đồ án ii thiết kế hệ thống điều khiển và tự động hóa đề tài thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho hệ truyền động động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha

Trang 1 ĐẠI HỌC SPKT VINHBộ môn Điều khiển và Tự động hóa------ĐỒ ÁN IITHIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓAĐề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động chohệ truyền động động

ĐẠI HỌC SPKT VINH

Bộ môn Điều khiển và Tự động hóa

- -ĐỒ ÁN II

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho

hệ truyền động động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha

Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thanh Bình Sinh viên thực hiện: VŨ NGỌC VĂN

Lớp: DHTHCK15

Vinh, 6/2023

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay sự phát triển nhanh chóng của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nóichung và trong lĩnh vực điện - điện tử - tin học nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội thayđổi từng ngày Trong hoàn cảnh đó, để đáp ứng được những điều kiện thực tiễn của sảnxuất đòi hỏi những người kĩ sư điện tương lai phải được trang bị những kiến thức chuyênngành một cách sâu rộng

Trong quá trình học môn thiết kế hệ thống tự động hóa quá trình em được nhận đề

tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho hệ truyền động động cơ xoay chiều

không đồng bộ ba pha”.

Do kiến thức còn hạn chế, trong phạm vi thời gian có hạn, lượng kiến thức lớnnên không khỏi có những sai sót Em mong nhận được sự góp xây dựng của các thầy, côgiáo cũng như bè bạn để bản đồ án được hoàn thiện hơn Trong quá trình làm đồ án em

đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy, cô giáo cũng như sự

góp ý xây dựng của các bạn bè Đặc biệt là sự giúp đỡ của cô giáo Nguyễn Thị Thanh

Bình và các thầy cô giáo công tác trong khoa điện.

Em xin chân thành cảm ơn !

Vinh, tháng 06 năm 2023

Sinh Viên

Võ Trọng Yên

1

0

0

ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN IITHIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho hệ truyền động động cơ xoay

chiều không đồng bộ 3 pha a/ Số liệu cơ bản của hệ truyền động:

Vùng điều chỉnh tốc độ yêu cầu: 1:50

b/ Yêu cầu: Hệ truyền động đáp ứng các yêu cầu sau:

- Khởi động, hãm và đảo chiều quay

- Có khả năng ổn định được tốc độ ở mọi giá trị đặt

- Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ trong phạm vi:1:50 và tốc độ yêu cầu điều chỉnh

để thay đổi theo lượng đặt như sau:

- Bảo vệ hệ truyền động

c/Nội dung thực hiên:

-Mô tả động cơ điện xoay chiều KĐB 3 pha

-Thiết kế mạch lực hệ truyền động tự động

+ Thiết kế cấu trúc mạch lực+ Tính chọn các tham số mạch lực-Thiết kế điều khiển hệ truyền động tự động

+ Thiết kế cấu trúc điều khiển hệ truyền động+ Thiết kế bộ điều khiển bao gồm: Thiết kế cấu trúc bộ điều khiển cho cácmạch vòng và tính chọn tham số bộ điều khiển

-Xây dựng mô hình và mô phỏng đánh giá chất lượng hệ truyền động trênphần mềm Matlab/Simulink

-Kết luận

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KĐB BA

PHA 7

1.1 Đặt vấn đề 7

1.2 Tổng quan về máy điện không đồng bộ 7

Nguyên lý làm việc 7

Cấu tạo 9

Ứng dụng 10

Khả năng dùng động cơ xoay chiều thay thế máy điện một chiều: .11

Kết luận 13

CHƯƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 14

2.1 Các hệ thống truyền động điện dùng động cơ xoay chiều 14

Giới thiệu chung 14

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 14

Hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều 16

2.2 Sơ lược về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất 17

Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) 17

Bộ biến tần gián tiếp 20

2.3 Điều khiển hệ biến tần – động cơ không đồng bộ (BT – ĐCKĐB) 24

Điều khiển vô hướng 25

Điều khiển định hướng theo từ trường 26

Điều khiển trực tiếp mômen 28

2.4 Kết luận 28

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH LỰC HỆ TRUYỀN ĐỘNG TỰ ĐỘNG 29

3.1 Sơ đồ khối của hệ thống 293.2 Tính toán lựa chọn mạch lực 29

Tính toán chọn mạch chỉnh lực 29

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG TỰ ĐỘNG Error! Bookmark not defined.

4.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển Error! Bookmark not defined.

Giới thiệu chung Error! Bookmark not defined.

Điều chỉnh điên

Bookmark not defined.

áp - tần số với từ thông là hàm của mômen tải Error!

Điều khiển điên

Bookmark not defined.

áp - tần số giữ từ thông

Điều chỉnh dòng điện – tần số giữ từ thông động cơ không đổi Error!

Bookmark not defined.

4.2 Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển Error! Bookmark not defined.

Sơ đồ vòng hở điều khiển V/f cho bộ nghịch lưu:Error! Bookmark not

defined.

defined.

defined.

Sơ đồ vòng kín điều khiển V/f cho bộ nghịch lưuError! Bookmark not

Mô hình toán học của động cơ Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG Error! Bookmark not defined.

5.1 Tổng quan về phần mềm Matlab và SimulinkError! Bookmark not defined 5.2 Sơ đồ mô phỏng Error! Bookmark not defined.

5.3 Kết quả mô phỏng Error! Bookmark not

defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not

defined

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KĐB BA

PHA 1.1 Đặt vấn đề

Trong công nghiệp máy điện không đồng bộ ba pha là loại động cơ chiếm một tỷ

lệ rất lớn so với các loại động cơ khác Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suấtcao, giá thành hạ, nguồn cung cấp lấy ngay trên lưới công nghiệp, dải công suất động cơrất rộngt ừ vài trăm W đến hàng ngàn kW Tuy nhiên các hệ truyền động có điều chỉnhtốc độ dùng động cơ không đồng bộ lại có tỷ lệ nhỏ so với động cơ một chiều

Đó là điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ gặp nhiều khó khăn và dải điềuchỉnh hẹp Nhưng với sự ra đời và phát triển nhanh của dụng cụ bán dẫn công suất như:Diốt, Triắc tranzitor công suất, Thiristor có cực khoá… Thì các hệ truyền động có điềuchỉnh tốc độ dùng động cơ không đồng bộ mới được khai thác mạnh hơn

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên nhóm quyết định thực hiện đề tài “điều khiểnđộng cơ không đồng bộ ba pha” để có cái nhìn tổng quát hơn về điều khiển động cơ điệnnói chung và động cơ không đồng bộ nói riêng Vấn đề nghiên cứu có tính ứng dụng caovới các sinh viên ngành kỹ thuật điện khi ra trường

1.2 Tổng quan về máy điện không đồng bộ

1.2.1 Nguyên lý làm việc

Hình 0.1: Quá trình tạo moment của máy điện không đồng bộ

cạnh của khung dây cảm ứng gây nên sức điện động E trên khung dây Sức điện động Esinh ra dòng điện I chạy trong khung dây Vì dòng điện I nằm trong từ trường nên khi từtrường quay làm tác động lên khung dây một lực điện từ F Lực điện từ này làm khungdây chuyển động với tốc độ n vòng/ phút

Vì n < n1 nên gọi là không đồng bộ

ĐCKĐB ba pha có dây quấn ba pha phía stator, Roto của ĐCKĐB là một bộ dâyquấn ba pha có cùng số cực trên lõi thép của Roto

Khi Stator được cung cấp bởi nguồn ba pha cân bằng với tần số f, từ trường quay

Thông số s gọi là độ trượt, ta có:

s  db  

db

Vì có tốc độ tương đối giữa roto và từ trường quay stator , điện áp cảm ứng ba pha

sẽ được sinh ra trong roto Tần số của điện áp này sẽ tỉ lệ với độ trượt theo công thức :

Moment động cơ sinh

1.2.2 Cấu tạo

1.2.2.1 Phần tĩnh (Stato)

Stato có cấu tạo gồm vỏ máy, lỏi sắt và dây quấn

Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ.Thường vỏ máy được làm bằng gang Đối với máy có công suất tương đối lớn (1000kW)thường dùng thêm tấm hàn lại làm thành vỏ máy Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng

vỏ cũng khác nhau

Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảmtổn hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại Khi đường kính ngoàilõi sắt nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại Khi đường kính ngoài lớn hơn thì dùng

những tấm hình rẻ quạt (Error! Reference source not found.) ghép lại.

Hình 0.2: Lá thép kỹ thuật điện

Dây quấn stator được đặt vào các rảnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt

1.2.2.2 Phần quay (roto)

Rotor có 2 loại chính: rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lòng sóc

 Rotor dây quấn:

Rôto có dây quấn giống như dây quấn của stator Dây quấn 3 pha của rôto thườngđấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ởmột đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài Đặc điểm là cóthể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rôto đểcải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy.Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch Nhược điểm so vớiđộng cơ rotor lòng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt, dễ cháynổ

 Rotor lồng sóc:

Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator Trong mỗi rảnh của lıi sắtrotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lıi sắt và được nối tắt lại ở haiđầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người taquen gọi là lồng sóc

1.2.2.3 Khe hở không khí

Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều Khe hở trong máy điện không đồng bộrất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số côngsuất của máy cao hơn

1.2.3 Ứng dụng:

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơđiện Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơkhông đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi Trong đời sống hàng ngày, động cơ khôngđồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng trong cô ̣ng nghiệp,nông nghiệp và trong đời sống hàng ngày

Ngày nay, các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết

bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải, trong các thiết bị điệndân dụng, Ước tính có khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi các hệthống truyền động điện

Hệ truyền động điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc với tốc độ thayđổi được Hiện nay khoảng 75 - 80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc độkhông đổi Với các hệ thống này, tốc độ của động cơ hầu như không cần điều khiển trừcác quá trình khởi động và hãm Phần còn lại, là các hệ thống có thể điều chỉnh được tốc

độ để phối hợp đặc tính động cơ và đặc tính tải theo yêu cầu Với sự phát triển mạnh mẽcủa kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý, các hệ điều tốc sử dụng kỹ thuậtđiện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và là công cụ không thể thiếu trong quá trình tựđộng hóa

Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như: kết cấu đơn giản, làm việc chắcchắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi

có khả năng cháy nổ cao Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng bộ được ứngdụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàngnghìn kW Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồnđộng lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy côngnghiệp nhẹ Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sảnphẩm Trong đời sống hằng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị tríquan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, máy quay dĩa, Tóm lại, cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm viứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi

So với máy điện DC, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp rất nhiều khó khănbởi vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian, cũngnhư bản chất phức tạp về mặt cấu trêc máy của động cơ điện xoay chiều so với máy điệnmột chiều Cho nên việc tách riêng điều khiển giữa moment và từ thông để có thể điềukhiển độc lập đòi hỏi một hệ thống có thể tính toán cực nhanh và chính xác trong việc quiđổi các giá trị xoay chiều về các biến đơn giản Vì vậy, cho đến gần đây, phần lớn động

cơ xoay chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi do các phương pháp điềukhiển trước đây dùng cho máy điện thường đắt và có hiệu suất kém Động cơ không đồng

bộ cũng không tránh khỏi nhược điểm này

1.2.4 Khả năng dùng động cơ xoay chiều thay thế máy điện một chiều:

Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ xoay chiều chính là làm thế nào để

có thể dễ dàng điều khiển được tốc độ của nó như việc điều khiển của động cơ DC Vìvậy, một ý tưởng về việc biến đổi một máy điện xoay chiều thành một máy điện mộtchiều trên phương diện điều khiển đã ra đời Đây chính là điều khiển vector Điều khiểnvector sẽ cho phép điều khiển từ thông và moment hoàn toàn độc lập với nhau thông quađiều khiển giá trị tức thời của dòng (động cơ tiếp dòng) hoặc giá trị tức thời của áp (động

cơ tiếp áp)

Điều khiển vector cho phép tạo ra những phản ứng nhanh và chính xác của cả từthông và moment trong cả quá trình quá độ cũng như quá trình xác lập của máy điện xoaychiều giống như máy điện một chiều Cùng với sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn vànhững bộ vi xử lý có tốc độ nhanh và giá thành hạ, việc ứng dụng của điều khiển vectorngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ truyền động và đã trở thành một tiêuchuẩn công nghiệp

Với sự phát triển nhanh chóng, ngành công nghiệp tự động luôn đòi hỏi sự cải tiếnthường xuyên của các loại hệ truyền động khác nhau Những yêu cầu cải tiến cốt yếu làtăng độ tin cậy, giảm khả năng tiêu thụ điện năng, giảm thiểu chi phí bảo dưỡng, tăng độchính xác và tăng khả năng điều khiển phức tạp Vì vậy, những hệ truyền động với động

cơ điện một chiều đang dần thay thế bởi những hệ truyền động động cơ xoay chiều sửdụng điều khiển vector Bởi vì, lý do chính để sử dụng rộng rãi động cơ điện một chiềutrước kia

là khả năng điều khiển độc lập từ thông và moment lực đã nêu cũng như cấu trúc hệtruyền động khá đơn giản Tuy nhiên, chi phí mua và bảo trì động cơ cao, đặc biệt khi sốlượng máy điện phải dùng lớn Trong khi đó, các ứng dụng thực tế của lý thuyết điềukhiển vector đã được thực hiện từ những năm 70 với các mạch điều khiển liên tục Nhưngcác mạch liên tục không thể đáp ứng được sự đòi hỏi phải chuyển đổi tức thời của hệ quychiếu quay do điều này đòi hỏi một khối lượng tính toán trong một thời gian ngắn.

Sự phát triển của những mạch vi xử lý đã làm thay đổi việc ứng dụng của lý thuyếtđiều khiển vector Khả năng tối ưu trong điều khiển quá độ của điều khiển vector là nềnmóng cho sự phát triển rộng rãi của các hệ truyền động xoay chiều (vì giá thành của động

cơ xoay chiều rất rẻ hơn so với động cơ một chiều)

Ngoài những phát triển trong điều khiển vector, một sự phát triển đáng chú ý khácchính là việc ứng dụng mạng neural (neural networks) và logic mờ (fuzzy logic) vào điềukhiển vector đang là những đề tài nghiên cứu mới trong nghiên cứu hệ truyền động Hai

kỹ thuật điều khiển mới này sẽ tạo nên những cải tiến vượt bực cho hệ truyền đồng củamáy điện xoay chiều trong một tương lai gần Triển vọng ứng dụng rộng rãi của hai kỹthuật này phụ thuộc vào sự phát triển của bộ vi xử lý bán dẫn (semiconductormicroprocessor)

Với sự phát triển mạnh của các bộ biến đổi điện tử công suất, một lý thuyết điềukhiển máy điện xoay chiều khác hẳn với điều khiển vector đã ra đời Lý thuyết điều khiểntrực tiếp moment lực (Direct Torque Control hay viết tắt là DTC) do giáo sư NoguchiTakahashi đưa ra vào cuối năm 80 Tuy nhiên, kỹ thuật điều khiển moment trực tiếp vẫnchưa phải hoàn hảo và cần phải nghiên cứu thêm

1.2.5 Kết luận

Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất cao và kỹ thuật vi xử lý,hiện nay các bộ điều khiển ĐCKĐB đã được chế tạo với đáp ứng tốt hơn, giá thành rẽhơn các bộ điều khiển động cơ DC Do đó, ĐCKĐB có thể thay thế được động cơDctrong rất nhiều ứng dụng Dự kiến trong tương lai gần , ĐCKĐB sẽ được sử dụng rộngrãi trên hầu hết các bộ truyền động điều khiển tốc độ

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG

BỘ 2.1 Các hệ thống truyền động điện dùng động cơ xoay chiều

2.1.1 Giới thiệu chung

Các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực khácnhau, chúng được dùng để cung cấp động lực cho phần lớn các cơ cấu sản xuất Trongthế kỷ XIX đã lần lượt xuất hiện truyền động điện động cơ một chiều và động cơ xoaychiều Trong nhiều năm của thế kỷ XX, khoảng 80% các hệ thống truyền động điệnkhông yêu cầu điều chỉnh tốc độ đều dùng động cơ xoay chiều, còn khoảng 20% truyềnđộng điện có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ dùng động cơ một chiều Điều này hầunhư đã được thế giới coi như là một quy luật phân bổ hiển nhiên Phương án điều chỉnhtốc độ động cơ xoay chiều mặc dù đã được phát minh và đưa vào ứng dụng khá sớm,nhưng chất lượng của nó lại khó sánh kịp với hệ thống truyền động điện một chiều Mãitận tới thập kỷ 70 của thế kỷ XX, khi thế giới bị cuốn hút vào nguy cơ khan hiếm dầu mỏ,các nước công nghiệp tiên tiến mới tập trung vào việc nghiên cứu hệ thống điều chỉnh tốc

độ động cơ xoay chiều hiệu suất cao, hy vọng coi đó là con đường tiết kiệm nguồn nănglượng Qua hơn 10 năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ 80 hướng nghiên cứu ấy đã đạt đượcthành tựu lớn, và đã được coi là bước đột phá thần kỳ trong truyền động điện xoay chiều,

và từ đó tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ngày mộttăng lên Trong các ngành công nghiệp đã có trào lưu thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độđộng cơ một chiều bằng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều

2.1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Động cơ xoay chiều không đồng bộ có kết cấu đơn giản, chắc chắn, làm việc tincậy và giá thành rẻ nhất Điều chỉnh tốc độ (điều tốc) động cơ không đồng bộ có rất nhiềuphương pháp, có thể kể đến như:

(1) Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp điều chỉnh điện áp đặt vào cuộn dâystator động cơ

(2) Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp dùng bộ ly hợp trượt điện từ

(3) Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp dùng điện trở phụ nối tiếp với cuộn dâyrotor đối với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn.

(4) Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dâyquấn

(5) Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực

(6) Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi tần số nhờ bộ biến đổi tần số(phương pháp biến tần) … v.v

Dựa vào cách xử lý công suất trượt trong máy điện, các hệ thống điều chỉnh tốc độđộng cơ không đồng bộ được phân ra 3 loại là hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trượt,

hệ thống điều tốc kiểu tái sinh và hệ thống điều tốc công suất trượt không thay đổi Hiệusuất của 3 kiểu này được tăng lên theo thứ tự trên

- Hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trượt: toàn bộ công suất trượt chuyển thànhnhiệt năng tiêu hao mất Ba phương pháp điều tốc (1), (2), (3) kể trên đều thuộc về loạinày Hiệu suất hệ thống điều tốc của các loại này là thấp nhất và chấp nhận tổn thất côngsuất để đổi lấy việc giảm tốc độ quay (lúc mômen phụ tải không đổi), tốc độ càng xuốngthấp thì hiệu suất càng giảm Nhưng cấu trúc của hệ thống này là đơn giản nhất, vì thế nóvẫn được dùng trong một số trường hợp, ví dụ trong các hệ thống cầu trục

- Hệ thống điều tốc kiểu tái sinh: một bộ phận của công suất trượt bị tiêu hao đi,phần lớn còn lại nhờ có thiết bị chỉnh lưu - nghịch lưu được trả về lưới điện xoay chiềuhoặc chuyển hoá thành dạng cơ năng để dùng vào việc có ích khác, khi tốc độ quay càngthấp công suất thu hồi cũng càng nhiều, phương pháp điều tốc thứ (4) đã kể trên là thuộcloại này Hiệu suất của hệ thống điều tốc loại này rõ ràng là cao hơn loại hệ thống điềutốc tiêu hao công suất trượt nhưng phải thêm thiết bị chỉnh lưu - nghịch lưu nên lại phảitiêu hao một phần công suất

- Hệ thống điều tốc công suất trượt không thay đổi: trong hệ thống này khôngtránh khỏi tiêu hao công suất trên dây dẫn rotor, nhưng sự tiêu hao công suất trượt hầunhư không phụ thuộc vào tốc độ cao hay thấp, vì thế hiệu suất khá cao Phương pháp điềutốc thứ (5),

cấp, phạm vi điều chỉnh hẹp, ít dùng Phương pháp điều tốc biến tần được ứng dụng rộngrãi nhất vì nó cho phép điều chỉnh trơn với phạm vi rộng, có khả năng xây dựng được các

hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có chất lượng cao, có thể thay thế hệthống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều và do đó có xu hướng phát triển hơn cả Hệthống điều tốc biến tần động cơ không đồng bộ có phạm vi ứng dụng rộng cả về lĩnh vực

và công suất, từ công suất cực nhỏ đến công suất rất lớn (hàng MW)

2.1.3 Hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều

Trong hệ truyền động biến tần cho cả 2 loại động cơ xoay chiều đồng bộ và khôngđồng bộ thì bộ biến tần là khâu quan trọng quyết định đến chất lượng của hệ thống truyềnđộng Phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh, vào phạm vi công suất truyền động, vào hướngđiều chỉnh mà có các loại biến tần và phương pháp khống chế biến tần khác nhau Trướcđây việc điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ gặp khó khăn khi điềukhiển ở vùng tốc độ thấp Ngày nay động cơ không đồng bộ được điều chỉnh bằng các bộbiến tần bán dẫn đã và đang được hoàn thiện và có khả năng cạnh tranh lớp với điềukhiển một chiều, nhất là ở vùng công suất truyền động lớn hoặc tốc độ thấp

Ưu điểm nổi bật của phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pharôto lồng sóc bằng phương pháp sử dụng bộ biến tần là:

Trong thực tế các bộ biến tần được chia làm hai nhóm: các bộ biến tần là biến tầntrực tiếp và các bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều.

2.2 Sơ lược về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất

2.2.1 Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)

Cấu trúc của thiết bị biến tần trực tiếp như trên hình 1.1

Bộ biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi nguồn điện xoaychiều có điện áp và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điềuchỉnh được Do quá trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộbiến tần trực tiếp, còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter)

Hình 0.3: Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều – xoay chiều)

Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều được tạo bởi mạch điện mắc songsong ngược hai sơ đồ chỉnh lưu tiristor (hình 2.2) Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận ngược lầnlượt được điều khiển làm việc theo chu kỳ nhất định Trên phụ tải sẽ nhận được điện áp ra

thuộc vào tần số khống chế quá trình chuyển đổi sự làm việc của hai sơ đồ chỉnh lưu mắcsong song ngược

Hình 0.4: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp

Nếu góc điều khiển  không thay đổi thì điện áp trung bình đầu ra có giá trị khôngđổi trong mỗi nửa chu kỳ điện áp đầu ra Muốn nhận được điện áp đầu ra có dạng gầnhình sin hơn cần phải liên tục thay đổi góc điều khiển các van của mỗi sơ đồ chỉnh lưutrong thời gian làm việc của nó (mỗi nửa chu kỳ điện áp ra); chẳng hạn ở nửa chu kỳ làmviệc của sơ đồ thuận, thực hiện thay đổi góc điều khiển  từ /2 (ứng với điện áp trungbình bằng không) giảm dần tới 0 (ứng với điện áp trung bình là cực đại), sau đó lại tăngdần  từ 0 lên tới /2 thì điện áp trung bình đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu lại từ giá trị cựcđại giảm về 0, tức là làm cho góc  thay đổi trong phạm vi -/2  0  /2, để điện ápbiến đổi theo quy luật gần hình sin, như trên hình 2.3 Trong đó, tại điểm A có  = 0, điện

áp chỉnh lưu trung bình cực đại, sau đó tại các điểm B, C, D, E góc  tăng dần lên, điện

áp trung bình giảm xuống dần, cho đến điểm F với  = /2 điện áp trung bình là 0 Điện

áp trung bình trong nửa chu kỳ là hình sin trong hình vẽ thể hiện bằng nét đứt Sự điềukhiển sơ đồ ngược trong nửa chu kỳ âm điện áp ra cũng tương tự như thế

Hình 0.5: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều - xoay chiều hình sin

Trên đây đã phân tích đầu ra một pha biến tần xoay chiều – xoay chiều(trực tiếp), đối với phụ tải ba pha, hai pha khác cũng dùng mạch diện đảo chiều mắc song

sơ đồ chỉnh lưu đều dùng loại sơ đồ cầu ba pha thì bộ biến tần ba pha sẽ cần tổng cộng tới

36 tiristor (mỗi nhánh cầu chỉ dùng một tiristor) Nếu dùng loại sơ đồ tia ba pha, cũngphải dùng tới 18 tiristor Vì vậy thiết bị biến tần trực tiếp tuy về mặt cấu trúc chỉ dùngmột khâu biến đổi, nhưng số lượng linh kiện lại tăng lên rất nhiều, kích thước tổng tănglên rất lớn

Do những thiết bị này đều tương tự như thiết bị của bộ biến đổi có đảo dòng thường dùngtrong hệ thống điều tốc một chiều có đảo chiều nên quá trình chuyển mạch chiều dòngđiện được thực hiện giống như trong sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển (chuyển mạch tựnhiên), đối với các linh kiện không có các yêu cầu gì đặc biệt Ngoài ra, từ hình 1.3 có thểthấy, khi điện áp đổi chiều đồ thị hình sin của điện áp nguồn cũng có thể biến đổi theo rấtnhanh chóng, vì vậy tần số đầu ra lớn nhất cũng không vượt quá 1/3 ÷ 1/2 tần số lưới điện(tuỳ theo số pha chỉnh lưu), nếu không, đồ thị đầu ra sẽ thay đổi rất lớn, sẽ ảnh hưởng tới

sự làm việc bình thường của hệ thống điều tốc biến tần Do số lượng linh kiện tăng lênnhiều, tần số đầu ra giảm xuống, phạm vi thay đổi tần số đầu ra của bộ biến tần hẹp (vìcũng bị giới hạn cả tần số thấp nhất) nên hệ điều tốc này ít được dùng, chỉ trong một sốlĩnh vực công suất lớn và cần tốc độ làm việc thấp, chẳng hạn như máy cán thép, máynghiền bi, lò xi măng, những loại máy này khi dùng động cơ tốc độ thấp được cấp điệnbởi biến tần

trực tiếp có thể loại bỏ được hộp giảm tốc rất cồng kềnh và thường dùng tiristor mắc songsong mới thoả mãn được yêu cầu công suất đầu ra Bộ biến tần trực tiếp tuy có một sốnhược điểm là số lượng phần tử nhiều, phạm vi thay đổi tần số không rộng, chất lượngđiện áp ra thấp, nhưng có ưu điểm là hiệu suất cao hơn so với các bộ biến tần gián tiếp,điều này đặc biệt có ý nghĩa khi công suất hệ thống điều tốc cực lớn (các hệ thống dùngđộng cơ công suất đến 16.000 kW)

Trên đồ thị dạng sóng (hình 1.4) ta thấy công suất tức thời của biến tần bao gồm

có bốn giai đoạn Trong hai khoảng ta có tích điện áp và dòng điện của biến tần dương,biến tần lấy công suất từ lưới cung cấp cho tải Trong hai khoảng còn lại ta có tích giữađiện áp và dòng điện trong biến tần âm nên biến tần biến đổi cung cấp lại công suất cholưới