19 Hình 2.2 Sơ đồ biến tần gián tiếp Bộ nghịch lưu có thể là độc lập hay phụ thuộc tùy theo phụ tải ở mạng tiêu thụ với tần số ấn định. Giữa bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu thường là bộ lọc để san bằng sự đập mạch của điện áp hay dòng điện chỉnh lưu. Bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu có thể làm việc độ c lập với nhau và có thể thực hiện chuyển mạch tự nhiên hay nhân tạo, bao gồm các nhóm: 1- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch hỗn hợp: bộ biến đổi đảo chiều dùng nghịch lưu phụ thuộc với chuyển mạch tự nhiên, còn nghịch lưu độc lập, dùng chuyển mạch nhân tạo. 2- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch t ự nhiên hoàn toàn: trường hợp thiết bị điện một chiều, động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ bù và với các phụ tải khác có hệ số công suất cao và trong trường hợp truyền động điện nối tầng van không đồng bộ. 3- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch nhân tạo hoàn toàn. Khi đó cả bộ chỉnh lưu và bộ ngh ịch lưu đều được thực hiện chuyển mạch nhân tạo. Ưu điểm chính của bộ biến đổi tần số dùng khoá điện tử có khâu trung gian dòng điện một chiều là có thể nhận được ở đầu ra của nó nhờ nghịch lưu độc lập, tần số có thể thay đổi được trong dải rộng, không phụ thuộc vào tần số nguồn cung cấp. Nh ược điểm cơ bản của bộ biến đổi loại này là biến đổi năng lượng hai lần nên làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi và làm tăng kích thước và khối lượng của nó. Bộ biến tần dùng van bán dẫn có khâu trung gian dòng điện xoay chiều một pha tần số cao . Để nhận được tần số 50 Hz ở cửa ra của bộ biến tần khoá điện tử này thì tần số điện áp của khâu trung gian dòng điện xoay chiều không được nhỏ hơn 450 Hz. Bộ biến tần với khâu trung gian dòng điện một pha có chuyển mạch hỗn hợp. Bộ biến tần loại này dẫn dòng cả hai phía, đảm bảo trao đổi 20 năng lượng phản kháng giữa nguồn và phụ tải. Khi động cơ làm việc ở chế độ máy phát, có thể trả lại năng lượng tác dụng về lưới cung cấp. Giá trị cực đại của tần số ra của bộ biến tần khoá điện tử này được giới hạn bởi giá trị tần số điện áp ở khâu trung gian dòng điện một pha và th ường vào khoảng 50 – 60 Hz, nhưng về nguyên tắc thì có thể đạt giá trị lớn hơn. Bộ biến tần khoá điện tử có khâu trung gian dòng điện xoay chiều tần số cao sử dụng nhiều sơ đồ phức tạp, được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnh lưu hình tia ba pha và chỉnh lưu đảo chiều dùng sơ đồ cầu ba pha. Ở đây việc biến đổi đi ện áp tần số cao thành điện áp có tần số thấp điều chỉnh được, thường được thực hiên nhờ bộ biến tần trực tiếp một pha đến ba pha dùng chuyển mạch tự nhiên. Những bộ biến đổi loại này không mang lại ứng dụng thực tiễn trong truyền động điện vì sơ đồ mạch lực và hệ thống điều khiển khá phức tạp. Các nguyên tắc biến đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều trong các bộ biến đổi dùng khoá điện tử. Các bộ nghịch lưu và tính chất của chúng. Phần quan trọng cấu thành các bộ biến tần khoá điện tử có khâu trung gian dòng điện một chiều cùng với các bộ chỉnh lưu là các bộ nghịch lưu. Nghịch lưu là quá trình biến đổi dòng điện mộ t chiều thành xoay chiều. Đó là quá trình biến đổi hệ thống điện áp một chiều sang mạch xoay chiều nhờ các khóa điều khiển (thyristor hay transitor). Thiết bị thực hiện quá trình này được gọi là nghịch lưu. Các bộ nghịch lưu thường được chia ra theo loại phụ tải và theo tương quan công suất chuyển mạch và mạch tiêu thụ là độc lập hay phụ thuộc. Nghịch lưu độc lập là nghịch lưu làm việc với tải độc lập, ở đó không chứa sẵn nguồn năng lượng tác dụng, có cùng điện áp và tần số với đầu ra nghịch lưu. Vì vậy tần số, dạng điện áp được xác định do chế độ làm việc đó đến các thông số ở đầu ra nghịch lưu. 21 Nghịch lưu phụ thuộc là nghịch lưu trả lại năng lượng cho lưới điện xoay chiều có điện áp, tần số cố định và công suất tác dụng lớn hơn đáng kể so với công suất mà nghịch lưu trả lại. Khi này những thông số về điện áp, tần số ở đầu ra của nghịch lưu phụ thuộc không ảnh hưởng đến chế độ làm việc c ủa nó, những thông số này hoàn toàn được xác định bởi các thông số của lưới mà nghịch lưu trả năng lượng lại. Tuỳ theo kiểu chuyển mạch nghịch lưu mà được chia ra làm hai nhóm: - Các bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên. - Các bộ nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức Nghịch lưu phụ thuộc được đặc trưng bằng chuyển mạch tự nhiên của các khoá điện tử, hệ thống điều khiển các khóa điện tử của bộ nghịch lưu này thường là phụ thuộc (được đồng bộ hoá) như ở bộ chỉnh lưu. Nghịch lưu độc l ập được đặc trưng bằng chuyển mạch cưỡng bức và việc điều khiển các thysistor hay transitor đều từ bên ngoài (không phụ thuộc cả mạng cung cấp lẫn tải tiêu thụ). Nhưng nghịch lưu độc lập có thể có chế độ làm việc với chuyển mạch tự nhiên cho các khoá điện tử (khi làm việc với động cơ đồng bộ quá bù, phụ tải điện dung v.v…). Ch ẳng hạn, ở chế độ máy điện một chiều, việc chuyển mạch của các khoá điện tử trong nghịch lưu phụ thuộc vào vị trí góc và tốc độ góc của roto động cơ, nghĩa là hệ thống điều khiển nghịch lưu đó cần phải được đồng bộ hoá và bị phụ thuộc vào vị trí roto. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là biến nghịch l ưu độc lập thành nghịch lưu phụ thuộc, bởi vì việc xác định nghịch lưu độc lập dựa trên cơ sở tần số, biên độ điện áp, dạng điện áp ở đầu ra và chế độ làm việc của nghịch lưu này có phụ thuộc vào năng lượng tác dụng cũng như tần số của nguồn cung cấp hay không. Do tính độc lập về ch ế độ làm việc của nguồn điện một chiều và sự duy trì nghiêm ngặt các quá trình điện từ trong nghịch lưu độc lập, người ta chia ra 22 thành nghịch lưu độc lập nguồn điện áp và nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện là nghịch lưu mà dạng dòng điện ở dầu ra của nó được xác định chỉ bằng sự chuyển mạch dòng điện giữa các khoá điện tử của nghịch lưu, còn dạng điện áp thì phụ thuộc vào tính chất của phụ tải. Việc đưa bộ chỉnh lưu điều khiển vào chế độ nguồn dòng điện điều ch ỉnh được khi làm việc với nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện được thực hiện bằng cách đấu thêm điện kháng san bằng có điện cảm rất lớn ở đầu vào hoặc dùng khâu phản hồi âm dòng điện trong chỉnh lưu điều khiển và sử dụng cuộn kháng san bằng có giá trị điện cảm đủ để san bằng sự đập m ạch của dòng điện chỉnh lưu. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện không thể làm việc với tải cảm kháng, vì khi dòng điện đột biến ở đầu ra (thời điểm thay đổi cực tính điện áp trên tải làm hở mạch nguồn dòng điện) sẽ làm xuất hiện quá điện áp lớn hơn giới hạn cho phép. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện sẽ gần đạt đến nghịch lưu dòng điện lý tưởng khi nó làm việc với tải có tính chất dung kháng. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện có thể cho phép làm việc với tải có tính chất cảm kháng hay động cơ điện xoay chiều nhưng trong trường hợp này cần phải hạn chế quá điện áp chuyển mạch và tốc độ tăng trưởng của dòng điện khi thay đổi cực tính và phải có biện pháp đặc biệt để dập tắt hoặc trả lại năng lượng phản kháng đã tĩch luỹ trên tải cho nguồn cung cấp. Khả năng làm việc với tải có hệ số công suất vượt góc trước làm cho nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện có ưu việt hơn cả nhờ vi ệc sử dụng tính chất chuyển mạch tự nhiên. 2.1.3 Các luật điều khiển tần số a) Luật điều khiển tần số theo khả năng quá tải Mô men cực đại mà động cơ sinh ra được chính là mô men tới hạn M th , khả năng quá tải về mô men được quy định: Khi điều chỉnh tần số thì trở kháng, từ thông, dòng điện của động cơ thay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu 23 điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện áp. Đối với hệ thống biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ cho khả năng quá tải về mô men là không đổi trong bằng hệ số quá tải về mô men λ M . M M λ th M = Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stator (R s =0) thì ta có: 22 2 ss m th 22 2 srσ 00 UU L Mk 2L L ωω == (2.1) với ω 0 là tốc độ không tải Điều kiện để giữ hệ số quá tải không đổi là: dm thdmth M M M M M λ == (2.2) Thay (2.3) vào (2.2) ta được: dm0dm sdm 0 s M M ω U ω U = (2.3) Đặc tính cơ của máy công tác có dạng x dm 0 dmc ω ω MM ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = Thay phương trình trên vào phương trình (2.3) ta rút ra được luật điều chỉnh tần số điện áp để có hệ số quá tải về mô men là không đổi là: () 2 x 1 * s * s 2 x 1 sdm s 2 x 1 0dm 0 sdm s fU f f ω ω U U + ++ =⇔ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = (2.4) • Khi x=0 tức là phụ tải có M c =const thì: U s * =f s * ↔ U s /f s =const • Khi x=1 tức là phụ tải có công suất không đổi thì: U s * =(f s * ) 3/2 • Khi x=2 tức là phụ tải dạng bơm ly tâm và quạt gió thì: 24 U s * =(f s * ) 2 suy ra U s /f s 2 =const b) Luật điều chỉnh giữ từ thông không đổi Chế độ định mức là chế độ làm việc tối ưu về tuổi thọ của động cơ không đồng bộ. Trong chế độ này từ thông là định mức và mạch từ có công suất tối đa. Luật điều chỉnh điện áp tần số mà ta đã trình bày ở trên là luật gần đúng giữ từ thông không đổi trên phạm vi toàn dải điều chỉnh. Tuy nhiên từ thông động c ơ trên mỗi đặc tính còn phụ thuộc rất nhiều vào độ trượt s, tức là phụ thuộc mô men tải trên trục động cơ. Vì thế, trong các hệ điều chỉnh yêu cầu chất lượng cao thì ta cần tìm cách bù từ thông. Từ phương trình mô tả mô men của động cơ không đồng bộ ta thấy, nếu giữ được từ thông của khe hở không khí hay từ thông stator không đổi thì mô men sẽ không phụ thuộc vào tần số và mô men tới hạn sẽ không đổi trong toàn dải điềi chỉnh. Nếu coi R s = 0 thì: const ω U ω U ψ sdm sdm s s s === Tuy nhiên ở vùng tần số làm việc thấp thì sụt áp trên điện trở mạch stator đáng kể so với sụt áp trên điện cảm stator. Do đó từ thông cũng giảm đi và mô men tới hạn cũng giảm. Quan hệ giữa dòng điện stator và từ thông rotor như sau: 2 sr m r s )ω(T1 L ψ I += (2.5) Thực tế là khi giữ từ thông rotor không đổi ψ r = ψ rdm thì vec tơ dòng điện rotor và vec tơ từ thông rotor phải luôn vuông góc với nhau trong không gian. Mặt khác, do mô men điện từ là tích vec tơ của hai vec tơ này nên khi chúng vuông góc với nhau thì mô men trở thành tích của hai đại lượng. Do đó, từ biểu thức (2.5) ta thấy để điều chỉnh cho từ thông không đổi ta chỉ cần điều chỉnh dòng điện stator và tần số f s sao cho thoả mãn biểu thức trên. c) Luật điều khiển tần số trượt không đổi 25 Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ở chế độ xác lập ta có phương trình: () 2 rr 2 sr r 2 m Tω1 Iω R L 2 3 M + = (2.6) trong đó: ω r =ω s -ω Vì vậy nếu giữ ω r =const thì M=f(I s 2 ). Lấy đạo hàm của mô men M theo tốc độ ω r sau đó cho bằng 0 ta tìm được tốc độ ω r tới hạn và mô men tới hạn. 2 s rσ 2 m th r r rth I L L 4 3 M L R ω = = Như vậy nếu giữ ω r =ω th =R r /L r =1/T r thì mô men điện từ của động cơ sinh ra bằng mô men tới hạn của động cơ. Trường hợp này ta gọi là luật điều chỉnh sao cho động cơ sinh ra mô men tối đa ứng với một giá trị cho trước của dòng điện stator. Mặt khác vì ω r =2пf r nên luật này còn gọi là luật điều chỉnh giữ tần số mạch rotor là hằng số. d) Điều chỉnh tần số bằng phương pháp véc tơ không gian Qua sự phân tích một số phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ nêu trên ta thấy, hầu hết các phương pháp đó đều có đặc điểm là không sử dụng các thiết bị phản hồi nên mặc dù đạt được sự tối ưu về giá thành song mục tiêu quan trọng là chất lượng điều khiển lại chưa đạt được độ chính xác cao. Sự đị nh hướng của trường rotor không được sử dụng, trạng thái của động cơ bị bỏ qua, mô men không được điều khiển Kỹ thuật điều khiển này gọi là điều khiển vô hướng. Mặt khác chúng ta đều đã biết động cơ không đồng bộ là thiết bị mang tính chất phi tuyến, mặc dù đã bỏ qua ảnh hưởng của bão hoà từ, tổn thất trong lõi thép và các thành phần sóng hài b ậc cao nhưng chúng ta vẫn gặp rất nhiều khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ vì quá trình điện từ trong động cơ không đồng bộ hết sức phức tạp. Phần cảm và phần ứng của động cơ có quan hệ chặt chẽ với nhau. Với mong 26 muốn làm sao chế ngự được hoàn toàn động cơ không đồng bộ đạt được chất lượng truyền động như động cơ một chiều, người ta đã đưa ra một phương pháp điều khiển đó là phương pháp điều chế véc tơ không gian. Nội dung của phương pháp này là người ta biến các đại lượng véc tơ dòng điện, điện áp và từ thông từ h ệ toạ độ ba pha về hệ toạ độ hai pha (dq), hệ toạ độ này quay đồng bộ với từ trường quay. Tiến hành điều khiển và khảo sát trên hệ toạ độ dq và khi có kết quả ta quy đổi ngược trở về hệ toạ độ ba pha để tạo ra các tín hiệu điều khiển bộ biến tần bằng các thay đổi độ rộng xung (PWM). Hệ truyền động động c ơ không đồng bộ điều khiển tần số theo phương pháp không gian vec tơ cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ trong phạm vi rộng, có khả năng sinh mô men quay ở tốc độ thấp (thậm chí ở tốc độ 0) và điều chỉnh trơn một cách tuỳ ý. Tốc độ đạt được độ chính xác cao, đáp ứng mô men tốt. Xuất phát từ cơ sở đó hiện nay các nhà khoa học đã và đang đi sâu nghiên cứu để tìm ra một phương pháp điều khiển tối ưu nhất cho động cơ không đồng bộ. Trong đó, phương pháp điều khiển tần số tựa theo từ thông rotor sẽ là một trong những hướng phát triển chính của hệ truyền động xoay chiều trong những năm tới. Với sự phát tri ển của công nghệ điện tử và bán dẫn công suất, việc tính toán, đo các giá trị thực đã được gói trọn trên một bản mạch. Vấn đề chủ chốt của một hệ điều khiển vào lúc đó chỉ còn là thuật toán điều khiển. Như vậy nếu giải quyết được vấn đề trên thì hệ truyền động động cơ không đồng bộ s ẽ dần thay thế hệ truyền động động cơ một chiều trong hầu hết các lĩnh vực, kể cả công nghệ cao như hệ điều khiển chương trình người máy. Cũng từ đó ta dễ dàng phân lập các hệ truyền động để nâng cao chất lượng công nghệ. Như vậy ta đã góp phần vào vấn đề mấu chốt là kinh tế và chất lượng. 2.1.4 Bộ biến tần áp bán dẫn Có nhiều loại biến tần nhưng do giới hạn của đề tài chỉ nghiên cứu về 27 biến tần áp. Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp là nghịch lưu mà ở dạng điện áp ở đầu ra của nó được xác định chỉ bằng việc đóng, ngắt các khoá điện tử trong nghịch lưu, còn dạng dòng điện thì phụ thuộc vào tính chất của phụ tải. Khi nghịch lưu độc lập nguồn điện áp làm việc với tải phản kháng cần phải đảm bảo khả năng trao đổi nă ng lượng phản kháng giữa tải và nguồn điện áp một chiều. Tụ điện có dung lượng đủ lớn đấu song song ở đầu vào nghịch lưu độc lập nguồn điện áp, còn sơ đồ đấu song song ngược với nghịch lưu độc lập nguồn điện áp được gọi là chỉnh lưu ngược. Điều này cho phép dòng điện chảy trong mạch t ải lệch pha so với điện áp tải. Hình 2.3 Sơ đồ mạch lực của bộ biến tần nguồn áp một pha dùng Transitor . Khi điều chỉnh tần số thì trở kháng, từ thông, dòng điện của động cơ thay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu 23 điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện áp. . mô men điện từ của động cơ sinh ra bằng mô men tới hạn của động cơ. Trường hợp này ta gọi là luật điều chỉnh sao cho động cơ sinh ra mô men tối đa ứng với một giá trị cho trước của dòng điện. hiệu điều khiển bộ biến tần bằng các thay đổi độ rộng xung (PWM). Hệ truyền động động c ơ không đồng bộ điều khiển tần số theo phương pháp không gian vec tơ cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ