Hệ truyền động điện biến tần - động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp

Hệ truyền động điện biến tần - động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp

Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 2 (42) /Năm 2007 43 Hệ truyền động điện Biến tần- động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp Trần Xuân Minh - Nguyễn Nh Hiển (Trờng ĐH Kỹ thuật công nghiệp - ĐH Thái Nguyên) 1. Đặt vấn đề Theo [2], [3], [7], [8], động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp là động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha rotor dây quấn với sơ đồ đấu dây đặc biệt (hình 1). Với cách đấu dây này, động cơ làm việc nh một động cơ đồng bộ (có đờng đặc tính cơ tuyệt đối cứng), do quan niệm từ thông động cơ tạo bởi cuộn dây rotor, mà cuộn dây này lại đợc đấu nối tiếp với cuộn dây stator nên trong trờng hợp này động cơ đợc gọi là động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp (ĐCĐBKTNT). Trong [2], [3], [7], [8], đ giới thiệu các kết quả nghiên cứu về chế độ xác lập của động cơ, qua đó, đ khẳng định các u điểm nổi bật của ĐCĐBKTNT. Nhng do động cơ làm việc nh một động cơ đồng bộ nên vấn đề khởi động động cơ là một nội dung quan trọng cần phải đợc nghiên cứu. Ngoài ra cũng phải xét đến phơng pháp điều chỉnh tốc độ cũng nh các yêu cầu đối với các thiết bị trong hệ điều chỉnh tự động truyền động điện. Nghiên cứu về các phơng pháp khởi động ĐCĐBKTNT và xây dựng cấu trúc điều khiển cũng nh xác định lĩnh vực có thể ứng dụng hệ truyền động mới này là nội dung cơ bản của bài báo đợc trình bày sau đây. 2. Các cấu trúc của hệ truyền động biến tần-ĐCĐBKTNT 2.1. Các phơng pháp khởi động ĐCĐBKTNT trong hệ truyền động điện ĐCĐBKTNT cũng tơng tự nh các động cơ đồng bộ khác là không thể khởi động lên tốc độ làm việc (tốc độ đồng bộ) bằng cách đóng trực tiếp điện áp xoay chiều cung cấp cho các cuộn dây động cơ. Để khởi động các động cơ đồng bộ ngời ta có thể sử dụng một số phơng pháp nh: (1) Sử dụng một động cơ để kéo cho động cơ đồng bộ quay đạt đến tốc độ gần với tốc độ đồng bộ rồi cấp nguồn cho các cuộn dây động cơ để động cơ tự vào đồng bộ; (2) Sử dụng phơng pháp khởi động không đồng bộ (đối với các động cơ có lòng sóc khởi động), khi tốc độ động cơ gần bằng tốc độ đồng bộ thì cấp nguồn cho cuộn dây kích từ để động cơ tự vào đồng bộ; (3) Điều khiển sự làm việc của biến tần theo một số luật nhất định (khi động cơ làm việc trong hệ truyền động biến tần-động cơ, điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số nguồn). Trong đó, phơng pháp sử dụng biến tần với luật điều khiển phù hợp (3) để khởi động các động cơ đồng bộ là phơng pháp hiện nay đợc sử dụng phổ biến trong các hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ bằng phơng pháp thay đổi tần số, phơng pháp này cho chất lợng của quá trình khởi động cũng nh chất lợng hệ truyền động rất tốt. Về cơ bản hệ truyền động biến tần - ĐCĐBKTNT cũng có thể áp dụng các phơng pháp khởi động cho động cơ đồng bộ nói chung, as ar cr bs cs br V a e V c V b i b i a i c Hình 1: Sơ đồ đấu dây mạch stator và rotor của động cơ làm việc ở chế độ ĐCĐBKTNT Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 2 (42) /Năm 2007 44 tuy nhiên, do bản chất ĐCĐBKTNT có cấu trúc không ổn định [4] nên muốn đa động cơ vào đồng bộ, phải xây dựng hệ truyền động theo cấu trúc điều khiển hệ thống kín. Khi đi sâu nghiên cứu phơng pháp khởi động ĐCĐBKTNT trong hệ truyền động sử dụng bộ biến đổi tần số gián tiếp có khâu trung gian một chiều, nhóm tác giả bài báo này đề xuất các phơng án nh sau: Với hệ truyền động biến tần-ĐCĐBKTNT điều khiển vô hớng sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM) có thể sử dụng các phơng pháp: - Điều chỉnh tần số và điện áp tăng dần theo một luật nhất định trong giai đoạn khởi động, kết hợp với sử dụng tín hiệu dòng và tín hiệu mô men động. - áp dụng biện pháp khởi động không đồng bộ. Sử dụng cấu trúc điều khiển vector tựa theo từ thông rotor đối với hệ truyền động biến tần-ĐCĐBKTNT. Mỗi phơng pháp khởi động có u nhợc điểm riêng cả về cấu trúc của hệ truyền động cũng nh chất lợng của nó. Trong bài báo này chỉ giới thiệu về cấu trúc điều khiển vô hớng, cấu trúc điều khiển vector sẽ đợc giới thiệu trong một bài báo khác. 2.2. Hệ biến tần - ĐCĐBKTNT điều khiển vô hớng, khởi động động cơ bằng việc điều chỉnh tăng dần tần số và điện áp trong giai đoạn khởi động Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động đợc biểu diễn trên hình 2. Sơ đồ cấu trúc gồm hai phần: Phần lực gồm: CL là khối chỉnh lu dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của mạng điện công nghiệp thành điện áp một chiều cấp cho khối nghịch lu; NL là khối nghịch lu thờng dùng các khoá đóng cắt IGBT, thực hiện biến đổi điện áp một chiều Udc ở đầu ra khối CL thành điện áp xoay chiều cung cấp cho động cơ; ĐC là động cơ không đồng bộ ba pha rotor dây quấn đợc đấu dây đặc biệt để làm việc ở chế độ động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp (ĐCĐBKTNT); C là tụ lọc. Phần điều khiển gồm: khâu tạo tín hiệu khống chế nghịch lu theo nguyên lý điều chỉnh độ rộng xung (Driver NL PWM); bộ điều chỉnh biên độ điện áp ra nghịch lu (ĐCA); các sensor đo dòng (SI) và đo tốc độ (TG); khâu biến đổi dòng ba pha của động cơ thành điện áp một chiều tỉ lệ với giá trị hiệu dụng dòng điện một pha (BĐD); XL là khâu gia công tín hiệu dòng điện và tốc độ động cơ phục vụ cho mục đích ổn định động hệ thống; tín hiệu đặt tốc độ của hệ (THĐ) đợc đa đến khối đặt tần số để quyết định tần số ra của NL, đồng thời THĐ lại đợc tổng hợp với tín hiệu đầu ra của XL để khống chế biên độ điện áp ra của biến tần; các tín hiệu Sa, Sb, Sc là các chuỗi xung dùng để không chế các khoá IGBT trong ba pha của nghịch lu. Việc khống chế qui luật thay đổi tần số giai đoạn khởi động do ĐTS quyết định, còn việc điều chỉnh điện áp đợc thực hiện bởi ĐCA. áp dụng mô hình mô phỏng động cơ đ đợc giới thiệu trong [2], [3], thực hiện việc mô phỏng đặc tính quá độ của hệ trong MATLAB-SIMULINK với động cơ có các thông số: Pđm=1,1KW; Uđm=380/220-Y/; I1đm=3,5A; Ls=0,013H; Lr=0,0089H; Ls=0,34H; k=0,692; số đôi cực từ pm=3; tần số định mức fđm=50Hz; mô men quán tính động cơ và tải Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 2 (42) /Năm 2007 45 Hình 3: Tốc độ góc (a), giá trị hiệu dụng dòng điện một pha (b) của động cơ khi khởi động không tải và thay đổi tải nhảy cấp tại các thời điểm t=15s (M c =6Nm) và t=20s (tăng thêm 4Nm) với cấu trúc điều khiển vô hớng t(s) r (rad/s) 0 5 10 15 20 25 30 0 20 40 60 100 120 80 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 a) t(s) I f (A) 0 5 10 15 20 25 30 b) Hình 4: Tốc độ góc (a), giá trị hiệu dụng dòng điện một pha (b)của động cơ khi khởi động có tải dạng quạt gió với cấu trúc điều khiển vô hớng a) 0 5 10 15 20 25 30 0 20 40 60 80 100 120 r (rad/s), M c (Nm) t(s) M c r 0 0.5 1.5 2.5 1.0 2.0 0 5 10 15 20 25 30 I f (A) t(s) b) nối trục với động cơ J = 0,04. Kết quả thu đợc các đặc tính thời gian tốc độ, giá trị hiệu dụng dòng điện một pha khi khởi động không tải và thay đổi nhảy cấp tải khi động cơ đ hoàn thành quá trình khởi động; khi khởi động có tải dạng quạt gió đợc biểu diễn trên các hình 3a, b;4a, b. Các kết quả quả này cho thấy, với cấu trúc điều khiển và phơng pháp khởi động động cơ đ nêu, hệ truyền động đảm đợc các yêu cầu cần thiết về đặc tính quá độ và hoàn toàn có thể áp dụng vào thực tế sản xuất. Hình 2: Cấu trúc điều khiển vô hớng hệ truyền động biến tần- động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp A CL NL C ĐTS XL THĐ ì Đặt tần số ra NL BĐD C f i a i b U ĐCA U dc Driver NL PWM - I S a ,S b ,S c B C TG SI Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 2 (42) /Năm 2007 46 2.3. Hệ biến tần - ĐCĐBKTNT điều khiển vô hớng, khởi động động cơ bằng phơng pháp khởi động không đồng bộ Mặc dù không có lồng sóc khởi động nh một số động cơ đồng bộ, nhng ĐCĐBKTNT lại có đặc tính: Khi cấp nguuồn xoay chiều ba pha cho động cơ thì động cơ sẽ khởi động lên tốc độ gần bằng tốc độ từ trờng quay của stator. Sử dụng đặc tính này của động cơ, ta điều khiển biến tần làm việc theo luật: Khi bắt đầu khởi động biến tần cho ra điện áp với tần số gấp đôi tần số làm việc, dẫn đến động cơ sẽ khởi động đến tốc độ cần thiết, sau đó biến tần đợc điều khiển để tần số đầu ra giảm xuống tần số làm việc (bằng một nửa lúc ban đầu), động cơ sẽ tự vào đồng bộ. Cấu trúc hệ truyền động vẫn có dạng nh hình 2, chức năng điều khiển tần số để đảm bảo quá trình khởi động đợc cài đặt trong khối đặt tần số. Các đặc tính trên các hình 5a,b cho thấy, với biện pháp khởi động này cũng có thể dễ dàng đa động cơ đến tốc độ làm việc theo yêu cầu và các chỉ tiêu khác hoàn tơng đơng nh khi áp dụng việc điều chỉnh tần số và điện áp ra của biến tần, tuy nhiên trờng hợp này yêu cầu biến tần phải có khả năng tạo ra điện áp tần số gấp đôi tần số định mức của động cơ. 3. Kết luận Từ các kết quả mô phỏng đối với các cấu trúc điều khiển vô hớng của hệ truyền động điện biến tần-động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp có thể đa ra các kết luận: * Hệ truyền động điện biến tần - ĐCĐBKTNT là một hệ truyền động có đờng đặc tính cơ tuyệt đối cứng, đảm sự ổn định tốc độ tuyệt đối khi mô men tải thay đổi trong phạm vi nhỏ hơn hoặc bằng mô men cực đại của động cơ (cỡ từ 2 đến 3 lần mô men định mức), rất phù hợp với các cơ cấu sản xuất yêu cầu cao về sự ổn định tốc độ. * Các cấu trúc của hệ truyền động đ nêu đều đảm bảo đợc các chỉ tiêu chất lợng tĩnh và động, đảm bảo quá trình khởi động cơ êm, dòng khởi động nhỏ nên không ảnh hởng đến lới điện khi hệ thống khởi động (với các động cơ công suất lớn). Các cấu trúc điều khiển này đơn giản, không yêu cầu cao về phần cứng và phần mềm của hệ thống điều khiển nên dễ thực hiện, giá thành thấp, độ tin cậy cao. * Với đặc tính tốc độ đồng bộ của động cơ gấp đôi tốc độ từ trờng quay stator [2], [3], [7], [8] nên với động cơ 2 cực khi làm việc với tần số bằng 50Hz (thờng là tần số định mức của các Hình 5: Tốc độ góc (a), giá trị hiệu dụng dòng điện một pha (b) của động cơ khi khởi động không tải và thay đổi tải nhảy cấp tại các thời điểm t=15s(M c =6Nm), t=20s(+4Nm), và t=20s(+3Nm) với cấu trúc điều khiển vô hớng, khởi động không đồng bộ 0 50 100 150 200 250 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 r (rad/s) t(s) I f (A) t(s) a) b) Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 2 (42) /Năm 2007 47 động cơ không đồng bộ ba pha đợc sản xuất trong công nghiệp) thì tốc độ động cơ đạt đến 6000 vòng/phút, rất phù hợp với các hệ truyền động có yêu cầu tốc độ cao nh các máy nén, máy bơm cao tốc, khi đó không cần hộp số nên kích thớc của hệ đợc giảm nhỏ, giá thành thấp. * Kết hợp các u điểm về kết cấu động cơ chắc chắn, các chỉ tiêu chất lợng tĩnh tốt, có khả năng cho ra công suất gấp đôi công suất định mức do nhà máy sản xuất đa ra [2], [3], [7], [8], với các đặc tính động đợc giới thiệu trong mục 2, hệ truyền động điện biến tần-ĐCĐBKTNT là một hệ truyền động rất có triển vọng khi đợc nghiên cứu hoàn thiện Tóm tắt Bài báo giới thiệu về một hệ truyền động điện mới, ứng dụng động cơ không đồng bộ ba pha rotor dây quấn với sơ đồ đấu dây đặc biệt, làm việc tơng tự nh động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp. Trên cơ sở đó, xây dựng cấu trúc điều khiển của hệ truyền động đồng bộ kích từ nối tiếp và các kết quả về đặc tính làm việc trong chế độ quá độ của hệ thống, đồng thời, dự báo khả năng ứng dụng hệ truyền động mới này trong công nghiệp. Summary Electrical transmission system of Altering frequency - synchronous motor using the serial magnetic stimulation The paper presents a new electrical transmission system applying an asynchronous three- phase induction motor with a special diagram for connecting coils as a synchronous operating motor with the use of the serial magnetic stimulation. Basic on this , the controlling structure of the synchronous system using serial magnetic stimulation is built and results of working characteristic in the immoderate mode of the system are obtained. Moreover, the applicable possibility of this new transmission in industry is also predicted. Tài liệu tham khảo [1]. Trần Khánh Hà (1997), Máy điện tập1, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [2]. Nguyễn Nh Hiển, Trần Xuân Minh (2004), Xây dựng mô hình động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp để nghiên cứu chế độ xác lập, Tự động hoá ngày nay, 12. [3]. Bùi Quốc Khánh, Trần Xuân Minh, Nguyễn Nh Hiển (2005), Lý thuyết và phân tích hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp, Tuyển tập các báo cáo khoa học- Hội nghị toàn quốc về tự động hoá lần thứ VI (VICA 6), trang 300-305. [4]. Nguyễn Nh Hiển, Trần Xuân Minh, Phạm Thị Bông, Lâm Hùng Sơn (2005), Các giải pháp ổn định hoá và nâng cao độ bền vững hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp, Tuyển tập các báo cáo khoa học- Hội nghị toàn quốc về tự động hoá lần thứ VI (VICA 6), trang 221-226. [5]. Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, NXB Giáo dục, Hà Nội. [6]. Nguyễn Phùng Quang (2003) MATLAB & Simulink dành cho kỹ s điều khiển tự động, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [7]. Essam E. M. Rashad, Mostafa E. Abdel Karim (1996) Theory and Analysis of Three-phase Series-connected Parametric Motors, trang 715-720, IEEE 1996. [8]. Yasser G. Dessouky, Mohmoud S. Abouzid, Adel L. Mohamadein (2000), Theory and Performance of Series Connected Synchronous Motors, IEEE 2000. [9]. M. G. Tsilikil, M. M. Xôclov, B. M. Erekhov, A. B. Shinianxki (1974) Base of Automatic Electrical Drive, Energy, Moscow. . Kết luận Từ các kết quả mô phỏng đối với các cấu trúc điều khiển vô hớng của hệ truyền động điện biến tần - ộng cơ đồng bộ kích từ nối tiếp có thể đa. chất lợng hệ truyền động rất tốt. Về cơ bản hệ truyền động biến tần - ĐCĐBKTNT cũng có thể áp dụng các phơng pháp khởi động cho động cơ đồng bộ nói chung,