Điện tử công xuất II P5

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

CHƯƠNG 4 BỘ NGUỒN AC VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC

IV 1 BỘ NGUỒN AC BÁN DẪN:

- Các bộ nguồn không gián đoạn (UPS) dùng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị sử dụng điện lưới mà sự gián đoạn nguồn có thể gây thiệt hại nghiêm trọng

- Các bộ nguồn cho thiết bị gia nhiệt sử dụng dòng điện cảm ứng (dòng Foucault), thường có tần số cao hơn tần số công nghiệp (trên 500 Hz) Đây là đối tượng khảo sát của chương 5

- Các bộ biến đổi tần số dùng cho điều khiển động cơ AC Các BBĐ này biến đổi điện lưới (1 hay 3 pha) thành 3 pha có tần số và điện áp thay đổi cung cấp cho động cơ xoay chiều Có hai loại: biến tần trực tiếp sử dụng BBĐ điều khiển pha đảo chiều và biến tần có qua trung gian một chiều Một lưu ý là trong công nghiệp, các bộ biến tần hay được gọi là nghịch lưu (INVERTER), có lẽ vì trọng tâm của thiết bị là bộ nghịch lưu, vốn là một mạch ĐTCS rất phức tạp

Khác với bộ nguồn DC và bộ điều khiển động cơ DC, các bộ nguồn AC và bộ điều khiển động cơ AC có sơ đồ động lưc và điều khiển rất khác biệt vì tải của chúng rất đa dạng Và vì thế mà mỗi loại sẽ được giới thiệu ở một phần khác nhau

2 Bộ nguồn không gián đọan (UPS – bộ lưu điện):

Để cung cấp năng lượng cho tải

AC khi mất nguồn, UPS sử dụng bộ

nghịch lưu độc lập biến đổi năng lượng

tích trữ trong accu thành điện xoay chiều

tần số lưới cung cấp tiếp tục cho tải Do

năng lượng tích trữ của accu rất hữu hạn,

các UPS thường chỉ làm việc trong thời

gian ngắn, chờ khởi động máy phát dự

phòng hay để thực hiện quá trình dừng

máy (ví dụ ở máy tính làsao lưu các tài

liệu và đóng windows) Có lẽ vì thế mà

nó còn có tên là bộ lưu điện

Nạp Accu

Nghịch lưu

Lưới

Tải

Chuyển mạch Điều khiển

Hình IV.0.1: Sơ đồ khối bộ nguồn xoay chiều không gián đoạn

Có hai loại:

- Off-line (hình IV.0.1): bình thường, bộ nghịch lưu ở trạng thái chờ, tải sử dụng điện lưới Khi mất nguồn, UPS khởi động bộ nghịch lưu và chuyển mạch tải Thời gian khám phá mất điện

+ chuyển mạch tải cần đủ nhanh (vài chục ms) để không ảnh hưởng hoạt động của tải

Sơ đồ off-line thường dùng cho thiết bị công suất bé, khi đó accu có điện áp thấp và bộ nghịch lưu thường là một pha, dùng sơ đồ biến áp có điểm giữa Dạng sóng nghịch lưu (phía xoay chiều) thường có dạng điều rộng 1 xung đơn giản, là kết quả của việc dùng vi mạch điều khiển độ rộng xung kiểu đẩy kéo như đã khảo sát trong phần bộ nguồn DC

- On-line: Thường dùng cho công suất lớn hay thiết bị cần chất lượng cao, tải luôn sử dụng năng lượng từ bộ nghịch lưu, và hệ thống không có bộ chuyển mạch Áp ra thường được điều chế hình sin, đưa qua bộ lọc tần số cao để có được dạng sóng giống như điện lưới, tránh việc tăng tổn hao của các tải dùng điện

Sơ đồ khối bộ nghịch lưu có đầu vào là áp DC của bình accu 24 V và ngỏ ra hình sin

220 VAC công suất bé (< vài Kw):

Accu å [NL1 å BA tần số cao å CL å Lọc 1 ]å NL2 å Lọc 2 å tải

Cụm biến đồi áp DC [ ] dùng để nâng áp từ 24 VDC ra 300 VDC, sử dụng Nghịch Lưu 1 có sơ đồ điều rộng 1 xung với biến áp có điểm giữa Biến Áp tần số cao giúp giảm kích thước và tăng hiệu suất hệ thống Nghịch Lưu 2 là điều rộng xung hình sin dùng vi điều khiển nên mạch

điện đơn giản, kinh tế

Ngày nay với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, sơ đồ khối trên bắt đầu áp dụng cho cả UPS loại off-line, nhằm tăng chất lượng thiết bị

IV 1 CÁC VẤN ĐỀ VỀ TĐĐ AC:

1 So sánh động cơ AC và DC:

Động cơ AC 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 KĐB lại rất phổ biến do cấu tạo đơn giản, chi phí vận hành thấp Ta có thể gặp động cơ KĐB ở mọi ngành kinh tế quốc dân, từ dân dụng đến công nghiệp

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

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 Cho đến đầu những năm 90, các bộ biến đổi tần số đã được nhiều công ty sản xuất nhưng chỉ đến các năm cuối thế kỷ 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 biến tần giảm đáng kể nhờ công nghiệp bán dẫn công suất và vi xử lý phát triển

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 là mộr biến áp có thứ cấp quay, thường được dùng khi khảo sát trạng thái xác lập hay gần đúng, khi để tính toán cho điều khiền pha điện áp xtator trong truyền động điện

- Mô hình động:biểu diễn dạng ma trận hay phương trình trạng thái, cho phép khảo sát và điều khiển chính xác động học của động cơ, sử dụng khi điều khiển vector

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

Dòng điện ba pha chạy trong các cuộn dây xtator sẽ tạo ra từ trường quay (TTQ) ở khe hở, có tốc độ là n o 60 f

p

⋅

= , tính 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 là do dòng điện cảm ứng trong các cuộn dây rotor với nguồn kích thích là TTQ xtator Rotor không thể quay đồng bộ (cùng tốc độ) với TTQ vì khi đó sức điện động cảm ứng bằng không dẫn đến dòng bằng không

Khi khảo sát sự làm việc trong chế độ xác lập, mô hình của động cơ KĐB là một biến áp

có thứ cấp quay Khi rotor quay với tốc độ là w r , nó có độ trượt so với TTQ bằng o r

o

s w

−

tần số dòng điện rotor sẽ bằng f r =s f o, mạch tương đương của động cơ được trình bày trên hình IV.1.1 (d) và (a) khi quy đổi mạch rotor về xtator, trong đó:

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 XTATOR

ROTOR qui đổi về xtator

XTATOR

U U

jXnm jXu

jX1

R'2/s jXu

jX'2

R'2/s R1

Ro

Hình IV.1.1.(c) Từ trường quay xtator wo và tốc độ rotor wr , (d), (a) và (b): Mạch tương đương của động cơ KĐB

Để tính toán đơn giản, người ta hay sử dụng mạch gần đúng hình IV.1.1 (b) 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 Pđt

2 ' 2

Tổn hao của động cơ, xem như chỉ có ở điện

trở rotor , là

( )2 ' '

M M

s s

w x

= <IV.1.6>

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

t nm

R

s s

x

= = ± <IV.1.7>

vàđặc tính cơ động cơ KĐB được vẽ trên hình IV.1.2 khi thay đổi áp pha xtator U

Cũng có thể suy ra P đt=M w o và Momen tỉ lệ công suất điện từ và tổn hao rotor

o

Δ = <IV.1.8>

Các nhận xét:

- Khi độ trượt s bé, momen M có thể xem tỉ lệ với độ trượt và theo <IV.1.1>

M cũng tỉ lệ với dòng điện như động cơ một chiều Khi độ trượt tăng lên, momen tăng

chậm và qua cực trị là momen tới hạn Mt trong khi dòng điện I’2 vẫn tăng, đến từ 5 7 lần dòng định mức khi s = 1 (dòng khởi động)

- 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 Vậy sụt tốc của truyền động điện dùng động cơ KĐB theo tải khá bé so với động cơ DC

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

phụ thuộc phương án điều chỉnh tốc độ Để giữ tổn hao ΔP không đổi khi tốc độ TTQ không đổi, từ <IV.1.8> suy ra momen tải phải giảm tỉ lệ nghịch với độ trượt:

o

P M

s w

Δ

= Phương án này

thích hợp với tải quạt gió hay máy bôm ly tâm, các tải này có momen Mc tỉ lệ với wn , n > 2 –

đường cong (a) trên hình IV.1.2

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 (giả sử mạch điện có đáp ứng tức thời) 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 IV : TTQ và các phép biến đổi)

- Biểu thức căn bản của momen động cơ: Từ nguyên lý momen của động cơ KĐB làdo sự tác động của từ trường khe hở trên dòng điện trong rotor, người ta thành lập biểu thức momen động cơ: Momen động cơ xoay chiều 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

<IV.1.18> có dạng quen thuộc của momen (hay) lực điện từ, giống như biểu thức momen của động cơ một chiều (công thức <3.1> ở chương 3) là momen tỉ lệ với từ thông và dòng điện

- 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 dạng vector điện áp xtator:

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

= + + × <IV.1.21> , tích vector ω ψ× slà sức điện động sinh ra do sự quay

của hệ Tính tích vector, đổi phương trình <IV.1.21> sang hệ tọa độ vuông góc quay tần số w:

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 <IV.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

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)

i

qs

dr _

qr r v

Mạch tương đương trục d

Mạch tương đương trục q

i : vector liên hợp của dòng rotor

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

− = = <IV.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 <IV.1.26> và mạch tương đương hình IV.1.3

Khi đó, các đại lượng dòng áp là

hình sin nhưng các biểu thức momen

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

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

Hình IV.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

điện áp ở hệ trục vuông cố định

Từ thông xuyên (móc vòng) hay

sức điện động cảm ứng ψ^r có suất (biên

s Mạch tương đương trục

Mạch tương đương trục

r lr i

α

β

αr

βr r

m

ψ α

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

V

m

r w.

ψ

ls s

m

r r

^

ψ^

^

R L

L

L R

Hình IV.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 trên, 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 làkhông 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 CM trên, tổn hao tỉ lệ độ trượt và công suất điện từ

Có hai phương pháp thực hiện: thay đổi số đôi cực p và điều khiển tần số

Phương pháp 1 có các bất lợi 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 Khi đóù kích thước, trọng lượng động cơ tăng cao

Điều khiển tần số có thểø điều chỉnh vô cấp nhưng yêu cầu sử dụng bộ biến đổi tần số phức tạp Có hai loại biến tần bán dẫn:

- Biến tần trực tiếp (Cycloconverter) – hình IV.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, thường sử dụng để cung cấp cho động cơ công suất rất lớn, quay tốc độ chậm

- Biến tần có trung gian một chiều:

có sơ đồ khối như hình IV.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 Hình IV.1.3 So sánh đặc tính cơ hai phương án điều khiển tần số: V/F và vector.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 này (cũng như khi hoạt động với điện lưới) ở chỗ ta cung cấp cho động cơ một nguồn áp và momen, dòng điện động cơ phụ thuộc vào chế độ làm việc Khi đó có thể xảy ra trường hợp dòng rất lớn trong khi momen bé (ví dụ như khi độ trượt lớn) làm giảm hiệu qua, 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 dòng xtator tức thời để tạo ra momen momen trên trục một cách tối ưu 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

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 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

o

o i v

NL ND

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

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.

IV 2 ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯỢNG TRƯỢT Đ CƠ KĐB:

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

Các công thức từ <IV.1.5> đến <IV.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 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)

- 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 trong khi tốc độ dài là không đổi, tốc độ quay thay đổi

theo đường kính cuộn

- 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

ĐIỀU KHIỂN

- Hạn chế dòng

- Tào hàm dốc (RAMP)

- Liên động, điều khiển logic và nối mạng

Hình IV.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

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

Ưu điểm là rất đơn giản, rẻ tiền, dễ chế tạo và 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 IV.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 từHình IV.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 IV.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 IV.2.5:

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

PI

Máy phát tốc

Phản hồi tốc độ

Phát xung

Đặt tốc độ Nguồn

SCRDfCKT

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

PΔ

Hình IV.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 IV.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 cũng làm giảm giá thành và tăng độ tin cậy của hệ thống

IV.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 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 IV.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 (xem đặc tính cơ

trên hình IV.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 là một hàm của tần số được gọi là

biến tần V/F

f

U/Uđm

(a) (b)

Hình IV.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)

Với các đặc tính phụ tải khác nhau, quan hệ V/F cũng được hiệu chỉnh để động cơ có momen thích hợp Ví dụ nếu là tải momen thay đổi (varible torque – tải máy bôm, 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)

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 IV.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 U1 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 IV.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 IV.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:

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 '

∑ <IV.3.1> Ta có thể tính tổng <IV.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 mức

- 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 một cách gần đúng, ta có thể xem momen tỉ lệ với dòng điện, có thể suy ra momen đập mạch M6 lớn hơn 10 %

momen định mức của động cơ

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

3 Các phương pháp điều khiển điện áp biến tần qua trung gian một chiều:

Có hai phương pháp điều khiển điện áp:

- Điều khiển biên độ áp ra bằng các thay đổi áp trung gian một chiều Có thể dùng chỉnh lưu SCR ở ngỏ vào hay chỉnh lưu diode + BBĐ áp DC Phương án đầu đơn giản hơn nhưng áp DC có nhấp nhô cao hơn, cần mạch lọc đắt tiền để có áp một chiều phẳng Phương pháp này sử dụng chủ yếu cho biến tần nguồn dòng

- Điều chế độ rộng xung Được sử dụng rộng rải ở các biến tần dùng transistor và hệ thống có chất lượng cao Đặc điểm của phương pháp này là yêu cầu tần số làm việc của ngắt điện từ vài trăm Hz đến 15 KHz và sơ đồ điều khiển phức tạp Một ưu điểm khác là điều khiển

điện áp có thể kết hợp với hạn chế sóng hài bậc cao

V

ref

V o

V

c

3 2

6

Hình IV.3.3: Sơ đồ nguyên lý, dạng áp của điều chế

độ rộng xung hình sin SPWM và các dạng sóng

4 Các phương pháp hạn chế sóng hài bậc cao:

Trong các biến tần, người ta thường sử dụng các phương pháp hạn chế hài bậc cao sau:

- Điều chế độ rộng xung hình sin và các cải tiến Nhóm phương pháp này có ưu điểm là tần số đóng ngắt điều khiển được, dạng áp các bán kỳ và các pha giống nhau khi có sự đồng bộ giữa sóng mang Vc và áp điều khiển Vref Nhược điểm của nhóm phương pháp này là có sơ đồ phức tạp

- Điều khiển dòng

điện hình sin Vì hàm truyền

dòng/áp của tải RL là mạch

lọc thấp qua, ta có thể dùng

mạch so sánh có trể (smit

trigger) để đóng ngắt nguồn

cung cấp động cơ sao cho

dòng qua nó có dạng hình

sin mong muốn Trong hình

IV.3.4.a, dòng điện mong

muốn (Đặt) được so sánh

Q1

Q2

_V

Hình IV.3.4.a: Sơ đồ nguyên lý điều khiển dòng điện hình sin

tín hiệu tỉ lệ với dòng qua động cơ (Phản hồi) Khi dòng điện còn bé hơn giá trị đặt bộ điều khiển

sẽ đóng nguồn dương để làm tăng dòng tải Khi dòng tải vượt quá giá trị đặt, mạch điều khiển sẽ

đóng vào nguồn âm làm dòng giảm xuống Như vậy ngỏ ra sẽ được giữ dao động quanh giá trị giá trị đặt với sai số định trước, sóng hài khi đó rất bé Vậy mạch điều khiển chỉ cần tạo ra tín hiệu điều khiển là dòng điện mong muốn và mạch phát xung sẽ đóng ngắt tải để tạo ra giá trị này Điều này tạo tiền đề cho việc điều khiển trực tiếp momen động cơ như sẽ khảo sát trong phần sau

Bất lợi lớn nhất là tần số đóng ngắt phụ thuộc đặc tính tải, rất khó khống chế Thông thường, người ta sử dụng ngắt điện có thể đóng ngắt ở tần số rất cao như MOSFET, IGBT hay khống chế thời gian đóng (ngắt) tối thiểu Ở phương án sau, chất lượng ngỏ ra sẽ bị ảnh hưởng khi hệ thống làm việc ngoài vùng tính toán

Sơ đồ điều khiển này còn sử dụng trong các bộ

nghịch lưu cần áp ra hình sin Khi đó một bộ lọc

LC sẽ được sử dụng ở ngỏ ra bộ nghịch lưu và

như vậy có thể điều khiển áp xoay chiều sau bộ

lọc

này bám theo dạng sóng mong muốn hình sin

Trong các tài liệu ĐTCS, ta còn gặp các

phương pháp hạn chế sóng hài như sau:

- Sử dụng áp ra dạng nấc thang

- Đóng ngắt theo chương trình tính toán

sẵn để loại bỏ một số hài chọn trước hay giảm

thiểu các hài bậc cao

Các phương pháp này có dạng sóng cố

định, chỉ có thể kết hợp với điều khiển áp ra bằng

thay đổi biên độ hay lệch pha Ta thường gặp ở

các BBĐ có tần số ngỏ ra cố định, phạm vi thay

đổi điện áp bé, như các bộ nguồn AC bán dẫn Ưu

điểm của chúng là mạch điều khiển đơn giản, tần

số đóng ngắt bé nhưng vẫn có kết quả mong muốn

Hình IV.3.4.b: Các dạng sóng điều khiển dòng điện:

i ref : tín hiệu đặt dòng; i O : phản hồi dòng

v O : dạng áp ra; v 1 : hài cơ bản của điện áp ra

e Điều chế theo mẫu:

Khi điều khiển dùng vi xử lý, việc tạo ra và so

sánh các dạng sóng thực hiện bằng phần mềm Ta có

thể thay thế sóng hình sin bằng dạng sóng nấc thang

để giảm khối lượng tính toán như hình IV.3.5a

Có thể điều chế đối xứng hay không đối xứng

Khi điều chế đối xứng, số giá trị hình sin trong một

chu kỳ bằng bội số điều chế N = f C / f O (tần số lấy

mẫu bằng tần số sóng tam giác) Bề rộng xung ở kỳ

lấy mẫu thứ n được tính theo (từ IV.3.5b):

Hình IV.3.5a: Nguyên lý điều chế theo mẫu: thay thế hình sin bằng dạng nấc thang

Hình IV.3.5b: Điều chế đối xứng Hình IV.3.5c: Điều chế không đối xứng

chứa vào ROM và tính ra các độ rộng theo T S , tỉ số U M / U C

Khi điều chế không đối xứng, số lần

tính hàm sin tăng lên gấp đôi (hình 5.25c)

f Điều chế vector không gian - SVM

(còn gọi là điều rộng xung vector không

gian - SVPWM):

Là phương pháp tiên tiến nhất hiện

nay, thích hợp việc ứng dụng các phần tử

tính toán cho điều khiển

- Vector không gian của áp ba pha:

là cơ sở của kỹ thuật điều chế vector

không gian, mô tả hoạt động hệ thống ba

pha dưới dạng vector Ta có các trường hợp

sau (khi điều khiển hoàn toàn): Hình IV.3.6: Vector pha không gian

* Hệ ba pha hình sin đối xứng Vmsin ωt , Vmsin (ωt -2π/3), Vmsin (ωt -4π/3) có thể biểu

diễn bằng vector V quay góc ωe là tốc độ (điện) của từ trường quay

* Nghịch lưu 6 nấc thang có thế biểu diễn bằng bộ 6 vector V1, V2, V3, V4, V5, V6 mô tả sáu trạng thái của các ngắt điện trong bộ nghịch lưu (hình IV.3.6 và IV.3.7) Sáu vector này làm thành lục giác đều và áp ra lần lượt đi qua các đỉnh Khi phân tích các vector không gian này

theo các vector cơ hệ 1, a = e j2π/3, a2 = e -j2π/3, ta có các trạng thái đóng ngắt của các ngắt điện tương ứng

Nhận xét là áp ra không thay đổi được biên độ và vector không gian là gián đoạn, di chuyển nhảy cấp làm sóng hài bậc cao có biên độ lớn

Hình IV.3.7: Vector pha không

gian của NL sáu nấc thang (6

Ngắt điện đóng

áp pha tải

* Khi điều rộng xung hình sin với tần số sóng mang là f C = N.f O , hệ thống sẽ gồm N

vector trạng thái nằm trên đường tròn cóbán kính thay đổi theo áp ra mong muốn

Kỹ thuật điều chế độ rộng xung vecto không gian là mô tả các vector trạng thái này theo cácvector của NL sáu nấc thang Để có được biên độ áp ra mong muốn, ta bổ sung thêm hai trạng thái V0(0, 0, 0) và V7(1,1,1) tương ứng với ba ngắt điện S1, S2, S3 cùng ngắt và cùng đóng, tương ứng áp ra bằng không

- Công thức cho điều chế vector không gian:

Để thực hiện vector không gian *V có biên độ V* bằng bộ nghịch lưu ba pha, ta có thể phân tích *V thành hai thành phần nằm trên 2 vector lân cận của NL 6 nấc thang, ví dụ như

Hình IV.3.8.a: Phân tích áp ra thành

các thành phần không gian

pha apha bpha c