Môn học này bắt đầu bằng việc giới thiệu các khái niệm cơ bản về biến tần, chức năng và tầm quan trọng của chúng trong việc điều khiển tốc độ và mô-men của các động cơ điện.. + Nội dung
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Động cơ điện
1.1.1 Khái niệm Động cơ điện là một thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên hiện tượng điện từ, trong đó dòng điện chạy qua các cuộn dây bên trong động cơ tạo ra từ trường Từ trường này tương tác với từ trường của các nam châm hoặc các cuộn dây khác để tạo ra lực kéo hoặc lực đẩy, làm quay rotor (phần quay của động cơ) Nhờ vậy, động cơ điện có thể chuyển hóa hiệu quả năng lượng điện thành chuyển động cơ học, phục vụ nhiều mục đích khác nhau trong dân dụng và công nghiệp
1.1.2 Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động
1.1.2.1 Cấu trúc chung của động cơ điện Động cơ điện có cấu trúc cơ bản bao gồm các thành phần chính sau đây:
+ Khung (Frame): Vỏ ngoài bảo vệ các bộ phận bên trong của động cơ + Lõi stator (Stator Core): Thường làm từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau, giúp giảm tổn thất năng lượng do dòng điện xoáy
+ Cuộn dây stator (Stator Windings): Các cuộn dây quấn quanh lõi stator , khi có dòng điện chạy qua sẽ tạo ra từ trường
+ Rotor : Cũng làm từ các lá thép kỹ thuật điện, tương tự như stator + Cuộn dây rotor hoặc các thanh dẫn điện (Rotor Windings or Conductors): Trong động cơ cảm ứng, rotor có các thanh dẫn điện (thường bằng nhôm hoặc đồng) được đặt trong các rãnh trên lõi rotor Trong động cơ DC, rotor có các cuộn dây quấn quanh lõi rotor
+ Trục rotor (Rotor Shaft): Trục này nối với lõi rotor và truyền chuyển động quay ra bên ngoài động cơ
− Bạc đạn (Bearings): Các bạc đạn đỡ trục rotor và cho phép rotor quay một cách trơn tru bên trong stator
− Cổ góp (Commutator) và chổi than (Brushes)-trong động cơ DC:
+ Commutator: Một bộ phận hình trụ được gắn trên trục rotor, có các đoạn dẫn điện cách điện với nhau, chuyển đổi dòng điện để duy trì chiều quay của rotor
+ Chổi than: Các thanh carbon tiếp xúc với commutator để cung cấp dòng điện cho rotor
− Quạt làm mát (Cooling Fan): Được gắn vào trục rotor hoặc bên ngoài vỏ động cơ để làm mát các thành phần bên trong, giảm nhiệt độ và tăng tuổi thọ của động cơ
− Nắp che (End Bells or End Covers): Bảo vệ các đầu của động cơ và giữ các bạc đạn tại chỗ
− Hệ thống dây điện và kết nối (Electrical Connections): Bao gồm các terminal để kết nối nguồn điện và các cuộn dây stator
1.1.2.2 Nguyên tắc hoạt động chung của động cơ điện Động cơ điện hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ, trong đó năng lượng điện được chuyển đổi thành năng lượng cơ học thông qua sự tương tác giữa từ trường và dòng điện Quá trình này bao gồm các bước chính sau đây:
Khi dòng điện chạy qua các cuộn dây stator , nó tạo ra một từ trường xoay quanh rotor Trong động cơ AC, từ trường này thay đổi liên tục theo tần số của dòng điện xoay chiều Trong động cơ DC, từ trường này được duy trì ổn định hoặc được điều chỉnh thông qua commutator
− Tương tác từ trường và dòng điện:
Từ trường tạo ra bởi stator tương tác với dòng điện trong các cuộn dây hoặc các thanh dẫn điện trên rotor Theo định luật Lorentz, khi một dây dẫn mang dòng điện nằm trong từ trường, lực điện từ (hay lực Lorentz) sẽ được tạo ra, tác động lên dây dẫn Lực này tạo ra mô-men xoắn, làm quay rotor
Khi rotor quay, năng lượng điện được chuyển đổi thành năng lượng cơ học Chuyển động quay của rotor được truyền ra bên ngoài động cơ thông qua trục rotor, có thể sử dụng để thực hiện công việc như quay bánh xe, bơm nước, hoặc vận hành máy móc
− Điều khiển tốc độ và mô-men xoắn:
Tốc độ và mô-men xoắn của động cơ có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi các yếu tố như điện áp cung cấp, tần số dòng điện (trong động cơ AC), hoặc dòng điện và từ trường (trong động cơ DC) Các bộ điều khiển như biến tần (inverter) cho động cơ
AC hoặc bộ điều chỉnh điện áp cho động cơ DC được sử dụng để điều chỉnh hiệu suất của động cơ theo nhu cầu.
Các loại động cơ điện thông dụng
1.2.1 Động cơ không đồng bộ
1.2.1.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ
Hình 1.1 Cấu tạo động cơ KĐB ba pha
Stator của máy điện không đồng bộ gồm các phần chính là lõi thép, dây quấn và vỏ máy
Lõi thép stator do nhiều lá thép kỹ thuật điện đã dập sẵn, ghép cách điện với nhau, chiều dài các lá thép thường là 0.5mm, phía trong có các rãnh để đặt dây quấn
Dây quấn ba pha stator đặt trong các rãnh lõi thép, xung quanh dây quấn có bọc các lớp cách điện với lõi thép Các pha dây quấn đặt cách nhau 120 điện
Vỏ máy để bảo vệ và giữ chặt lõi thép stator Vỏ máy làm bằng nhôm (ở máy nhỏ), bằng gang hay thép đúc (ở máy lớn) Vỏ máy có chân máy để cố định máy trên bệ, hai đầu có nắp máy để đỡ trục rotor và bảo vệ dây quấn
Hình 1.2 Cấu tạo Stator của động cơ KĐB ba pha
Rotor là phần quay gồm lõi thép, trục và dây quấn
Lõi thép rotor cũng gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại Mặt ngoài lõi thép rotor có các rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có lỗ để lắp trục, có khi còn có các lỗ thông gió Trục máy gắn với lõi thép rotor và làm bằng thép tốt Trục được đỡ trên nắp máy nhờ ổ lăn hay ổ bi
Tùy theo cấu tạo dây quấn phần quay, máy điện không đồng bộ chia ra làm hai loại : máy không đồng bộ rotor dây quấn và máy không đồng bộ rotor lồng sóc
Rotor dây quấn (Wound Rotor ): trong các rãnh của lõi thép đặt dây quấn ba pha, thường nối thành hình sao, ba đầu ra của nó nối với ba vành trượt bằng đồng trên trục rotor Ba vành trượt này cách điện với nhau và với trục Tỳ trên ba vành trượt là ba chổi than để nối mạch điện với điện trở bên ngoài (điện trở này có thể là điện trở mở máy hoặc điện trở điều chỉnh tốc độ)
Hình 1.3 Cấu tạo Rotor dây quấn của động cơ KĐB ba pha
− Ưu điểm của động cơ cảm ứng rotor dây quấn (Slip Ring or Wound Induction Motor):
+ Dòng điện mở máy thấp
+ Có thể điều chỉnh tốc độ trong dãy hẹp
+ Chi phí bảo trì thấp
Rotor lồng sóc (Squirrel Cage Rotor ): dây quấn là những thanh đồng hay nhôm đặt trên các rãnh lõi thép rotor, hai đầu các thanh dẫn nối với hai vành đồng hay nhôm, gọi là vòng ngắn mạch Như vậy dây quấn rotor hình thành một cái lồng, gọi là lồng sóc Mỗi thanh dẫn của lồng sóc được xem như một pha Người ta thường chế tạo rotor lồng sóc bằng cách đổ nhôm nóng chảy vào các rãnh lõi thép rotor
Hình 1.4 Cấu tạo Rotor lồng sóc của động cơ KĐB ba pha
Giữa phần tĩnh và phần quay là khe hở không khí Khe hở rất nhỏ, thường từ 0,35 – 1,5cm Mạch từ máy điện không đồng bộ khép kín từ stator sang rotor, qua khe hở không khí Khe hở không khí càng lớn thì dòng điện từ hoá để gây ra từ thông cho máy càng lớn, hệ số cosϕ của máy càng giảm
1.2.1.2 Những thông số ghi trên nhãn máy:
− Công suất định mức ( W, kW, Hp ): là công suất định mức đầu ra trên trục động cơ ( động cơ ), công suất điện đưa ra ( máy phát )
− Điện áp dây định mức Uđm ( V): đối với động cơ ba pha là Udây, đối với động cơ một pha thì Upha là điện áp đặt trên đầu cực của động cơ ( pha – trung tính hoặc pha – pha)
− Dòng điện dây định mức Iđm ( A )
Ví dụ : Trên nhãn máy ghi : / Y – 220/380V – 7,5/ 4,3 A có nghĩa là khi điện áp dây lưới điện bằng 220V thì ta nối dây quấn stator theo hình tam giác và dòng điện dây định mức tương ứng là 7,5 A; khi điện áp mạng điện là 380V thì dây quấn stator nối theo hình sao, dòng điện dây định mức là 4,3A
− Tốc độ quay định mức nđm ( vòng/ phút )
− Tần số định mức ( HZ )
+ Loại động cơ: Theo các tiêu chuẩn National Electrical Code và National Electrical Manufactures Association (NEMA), các motor được phân loại bởi ký tự đặc trưng cho tỷ số của dòng khởi động và dòng định mức Có sáu loại:
A, B, C D, E, F Bằng các ký tự này, có thể xác định chính xác được định mức của circuit breaker, cầu chì và các thiết bị bảo vệ khác
+ Loại A: Dòng khởi động bình thường, 5 đến 7 lần dòng định mức Trên 7 1 2
HP phải giảm điện áp khởi động Moment khởi động bình thường và khoảng 150% định mức Đây là loại motor bình thường (Normal Type), thông dụng (General Purpose) như: máy công cụ, bơm ly tâm, bộ động cơ - máy phát, quạt, máy thổi, các thiết bị cần moment khởi động thấp
+ Loại B: điện kháng cao và dòng khởi động thấp do các rãnh của rotor kín, sâu và hẹp Thông dụng như loại A Nhiều nhà sản xuất chỉ chế tạo động cơ General purpose trên 5hp
+ Loại C: dòng khởi động thấp, 4 1 2 đến 5 lần định mức Full voltage start Moment khởi động cao, khoảng 225% định mức; rotor lồng sóc kép: Ứng dụng: máy nén khí, máy bơm kiểu pitong, máy trộn, máy nghiền, băng tải (conveyor) khởi động dưới tải, máy làm lạnh lớn, các thiết bị cần moment khởi động lớn
+ Loại D: Dòng khởi động thấp Full voltage start Moment khởi động cao, khoảng 275% định mức, dây quấn rotor có điện trở lớn Loại motor này chỉ thích hợp với hoạt động không liên tục (intermittent) và tốc độ không phải ổn định bởi vì độ trượt quá cao và hiệu suất quá thấp Ứng dụng: máy đóng, máy cắt tỉa, xe ủi đất, máy nâng nhỏ, máy kéo kim loại, máy khuấy,… Động cơ rotor dây quấn: điện trở ở mạch rotor cho dòng khởi động thấp và moment khởi động cao Ứng dụng: thang máy, máy nâng, cần trục (crane), (hoist), cán thép, máy ủi, tải quặng hoặc than, …
Hình 1.5 Nhãn máy động cơ KĐB ba pha
− Dòng đầy tải của động cơ được xác định theo công thức sau : Động cơ 3 pha : Iđm ϕ η.cos U 3
P ủm ủm (1.1) Động cơ một pha : Iđm ϕ η cos U
− Moment quay định mức ở đầu trục:
1.2.1.3 Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ
Tính công suất và lựa chọn động cơ cho hệ thống truyền động
1.3.1 Phân loại chế độ làm việc
Các chế độ làm việc của truyền động điện Để tiến hành chọn công suất động cơ điện dựa theo chế độ nhiệt của động cơ, người ta phân loại các chế độ làm việc của động cơ: a Chế độ làm việc dài hạn
Chế độ này động cơ làm việc có phụ tải trong một thời gian dài Do đó, khi làm việc, động cơ có nhiệt độ đạt tới giá trị ổn định Trong đó, nhiệt sai của động cơ cũng đạt tới trị số ổn định
VD: Động cơ làm việc ở chế độ dài hạn là các động cơ kéo quạt gió, bơm nước, máy nén khí
Giản độ phụ tải và đường cong nhiệt sai của động cơ như hình vẽ
Hình 1.32 Giản độ phụ tải và đường cong nhiệt sai ở chế độ dài hạn b Chế độ làm việc ngắn hạn Động cơ làm việc có phụ tải trong 1 thời gian ngắn Nhiệt sai của động cơ chưa đạt tới trị số ổn định thì mất phụ tải, thời gian nghỉ của động cơ rất dài, nhiệt sai của động cơ đủ để giảm xuống bằng nhiệt sai ban đầu
Ví dụ: Động cơ đóng, mở cửa đập nước, động cơ trong các cơ cấu nâng – hạ xà ngang, nêm chặt xà ở các máy cắt gọt kim loại lớn (Tiện đứng, phay giường, bào giường…) Giản đồ phụ tải, đường cong nhiệt sai như hình vẽ:
Hình 1.33 Giản độ phụ tải và đường cong nhiệt sai ở chế độ ngắn hạn c Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại
Thời gian làm việc có phụ tải và thời gian nghỉ xen kẽ nhau Các khoảng thời gian này tương đối ngắn trong thời gian làm việc: tlv, nhiệt sai của động cơ chưa đạt tới trị số ổn định thì mất phụ tải.Trong thời gian nghỉ, nhiệt sai động cơ giảm nhưng chưa về trị số cũ thì lại có phụ tải, nhiệt sai lại tăng lên Quá trình cứ thế mà lặp lại, cuối cùng, nhiệt độ động cơ dao động xung quanh một nhiệt độ ổn định trung bình τtb nào đó giữa τmax và τmin
VD: Cầu trục, máy hàn, cần trục…
Chế độ này được đặc trưng bởi hệ số thời gian đóng điện tương đối:
+ ck lv ng lv lv
T t t t t Các trị số tiêu chuẩn của % là: 15%; 25%; 40%; 60%
Hình 1.34 Giản độ phụ tải và đường cong nhiệt sai ở chế độ ngắn hạn lặp lại ε ε
1.3.2 Phương pháp tính công suất và lựa chọn động cơ cho hệ thống truyền động
1.3.2.1 Phương pháp chung chọn công suất động cơ a Các chỉ tiêu chọn động cơ điện
Chọn động cơ điện phải đảm bảo hai mặt: Kinh tế và kỹ thuật
− Động cơ được chọn phải có cấp điện áp phù hợp với nguồn
− Động cơ phải thích ứng với môi trường làm việc (khô ráo, ẩm ướt, sạch sẽ hoặc bụi bẩn, nóng hoặc lạnh…)
− Động cơ được chọn phải thoả mãn điều kiện phát nóng (Điều kiện cơ bản nhất), sao cho khi làm việc bình thường hoặc khi quá tải cho phép, t 0 động cơ không được vượt quá t 0 cho phép
− Động cơ phải đảm bảo tốc độ yêu cầu, xem có hay không điều chỉnh tốc độ, có cấp hay vô cấp
− Phải đảm bảo điều kiện khởi động tốt theo yêu cầu phụ tải
− Động cơ điện được chọn phải làm việc với hiệu suất kinh tế cao, vốn đầu tư rẻ chi phí vận hành, bảo quản và sửa chữa thấp, sử dụng hết công suất động cơ b Các bước chọn công suất động cơ Động cơ điện muốn kéo được cơ cấu sản xuất cần phải sản ra một moment Mđ có khả năng khắc phục được các moment sau: Moment phụ tải cơ cấu sản xuất: Mpt; Moment không tải M0; Moment động Mđg, nghĩa là Mđ Mpt + M0 + Mđg Muốn tìm được Mđ cần có các điều kiện ban đầu và các bước tính toán
− Phải có biểu đồ phụ tải cơ cấu sản xuất: Mc = f1(t) hoặc Pc = f2(t) hoặc nhiệt lượng tiêu hao Q= f3(t) hay dòng điện I= f4(t)
− Phải có biểu đồ biến thiên tốc độ trong qúa trình làm việc: n= f5(t) hoặc
= f6(t) Giả thiết biểu đồ đã cho như hình vẽ trang bên
Trước hết căn cứ vào biểu đồ phụ tải tĩnh: Mc = f(t), tính moment trung bình theo biểu thức:
Sau đó, chọn sơ bộ động cơ có Mđm ≥ Mtb
− Tính moment động: Mđg ( xuất hiện trong quá trình quá độ: Mở, hãm, đảo chiều quay động cơ v.v…): ω α tg dt J
Jht: Moment quán tính của hệ thống đã quy đổi về đầu trục động cơ
− Vẽ biểu đồ Mđg = f(t) như hình vẽ
− Vẽ biểu đồ phụ tải động của hệ thống như hình vẽ: Mcđg= Mpt+ Mo + Mđg
− Dựa vào biểu đồ phụ tải động, kiểm tra khả năng quá tải của động cơ theo điều kiện: λM Mđm ≥ Mmax
Mđm: Moment định mức của động cơ đã chọn sơ đồ
Mmax: Moment max trên biểu đồ phụ tải λM: Bội số moment (hệ số quá tải)
− Kiểm tra lại suất động cơ theo điều kiện phát nóng Nếu kiểm tra không thoả mãn => Chọn lại động cơ
1.3.2.2 Chọn công suất động cơ cho truyền động không điều chỉnh tốc độ Để chọn công suất động cơ, ta cần phải biết đồ thị phụ tải Mc(t) và Pc(t) đã quy đổi về trục động cơ và giá trị tốc độ yêu cầu Từ đồ thị phụ tải, chọn sơ bộ công suất động cơ, tra sổ tay các tham số, từ đó, xây dựng đồ thị phụ tải chính xác Sau đó, tiến hành kiểm nghiệm động cơ đã chọn
❖ Chọn công suất động cơ làm việc dài hạn Đối với phụ tải dài hạn, có loại không đổi, có loại biến đổi
• Phụ tải dài hạn không đổi: Động cơ cần chọn phải có công suất định mức lớn hơn công suất yêu cầu: Pđm ≥
Pc và tốc độ định mức phù hợp với yêu cầu Thường thì chọn Pđm = (1 ÷ 1,3)Pc Trong trường hợp này, việc kiểm nghiệm động cơ đơn giản, không cần kiểm nghiệm quá tải về moment, nhưng cần phải kiểm nghiệm điều kiện khởi động và phát nóng
• Phụ tải dài hạn biến đổi: Để chọn được động cơ phải xuất phát từ đồ thị phụ tải, tính ra giá trị trung bình của moment hoặc công suất:
; (1.50) Động cơ chọn phải có: Mđm = (1 ÷ 1,3).Mtb (1.51)
Pđm = (1 ÷ 1,3).Ptb (1.52) Điều kiện kiểm nghiệm: Kiểm nghiệm về phát nóng, khởi động, quá tải về moment
❖ Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn
Trong chế độ làm việc ngắn hạn có thể sử dụng động cơ dài hạn hoặc sử dụng động cơ chuyên dùng cho chế độ làm việc ngắn hạn
• Chọn động cơ dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn:
Trong trường hợp không có động cơ chuyên dụng cho chế độ ngắn hạn, ta có thể chọn các động cơ thông thường chạy dài hạn để làm việc trong chế độ ngắn hạn Nếu chọn động cơ dài hạn theo phương pháp thông thường có Pđm = (1÷1,3)Pc thì khi làm việc ngắn hạn trong khoảng thời gian tlv nhiệt độ động cơ mới tăng tới nhiệt độ τ1 đã nghỉ làm việc và sau đó hạ nhiệt độ đến nhiệt độ môi trường τmt Rõ ràng việc này gây lãng phí vì không tận dụng hết khả năng chịu nhiệt (tới nhiệt độ τôđ) của động cơ
Vì vậy khi dùng động cơ dài hạn để làm việc ở chế độ ngắn hạn, cần chọn công suất động cơ nhỏ hơn để động cơ phải làm việc quá tải trong thời gian đóng điện tlv Động cơ sẽ tăng nhiệt độ nhanh hơn nhưng khi kết thúc thời gian làm việc, nhiệt độ của động cơ không được quá nhiệt độ τôđ cho phép
Như vậy, để chọn động cơ dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn, ta phải dựa vào công suất làm việc yêu cầu P lv và giả thiết hệ số quá tải công suất x để chọn sơ bộ công suất động cơ dài hạn (P lv = x.Pđm hay Mlv = x.Mđm) Từ đó có thể xác định được thời gian làm việc cho phép của động cơ vừa chọn Việc tính chọn đó được lập lại nhiều lần làm sao cho tlv tính toán ≤ tlv yêu cầu
• Chọn động cơ ngắn hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn: Động cơ ngắn hạn được chế tạo có thời gian làm việc tiêu chuẩn là 15, 30, 60, 90 phút Như vậy ta phải chọn t lv = tchuẩn và công suất động cơ Pđm chọn ≥ Plv hay Mđm chọn
Nếu tlv ≠ tchuẩn thì sơ bộ chọn động cơ có tchuẩn và Pđm gần với giá trị tlv và Plv Sau đó xác định tổn thất động cơ ∆Pđm với công suất và ∆Plv với Plv Quy tắc chọn động cơ là:
(1.53) Đồng thời tiến hành kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện quá tải về moment và moment khởi động cũng như điều kiện phát nóng
❖ Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn lặp lại
Câu hỏi ôn tập
1 Động cơ điện là gì và vai trò của nó trong hệ thống truyền động điện là gì?
2 Cấu trúc cơ bản của một động cơ điện bao gồm những thành phần nào?
3 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện là gì và làm thế nào để chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng?
4 Phương trình đặt tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha
5 Trình bày các phương phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha
Bài 6.1.Cho đồ thị phụ tải tĩnh của một máy sản xuất có các tham số sau :
- Hệ thống yêu cầu tốc độ bằng 1800V/phút
- Động cơ để kéo hệ thống trên có :Pđm = 13KW, nđm = 1000V/phútm = 2,2
- Hãy kiểm tra tính hợp lý của động cơ trên
Bài 6.2 Cho đồ thị phụ tải sau :
- Có tốc độ yêu cầu nyc = 720V/phút
- Động cơ kéo máy trên có thông số :Pđm = 11KW, nđm = 720V/phút, Uđm 220/380V, đc = 60% đấu sao
- Hãy kiểm tra công suất của động cơ trên
Bài 6.3.Hãy xác định công suất động cơ kéo 1 máy sản xuất có đồ thị phụ tải sau:
- Có tốc độ yêu cầu bằng 1450V/phút
Bài 6.4.Cho đồ thị phụ tải sau :
- Dùng cho động cơ dài hạn có Pđm = 10 KW, nđm = 750V/phút, Uđm 220/380V kéo phụ tải ở tốc độ định mức Hãy kiểm tra công suất động cơ trên.
BIẾN TẦN
Khái niệm chung về biến tần (VFD)
Biến tần (Inverter) là thiết bị điện tử dùng để biến đổi dòng điện một chiều (DC) từ các nguồn như pin hoặc hệ thống năng lượng mặt trời thành dòng điện xoay chiều (AC) hay dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được Trong ứng dụng công nghiệp, biến tần thường được sử dụng để điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ điện AC bằng cách điều chỉnh tần số và điện áp của dòng điện đầu ra
Biến tần có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau Dưới đây là các phân loại chính:
2.1.2.1 Theo nguyên lý hoạt động
+ Biến tần điện áp (Voltage Source Inverter - VSI):
+ Sử dụng nguồn điện áp cố định
+ Đặc điểm: Thiết kế đơn giản, dễ điều khiển, phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp
+ Ứng dụng: Động cơ điện, bơm, quạt, máy nén khí
+ Biến tần dòng điện (Current Source Inverter - CSI):
+ Sử dụng nguồn dòng điện cố định
+ Đặc điểm: Khả năng kiểm soát dòng điện tốt, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao
+ Ứng dụng: Hệ thống truyền động, thiết bị đòi hỏi mô-men xoắn ổn định
Sử dụng cho các ứng dụng nhỏ, thường có công suất thấp Ứng dụng: Thiết bị gia dụng, hệ thống điều hòa không khí
Sử dụng cho các ứng dụng công nghiệp lớn, có công suất cao Ứng dụng: Máy móc công nghiệp, hệ thống bơm và quạt công nghiệp
+ Biến tần cho bơm và quạt:
+ Được thiết kế đặc biệt để tối ưu hóa hiệu suất của bơm và quạt
+ Đặc điểm: Có các chức năng chuyên biệt như điều khiển áp suất, điều khiển lưu lượng
+ Ứng dụng: Hệ thống HVAC, bơm nước, quạt thông gió
+ Biến tần cho thang máy và máy nén:
+ Được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu vận hành của thang máy và máy nén khí
+ Đặc điểm: Khả năng chịu tải tốt, điều khiển mô-men xoắn chính xác + Ứng dụng: Thang máy, hệ thống nén khí công nghiệp
+ Biến tần công suất nhỏ:
+ Công suất từ vài trăm W đến vài kW
+ Ứng dụng: Các thiết bị gia dụng, hệ thống chiếu sáng
+ Biến tần công suất trung bình:
Công suất từ vài kW đến vài chục kW Ứng dụng: Các máy móc công nghiệp vừa và nhỏ, hệ thống xử lý nước
+ Biến tần công suất lớn:
+ Công suất từ vài chục kW trở lên
+ Ứng dụng: Các hệ thống sản xuất công nghiệp lớn, nhà máy điện
2.1.2.5 Phân loại theo phương pháp biến đổi
Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc biến tần trực tiếp
Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi dòng điện xoay chiều với tần số của lưới điện thành dòng xoay chiều có tần số khác với tần số của lưới trực tiếp không qua khâu trung gian một chiều Biến tần trực tiếp gồm hai bộ chỉnh lưu nối song song ngược Các bộ chỉnh lưu có thể là sơ đồ ba pha có điểm trung tính, sơ đồ cầu hoặc bộ chỉnh lưu nhiều pha
+ Sơ đồ cấu trúc: Bao gồm các khâu: Chỉnh lưu (CL), lọc (L), và nghịch lưu (NL) Như vậy bộ biến đổi tần số cần thông qua khâu trung gian một chiều
Hình 2.2 Cấu trúc của biến tần gián tiếp
2.1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến tần
VFD được tạo thành từ 5 thành phần chính: bộ chỉnh lưu, bus/bộ lọc DC, Bộ biến tần, bộ điều khiển và giao diện người dùng Sơ đồ khối của VFD được đưa ra dưới đây
Hình 2.3 Cấu trúc chung của biến tần
+ 3-Phase AC: Điện xoay chiều ba pha
+ DC Bus/Filter: Thanh dẫn DC/Bộ lọc
+ 3-Phase AC Variable Frequency & Voltage: Điện xoay chiều ba pha có tần số và điện áp biến đổi + Control Unit: Bộ điều khiển
+ Operator Interface: Giao diện người vận hành
Hình 2.4 Bộ chỉnh lưu cầu
+ 3-Phase AC: nguồn điện xoay chiều ba pha
+ Rectifier Section: Bộ chỉnh lưu
+ +ve DC Rail: Thanh dẫn DC dương
+ -ve DC Rail: Thanh dẫn DC âm
Nguồn cung cấp AC đầu vào được kết nối với phần chỉnh lưu của VFD Nó là bộ chỉnh lưu toàn sóng giúp chuyển đổi nguồn AC thành DC chưa được lọc
Nó được làm từ 6 hoặc 4 diode hoặc thyristor Sáu diode được sử dụng để chuyển đổi nguồn ba pha trong khi 4 diode trong cấu hình cầu được sử dụng để chuyển đổi nguồn điện xoay chiều một pha Bộ chỉnh lưu diode được sử dụng để chuyển đổi không điều khiển, trong khi thyristor cung cấp khả năng chuyển mạch có kiểm soát, cho phép điều chỉnh công suất DC đầu ra
Mạch được trình bày đại diện cho một bộ chỉnh lưu diode ba pha Nó bao gồm 6 diode, trong đó mỗi pha được kết nối với một cặp diode để chỉnh lưu Ba trong số sáu diode được kết nối theo chiều thuận với đầu ra DC dương, trong khi ba diode còn lại được kết nối theo chiều ngược với đầu ra DC âm Bộ chỉnh lưu chuyển đổi tín hiệu đầu vào dạng sin thành DC dao động, biên độ dao động từ đỉnh dương tối đa xuống 0 volt Để trực quan hóa, các hình dạng sóng đầu vào và đầu ra được hiển thị cùng với sơ đồ mạch
Hình 2.5 Sóng điện áp đầu ra sau bộ chỉnh lưu
+ DC Bus và bộ lọc (The DC Bus and Filter)
Hình 2.6 DC bus và tụ điện lọc
+ Fluctuating DC: Điện một chiều dao động
+ Smooth & Stable DC: Điện một chiều mịn và ổn định
+ DC Bus & Filter Section: Phần thanh dẫn DC và bộ lọc
Thành phần chính của bộ này là các tụ điện, được sử dụng để lọc gợn sóng từ DC dao động và cũng để lưu trữ năng lượng Tùy thuộc vào loại gợn sóng cần lọc, một cuộn cảm cũng có thể được bao gồm trong mạch lọc Các tụ điện này không chỉ giúp làm mịn dòng DC mà còn tăng cường hiệu quả và độ ổn định của hệ thống biến tần bằng cách cung cấp một nguồn năng lượng DC ổn định cho bộ phận nghịch lưu sử dụng tiếp theo
Hình 2.7 Sóng điện áp sau DC bus và bộ lọc
+ Stable DC: Điện DC ổn định
+ Inverter Section: Bộ nghịch lưu
+ 3-Phase AC Variable Frequency & Voltage: Nguồn AC 3 pha pha tần số và điện áp thay đổi
Bộ nghịch lưu thường được tạo thành từ các transistor công suất hoặc IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) Những thiết bị này chuyển đổi nhanh chóng để cung cấp điện áp xoay chiều tại đầu ra Tần số chuyển mạch của chúng quyết định tần số AC đầu ra Cụ thể, tốc độ chuyển mạch của IGBTs được điều khiển thông qua đơn vị điều khiển
Trong việc chuyển đổi một pha, 4 IGBTs được sử dụng, trong khi chuyển đổi điện ba pha yêu cầu 6 IGBTs Điều này cho phép biến tần điều chỉnh động cơ với hiệu quả cao hơn và cung cấp khả năng điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ một cách chính xác hơn
Hình 2.9 Sơ đồ sóng điện áp lần lượt từ nguồn qua các giai đoạn đến động cơ KĐB ba pha
− Bộ điều khiển (Control unit)
Bộ điều khiển bao gồm một vi xử lý nhúng được lập trình để điều khiển các phần bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu Nó có thể phản ứng trong vài microgiây trong trường hợp có bất kỳ điều kiện lỗi nào Dữ liệu phản hồi từ cảm biến tốc độ được sử dụng để giám sát tốc độ cũng như điều chỉnh nó cho phù hợp với nhu cầu
Việc tích hợp này không chỉ cho phép điều khiển chính xác tốc độ và công suất của động cơ mà còn cải thiện độ an toàn và hiệu quả hoạt động của hệ thống biến tần
Bộ điều khiển kết nối với các giao diện người dùng, cho phép người dùng thiết lập các thông số hoạt động mong muốn và theo dõi trạng thái của hệ thống qua các bảng điều khiển hoặc màn hình hiển thị
− Giao diện người dùng (Operator Interface) Để đạt được mức sử dụng năng lượng tối ưu hoặc tiết kiệm năng lượng, cần có giao diện người dùng để định cấu hình VFD Giao diện người dùng là bảng điều khiển được kết nối với VFD, cho phép người dùng nhập thủ công Những phạm vi này từ bàn phím đến màn hình cảm ứng LCD Các hệ thống mới hơn cung cấp bảng điều khiển không dây Bluetooth
Hình 2.10 Màn hình giao diện và điều khiển của biến tần
2.1.3.2 Nguyên lý hoạt động của biến tần
Biến tần kết hợp 3 giai đoạn sau đây để có thể điều khiển tốc độ của động cơ cảm ứng điện từ 3 pha
Hình 2.11 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt độn biến tần Điện từ lưới được đưa vào mạch chỉnh lưu, nơi chuyển đổi AC cố định thành DC cố định Bộ chuyển đổi ba chân bao gồm hai diode được kết nối song song cho mỗi pha, sao cho một trong các diode dẫn điện khi pha đặc biệt đó dương hoặc âm hơn so với các pha khác Điện áp DC xung được tạo ra từ bộ chỉnh lưu được áp dụng cho mạch liên kết DC Mạch trung gian này bao gồm cuộn cảm và tụ điện Nó lọc điện áp DC xung bằng cách giảm nội dung gợn sóng và cung cấp mức điện DC ổn định Để cung cấp điện áp biến đổi và tần số biến đổi cho động cơ, điện DC từ mạch liên kết DC cần được chuyển đổi thành AC biến đổi bởi bộ nghịch lưu Bộ nghịch lưu bao gồm các thiết bị chuyển mạch IGBT được điều khiển bằng kỹ thuật PWM
Các phương pháp điều khiển
V/F là chế độ điều khiển cơ bản và phổ biến ở tất cả các loại biến tần Dựa theo nguyên tắc moment xoắn trên trục động cơ không đồng bộ phụ thuộc vào tỉ lệ tần số và điện áp nguồn cấp, vì thế mục đích của chế độ trên là điều khiển tỉ lệ V/F = hằng số Trong chế độ này, biến tần điều khiển tần số theo dải 0Hz – Fmax và tương ứng điện áp theo dải 0V – Vmax Trên thực tế, tỉ lệ giữa tần số và điện áp được chia theo 3 dải tốc độ:
Từ 0hz đến F khởi động (hz): Điện áp cấp vào thấp suy ra dòng khởi động thấp dẫn đến động cơ không đủ moment để khởi động, vì vậy việc bù điện áp được thực hiện dẫn đến tỉ lệ V/F không tuyến tính
Từ F khởi động (hz) đến F định mức (hz): tỷ lệ V/F tuyến tính vì thế moment động cơ ổn định
F hoạt động (hz) > F định mức (hz): điện áp bị giới hạn tại điện áp định mức vì tránh sự cố phá vỡ cách điện giữa các dây quấn Do đó, moment động cơ bị giảm
Hình 2.13 Phương pháp điều khiển V/f Đối với động cơ không đồng bộ, tốc độ trên trục động cơ luôn tồn tại hệ số trượt s Khi động cơ hoạt động không tải, hệ số trượt s rất nhỏ vì thế tốc độ động cơ gần bằng tốc độ của từ trường quay Khi động cơ hoạt động có tải, hệ số trượt lớn, chế độ V/F sẽ không chính xác vì thế độ bù trượt được áp dụng để cải thiện yếu tố trên
2.2.2 Phương pháp điều khiển PWM
Một phương pháp điều khiển phổ biến trong điện tử công suất để quản lý điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi, đặc biệt là bộ biến tần DC/AC, là điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) Khái niệm cơ bản đằng sau xung điều chỉnh độ rộng xung đầu ra để điều chỉnh điện áp đầu ra trung bình VớiPWM, nguồn điện áp đầu vào cố định có thể tạo ra dạng sóng đầu ra hình sin với tần số và biên độ thay đổi.
Phương pháp PWM trong bộ biến tần cung cấp khả năng kiểm soát tốt đối với dạng sóng điện áp đầu ra trong VSI, cho phép điều chỉnh điện áp cũng như dòng điện chính xác Điều này rất quan trọng đối với nhiều ứng dụng cần điều khiển điện áp chính xác để đạt hiệu suất cao nhất, bao gồm bộ truyền động động cơ, hệ thống năng lượng tái tạo và nguồn điện liên tục (UPS).
Với việc sử dụng PWM, cũng có thể kiểm soát độ méo sóng hài của dạng sóng đầu ra, điều này cuối cùng dẫn đến chất lượng điện năng được cải thiện và giảm tổn thất hệ thống Ngược lại với các kỹ thuật điều chế sóng vuông cơ bản, PWM trong bộ biến tần mang lại lợi thế về khả năng kiểm soát được cải thiện đối với điện áp, tần số và sóng hài đầu ra.
Các phương pháp PWM phổ biến, cũng như tác động của chúng đến hiệu suất của biến tần, hàm lượng sóng hài và độ méo, được đề cập trong bộ biến tần một pha và bộ biến tần ba pha trong phần bên dưới.
2.2.2.1 Các loại kỹ thuật PWM
Có nhiều dạng khác nhau dành cho bộ biến tần một pha Các quy trình được thiết kế thông minh này sẽ tính đến hoạt động của bộ biến tần chỉ ở các trạng thái chuyển mạch được phép để ngăn ngừa mọi hư hỏng tiềm ẩn Ví dụ, để ngăn nguồn bị chập mạch, các công tắc trong cùng một nhánh của VSI không bao giờ được bật Dưới đây là danh sách các phương pháp điều khiển xung điện xung thông thường dành cho bộ biến tần một pha toàn cầu.
❖ Điều chế độ rộng xung đơn
Hình 2.14 Tạo tín hiệu điều chế độ rộng xung đơn
+ arrier signal: Tín hiệu mang
+ Reference Signal: Tín hiệu tham chiếu
+ Ac: Biên độ tín hiệu mang
+ Ar: Biên độ tín hiệu tham chiếu
+ Gate signal for T1: Tín hiệu điều khiển cho T1
+ Gate signal for T4: Tín hiệu điều khiển cho T4
Hình 2.15 Dạng sóng đầu ra điều chế độ rộng xung đơn
Hình 2.14 minh họa điều chế độ rộng xung đơn; một phương pháp tiếp cậnP WM đơn giản bao gồm việc tạo các xung cổng có độ rộng và vị trí có thể điều chỉnh được Khi chỉ số điều chế M, là tỷ số giữa tín hiệu tham chiếu Ar và giá trị cực đại của tín hiệu sóng mang Ac, thay đổi thì vị trí và độ rộng của xung này trong mỗi nửa chu kỳ cũng thay đổi hoặc bị điều chế.
Hình 2.15 mô tả bộ biến tần toàn cầu một pha Tín hiệu sóng mang được so sánh với tín hiệu tham chiếu để tạo ra xung cổng cho các công tắc T1 (và T2), được gọi là g1 và T3 (và T4), được gọi là g4 như được chỉ ra trong Hình 2.24 Biên độ dương của tham chiếu và sóng mang tín hiệu xác định g1, trong khi g4 được xác định bởi cường độ âm của chúng Kết quả là hình 2.25 hiển thị điện áp đầu ra.
Sóng hài thứ ba nổi bật trong điều này Hệ số méo (DF) được định nghĩa là tỷ lệ giữa bình phương trung bình gốc của sóng hài với thành phần cơ bản, với độ suy giảm bậc hai (chia cho bình phương của từng bậc hài) Cần xem xét thực tế là bộ lọc đầu ra sẽ làm giảm sóng hài một cách hiệu quả hơn DF tăng khi M giảm, ngụ ý điện áp đầu ra thấp hơn Cuối cùng, giá trị chấp nhận được của M là xấp xỉ 0,8, trong đó DF là nhỏ nhất
❖ Điều chế độ rộng nhiều xung
Hình 2.16 Tạo tín hiệu cổng trong điều chế độ rộng nhiều xung
Hình 2.17 Điện áp đầu ra trong điều chế độ rộng nhiều xung
Một chuỗi xung có thể được tạo ra trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp đầu ra để giảm hàm lượng sóng hài đầu ra Như được minh họa trong Hình 2.16 một số xung cổng có thể được tạo ra bằng cách so sánh tín hiệu tham chiếu với tín hiệu sóng mang tam giác Như với điều chế độ rộng xung đơn, g1 được xác định bằng một so sánh hình sin đơn và g4 được xác định bằng so sánh lệch pha 180 0 Số lượng xung trong mỗi nửa chu kỳ được xác định bởi tần số sóng mang Hơn nữa, tần số của tín hiệu tham chiếu ảnh hưởng đến tần số của tín hiệu đầu ra Cuối cùng, chỉ số điều chế điều chỉnh điện áp RMS đầu ra Hình 2.17 mô tả dạng sóng điện áp đầu ra tổng hợp Khi so sánh với điều chế độ rộng xung đơn, DF cho điều chế độ rộng nhiều xung thấp hơn đáng kể Tuy nhiên, tổn thất chuyển mạch tăng khi số chu kỳ chuyển mạch tăng lên.
❖ Điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM)
Hình 2.18 Tạo tín hiệu cổng trong điều chế độ rộng xung hình sin
Hình 2.19 Dạng sóng điện áp đầu ra trong điều chế độ rộng xung hình sin Điều chế độ rộng xung hình sin (viết tắt là SPWM) là một loại điều chế độ rộng xung phức tạp hơn Trong hình 2.19, SPWM tạo ra một chuỗi xung cho từng tín hiệu cổng g1 và g4 bằng cách so sánh tín hiệu tham chiếu hình sin với tín hiệu sóng mang hình tam giác Độ rộng của mỗi xung dao động tỷ lệ với biên độ của sóng hình sin tham chiếu ở tâm xung Tần số tín hiệu tham chiếu xác định tần số tín hiệu đầu ra trong SPWM Hơn nữa, biên độ cực đại của tín hiệu tham chiếu ảnh hưởng đến chỉ số điều chế M, chỉ số này điều khiển điện áp RMS đầu ra Số xung trong mỗi chu kỳ tín hiệu đầu ra được xác định bởi tần số sóng mang Điều đáng nói là không có hai công tắc nào trong cùng một nhánh cầu dẫn điện cùng một lúc Hình 2.19 mô tả dạng sóng điện áp đầu ra điển hình trong SPWM Khi so sánh với các phương pháp điều chế độ rộng xung đơn và đa xung, SPWM mang lại khả năng loại bỏ sóng hài lớn hơn với các sóng hài và
DF bậc thấp hơn nhiều.
Các biến thể SPWM khác tồn tại, chẳng hạn như khi tín hiệu sóng mang chỉ được áp dụng trong khoảng thời gian 60 0 đầu tiên và cuối cùng của nửa chu kỳ, giúp cải thiện chất lượng sóng hài đầu ra
2.2.2.2 Điều chế vectơ không gian
Vector không gian của các đại lượng ba pha
ĐCKĐB ba pha đều có ba cuộn dây statorvới dòng điện ba pha bố trí không gian tổng quát như hình 2.25
Hình 2.25 Sơ đồ cuộn dây và dòng statorcủa ĐCKĐB ba pha
Trong hình trên, ta không quan tâm đến động cơ đấu hình sao hay tam giác Ba dòng điện isa, isb, isc là ba dòng chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ Khi động cơ chạy bằng biến tần thì đó là ba dòng ở đầu ra của biến tần
Giả thuyết các dòng isa, isb, isc ở ba pha dây quấn statorlà cân bằng, ta có: isa(t) + isb(t) + isc(t) = 0 (2.1)
120 cos cos t i t i t i t i t i t i s s sc s s sb s s sa ω ω ω
Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang), ĐCKĐB ba pha có ba cuộn dây lệch nhau một góc 120° Nếu trên mặt cắt đó ta thiết lập một hệ tọa độ phức với trục thực đi qua trục cuộn dây pha a của động cơ, ta có thể xây dựng vector không gian sau đây:
(2.3) Trong công thức (2.3), vector i s ( ) t là vector có modul không đổi quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc ωs = 2πfs và tạo với trục thực một góc γ = ωst Trong đó fs là tần số mạch stator Việc xây dựng vector i s ( ) t được mô tả trong Hình 2.26
Hình 2.26 Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha
Qua hình 2.26 ta có thể thấy rằng các dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector mới thu được lên trục của cuộn dây pha tương ứng Đối với các đại lượng như: điện áp, dòng rotor, từ thông statorhoặc từ thông rotor của động cơ ta có thể xây dựng vector không gian tương tự như vectơ không gian dòng stator
❖ Chuyển hệ tọa độ (a, b, c ) → (α, β) (Phép biến đổi Clark thuận)
Trong máy điện ba pha đối xứng, dòng điện statordọc trục và ngang trục là các thành phần dòng ảo (2 pha dọc trục), có liên hệ với dòng điện statorba pha thực như sau:
1 2 ( 1 sc sb s sc sb sa s i i k i i i i k i β α
Với k là hằng số biến đổi (đối với phép biến đổi bảo toàn năng lượng
Trong trường hợp này thành phần dòng statordọc trục trùng với trục cuộn dây pha u của động cơ nên isa = isα
Nếu giả thuyết isa + isb + isc = 0, thành phần dòng statorngang trục có thể được biểu diễn bằng cách sử dụng hai pha của hệ ba pha (phép biến đổi Clark thuận):
(2.5) Chuyển hệ tọa độ (α, β) → (a, b, c) (phép biến đổi Clark ngược)
Phép biến đổi Clark ngược được sử dụng để chuyển hệ tọa độ từ (α, β) sang hệ tọa độ (a, b, c) Phép biến đổi được thực hiện như sau:
Hệ trục tọa độ quay (d, q)
Trong mặt phẳng của hệ tọa độ (α, β), ta xây dựng một hệ tọa độ mới có trục hoành d và trục tung q có chung điểm gốc với hệ tọa độ (α, β), nằm lệch đi một góc θs và quay với tốc độ dt f s d s s π θ ω = 2 = Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector không gian tương ứng với hai hệ tọa độ này Mối liên hệ giữa hai hệ tọa độ sẽ được mô tả ở Hình 2.27
Hình 2.27 Biểu diễn vectơ không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor (d, q)
Do các vector i s và ψ r cũng như bản thân hệ tọa độ dq quay đồng bộ với nhau với tốc độ góc ωs quanh điểm gốc, các phần tử vector như: isd, isq,… là các đại lượng một chiều Trong chế độ vận hành xác lập, các phần tử đó thậm chí có thể là không đổi Trong quá trình quá độ, chúng có thể biến thiên theo một thuật toán điều khiển đã định trước
Hơn nữa, trong hệ tọa độ dq, ψrq = 0 do vuông góc với vector ψ r f (vector từ thông rotor quan sát trên hệ tọa độ dq trùng với trục d) nên rd f r ψ ψ =
❖ Chuyển hệ tọa độ (α, β) → (d, q) (phép biến đổi Park thuận)
❖ Chuyển hệ tọa độ (d, q) → (α, β) (phép biến đổi Park ngược)
= s sq s sd s s sq s sd s i i i i i i θ θ θ θ β α cos sin
Trên thực tế, có nhiều phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB có thể chia làm hai loại:
+ Điều khiển điện áp stator
+ Điều khiển điện trở rotor
+ Điều khiển định hướng trường
+ Điều khiển mô-men trực tiếp
Tổng quát, một động cơ điện tương tự như một nguồn moment điều khiển được Yêu cầu điều khiển chính xác giá trị moment tức thời của động cơ được đặt ra trong hệ truyền động có đặc tính động cao và sử dụng phương pháp điều khiển vị trí trục rotor Moment sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dòng trong cuộn ứng và từ thông sinh ra trong hệ thống kích từ của động cơ Từ thông phải được giữ tối ưu nhằm đảm bảo moment sinh ra tối đa và giảm tối thiểu độ bão hòa của mạch từ Với từ thông có giá trị không đổi, moment sẽ tỉ lệ thuận với dòng ứng Trong động cơ không đồng bộ, dòng ứng là dòng rotor và từ thông được sinh ra bởi dòng stator Tuy nhiên, dòng rotor không được trực tiếp điều khiển bởi nguồn ngoài mà là hệ quả do sức điện động cảm ứng sinh ra do kết quả chuyển động của rotor so với từ trường stator Do đó, dòng statorlà nguồn của từ thông và dòng ứng
Trong động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, chỉ có dòng statorđược điều khiển trực tiếp, do đó việc điều khiển moment tối ưu khó thực hiện vì không thể bố trí cố định về mặt vật lý giữa từ thông statorvà rotor được và phương trình moment là phi tuyến Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã đưa ra nguyên lý định hướng theo trường (FOC) Nguyên lý này xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thông và momentt, nó dựa trên phương pháp phân tách phi tuyến được sử dụng trong điều khiển các hệ thống phi tuyến Bản chất của phương pháp này là điều khiển các biến đã chọn sao cho chúng luôn bằng 0 Điều này làm cho mô hình toán trở nên đơn giản hơn rất nhiều vì có thể loại bỏ một số nhánh trong mô hình tổng quát
Phương pháp điều khiển định hướng theo trường bao gồm:
- Điều khiển định hướng theo vector từ thông stator(trực tiếp, gián tiếp)
- Điều khiển định hướng theo vector từ thông rotor (trực tiếp, gián tiếp)
- Điều khiển định hướng theo vector từ thông khe hở không khí (trực tiếp, gián tiếp)
Ta chỉ đề cập đến phương pháp điều khiển “định hướng từ thông rotor ” do nó có thể điều khiển độc lập từ thông và momentt Còn phương pháp điều khiển định hướng từ thông statorvà từ thông khe hở không khí không thể điều khiển độc lập hai thành phần này
Trong phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor, mô hình động cơ không đồng bộ được biểu diễn trên hệ trục d-q bởi nó những ưu điểm sau:
- Trong hệ từ thông rotor (d-q), các vector dòng stator is f và vector từ thông rotor
Vr, cùng với hệ trục (d-q) quay gần đồng bộ với nhau với tốc độ Qs quanh điểm gốc, do đó các phần tử của vector ĩsf ( i sd , i sq ) là các đại lượng một chiều.
Hình 2.28 Hệ trục từ thông rotor (dq)
- Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như không đổi; trong quá trình quá độ, các giá trị này có thể biến thiên theo một thuật toán đã được định trước.
Từ phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ :
(2.10) r (chỉ số trên): hệ quy chiếu trục rotor s (chỉ số phía trên) : hệ trục a-P f (chỉ số phía trên) : hệ trục d-q
0 r: góc lệch giữa hệ trục a-P và d-q
0: góc lệch giữa trục rotor và trục a w = ®= L m= ® + rn, (2.11) dt r dt s sl
Với wr : tốc độ góc của từ thông rotor so với stator(rad/s) os : tốc độ góc của từ thông statorso với stator(rad/s)
Msl : tốc độ trượt (rad/s) Kết hợp các phương trình (2.9) (2.1) (2.11) ta được: dỉLtmp dt Tr s dm L , 1
—— = —m i - ^- m +m m dt T sd y T rd sl T rq
= v^.m dt T sq rq sl rd
Trong hệ trục d-q, ự = 0 Suy ra, phương trình từ thông được viết lại như sau: dv r _dv rd = L m i - 1 dt dt T sd T m rd (2.14) v r =rL m- i sd ( s: toán tử laPlace)
Moment của động cơ được tính như sau:
(2.16) Phương trình từ thông statorvà rotor trong hệ d-q:
Thay phương trình trên vào phương trình tính moment ta được:
T e = |p72 L m (v rd i sq -v rq ' • ) = fp T v 2 L rd ĩ sq