Nghiên ứu ảnh hưởng ủa sóng hài khi sử dụng biến tần đến đặ tính ủa động ơ không đồng bộ 3 pha roto lồng só

Đặc tính momen ứng với các thành phần hài bậc cao 88 Kết luận chương IV 97 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 98 Tài liệu tham khảo TK-1 Trang 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CH

CHƯƠNG I: MÔ HÌNH TOÁN VÀ CÁC DẠNG TỔN HAO CỦA ĐỘNG CƠ

1.1 Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 6 1.2 Khái quát về tổn hao trong động cơ không đồng bộ

1.4 Thành lập hệ phương trình vi phân của động cơ không đồng bộ 14 1.5 Một số hệ tọa độ thường dùng khi nghiên cứu ĐCKĐB

1.5.1 Hệ tọa độ cố định trên Stato (hệ tọa độ α β, )

1.5.2 Hệ tọa độ tựa theo từ thông Roto ( hệ tọa độ d, q)

18

19

19 1.6 Mô hình hóa ĐCKĐB ba pha trong hệ tọa độ (α β, ) 20

2.4.1 Bộ lọc san phẳng điện áp ra của bộ chỉnh lưu

2.4.2 Lọc sóng hài đầu ra của biến tần

Trang

3.2 Các luật điều chỉnh hệ biến tần động cơ không đồng bộ–

3.2.1 Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi

3.2.2 Luật điều chỉnh từ thông không đổi

3.2.3 Luật điều chỉnh tần số trượt không đổi

38

39

42

43 3.3 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM

3.5 Phân tích hài điện áp ở đầu ra biến tần điều khiển theo kỹ thuật PWM

3.5.1 Phổ sóng hài điện áp biến tần điều khiển theo các kỹ thuật PWM

3.5.2 Phân tích phổ sóng hài điện áp biến tần điều khiển theo các kỹ thuật PWM

khi thay đổi các luật điều chỉnh điện áp tần số–

58

58

62

CHƯƠNG IV ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC KỸ THUẬ : T PWM LÊN

4.3 Đánh giá và phân tích ảnh hưởng của các kỹ thuật điều chế PWM đến ĐCKĐB

4.3.1 Kỹ thuật điều chế PWM hình sin

4.3.2 Kỹ thuật điều chế PWM hài bậc 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

uA,B,C: Giá trị tức thời điện áp pha A,B,C Stato

ua,b,c: Giá trị tức thời điện áp pha a,b,c Roto

iA,B,C: Giá trị tức thời dòng điện pha A,B,C Stato

ia,b,c: Giá trị tức thời dòng điện pha a,b,c Roto

ΨA,B,C: từ thông móc vòng của các pha Stato

Ψa,b,c: từ thông móc vòng của các pha Roto

r1: Điện trở dây quấn Stato

:

r'

2 Điện trở dây quấn Roto đã quy đổi về Stato

M: Momen của động cơ

Mc: Momen cản của tải

T1, T2 : các Thyristor

D1, D2 : các Diôt

PWM: ( Pulse width modulation) Điều chế độ rộng xung

SPWM: ( Sinnussoidal PWM) PWM hình sin

HPWM: ( Third harmonic PWM) PWM hài bậc ba

SVM: ( Space vecto modulation) Điều chế vectơ không gian

CL: Bộ chỉnh lưu

NL: Bộ nghịch lưu

AC: (Alternating current) dòng điện xoay chiều

DC: (Direct current) dòng điện một chiều

DFT: (Discrete Fourier Transform) chuyển đổi chuỗi Fourier rời rạcFFT: Fast( Fourier Transform) chuyển đổi chuỗi Fourier nhanh

ĐC: Động cơ

ĐCKĐB: Động cơ không đồng bộ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 3.2 hổ sóng hài PWM hình sin khi thay đổi điện áp P - tần số theo luật U/f = const 63 Bảng 3.3 Phổ sóng hài PWM hình sin khi thay đổi điện áp - tần số theo luật

Bảng 4.2 Độ thay đổi các thông số ĐCKĐB ứng với các kỹ thuật PWM so với nguồn

cấp sin chuẩn tại tần số làm việc là 50 Hz

95

Bảng 4.3 Độ thay đổi các thông số ĐCKĐB ứng với 3 kỹ thuật PWM tại hai tần số làm

việc khác nhau

96

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.2: Sơ đồ mạch điện thay thế đơn giản của 1 pha ĐCKĐB ứng với sóng cơ bản 7 Hình 1.3: Sơ đồ mạch điện thay thế Thevenin của 1 pha ĐCKĐB ứng với sóng cơ bản 8

Hình 1.5: Quan hệ momen tốc độ ( hệ số trượt) ứng với sóng cơ bản của ĐCKĐB- 9

Hình 1.7: Xếp chồng stđ bậc 1 quay theo chiều (+) và stđ bậc 5 quay theo chiều (+) 13 Hình 1.8: Xếp chồng stđ bậc 1 quay theo chiều (+) và stđ bậc 5 quay theo chiều (-) 13

Hình 1.11a: Kết quả mô phỏng động cơ không đồng bộ 3 pha 14kW-1480vg/ph

Hình 1.11b: Đường cong thực nghiệm ĐCKĐB3 pha 14kW-1480vg/ph

22

22

Hình 2.5: Dạng điện áp của biến tần trực tiếp một pha có điểm trong tính với góc mở α

= 300, tải thuần trở

27

Hình 3.9: Dạng sóng mô phỏng của kỹ thuật điều chế PWM hình sin với tần số fr = 50

Hz, fc = 750 Hz

48

Hình 3.11: Dạng sóng mô phỏng của kỹ thuật điều chế PWM hài bậc 3 với fr = 50 Hz,

fc = 750 Hz

50

Hình 3.13: Dạng sóng mô phỏng của kỹ thuật PWM 600 với fr=50 Hz, fc =750 Hz 52

Hình 4.8: Đặc tính tổn thất dây quấn động cơ khi tần số thay đổi với kỹ thuật PWM

hình sin, tải Mc = Mđm

81

Trang Hình 4.9: Đặc tính momen và tốc độ khi tần số thay đổi với kỹ thuật PWM hình sin, tải

Hình 4.20: quan hệ momen tổng ĐCKĐB Te ứng với sóng cơ bản, bậc , bậc 7 với 13 1

tốc độ góc và hệ số trượt sω 1

93

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay hệ truyền động biến tần động cơ không đồng bộ roto lồng sóc được -

sử dụng rất phổ biến và có vai trò quan trọng trong hầu hết các ngành sản xuất và đang dần thay thế các hệ truyền động một chiều do ĐCKĐB có cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy chắc chắn, sử dụng và bảo quản thuận tiện, giá thành hợp lý, ít phải bảo dưỡng ĐCKĐB roto lồng sóc đã và đang chiếm ưu thế đặc biệt trên thị trường trong nước cũng như trên thế giới Hơn nữa với sự phát triển vượt bậc của công nghệ chế tạo van bán dẫn và kỹ thuật điện tử công suất trong những năm gần đây đã cho phép giải quyết các bài toán phức tạp điều khiển ĐCKĐB ba pha nên vấn đề điều chỉnh tốc độ cho loại động cơ này đã không còn là một vấn đề khó khăn như trước đây nữa Điều đó dẫn đến

xu hướng thay thế triệt để hệ truyền động điện kinh điển sử dụng động cơ điện một chiều bằng hệ truyền động biến tần ĐCKĐB roto lồng sóc.-

Ở nước ta trong những năm gần đây việc sử dụng ĐCKĐB ngày càng phát triển mạnh, nó có mặt ở tất cả các lĩnh vực kinh tế xã hội Các nhà máy sản xuất chế tạo ĐCKĐB hàng năm đưa ra thị trường hàng trăm ngàn sản phẩm ( riêng VIHEM 50.000 sản phẩm/ năm) chưa kể sự xuất hiện ngày càng nhiều các loại động cơ từ nước ngoài Theo một nghiên cứu của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), năng lượng tiêu thụ của các động cơ điện chiếm 45% điện năng tiêu thụ toàn cầu, đứng đầu về mức tiêu thụ điện trong các loại phụ tải (với thiết bị chiếu sáng, tỷ lệ này là 19%, xếp thứ hai) Một nghiên cứu khác của Tập đoàn ABB cho thấy chi phí điện năng tiêu thụ hàng năm của một động cơ trong ngành công nghiệp tương đương bảy lần giá trị đầu tư ban đầu Từ thực tiễn này ta thấy chi phí cho năng lượng để vận hành là rất lớn, một phần đáng kể

là năng lượng bị tiêu hao trong động cơ dưới dạng nhiệt Trong những năm gần đây, trước áp lực phải tiết kiệm năng lượng, một số nước đã ra các tiêu chuẩn về hiệu suất của động cơ có hiệu suất cao, điển hình như Mỹ có tiêu chuẩn EPAct efficiency standards, tiêu chuẩn châu âu Eff1 [30] Ở bất kỳ một khu vực nào, khi thiết kế, vận hành động cơ không đồng bộ cần phải tuân thủ theo quy định đã được ban hành

Tại Việt Nam, theo TCVN 1987:1994 khi thiết kế và vận hành ĐCKĐB cần đảm bảo yêu cầu về hiệu suất, hệ số công suất cos , bội số momen khởi động, bội số ϕdòng điện khởi động của động cơ Và mới đây là tiêu chuẩn TCVN 7540 1:2005 về -ĐCKĐB ba pha roto lồng sóc hiệu suất cao

Hiệu suất theo tiêu chuẩn TCVN 1987:1994, TCVN 75540-1:2005 và tiêu chuẩn Châu Âu Eff1 của một vài dãy động cơ được thể hiện ở bảng dưới đây:

11 88.0 87.5 86.0 89.5 89.9 88.7 90.5 90.1

15 88.0 89.0 87.5 90.2 90.8 89.6 91.3 91.8 18.5 88.5 90.0 88.0 90.8 91.2 90.3 91.8 92.2

kW

Hệ số trượt

%

Hiệu suất

%

Hệ số công suất

Mmax/Mđm không nhỏ hơn

Mk/Mđm không nhỏ hơn

Ik/Iđmkhông lớn hơn

3K80B4 0.75 8.7 72.0 0.73 2.2 2.0 4.5 3K90L4 1.10 6.7 75.5 0.81 2.2 2.0 5.0 3K100S4 1.50 6.7 77.0 0.83 2.2 2.0 5.0 3K100L4 2.20 5.4 80.0 0.83 2.2 2.0 6.0

3K112M4 1.00 5.3 82.0 0.83 2.2 2.0 6.5 3K132S4 4.00 5.3 84.0 0.84 2.2 2.0 6.0 3K132M4 5.50 5.0 85.5 0.86 2.2 2.0 7.0 3K160S4 7.50 3.0 87.5 0.86 2.2 2.0 7.5 3K160M4 11.0 2.8 87.5 0.87 2.2 2.0 7.5 3K180S4 15.0 2.7 89.0 0.88 2.2 1.4 7.0 3K180M4 18.5 2.7 90.0 0.88 2.2 1.4 7.0 3K200M4 2.2.0 2.0 90.0 0.90 2.2 1.4 7.0 3K200L4 30.0 2.0 91.0 0.89 2.2 1.4 7.0 3K2.25M4 37.0 1.7 91.0 0.90 2.2 1.4 7.0 3K250S4 45.0 1.8 92.0 0.90 2.2 1.4 7.0 3K250M4 55.0 2.0 92.5 0.90 2.2 1.4 7.0 3K280S4 75.0 1.4 93.0 0.90 2.2 1.4 7.0 3K280M4 90.0 1.3 93.0 0.91 2.2 1.4 7.0 Bảng trên cho thấy người thiết kế và vận hành cần tuân thủ đảm bảo các yêu cầu trong tiêu chuẩn trên đối với động cơ Tuy nhiên, đầu ra của biến tần có chứa các thành phần sóng hài, nên khi vận hành hệ truyền động biến tần ĐCKĐB, biến tần sẽ – gây những ảnh hưởng không mong muốn đến các đặc tính tổn thất, hiệu suất, momen của

ĐCKĐB Vì vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của sóng hài khi sử dụng biến tần đến đặc

nay

2 Lịch sử nghiên cứu

Trong nước: trong những năm qua, đã có một số công trình nghiên cứu về hệ

truyền động biến tần ĐCKĐ– B Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào đánh giá bao quát ảnh hưởng của biến tần đến động cơ, một số tập trung nghiên cứu khảo sát năng lượng trong quá trình quá độ[ ,9], một số nghiên cứu các phương pháp điều khiển biến tần, 5một số nghiên cứu về ổn định tốc độ…

Ngoài nước: việc nghiên cứu về vấn đề này đã được thực hiện từ rất sớm, số

lượng công trình công bố về các nghiên cứu trong lĩnh vực này cũng rất lớn Tuy nhiên

đa số thể hiện dưới dạng báo cáo tóm tắt kết quả, không công bố nội dung nghiên cứu chi tiết, cùng với việc hạn chế ở nhiều ngôn ngữ khác nhau nên những người cần tìm hiểu gặp rất nhiều khó khăn

3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

+/ Phạm vi nghiên cứu:

Luận văn nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của sóng hài trong đó tập trung đến các thành phần sóng hài bậc cao có biên độ lớn tới các đặc tính của động cơ như tổn hao trong dây quấn động cơ, hiệu suất của máy trong các miền tần số làm việc khác nhau của động cơ ứng với các loại tải đặc trưng khác nhau và đặc tính momen của động cơ khi kể đến các thành phần momen do sóng điều hòa bậc cao sinh ra

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp của luận văn

Giới thiệu về các loại biến tần sử dụng điều khiển ĐCKĐB hân tích dạng điện , p

áp ra ứng với các kỹ thuật điều khiển khác nhau của biến tần cấp vào động cơ, thiết lập

mô hình toán của ĐCKĐB roto lồng sóc làm việc với sóng bậc cao

Đưa ra các kết quả cụ thể về ảnh hưởng của biến tần đến các tổn hao trong dây quấn cũng như hiệu suất của động cơ trong các điều kiện tải và tần số làm việc khác nhau Dạng đặc tính momen của động cơ kể đến ảnh hưởng của các thành phần momen

do sóng bậc cao sinh ra

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn được nghiên cứa trên cơ sở tổng hợp lý thuyết truyền động điện, kỹ thuật điện tử công suất, lý thuyết máy điện, lý thuyết điều khiển tự động… Các công trình, tài liệu khoa học, các bài báo về lĩnh vực nghiên cứu và catalogue của các nhà sản xuất

Phương pháp nghiên cứu chủ yếu dựa trên sự tổng hợp và phân tích lý thuyết dựa trên công cụ mô phỏng thông dụng là Matlab để đưa ra các kết quả nghiên cứu, các nhận xét, đánh giá ảnh hưởng của biến tần đến các đặc tính động cơ trong hệ truyền động điện

6 Nội dung của luận văn

Trong khuôn khổ thời gian cho phép bản luận văn chỉ đi khảo sát phân tích ảnh hưởng của sóng hài thời gian do biến tần tạo ra lên các đặc tính momen, tổn thất dây quấn và hiệu suất của động cơ Tác giả không có tham vọng đi sâu phân tích ảnh hưởng của sóng hài không gian do cấu trúc động cơ sinh ra và ảnh hưởng cộng hưởng của cả hai loại sóng hài thời gian và không gian lên động cơ, cũng không đề cập hết tất cả các

kỹ thuật điều khiển biến tần mà chỉ đưa ra một số phương pháp điều chế thông dụng.Với phạm vi nghiên cứu trên, ngoài lời mở đầu và phần kết luận, bản luận văn được chia làm 04 chương và các phụ lục

roto lồng sóc Xây dựng mô hình toán và đặc tính cơ, các dạng tổn hao trong động cơ Xây dựng mô hình động cơ trên cơ sở của máy điện 2 pha tổng quát, có kể đến sự thay đổi của tham số máy khi xét đến bão hòa mạch từ và hiệu ứng bề mặt Phân tích thứ tự thuận, nghịch của các bậc sóng hài làm cơ sở cho việc xác định chiều quay của momen

Cấu trúc của bộ biến tần và các khối chính trong hệ biến tần động cơ không đồng bộ.–

Chương III: Đánh giá chất lượng điện áp đầu ra biến tần ứng với các phương

pháp điều chế độ rộng xung khác nhau dựa trên lý thuyết về phân tích chuỗi Fourier của dữ liệu rời rạc

Chương IV: Đưa ra các kết quả khảo sát, nhận xét, đánh giá ảnh hưởng của các

kỹ thuật điều chế độ rộng xung lên các đặc tính tổn hao dây quấn, hiệu suất, hệ số công suất, và đặc tính momen của động cơ ở chế độ quá độ và chế độ xác lập

Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Hồng Thanh cùng các

thầy cô, đồng nghiệp trong bộ môn Thiết bị điện Điện tử, gia đình và bạn bè đã giúp –

đỡ động viên và đóng góp những ý kiến quý báu để tôi hoàn thành tốt đề tài

Trong thời gian có hạn, bản luận văn không thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong

sự đóng góp ý kiến của thầy, cô và các bạn đồng nghiệp

kỹ thuật điện tử công suất đã cho phép giải quyết các bài toán phức tạp điều khiển ĐCKĐB ba pha Có nhiều phương pháp khởi động và điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB roto lồng sóc, trong đó dùng biến tần điều khiển động cơ được sử dụng rộng rãi Để đánh giá ảnh hưởng của biến tần, trước tiên tác giả trình bày mô hình toán của đối tượng nghiên cứu

1.1 Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Để nghiên cứa quá trình điện từ và thành lập phương trình đặc tính cơ của ĐCKĐB ta sử dụng sơ đồ mạch điện thay thế Việc thiết lập nên sơ đồ mạch điện thay thế hay hệ phương trình toán học mô tả ĐCKĐB 3 pha roto lồng sóc khi hoạt động dưới nguồn vào dạng sóng sin đ được nhiều tác giả nghiên cứu cả ở chế độ xác lập và ã quá độ Cũng như ở các loại máy điện xoay chiều khác, lõi thép Stato và oto của RĐCKĐB được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện với đặc tính B – H phi tuyến, với các hiện tượng quá bão hòa, mắt từ trễ, dòng xoáy Những hiện tượng này sẽ gây ra từ thông không sin, dạng sóng điện áp và dòng điện trong dây quấn Stato và Roto, tổn hao đồng do hài bậc cao và tổn hao sắt do mắt từ trễ và dòng điện xoáy ở cả tần số cơ bản

và tần số bậc cao Dưới điều kiện không sin, hệ thống dòng điện 3 pha sẽ tạo ra từ trường quay bậc cao, gồm các thành phần từ trường quay thuận và từ trường quay ngược Ngoài các thành phần hài thời gian do điện áp không sin bên Stato tạo ra còn có thành phần hài không gian Khi cấp điện áp không sin vào dây quấn 3 pha ĐCKĐB

cũng sẽ tạo ra các thành phần momen ứng với hài bậc cao làm giảm momen chính, gây

ra hiện tượng rung ồn làm ảnh hưởng vật liệu cách điện, các thanh dẫn roto

Để xét ảnh hưởng của sóng hài điện áp lên ĐCKĐB, trước tiên ta xét ĐCKĐB với điện áp hình sin ở chế độ xác lập Để đơn giản trong quá trình thành lập mô hình toán, ta coi đường cong từ hóa B H có dạng tuyến tính, dạng sóng điện áp và dòng điện -

có dạng hình sin, điện kháng từ hóa không đổi, do điện trở rất nhỏ so với điện kháng nên ta có thể bỏ qua

Hình 1.1: Sơ đồ mạch điện thay thế của 1 pha ĐCKĐB ứng với sóng cơ bản

Ta có hệ phương trình cơ bản của máy điện không đồng bộ như sau:

+

′+

′

=

++

=

)x.jrIEE

III

)jxs

r(IE0

)jxr.(

IEU

m fe 0 1 2

0 2 1

' 2

' 2 2 2

1 1 1 1 1

1

I

U1

I'2 E

.

.

.

r'2(1-s 1 )

s 1

Hình 1.2: Sơ đồ mạch điện thay thế đơn giản của 1 pha ĐCKĐB ứng với sóng cơ bản

Thay thế mạch điện bên trái a b bằng mạng 1 cửa Thevenin với:

-2 m 1 1 1

2 1

th m 1 1 TH

1

)LL(r

)L(UU

ω+ω+

θ

∠ω

=

r

LL(tan

m 1 1 1 1

2 1

1

2 m 1 th

1

)LL(r

r)L(r

ω+ω+

ω

=

2 m 1 1 1

2 1

m 1 1 1 m 1 1 1

2 1 m 1 th 1 1 th 1

)LL(r

)LL)(

L)(

L(rL(Lx

ω+ω+

ω+ωω

ω+ω

=ω

Hình 1.3: Sơ đồ mạch điện thay thế Thevenin của 1 pha ĐCKĐB ứng với sóng cơ bản

Dựa vào ơ đồ mạch điện thay thế ứng với sóng cơ bản, ta có thể mở rộng ra cho scác sóng hài bậc cao:

r'21th

Hình 1.4: Sơ đồ mạch điện thay thế tổng quát cho sóng bậc cao

+/ Momen của ĐCKĐB 3 pha ( = 3) Roto lồng sóc:m

2 ' 2 1 th 1 1 2 1

' 2 th 1

1

' 2 2 th 1

s

rr

s

r.p.mU1

M

ω+ω++ω

Do ở chế độ định mức s1 có giá trị rất nhỏ, s1 = 2÷5% nên ta có thể có biểu thức đơn giản của momen như sau: '

2 1

2 th 1

s.p.mU1Mω

Quan he momen quay M1 va toc do goc ( hay he so truot) ung voi thanh phan song co ban

Truc van toc goc

s1=0 s1=1

s1

Che do ham dien tu

Hình 1.5: Quan hệ momen tốc độ ( hệ số trượt) ứng với sóng cơ bản của ĐCKĐB- Momen cực đại:

)xx.(

.2

U.p.m

≈M

2 th 1 1

2 th 1 1

:

2 1 th 1 1 2 ' 2 th 1

' 2

2 th 1 1

k

)LL

()rr

r.U.p.m1

M

ω+ω++ω

: Khả năng quá tải 1,8 2,2

M

Mm

dM

ω

<

ωTrong đó: Mc là momen cản của tải, M là momen của động cơ

Từ điều kiện ổn định này ta thấy, khi nguồn cấp là lý tưởng ( chỉ có thành phần bậc 1) thì với phần lớn các tải:

+ s từ 0 < s < s* động cơ làm việc ổn định

+ s từ s < s < 1 động cơ làm việc không ổn định.*

1.2 Khái quát về tổn hao trong động cơ không đồng bộ.

Công suất tác dụng động cơ điện nhận từ lưới điện: P1=m.U1I.1.cosϕ1

Tổn hao đồng trên dây quấn stato: pcu1 =mI.12 r.1

Công suất điện từ Pđt truyền qua rôto:

1

' 2 2 ' 2 Fe 1 cu 1 đt

s

r.I.mppP

Tổn hao đồng trên dây quấn roto: pcu2 =m.I'22.r2' =Pđt.s1

Công suất cơ của động cơ điện: 2'

1

1 2 ' 2 2 cu đt

s

s1I.mpP

Tổn hao trong động cơ có thể được diễn tả như hình dưới đây:

M ω m

Stato khe ho khong khi

khe ho khong khi Stato Roto

Hình 1.6: giản đồ năng lượng trong ĐCKĐB

Có thể nhóm các tổn hao thành 2 loại là tổn hao trực tiếp và tổn hao gián tiếp

Tổn hao sắt: pFe là tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy trong lõi thép gây ra Tổn hao sắt phụ thuộc vào vật liệu chế tạo mạch từ, chiều dày lá thép, từ cảm B và tần

số f Tổn hao sắt trong stato là một giá trị gần như không đổi, trong roto tổn hao sắt không đáng kể vì tần số cảm ứng của roto f2 rất nhỏ

Tổn hao cơ: gồm các tổn hao do ma sát ổ bi, tổn hao do ma sát khi roto quay

quanh môi trường bao quanh nó và các tổn hao làm mát đều thuộc tổn hao này Tuy nhiên tổn hao cơ trong máy điện quay thường nhỏ, không đáng kể Tổn hao trên các ổ trục phụ thuộc vào cấu tạo của chúng và các dạng bôi trơn Trong các máy không lớn thường dùng ổ bi tròn hoặc đĩa với mỡ xệt, trong các máy lớn thường dùng các ổ trượt

và dầu lỏng bôi trơn để giảm bớt ma sát

Tổn hao do công nghệ chế tạo: đây là tổn hao khi chế tạo do mài bavia, sơn

tẩm cách điện, công nghệ lắp ráp…

Tổn hao do từ trường phân bố không đều tại bề mặt răng rãnh, tại phần đầu nối của dây quấn, tổn hao do từ trường do các sóng hài bậc cao ở khe hở

1.2.2 Tổn hao gián tiếp

Như chúng ta đã biết, ĐCKĐB hoạt động trong nhiều lĩnh vực có yêu cầu về điều chỉnh tốc độ cao Các phương pháp điều chỉnh tốc độ gây ra tổn hao gi n tiếp tới átổng tổn hao trong ĐCKĐB như khi thực hiện điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở thì sẽ gây ra tổn hao rơi trên điện trở, điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần

số thì sẽ có tổn hao gây bởi các sóng hài bậc cao ( s ng hài bậc 3,5,7…) ó

Ta biết rằng để cho máy điện xoay chiều làm việc được tốt, sức điện động cảm ứng trong dây quấn phải có dạng sin, muốn được như vậy thì từ trường dọc khe hở không khí của máy cũng phải phân bố hình sin Nhưng trên thực tế do những nguyên nhân về cấu tạo, từ trường cực từ hoặc của các dây quấn đều khác sin nên có thể phân tích chúng thành các sóng cơ bản bậc 1 và các sóng điều hòa bậc cao Khi có chuyển động tương đối giữa từ trường của cực từ và dây quấn thì tương ứng với các sóng điều hòa bậc 1,3,5,…trong dây quấn sẽ cảm ứng ra các sức điện động bậc 1,3,5,… Tổng

hợp lại ta có sức điện động tổng trong dây quấn máy điện xoay chiều có dạng không sin Biểu thức sức điện động tổng quát Eftrong từ trường sóng hài:

I

p

Wk.2m2 kk

l

.l

νπ

δ

τµ

=τ

=

δ µ

δ ν δ ν ν ν

Từ trường không sin này sẽ gây ra các tổn hao trong máy điện và sinh ra từ trường quay ngược làm ảnh hưởng đến momen tổng của động cơ Những tổn hao này ngoài việc làm tăng tổn thất năng lượng, làm giảm hiệu suất máy mà còn gây ra tổn hao nhiệt làm tăng nhiệt độ của động cơ, giảm tuổi thọ của động cơ nên ta cần tìm cách giảm ảnh hưởng của sóng điều hòa bậc cao

1.3 Sóng hài thời gian trong ĐCKĐB

ĐCKĐB 3 pha được cấp bởi hệ thống dòng điện cân bằng 3 pha, tần số f = 50

I)120tcos(

I)t(i

)120-thcos(

I)120-tcos(

I)t(i

)thcos(

ItcosI)t(i

0 1

mh

0 1

1 m c

0 1 mh

0 1 1 m b

1 mh

1 1 m a

+ω+

+ω

=

ω+

ω

=

ω+

ω

=

(1-5)

Khi nghiên cứu ảnh hưởng của sóng hài thời gian lên ĐCKĐB, ta giả thiết loại

bỏ ảnh hưởng của hài không gian Sức từ động pha A: Fa =A1cosθia(t)

Thế biểu thức dòng điện vào ta có:

2

IA)th-cos(

2

IA(

)tcos(

2

IA)t-cos(

2

IA

F

1 1

m 1 1 1

m 1

a

ω+θ+

ωθ+

ω+θ+

ωθ

=

-6)(1

)240thcos(

2

IA)th-cos(

2

IA(

)240tcos(

2

IA)t-cos(

2

IA

F

))240-thcos(

2

IA)th-cos(

2

IA(

)240-tcos(

2

IA)t-cos(

2

IA

F

∑

∑

0 1

mh 1 1 mh

1

0 1

1 m 1 1 1

m 1

c

0 1 mh

1 1 mh

1

0 1

1 m 1 1 1

m 1

b

+ω+θ+

ωθ+

+ω+θ+

ωθ

ωθ

1 1

1

m

1

c b

a

ωθ+

ωθ

Hình 1.7: Xếp chồng stđ bậc 1 quay theo chiều (+) và stđ bậc 5 quay theo chiều (+)

h Khi hệ thống dòng điện cân bằng 3 pha có các thành phần hài bậc quay ngược chiều kim đồng hồ:

I)120tcos(

I)120-tcos(

tcos

0 1

1

m

c

0 1

mh

0 1 1

m

b

1 mh

1 1

m

a

ω+

+ω

=

+ω+

ω

=

ω+

Phân tích tương tự ta có thể xác định được chiều quay của các thành hài và thứ

tự dương, âm, không của các bậc sóng hài như sau:

2

5

8

11

3

6

9

12

Bảng 1.1 Sóng hài thời gian thứ tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không

Ta có thể viết công thức tổng quát chung cho các sóng hài thời gian:

1

0dt

1.4 Thành lập hệ phương trình vi phân của độ ng cơ không đồng bộ

Để đơn giản trong quá trình thiết lập hệ ta có các giả thiết sau về ĐCKĐB:

- Giả thiết ĐCKĐB đối xứng về dây quấn và mạch từ

- Coi khe hở không khí là đều

Trục chuẩn của mọi quan sát được quy ước là trục đi qua tâm trục cuộn dây pha A

C

B

A a

c b

ϕ

Hình 1.9: Mô hình đơn giản động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc

ĐCKĐB được xem như là một hệ thống gồm các cuộn dây được bố trí trong lõi thép Stato và Roto Khi khảo sát mối quan hệ giữa cuộn dây pha A trên Stato với cuộn dây pha a trên Roto ta nhận thấy vị trí tương đối giữa chúng trong không gian khi Roto quay luôn thay đổi Có thể biểu diễn mối quan hệ giữa hai cuộn dây như sau:

Aa 12

)t(dir)t(u:Roto

C,B,Ai,dt

)t(dir)t(u:Stato

j j 2 j

i i 1 i

=

Ψ+

=

=Ψ

2);

a.a(3

2

);

iai

ai(3

2i);

iai

ai

2u);

uau.au(

C

2 B A

1

c

2 b a 2 C

2 B A 1

c

2 b a 2

C

2 B A 1

Ψ+Ψ+Ψ

=ΨΨ+Ψ+Ψ

=

Ψ

++

=+

+

=

++

=+

+

=

rr

rr

rr

2 2

2 2 2 2

1 k 1 1 1

)(j

dt

diru

jdt

diru

Ψω

−ω+

Ψ+

=

Ψω+

Ψ+

=

rr

rr

r

rrr

(1-15)

Ta có từ thông móc vòng dây quấn pha:

c Ac Ac

b Ab Ab

a Aa Aa

C AC B

AB A

A

Ψ

C aC aC

B aB aB

A aA aA

c ac b ab a

a

Ψ

Với LA(a) = LB(b) = LC(c) = L1(2): tự cảm cuộn dây Stato hoặc Roto

MAB(ab) = MAC(ac) = MBC(bc) M= 1: hỗ cảm giữa các cuộn dây Stato hoặc RotoMAa = MAc = MBa = = M12: hỗ cảm giữa các cuộn dây Stat và cuộn dây Rotoo

Ta xác định góc giữa trục 2 cuộn dây Stato và Roto:

ϕ

=ϕ

=ϕ+

ϕ

=ϕ

=ϕ

−ϕ

=ϕ

=ϕϕ

=ϕ

=ϕ+

=ϕ

=ϕ

−ϕ

=ϕ

=ϕϕ

0 Bc

cB

0 Ac

cA

0 Cb

bC Bb

bB

0 Ab

bA

0 Ca

aC

0 Ba

aB Aa

aA

120120

120120

120120

Từ các biểu thức trên ta có từ thông móc vòng qua mỗi cuộn dây Stato:

)icosi)120cos(

i)120(cos(

MiLiM

i

M

)i)120cos(

icosi)120(cos(

MiMiL

i

M

)i)120cos(

i)120cos(

i(cosMiMiM

i

L

c b

0 a

0 12

C 1 B 1 A

1

C

c

0 b

a

0 12

C 1 B 1 A

1

B

c

0 b

0 a

12 C 1 B 1 A

1

A

ϕ+

−ϕ++

ϕ+

++

=

Ψ

+ϕ+ϕ+

−ϕ+

++

=

Ψ

−ϕ++

ϕ+ϕ+

++

(p2

3

M= Ψr1r1 =− Ψr2 r2 (1-16) Phương trình chuyển động, quan hệ giữa momen điện từ M và momen cản MC:

dt

dp

JM

Ta thu được hệ phương trình vi phân mô tả ĐCKĐB:

dt

dp

JMM

)i.(p2

3M

)(j

dt

dir0

jdt

diru

C

1 1

2 k

2 2 2

1 k

1 1 1

−ω+Ψ+

=

Ψω+

Ψ+

=

rr

rr

r

r

rrr

(1-18)

Để thuận tiện cho việc tính toán, phân tích, khảo sát ĐCKĐB ta cần xác định mối quan hệ giữa tự cảm, hỗ cảm với tham số máy Từ các giá trị điện kháng x1, x2, x0

đã cho trước trong tài liệu thiết kế máy điện ta sẽ tính được các giá trị điện cảm, hỗ cảm L1, L2, M1, M2, M12, từ đó ta có thể giải được hệ phương trình vi phân mô tả động

cơ Theo tài liệu [9] ta có mối quan hệ sau:

0 12 0

0 12 2

2 0 2

0 12 1

1 0 1

M2

3x

M2

3)ML(x

M2

3)ML(x

=

ω

−

−ω

=

Đặt: xs=ω0(L1−M1) Ta có: xs=x0+x1

)ML(

x0 là điện kháng hỗ cảm xét đến mối quan hệ điện từ giữa cuộn dây pha A(a) với các cuộn dây của các pha khác ở Roto ( Stato)

Các giá trị điện kháng trên là các giá trị được xác định ở tần số định mức, được cho trong tài liệu thiết kế máy điện Khi tần số thay đổi thì các giá trị này thay đổi theo,

do đó ta cần phải xác định biểu thức tính điện kháng theo tần số Theo [2] ta có công thức tính điện kháng phụ thuộc vào tần số như sau:

w100

f158.0

Trong đó:

; f: tần số làm việc w: số vòng dây của một pha

; l: chiều dài mạch từ p: số đôi cực

q: số rãnh của một pha trên bước cực

1 10

2

2 bh

2 s

2 dm 2 2

mIkx)

t(sx

m)t(x)t(xx

)t(x

Trong đó: kx2 được xác định như kx1: k 2 Is1−Isdm)=∆x2bh

mx2: hệ số phụ điện kháng, tính tương tự như mx1

Điện trở động Roto được tính gần đúng theo biểu thức:

)rr).(

t(sr)t(

Với r20: Điện trở Roto quy đổi về Stato ở chế độ định mức

r21: điện trở Roto khi s = 1

1.5 Một số hệ tọa độ thường dùng khi nghiên cứu ĐCKĐB

Theo [3][4] để thuận tiện, đơn giản cho việc nghiên cứu và khảo sát hệ phương trình vi phân (1-18) mô tả ĐCKĐB, giảm bớt khối lượng phương trình và biến Chúng

ta sẽ khảo sát và nghiên cứu ĐCKĐB ba pha trên cơ sở của máy điện 2 pha tổng quát, thông qua các phương pháp biến đổi các biến gốc thành các biến mới của máy điện hai

góc, ta cần chọn hệ tọa độ có lợi về phương diện mô tả vật lý, từ đó dẫn đến các lợi thế cho việc thiết kế hệ thống điều khiển, điều chỉnh động cơ Về cơ bản có thể chọn một trong các hệ tọa độ sau:

- Hệ tọa độ cố định trên Stato: đây là hệ tọa độ αβ

- Hệ tọa độ tựa theo từ thông Roto: là hệ tọa độ dq

- Hệ tọa độ tựa theo từ thông Stato

- Hệ tọa độ cố định trên Roto

Trong thực tế, việc mô tả trên hai hệ sau cùng không mang lại lợi thế gì, do đó

ta không xét Đối với hai hệ tọa độ đầu ta có:

1.5.1 Hệ tọa độ cố định trên Stato (hệ tọa độ ααα βββ, ): ββ

Hệ thống tọa độ gồm trục thực α và trục ảo Trên mặt phẳng cắt ngang ba βcuộn dây Stato, chọn trục thực trùng với trục pha A dây quấn Stato và trục ảo là trục α

β vuông góc với trục thực, ta sẽ có một hệ trục tọa độ cố định Stato , Hệ tọa độ α βnày cố định với Stato nên ta có ωk = 0

Vecto không gian ru,ri, Ψr biểu diễn ở hệ tọa

độ α β, như sau:

β α

β α

β α

Ψ+Ψ

i

juu

Hình 1.10: Biểu diễn vecto điện áp

Trên hình vẽ ta thấy thành phần hình chiếu của các vectơ tương ứng trên trục α chính là thành phần thực của pha A Điều này cho phép nghiên cứu, tính toán mô hình động cơ khi nguồn cấp có dạng sóng không phải sin chuẩn

1.5.2 Hệ tọa độ tựa theo từ thông Roto ( hệ tọa độ d, q):

Giả sử ĐCKĐB đang quay với vận tốc góc ω = dθ/dt, trong đó là góc hợp θ giữa trục thực và trục Roto Vecto từ thông quay với vận tốc góc α Ψ ω1 Người ta xây dựng một hệ tọa độ với trục thực có hướng trùng với hướng của vecto Ψ và có gốc trùng với gốc của hệ tọa độ α β, và gọi nó là hệ tọa độ từ thông roto d, q Do hệ tọa độ này gắn cố định với từ trường quay nên nó quay cùng tốc độ góc ω1 = ωk

Nếu có các vecto không gian ru,ri,Ψr ta có thể biểu diễn nó ở hệ tọa độ từ thông Roto

d, q: ur(ud,uq);ri(id,iq);Ψr(Ψd,Ψq)

Do hệ tọa độ dq và các vectơ cùng quay với tốc độ góc ω1 nên hình chiếu của các vectơ là các đại lượng một chiều, nên hệ tọa độ này tiện cho việc nghiên cứu, tính toán động cơ khi nguồn cấp là sin chuẩn

Từ sự phân tích trên tác giả đi đến lựa chọn mô hình hóa ĐCKĐB trong hệ tọa

độ α β, để xét ảnh hưởng của nguồn không sin do biến tần sinh ra đến động cơ

1.6 Mô hình hóa ĐCKĐB ba pha trong hệ tọa độ (αα βββα, ): ββ

Đây hệ tọa độ cố định trên Stato nên có ωk = 0 Từ hệ phương trình vi phân tổng quát của ĐCKĐB (1-18), thế các vecto không gian ru,ri,Ψr trong hệ tọa độ (α, β) vào

ta có:

dt

dp

JMM

);

i.(p2

3M

irdt

d

;i

rdtd

irudt

d

;irudtd

C

1 1

2 2

2

2 2

2 2 2

1 1 1

1 1

1 1

−

=

ΨΨ

ω

−

−

=Ψ

α β

β β

α α

β β

β α

α α

r

Hệ phương trình (1-23) có 5 phương trình vi phân với các biến Ψ1α , Ψ1β, Ψ2α, Ψ2β, ω do đó ta cần thể hiện i1α , i1β, i2α, i2β dưới dạng hàm của các biến Thực hiện các phép biến đổi toán học ta thu được [4]:

Ψ

−Ψ

=

Ψ

−Ψ

=

Ψ

−Ψ

=

β β

α

β β

β

α α

α

α α

α

1 2 2 1 2

2 2 1 1 1

1 2 2 1 2

2 2 1 1 1

.b

bi

.a.ai

.b

bi

.a

ai

(1-24)

Trong đó:

1 s

0 2 2 0 r s

s 0 1

1 r

0 2 2 0 r s

r 0 1

b.x

xb

;xx.x

x.b

a.x

xa

;xx.x

x.a

Ψ

r 0

2 0 s r 2 r

x

xx.x.x

xp2

JMM

)i

i

(x

xp2

3M

irdt

d

;i

rdtd

irudt

d

;irudtd

C

1 2 1 2 r 0

2 2

2

2 2

2 2 2

1 1 1

1 1

1 1

=

Ψω+

−

=

ΨΨ

ω

−

−

=Ψ

α β β α

α β

β β

α α

β β

β α

α α

(1-26)

1.7 Đặc tính momen và tốc độ ĐCKĐB ba pha

Dựa vào hệ phương trình vi phân mô tả ĐCKĐB đã lập được trên hệ tọa độ α β,

ta thực hiện mô phỏng bằng công cụ Matlab với động cơ 14kW – 1480 vg/ph ( thông

số tại mục 4.2) Kết quả mô phỏng và đường cong thực nghiệm như trong hình dưới:

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 -100

Dac tinh Momen va Toc do/Thoi diem xac lap:0.14042

Hình 1.11a: Kết quả mô phỏng động cơ không đồng bộ 3 pha 14kW-1480vg/ph

Hình 1.11b: Đường cong thực nghiệm ĐCKĐB3 pha 14kW-1480vg/ph [9]

Từ kết quả trên ta thấy trong giai đoạn đầu có sự dao động lớn của momen, làm cho đặc tính tốc độ cũng dao động theo Kết quả mô phỏng so sánh với đường thực nghiệm ta thấy chúng có cùng số lượng đỉnh momen dao động Đường cong mô phỏng luôn bám sát theo đường thực nghiệm cho thấy sự đúng đắn và chính xác của mô hình toán ĐCKĐB đã lập tạo tiền đề cho việc nghiên cứu tiếp theo

1.8 Xác định các thành phần công suất theo hệ tọa độ ααα βββ, ββ

Công suất tác dụng cấp vào động cơ:

Công suất tức thời đưa vào động cơ được xác định theo biểu thức:

C C B B A A f

Tổn hao đồng trong dây quấn stato và roto:

)ii(riirRep

2 2

2 2 2 2 2 2 2

cu

2 1

2 1 1 1 1 1 1

cu

β α

∗

β α

rr

Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao lên các thành phần tổn hao sắt, tổn hao cơ và tổn hao phụ không đáng kể so với tổn hao đồng trong dây quấn động cơ nên trong luận văn này tác giả coi các thành phần tổn hao này là không đổi

Bằng cách giải hệ phương trình vi phân dòng điện ta có được các thành phần dòng điện trong hệ tọa độ ( α β, ), phân tích phổ sóng hài dòng điện này ta có được thành phần cơ bản và các thành phần hài bậc cao của dòng điện Sau đó tính tổn thất theo công thức trên tại mỗi thành phần hài đó

Hiệu suất của động cơ được xác định bởi công thức:

∑+

=

=η

pP

PP

P2

2 1

Kết luận chương I

- Chương I đã trình bày về ĐCKĐB 3 pha roto lồng sóc, thiết lập lên mô hình toán, đưa

ra phương trình đặc tính cơ và khảo sát các dạng tổn hao trong động cơ, làm cơ sở cho việc nghiên cứu ĐCKĐB Để khảo sát ảnh hưởng của biến tần đến ĐCKĐB ở chế độ quá độ và xác lập, trong chương này đã trình bày hệ phương trình toán học dưới dạng phức và dạng vi phân mô tả ĐCKĐB Tuy nhiên việc giải hệ phương trình vi phân với

số biến khá lớn tới 14 biến sẽ gặp nhiều khó khăn Nhờ phương pháp sử dụng mô hình máy điện hai pha tổng quát, biến đổi các biến gốc bằng các biến mới của máy điện hai pha, ta có thể giảm bớt khối lượng phương trình và biến, làm cho bài toán trở nên đơn giản hơn

- Tác giả đã lựa chọn hệ tọa cố định trên stato hệ tọa độ αβ để mô hình hóa ĐCKĐB –

Hệ tọa độ này thường được dùng để nghiên cứu máy điện khi nguồn vào không sin, tính toán tổn thất và tổng hợp bộ điều chỉnh của hệ biến tần ĐCKĐB–

- Để xét đến mức độ ảnh hưởng của hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài và bão hòa mạch

từ khi khởi động các thành phần điện trở roto, điện kháng stato và roto được biểu thị , bằng một phương trình phụ thuộc vào dòng điện khởi động và hệ số trượt của động cơ

- Với sự phát triển của khoa học máy tính, đã có nhiều công cụ hỗ trợ việc giải mô hình toán động cơ một cách nhanh và chính xác Trong luận văn này đã sử dụng công cụ Matlab để thực hiện giải hệ phương trình toán mô tả ĐCKĐB Kết quả mô phỏng phù hợp với thực nghiệm đã được công bố chứng tỏ sự đúng đắn và chính xác của mô hình ĐCKĐB đã lựa chọn tạo tiền đề cho việc nghiên cứu tiếp theo.,

- Trong chương này đã phân tích về các thành phần sóng hài thời gian trong ĐCKĐB, xác định được các thành phần sóng hài thứ tự thuận, nghịch và Zero, tạo ra từ trường quay thuận, nghịch Trên cơ sở đó xác định ảnh hưởng của các thành phần momen ứng với từng thành phần hài lên đặc tính momen của động cơ

CHƯƠNG II CÁC LOẠI BIẾN TẦN PHỔ BIẾN ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB

2.1 Khái quát chung

Như chúng ta đã biết, tần số của nguồn cấp quyết định giá trị tốc độ góc của từ trường quay trong các máy điện quay, do đó bằng cách thay đổi tần số dòng điện stato

ta có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ Để thực hiện phương pháp điều chỉnh này ta dùng bộ biến tần để làm nguồn cấp cho động cơ

Bộ biến tần là bộ biến đổi điện năng từ nguồn 1 chiều hoặc xoay chiều có tần số

cố định thành nguồn xoay chiều có tần số điều khiển được theo yêu cầu nhờ việc đóng cắt các van bán dẫn

Nếu tần số của bộ biến tần được tạo ra nhờ việc đóng cắt từng đoạn thích hợp của một nguồn xoay chiều có tần số cao hơn thì gọi là bộ biến tần trực tiếp

Nếu bộ biến đổi, biến từ nguồn trung gian 1 chiều thành nguồn xoay chiều có tần số theo mong muốn gọi là bộ nghịch lưu độc lập Bộ biến tần độc lập gồm có bộ chỉnh lưu ( hoặc Acquy ) và bộ nghịch lưu độc lập

Tùy theo điện áp đầu ra của biến tần là một pha hay ba pha mà được gọi là biến tần một pha hay biến tần ba pha

Dưới đây sẽ giới thiệu một số loại biến tần được sử dụng phổ biến hiện nay Biến tần có hai loại là biến tần quay và biến tần bán dẫn

2.2 Biến tần quay:

Biến tần quay là máy phát điện xoay chiều

Hình 2.1: Cấu trúc biến tần quay là MFĐXC

60

p.n

f = hay

π

ω

=2

p.f

Dạng sóng điện áp và dòng điện ở đầu ra biến tần quay có dạng sin nên chúng ta không xét đến biến tần quay trong nghiên cứu này

u~, f

Hình 2.2: cấu trúc biến tần trực tiếp

Biến tần trực tiếp được cấp từ nguồn một pha:

Hình 2.3: Sơ đồ mạch và dạng song biến tần trực tiếp một pha

Với sơ đồ này ta có thể tạo ra điện áp xoay chiều có tần số cơ bản như sau:

T

1

f = với T = T1 + 2( n-1) T1 ; n = 1,2,3…

Trong đó: n: số chỏm xung hình sin

T1: chu kỳ điện áp lưới cấp cho biến tần

Để giảm điều hòa bậc cao của dạng sóng điện áp ra, có thể sử dụng sơ đồ sau:

Biến tần trực tiếp được cấp từ nguồn 1 pha chỉ tạo ra được điện áp có tần số nhỏ hơn tần số lưới, tần số nhảy cấp so với tần số lưới, điện áp đầu ra không sin, biên độ sóng bậc cao lớn

Biến tần trực tiếp được cấp từ nguồn ba pha:

Sơ đồ nguyên lý như sau:

Hình 2.6: Biến tần trực tiếp được cấp từ nguồn 3 pha

Với sơ đồ này ta có thể tạo ra điện áp xoay chiều có tần số cơ bản như sau:

Sãng c¬ b¶n

Hình 2.7: Dạng sóng điện áp của biến tần trực tiếp được cấp từ nguồn ba pha.

Trong sơ đồ trên để tránh hiện tượng ngắn mạch nguồn cấp khi các van bán dẫn của nhóm dương và nhóm âm đồng thời dẫn điện, người ta đặt trong mỗi nhóm cuộn kháng cân bằng Ld

Bằng cách thay đổi trình tự dẫn của các van ta có thể thay đổi được tần số của điện áp đầu ra biến tần Với thứ tự dẫn của các van xác định, bằng cách thay đổi góc

mở van ta có thể thay đổi được giá trị biên độ của điện áp đầu ra của biến tần

Nhận xét:

Ta thấy rằng biến tần trực tiếp được cấp từ nguồn 3 pha có chất lượng điện áp ra cao hơn so với biến tần trực tiếp được cấp từ nguồn 1 pha Nhìn chung chất lượng điện

áp đầu ra của biến tần trực tiếp còn thấp, không phù hợp với các hệ truyền động chất lượng cao có yêu cầu ổn định tốc độ

Biến tần trực tiếp về nguyên lý gồm 2 nhóm chuyển mạch nối song song ngược,

vì tải ở đây là động cơ có tính cảm do đó dòng điện tải chậm pha hơn điện áp tải:

Hình 2.8: đồ thị điện áp và dòng điện bộ biến tần trực tiếp

Từ hình trên ta thấy, trong trường hợp tổng quan công suất tức thời được chia làm bốn giai đoạn:

- Trong những khoảng có tích số u.i > 0 , nhóm van bán dẫn làm việc như một

bộ chỉnh lưu, công suất chuyển từ nguồn cấp tới tải

- Trong những khoảng có tích số u.i < 0 , nhóm van bán dẫn làm việc như một

bộ nghịch lưu, công suất từ tải đi vào nguồn

2.3.2 Biến tần độc lập:

Hay còn gọi là biến tần có trung gian 1 chiều Đây là loại biến tần biến đổi từ điện trung gian một chiều thành điện xoay chiều Điện áp trung gian một chiều, nên khi biến đổi điện áp xoay chiều là những xung vuông

Điện lưới được chỉnh lưu ( có điều khiển hay không điều khiển) thành một chiều

và sau đó nghịch lưu lại thành xoay chiều Đây cũng là sơ đồ khối cho hầu hết những

bộ nghịch lưu d ng trong công nghiệp vì năng lượng điện của các nhà máy đều lấy từ ùlưới điện

- Bộ chỉnh lưu: bộ chỉnh lưu được cấu tạo từ các van không điều khiển hoặc có

điều khiển có chức năng biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều

- Bộ lọc: bộ lọc là thiết bị đặt sau chỉnh lưu dùng để san bằng xung điện áp,

dòng điện theo yêu cầu

- Bộ nghịch lưu: bộ nghịch lưu có nhiệm vụ biến dòng điện, điện áp một chiều

thành dòng điện, điện áp xoay chiều

Có hai loại biến tần có trung gian một chiều phụ thuộc vào loại chỉnh lưu được

sử dụng: biến tần với chỉnh lưu nguồn dòngvà chỉnh lưu nguồn áp

Bộ biến tần nguồn dòng: có nguồn cung cấp một chiều là nguồn dòng, điện trở trong của nguồn rất lớn Dạng dòng điện của nguồn xác định dạng dòng điện ra trên tải còn điện áp trên tải phụ thuộc vào thông số tải Mạch điện một chiều thường mắc nối tiếp với một cuộn kháng có độ tự cảm lớn

Bộ biến tần nguồn áp: có nguồn cấp một chiều là nguồn áp, điện trở trong rất nhỏ, dạng điện áp của nguồn xác định dạng điện áp của tải còn dạng dòng điện trên tải phụ thuộc vào thông số trên tải Mạch điện một chiều thường mắc song song với một tụ điện có điện dung lớn

Biến tần nguồn dòng có ưu điểm là tăng cường được công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản mà vẫn thực hiện được hãm tái sinh động cơ Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là nguồn dòng điện, tức là dòng điện không phụ thuộc vào tải

mà chỉ thụ thuộc vào tín hiệu điều khiển Để tạo được nguồn dòng điện 1 chiều, người

ta thường dùng các bộ chỉnh lưu có điều khiển hoặc băm 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 Do có nguồn dòng điện một chiều nên việc chuyển mạch các van bán dẫn có thể thực hiện bằng điện áp trên các tụ chuyển mạch Ta có sơ đồ nguyên lý mạch lực bộ biến tần nguồn dòng như sau:

Hình 2.10: Biến tần nguồn dòng ba pha

Trên hình 2.10 ngoài các thyristor T1÷T6 còn sử dụng các diot cách ly D1 ÷ D6 nhằm để cách ly giữa các tụ chuyển mạch và dây quấn ĐCKĐB để chúng không tạo thành mạch cộng hưởng làm ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch Thứ tự đóng ngắt các van từ T1 đến T6 và dòng điện trên các pha động cơ được mô tả trên hình 2.11

t t t t t t

t t

Trong khoảng thời gian các van T1 và T6 dẫn thì dòng điện các pha iA - i= B, các

tụ điện chuyển mạch được nạp điện và có cực tính như trên sơ đồ nguyên lý Khi bắt đầu đặt xung mở lên T2 thì T2 bắt đầu dẫn và nối cực dương của tụ điện C62 song song với mạch nối tiếp C46-C42-T2 nạp cho tụ C62, điện áp trên tụ C62 được tăng tuyến tính cho tới khi xuất hiện dòng điện iC qua pha C của tải thì bắt đầu chuyển dòng từ pha B sang pha C Kết thúc quá trình chuyển mạch khi iB = 0 và iC = id ( dòng tải), tụ điện C62được phân cực ngược lại để chuẩn bị cho lần chuyển mạch sau

Các ưu điểm của bộ biến tần nguồn dòng là dùng các Thyristor thông thường với chuyển mạch đơn giản chỉ cần tụ điện, ngắn mạch tức thời đầu ra không gây ảnh hưởng gì nhờ cuộn dây liên lạc ngăn cản tất cả các đột biến của dòng điện, không truyền trực tiếp dao động của lưới vào động cơ, có khả năng cung cấp cho nhiều động

cơ làm việc song song, hiệu suất cao

Biến tần nguồn áp có đặc điểm: dạng điện áp ra tải được định sẵn, dòng điện tải phụ thuộc vào tính chất tải Điện áp ra của biến tần nguồn áp không có dạng hình sin như mong muốn mà đa số là dạng xung chữ nhật Các van bán dẫn phần nghịch lưu của biến tần nguồn áp có thể là transistor lưỡng cực hay IGBT ( hình 2.12) hoặc Thyristor ( hình 2.13)

D4 T1

T4

D3

D6 T3

T 6

D5

D2 T5

T2 +U mc

Hình 2.12 : Biến tần nguồn áp ba pha dùng Transistor