10 M B của các dây quấn A, B và mô men tổng theo Hình 1.5 ta, đường đặc tính mô men của máy điện không đồng bộ một pha có tính chất đối xứng, cho nên động cơ có thể quay bất cứ chiều nào. Chiều quay thực tế của động cơ điện một pha chủ yếu phụ thuộc vào chiều quay của bộ phận mở máy. Hình1.5 Đặc tính M = f(s) của động cơ điện không đồng bộ một pha 1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ Để điều khiển được dòng năng lượng đưa ra trục động cơ ta cần nghiên cứu và phân tích đặc tính cơ của động cơ ω = f(M) trong đó ω là tốc độ góc của rotor, M là mô men của động cơ. Từ đó có các phương thức để điều chỉnh tốc độ và mô men. Ta có phương trình đặc tính của động cơ không đồng bộ như sau: 2' 11 2 '2 '2 s 12 1 2 mUpr/s M 2πf [(r r /s) (x x ) = +++ ( 1.8 ) Từ phương trình đặc tính cơ 1.8 ta thấy có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ: điều chỉnh điện áp u 1 , điều chỉnh điện trở mạch rotor (r 2 ), điều chỉnh công suất trượt, và điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ bằng bộ biến đổi tần số thiristor hoặc tranzitor… Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ và mỗi phương pháp đều có nhưng ưu điểm và nhược điểm của nó. Sau đây là một số phương pháp đi ều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ: 11 a. Điều chỉnh điện áp đặt vào stator của động cơ Từ biểu thức (1.8) mô men của động cơ tỷ lệ với bình phương điện áp đặt vào stator do đó ta có thể điều chỉnh được mô men quay và tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stator trong đó giữ nguyên tần số nguồn cấp. Ưu đi ểm của phương pháp này là nó thích hợp với trường hợp mô men tải là hàm tăng của tốc độ, tuy nhiên nó lại không thích hợp với loại động cơ rotor lồng sóc vì s th của loại động cơ này là bé. Khi thực hiện điều chỉnh đối với động cơ rotor dây quấn thì cần nối thêm điện trở phụ vào mạch rotor để mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và mô men. b. Điều khiển công suất trượt mạch rotor Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt ΔP s = sP đt được tiêu tán trên điện trở mạch rotor. Ở các hệ thống truyền động công suất lớn, tổn hao này là đáng kể. Vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động, vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt, gọi tắt là các sơ đồ nối tầng. Có nhiều phương pháp xây dựng hệ nối tầng. Phương pháp điều khiển công suất trượt mạch rotor thường được áp dụng cho các hệ truyền động công suất lớn vì khi đó việc tiết kiệm điện năng có ý nghĩa lớn nhưng nó có nhược điểm là phạm vi điều chỉnh tốc độ không lớn lắm và mô men của động cơ bị khi tốc độ thấp. Một v ấn đề nữa đối với các hệ thống công suất lớn là vấn đề khởi động động cơ, thường dùng điện trở phụ để khởi động động cơ đến vùng tốc độ làm việc sau đó chuyển sang chế độ điều chỉnh công suất trượt. Vì vậy, nên áp dụng phương pháp này cho các hệ truyền động có số lần khởi động, dừng máy và đảo chiều ít nhất. c. Điều khiển điện trở mạch rotor 12 Theo phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ thì ta có thể điều chỉnh tốc độ của động cơ bằng điều chỉnh điện trở mạch rotor, ưu điểm của phương pháp này là dễ điều chỉnh, tuy nhiên nhược điểm của nó là gây tổn hao trên điện trở và mạch chuyển đổi van ở điện áp m ột chiều. Mặt khác khi điều chỉnh điện trở của mạch rotor thì độ trượt tới hạn cũng thay đổi theo, song trong một dải tốc độ nào đó thì mô men của động cơ tăng lên khi tăng điện trở, nhưng trong dải khác mô men của động cơ lại giảm đi. Trong phương pháp này nếu giữ dòng điện rotor không đổi thì mô men cũng không đổi và không phụ thuộc tốc độ động cơ, vì vậy có thể áp dụng phương pháp này cho hệ truyền động có mô men không đổi. d. Điều khiển tần số điện áp nguồn cung cấp cho động cơ Với mục đích mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao chất lượng động hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơ không đồng bộ nói riêng, phươ ng pháp điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ cho phép mở rộng phạm vi sử dụng động cơ không đồng bộ trong nhiều nghành công nghiệp. Trước hết đó là ứng dụng cho những thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc như các hệ truyền động của các nhóm máy dệt, băng tải, băng truyền Phương pháp này còn được áp d ụng trong cả những thiết bị đơn lẻ nhất là những thiết bị có công nghệ yêu cầu tốc độ làm việc cao như máy ly tâm, máy mài, máy đánh bóng Đặc biệt các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng các bộ biến đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có cấu tạo đơn giản, vững chắc, giá thành rẻ và làm việc trong những môi trường nặng nề, tin cậy. Đó là những yêu cầu cần thiết trong hệ thống công nghiệp đang ngày càng phát triển. Trong hệ điều khiển tần số động cơ thì thông số điều khiển là tần số của điện áp đặt và stator. Nếu phụ tải có mô men là hằng số thì ta phải điều khiển cả điện áp để đạt được quy luật U/f = const. Nếu phụ tải có công suất là hằng số thì ta giữ nguyên điện áp đặt vào stator nhưng chỉ làm việc với dải tần số 13 f > f s . Ưu điểm nổi bật của phương pháp này mà các phương pháp khác không có được là có thể điều khiển động cơ phù hợp với mọi loại tải và phát huy được dải điều chỉnh ở cả hai vùng tốc độ dưới và trên định mức, phù hợp với các hệ truyền động yêu cầu tốc độ cao. Song phương pháp này có nhược điểm là hệ thống điều khi ển phức tạp. Tuy nhiên, với ứngdụng của kỹ thuật vi xử lý tín hiệu đã cho phép giải quyết các thuật toán phức tạp điều khiển động cơ trong điều kiện thời gian thực với chất lượng điều khiển cao. Chính vì vậy phương pháp này ngày càng được quan tâm và ứng dụng mạnh mẽ trong các hệ thống công nghiệp. e. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi số đôi cực Trong nhiều trường hợp các cơ cấu sản xuất không yêu cầu phải điều chỉnh tốc độ bằng phẳng mà chỉ cần điều chỉnh có cấp. Đối với động cơ không đồng bộ ba pha, ta có tốc độ của từ trường quay: 1 1 60f n= p (1.9) n = n 1 (1 – s) (1.10) Do đó khi thay đổi số đôi cực thì n 1 sẽ thay đổi, vì vậy tốc độ của động cơ sẽ thay đổi. Để thay đổi số đôi cực p ta thay đổi cách đấu dây và cũng là cách thay đổi chiều dòng điện đi trong các cuộn dây mỗi pha stato động cơ. Khi thay đổi số đôi cực chú ý rằng số đôi cực ở stato và roto là như nhau. Nghĩa là khi thay đổi số đôi cực ở stato thì ở roto cũng phải thay đổi theo nên rấ t khó thực hiện cho động cơ roto dây quấn. Phương pháp này chủ yếu dùng cho động cơ không đồng bộ roto lồng sóc và loại động cơ này có khả năng tự biến đổi số đôi cực ở roto để phù hợp với số đôi cực ở stato. Đối với động cơ có nhiều cấp độ, mỗi pha stato phải có ít nhất là hai nhóm bối dây trở nên hoàn toàn giống nhau. Do đó càng nhiều cấp độ thì kích thước, trọng lượng và giá thành càng cao vì vậy trong thực tế thường dùng tối đa là bốn cấp độ. 14 Kết luận Từ các phương pháp trên ta thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng biến tần là phương pháp có nhiều ưu điểm hơn cả. Vì nó có thể điều khiển được nhiều loại động cơ khác nhau trong đó có cả động cơ điện một chiều, dải điều chỉnh tốc độ rộng và liên t ục. Nó còn được áp dụng nhiều trong các hệ truyền động chất lượng cao. Hơn nữa phương pháp điều khiển tốc độ bằng biến tần điều khiển tốc độ của động cơ xoay chiều một pha đơn giản và thích hợp nhất. Nên phương pháp này sẽ được áp dụng trong đề tài này để điều khiển tốc độ gió cho hệ thống sấy nông sả n trong phòng thí nghiệm. 1.2 Điều chỉnh tốc độ quay động cơ bằng biến tần Bộ biến tần có nhiệm vụ biến đổi điện áp lưới với tần số công nghiệp (ở một số trường hợp là điện áp mạng hay nguồn độc lập tần số cao) thành điện áp (hoặc dòng điện) biến đổi nhiều pha có biên độ, tầ n số và số pha có thể thay đổi được trong phạm vi cho phép. Tốc độ động cơ không đồng bộ: 1 1 60f n n (1 s) (1 s) p = −= − (1.11) Trong đó f 1 là tần số nguồn cung cấp; s là hệ số trượt của động cơ. Khi hệ số trượt thay đổi ít thì tốc độ của động cơ n tỷ lên thuận với f 1 . Vì vậy ta có thể điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn. Riêng đối với động cơ rotor lồng sóc chỉ có thể điều chỉnh tần số mới thực hiện điều chỉnh trơn tốc độ trong phạm vi rộng. Đối với động cơ không đồng bộ nếu bỏ qua điện áp rơi trên điện tr ở và điện cảm dây quấn stator ta có: 11 dq11 1 1 UE4,44kWf U k f φ φ = ≈ ⇒= 15 với: dq 1 1 k 4,44k W = trong đó: W 1 là số vòng dây stator; K dq hệ số dây quấn Từ biểu thức trên ta thấy đồng thời với việc điều chỉnh tần số thì ta phải điều chỉnh cả điện áp nguồn cung cấp. Bởi vì nếu điều chỉnh tần số mà giữ nguyên điện áp thì: Nếu giảm f 1 thì φ của động cơ tăng lên làm cho mạch từ của động cơ bị bão hoà và dòng điện từ hoá I μ lớn lên, tổn thất sắt trong lõi thép stator lớn làm cho động cơ phát nóng dữ dội, đôi khi có thể gây cháy động cơ. Nếu tăng f 1 làm cho từ thông φ của động cơ giảm xuống và nếu động cơ có tải với mô men không đổi thì dòng điện rotor I r tăng lên dẫn đến trong trường hợp này dây quấn rotor bị quá tải, cho mô men cho phép và khả năng quá tải cho phép của động cơ bị giảm đi. Để phát huy tối đa mọi khả năng của động cơ khi điều chỉnh tốc độ bằng bộ biến tần người ta phải tiến hành điều chỉnh cả điện áp theo một hàm cho phù hợp với phụ t ải. Việc điều khiển này có thể được thực hiện thông qua hệ thống kín khi đó nhờ các mạch phản hồi điện áp ứng với một tần số cho trước nào đó sẽ biến đổi theo phụ tải và các quy luật tải khác ta có các quy luật điều khiển. Nguyên tắc chung của các bộ biến đổi tần số là dùng khoá điện tử công suất đi ều khiển là transitor hay thyristor (gọi là các khoá điện tử). Thực chất của các nguyên tắc này là ở việc tổ chức các mối liên kết của các phần tử chủ yếu của bộ biến đổi và đóng cắt chúng bằng những quy luật (thuật toán) nào đó theo hàm thời gian để điều chỉnh dòng năng lượng ở đầu ra bộ biến đổi với tần số mong muốn. 16 Các bộ biến đổi tần số dùng khoá điện tử có thể chia thành ba loại theo phương pháp chuyển mạch dòng điện giữa các khoá điện tử. 1- Bộ biến tần dùng khóa điện tử với chuyển mạch tự nhiên. 2- Bộ biến tần dùng van bán dẫn với chuyển mạch ngoài (chuyển mạch nhân tạo và chuyển mạch cưỡng bức). 3- Bộ biến tần dùng khoá điện tử với chuyển mạch hỗn hợp. Mặt khác, tùy theo cách liên hệ của phụ tải với năng lượng nguồn, chính xác hơn là theo kiểu biến đổi trung gian của điện áp sơ cấp (điện áp lưới), người ta chia ra ba loại bộ biến đổi tần số dùng khoá điện tử: 1- Các bộ biến tần có khâu trung gian dòng điện một chi ều (các bộ biến đổi tần số kiểu nghịch lưu). 2- Các bộ biến tần trực tiếp (không có khâu trung gian dòng điện một chiều và các mạch vòng khác). 3- Các bộ biến tần có khâu trung gian dòng điện xoay chiều tần số cao. 1.3 Ý nghĩa của việc dùng biến tần để điều khiển tốc độ gió của hệ thống sấy Việc điều chỉnh tốc độ gió trong hệ thống thí nghiệm sấy được chuyển về việc điều khiển tốc độ động cơ quạt gió. Giữa tốc độ gió và tốc độ động cơ có quan hệ với nhau theo một hàm nào đó, hàm này sẽ được xác định bằng thực nghiệm. Tốc độ gió trong hệ thống thí nghiệm sấy cần một dải tố c độ và ở mỗi tốc độ thì cần ổn định chúng. Việc sử dụng biến tần là thích hợp vì điều chỉnh tốc độ được liên tục, dải điều chỉnh rộng và việc điều chỉnh đơn giản. 17 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN TẦN 2.1 Biến tần áp 2.1.1 Định nghĩa chung về biến tần Biến tần là các bộ biến đổi điện dùng để biến đổi nguồn điện áp với các thông số không đổi, thành nguồn điện (nguồn áp hoặc nguồn dòng) với tần số có thể thay đổi được. Thông thường biến tần làm việc với nguồn điện đầu vào là lưới điện nhưng về nguyên tắc chung thì biến tần có thể làm việc với bất k ỳ nguồn điện áp xoay chiều nào. Bộ biến tần phải thoả mãn các yêu cầu sau: - Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn. - Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở không đổi trong vùng điều chỉnh mômen không đổi. - Có khă năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số. Tuỳ theo yêu cầu kinh tế - kỹ thuật mà có thể xác định được cấu trúc của hệ biến tần động cơ. Về cơ bản chúng ta có thể chia thành hai loại : Biến tần trực tiếp, biến tần gián tiếp. Biến tần trực tiếp Được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnh lưu đảo chiều có điều khiển (bộ biến đổi một pha, nhiều pha, có điểm trung tính và sơ đồ cầu). Hình 2.1 Sơ đồ biến tần trực tiếp Gọi là biến trực tiếp vì nó biến đổi nguồn vào xoay chiều có tần số f 1 thành nguồn ra xoay chiều có tần số f 2 một cách trực tiếp mà không cần qua Bộ biến đổi U ∼ f 1 U ∼ f 2 18 một khâu biến đổi trung gian nào cả. Nên hiệu suất của bộ biến đổi tần số loại này cao, khối lượng và kích thước của chúng nhỏ. Nhược điểm của biến tần trực tiếp dùng khoá điện tử là: hệ số công suất phía nguồn cung cấp thấp, tồn tại một tỷ lệ lớn các sóng hài bậc cao ở điện áp ra, hệ thống điều khiển phức tạp và tần số ở đầu ra thấp. Tần số ra lớn nhất của bộ biến tần trực tiếp thấp hơn tần số lưới, số pha m 1 ở mạch lực của bộ biến tần phía nguồn cung cấp càng ít bao nhiêu thì tần số ra càng thấp bấy nhiêu. Để có tần số f 2 = 50 Hz cần phải hoặc là nâng cao tần số cung cấp lên 150 ÷ 200 Hz hoặc là tăng số pha m 1 lên đến 24 pha. Điều này không dễ dàng đối với việc biến đổi năng lượng bổ xung trong khi tần số nguồn cung cấp là tiêu chuẩn và làm giảm đáng kể các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, làm giảm tính ưu việt của bộ biến tần trực tiếp dùng khoá điện tử. Như vậy bộ biến tần trực tiếp dùng khoá điện tử được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnh lưu có điều khiển. Sự chuyển mạch của các khoá điện tử công suất thường được thực hiện nhờ điện áp lưới mà đặc trưng tiêu biểu cho các bộ biến tần loại này là chuyển mạch tự nhiên, nhưng cũng có các bộ biến tần trực tiếp dùng chuyển mạch ngoài. Sử dụng chuyển mạch ngoài trong các bộ bi ến tần loại này cho phép làm tăng đáng kể giá trị lớn nhất của tần số đầu ra và mở rộng khả năng sử dụng của chúng. Biến tần gián tiếp Việc biến đổi điện áp lưới cung cấp được cung cấp hai lần. Đầu tiên, điện áp xoay chiều được nắn nhờ bộ chỉnh lưu thành điện áp một chiều, sau đó điện áp một chiều nhờ bộ nghịch lưu được biến đổi thành điện áp xoay chiều. Sơ đồ khối được biểu diễn trên Hình 2.2. U ∼ f 2 Chỉnh lưu Lọc Nghịch lưu đ ộ cl ập U ∼ f 1 . với động cơ không đồng bộ ba pha, ta có tốc độ của từ trường quay: 1 1 60f n= p (1. 9) n = n 1 (1 – s) (1. 10) Do đó khi thay đổi số đôi cực thì n 1 sẽ thay đổi, vì vậy tốc độ của động cơ. rotor 12 Theo phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ thì ta có thể điều chỉnh tốc độ của động cơ bằng điều chỉnh điện trở mạch rotor, ưu điểm của phương pháp này là dễ điều chỉnh, . quay thực tế của động cơ điện một pha chủ yếu phụ thuộc vào chiều quay của bộ phận mở máy. Hình1 .5 Đặc tính M = f(s) của động cơ điện không đồng bộ một pha 1. 1.3 Các phương pháp điều chỉnh