Tóm tắt Luận văn Nghiên cứu ứng dụng biến tần đa mức trong truyền động điện
Công trình được hoàn thành tại:
KHOA SAU ĐẠI HỌC - ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN LIỄN
Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN
Phản biện 2: TS. TRẦN TRỌNG MINH
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
Vào hồi 11h ngày 22 tháng 11 năm 2009
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
TRUNG TÂM HỌC LIỆU - ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Chƣơng I
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ PHƢƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ
1.1. Mô tả chung về động cơ không đồng bộ.
- Ở đây ta chủ yếu nghiên cứu động cơ không đồng bộ ba pha.
- Động cơ không đồng bộ ba pha là máy điện quay không đồng bộ ba pha. về cấu tạo, động
cơ không đồng bộ gồm 2 phần chính là phần tĩnh hay là stato và phần quay là rôto. Stato
thường gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120° trong không gian.
Rôto phân làm 2 loại chính: rôto dây quấn và rôto lồng sóc. Rôto dây quấn là kiểu rôto có
dây quấn giống ở stato, dây quấn rôto được đặt và các rãnh của lõi sắt rôto. Còn rôto lồng
sóc thì không dùng dây quấn mà dùng các thanh dẫn bằng đồng hay nhôm, các thanh dẫn
này được nối ngắn mạch với nhau ở mỗi đầu bằng vòng ngắn mạch.
c
c
a
b
a
b
Hình 1.1. Động cơ không đồng bộ. a) Rô to lồng sóc, b) Rôto dây quấn
- Động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất. Ưu điểm nổi bật
của loại động cơ này là cấu tạo đơn giản đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc; so với động cơ
một chiều động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn. Ngoài ra
động cơ không đồng bộ có thể dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha nên không cần bộ
biến đổi như động cơ điện 1 chiều.
Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điểu chỉnh tốc độ và khống chế các quá
trình quá độ khó khăn; riêng với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc thì các chỉ tiêu khởi
động xấu hơn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
1.2. Phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ:
- Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ:
Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta sử dụng sơ đồ thay
thế. Trên hình 1.2 là sơ đồ thay thế gần đúng một pha của động cơ không đồng bộ với các
giả thiết sau:
+ Ba pha động cơ là đối xứng, khe hở không khí là đồng đều.
+ Các thông số của động cơ không đổi, nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, tần số,
dòng điện rôto, mạch từ không bão hoà. Nên điện kháng X1, X2 không đổi.
+ Dòng điện từ hoá không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt ở stato động
cơ.
+ Bỏ qua cả tổn thất ma sát, tổi thất trong lõi thép.
+ Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng 3 pha.
I2
I
1
X1
X'2
R1
Xm
I3
R'2/s
U1
Rm
Hình 1.2. Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ
- Trong sơ đồ:
+U1: Trị số hiệu dụng của điện áp pha stato.
+Iµ, I1, I2: Các dòng điện từ hoá, stato và rôto đã quy đổi về stato.
+Xσ, X1σ, X2σ : Điện kháng mạch từ hoá, điện kháng tản stato và rôto đã quy đổi về stato.
1
1
+ s: Độ trượt của động cơ: S
+ f1: Tần số của điện áp nguồn đặt vào stato.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
+ω: Tốc độ góc của động cơ.
+Pp: Số đôi cực từ động cơ.
Từ sơ đồ thay thế ta có:
1
1
I1 U f 1.
(1.1)
R2 X2
R'
2
R
X 2
2
1
nm
s
Trong đó: Xnm=X1σ+X’2σ: Điện kháng ngắn mạch
Biểu thức (1) là phương trình đặc tính của dòng điện stato.
+ Khi ω=0, s=1 thì I1=I1nm
U f 1
R02 X02
I1
I
+ Khi ω=ω1, s=0 thì:
+ I1nm: Dòng điện ngắn mạch stato.
+ I: Dòng điện từ hoá có tác dụng tạo ra từ trường quay từ hoá lõi sắt động cơ. Ta cũng
tìm được dòng điện rôto quy đổi về stato:
U f 1
I2'
(1.2)
2
R1 R2' / 2
X n2m
- Phương trình đặc tính cơ của động cơ:
Để tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng công suất
trong động cơ.
Công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto:
P12=Mdt.ω1
Trong đó: Mdt: là mômen điện từ của động cơ
Bỏ qua các tổn thất phụ thì : Mdt=Mcơ =M
Công suất đó chia làm hai phần:
Pcơ: Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ
ΔP2: Công suất tổn hao đồng trong rôto.
P12=Pcơ+ΔP2
=>M.ω1=M.+ΔP2
Do đó: ΔP2=M(ω1-ω)=M.ω1.s
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
’
Mặt khác: ΔP2=3.I’2 .R2
2
R2'
3.I2'2 .
s
M
1
3U12.R2'
Từ đó ta có:
(1.3)
M
R'
s
2
X 2 .s
2
1 R1
nm
dM
0
ds
Xác định cực trị bằng cách tính
Từ đó suy ra:
R2'
Sth
+
+
(1.4)
(1.5)
R12 X n2m
U12f
21(R1 R12 Xn2m )
Mth
Trong hai biểu thức trên dấu + ứng với trạng thái động cơ. Dấu - ứng với trạng thái máy
phát. Do đó Mth ở chế độ máy phát lớn hơn ở chế độ động cơ.
Ở đây nghiên cứu hệ truyền động với động cơ không đồng bộ nên ta quan tâm nhiều tới
trạng thái làm việc động cơ nên đường đặc tính cơ lúc này thường biểu diễn trong khoảng
0<s<sth, gọi là đoạn đặc tính cơ làm việc.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thể biểu diễn đơn gian hơn bằng
các lập tỉ số giữa (1.3) và (1.5) ta có:
2.Mth (1 a.sth )
M
sth
s
s
a.sth
sth
R1
R2'
Trong đó: a
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
Sdm
Sth
M
Mth
Mdm
Mkd
Hình 1.3. Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ
Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy các thông số ảnh hưởng tới đặc tính cơ:
- Ảnh hưởng điện trở, điện kháng mạch stato
- Ảnh hưởng điện trở mạch rôto
- Ảnh hưởng điện áp lưới cấp cho động cơ
- Ảnh hưởng của tần số lưới cấp cho động cơ f1.
1.3. Mô hình động cơ không đồng bộ.
1.3.1. Mô hình động cơ không đồng bộ trong không gian ba pha.
- Quy ước: A,B, C chỉ thứ tự pha các cuộn dây rôto và a,b,c chỉ thứ tự các cuộn dây stato.
Giả thiết:
- Cuộn dây stato, rôto đối xứng 3 pha.
- Dây quấn stato được bố trí sao cho từ thông khe hở có phân bố dạng hình sin dọc
theo chu vi khe hở không khí.
- Tham số không đổi.
- Mạch từ chưa bão hoà.
- Khe hở không khí δ đồng đều.
- Nguồn 3 pha cấp hình sin và đối xứng (lệch pha góc 2л/3).
Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuôn dây k như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
Trong đó: k là thứ tự cuộn dây A, B, C rôto và a,b,c stato.
k
Uk Ik Rk d
dt
Ψk là từ thông móc vòng của mỗi cuộn dây thứ k.Ψk=∑Ljkij.
nếu i=k: ta có điện cảm tự cảm , j≠k: ta có điện cảm hỗ cảm.
Ví dụ: Ψa=La aia+Labib+Lacic+LaAiA+LaBiB+LaCiC
L là điện cảm chính của dây quấn pha động cơ không đồng bộ.
Lσ là điện cảm tản
Ns là số vòng dây quấn stato
Nr là số vòng dây quấn rôto
Ls Ls
s
r
1
L
L
Lr .Nr2 Lr
1
LN s2
L
a
b
c
a
A
A
B
b
B
c
C
C
i
i
u
u
a
A
A
is ib
ir iB
,
us a
,
ur uB
iC
u
ic
uC
R
0
0
0
R
0
0
0
S
r
Rs
0 RS
Rr
0 Rr
0
0
RS
0
0
Rr
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
1
2
1
1
2
1
1s
1r
2
1
2
1
1
Nr2
Ns2
1
L.
L.
Ls
1s
Ls
1r
2
1
2
2
1
2
1
1
1s
1r
2
2
2
2
cos
cos( 2 3) cos( 2 3)
Lm ()
M. cos( 2 3)
cos
cos( 2 3)
cos
cos( 2 3) cos( 2 3)
i
s
Ls
Lm ()
s
x
Lm () t
Lr
r
ir
d
d
RS LS
Lm ()
u
i
s
s
dt dt
x
d
d
ur
t
ir
Lm () Rr Lr
dt
dt
d
M ist
{Lm ()ir}
d
Các hệ phương trình trên là các hệ phương trình vi phân phi tuyến có hệ số biến thiên theo
thời gian vì góc quay θ phụ thuộc thời gian:
t
dt
0
Kết luận: nếu mô tả toán học như trên thì rất phức tạp nên cần đơn giản giảm bớt đi.
Tới năm 1995 Kôvacs(Liên Xô) đề xuất phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ và
Park(Mỹ) đưa ra phép biến đổi d,q.
1.3.2. Phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ:
Trong máy điện ba pha thường dùng cách chuyển các giá trị tức thời của điện áp thành
các vectơ không gian. Lấy một mặt phẳng cắt động cơ theo hướng vuông góc với trục và
biển diễn từ không gian thành mặt phẳng. Chọn trục thực của mặt phẳng trùng với trục pha
a.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
I
a
+1(
i
s
is
+j(
is
a
.
i
b
a2.i
c
Hình 1.4 Tương quan giữa hệ toạ độ αβ và toạ độ pha a,b,c
Ba vectơ dòng điện stato ia, ib, ic tổng hợp lại và đại diện bởi một vectơ quay tròn is. Véctơ
không gian của dòng điện stato:
a e j 2
2
ia aib a2ic
3
is
3
Muốn biết is cần biết các hình chiếu của nó lên các trục toạ độ: isα , isβ.
is=isα + jisβ
1
isa Re
is
2ia ib ic
3
3
is Im
is
ib ic
3
Theo cách thức trên có thể chuyển vị từ 6 phương trình (3rôto, 3 stato) thành nghiên
cứu 4 phương trình.
Phép biến đổi từ 3 pha (a,b,c) thành 2 pha(α,β) được gọi là phép biến đổi thuận. Còn
phép biến đổi từ 2 pha thành 3 pha được gọi là phép biến đổi ngược.
Đơn gian hơn, khi chiếu is lên một hệ trục xy bất kỳ quay với tốc độ ωk:
θk= θ0+ ωkt
+ Nếu ωk=0, θ0=0: đó là phép biến đổi với hệ trục (biến đổi tĩnh)
+ Nếu ωk=ω1, θ0 tự chọn bất kỳ (để đơn giản một phương trình x trùng ψr để ψry=0): phép
biến đổi d,q.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
Chuyển sang hệ toạ độ quay bất kỳ:
Các hệ toạ độ được mô tả như sau:
x
Ia
k
is
2
a
a.ib
y
Hình 1.5 Hệ toạ độ quay bất kỳ.
d
Pha B
i
s
q
is
isd
r
s
isq
Pha A
is
Pha C
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9
Hình 1.6. Các đại lượng is và r của động cơ trên các hệ toạ độ
- Các phương trình chuyển đổi hệ toạ độ:
a, b, c -> αβ
isa ia
1
is
ia ib
3
αβ d,q
Isd=isαcosθ +isβsinθ
Isq = isβcosθ +isαsinθ
αβ a,b,c
ia = isa
1
ib
isa 3.is
2
1
2
ic
isa 3.is
D,q → αβ
is isd cos isq sin
is isd sin isq cos
- Hệ phương trình cơ bản của động cơ trong không gian vectơ:
Để dễ theo dõi ta ký hiệu:
Chỉ số trên s: Xét trong hệ toạ độ stato(toạ độ α,β)
f: trong toạ độ trường (fied) từ thông rôto(toạ độ dq)
r: toạ độ gắn với trục rôto
Chỉ số dưới: s: đại lượng mạch stato
r: toạ độ gắn với trục rôto.
Phương trình mômen:
3
mM p( r i )
2
Phương trình chuyển động:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10
J d
p dt
mM mc
Phương trình điện áp cho ba cuộn dây stato:
sa (t)
usa (t) Rsisa (t) d
dt
sb (t)
usb (t) Rsisb (t) d
dt
sc (t)
usc (t) Rsisc (t) d
dt
Tương tự như vectơ dòng điện ta có vectơ điện áp:
us (t) 2/3
usa (t) usb (t).e j120 u c(t).e 240
Sử dụng khái niệm vectơ tổng ta nhận được phương trình vectơ:
ss
uss Rs .iss d
dt
- Khi quan sát ở hệ toạ độ α,β:
Đối với mạch rôto ta cũng có được phương trình như trên, chỉ khác là do cấu tạo các lồng
sóc là ngắn mạch nên ur=0(quan sát trên toạ độ gắn với trục rôto)
Từ thông stato và rôto được tính như sau:
rr
0 Rrirr d
dt
s is Ls ir Lm
r is Lm ir Lr
Trong đó Ls: điện cảm stato Ls=LσS +Lm(LσS: Điện cảm tiêu tán phía stato)
Lr: điện cảm rôto Lr=Lαr+Lm(Lσr: Điện cảm tiêu tán phía rôto)
(Phương trình từ thông không cần đến chỉ số hệ toạ độ vì các cuộn dây stato và rôto có cấu
tạo đối xứng nên điện cảm không đổi trong mọi hệ toạ độ).
1.4. Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ:
1.4.1.Các phƣơng pháp điểu khiển tốc độ động cơ không đồng bộ:
Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11
R2'
s
3U12
M
2
R'
1 R1
X 2
2
nm
s
Ta có thể dựa vào đó để điểu khiển mômen bằng cách thay đổi các thông số như điện áp
cung cấp, điện trở phụ, tốc độ trượt và tần số nguồn.
Tới nay đã có các phương pháp điều khiển chủ yếu sau:
Tổn thất
Kinh tế
~
Điều chỉnh
điện áp
Stato
Điều chỉnh
tần số
nguồn cấp
Stato
=
stato
=
~
Điều
chỉnh
bằng pp
xung điện
trở rôto
Điều chỉnh
công suất
trượt
Rô to
P
P
n
P
n
K
CL
NL
Hình 1.7. Các phương pháp điều khiển
a. Điều khiển điện áp stato:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
12
Do mômen động cơ không đồng bộ tỉ lệ với bình phương điện áp stato, do đó có thể
điều chỉnh được mômen và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stato trong
khi giữ nguyên tần số. Đây là phương pháp đơn giản nhất, chỉ sử dụng một bộ biến đổi
điện năng(biến áp, tiristor) để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn stato. Phương pháp này
kinh tế nhưng họ đặc tính cơ thu được không tốt, thích hợp với phụ tải máy bơm, quạt gió.
b. Điều khiển điện trở rôto:
Sử dụng trong cơ cấu dịch chuyển cầu trục, quạt gió, bơm nước: bằng việc điểu khiển
tiếp điểm hoặc tiristor làm ngắn mạch/hở mạch điện trở phụ của rôto ta điều khiển được
tốc độ động cơ, phương pháp này có ưu điểm mạch điện an toàn, giá thành rẻ. Nhược
điểm: đặc tính điểu chỉnh không tốt, hiệu suất thấp, vùng điều chỉnh không rộng.
c. Điều chỉnh công suất trượt:
Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm
mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt ΔPs=sPdt được
tiêu tán trên điện trở mạch rôto, ở các hệ thống truyền động điện công suất lớn, tổn hao
này là đáng kể, vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động, vừa tận dụng được công
suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ công suất trượt(sơ đồ nối tầng/nối cấp).
P1=Pcơ+Ps=P1(1-s)+sP1=const.
Nếu lấy Ps trả lại lưới thì tiết kiệm được năng lượng.
- Khi điều chỉnh với ω<ω1: được gọi là điều chỉnh nối cấp dưới đồng bộ(lấy năng lượng Ps
ra phát lên lưới).
- Khi điều chỉnh với ω>ω1 (s<0): điều chỉnh công suất trượt trên đồng bộ (nhận năng lượng
Ps vào) hay còn gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ hoặc truyền động động cơ hai
nguồn cung cấp.
- Nếu tái sử dụng năng lượng Ps để tạo Pcơ: được gọi là truyền động nối câp cơ. Phương
pháp này không có ý nghĩa nhiều vì khi ω giảm còn 1/3.ω1 thì Ps=2/3.P1 tức là công suất
một chiều dùng để tận dụng Ps phải gần bằng động cơ chính(xoay chiều), nếu không thì lại
không nên điều chỉnh sâu ω xuống. Trong thực tế không sử dụng phương pháp này.
d. Điều khiển tần số nguồn cấp stato:
Nguyên lý chung của điều khiển tần số:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13
2f
P
Xuất phát từ công thức:
;
1
1(1 s)
Trong đó: ω1 tốc độ đồng bộ
f tần số nguồn
p số đôi cực
s hệ số trượt
f > fdm
f = fdm
f < fdm
M
Hình 1.8. Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh tần số.
Với một động cơ khi đã chế tạo thì số đôi cực (Pp) cố định do đó khi thay đổi tần số f
thì dẫn đến tốc độ thay đổi và sẽ dẫn đến tốc độ động cơ thay đổi.
Khi điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ thường phải điều chỉnh cả điện áp, dòng
điện hoặc từ thông trong mạch stato do trở kháng, từ thông, dòng điện…của động cơ bị
thay đổi.
- Khi điều chỉnh tần số, giả sử điện áp là điện áp định mức(Udm):
+ Nếu giảm tần số f < fđm(trong khi giữ U=Udm) thì từ thông ψ tăng lên, dẫn đến dòng từ
hóa tăng lên, lúc này lõi thép bị bão hoà làm cho máy nóng làm việc sẽ kém đi, dẫn đến
hiệu suất thấp, nóng mạch từ. Vì vậy, để đảm bảo một chỉ tiêu mà không làm động cơ bị
quá dòng, cần phải điều chỉnh cả điện áp động cơ, cụ thể là giảm điện áp cùng với việc
giảm tần số theo quy luật nhất định.
+ Nếu tăng tần số vì điện áp U1=Udm(điện áp định mức là lớn nhất). Lúc này từ thông θ
động cơ sẽ giảm xuống làm cho momen động cơ giảm, dẫn đến tốc độ động cơ giảm rất
nhiều. Trường hợp mômen động cơ yếu có thể làm cho động cơ không quay được.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
14
Khi tần số tăng (f > fdm )thì mômen tới hạn giảm.
1
f12
Mth
- Điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ là phương pháp điều chỉnh kinh tế, tuy vậy nó
đòi hỏi kỹ thuật cao và phức tạp. Điều này xuất phát từ bản chất và nguyên lý làm việc của
động cơ là phần cảm và phần ứng không tách biệt. có hai hướng tiếp cận là:
+ Hướng thứ nhất coi stato là phần cảm tạo ra từ thông ψs, còn mômen là do tác động của
từ thông ψs và dòng điện ir.
+ Hướng thứ hai coi rôto là phần cảm tạo ra từ thông ψr còn mômen là do tác động của ψr
và dòng điện stato is.
Lịch sử điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xuất phát từ thông số ψs, thông qua
các giá trị biên độ của đại lượng điện áp và dòng điện stato, ngày nay gọi là điểu khiển vô
hướng.
- Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi:
Để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì cần phải
điều chỉnh cả điện áp. Đối với biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ cho khả năng quá
us fs1x / 2
tải về mômen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ. Luật điều chỉnh là
với x phụ thuộc tải. Khi x=0 (Mc=const, ví dụ cơ cấu nâng hàng) thì luật điều chỉnh là us/fs
=const.
- Luật điều chỉnh tần số-điện áp giữ từ thông không đổi:
Ở hệ thống điều khiển điện áp/tần số, sức điện động stato động cơ được điều chỉnh tỉ lệ với
tần số đảm bảo duy trì từ thông khe hở không đổi. Động cơ có khả năng sinh mômen như
nhau ở mọi tần số định mức. Có thể điều chỉnh tốc độ ở hai vùng:
Vùng dưới tốc độ cơ bản: giữ từ thông không đổi thông qua điều khiển tỷ số sức điện động
khe hở/tần số là hằng số.
Vùng trên tốc độ cơ bản: giữ công suất động cơ không đổi, điện áp được duy trì không đổi,
từ thông động cơ giảm theo tốc độ.
- Điều chỉnh từ thông:
Trong chế độ định mức, từ thông là định mức và mạch từ có công suất tối đa. Luật điều
chỉnh tần số-điện áp là luật giữ gần đúng từ thông không đổi trên toàn dải điều chỉnh. Tuy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
15
nhiên từ thông động cơ, trên mỗi đặc tính, còn phụ thuộc vào rất nhiều vào độ trượt s, tức
là phụ thuộc mômen tải trên trục động cơ. Vì thế trong các hệ điều chỉnh yêu cầu chất
lượng cao cần tìm cách bù từ thông.
r
Lm
1 (Tr )2
Do đó
nên nếu muốn giữ từ thông ψr không đổi thì dòng điện phải
Is
1
được điều chỉnh theo tốc độ trượt. Phương pháp này có nhược điểm là mỗi động cơ phải
cài đặt một sensor đo từ thông không thích hợp cho sản xuất đại trà và cơ cấu đo gắn trong
đó bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và nhiễu.
Nếu điều chỉnh cả biên độ và pha của dòng điện thì có thể điều chỉnh được từ thông rôto
mà không cần cảm biến tốc độ.
-Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện.
Phương pháp điều chỉnh này sử dụng biến tân nguồn dòng. Biến tần nguồn dòng có
ưu điểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch lưc đơn giản mà vẫn thực hiện hãm tái
sinh động cơ. Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là nguồn điện điều khiển. Để
tạo nguồn điện một chiều thường dùng chỉnh lưu điều khiển hoặc băm xung áp một chiều
có bộ điều chỉnh dòng điện có cấu trúc tỷ lệ-tích phân(PI), mạch lọc là điện kháng tuyến
tính có trị số điện cảm đủ lớn.
1.4.2. Điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ:
Một số hệ thống yêu cầu chất lượng điều chỉnh động cao thì các phương pháp điều
khiển kinh điển khó đáp ứng được. Hệ thống điều khiển định hướng theo từ trường còn gọi
là điều khiển vectơ, có thể đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và động.
Nguyên lý điều khiển vectơ dựa trên ý tưởng điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ
tương tự như điều khiển động cơ một chiều. Phương pháp này đáp ứng được yêu cầu điều
chỉnh của hệ thống trong quá trình quá độ cũng như chất lượng điều khiển tối ưu mômen.
Việc điều khiển vectơ dựa trên định hướng vectơ từ thông rôto có thể cho phép điều khiển
tác rời hai thành phần dòng stato, từ đó có thể điều khiển độc lập từ thông và mômen động
cơ. Kênh điều khiển từ thông thường gồm một mạch vòng điều chỉnh dòng điện sinh từ
thông. Do đó hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ có thể tạo được các đặc
tính tĩnh và động cao, có thể so sánh được với động cơ một chiều.
- Nguyên lý điều khiển vectơ:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
16
Dựa trên ý tưởng điều khiển động cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ
một chiều. Động cơ một chiều có thể điều khiển độc lập dòng điện kích từ và dòng phần
ứng để đạt được mômen tối ưu theo công thức tính mômen:
M KI• KIkt I•
I
u
I
u
Ids*
Iqs*
Mạch điều
khiển và mạch
nghịch lưu
ĐK
Uu
ĐM
CKT
Hình 1.9 Sự tương quan giữa điều khiển động cơ một chiều và điều khiển vectơ
Tương tự ở điều khiển động cơ không đồng bộ, nếu ta sử dụng công thức:
M=KmψrIqs=KmIdsIqs(khi chọn trục d trùng với chiều vectơ từ thông rôto)
Thì có thể điều khiển M bằng cách điều chỉnh tốc độ đôc lập các thành phần dòng điện
trên hai trục vuông góc của hệ toạ độ quay đồng bộ với vectơ từ thông rôto. Lúc này vấn
đề điều khiển động cơ không đồng bộ tương tự như dòng điều khiển động cơ điện một
chiều. Ở đây thành phần dòng điện ids đóng vai trò tương tự như dòng điện kích từ động cơ
một chiều(ikt) và thành phần dòng iqs tương tự như dòng phần ứng động cơ một chiều(iu).
Các thành phần có thể tính được nhờ sử dụng khái niệm vectơ không gian. Với ý tưởng
định nghĩa vectơ không gian dòng điện của động cơ được mô tả ở hệ toạ độ quay với tốc
độ ωs, các đại lượng dòng điện điện áp, từ thông sẽ là các đại lượng một chiều.
q
q
Iqs1
Is2
Is1
Is2
Is1
Iqs2
Iqs
s1
s2
s2
s1
d
d
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
17
Ids1
Ids
Ids2
r
r
Hình 1.10. Điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện: Mômen và kích từ
- Điều khiển trực tiếp mômen:
Ra đời vào những năm cuối thập kỷ 90 của thế kỉ XX, thực hiện được đáp ứng nhanh. Vì
ψr có quán tính cơ nên không biến đổi nhanh được, do đó ta chú trọng thay đổi ψs không
thay đổi ψr. Phương pháp này không điều khiển theo quá trình mà theo điểm làm việc. Nó
khắc phục nhược điểm của điều khiển định hướng trường vectơ rôto ψr cấu trúc phức tạp,
đắt tiền, độ tin cậy thấp(hiện nay đã có vi mạch tích hợp cao, độ chính xác cao), việc đo
dòng điện qua cảm biến gây chậm trễ, đáp ứng momen của hệ điều khiển vectơ chậm(cở
10ms) và ảnh hưởng của bão hoà mạch từ tới Rs lớn.
1.4.3. Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi.
Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi hay điều chỉnh điện áp-tần số với từ thông
là hàm của mômen tải thuộc phương pháp điều chỉnh vô hướng. Phương pháp này sử dụng
bộ biến tần-động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc. Ta giả thiết điện áp và dòng điện đầu ra
của bộ biến tần là hình sin, có biên độ và tần số có thể thay đổi được thì nhìn vào sơ đồ
thay thế và các biểu thức tính toán mômen, dòng điện…ta thấy khi điều chỉnh tần số thì trở
kháng của động cơ thay đổi, do đó khi điều chỉnh tần số thì ta phải điều chỉnh cả điện áp
để đảm bảo động cơ không bị quá dòng và đảm bảo khả năng sinh mômen theo yêu cầu
đặc tính tải.
Mômen lớn nhất mà động cơ không đồng bộ sinh ra được(với tần số và điện áp nhất
định)chính là mômen tới hạnh, như vậy khả năng quá tải về mômen là λM=Mth/Mc
nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato thì biểu thức mômen tới hạn tính như sau:
2
U
f
Mth Kth
Trong đó Kth là hằng số phụ thuộc vào thông số của động cơ.
Điều kiện để giữ hệ số quá tải về mômen không đổi là:
Mthdm
M Mth / Mc
Mcdm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
18
dm
dm
M
Mthdm
0
Mc
Mcdm
Mth
Hình 1,11. Đặc tính cơ điều chỉnh tần số theo luật giữ khả năng quá tải không đổi.
Từ hai biểu thức trên ta có thể tính được:
M
Uó Usdm
.
0 0dm Mthdm
Dạng đặc tính cơ thống kê của các máy sản xuất dạng gần đúng:
Khi hệ ổn định thì M=Mc và động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc có đặc tính cơ cứng nên
có thể xem ω=ω1, từ đó ta có:
1x / 2
1x / 2
Us
1
1dm
f
Uódm
fdm
Hay ở dạng đơn vị tương đối:
U * f *(1x / 2)
U1
nếu gần đúng thì ta có
s nên có thể coi luật điều khiển này là luật từ thông là hàm
f1
của mômen tải:
s* Mc*
1.4.4. Điều khiển điện áp-tần sô giữ từ thông động cơ không đổi.
Từ thông móc vòng qua khe hở không khí ψδ được tính.
1
U1
R
1
f1*
I1( jX1
)
C1 f1dm f1*
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
19
Trong đó C1: hệ số phụ thuộc vào kết cấu máy điện.
*
f1đm: tần số định mức, f1 : tần số đơn vị tương đối
U1*
f1*
Nếu bỏ qua thành phần sụt áp trên điện trở stato ta có *
tương ứng với quy luật
U1
= hằng số đã nêu ở mục (3-2), bị suy giảm ở vùng tần số thấp khi sụt áp trên điện trở
f1
stato có thể so sánh với điện áp stato U1. Điều này dẫn đến momen động cơ suy giảm theo
U1*
f1*
U1
*
tần số. Để đảm bảo từ thống ψσ
tương ứng với quy luật
=hằng số đã nêu ở mục
f1
(3-2), bị suy giảm ở vùng tấn số thấp khi sụt áp trên điện trở stato có thể so sánh với điện
áp stato U1. Điều này dẫn đến mômen động cơ suy giảm theo tần số. Để đảm bảo từ thông
ψσ không đổi ta cần bù điện áp rơi trên điện trở stato.
Giải pháp thực hiện trong thực tế hay dùng là phát hàm U1(f1) với dòng điện không
tải I10. Khi động cơ mang tải bù thêm lượng điện áp tỷ lệ với sụt áp trên điện trở stato ct.
Như vậy tại giá trị tần số đầu vào f1 giá trị điện áp sẽ có hai thành phần:
Thành phần thứ nhất U11 lấy từ hàm quan hệ U1(f1), thành phần thứ 2 tỷ lệ với dòng
điện tả U12~I1.
Dạng đặc tính cơ theo luật điều khiển điện áp tần số giữ từ thông động cơ không đổi
được vẽ trên
M
0
Mth
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
20
Hình 1.12. Đặc tính cơ điều khiển điện áp - tần số giữ từ thông động cơ không đổi
Nhận xét: Phương pháp điều khiển U1(f1) giữ từ thông không đổi đơn giản dễ thực hiện.
Vì vậy, phần lớn biến tần công nghiệp thường sử dụng giải pháp này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
21
Chƣơng II
CẤU TRÚC BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC DÙNG TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
TRUNG ÁP
A. Cấu trúc bộ biến tần đa mức.
2.1. Khái niệm
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều sang
dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. Bộ nghịch lưu áp là một
bộ nghịch lưu có nguồn một chiều cung cấp là nguồn áp và đối tượng điều khiển ở ngõ ra
là điện áp.
Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có vai trò như một khóa dùng để đóng, ngắt dòng
điện qua nó. Trong các ứng dụng với công suất vừa và nhỏ, có thể sử dụng transitor BJT,
MOSFET, IGBT làm khóa và ở phạm vi công suất lớn có thể sử dụng GTO, IGCT …
2.2. Phân loại bộ nghịch lƣu áp
Bộ nghịch lưu áp dựa theo các tiêu chí khác nhau có thể phân loại như sau:
- Theo số pha điện áp đầu ra: một pha, ba pha.
- Theo số bậc điện áp giữa một đầu pha tải và một điểm điện thế chuẩn trên mạch
(phase to pole voltage): hai mức (two level), đa mức (multilevel).
- Theo cấu trúc của bộ nghịch lưu: dạng nối tầng (cascade inverter), dạng điôt kẹp
(diode clamped inverter), dạng flying capacitor …
- Theo phương pháp điều chế:
+ Phương pháp điều rộng.
+ Phương pháp điều biên.
+ Phương pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (CBPWM).
+ Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (SFO-PWM).
+ Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVPWM).
2.3. Nghịch lƣu áp đa mức
Sự tiến bộ gần đây trong việc nâng cao tính năng dòng, áp của các thiết bị chuyển
mạch như IGBT, IGCT, GTO đã thúc đẩy việc sử dụng các bộ nghịch lưu nguồn áp trong
lĩnh vực công suất lớn. Các bộ nghịch lưu với dòng điện lớn và điện áp cao ngày càng ứng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
22
dụng rộng rãi trong truyền động xoay chiều, trong truyền tải điện xoay chiều như bộ bù
tĩnh (static var compensator).
Cấu trúc chung của bộ nghịch lưu áp nhiều mức (đa mức) là có nhiều bộ gồm sáu
chuyển mạch thông thường trong nghịch lưu ba pha để tổng hợp điện áp hình sin từ một số
mức điện áp từ nguồn áp của tụ điện. Lý do sử dụng các khóa chuyển mạch này là dòng
điện bị phân chia trong các khóa chuyển mạch và cho phép làm việc với công suất định
mức lớn hơn công suất từng khóa riêng rẽ.
2.4. Các cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lƣu áp đa mức
2.4.1. Bộ nghịch lưu điôt kẹp (diode clamped multilevel inverter)
2.4.1.1. Cấu trúc
Bộ nghịch lưu điôt kẹp sử dụng các điôt kẹp và các tụ điện một chiều mắc nối tầng để
tạo ra điện áp có nhiều mức. Bộ nghịch lưu này có thể có cấu trúc: 3, 4 hay 5 mức, nhưng
thường sử dụng nhiều nhất trong các truyền động công suất lớn, điện áp trung bình
(medium voltage drives) là bộ nghịch lưu 3 mức (three level neutral point clamped: 3L-
NPC).
Hình 2.1: Bộ nghịch lưu điôt kẹp 3 mức
Cấu trúc của một bộ nghịch lưu điôt kẹp 3 mức như hình 2.1. Pha A của bộ nghịch
lưu gồm có 4 khóa bán dẫn S1 đến S4 và 4 điôt mắc song song ngược D1 đến D4. Điện áp
vào một chiều của bộ nghịch lưu thường được chia bởi 2 tụ điện nối tầng Cd1 và Cd2, để tạo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
23
ra điểm trung tính ảo (neutral point) Z. Điện áp đặt lên mỗi tụ điện bằng E, thường bằng
một nửa điện áp nguồn một chiều đưa vào Vd. Các điôt Dz1, Dz2 nối với điểm trung tính ảo
Z gọi là các điôt chốt điểm trung tính. Khi các khóa S2 và S3 đều đóng, đầu ra pha A của
bộ nghịch lưu được nối với điểm trung tính ảo thông qua một trong hai điôt chốt.
2.4.1.2. Trạng thái của các khóa chuyển mạch
Trạng thái của các chuyển mạch trong bộ nghịch lưu điôt kẹp 3 mức được cho dưới
dạng bảng 2.1. Trạng thái P (positive) tương ứng với hai khóa chuyển mạch S1, S2 đều
đóng và lúc đó điện áp ra UAZ có giá trị bằng E. Ngược lại trạng thái N (negative) tương
ứng với hai khóa chuyển mạch S3, S4 đều đóng và điện áp ra UAZ có giá trị bằng -E. Trạng
thái O (zero) tương ứng với hai khóa chuyển mạch S2, S3 đều đóng và lúc này điện áp UAZ
sẽ có giá trị bằng 0 do các điôt chốt. Phụ thuộc theo chiều của dòng điện tải mà một trong
hai điôt chốt sẽ dẫn dòng. Ví dụ, với dòng điện tải dương (iA > 0) làm DZ1 đóng, đầu ra pha
A được nối với điểm trung tính Z thông qua sự dẫn dòng của DZ1 và S2.
Bảng 2.1: Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của bộ nghịch lưu 3L-NPC
Trạng thái các khóa chuyển mạch
Trạng
Điện áp ra
thái
UAZ
S1
S2
S3
S4
P
O
N
Đóng
Ngắt
Ngắt
Đóng
Đóng
Ngắt
Ngắt
Đóng
Đóng
Ngắt
Ngắt
Đóng
E
0
-E
Các khóa chuyển mạch S1, S3 và S2, S4 hoạt động theo nguyên tắc đối nghịch, có
nghĩa là khi một khóa đóng thì khóa còn lại sẽ ngắt. Hình 1.2 biểu diễn một ví dụ về trạng
thái khóa chuyển mạch, tín hiệu điều khiển các chuyển mạch và điện áp ra UAZ có 3 mức
E, 0 và -E.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
24
Hình 2.2: Trạng thái, điện áp điều khiển các chuyển mạch và điện áp ra
Tương tự ta cũng có điện áp pha UBZ, UCZ có dạng giống UAZ nhưng có sự dịch
chuyển pha đi 2/3. Điện áp dây UAB UAZ UBZ sẽ có 5 mức điện áp: 2E, E, 0, -E và -
2E (hình 2.3).
Hình 2.3: Điện áp pha và điện áp dây của bộ nghịch lưu 3L-NPC
2.4.1.3. Quá trình chuyển mạch
Để nghiên cứu sự chuyển mạch của các khóa trong bộ nghịch lưu 3L-NPC, coi như
có sự chuyển đổi trạng thái từ trạng thái O sang trạng thái P bằng cách ngắt S3 và đóng S1
với thời gian chết bỏ qua. Với giả thiết rằng dòng điện pha iA không đổi chiều trong quá
trình chuyển mạch do tải có tính cảm, giá trị hai tụ điện Cd1 và Cd2 đủ lớn để điện áp đặt
lên mỗi tụ điện giữ giá trị bằng E và các khóa chuyển mạch coi như lý tưởng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
25
- Trường hợp 1: dòng điện tải iA > 0 (hình 1.4a)
Trạng thái O
Trạng thái P
Hình 2.4a: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang
trạng thái P với dòng điện tải iA > 0
Bộ nghịch lưu đang ở trạng thái O tương ứng với các khóa chuyển mạch S1, S4 đều
ngắt, còn S2 và S3 đang đóng. Điôt chốt DZ1 đang dẫn dòng điện iA > 0. Điện áp đặt trên
U U 0
hai khóa chuyển mạch S2, S3:
, còn điện áp đặt lên hai khóa S1,
S2
S3
U U E
S4:
áp rơi
. Sau khi S3 ngắt hoàn toàn, S1 đóng lại (trạng thái P) tương ứng với điện
, điôt chốt DZ1 bị phân cực ngược nên khóa lại, dòng điện chuyển từ DZ1 sang
S1
S4
U 0
S1
S1. Do cả hai khóa chuyển mạch S3 và S4 đều đã ngắt nên điện áp rơi trên chúng:
U U E
.
S3
S4
- Trường hợp 2: dòng điện tải iA < 0 (hình 2.4b)
Trạng thái O
Trạng thái P
Hình 2.4b: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang
trạng thái P với dòng điện tải iA < 0
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
26
Tải về để xem bản đầy đủ
81 trang
20/08/2024
1020
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt Luận văn Nghiên cứu ứng dụng biến tần đa mức trong truyền động điện", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- tom_tat_luan_van_nghien_cuu_ung_dung_bien_tan_da_muc_trong_t.pdf
