3. Công cụ, phương tiện xây dựng mô phỏng quá trình hoạt động của bộ biến tần
3.1 Giới thiệu và lựa chọn biến tần, động cơ
3.1.1. Biến tần
Biến tần là một thiết bị được dùng để điều khiển tốc độ quay của động cơ điện xoay chiều bằng cách điều khiển tần số của điện năng cung cấp cho động cơ.
Động cơ điện xoay chiều chỉ có một cấp tốc độ định mức khi làm việc trực tiếp với lưới điện.
Bằng cách sử dụng Biến tần để điều chỉnh tốc độ, các động cơ này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, mà động cơ một tốc độ sẽ không đáp ứng được.
3.1.1.1. Phân loại biến tần
* Phân loại biến tần theo cấu tạo: được chia làm hai loại Biến tần trực tiếp.
Biến tần gián tiếp.
- Biến tần trực tiếp:
Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian một chiều. Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lưới (f1 < flưới). Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng.
- Biến tần gián tiếp:
Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:
Hình 3. 1: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp
Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy có tên gọi là biến tần gián tiếp.
Ưu điểm và nhược điểm của biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp:
Biến tần trực tiếp: có thể trao đổi năng lượng với điện lưới một cách liên tục nhất là đối với động cơ công suất lớn và cực lớn từ hàng trăm Kw đến vài Mw.
Ngoài ra tổn hao công suất ở biến tần trực tiếp cũng ít hơn vì phụ tải chỉ nối với nguồn qua một phần tử đóng cắt, không qua hai phần tử và qua khâu trung gian như ở biến tần gián tiếp.
Sơ đồ van và quy luật điều khiển ở biến tần trực tiếp sẽ phức tạp hơn biết tần gián tiếp.
* Phân loại biến tần theo phương pháp điều khiển:
Trên thị trường ngày nay, có 3 loại Biến tần cơ bản:
Hình 3. 2: Hình ảnh biến tần của hãng ABB -Truyền động Vôn/Hz (mạch hở)
-Truyền động Véc-tơ không cảm biến (mạch hở) -Truyền động Véc-tơ có phản hồi (mạch kín)
Hai loại truyền động Vôn/Hz và truyền động véc tơ không cảm biến được gọi là mạch hở do chúng cung cấp điện cho động cơ, nhưng không có cách nào xác minh rằng các động cơ thực sự đang chạy ở tốc độ mong muốn, điều này chấp nhận được cho các ứng dụng không yêu cầu điều khiển vị trí chính xác hoặc điều chỉnh tốc độ lớn.
Loại cuối cùng truyền động véc tơ có phản hồi là thiết bị mạch kín có nghĩa là nó có khả năng chấp nhận tín hiệu từ thiết bị phản hồi giám sát tốc độ hoặc vị trí của động cơ. Ví dụ: nếu tín hiệu phản hồi cho thấy rằng tốc độ quá thấp hoặc quá cao, biến tần có thể điều chỉnh đầu ra của nó để khắc phục lỗi.
* Truyền động Vôn/Hz (mạch hở):
Tần số của dòng xoay chiều được đo bằng chu kỳ trên giây, còn gọi là hertz. Ví dụ: 50Hz = 50 chu kỳ/giây.
Hình 3. 3: Dòng điện hình sin tần số 1Hz
Đây là các bộ truyền động phổ biến sử dụng “bảng tìm kiếm” để xuất ra điện áp cụ thể phụ thuộc vào tần số đầu ra.
Hình 3.4: Điện áp và tần số
Điều này có nghĩa là sẽ có điện áp và tần số định trước trên toàn bộ phạm vi tín hiệu tốc độ.
Điện áp và tần số biến thiên cùng nhau, thông thường từ 0 vôn và 0 Hertz, đến điện áp và tần số tối đa. Việc tăng tốc độ từ không đến tối đa thường rất tuyến tính.
Ví dụ: một bộ truyền động Vôn/Hz có thể chạy với mức 240V/50Hz ở tốc độ cực đại, nhưng chỉ 120/25Hz ở tốc độ bằng một nửa.
Phương pháp “bảng tìm kiếm” để điều khiển động cơ trong đó điện áp và tần số biến thiên cùng nhau là phương pháp rất đơn giản để điều khiển tốc độ. Điều chỉnh tốc độ khá tốt (lỗi 1-3%). Không cần có phản hồi nên các bộ truyền động Vôn/Hz có khả năng kết nối cùng lúc nhiều động cơ.
Tuy nhiên, các bộ truyền động Vôn/Hz có một số giới hạn về hiệu suất hoạt động. Các bộ truyền động này có hiệu suất động thấp khi tải mà chúng đang truyền động đột ngột thay đổi. Công suất quá tải giới hạn ở 150% và chúng có mô-men xoắn khởi động giới hạn.
Bộ truyền động Vôn/Hz là phù hợp nhất cho các ứng dụng có mô-men xoắn biến thiên với tải thay đổi chậm và có thể dự đoán được. Ví dụ: bơm ly tâm, quạt, băng chuyền, máy trộn, máy khuấy, máy rửa công nghiệp, sấy công nghiệp và các tải động hạng nhẹ khác
* Truyền động Véc-tơ không cảm biến (Mạch hở):
Hình 3. 5: Truyền động Véc-tơ không cảm biến
Truyền động Véc-tơ không cảm biến có một bộ xử lý PWM (điều biến độ rộng xung quá trình trong đó IGBT bật và tắt rất nhanh tạo ra điện áp một chiều giống sóng dạng sin xoay chiều cho động cơ) giám sát đầu ra dòng điện và điện áp tới động cơ, và điều chỉnh dạng sóng đầu ra để đạt được yêu cầu điều khiển tốc linh hoạt.
Mô-men xoắn lớn khi khởi động ở tốc độ thấp (200% ở 0,5Hz) cho phép khởi động tải có lực quán tính cao. Thiết kế với thuật toán nâng cao cung cấp khả năng điều khiển về tốc độ bằng không, cộng với vận hành chính xác cho chu kỳ hoạt động và mô- men xoắn nhanh mà không cần phản hồi (trong Biến tần hoặc động cơ, mô-men xoắn tỷ lệ thuận với dòng điện).
Bằng cách sử dụng bộ vi xử lý và xử lý tín hiệu số, các bộ truyền động có thể nhận biết đặc điểm của động cơ trong khi chạy và tự điều chỉnh với động cơ.
Nhờ công nghệ này, điều chỉnh tốc độ được cải thiện lên còn < 1% lỗi.
Có thể sử dụng truyền động véc-tơ không cảm biến với động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ tốc độ cao tối đa 1000Hz.
Truyền động Véc-tơ không cảm biến có thiết bị đầu vào tham chiếu tốc độ và mô-men xoắn riêng. Kết hợp điều này với khả năng mô-men khởi động lớn sẽ cải thiện điều chỉnh tốc độ, tự điều chỉnh với động cơ và không cần phản hồi của động cơ.
Kết hợp này giúp Truyền động Véc-tơ không cảm biến thích hợp cho tất cả các ứng dụng có mô-men xoắn biến thiên và có hiệu suất từ trung bình đến cao.
Tuy nhiên, các bộ truyền động này cũng có một số giới hạn chẳng hạn như hiệu suất động thấp khi tải đột ngột thay đổi. Chúng cũng thiếu khả năng giữ động cơ ở tốc độ bằng không và có thể khó khăn trong việc điều khiển mô-men xoắn vượt quá 2 lần tốc độ cơ bản. Kết nối nhiều động cơ sẽ tự động đưa bộ truyền động về chế độ vận hành V/Hz.
Các ứng dụng phổ biến cho Truyền động Véc-tơ không cảm biến là máy đúc ép, tời điện, máy tháo tời và dây chuyền công nghệ.
* Truyền động Véc-tơ có Thiết bị Phản hồi (mạch kín)
Hình 3. 6: Động cơ có phản hồi Truyền động Véc-tơ có thiết bị phản hồi.
Bộ truyền động này hiện là loại Biến tần duy nhất có hiệu suất tương tự hoặc tương đương với Truyền động điện một chiều.
Các bộ truyền động này giám sát đầu ra điện áp và dòng điện, cũng như phản hồi bộ mã hóa từ động cơ đối với điều khiển véc-tơ mạch kín.
Phản hồi này được dùng để điều chỉnh dạng sóng đầu ra để đạt được điều khiển tốc độ linh hoạt nhất.
Vì Truyền động Véc-tơ có thiết bị phản hồi có thể vận hành trong cấu hình mạch kín, nên chúng có thể đạt được mô-men xoắn và hiệu suất vòng lặp tốc độ cực cao.
Các bộ truyền động này có thể điều chỉnh vô cấp, mô-men xoắn tối đa ở tốc độ bằng không và phạm vi điều khiển tốc độ rất rộng.
Giới hạn của những bộ truyền động này là chúng yêu cầu thiết bị phản hồi và thẻ tùy chọn phản hồi bộ mã hóa cũng như chỉ dùng cho hoạt động của một động cơ. Có thể cần đến phần cứng tùy chọn bổ sung để tận dụng các tính năng khác của các bộ truyền động này.
Các bộ truyền động này phù hợp nhất cho các ứng dụng hiệu suất cao như trục quay và máy tiện, ứng dụng chuyển đổi, máy đúc ép và các ứng dụng phải dùng truyền động điện một chiều trước đó. Các bộ truyền động điện này đang có xu hướng tăng mạnh trong ngành vận chuyển vật liệu.
3.1.1.2. Nguyên lý làm việc của biến tần
Gắn bên trong Biến tần là các bộ phận giúp có thể nhận được điện áp đầu vào cố định với tần số cố định và biến điện áp/tần số đó thành điện áp và tần số biến thiên ba pha để điều khiển tốc độ động cơ.
Hình 3. 7: Nguyên lý làm việc của biến tần a.Nguyên lý làm việc
Hình 3. 8: Cách thức hoạt động của biến tần
Trước tiên, biến tần chuyển đổi điện xoay chiều vào thành điện áp Một chiều sử dụng bộ chỉnh lưu. Điện đầu vào có thể là một pha hoặc ba pha, nhưng nó sẽ ở mức điện áp và tần số cố định.
Tiếp theo, điện áp một chiều được tạo ra sẽ được trữ trong giàn tụ điện. Điện áp một chiều này ở mức rất cao.
Cuối cùng, thông qua trình tự kích hoạt thích hợp bộ biến đổi IGBT (IGBT là từ viết tắt của Tranzito lưỡng cực có cổng cách điện hoạt động giống như một công tắc bật và tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của biến tần) của Biến tần sẽ tạo ra một điện áp xoay chiều ba pha (nghịch lưu). Điện áp và tần số đầu ra biến thiên và thay đổi khi cần tăng hoặc giảm tốc độ của động cơ.
Hoạt động của các khối chức năng Biến tần như sau:
* Bộ chỉnh lưu:
Hình 3. 9: Bộ chỉnh lưu cầu
Phần đầu tiên trong quá trình biến điện áp đầu vào thành đầu ra mong muốn cho động cơ là quá trình chỉnh lưu. Điều này đạt được bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu cầu diode sóng toàn phần.
Bộ chỉnh lưu cầu diode tương tự với các bộ chỉnh lưu thường thấy trong bộ nguồn, trong đó xoay chiều một pha được chuyển đổi thành một chiều. Tuy nhiên, cầu diode được sử dụng trong biến tần cũng có thể cấu hình diode bổ sung để cho phép chuyển đổi từ điện xoay chiều ba pha thành điện một chiều.
Các diode chỉ cho phép luồng điện theo một hướng, vì vậy cầu diode hướng dòng electron của điện năng từ dòng xoay chiều (AC) thành dòng một chiều (DC).
* Tuyến dẫn Một chiều:
Hình 3. 10: Tụ điện
Tuyến dẫn một chiều là một giàn tụ điện lưu trữ điện áp một chiều đã chỉnh lưu.
Một tụ điện có thể trữ một điện tích lớn, nhưng sắp xếp chúng theo cấu hình tuyến dẫn một chiều sẽ làm tăng điện dung.
Điện áp đã lưu trữ sẽ được sử dụng trong giai đoạn tiếp theo khi IGBT tạo ra điện năng cho động cơ.
* IGBT:
(a) (b) Hình 3.11: (a) IGBT ; (b) Giản đồ tạo xung
Thiết bị IGBT được công nhận cho hiệu suất cao và chuyển mạch nhanh. IGBT được bật và tắt theo trình tự để tạo xung với các độ rộng khác nhau từ điện áp tuyến dẫn một chiều được trữ trong tụ điện.
Bằng cách sử dụng điều biến độ rộng xung hoặc PWM, IGBT có thể được bật và tắt theo trình tự giống với sóng dạng sin được áp dụng trên sóng mang.
Trong hình 3.11b, sóng hình tam giác biểu thị sóng mang và cung tròn biểu thị một phần sóng dạng sin.
Nếu IGBT được bật và tắt tại mỗi điểm giao giữa sóng dạng sin và sóng mang, độ rộng xung có thể thay đổi.
PWM có thể được sử dụng để tạo đầu ra cho động cơ giống hệt với sóng dạng sin. Tín hiệu này được sử dụng để điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ.
* Bộ điện kháng Xoay chiều:
Hình 3. 12:Bộ điện kháng Xoay chiều
Bộ điện kháng được mắc nối tiếp với đầu vào của bộ biến tần nhằm giảm méo sóng hài, tức là nhiễu trên dòng xoay chiều. Ngoài ra, bộ điện kháng dòng xoay chiều sẽ giảm mức đỉnh của dòng điện lưới hay nói cách khách là giảm dòng đỉnh nhọn trên tuyến dẫn một chiều. Giảm dòng đỉnh nhọn trên tuyến dẫn một chiều sẽ cho phép tụ điện chạy mát hơn và do đó sử dụng được lâu hơn.
Bộ điện kháng dòng xoay chiều có thể hoạt động như một bộ hoãn xung để bảo vệ mạch chỉnh lưu đầu vào khỏi nhiễu và xung gây ra do bật và tắt các tải điện cảm khác bằng bộ ngắt mạch hoặc khởi động từ.
* Bộ điện kháng Một chiều:
Hình 3. 13: Bộ kháng điện một chiều
Bộ điện kháng một chiều thường được lắp đặt giữa bộ chỉnh lưu và tụ điện trên các bộ biến tần 7,5 kW trở lên. Bộ điện kháng một chiều có thể nhỏ và rẻ hơn bộ điện kháng xoay chiều.
Bộ điện kháng một chiều giúp hiện tượng méo sóng hài và dòng đỉnh nhọn không làm hỏng tụ điện, tuy nhiên bộ điện kháng này không cung cấp bất kỳ bảo vệ chống hoãn xung nào cho bộ chỉnh lưu.
b. Phương thức điều khiển
* Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)
Nội dung của phương pháp điều chế độ rộng xung là tạo ra một tín hiệu sin chuẩn có tần số bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện ra nghịch lưu. Tín hiệu này sẽ được so sánh với một tín hiệu răng cưa có tần số lớn hơn rất nhiều tần số của tín hiệu sin chuẩn. Giao điểm của hai tín hiệu này xác định thời điểm đóng mở van công suất.
Điện áp ra có dạng xung với độ rộng thay đổi theo từng chu kỳ.
Hình 3. 14: Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung (vo1 là thành phần sin cơ bản, vi là điện một chiều vào bộ nghịch lưu, vo là điện áp ra).
Trong quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực, điều biến theo độ rộng xung đơn cực và điều biến theo độ rộng xung lưỡng cực. Trong đề tài này sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung đơn cực.
Có hai cách thức điều chế cơ bản là:
- Điều chế sin PWM (SPWM)
- Điều chế vectơ không gian (SVPWM)
Điều chế SPWM
Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, ta sử dụng một tín hiệu xung tam giác Vtri (gọi là sóng mang) đem so sánh với một tín hiệu sin chuẩn Vc (gọi là tín hiệu điều khiển). Nếu đem xung điều khiển này cấp cho bộ nghich lưu một pha, thì ở ngõ ra sẽ thu được dạng xung điện áp mà thành phần điều hòa cơ bản có tần số bằng tần số tín hiệu điều khiển Vc và biên độ phụ thuộc vào nguồn điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu và tỷ số giữa biên độ sóng sin mẫu và biên độ sóng mang. Tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều tần số tín hiệu điều khiển. Hình 3.16 miêu tả nguyên lý của của phương pháp điều chế SPWM một pha:
Hình 3. 15: Nguyên lý điều chế SPWM một pha
Đối với nghịch lưu áp ba pha có sơ đồ như hình 3.17. Để tạo ra điện áp sin ba pha dạng điều rộng xung, ta cần ba tín hiệu Sin mẫu.
Hình 3. 16: Nghịch lưu áp ba pha
Nguyên lý điều chế và dạng sóng như sau:
Hình 3. 17: Nguyên lý điều chế SPWM ba pha
Hệ số điều chế biên độ ma được định nghĩa là tỷ số giữa biên độ của tín hiệu điều khiển với biên độ của sóng mang:
Trong đó: ma - hệ số điều biến
Vc - biên độ sóng điều khiển
Vtri - biên độ sóng mang
Trong vùng tuyến tính (0 < ma< 1), biên độ của thành phần sin cơ bản VA01
(điện áp pha) trong dạng sóng đầu ra tỷ lệ với hệ số điều biến theo công thức:
Đối với điện áp dây là:
Như vậy trong phương pháp này biên độ điện áp dây đầu ra bộ nghịch lưu chỉ có thể đạt 86,67% điện áp một chiều đầu vào trong vùng tuyến tính (0 < ma< 1). Hệ số điều chế tỷ số mf là tỷ số giữa tần số sóng mang và tần số tín hiệu điều khiển:
Trong đó: mf : hệ số điều chế tỷ số
ftri : tần số sóng mang, bằng tần số PWM fc : tấn số tín hiệu điều khiển
Giá trị của mf được chọn sao cho có giá trị nguyên và lẻ. Nếu mf là một giá trị không nguyên thì trong dạng sóng đầu ra sẽ có các thành phần điều hòa phụ (subharmonic). Nếu mf không phải là một số lẻ, trong dạng sóng đầu ra sẽ tồn tại thành phần một chiều và các hài bậc chẵn. Giá trị của mf nên là bội số của 3 đối nghịch lưu áp ba pha vì trong điện áp dây đầu ra sẽ triệt tiêu các hài bậc chẵn và hài là bội số của ba.
Như vậy, nếu điện áp một chiều đầu vào không đổi, để điều chỉnh biên độ và tần số của điện áp đầu ra ta chỉ việc điều chỉnh biên độ và tần số của tín hiệu Sin chuẩn Vc.
Đặc trưng cơ bản của phương pháp này là thành phần sóng điều hòa của điện áp ra.
Muốn giảm các sóng điều hòa bậc cao cần phải tăng tần số sóng mang hay tần số PWM.
Tuy nhiên càng tăng tần số PWM thì tổn hao chuyển mạch lại tăng lên.
Điều chế vectơ không gian (SVPWM)
Phương pháp điều chế vectơ không gian khác với các phương pháp điều chế độ rộng xung khác. Với phương pháp điều chế PWM khác, bộ nghịch lưu được xem như ba bộ biến đổi đẩy kéo riêng biệt với ba điện áp pha độc lập nhau. Đối với phương pháp điều chế vectơ không gian, bộ nghịch lưu được xem như một khối duy nhất với 8 trạng thái đóng ngắt từ 0 đến 7.
Hình 3.19 là sơ đồ nguyên lý đơn giản của phương pháp không gian vector.
Trong sơ đồ này, trạng thái dẫn của ba chân của biến tần được đại diện bởi ba biến logic, SA, SB và SC. Giá tri 1 có nghĩa là việc chuyển đổi lên trên được tiến hành và giá trị 0 có nghĩa là việc chuyển đổi xuống dưới được tiến hành.
Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý phương pháp không gian vector
Chuyển đổi của SA, SB, SC tạo ra tám tổ hợp. Sáu vectơ hoạt động lệch một góc cách nhau 60 độ và hai vectơ không.