khá phổ biến ðiện áp ra

của nghịch lưu áp có thể ñiều chế theo các phương pháp khác nhau ñể có thể giảm

ñược sóng ñiều hòa bậc cao Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì

công suất của các van bán dẫn nhỏ Hơn nữa việc sử dụng nghịch lưu áp bằng

nay công suất van bán dẫn ñộng lực lớn như: IGBT, IGCT, GTO,…, do ñó các bộ

nghịch lưu áp với dòng ñiện lớn và ñiện áp cao ngày càng ứng dụng rộng rãi trong

truyền ñộng ñiện xoay chiều, trong truyền tải ñiện xoay chiều

ðể tăng công suất, giảm sóng hài bậc cao và tăng hiệu suất của bộ nghịch lưu

áp, trong những năm gần ñây người ta thường sử dụng nghịch lưu áp nhiều mức

thay thế cho nghịch lưu hai mức

2.3.2 Phân loại bộ nghịch lưu áp

Bộ nghịch lưu áp dựa theo các tiêu chí khác nhau có thể phân loại như sau:

- Theo số pha ñiện áp ñầu ra: một pha, ba pha

- Theo số bậc ñiện áp giữa một ñầu pha tải và một ñiểm ñiện thế chuẩn trên

mạch có: nghịch lưu hai mức (two level), nhiều mức (multilevel)

- Theo cấu trúc của bộ nghịch lưu: dạng nối tầng (casdade inverter), dạng ðiốt

kẹp (Diode clamped inverter), dạng flying capacitor;…

- Theo phương pháp ñiều chế: phương pháp ñiều rộng; phương pháp ñiều

biên; phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung dùng sóng mang (CBPWM);

phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung cải biến (SFO- PWM); phương pháp

ñiều chế vector không gian (SWM)

2.3.3 Nghịch lưu áp hai mức

Bộ nghịch lưu áp hai mức chứa hai khóa bán dẫn trên mỗi nhánh pha tải

ñược gọi chung là nghịch lưu áp hai mức (two level voltage inverter) Chúng ñược

ứng dụng rộng rãi trong phạm vi công suất vừa và nhỏ Khái niệm hai mức xuất

phát từ quá trình ñiện áp giữa ñầu một pha tải ñến một ñiểm ñiện thế chuẩn trên

mạch thay ñổi giữa hai bậc giá trị khác nhau Nguồn ñiện áp một chiều có thể ở

dạng ñơn giản như acquy, pin ñiện hoặc ở dạng phức tạp gồm ñiện áp xoay chiều

ñược chỉnh lưu và lọc phẳng

Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích ñóng và kích ngắt dòng

ñiện qua nó, tức ñóng vai trò một công tắc Trong các ứng dụng công suất vừa và

nhỏ, có thể sử dụng tranitor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc ở phạm vi công

suất lớn có thể dử dụng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch

2.3.3.1 Cấu trúc của bộ nghịch lưu áp hai mức

Bộ nghịch lưu áp hai mức bao gồm 6 khóa bán dẫn S1 ñến S6 là Transitor,

Mosfet hoặc IGBT và sáu ñi ôt D1 ñến D6 Mỗi một khóa công suất ñược mắc song

song ngược một ðiốt công suất Các ðiốt mắc ñối song này tạo thành mạch chỉnh

lưu cầu không ñiều khiển có chiều dẫn ñiện ngược lại với chiều dẫn ñiện của các

công tắc Những ðiốt này có nhiệm vụ tạo ñiều kiện thuận lợi cho quá trình trao ñổi

công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều qua ñó hạn chế quá ñiện áp

phát sinh khi kích ngắt các khóa công suất Tải 3 pha có thể mắc hình sao hoặc hình

tam giác

Hình 2.3 Cấu trúc của bộ nghịch lưu áp 2 mức

Bộ nghịch lưu nguồn áp hai mức là bộ nghịch lưu khá thông dụng

Ưu ñiểm:

- ðiện áp và dòng ñiện ra ñược ñiều biến gần sin hơn

- ðiều chỉnh ñiện áp ra dễ dàng bằng ñiều chỉnh góc mở của chỉnh lưu và

bằng ñiều chỉnh khoảng dẫn của công tắc bán dẫn

- Có khả năng làm việc ở chế ñộ không tải

- Do sử dụng các tụ làm mạch lọc nguồn nên bộ nghịch lưu loại này có kích

thước nhỏ gọn hơn nghịch lưu nguồn dòng Không có tổn hao trong cuộn