Đặc biệt, nh chúng ta đã biết, máy điện đồng bộ còn đợc nghiên cú ứng dụng và sử dụng ngày càng rộng rãi với chức năng là động cơ từ những - động cơ công suất nhỏ sử dụng trong các tr
Máy điện đồng bộ
Kết cấu của Máy điện đồng bộ
Theo kết cấu, có thể chia Máy điện đồng bộ (MĐĐB) ra làm 2 loại: máy đồng bộ cực ẩn (số cực 2p = 2); và máy đồng bộ cực lồi (số cực 2p ≥4)
Mỗi loại máy này có đặc điểm kết cấu khác nhau:
1.1.1 1 Kết cấu của máy điện 3 pha cực ẩn
Máy điện 3 pha có roto được làm từ thép chất lượng cao, được đúc thành khối hình trụ và gia công để phay rãnh lắp đặt cuộn dây kích từ Phần không phay rãnh của roto tạo thành mặt cực từ, với mặt cắt ngang trục lõi thép roto được minh họa trong hình (1.1).
MĐĐB hiện đại được chế tạo với số cực 2p = 2 và tốc độ quay của roto đạt 3.000 vòng/phút Để hạn chế lực ly tâm và đảm bảo an toàn cho thép hợp kim lõi thép, đường kính D của roto không vượt quá (1,1 – 1,15)m Để tăng công suất, chiều dài của roto có thể tăng lên tối đa khoảng 6,5m Dây quấn kích từ được làm từ dây đồng trần hình chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm, với các vòng dây cách điện bằng lớp mêca mỏng Để cố định các cuộn dây kích từ trong rãnh, miệng rãnh được nêm kín bằng thép không từ tính, và các đầu nối ngoài rãnh được đai chặt bằng ống thép không từ tính.
Hai đầu dây quấn kích từ đi qua trụ và kết nối với hai vành trượt ở đầu trục thông qua hai chổi điện, nhằm tạo ra dòng kích từ một chiều.
Stato của máy điện 3 pha cực ẩn được cấu tạo từ lõi thép, bên trong chứa dây quấn 3 pha cùng với thân máy và nắp máy Lõi thép stato được ép chặt bằng
Trong thiết kế động cơ, có một rãnh thông gió ngang trục rộng 10mm, với lõi thép stato được cố định trong thân máy Đối với các động cơ công suất trung bình và lớn, thân máy được chế tạo từ các kết cấu khung thép và bọc bên ngoài bằng tấm thép dày Thiết kế thân máy cần đảm bảo tạo ra hệ thống đường thông gió để làm mát động cơ Nắp máy được sản xuất từ thép tấm hoặc gang đúc, và trong các máy công suất trung bình và lớn, ổ trục không được đặt ở nắp máy mà ở giá đỡ ổ trục cố định trên bệ máy.
1.1.1.2 Kết cấu của máy điện đồng bộ 3 pha cực lồi
MĐĐB 3 pha cực lồi thường được áp dụng khi cần tốc độ quay thấp, với đường kính roto D có thể lên tới 15m Khác với MĐĐB 3 pha cực ẩn, chiều dài l của loại này lại nhỏ, tạo ra tỷ lệ l/D nằm trong khoảng (0,12 đến 0,2).
Roto MĐĐB 3 pha cực lồi với công suất nhỏ và trung bình được chế tạo từ lõi thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc hình trụ, trên bề mặt có các cực từ Đối với các máy lớn, lõi thép được hình thành từ các tấm thép dày từ 1 đến 6 mm, dập định hình để ghép thành khối lăng trụ và thường không trực tiếp lồng vào trục máy mà đặt vào giá đỡ roto Cực từ trên lõi thép roto được ghép từ nhiều lá thép dày từ 1 đến 1,5 mm Việc cố định các cực từ trên lõi thép được thực hiện bằng đuôi hình chữ T hoặc bulông xuyên qua mặt cực từ và vít chặt vào lõi thép roto.
Hình 1.2 Cực từ của máy đồng bộ cực lồi -
1 Lá thép cực từ 2 Dây quấn kích thích
3 Đuôi hình T 4 Nêm 5 Lõi thép roto
Dây quấn kích từ được làm từ đồng với tiết diện hình chữ nhật, được quấn theo chiều mỏng thành các cuộn dây Giữa các vòng dây được cách điện bằng lớp mêca hoặc amiăng Sau khi gia công, các cuộn dây sẽ được luồn vào thân cực.
Dây quấn khởi động được lắp đặt trên các đầu cực tương tự như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện không đồng bộ Nó được cấu tạo từ các thanh đồng được đặt vào các rãnh của đầu cực và được kết nối hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch.
3pha cực lồi có cấu tạo stato tơng tự nh của MĐĐB 3pha cực ẩn.
Từ trờng trong Máy điện đồng bộ
Từ trờng trong MĐĐB là do dòng điện trong các dây quấn stato và roto sinh ra
Khi máy điện hoạt động ở chế độ không tải, dòng điện trong dây quấn xoay chiều ở stato bằng không (I = 0), do đó từ trường trong máy điện chỉ được tạo ra bởi dòng điện một chiều nhỏ.
Khi roto quay trong một máy điện, năm dây quấn kích thích được đặt trên các cực từ sẽ tạo ra từ trường Từ trường này sẽ quét qua dây quấn stato, dẫn đến việc cảm ứng sức điện động (s.đ.đ) không tải E trong các dây quấn này.
Khi máy làm việc có tải, ngoài từ trường của cực từ, còn có từ trường quay do dòng điện tải ba pha trong dây quấn ba pha sinh ra Từ trường quay này có thể phân tích thành từ trường cơ bản và các từ trường bậc cao với chiều quay và tốc độ khác nhau Trong số đó, từ trường cơ bản là quan trọng nhất vì nó có tốc độ và chiều quay giống như từ trường cực từ Tác dụng của nó với từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng, ảnh hưởng đến từ trường của cực từ và mức độ ảnh hưởng này phụ thuộc vào tính chất của tải cũng như cấu tạo cực ẩn hoặc cực lồi của máy Khi máy làm việc có tải, dọc khe hở tồn tại một từ trường thống nhất, từ trường này sẽ sinh ra sức điện động trong các dây quấn của stato.
1.1.2.1 Từ trờng của dây quấn kích thích (của cực từ)
Dây quấn kích thích của máy điện đồng bộ ba pha cực ẩn và cực lồi có cấu tạo khác nhau, dẫn đến sự khác biệt trong từ trường mà chúng tạo ra Cụ thể, ở máy cực lồi, do khe hở giữa mặt cực và phần ứng không đều, mật độ từ thông cũng không đồng nhất; trong đó, mật độ từ thông tại vị trí giữa mặt cực lớn hơn.
- - 6 ở mỏm cực Đờng biểu diễn của từ cảm Bt dọc theo bớc cực τ đợc biểu diễn một cách gần đúng nh trên hình 1.3
Hình 1.3- Từ trờng do dây quấn kích thích ở khe hở của
Máy điện đồng bộ cực lồi
Ngời ta không thể tạo đợc sự phân bố của từ cảm Bt theo dạng hình sin
Do những khó khăn trong việc gia công độ cong của mặt cực, các đường phân bố từ cảm không sin có thể được phân tích thành sóng cơ bản và sóng bậc cao.
Máy điện đồng bộ chủ yếu tạo ra sóng cơ bản, sinh ra điện áp (s.đ.đ) với tần số cơ bản ở dây quấn stato Các từ trường bậc cao của cực từ thường rất nhỏ và điện áp do chúng sinh ra sẽ bị giảm nếu lựa chọn bước ngắn y và số rãnh của một pha ở một cực q của dây quấn stato không phù hợp.
Hình 1.4- Từ trờng ở khe hở của Máy điện đồng bộ cực ẩn
1.1.2.2 Từ trờng của phần ứng
Khi máy điện hoạt động với tải, dòng điện trong dây quấn stato tạo ra từ trường phần ứng Tùy thuộc vào đặc tính của tải, trục từ trường phần ứng sẽ tạo một góc nhất định với trục từ trường cực từ Do đó, tác động của từ trường phần ứng đối với từ trường cực từ hay phản ứng phần ứng sẽ khác nhau dựa trên tính chất của trở, dung, hay cảm.
Trong máy điện cực ẩn, khe hở là đều, trong khi ở máy điện cực lồi, khe hở dọc trục và ngang trục có sự khác biệt Do đó, sức điện động cảm ứng trong dây quấn phần tĩnh của hai loại máy này hoàn toàn khác nhau Điều này dẫn đến phản ứng phần ứng có sự phân biệt rõ rệt giữa các hướng dọc trục và ngang trục.
Xét mối quan hệ giữa không gian giữa cực từ của trường phần ứng và cực từ trong máy điện 3 pha hai cực, trong đó mỗi pha được đại diện bởi một vòng dây.
Giả sử các s.đ.đ và dòng điện trong 3 pha là hình sin, và xét tại thời điểm iA = Im, phản ứng phần ứng phụ thuộc vào tính chất của tải:
Khi tải thuần trở, phương của từ trường quay phần ứng Fₜ sẽ vuông góc với phương của từ trường cực từ Fₜ Do đó, phản ứng phần ứng sẽ diễn ra theo hướng
- ở tải thuần dung, F và Ft cùng chiều Phản ứng phần ứng là dọc trục trợ tõ
- Trờng hợp tải hỗn hợp, phân tích F thành hai thành phần dọc trục và ngang trôc (h×nh 1.5): Ψ
Hình 1.5- Đồ thị véctơ (a) và quan hệ không gian giữa từ trờng cực từ và từ trờng phần ứng (b) ở tải hỗn hợp (0 < ϕ < 90 0 )
Ta thấy khi tải có tính cảm (
0 < Ψ < π 2), phản ứng phần ứng vừa ngang trục vừa khử từ, còn khi tải có tính dung (
> ), phản ứng phần ứng là ngang trục và trợ từ b Từ cảm do từ trờng phần ứng và điện kháng tơng ứng
Trong trường hợp máy đồng bộ cực ẩn, khe hở giữa stato và roto là đều, và nếu mạch từ không bão hòa thì từ trở là hằng số Khi sức từ động của dây quấn phần ứng phân bố hình sin, từ cảm dọc khe hở cũng theo hình sin Từ thông Φ u sẽ quay đồng bộ với roto, dẫn đến cảm ứng trong dây quấn phần ứng s.đ.đ được tính bằng công thức E u = π 2 fwk dq Φ u Điện kháng tương ứng được xác định qua x = E/I.
Trong máy đồng bộ cực lồi, khe hở giữa stato và roto không đều dẫn đến sự phân bố s.t.đ của phần ứng có hình sin, nhưng từ cảm lại phân bố không theo hình sin Sự phân bố này phụ thuộc vào góc Ψ giữa E và I, tức là phụ thuộc vào tính chất của tải Để nghiên cứu dễ dàng, ta phân tích s.t.đ F ở tải bất kỳ với góc Ψ thành hai thành phần dọc trục và ngang trục, sau đó xem xét từ cảm theo hai hướng với từ trở xác định.
Trong đó, I d = I sin Ψ ; I q = I cos Ψ (1 5)- Biên độ của Fd và Fq trùng với trục dọc và ngang của cực từ (hình 1.6)
Hình 1.6- Từ trờng phần ứng dọc trục (a) và ngang trục (b) trong máy điện cực lồi
Sơ đồ thay thế máy điện đồng bộ
Trong chế độ xác lập máy điện đồng bộ cực ẩn, sơ đồ thay thế tương tự như máy điện không đồng bộ Điện áp stato Us tạo ra dòng điện Is và từ thông từ lõi sắt Dòng điện kích từ Ik chảy trong dây quấn kích thích, tạo ra nam châm rôto, khi quay sẽ sinh ra sức điện động E trong dây quấn stato Sơ đồ thay thế cho một pha được thể hiện trong hình 1.7a Mạch rôto có thể quy đổi về stato bằng dòng điện Ik có tần số ωe, với n là tỉ số quy đổi giữa giá trị hiệu dụng của Ik và biên độ dòng một chiều Ik Trong chế độ xác lập, năng lượng truyền tới dây quấn bằng không, và toàn bộ năng lượng chuyển qua khe hở không khí được biến thành cơ năng Áp dụng định luật Thevenin, sơ đồ thay thế được trình bày trong hình 1.7c, trong đó E = ωeLmnIk = ωeψk là sức điện động tương ứng từ thông kích thích ψk do Ik tạo ra.
Tổng điện kháng đồng bộ được tính bằng công thức Xs = ωeLs = ωe (Lσ s + Lm), trong đó Lσ s là điện cảm tản của dây quấn pha stato và Lm bằng 1,5 lần điện cảm của dây quấn rotor Tổng trở đồng bộ Zs được xác định là Zs = Rs + jXs, với Rs là điện trở của mạch.
Hình 1.7- Sơ đồ thay thế một pha của máy điện đồng bộ cực ẩn
Laa là điện cảm tương ứng từ thông khe hở không khí của một pha stato Máy điện đồng bộ cực ẩn hoạt động với hệ số công suất theo ba chế độ: cosϕ dương cho thiếu kích từ, cos âm cho quá kích từ, và cosϕ = 1 cho đủ kích từ Tại một tần số ωe xác định, sức điện động khe hở không khí được định nghĩa là Um = ωeψm, với ψm = LmIm là từ thông khe hở không khí Dòng điện Im được hình thành từ thành phần kích từ If và thành phần cảm kháng của dòng điện stato Is Hình 1.8 biểu diễn các đồ thị véc tơ cho các chế độ động cơ và máy phát.
Hình 1.8- Đồ thị véctơ của máy điện đồng bộ a- Chế độ động cơ b- Chế độ máy phát
Nếu không tính đến tổn thất trên điện trở dây quấn stato, ta có thể xác định rằng mô-đun véc tơ từ thông stato tỷ lệ thuận với biên độ điện áp và có pha vuông góc với điện áp Công thức mô tả mối quan hệ này là ψs = 2 π ω j e s e.
Trong đó ψa là từ thông phản kháng
Góc giữa Us và E được gọi là góc mômen, có giá trị âm khi hoạt động ở chế độ động cơ và giá trị dương khi ở chế độ máy phát, theo chiều từ Ustới E.
Quan hệ điện từ trong Máy điện đồng bộ
Phân tích các quan hệ điện từ trong máy điện đồng bộ là cơ sở quan trọng để nghiên cứu đặc tính của máy phát và động cơ điện Các quan hệ điện từ chính bao gồm các phương trình điện áp và giản đồ liên quan, giúp hiểu rõ hơn về hoạt động và hiệu suất của thiết bị.
Cân bằng năng lượng và công suất điện từ của máy điện đồng bộ có những đặc điểm khác nhau giữa động cơ, máy phát và máy bù đồng bộ Ngoài ra, máy đồng bộ còn được phân loại theo cực ẩn và cực lồi, mỗi loại có những tính chất riêng biệt.
1.1.4.1 Phơng trình điện áp của Máy điện đồng bộ
Chế độ làm việc của máy điện đồng bộ ở tốc độ quay không đổi n = const được thể hiện qua các mối quan hệ giữa các đại lượng như E, U, I, It, và cosϕ Một số mối quan hệ quan trọng được suy ra từ phương trình cân bằng điện áp của máy Trong trường hợp tải đối xứng, ta có thể phân tích riêng từng pha, với phương trình điện áp một pha có dạng cụ thể.
- Đối với máy phát điện đồng bộ:
- Đối với động cơ điện đồng bộ hoặc máy bù đồng bộ:
U • = E δ • + I • ( r u + jx σ u ) (1 8)- trong đó: U: điện áp ở đầu cực máy ru và x σ u: điện trở và điện kháng tản từ của dây quấn phần ứng
E δ: s.đ.đ cảm ứng trong dây quấn do từ trờng khe hở
Khi có tải, từ trường khe hở được tạo ra bởi từ trường cực từ Ft và từ trường phần ứng Fφ Trong trường hợp mạch từ của máy không bão hòa, các từ trường Ft và Fφ có thể được xem là độc lập, sinh ra trong dây quấn với sức điện động E và Eφ Áp dụng nguyên lý xếp chồng, ta có công thức E δ • = E • + E u • (1 9).
Khi mạch từ của máy bão hòa, nguyên lý xếp chồng không còn áp dụng Trong tình huống này, cần xác định từ trường tổng F o • + F u • và từ thông tổng tại khe hở F δ •, từ đó suy ra sức điện động E δ •.
*** Trờng hợp máy phát điện:
Máy cực ẩn Máy cực lồi
Phơng trình cân bằng điện áp:
(1-10) mà E u • = − jI • x u , nên: u db u u u r I x jI
(1-11) với: x db = x u + x σ u gọi là điện kháng đồng bộ
S.t.đ:F u • = F ud • + F uq • tơng ứng sẽ sinh ra trong dây quấn phần ứng s.đ.đ: uq q uq ud d ud x jI E x jI
(1-12) Phơng trình cân bằng điện áp: u u uq q ud d u u uq ud r I x jI x jI x jI E U jx r I E E E
Ngời ta cũng viết đợc dới dạng: u q q d d x jI x I r jI E
U • = • − • − • − • ; (1-14) với: x q = x uq + x σ u gọi là điện kháng đồng bộ dọc trục x q = x uq + x σ u gọi là điện kháng đồng bộ ngang trôc
***Trờng hợp động cơ điện:
Khi làm việc nh động cơ điện đồng bộ, máy điện đồng bộ tiêu thụ công suất điện lấy từ mạng điện để biến thành cơ năng
Động cơ đồng bộ thường có cấu tạo cực lồi, và khi gọi điện áp lưới điện là U, ta có thể biểu diễn các thông số điện như sau: u q q d d u u uq ud u u r, với I x jI x jI, E, U jx r, I, E, U jx r.
1.1.4.2 Các đặc tính góc của Máy điện đồng bộ
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét đặc tính góc công suất tác dụng của máy điện đồng bộ, với giả định rằng tốc độ quay n và điện áp U của mạng điện là không đổi Đặc tính này được mô tả bởi mối quan hệ P = f(θ), trong đó E và U được giữ cố định, và θ là góc tải giữa véctơ sức điện động E và điện áp U.
Nghiên cứu đặc tính này giúp giải thích nhiều tính chất quan trọng của máy Trong quá trình nghiên cứu đặc tính góc, chúng ta có thể bỏ qua rẽ do trị số của nó rất nhỏ so với các điện kháng đồng bộ như xdb, xd và xq.
Nh đã biết, công suất của máy đồng bộ ở đầu cực của máy bằng:
P = mUIcosϕ (1-16) Đối với máy cực lồi, ta có: q q d d x
(1-17) và ϕ = ψ − θ, do đó: θ θ θ θ θ θ θ θ ψ θ ψ θ ψ ϕ cos sin sin cos sin
Theo hệ đơn vị tơng đối ta có:
Công suất tác dụng của máy cực lồi bao gồm hai thành phần chính: thành phần Pc tỷ lệ với sinθ và phụ thuộc vào E0 (hoặc it), và thành phần Pu tỷ lệ với sin2θ, không phụ thuộc vào E (hoặc it), với giá trị của Pu nhỏ hơn nhiều so với Pc Đối với máy đồng bộ cực ẩn, do xd = xq, ta có thể rút ra từ biểu thức (1 18): - θ sin x d.
Công suất P được xác định bởi công thức P = mUE (1 21), trong đó góc θ giữa véctơ s.đ.đ E và điện áp U có ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị của P Khi góc θ thay đổi, công suất P cũng sẽ thay đổi Nếu bỏ qua các điện áp rơi Ir và Ix, ta có thể thấy rằng θ ≈ θ δ, phản ánh góc không gian giữa s.t.đ F0 của roto và F δ = F o + F u ở khe hở trên mặt stato Trong quá trình hoạt động của máy phát điện, góc θ δ > 0 cho thấy roto (hoặc F0) vượt trước và kéo theo từ trường F δ trên mặt stato Ngược lại, khi động cơ điện hoạt động, θ δ < 0, từ trường tổng F δ kéo roto (hoặc F0) quay theo Sự thay đổi của lực kéo giữa F0 và F δ biểu thị cho công suất P, cho thấy rằng P thay đổi theo θ δ.
Công suất phản kháng của Máy điện đồng bộ bằng:
Thay trị số của Id, Iqvào ta đợc:
Khi θ có trị số dương hoặc âm, trị số của Q không đổi, cho thấy đặc tính góc công suất phản kháng của máy phát điện và động cơ điện đồng bộ là giống nhau Trong một phạm vi của θ, máy phát công suất phản kháng vào lưới điện, còn ngoài phạm vi đó, máy sẽ tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới điện Dựa vào đặc tính này, người ta sử dụng động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ không tải để phát ra hoặc tiêu thụ công suất phản kháng của lưới điện, gọi là máy bù đồng bộ.
Máy điện đồng bộ có ba chức năng chính: máy phát điện, động cơ điện và máy bù đồng bộ Trong đó, chức năng máy phát điện và máy bù là khó có thể thay thế Đặc biệt, chức năng động cơ của Máy điện đồng bộ ngày càng thể hiện ưu việt và được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi Việc kết hợp với các phương pháp điều khiển hiện đại giúp khắc phục những nhược điểm còn tồn tại, nâng cao hiệu quả sử dụng.
Động cơ đồng bộ ba pha
Giới thiệu chung
Động cơ đồng bộ ba pha trước đây chủ yếu được sử dụng cho các hệ thống truyền động không điều chỉnh tốc độ với công suất lớn từ hàng trăm kW đến hàng MW, phục vụ cho các thiết bị như máy nén khí, quạt gió và bơm nước Tuy nhiên, nhờ sự tiến bộ vượt bậc trong công nghệ điện tử và vật liệu, động cơ đồng bộ hiện nay đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ các thiết bị có công suất vài trăm W như cơ cấu ăn dao máy cắt kim loại và tay máy, cho đến các hệ thống truyền động có công suất lên đến hàng MW.
- 19 - kéo tàu tốc độ cao TGV, máy nghiền, máy cán v.v ) Có thể phân loại động cơ xoay chiều đồng bộ ba pha ra làm hai loại chính:
- Loại rôto có kích từ ngoài với dải công suất lớn từ vài trăm tới vài MW Cuộn kích từ đợc cuốn theo cực ẩn hoặc cực lồi
- Loại rôto là nam châm vĩnh cửu với dải công suất nhỏ
Trong bài luận văn này, chúng tôi tập trung nghiên cứu chuyên sâu về động cơ đồng bộ kích từ quấn dây, nhằm phục vụ cho các ứng dụng công suất lớn.
Các đặc tính làm việc của động cơ đồng bộ
Động cơ đồng bộ hoạt động với dòng điện kích từ không đổi it = const trong lưới điện có điện áp và tần số ổn định (U, f = const) thể hiện các đặc tính quan trọng, bao gồm mối quan hệ giữa công suất Pt, dòng điện It và hệ số công suất cosϕ, phụ thuộc vào công suất tải P2, như minh họa trong hình 1.9.
Hình1.9 Đặc tính làm việc của động cơ đồng bộ P- đm = 500kW; 600V;
50Hz; 600vòng/phút; cosϕ=0,8 (quá kích thích)
Động cơ đồng bộ, tương tự như máy phát đồng bộ, thường hoạt động với góc θ từ 20° đến 30° Một trong những đặc điểm nổi bật của động cơ đồng bộ là khả năng làm việc với hệ số công suất cos ϕ cao.
- 20 - và ít hoặc không tiêu thụ công suất phản kháng Q của lới điện nhờ thay đổi dòng điện từ hóa it.
Mô men điện từ của động cơ đồng bộ ba pha
Từ đồ thị véctơ của động cơ đồng bộ (Hình 1.8a), ta tính đợc dòng điện Is trong trờng hợp bỏ qua Rs:
Nếu coi rằng công suất điện từ bằng công suất điện lấy vào từ lới thì:
Hình1.10- Đặc tính mômen – góc tải của động cơ đồng bộ cực ẩn.
Động cơ đồng bộ cực lồi có sự khác biệt về khe hở dọc và ngang trục, dẫn đến điện kháng dọc trục và ngang trục không giống nhau (Xds ≠ Xqs) Điều này làm cho đồ thị véc tơ trở nên phức tạp hơn và cần được dựng theo từng trục Nếu bỏ qua Rs, ta sẽ có đồ thị véc tơ như trong Hình 1.11, trong đó sức điện động quay E có phương trùng.
Trong hệ thống điện, trục oq và od đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích các thành phần điện áp và dòng điện pha stato Cụ thể, từ thông kích thích được căn chỉnh theo trục od, trong khi trục oq xác định các thành phần khác Việc phân chia này giúp hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong hệ thống.
Từ thông phản kháng của phần ứng ψa được cộng với từ thông kích từ ψk để tạo thành từ thông tổng hợp ψs Đồ thị véc tơ trong hệ trục dq cũng có thể được áp dụng cho máy điện cực ẩn, với điều kiện xem xét rằng X®s = Xqs.
J I X U ds k s ψ a Uds d qs b) ds ds qs qs q
Hình1.11 Đồ thị véctơ của động cơ đồng bộ cực lồi.-
Tõ h×nh 1.11a cã thÓ viÕt:
Iacosϕ = Iqscosδ - Idssinδ (1 28)- Công suất động cơ nhận từ lới cũng coi gần đúng là công suất điện từ:
P® = P®t = 3Us (Iqscosδ - Idssinδ) (1-29) Các thành phần dòng điện chiếu lên các trục:
Thế các biểu thức (1 30) vào (1 29) ta đợc công suất điện từ và mômen - - điện từ: Pđt = δ sin 2 δ
3 2 qs ds qs ds s ds s
3 2 qs ds qs ds s ds s e p
3 2 qs ds qs ds s sd k s e p
Hình1.12- Đặc tính mômen – góc tải động cơ đồng bộ cực lồi.
Mô men động cơ đồng bộ cực lồi bao gồm hai thành phần chính: đầu tiên là thành phần tương tự như biểu thức mô men (1 26), với L-s được thay thế bằng Lds; thành phần thứ hai, gọi là mô men từ trở (Lds ≠ Lqs), luôn hướng rôto đến vị trí tối ưu để đạt điện kháng cực tiểu, không phụ thuộc vào từ thông kích thích ψk.
Nếu tỉ số Us/ωe được giữ cố định (điện áp stato tỷ lệ với tần số), và từ thông kích thích cùng góc tải không thay đổi, thì mômen điện từ của động cơ sẽ duy trì ở mức không đổi.
Khởi động và hãm động cơ đồng bộ kích từ quấn dây
Động cơ đồng bộ không tự sinh ra mômen khởi động, vì vậy việc khởi động từ tốc độ bằng không đến tốc độ đồng bộ là rất quan trọng trong quá trình chế tạo và sử dụng động cơ.
Hình 1.13 a) Đặc tính cơ khi khởi động và hãm động cơ đồng bộ.- b) Mạch nguyên lý khởi động
Một biện pháp thông dụng trong chế tạo động cơ là thiết kế phần khởi động nằm trong rôto, cho phép động cơ hoạt động ở tốc độ không đồng bộ trong quá trình khởi động Khi đạt tốc độ đồng bộ, cuộn khởi động không còn tác dụng Đối với các phụ tải như máy bơm và quạt gió, người ta sử dụng cuộn khởi động dạng lồng sóc, trong khi với phụ tải nặng như máy nghiền và máy nén khí, cuộn khởi động dạng dây quấn được chế tạo để có thể khởi động qua các cấp điện trở, tạo ra mômen khởi động lớn Quá trình khởi động được chia thành hai giai đoạn.
- Khởi động không đồng bộ: đa tốc độ động cơ đến tốc độ gần đồng bộ: ω = 0,98ω®b
- Vào đồng bộ: đa tốc độ động cơ từ 0,98ωđb đến ωđb
- 24 - a Quá trình khởi động không đồng bộ
Trong giai đoạn khởi động, cần giải quyết vấn đề quá áp trong cuộn dây kích từ, vì cuộn dây này có số vòng lớn hơn nhiều so với cuộn stato, dẫn đến điện áp cảm ứng cao và nguy cơ phá thủng cách điện Để giảm sức điện động cảm ứng, thường sử dụng điện trở phóng điện có giá trị gấp 9 đến 10 lần điện trở kích từ Trong giai đoạn vào đồng bộ, để đạt tốc độ đồng bộ từ 0,98ωđb đến ωđb, cần tạo ra mômen vào đồng bộ bằng cách cấp dòng kích từ lớn Iktmax từ 1,5 đến 1,8 lần dòng kích từ định mức Khi đạt tốc độ đồng bộ, dòng kích từ sẽ được điều chỉnh về mức định mức và cuộn dây khởi động sẽ không còn tác dụng.
Nguyên lý mạch khởi động được trình bày trên Hình 1.13b, với đặc tính khởi động không đồng bộ thể hiện qua đường 2 (hình 1.13a) Khi tiếp điểm công tắc
Hãm động cơ đồng bộ gồm hai phơng pháp: Hãm tái sinh (đờng 1 ’ - hình 1.13a) và Hãm động năng (đờng 3 hình 1.13a).-
Phân loại hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 25 1.3 Sơ lợc về các bộ biến tần bán dẫn
Hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ cho động cơ đồng bộ có sự đa dạng về cấu trúc và đặc tính điều chỉnh, tùy thuộc vào công suất, tải trọng và phạm vi điều chỉnh.
Trong thực tế động cơ đồng bộ đợc chế tạo ở các dải công suất:
- Rất nhỏ: vài trăm W đến vài kW
- Nhỏ: vài kW đến 50 kW
- Trung bình: 50 kW đến 500 kW
Động cơ đồng bộ lớn hơn 500 kW thường được sử dụng trong các ứng dụng như máy bơm, nén khí và máy nghiền với vùng điều chỉnh khoảng 10:1 Trong dải công suất nhỏ, động cơ này có cấu tạo mạch kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, phù hợp cho các cơ cấu truyền động cần độ chính xác cao và vùng điều chỉnh rộng, sử dụng biến tần tranzito và nguồn áp biến điệu bề rộng xung Ở dải công suất trung bình, động cơ đồng bộ phục vụ cho các phụ tải yêu cầu vùng điều chỉnh không quá rộng, sử dụng biến tần tiristo cùng nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên hoặc nguồn áp Trong các ứng dụng lớn, hai loại bộ biến đổi thường được sử dụng là biến tần tiristor nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên và biến tần trực tiếp tiristor (cycloconvertor).
Trong các bộ biến đổi tần số cho động cơ đồng bộ, nghịch lưu dòng điện nổi bật với đặc tính gần gũi nhất với bộ góp điện cơ khí của động cơ một chiều Bộ nghịch lưu này có nhiều ưu điểm trong truyền động công suất lớn, bao gồm phạm vi thay đổi tốc độ rộng và khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua việc điều chỉnh giá trị điện áp một chiều cung cấp cho nghịch lưu, hoặc điều chỉnh các thông số khác.
Việc sử dụng tiristor điều khiển không hoàn toàn giúp hạ giá thành sản phẩm nhờ vào tính năng của loại dụng cụ bán dẫn này, có khả năng chịu đựng dòng điện lớn và điện áp cao với chi phí thấp Hệ thống này đảm bảo hoạt động tin cậy, thích hợp cho truyền động công suất lớn và cực lớn, điều mà động cơ một chiều không thể thực hiện được.
Để điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ, có thể áp dụng phương pháp điều chỉnh phía roto bằng cách giảm từ thông kích từ Tuy nhiên, phương pháp hiệu quả và phổ biến nhất hiện nay là thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ đồng bộ.
1.3 Sơ lợc về các bộ biến tần bán dẫn
Khái niệm cơ bản về các bộ biến tần bán dẫn
Trong các hệ thống truyền động sử dụng động cơ đồng bộ với khả năng điều chỉnh tốc độ, việc điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ là biện pháp quan trọng Tần số này được điều chỉnh thông qua các bộ biến tần bán dẫn, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Bộ biến tần (BBT) là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện từ tần số công nghiệp 50Hz sang nguồn có tần số thay đổi, nhằm cung cấp năng lượng cho động cơ đồng bộ.
BBT mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, khởi động mềm giúp nâng cao độ bền của kết cấu cơ khí, và giảm thiểu chi phí lắp đặt cũng như bảo trì Với kích thước nhỏ gọn, BBT đặc biệt nổi bật trong việc tiết kiệm năng lượng.
Biến tần thường hoạt động với nguồn điện áp đầu vào là điện áp lưới, tuy nhiên, về nguyên tắc, biến tần có khả năng làm việc với bất kỳ nguồn điện áp xoay chiều nào.
Biến tần được chia thành hai loại chính: biến tần gián tiếp và biến tần trực tiếp Biến tần gián tiếp, hay còn gọi là biến tần có khâu trung gian một chiều, hoạt động bằng cách sử dụng bộ chỉnh lưu để chuyển đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn một chiều, sau đó sử dụng bộ nghịch lưu để biến đổi nguồn một chiều trở lại thành nguồn xoay chiều.
Khâu trung gian một chiều hoạt động như kho tích trữ năng lượng dưới dạng nguồn áp, sử dụng tụ điện hoặc nguồn dòng, và cuộn cảm để tạo ra sự cách ly giữa phụ tải và nguồn điện áp lưới Biến tần trực tiếp khác với biến tần gián tiếp ở chỗ nó cung cấp điện áp cho tải bằng cách sử dụng các phần của điện áp lưới, kết nối tải vào nguồn thông qua một phần tử đóng cắt duy nhất trong một khoảng thời gian nhất định mà không cần qua kho năng lượng trung gian.
Biến tần trực tiếp cho phép trao đổi năng lượng với lưới điện liên tục, điều này tạo nên sự khác biệt so với biến tần gián tiếp, đặc biệt trong các hệ thống điện cơ công suất lớn từ hàng trăm kW đến vài MW Hơn nữa, tổn hao công suất ở biến tần trực tiếp thấp hơn do phụ tải chỉ kết nối với nguồn qua một phần tử đóng cắt, không phải qua hai phần tử và khâu trung gian như ở biến tần gián tiếp Mặc dù sơ đồ van và quy luật điều khiển của biến tần trực tiếp phức tạp hơn, nhưng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử và vi xử lý, vấn đề này có thể được khắc phục.
Trong truyền động điện ngày nay, ngời ta chia BBT bán dẫn làm 3 loại chính, tùy thuộc vào bộ chỉnh lu và nghịch lu:
BBT sử dụng nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung với bộ chỉnh lưu dùng diode, cho phép điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu không điều khiển có giá trị ổn định nhờ vào tụ điện lớn Điện áp và tần số được điều chỉnh thông qua bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM) Các mạch nghịch lưu sử dụng tranzitor (BJT, MOSFET, IGBT) được điều khiển theo nguyên lý PWM, đảm bảo cung cấp điện áp cho động cơ có dạng sóng gần với hình sin nhất.
- BBT nghịch lu nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lu điều khiển: điện áp điều chỉnh nhờ bộ chỉnh lu có điều khiển, thông thờng là tiristor hoặc
- 28 - tranzitor Bộ nghịch lu có chức năng điều chỉnh tần số động cơ Điện áp ra có dạng hình xung vuông
BBT sử dụng nghịch lưu dòng điện và chỉnh lưu điều khiển bằng tiristor, cung cấp nguồn một chiều cho động cơ Nguồn dòng này được lọc bởi cuộn kháng có kích thước đủ lớn để đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
BiÕn tÇn trùc tiÕp
Sơ đồ cơ bản của biến tần trực tiếp bao gồm ba pha điện áp ra, mỗi pha được tạo ra bởi một sơ đồ chỉnh lưu có đảo chiều, với hai cầu chỉnh lưu 3 pha Mỗi cầu chỉnh lưu tạo ra một nửa chu kỳ điện áp ra, bao gồm cả điện áp dương và âm, thông qua một sơ đồ chỉnh lưu hoạt động với điện áp điều khiển thay đổi theo hình sin chuẩn Điện áp đầu ra là sự kết hợp của các đoạn điện áp lưới với tần số đập mạch tương ứng với góc điều khiển α Các bộ biến đổi có đảo chiều này có thể hoạt động theo nguyên tắc điều khiển chung hoặc riêng Trong sơ đồ 1.14a, mỗi pha điện áp ra được tạo bởi sơ đồ tia 3 pha có đảo chiều, trong khi sơ đồ 1.14b sử dụng cầu 3 pha Phương pháp điều khiển riêng cho các bộ biến đổi đảo chiều trên mỗi pha giúp loại bỏ cuộn kháng cân bằng, là một kỹ thuật tiên tiến thường được áp dụng hiện nay.
Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý biến tần trực tiếp.- a) Dùng sơ đồ tia 3 pha; b) Dùng sơ đồ cầu 3 pha
Nguyên lý tạo ra điện áp cho biến tần sử dụng thyristor chuyển mạch tự nhiên, với tần số điện áp ra thường thấp hơn nhiều so với tần số lưới, khoảng 10-15 Hz Tuy nhiên, khi áp dụng các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn, có thể đạt được tần số cao hơn Điện áp ra của sơ đồ chỉnh lưu phụ thuộc vào góc điều khiển α theo một quy luật nhất định.
Nếu sử dụng quy luật điều khiển arccos, sao cho α = arccosUđk thì ta sẽ có
Ud α=Ud0Uđk Khi thay đổi Uđk theo quy luật Uđk= à.sin(ω2t) ta sẽ có đợc:
Ud α= Ud0à.sin(ω2t) Trong đó: ω2 là một tần số góc nào đó nhỏ hơn tần số góc của điện áp lới à = Uđk/Uđk,max: hệ số biến điệu, 0 < à < 1
Theo nguyên lý điều khiển, điện áp sin chuẩn với tần số góc ω2 được so sánh với điện áp cosin để xác định góc điều khiển α cho từng van trong sơ đồ chỉnh lưu 3 pha Bằng cách thay đổi biên độ của điện áp sin chuẩn so với biên độ của điện áp cosin, tức là thay đổi hệ số biến điệu, chúng ta có thể điều chỉnh giá trị điện áp đầu ra.
Trong sơ đồ chỉnh lưu 3 pha, góc điều khiển được xác định từ các điểm chuyển mạch tự nhiên, tương ứng với góc 30 độ theo các đường điện áp pha Một điện áp pha sẽ sớm hơn 60 độ so với đường điện áp pha tương ứng và đạt điểm cao nhất sau 90 độ, sau đó chuyển thành điện áp dạng cosin cho tín hiệu điều khiển Ví dụ, đối với pha A, điện áp điều khiển dạng cosin chính là điện áp pha B.
Theo nguyên tắc điều khiển riêng, các bộ biến đổi chỉ chuyển đổi chiều khi dòng điện giảm xuống 0 và sau một khoảng thời gian trễ an toàn Do đó, khi tải là trở cảm, mỗi bộ biến đổi sẽ hoạt động luân phiên ở chế độ chỉnh lưu và chế độ nghịch lưu.
Các chế độ nghịch lưu phụ thuộc trong mỗi bộ biến đổi sẽ xảy ra khi góc điều khiển α lớn hơn 90 độ Điều này cho phép biến tần trực tiếp trao đổi năng lượng giữa tải và nguồn theo cả hai chiều.
Biến tần gián tiếp
Biến tần gián tiếp được cấu tạo từ bộ chỉnh lưu, khâu lọc trung gian và bộ nghịch lưu, là những thiết bị biến đổi đã rất quen thuộc Sơ đồ khối của biến tần gián tiếp được thể hiện trong hình 1.15.
Hình 1.15 minh họa sơ đồ khối BBT gián tiếp, trong đó điện áp xoay chiều tần số công nghiệp được chỉnh lưu thành nguồn một chiều thông qua bộ chỉnh lưu không điều khiển hoặc có điều khiển Sau khi được lọc, bộ nghịch lưu sẽ chuyển đổi nguồn điện này thành điện áp xoay chiều có tần số biến đổi, phục vụ cho động cơ.
Tuỳ thuộc khâu trung gian một chiều làm việc trong chế độ nguồn dòng hay nguồn áp biến tần chia ra làm ba loại chính:
• Biến tần nguồn áp với nguồn có điều khiển
• Biến tần nguồn áp không điều khiển (sử dụng nghịch lu áp biến điệu bề réng xung)
Biến tần nguồn dòng chỉnh lưu có điều khiển bằng thyristor là một thiết bị có sơ đồ đơn giản và sử dụng thyristor với tần số thấp Ưu điểm nổi bật của loại biến tần này là khả năng điều khiển hiệu quả và độ tin cậy cao trong các ứng dụng công nghiệp.
Hình 1.16 Biến tần nguồn dòng
Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển và cuộn cảm tạo nguồn dòng cho nghịch lưu, với hệ thống tụ chuyển mạch được cách ly với tải qua điôt Dòng ra của nghịch lưu có dạng xung chữ nhật, trong khi điện áp ra tương đối giống hình sin khi phụ tải là động cơ Động cơ này có ưu điểm là khả năng trả năng lượng về lưới Khi chuyển sang chế độ máy phát, dòng đầu vào nghịch lưu giữ không đổi, nhưng chỉnh lưu hoạt động với góc điều khiển lớn hơn 90 độ, giúp năng lượng từ nghịch lưu được đưa về lưới Biến tần nguồn dòng an toàn trước chế độ ngắn mạch nhờ hệ thống giữ dòng không đổi Tuy nhiên, sơ đồ này không phù hợp với công suất nhỏ.
- 33 - hiệu suất kém và cồng kềnh nhng với công suất cỡ trên 100 kW thì đây là một phơng án rất hiệu quả
Nhợc điểm của sơ đồ này là hệ số công suất thấp và phụ thuộc vào phụ tải, nhất là khi tải nhỏ
1.3.3.2 Biến tần nguồn áp với nguồn có điều khiển
Hình 1.17 Biến tần nguồn áp với nguồn có điều khiển.- a) Chỉnh lu có điều khiển b) Chỉnh lu không điều khiển và bộ biến đổi xung áp một chiều
Biến tần nguồn áp tạo ra điện áp ra dưới dạng xung chữ nhật, với biên độ có thể điều chỉnh thông qua việc thay đổi điện áp một chiều Hình dạng và giá trị của điện áp ra không bị ảnh hưởng bởi phụ tải, mà dòng điện được xác định bởi tải Tuy nhiên, điện áp ra có độ méo phi tuyến lớn, có thể không tương thích với một số loại phụ tải Hiện nay, biến tần nguồn áp chủ yếu được sản xuất với điện áp ra có biến điệu bề rộng xung.
1.3.3.3 Biến tần nguồn áp biến điệu bề rộng xung
Biến tần nguồn áp biến điệu bề rộng xung là loại biến tần sử dụng để chỉnh lưu không điều khiển ở đầu vào Điện áp và tần số đầu ra hoàn toàn phụ thuộc vào phần nghịch lưu, thường sử dụng các van điều khiển như GTO, IGBT và transistor công suất.
IGBT hoặc transistor công suất đợc sử dụng cho biến tần công suất tới
Biến tần 300 kW có điện áp đầu vào tối đa lên đến 690 V Tần số sóng mang thường đạt 12 kHz cho công suất tối đa 55 kW, trong khi với công suất lớn hơn, tần số này bị giới hạn dưới 3 kHz.
GTO đợc sử dụng cho các biến tần công suất trên 300 kW, điện áp lới đến 690 V, tần số sóng mang 1 kHz
Tần số đóng cắt cao trong biến điệu bề rộng xung giúp tạo ra điện áp đầu ra gần giống hình sin Chỉ cần sử dụng những mạch lọc LC đơn giản, chúng ta có thể tạo ra điện áp hình sin tuyệt đối.
Việc sử dụng chỉnh lưu không điều khiển ở đầu vào giúp hệ số công suất của sơ đồ đạt gần 1 (khoảng 0,98) và không bị ảnh hưởng bởi phụ tải Tuy nhiên, trong thời điểm đóng điện ban đầu, dòng nạp cho tụ điện một chiều có thể đạt giá trị rất lớn, do đó cần phải được hạn chế.
Xét riêng về nghịch lu điện áp:
Nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM) với điện áp một chiều hằng số cho phép điều chỉnh điện áp và tần số ra thông qua việc điều khiển chuyển mạch Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên việc so sánh tín hiệu điều khiển hình sin có tần số mong muốn với các xung hình tam giác Tần số chuyển mạch của nghịch lưu tương đương với tần số xung tam giác không đổi (tần số mang), trong khi tần số của tín hiệu điều khiển (tần số điều biến) xác định tần số cơ bản của điện áp nghịch lưu.
Nghịch lưu dạng xung vuông (square-wave pulse) là một trường hợp đặc biệt của chỉnh lưu PWM, trong đó mỗi khóa chuyển mạch chỉ đóng trong 1/2 chu kỳ điện áp ra (180 độ) Điện áp ra sẽ có dạng xung vuông, với ưu điểm là mỗi khóa chuyển mạch chỉ chuyển trạng thái 2 lần trong 1 chu kỳ Đặc điểm này mang ý nghĩa quan trọng trong các hệ thống công nghiệp.
Các thiết bị bán dẫn công suất có tốc độ chuyển mạch chậm thường có suất lớn lên tới 36 Tuy nhiên, nhược điểm của chúng là không thể điều khiển điện áp ra thông qua mạch nghịch lưu Việc điều chỉnh điện áp ra chỉ có thể thực hiện bằng cách điều chỉnh điện áp một chiều thông qua bộ chỉnh lưu điều khiển.
Nghịch lưu PWM, hay nghịch lưu dạng xung vuông, có thể được áp dụng với một pha hoặc ba pha, sử dụng điều biến độ rộng xung để chuyển mạch điện áp đơn cực hoặc lưỡng cực.
1.3.3.4 So sánh BT nguồn dòng và BT nguồn áp
So với biến tần nghịch lu điện áp, biến tần nghịch lu dòng điện có 1 số
- Có khả năng vợt qua đợc các sự cố chuyển mạch và tự phục hồi về trạng thái làm việc bình thờng
Động cơ có khả năng tái sinh năng lượng về lưới điện bằng cách đảo dấu cực tính điện áp một chiều mà không cần thay đổi chiều dòng điện Điều này loại bỏ yêu cầu phải lắp thêm bộ chỉnh lưu ngược cho biến tần nguồn áp Khi động cơ hoạt động ở chế độ trượt âm, việc đảo dấu điện áp một chiều sẽ được tự động điều khiển, nhờ vào khả năng điều khiển dòng điện một chiều Nhờ đó, năng lượng được tái sinh tự động trở lại lưới điện.
KÕt luËn
Sau khi phân tích các loại bộ biến tần, chúng ta nhận thấy rằng biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp nguồn dòng là hai lựa chọn chính cho hệ thống công suất lớn Tuy nhiên, biến tần gián tiếp chỉ có khả năng thay đổi tần số trong phạm vi hẹp (10 – 15 Hz), thấp hơn nhiều so với tần số lưới Do đó, trong ngành công nghiệp hiện đại, biến tần nguồn dòng, đặc biệt là biến tần nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên, là sự lựa chọn tối ưu cho các hệ truyền động công suất lớn với động cơ đồng bộ.
Hệ truyền động động cơ đồng bộ - biến tần nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên
Trong chương này, chúng ta sẽ khám phá cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển, đồng thời phân tích các đặc tính và quá trình điện từ trong hệ truyền động của động cơ đồng bộ sử dụng bộ biến đổi tần số nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên (ĐB BTND).
Sơ đồ nguyên lý mạch lực hệ truyền động động cơ đồng bộ với bộ biến đổi tần số nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên
Mạch lực của hệ truyền động, như trình bày trong hình 2.1, bao gồm chỉnh lưu tiristo (CL), cuộn cảm lọc (Lđ) và nghịch lưu tiristo (NL) Để NL hoạt động hiệu quả, động cơ cần vận hành ở chế độ tải điện dung (quá kích từ), khi đó NL sẽ hoạt động ở chế độ nghịch lưu bị động với sức điện động của động cơ, dẫn đến việc mạch nghịch lưu không có các phần tử chuyển mạch.
CL L d NL Đo vị trí
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch lực hệ truyền động BBĐ động cơ đồng bộ dùng - biến tần nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên
Quá trình chuyển mạch
Hình 2.2 minh họa nguyên lý hoạt động của nghịch lưu năng lượng, bao gồm hai nhóm van: nhánh anèt chung (T1 – T3 – T5) và nhánh catèt chung (T3 – T6 – T2) Mỗi van được dẫn điện với góc 120 độ, và thứ tự dẫn các van được thực hiện theo từng cặp: T1 – T2; T2 – T3; T3.
Trong chu kỳ điện áp của động cơ, có 6 lần chuyển mạch xảy ra Khi dòng điện vượt trước điện áp, tiristo được mở khi điện áp có chiều thuận (+ anốt; - catốt) và bị khoá khi điện áp có chiều ngược (+ catốt; - anốt) Do đó, cần có tín hiệu đồng bộ với sức điện động hoặc điện áp động cơ Mạch phát xung sẽ phát xung mở sớm một góc so với điện áp của động cơ Tín hiệu đồng bộ có thể được tạo ra bằng cách sử dụng mạch đo vị trí rôto hoặc đo trực tiếp điện áp động cơ.
Hình 2.2 a) Nguyên lý làm việc của nghịch lu b) Thứ tự dẫn các Tiristor
Trên hình 2.3, khảo sát quá trình truyền mạch từ T5 sang T1 Tại thời điểm trớc chuyển mạch cặp tiristo T5 – T6 đang dẫn dòng Id, lúc đó:
Hình 2.3 Quá trình chuyển mạch từ T- 5 sang T1
Cuối quá trình dẫn T5 – T6, cho xung mở T1 , điện áp UCA > 0, Ua < 0 nên
Khi T1 mở, mạch vòng ngắn mạch được hình thành: T1 – pha a – pha c – T5 – T1 Dòng điện i trong mạch vòng cùng chiều với dòng qua T1 và ngược chiều với dòng qua T5 (do UCA > 0) Dòng qua T1 tăng dần đến Id, trong khi dòng qua T5 giảm dần về 0, dẫn đến dòng điện chuyển từ T5 sang T1; đồng thời, T5 bị điện áp ngược (Uca > 0) tác động lên, khiến nó bị khóa Góc β được gọi là góc mở sớm của tiristo, với công thức βmin = γ + δ, trong đó γ là góc trùng dẫn và δ là góc phục hồi đặc tính khóa.
> ωtq (tq là thời gian khoá tiristo) Nếu góc δ không đủ lớn, T5 không kịp khoá dẫn đến lật chế độ nghịch lu
Phơng trình dòng điện và điện áp khi chuyển mạch:
= dt di dt di dt
Giải phơng trình đối với ia:
= UcA = Umsin( t ω - β) (2-4) Với điều kiện đầu ia= 0; Giải (2 4) nhận đợc: - ia = [ ( ω β β ) ] ω cos ) cos
(2- 5) Khi ωt = γ, ia = Id, ic= 0, ta cã:
U I ω (2- 6) Điều này cho thấy góc trùng dẫn γ là hàm của Um, β, Id và ω. Điện cảm chuyển mạch L đợc tính gần đúng bằng:
(2- 7) Điện áp khi chuyển mạch:
2 (2- 8) Điện áp và dòng khi chuyển mạch đợc vẽ trên hình 2.4
Góc lệch pha giứa dòng và áp điều hoà bậc1: ϕ1= β - 0,5γ (2 9)-
Hình 2.4 Đồ thị dòng điện và điện áp khi chuyển mạch -
Mômen của động cơ
Mômen của động cơ được sinh ra từ sự tác động của từ trường cực từ Φr và từ trường phần ứng Φs Trong một chu kỳ nghịch lưu, quá trình chuyển mạch diễn ra 6 lần, khiến từ trường phần ứng Φs quay qua 6 điểm cố định theo thứ tự dẫn của các cặp tiristo Trong khi đó, từ trường cực từ Φr quay với tốc độ của rôto Mômen động cơ trong khoảng dẫn tiristo có thể được tính toán dựa trên các yếu tố này.
M = KΦrΦssinβ1 (2-10) Trong đó: β1 là góc lệch giữa Φr và Φs; K là hệ số tỷ lệ β1 -= ωt + + 2πψ /3; 0 < t < /3 (2 11)ω π - ψlà góc lệch giữa dòng điện stato và sức điện động E
Giá trị trung bình của mômen đợc tính:
Nh vậy mômen trung bình của động cơ sẽ thay đổi theo góc ψ:
Hình 2.5- Từ thông phần ứng Φ sứng với các cặp Tiristor dẫn và từ thông cực từ Φ
Giới hạn của chuyển mạch tự nhiên và vấn đề khởi động
Chuyển mạch tự nhiên của nghịch lưu thực chất là chuyển mạch theo điện áp tải, sử dụng điện áp của mạch vòng để điều khiển các tiristo Ở tốc độ thấp, điện áp động cơ giảm, khiến điện trở mạch stato có thể so sánh với điện cảm, dẫn đến sụt áp lớn Do đó, chuyển mạch tự nhiên trở nên khó khăn và không thể thực hiện khi đạt đến một giá trị tốc độ nhất định, xác định giới hạn của quá trình này Giới hạn chuyển mạch tự nhiên thường nằm trong khoảng 5-10% tốc độ định mức của động cơ, tạo ra thách thức trong việc khởi động và vận hành ở tốc độ thấp từ 0 đến 5-10% tốc độ định mức.
Tuỳ theo loại phụ tải, cấu tạo của động cơ và công suất động cơ, ta có các biện pháp khởi động thích hợp
2.4.1 Khởi động dùng chuyển mạch cỡng bức
Làm việc của nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức tương tự như trong điều khiển tần số cho động cơ không đồng bộ Biện pháp khởi động này áp dụng cho tất cả các loại động cơ, phù hợp với nhiều dải công suất khác nhau.
Hình 2.6- Sơ đồ nguyên lý khởi động dùng chuyển mạch cỡng bức
2.4.2 Khởi động dùng phơng pháp dòng gián đoạn
Phương pháp này sử dụng tín hiệu đồng bộ từ vị trí rôto để xác định điểm chuyển mạch Khi góc mở chỉnh lưu CL đạt α1 > 90 độ, dòng Id sẽ giảm về giá trị 0 Tại thời điểm này, ta sẽ kích hoạt xung mở tiristo nghịch lưu để thực hiện chuyển mạch, mặc dù điện áp lúc này thấp nhưng dòng Id đã giảm về mức an toàn.
0, nên chuyển mạch đã thực hiện đợc (hình 2.7), phơng pháp khởi động này thờng thực hiện ở công suất lớn
Hình 2.7- Sơ đồ nguyên lý khởi động bằng phơng pháp dòng gián đoạn và đồ thị điện áp dòng mạch CL
2.4.3 Khởi động bằng phơng pháp khởi động không đồng bộ
Phương pháp này tương tự như khởi động động cơ đồng bộ mà chúng ta thường thấy, nhưng chỉ áp dụng cho động cơ có cuộn dây khởi động hoặc rôto với lồng sóc khởi động, và động cơ hoạt động với lưới điện áp xoay chiều.
Khi khởi động động cơ đồng bộ trong hệ thống biến tần dòng chuyển mạch tự nhiên với động cơ công suất lớn, sức điện động ban đầu chưa đủ để kích hoạt các Tiristor, do đó cần thiết phải sử dụng chuyển mạch cưỡng bức Phương pháp khởi động thông thường áp dụng là chuyển mạch cưỡng bức, như đã mô tả trong phần 2.4.2 (sơ đồ hình 2.6).
Quy luËt ®iÒu khiÓn
Nghiên cứu quy luật điều khiển trong truyền động điều khiển tần số động cơ không đồng bộ yêu cầu thiết lập luật điều khiển nhằm duy trì mômen động cơ vượt qua mômen phụ tải và giảm thiểu tổn thất Đối với động cơ đồng bộ sử dụng bộ biến đổi dòng điện chuyển mạch tự nhiên, mômen động cơ phụ thuộc vào ba đại lượng cụ thể.
- Id quyết định giá trị từ thông phần ứng Φs
- Ikt dòng kích từ quyết định giá trị từ thông Φr
- Góc mở βhay góc lệch ψhoặc ϕ.
Trong trờng hợp đơn giản nhất ta có quy luật điều khiển từ thông kích từ không đổi và góc lệch không đổi.ψ
E, nếu giữ dòng kích từ không đổi ta có quan hệ const
- Góc lệch giữa dòng điện và sức điện động ψđợc giứ không đổi Nh vậy theo (2-13) ta có M = CId -(2 14) trong đó: C là hằng số
> id2 > id3 id1 id2 id3 ψ ψ ψ ω
Hình 2.8 a) Quan hệ M(id) với góc ψ khác nhau; b) Đặc tính cơ M(ω) (với Id không đổi ở các giá trị khác nhau và ψ là hằng số).
KÕt luËn
Hệ truyền động ĐB - BTND có cấu trúc mạch lực đơn giản, sử dụng
Tiristor là một phần tử bán điều khiển có khả năng chịu đựng dòng điện lớn và điện áp cao, cho phép thực hiện chuyển mạch tự nhiên nhờ vào điện áp tải Việc sử dụng tiristor trong hệ truyền động điện công suất lớn mang lại lợi ích kinh tế đáng kể và đồng thời đơn giản hóa phương pháp điều khiển.
Sau khi phân tích đặc tính mômen và quá trình chuyển mạch của các Tiristor trong chế độ làm việc tự nhiên, chúng ta nhận thấy rằng vấn đề chính của hệ truyền động này là giới hạn của chuyển mạch tự nhiên Điều này đồng nghĩa với việc khả năng hoạt động của hệ thống khi khởi động và làm việc ở tần số thấp gặp nhiều khó khăn.
Mô phỏng hệ truyền động động cơ đồng bộ Biến Tần – nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên
Mục đích mô phỏng
Trong chương 2, chúng ta đã phân tích các đặc điểm của hệ truyền động động cơ đồng bộ – biến tần nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên Vì chưa có hệ vật lý ĐB – BT nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên để kiểm nghiệm các kết luận lý thuyết, chương 3 của luận văn sẽ tiến hành mô phỏng hệ truyền động Mục đích của mô phỏng này là dựa trên một cấu trúc truyền động đã được lựa chọn.
Khảo sát đường cong điện áp và dòng điện stato của động cơ cho thấy đặc tính tốc độ của động cơ theo thời gian trong điều kiện làm việc ổn định với tần số nguồn cấp định mức Kết quả này được so sánh với lý thuyết để đưa ra những giải thích chi tiết.
- Đặc biệt là mô phỏng dạng dòng điện, điện áp trên các Tiristor nghịch lu giúp thấy rõ đợc sự chuyển mạch của các Tiristor này
Để nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ ở tần số thấp, cần áp dụng các biện pháp mở rộng dải điều chỉnh tốc độ động cơ.
Công cụ mô phỏng PESIM (Power Electronics SIMulation software) được sử dụng để mô phỏng điện và điện tử công suất Phần mềm này nổi bật với tính đơn giản và sự gần gũi với các phần tử thực, giúp người dùng dễ hiểu và dễ sử dụng.
Phân tích lựa chọn cấu trúc hệ truyền động
Mạch chỉnh lu tạo nguồn dòng một chiều
Mạch chỉnh lưu tạo nguồn dòng một chiều sử dụng cầu chỉnh lưu ba pha kết hợp với mạch phản hồi dòng điện Sensor đo dòng điện sẽ so sánh giá trị thực tế với dòng điện đặt, từ đó sai lệch được đưa vào Regulator để tạo tín hiệu đầu vào cho phần tử Alpha.
Bộ điều khiển phát xung mở các Tiristor chỉnh lưu giúp duy trì dòng điện một chiều ổn định nhờ vào mạch phản hồi Điện cảm Ld có giá trị lớn để làm phẳng dòng điện và điện áp ra sau chỉnh lưu Giá trị của Ld cùng các thông số của bộ điều chỉnh PI được hiệu chỉnh trong quá trình mô phỏng nhằm đạt được kết quả tối ưu.
Mạch nghịch lu dòng điện
Nghịch lu đợc cấp nguồn 1 chiều từ bộ chỉnh lu hình 3.2, tức là cấp từ một nguồn dòng một chiều
Mạch nghịch lưu dòng điện sử dụng sáu Tiristor được kích hoạt thông qua mạch điều khiển phát xung, như minh họa trong hình 3.4 Mạch điều khiển này hoạt động theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng.
“arccos”, tín hiệu đồng pha lấy từ sensor đo vị trí roto
Hình 3.4- Mạch điều khiển phát xung nghịch lu
Động cơ đồng bộ
Động cơ đồng bộ được cung cấp sẵn trong thư viện Elements/power/motor drive module của PESIM Hệ khảo sát sử dụng động cơ đồng bộ công suất lớn, với các thông số cụ thể như sau.
Hệ truyền động ĐB – BT nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên chỉ hoạt động hiệu quả trong một giới hạn nhất định, đặc biệt là khi khởi động và ở vùng tốc độ thấp Để khắc phục vấn đề khởi động, cần thiết phải sử dụng mạch khởi động ngoài cho động cơ Phương pháp khởi động được lựa chọn là chuyển mạch cưỡng bức, với mạch khởi động bao gồm tụ điện C và hai Tiristor TPa, TPk, như đã được trình bày trong phần 2.4.1.
3.3 Sơ đồ mô phỏng hệ TĐ ĐB BT nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên.- Để thực hiện các mục đích đã nêu, sau khi phân tích lựa chọn cấu trúc từng phần tử ta xây dựng đợc sơ đồ tổng hợp mô phỏng hệ truyền động ĐB – BT nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên nh hình 3.6.
Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động động cơ đồng bộ biến tần – nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên
Khi động cơ làm việc ở tần số định mức f = 50Hz
Hình 3.7- Dòng điện qua các Tiristor nghịch lu
NX: Tại mỗi thời điểm chỉ có hai Tiristor dẫn dòng, góc dẫn của mỗi van là 120 o
Hình 3.8- Tốc độ của động cơ khi không tải
Sau khoảng 2 giây quá độ, động cơ NX sẽ đạt tốc độ định mức Trong trạng thái không tải, tốc độ động cơ có sự dao động mạnh xung quanh giá trị trung bình.
Hình 3.9 Tốc độ động cơ khi có tải-
NX: Khi có tải ta thấy tốc độ động cơ dao động ít hơn rất nhiều
Hình 3.10- Dòng điện và điện áp xoay chiều sau bộ nghịch lu
Dòng điện ra của NX có dạng “sin chữ nhật” với ba pha lệch nhau 120 độ, tạo ra điện áp đối xứng gần giống với sóng sin, tùy thuộc vào tải Điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết đã được phân tích trước đó.
*** Quá trình chuyển mạch của các Tiristor nghịch lu:
Hình 3.11 Chuyển mạch của 1 Tiristor nghịch lu (Thy 1)-
Khi điện áp dương được áp lên Anot-Katot của Thy1 (UAK1) và có xung điều khiển vào cực G, Thy1 sẽ dẫn dòng Tuy nhiên, khi Thy1 đang dẫn mà UAK1 giảm xuống dưới 0, Thy1 sẽ tự động khoá lại và dòng điện qua Thy1 (I(THY1)) sẽ trở về 0.
Hình 3.12 Chuyển mạch của Tiristor nghịch lu (từ Thy5 sang Thy1)-
NX: Thy5 và Thy6 đang dẫn dòng, và tại cuối khoảng dẫn, xung mở Thy1 được phát Khi đó, điện áp UAK1 lớn hơn 0, dẫn đến Thy1 mở và dòng điện bắt đầu chảy qua Thy1.
UAK5
