Ứng dụng vi điều khiển vào bài toán điều khiển tốc độ động cơ ba pha không đồng bộ theo mối quan hệ giữa tần số lưới điện và điện áp (u

Các phương pháp thông dụng để thay đổi tần số trong điều khiển động cơ không đồng bộ.. So với động cơ điện một chiều, việc điều khiển tốc độ ĐCKĐB gặp nhiều khó khăn do đặc điểm thông số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

-

ĐÀO HIẾU

ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN VÀO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐC

ĐỘ ĐỘNG CƠ BA PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO MỐI QUAN HỆ

GIỮA TẦN SỐ LƯỚI ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP (U/F)

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà nội, 2009

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

-

ĐÀO HIẾU

ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN VÀO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐC

ĐỘ ĐỘNG CƠ BA PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO MỐI QUAN HỆ

GIỮA TẦN SỐ LƯỚI ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP (U/F)

Chuyên ngành : Tự Động Hóa

Mã số : 60.52.60

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học

TS NGUYỄN ĐỨC KHOÁT

Hà nội, 2009

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Đào Hiếu

MỤC LỤC

MỤC LỤC 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 9

MỞ ĐẦU 10

Chương 1 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI TỐC ĐỘ 13

1.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) 13

1.2 Các phương pháp thay đổi tốc độ động cơ 17

1.2.1 Điều chỉnh điện áp cấp vào stato 18

1.2.2 Điều chỉnh điện trở mạch stato (R1) 19

1.2.3 Điều chỉnh điện trở mạch roto (R2) 20

1.2.4 Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ 21

Chương 2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN V/f 28

2.1 Nguyên lý điều khiển V/f 28

2.2 Các phương pháp thông dụng để thay đổi tần số trong điều khiển động cơ không đồng bộ 30

2.2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung SINPWM 31

2.2.2 Phương pháp điều chế vectơ không gian 34

Chương 3 ỨNG DỤNG MATLAB – SIMULINK VÀ VI ĐIỀU KHIỂN TRONG BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 43

3.1 Thuật toán phát xung điều khiển theo phương pháp PWM 43

3.2 Mô phỏng Matlab hệ thống điều khiển nghịch lưu theo phương pháp PWM 44

3.3 Ứng dụng vi điều khiển trong bài toán điều khiển tốc độ động cơ 47

3.3.1 Nguyên lý điều khiển của bộ điều khiển tốc độ ĐCKĐB 47

3.3.2 Lựa chọn vi điều khiển 48

3.2.3 Thực hiện thuật toán phát xung và điều khiển 49

3.3.4 Lưu đồ thuật toán của chương trình điều khiển 51

3.3.5 Sơ đồ mạch điều khiển phát xung 57

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC 62

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ 13

Hình 1.2 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ 14

Hình 1.3 Đặc tính cơ - điện của động cơ không đồng bộ 15

Hình 1.4 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 16

Hình 1.5 Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi thay đổi điện áp cấp vào stato 18

Hình 1.6 Mô hình cấu trúc hệ điều khiển ĐCKĐB bằng cách thay đổi điện áp stato 18

Hình 1.7 Sơ đồ mạch khi đấu điện trở phụ stato 19

Hình 1.8 Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi đấu thêm điện trở phụ stato 20

Hình 1.9 Sơ đồ mạch khi đấu thêm điện trở phụ roto 20

Hình 1.10 Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi đấu thêm điện trở phụ roto 20

Hình 1.11 Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi thay đổi tần số trong trường hợp Mc=const 22

Hình 1.12 Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi thay đổi tần số trong trường hợp Mc có dạng hypebol 23

Hình 1.13 Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi thay đổi tần số trong trường hợp Mc tỉ lệ với bình phương tốc độ (Mc= k.2) 23

Hình 1.14 Sơ đồ ba pha biến tần trực tiếp 25

Hình 1.15 Sơ đồ khối biến tần gián tiếp 25

Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu nguồn áp 26

Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu nguồn dòng 26

Hình 1.18 Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu cầu ba pha 26

Hình 2.1 Quan hệ giữa mômen và điện áp theo tần số khi điều khiển V/f 30

Hình 2.2 Nguyên lý điều chế độ rộng xung đơn cực 32

Hình 2.3 Góc chuyển trạng thái của các van bán dẫn 33

Hình 2.4 Nguyên lý điều chế độ rộng xung lưỡng cực 34

Hình 2.5 Mô hình đơn giản của ĐCKĐBBP rotor lồng sóc 35

Hình 2.6 Thiết lập vector không gian từ các đại lượng ba pha 36

Hình 2.7 Biểu diễn dòng stator dưới dạng vector không gian với các phần tử isα

và isβ thuộc hệ toạ độ stator (TĐST) cố định 36

Hình 2.8 Sơ đồ bộ biến tần nghịch lưu áp 6 khóa (MOSFETs hoặc IGBTs) 37

Hình 2.9 Tám vector do ba cặp van bán dẫn của biến tầntạo nên; Q1 Q2 :các góc phần tư ; S1 S6 : các góc phần sáu 38

Hình 2.10 Thực hiện vector u sbất kỳ bằng hai vector điện áp chuẩn 39

Hình 2.11 Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần sáu thứ nhất S1 40

Hình 2.12a Biểu đồ xung kích thích thuộc S2 41

Hình 2.12b Biểu đồ xung kích thích thuộc S3 41

Hình 2.12c Biểu đồ xung kích thích thuộc S4 41

Hình 2.12d Biểu đồ xung kích thích thuộc S5 41

Hình 2.12e Biểu đồ xung kích thích thuộc S6 42

Hình 3.1 Nguyên lý phát xung điều khiển 43

Hình 3.2 Mô hình mô phỏng nghịch lưu cầu ba pha nguồn áp 45

Hình 3.3 Tốc độ góc và dòng phần ứng động cơ khi f = fđm = 50Hz 46

Hình 3.4 Tốc độ góc và dòng phần ứng động cơ khi f = 2 1 fđm = 25Hz 46

Hình 3.5 Tốc độ góc và dòng phần ứng động cơ khi f = 3 1 fđm = 16,67Hz 46

Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán tổng quát của chương trình điều khiển 52

Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán chương trình con phát xung điều khiển pha A 53

Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán chương trình con điều khiển hệ ở trạng thái chờ 54

Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán chương trình ngắt Timer 16 bit 56

Hình 3.10 Cấu tạo mạch điều khiển 59

Hình A.1 Sơ đồ khối cấu trúc của PSoC………61

Hình A.2 Cấu trúc liên kết của CPU với bộ nhớ (cấu trúc Harvard) 67

Hình A.3 Sơ đồ nguyên lý của bộ định thời 67

Hình A.4 Sơ đồ nguyên lý của bộ đếm 68

Hình A.5 Sơ đồ nguyên lý của bộ điều chế độ rộng xung 68

Hình A.6 Sơ đồ nguyên lý của bộ tạo dãy CRC 69

Hình A.7 Sơ đồ nguyên lý của bộ truyền thông UART 70

Hình A.9 Sơ đồ nguyên lý bộ khuếch đại đảo 70

Hình A.10 Sơ đồ nguyên lý bộ khuếch đại không đảo PGA 71

Hình A.11 Sơ đồ nguyên lý bộ so sánh ngưỡng 71

Hình A.12 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi ADC 12-bit Incremental 72

Hình A.13 Sơ đồ nguyên lý của bộ chuyển đổi DAC 72

Hình A.14 Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc thông thấp 73

Hình A.15 Sơ đồ nguyên lý của bộ lọc thông giải 73

Hình A.16 Sơ đồ nguyên lý của bộ chọn 4 đầu vào 74

Hình A.17 Sơ đồ nguyên lý của bộ chọn điện áp tham chiếu 74

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các khả năng nối pha động cơ với UMC 38 Bảng 2.2 Trạng thái các vector u1, u2 và u7 40 Bảng 3.1 Độ rộng xung điều khiển tại mỗi khoảng thời gian T tương ứng (đơn

vị %) 49 Bảng A.1 Các thanh ghi của CPU 66

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay vấn đề tiết kiệm năng lượng đang là mối quan tâm hàng đầu trong tất cả các lĩnh vực, ngành nghề trong khi các yêu cầu về điều khiển thì lại ngày một phức tạp hơn Đây là hai mối quan tâm hàng đầu của lĩnh vực điều khiển truyền động điện Nói một cách cụ thể hơn, đó là vấn đề tiết kiệm năng lượng và điều khiển tốc độ động cơ Đây chính là lý do của sự ra đời và đang được áp dụng khá phổ biến trong công nghiệp của biến tần Tuy nhiên hiện nay, giá thành của biến tần còn khá cao so với nhiều bài toán ứng dụng Do đó cần thiết phải có một thiết bị vừa đảm bảo được ưu thế điều khiển của biến tần lại vừa phải có giá thành hợp lý Đó là lý do của sự đời của khái niệm bộ biến đổi tần số trong điều khiển tốc độ động cơ

2 Mục tiêu nghiên cứu

 Tìm hiểu các đặc tính làm việc của động cơ điện xoay chiều ba pha

 Tìm hiểu các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ hiện tại và mô hình toán học của chúng

 Thiết kế mạch điều khiển

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là thiết kế một mạch điều khiển cho một bộ điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều ba pha

Phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu ứng dụng cho động cơ không đồng bộ

ba pha roto lồng sóc

4 Nội dung nghiên cứu

 Xây dựng mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý : momen tải, tốc độ động

cơ, điện áp và tần số làm việc

 Xây dựng thuật toán điều khiển phù hợp

 Mô phỏng thuật toán

 Lựa chọn vi điều khiển thực hiện thuật toán

 Thiết kế sơ đồ mạch điện ứng dụng

 Viết chương trình trên vi điều khiển

5 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng thuật toán điều khiển Sử dụng phần mềm viết chương trình vi điều khiển chuyên dụng để lập trình vi điều khiển

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Với đặc điểm cấu trúc đơn giản và giá thành thấp, động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) được sử dụng ngày càng nhiều trong các hệ thống truyền động điện công nghiệp Như chúng ta đã biết, một ĐCKĐB hoạt động ở tốc độ định mức khi nó được cung cấp điện áp định mức và mang tải định mức Tuy nhiên trong các ứng dụng thực tế hầu hết các động cơ không làm việc với tốc độ không đổi, với các ứng dụng mà tốc độ động cơ phải thay đổi liên tục theo đặc tính của tải, thì việc chủ động điều khiển được tốc độ động cơ là rất quan trọng So với động

cơ điện một chiều, việc điều khiển tốc độ ĐCKĐB gặp nhiều khó khăn do đặc điểm thông số của ĐCKĐB là các đại lượng biến đổi theo thời gian, cũng như cấu trúc của ĐCKĐB so với động cơ một chiều

Hiện nay, trong các hệ truyền động sử dụng ĐCKĐB, để thay đổi tốc độ người ta sử dụng một số phương pháp như thay đổi điện trở phụ roto, thay đổi điện áp stato thay đổi số đôi cực p, thay đổi tần số điện áp stato [1] Tốc độ của ĐCKĐB tỉ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp Do đó, nếu thay đổi tần số của nguồn cung cấp cho động cơ thì sẽ thay đổi được tốc độ của động cơ Tuy nhiên việc thay đổi tần số lưới điện cấp cho động cơ là không thể, chính vì lý do này

mà khái niệm về bộ biến đổi tần số trong điều khiển tốc độ ĐCKĐB ra đời

Variable Frequency Drive (VFD)

VFD không chỉ có khả năng thay đổi tốc độ động cơ mà còn giúp giảm năng lượng tiêu thụ của hệ thống Có nhiều hệ thống mà năng lượng tiêu thụ của

hệ tỉ lệ bậc ba, bậc bốn với tốc độ của động cơ như quạt gió, máy bơm Ví dụ:

một máy bơm ly tâm khi tốc độ giảm 20% thì năng lượng tiêu thụ giảm tới 50% [6]

7 Cấu trúc của luận văn

Nội dung của bản luận văn gồm có phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận

và phụ lục được trình bày trong 98 trang, 61 hình, 4 bảng

Chương 1: Động cơ không đồng bộ và các phương pháp thay đổi tốc độ Chương 2: Phương pháp điều khiển V/f

Chương 3: Ứng dụng Matlab-Simulink và vi điều khiển trong bài toán điều khiển tốc độ động cơ

Phụ lục A: Giới thiệu về vi điều khiển PSoC

Phụ lục B: Chương trình điều khiển

8 Lời cảm ơn

Để hoàn thành bản luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Đức Khoát đã tận tình giúp đỡ để tôi hoàn thành bản luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Tự động hóa xí nghiệp Mỏ và Dầu khí – ĐH Mỏ - Địa chất đã giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thành bản luận văn

Tác giả luận văn

Đào Hiếu

Chương 1 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ CÁC

PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI TỐC ĐỘ

1.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB)

Động cơ không đồng bộ bao gồm 2 thành phần cơ bản là stato và roto Trên stato của ĐCKĐB có gắn các nam châm điện tạo thành các cặp đối xứng nhau về mặt không gian Khi được cấp điện, các nam châm này sẽ tạo ra một từ

trường quay bên trong stato ( tốc độ n1 vòng/ phút ) làm đường sức từ quay cắt qua các cạnh của khung dây cảm ứng gây nên sức điện động E trên khung dây Sức điện động E sinh ra dòng điện I chạy trong khung dây Vì dòng điện I nằm

trong từ trường nên khi từ trường quay làm tác động lên khung dây một lực điện

từ F Lực điện từ này làm khung dây chuyển động với tốc độ n vòng/ phút Khung dây được gắn cố định trên roto, do đó roto quay với tốc độ n vòng/phút

n1 được gọi là tốc độ đồng bộ

Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ

Để nghiên cứu đặc tính cơ của động cơ KĐB và các tính chất của nó, ta tiến hành : nghiên cứu trên một pha qua việc sử dụng sơ đồ thay thế một pha của động cơ KĐB như hình 1.2 với những giả thiết sau :

- Ba pha của động cơ là đối xứng

- Các thông số của mạch ( điện trở, điện kháng ) không đổi theo nhiệt độ

và tần số

- Mạch từ của động cơ không bão hoà

- Tổng dẫn của mạch vòng từ hoá không thay đổi, dòng từ hoá không phụ thuộc tải mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt vào stato

- Bỏ qua các tổn thất trong lõi thép và tổn thất do ma sát

- Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng

Hình 1.2 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ

Trong đó:

x 1 , R 1 Điện kháng và điện trở của mạch stato ()

x 2 ’,R 2 ’/s Điện kháng và điện trở của roto quy đổi về stato ()

s Hệ số trượt của động cơ

0 0

0

0

n

n n

 là tốc độ góc của roto (rad/s)

f là tần số của nguồn điện đặt vào stato (Hz)

p là số đôi cực từ của động cơ

Từ sơ đồ thay thế ta có :

tđ Z

U

Với

Z Z

Z tđ

1 1 1

R 

2 1 2 ' ' 2

s

R s

R

Nếu R f’ = 0 => Z = ' 2

2 1 2 ' 2

1 2

0 2 0 1

) (

)

s

R R

U x

R U

Hình 1.3 Đặc tính cơ - điện của động cơ không đồng bộ

Quan tâm tới sự phân bố năng lượng trong một động cơ KĐB cùng với những giả thiết đặt ra ở trên ta có thể thấy được rằng:

Nếu gọi P 1 là công suất điện từ do nguồn cấp vào 3 pha stato động cơ

P 2 là công suất trên trục động cơ ( công suất mà động cơ có thể

truyền động cho máy sản xuất)

 P1 là tổn hao công suất trong cuộn dây stato

 P2 là tổn hao công suất trong cuộn dây roto

Ta có biểt thức sau:

Với P 12 : là công suất của từ trường quay cung cấp cho roto

Bỏ qua tổn hao mômen do ma sát và các tổn hao phụ khác ta có:

Trong đó M đt : là mômen do từ trường quay của stato tạo ra

2

3I R

2 2 '

2 3



s

R I

' 2 2 1

) (x s x s R

s R

s R U

' 2

) (x s x s R

( 2

3

2 ' 2 1 2 1 1 0

2 1

s x s x R R

Quan sát phương trình đặc tính cơ, đường đặc tính cơ của ĐCKĐB

(hình1.4), công thức s th và M th có thế nhận thấy rằng, các thông số ảnh hưởng

đến đặc tính cơ gồm:

- Điện trở và điện kháng stato

- Điện trở và điện kháng roto

- Số đôi cực từ trên stato

- Điện áp đặt vào cực động cơ

- Độ trượt s

- Tần số của lưới điện cung cấp cho động cơ

1.2 Các phương pháp thay đổi tốc độ động cơ

Hiện nay, trong các hệ truyền động sử dụng ĐCKĐB, để thay đổi tốc độ người ta sử dụng một số phương pháp như :

- Điều chỉnh điện áp cấp vào stato

- Điều chỉnh điện trở stato

- Điều chỉnh điện trở roto

- Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ

Mỗi phương pháp lại có những ưu nhược điểm riêng của nó, từ đó người

ta lựa chọn những phương pháp khác nhau cho những yêu cầu điều khiển khác nhau

1.2.1 Điều chỉnh điện áp cấp vào stato

Từ hai công thức (1-8) và (1-9) ta thấy rằng khi thay đổi điện áp U 1 đặt

vào phần ứng thì s th không đổi nhưng M th thay đổi tỉ lệ với U 1 2 , do đó M kđ giảm

theo U 1 2 khi U1 giảm, tức là một sự giảm áp nhỏ cũng dẫn đến một sự thay đổi lớn của momen Đây cũng là nhược điểm chính của phương pháp này (Hình 1.5)

Hình 1.5 Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi thay đổi điện áp cấp vào stato

Để điều chỉnh điện áp không đồng bộ ta sử dụng các bộ biến đổi điện áp xoay chiều đặt ở giữa nguồn điện lưới và động cơ để điều khiển điện áp đặt vào động cơ (Hình 1.6)

Hình 1.6 Mô hình cấu trúc hệ điều khiển ĐCKĐB bằng cách thay đổi điện áp

stato

1.2.2 Điều chỉnh điện trở mạch stato (R 1 )

Hình 1.7 Sơ đồ mạch khi đấu điện trở phụ stato

Khi thay đổi điện trở mạch stato (đưa thêm điện trở phụ vào mạch stato) thì khi đó các công thức (1-8) và (1-9) chuyển thành :

sth nt =

2 1 2 1

' 2

) (x s x s R

3

2 ' 2 1 2 1 1

0

2 1

s x s x R

R R

Quan sát các công thức (1-8), (1-9), (1-10), (1-11) có thể thấy rằng khi

đấu thêm điện trở phụ vào mạch stato thì s th giảm và M th cũng giảm (Hình 1.8)

Ưu điểm của phương pháp này là nguyên lý và sơ đồ điều khiển rất đơn giản, dễ đấu nối, lắp đặt

Nhược điểm là gây tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, do đó người ta thường chỉ dùng để điều khiển trong quá trình khởi động cho động cơ, kết thúc quá trình khởi động thì điện trở phụ sẽ được loại đi

Hình 1.8 Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi đấu thêm điện trở phụ stato

1.2.3 Điều chỉnh điện trở mạch roto (R 2 )

Hình 1.9 Sơ đồ mạch khi đấu thêm điện trở phụ roto

Từ (1-8) và (1-9) ta thấy rằng khi thay đổi điện trở mạch roto (đấu thêm

điện trở phụ vào mạch roto) tức là tăng giá trị R 2’ thì làm cho sth thay đổi nhưng

Mth không đổi, điều này dẫn đến làm tăng hệ số trượt s và tốc độ động cơ thay đổi (hình 1.10)

Hình 1.10 Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi đấu thêm điện trở phụ roto

Phương pháp này cũng có ưu điểm là nguyên lý và sơ đồ điều khiển rất đơn giản, dễ đấu nối, lắp đặt

Tuy nhiên nhược điểm là gây tổn thất năng lượng lớn trong quá trình điều khiển và chỉ áp dụng được với ĐCKĐB roto dây quấn chứ không áp dụng được cho ĐCKĐB roto lồng sóc Do đó người ta cũng chỉ thường dùng trong quá trình khởi động cho động cơ, kết thúc quá trình khởi động thì được trở phụ được loại ra

1.2.4 Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ

Khi thay đổi tần số f 1 của nguồn điện đặt vào động cơ làm cho  0 thay đổi

hiện nay phát triển rộng rãi trong việc điều khiển tốc độ động cơ nhờ sự phát triển của điện tử công suất

Với động cơ công suất lớn, tổn thất điện áp trên cực động cơ (  U 1) là rất

nhỏ so với điện áp đặt U 1, do đó nếu coi  U1 = 0 thì U1  E = K  f1 , khi đó:

- Nếu tăng f 1 , U 1 =const thì  giảm, mà M = K  I 2 cos  Nếu M c = const

thì dẫn đến I tăng Khi đó mạch từ bị non tải còn mạch điện bị quá tải

- Nếu giảm f 1 , U 1 =const thì  tăng, mà M = K  I 2 cos  Nếu M c = const

thì dẫn đến I giảm Khi đó mạch từ bị quá tải còn mạch điện non tải Như vậy muốn cho động cơ giữ nguyên chất lượng thì khi thay đổi tần số f 1 ta

cũng phải thay đổi điện áp U 1 Hệ số

đm

th M

độ nào đó, momen cản có giá trị khác nhau dẫn đên momen tới hạn cũng phải thay đổi theo

Luật thay đổi U 1 theo tần số f 1 đảm bảo cho  M không đổi có dạng như sau :

cđđ c đm

M f

f U

1 1

Mc(  ) là momen cản ứng với tấn số f1 đã được điều chỉnh

1.2.4.1 Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi thay đổi tần số trong một số trường

=const tức là khi thay đổi tần số thì phải thay

đổi điện áp tỉ lệ thuận với tần số Đặc tính cơ có dạng như hình 1.11

Hình 1.11 Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi thay đổi tần số trong trường hợp

Điều này có nghĩa là khi công suất tải không đổi, nếu như ta tiến hành điều

chỉnh tần số f 1 thì U 1 phải thay đổi tỉ lệ thuận với căn bậc 2 của tần số Đặc tính

cơ có dạng như hình 1.12

Hình 1.12 Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi thay đổi tần số trong trường hợp Mc có

= const Điều này có nghĩa là khi tải thay đổi thay

đổi tỉ lệ bậc 2 với tốc độ thì khi điều chỉnh tần số f 1 thì phải thay đổi điện áp nguồn theo tỉ lệ bình phương của tần số (hình 1.13)

Hình 1.13 Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi thay đổi tần số trong trường hợp Mc tỉ

lệ với bình phương tốc độ (Mc= k  2 )

1.2.4.2 Các kiểu biến đổi tần số

 Biến đổi tần số trực tiếp

Ở loại biến tần trực tiếp, điện áp xoay chiều U 1 (với tần số f 1) chỉ cần qua một van một van chỉnh lưu là chuyển ngay ra tải với tần số khác Vì vậy biến tần

này có hiệu suất biến đổi năng lượng cao nhưng số lượng van lớn, sơ đồ mạch

van phức tạp, việc thay đổi tần số ra là phức tạp và phụ thuộc vào tần số vào f 1

Loại biến tần này làm việc chủ yếu trong phạm vi tần số ra f 2 < f 1 Tuy

nhiên trong lý thuyết hay nguyên tắc có thể thiết lập biến tần với tần số f 2 >f 1

nhưng độ phức tạp rất cao Trong biến tần trực tiếp thì đường cong điện áp ra là đường ghép nối các đoạn hình sin của điện áp nguồn bằng cách nối tải vào các pha của nguồn một cách luân phiên nhờ các van bán dẫn

Biến tần trực tiếp cho phép thực hiện hãm tái sinh mà không cần các mạch phụ hay cũng có thể thực hiện điều chỉnh điện áp và tần số đầu ra của biến tần với dạng sóng gần sin Tuy nhiên cũng có nhiều nhược điểm như : hệ số công suất thấp, dải điều chỉnh tần số bị giới hạn bởi giới hạn trên của nguồn cấp và điều kiện chuyển mạch của các van

Trong biến tần loại này việc chuyển mạch xảy ra một cách tự nhiên sau mỗi nửa sóng dẫn của các van bán dẫn, vì vậy tần số cơ bản của dòng tải có được là các giá trị gián đoạn Về nguyên tắc cũng có thể điều chỉnh trơn dạng sóng ra, tuy vậy khi đó thường xuất hiện sự mất đối xứng giữa nửa sóng dương

và nửa sóng âm của chu kỳ dòng và áp

Việc điều chỉnh điện áp ra của biến tần trực tiếp được thực hiện bằng cách thay đổi góc pha xung điều khiển Khi đó đồ thị điện áp ra có chứa phổ biến các sóng hài bậc lẻ Nếu tải ba pha đối xứng và không dây trung tính thì điện áp ra không chứa thành phần sóng hài bậc hai và bậc ba Dưới đây là sơ đồ ba pha của biến tần trực tiếp sáu đỉnh xung và 3 đỉnh xung

Hình 1.14 Sơ đồ ba pha biến tần trực tiếp

 Biến đổi tần số gián tiếp

Trong biến tần loại này, điện áp xoay chiều đầu tiên được biến thành điện

áp một chiều nhờ chỉnh lưu sau đó qua bộ lọc và lại được chuyển trở lại thành điện áp xoay chiều nhờ nghịch lưu Biến tần loại này cho phép biến đổi tần số ra

f 2 không phụ thuộc vào tần số f 1 trong dải rộng cả trên lẫn dưới f 1 mà chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển

Hình 1.15 Sơ đồ khối biến tần gián tiếp

Tần số và hình dáng điện áp xoay chiều đầu ra cung cấp cho mạch tải do nghịch lưu quyết định Căn cứ vào tính chất của mạch một chiều cung cấp cho nghịch lưu mà ta có 2 loại nghịch lưu là nghịch lưu nguồn áp và nghịch lưu nguồn dòng

Nghịch lưu nguồn áp là bộ nghịch lưu định hình điện áp trên tải là những xung vuông, còn hình dáng dòng điện và góc pha của tải phụ thuộc vào thông số của tải Nguồn cung cấp cho nghịch lưu áp là nguồn điện áp 1 chiều, ổn định như một bộ chỉnh lưu có các tụ song song với dung lượng lớn ở đầu ra (Hình 1.16)

Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu nguồn áp

Nghịch lưu nguồn dòng là bộ nghịch lưu định hình dòng điện trên tải là những xung vuông còn hình dáng điện áp và góc pha của tải thì do thông số của tải quyết định Trong công nghiệp người ta thường sử dụng chỉnh lưu có mắc cuộn kháng có giá trị đủ lớn ở đầu ra (Hình 1.17)

Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu nguồn dòng

Hình 1.18 Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu cầu ba pha

Nhận xét

Qua sự phân tích các phương pháp thay đổi tốc độ ĐCKĐB ta có thể thấy rằng phương pháp thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn phần ứng có nhiều ưu thế vượt trội hơn so với các phương pháp còn lại mặc dù thuật toán điều khiển là phức tạp hơn

Tuy nhiên, sự phát triển mạnh mẽ của kĩ thuật bán dẫn và vi xử lý đã làm cho những yêu cầu khi điều khiển tốc độ ĐCKĐB không còn là vấn đề khó khăn

nữa Sự ra đời của bộ biến đổi tần số trong điều khiển tốc độ ĐCKĐB Variable

Frequency Drive (VFD) với những ưu thế vượt trội so với hệ truyền động sử

dụng động cơ một chiều như: giá thành thấp, độ bền cao, độ an toàn cao, khả năng tiết kiệm năng lượng, …đã và đang giúp cho ĐCKĐB dần thay thế hoàn toàn động cơ điện một chiều trong tất cả các hệ truyền động hiện nay

Một trong những nguyên lý khi điều khiển tốc độ ĐCKĐB bằng phương pháp thay đổi tần số đang được sử dụng khá phổ biến hiện nay là nguyên lý điều khiển V/f Nguyên lý điều khiển này được giới thiệu chi tiết ở chương 2

Chương 2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN V/f

Hiện nay các bộ biến đổi tần số với ưu thế vượt trội của nó đang được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp Trong đó loại phổ biến nhất hiện nay là loại

biến đổi tần số nguồn áp theo nguyên lý V/f

2.1 Nguyên lý điều khiển V/f

Mục đích cơ bản để dẫn tới nguyên lý điều khiển V/f chính là việc mong

muốn có được khoảng làm việc ổn định của động cơ càng lớn càng tốt Để đạt được yêu cầu này đòi hỏi mômen mà động cơ sinh ra phải được giữ càng ổn định càng tốt có nghĩa là phải giảm thiểu tối đa các yếu tố ảnh hưởng tới mômen

mà động cơ sinh ra

Ta biết rằng, nếu như có thể giữ cho từ thông stator là không đổi thì lực từ

do từ trường quay stator sinh ra cũng không đổi, khi đó mômen trên trục của

động cơ lúc này chỉ còn phụ thuộc vào hệ số trượt s

Do từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng từ hóa của động cơ, nên từ thông được giữ không đổi khi dòng từ hóa được giữ không đổi

Để chứng minh điều này, quan sát động cơ trên hệ qui chiếu stator ta có:

0

r s m m

s m r r r

r m s s s

r r r m s

s s s s

I I I L

p M

I L I L

I L I L

I R j

dt d

dt

d R I V

Trong đó : V s – điện áp stator

 s,  r – Từ thông stator và rotor

I s , I r – Dòng điện stator và rotor

Rs, Rr – Tổng trở của stator và rotor

Ls, Lr – Điện cảm stator và rotor

Lm – Điện cảm của khe hở không khí

 m =2  fr

Khi động cơ được cấp nguồn 3 pha hình sin có tần số là f s là j t

sm s

s

e V

) (

r s

s s

t j rm r

t j sm s e I I

e I I

s slp m r

s slp r r s

V R L

V

jL I

V jL R I

được giữ không đổi

Khi ở tốc độ cao   jL r L s  s, và  r sẽ không đổi nếu tỉ lệ

s s

V

được giữ không đổi vì:

s s s

m s s s r

r m r

V L

L V L R

R L

rm R

rm

r m

s

p

R M





Ngược lại, khi tần số tăng lên lớn hơn giá trị giới hạn trên, thì điện áp phải được giữ ở mức giới hạn trên tương ứng Khi đó, từ thông roto sẽ không còn là hằng số nữa và mômen bị suy giảm (hình 2.1)

Sau đây là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa moment và điện áp theo tần

số trong phương pháp điều khiển V/f=const

Hình 2.1 Quan hệ giữa mômen và điện áp theo tần số khi điều khiển V/f

Như vậy một cách tổng quát, điều khiển V/f là cung cấp cho các cuộn dây

của động cơ một nguồn điện áp hình sin 3 pha mà độ lớn điện áp tỉ lệ với tần số trong khoảng giới hạn tần số cho phép như ở hình 2.1 Trong thực tế, độ dốc của đường đặc tính được xác định qua mối quan hệ giữa điện áp và tần số định mức được ghi trên nhãn động cơ, và giá trị giới hạn dưới được lựa chọn bằng khoảng 5% tần số định mức [4]

2.2 Các phương pháp thông dụng để thay đổi tần số trong điều khiển động

cơ không đồng bộ

Như đã trình bày ở phần mục 1.2.4.2 thì việc điều khiển tần số và điện áp

ở đầu ra của biến tần là hoàn toàn do nghịch lưu quyết định, do đó việc điều

khiển biến đổi tần số thực chất là việc điều khiển các chế độ làm việc của nghịch lưu mà loại thông dụng thường được ứng dụng hiện này là nghịch lưu nguồn áp

Có nhiều phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp để tạo ra điện áp có biên độ và tần số mong muốn cung cấp cho động cơ Trong nội dung này chúng

ta khái quát hai phương pháp đó là :

- Phương pháp điều chế độ rộng xung (SinPWM)

- Phương pháp điều chế vector không gian ( Space Vector)

2.2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung SINPWM

Điều chế độ rộng xung là thực hiện việc tạo ra các chuỗi xung vuông liên tục để đưa vào chân điều khiển của các van bán dẫn trong nghịch lưu Các chuỗi xung này được điều khiển độ rộng và phối hợp sao cho nhận được điện áp ra tải gần với hình sin nhất Chu kỳ đóng – mở của các van bán dẫn tương ứng với chu

kỳ của xung điều khiển Độ rộng của xung điều khiển được tạo ra sao cho có độ rộng lớn nhất ở đỉnh của sóng hình sin và nhỏ nhất ở những điểm sóng sin bằng không Chú ý rằng diện tích của mỗi xung tương ứng gần với diện tích dưới dạng sóng hình sin mong muốn giữa hai khoảng mở liên tiếp của van bán dẫn

Dạng điều khiển này được gọi là điều chế theo độ rộng xung

2.2.1.1 Điều chế độ rộng xung đơn cực:

Điều khiển độ rộng xung đơn cực là thực hiện điều khiển các van bán dẫn trong nghịch lưu theo từng van riêng biệt, xung tạo ra có những phần ở mức điện

áp dương và có những phần bằng không

Để xác định được các thời điểm mồi cần thiết theo phương pháp PWM, thuật toán được lựa chọn là tạo ra một sóng hình sin chuẩn mong muốn và so sánh nó với các dãy xung tam giác được biểu diễn trên hình 2.2, giao điểm giữa hai sóng đó xác định thời điểm mồi

Hình 2.2a vẽ giản đồ điện áp đầu ra cực đại

Hình 2.2b cho thấy khi muốn sóng cơ bản điện áp đầu ra giảm đi một nửa thì sóng sin chuẩn phải giảm đi một nửa

Hình 2.2c cho thấy khi giảm tần số sóng sin chuẩn thì số xung ở mỗi nửa chu kỳ tăng lên

Hình 2.2 Nguyên lý điều chế độ rộng xung đơn cực

Phương pháp điều chế động rộng xung đơn cực thường được ứng dụng nhiều vì phương pháp này giảm nhỏ được ảnh hưởng của sóng hài mà không cần các bộ lọc, giảm được trọng lượng và giá thành của thiết bị Sau khi khai triển Fourier điện áp tải ta có biên độ của sóng hài được tính theo công thức:

3 2

Các tham số của công thức trên được chỉ rõ ở hình 2.3

Hình 2.3 Góc chuyển trạng thái của các van bán dẫn

2.2.1.2 Điều chế độ rộng xung lưỡng cực:

Phương pháp điều chế độ rộng xung lưỡng cực thực hiện điều khiển các van bán dẫn IGBT theo từng cặp Điện áp ra trên tải là một chuỗi xung có độ

rộng khác nhau, không có những đoạn u = 0 (Hình 2.4)

Hình 2.4 Nguyên lý điều chế độ rộng xung lưỡng cực

Biên độ sóng hài khi điều chế độ rộng xung lưỡng cực được tính theo công thức tổng quát sau :

nm

n

E u

1

1

cos 1 2 1

4



u 3m = u 5m = 0

2.2.2 Phương pháp điều chế vectơ không gian

Phương pháp điều rộng xung vector không gian (SVM - Space Vector Modulation) khác với phương pháp điều rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) Với phương pháp PWM, bộ nghịch lưu được xem như là ba bộ biến đổi kéo-đẩy riêng biệt với ba điện áp pha độc lập với nhau Đối với phương

pháp điều rộng xung vector không gian, bộ nghịch lưu được xem như là một khối duy nhất với 8 trạng thái đóng ngắt riêng biệt từ 0 đến 7

2.2.2.1 Xây dựng vectơ không gian

Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bố trí trông không gian tổng quát như sau

Hình 2.5 Mô hình đơn giản của ĐCKĐBBP rotor lồng sóc

Ta không cần quan tâm đến việc động cơ được cấu tạo theo hình sao hay hình tam giác, ở đây ba dòng điện isu, isv, isw là ba dòng chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ Khi động cơ chạy bằng biến tần, đó là ba dòng đầu ra của biến tần Ba dòng điện đó thoả mãn phương trình sau:

Trong đó từng dòng điện thoả mãn các công thức sau:

Theo công thức (2-20) vector i s t là vector có modul không đổi quay trên

mặt phẳng phức (cơ học) với tốc độ góc ω s= 2  fs và tạo với trục thực (đi qua

trục cuộn dây pha U) một góc γ = ωs(t) (f s là tần số mạch stator) Việc xây dựng vector không gian i s t được mô tả như sau:

Hình 2.6 Thiết lập vector không gian từ các đại lượng ba pha

Qua hình 2.6, ta thấy rằng các dòng điện ba pha chính là hình chiếu của vector mới thu được trên cuộn dây pha tương ứng Đối với các đại lượng khác của động cơ như điện áp, dòng rotor, từ thông stator, từ thông rotor đều có thể xây dựng các vector tương ứng đối với dòng điện kể trên Ta đặt tên cho trục

thực của một mặt phẳng là α còn trục ảo là β, ta hãy quan sát hình chiếu của các

vector dòng ở trên xuống hai trục đó, hai hình chiếu được đặt tên là isα và isβ, trên hình vẽ sau đây

Hình 2.7 Biểu diễn dòng stator dưới dạng vector không gian với các phần tử isα

và isβ thuộc hệ toạ độ stator (TĐST) cố định

Dễ dàng nhận thấy hai dòng điện kể trên là hai dòng hình sin, ta có thể

hình dung ra một động cơ điện tương ứng với cuộn dây cố định α, β thay thế cho

ba cuộn dây U, V, W Trên cơ sở công thức (2-18) kèm theo điều kiện điểm

trung tính của ba cuộn dây stator không nối đất, ta chỉ cần đo hai trong ba dòng stator là ta có đầy đủ thông tin về vector is(t) với các thành phần trong công thức

(2-21) Với lưu ý rằng công thức (2-21) chỉ đúng khi trục cuộn dây pha U được

chọn làm trục quy chiếu chuẩn như trong hình 2.7, điều này có ý nghĩa trong toàn bộ quá trình xây dựng hệ thống điều khiển, điều chỉnh sau này:

su s

i i i

i i

r r r

r r r

s s s

s s s

j

ji i i

ju u u

ji i i

(2-22)

2.2.2.2 Nguyên lý của phương pháp điều chế vector không gian

Hình 2.8 Sơ đồ bộ biến tần nghịch lưu áp 6 khóa (MOSFETs hoặc IGBTs)

Quan sát hình 2.8 ta thấy mỗi một pha của động cơ ta có thể nhận được

một trong 2 trạng thái là : 1 (nối với cực “+” của UMC) hoặc 0 (nối với cực “-” của UMC) Do có 3 pha (3 cặp van bán dẫn) nên sẽ tồn tại 23 = 8 khả năng nối

các pha của động cơ với UMC như bảng 5.1 sau:

băng 2U MC/3 được đánh số thứ tự tương ứng từ 0-7 Với bất kỳ trường hợp nào,

để tìm điện áp thực sự rơi trên từng pha chỉ cần tìm hình chiếu của vector chuẩn ứng với trường hợp đó lên trục của cuộn dây (hình2.7)

Hình 2.9 Tám vector do ba cặp van bán dẫn của biến tầntạo nên; Q1 Q2 :các

góc phần tư ; S1 S6 : các góc phần sáu

Giả sử ta phải thực hiện vector u s bất kỳ như ở hình vẽ 2.10 Vector đó có thể nằm ở góc phần sáu bất kỳ nào đó, ở đây u s nằm ở S1, u s có thể được tách thành tổng của hai vector con u p , u t tựa theo hướng của hai vector chuẩn u1và

2

u Các chỉ viết thấp bên phải có ý nghĩa như sau:

p : là vector bên phải

t : là vector bên trái

Hình 2.10 Thực hiện vector u s bất kỳ bằng hai vector điện áp chuẩn

Ta biết rằng điện áp sẽ phải được tính đổi thành thời gian đóng ngắt van trong phạm vi một chu kỳ cắt xung nào đó Giả thiết toàn bộ chu kỳ đó là chu kỳ

có ích, được phép dùng để thực hiện vector khi modul tối đa cũng không thể

vượt qua 2UMC / 3 Do vậy ta có :

Nếu thời gian tối đa (ví dụ chu kỳ trích mẫu) là T ta thấy rằng có thể thực

hiện vector u squa việc thực hiện các vector biên, các vector biên lại được thực hiện qua các vector u1và u2trong hai khoảng thời gian sau:

T u

u T s

p p

max

u

u T s

t t

max

Để tính được TP ,Tt ta phải biết được môdul của các vector biên phải u p và biên trái u t Khi đó được tính bằng : u s=u p+u t+u0(u7)

 7 0 2

T

T T T u T

T u T

Ở đây mỗi cặp van chỉ chuyển mạch một lần Nếu như trạng thái cuối

cùng là u0 , trình tự thực hiện sẽ là: u1 → u2 → u 7 Nếu trạng thái cuối cùng là

u7 , trình tự sẽ là: u2 → u1 → u0 Bằng phương pháp thực hiện điện áp như vậy

sẽ gây tổn hao đóng ngắt các van của biến tần ở mức ít nhất Nếu ta vẽ ghép

tượng trưng 2 chu kỳ nối tiếp nhau thuộc góc phần sáu thứ nhất S1 trong hình

2.11 ta được biểu đồ xung quen thuộc của phương pháp điều chế bề rộng xung thực hiện bằng kỹ thuật tương tự (analog)

Hình 2.11 Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần sáu thứ nhất S1

Thực hiện tương tự với các góc phần phần sáu còn lại, ta có biểu đồ xung của các sector đó như sau: