Giải pháp nâng cao hiệu quả và hiệu suất sử dụng hệ Biến tần - Động cơ không đồng bộ ba pha TS. trần văn thịnh Khoa Điện - Điện tử Trờng ĐH Bách Khoa H Nội ThS. vũ xuân hùng Bộ môn Trang bị điện - Khoa Điện - Điện tử Trờng Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bi báo ny trình by một số kết quả nghiên cứu, phân tích, đánh giá nhằm nâng cao hiệu quả, hiệu suất sử dụng hệ biến tần - động cơ không đồng bộ ba pha. Summary: This paper presents some results of the research, analysis and evaluation to improve effectiveness and efficiency of an inverter- induction motor system. i. Đặt vấn đề CT 2 Trong các xí nghiệp công nghiệp việc sử dụng động cơ điện để truyền chuyển động cho các máy sản xuất là phổ biến. Khi lắp đặt một động cơ điện cho một chuyển động nào đó, chúng ta cần chú ý tới các thông số nh là công suất, hiệu suất, cos, mômen, phơng pháp điều chỉnh tốc độ v.v Hiện nay việc sử dụng động cơ điện ở nhiều nơi còn nhiều lãng phí. Chỉ cần khảo sát sơ qua một vài xí nghiệp chúng ta cũng có thể thấy ngay những bất hợp lý đó. Những bất hợp lý có thể do lỗi chọn phơng án thiết kế, động cơ thờng xuyên chạy non tải, hoặc do lỗi vận hành không đúng chế độ v.v Điển hình nhất trong việc lãng phí ở trên mà chúng ta có thể khắc phục đợc là sử dụng động cơ không hợp lý, lựa chọn phơng án điều khiển thích hợp, cài đặt chế độ điều khiển động cơ phù hợp với tính chất tải. Động cơ điện khi sử dụng không hợp lý sẽ có hiệu suất, cos thấp, máy làm việc ồn rung, chóng hỏng. Trong bài báo này chúng tôi sẽ trình bày một số kết quả nghiên cứu, phân tích, đánh giá nhằm khắc phục các nhợc điểm trên và nâng cao hiệu quả, hiệu suất hệ biến tần - động cơ không đồng bộ ba pha (ĐC KĐB). ii. Giải pháp nâng cao chất lợng v hiệu quả sử dụng hệ Biến tần - ĐC KĐB ba pha - Khi ĐC KĐB làm việc với biến tần, do điện áp không hình sin làm tăng tổn hao phụ trong động cơ - tổn hao bề mặt và tổn hao đập mạch, biến tần sẽ phát ra sóng tần số cao làm ảnh hởng đến các thiết bị điện khác. Ngoài thành phần mômen do sóng cơ bản sinh ra còn có các mômen đập mạch do sóng hài bậc cao sinh ra làm cho tốc độ động cơ bị dao động, động cơ phát ra tiếng ồn lớn. Vì vậy ta cần phải tìm cách nâng cao chất lợng điện áp đầu ra của biến tần: Tăng tần số sóng mang f c lên thì điện áp sẽ gần hình sin hơn, tuy nhiên giá trị f c bị giới hạn bởi khả năng đóng cắt của van bán dẫn, của vi mạch điều khiển và chỉ có thể vận hành trong giá trị cho phép của nhà sản xuất (ví dụ biến tần Micromaster 420 của Siemens f c 16 kHz). Sử dụng kết hợp với bộ lọc sóng hài bậc cao, tuy giải pháp này đơn giản, hiệu quả nhng làm tăng giá thành của thiết bị biến tần và cồng kềnh. - Sử dụng phơng pháp điều chế xung tối u để giảm tổn thất năng lợng trong quá trình đóng cắt van bán dẫn, lựa chọn phơng pháp điều chế thích hợp để tận dụng tối đa công suất nguồn một chiều. Ví dụ phơng pháp PWM 60 o : Để giảm tổn hao đóng cắt của van bán dẫn, ngời ta đã san phẳng đỉnh sóng điều biến trong khoảng từ 60 0 đến 120 0 và từ 240 0 đến 300 0 (trong một chu kỳ tính theo độ điện) [7]. Nhờ đó, các van bán dẫn công suất đợc giữ nguyên trạng thái của nó trong 1/3 chu kỳ, kết quả là hạn chế đợc tổn thất năng lợng do chuyển mạch gây ra. L C L 1 C 1 L 2 C 2 1 2 3 4 1 2 3 4 Hình 1. a) Bộ lọc thông thấp LC; b) Bộ lọc cộng hởng CT 2 hàng trăm kHz, triệt tiêu đợc ảnh hởng của nhiễu điện từ. khiể ề lới khi động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh, thì ta có th - Thực hiện chuyển mạch mềm, chuyển mạch cộng hởng [10]: Ngời ta tạo ra mạch cộng hởng có điều khiển, sao cho khi chuyển mạch điện áp trên van bằng không (gọi là chuyển mạch ZVS - Zero Voltage Switching) hoặc dòng điện qua van bằng không (gọi là chuyển mạch ZCS - Zero Current Switching). Nh vậy chuyển mạch cộng hởng, chuyển mạch mềm đã giảm đợc tổn hao khi đóng cắt, giảm đợc các ứng suất do chuyển mạch gây ra (tốc độ biến thiên điện áp du/dt, tốc độ biến thiên dòng điện di/dt), cho phép làm việc với tần số đóng cắt cao đến - Tận dụng năng lợng trong chế độ hãm tái sinh để tr L dc ả về lới, bằng cách phối hợp điều n cả phần chỉnh lu và nghịch lu: Để tận dụng đợc năng lợng trả v ể sử dụng sơ đồ hình 3. Tuy nhiên sơ đồ này khá phức tạp làm tăng giá thành thiết bị cả phần mạch động lực và mạch điều khiển (phải dùng 2 DSP thông thờng hoặc một DSP kép có AC/D C AC T 1 D 1 T 3 D 3 T 5 D 5 T 4 D 4 T 6 D 6 T 2 D 2 DC/A C C r L r T r1 T dc C dc T r2 Mạch cộn g hởn g Hình 2. Nghịch lu chuyển mạch mềm CT 2 hãm tái sinh của biến tần bằng cách sử dụng chỉnh lu transistor cho phép - Đối với hệ biến tần PWM thì khi vận hành ta cần phải lựa chọn luật điều khiển U/f x v cài đặt t boost U b , t qđ = 0.6 sec, f lv = 50 Hz. Dòng đợc giới hạn t Trờng hợp U boost quá bé, với tải có tính thế năng thì vùng động cơ bị quay ngợc sẽ tăng, tổn h chức năng nh 2 DSP thông thờng) nên thờng chỉ thấy trong các thiết bị công nghiệp có công suất lớn, hay tầu điện. Nghiên cứu chế độ tạo ra đợc hệ truyền động có đặc tính động rất tốt, có hiệu suất biến đổi năng lợng cao, cải thiện đáng kể hình dáng của dòng điện lới. Trong nhiều trờng hợp khác, việc phối hợp làm việc giữa chỉnh lu và nghịch lu còn giúp giảm đáng kể dung lợng của tụ lọc trong mạch một chiều, điều này cho phép chế tạo các bộ biến tần hoặc có kích thớc và khối lợng nhỏ, hoặc sử dụng các tụ dầu có tuổi thọ và độ an toàn làm việc cao. T 42 D 52 T 12 T 52 T 32 D 32 D 12 D 42 T 62 D 62 T 22 D 22 T 41 D 51 T 11 T 51 T 31 D 31 D 11 D 41 T 61 D 61 D 21 T 21 C Hình 3. Hệ biến tần - ĐCKĐB có khả năng trả năng lợng về lới khi hãm tái sinh Đ C KĐB ham số phù hợp với đặc tính tải [3]. Bởi vì luật điều khiển U/f x liên quan tới thời gian khởi động của động cơ, liên quan tới khả năng hạn chế dòng điện khởi động, liên quan tới tổn thất năng lợng trong quá trình động, thậm chí nếu không cài đặt thích hợp động cơ có thể không khởi động đợc. Dới đây là một số kết quả khảo sát ĐC KĐB 14 kW dãy 3K160M4 kéo tải có mômen M t = const, để minh chứng cho nhận định trên: + Trờng hợp đặc tính U/f thích hợp: U = 5% rong phạm vi cho phép, tốc độ tăng đều, tổn thất năng lợng không quá lớn. Hình 4 . a) Dòng điện, mômen, tốc độ b) Tổn hao đồng ao năng lợng trong quá trình động tăng. Trờng hợp t qd quá bé hoặc U boost quá lớn, dòng khởi động sẽ lớn, tổn hao đồng tăng trong quá trình động, mômen dao động mạnh. Ví dụ t qđ = 0.4 sec, U boost = 20%U b (cài đặt giá trị này quá lớn), f lv = 50 Hz: Hình 5. a) Dòng điện, mômen, tốc độ b) Tổn hao đồng - Điều khiển tối u mômen quay: Ta phải tận dụng tối đa khả năng của động cơ và thiết bị biến tần để tạo ra mômen quay với dòng điện bé nhất hoặc tạo ra mômen quay tối đa khi dòng điện và điện áp bị giới hạn. Để thực hiện giải pháp tối u mômen quay, hiện nay có các biến tần làm việc theo nguyên lý điều khiển trực tiếp mômen (DTC: Direct Torque Control) tựa theo từ thông stato, điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto. Tuy nhiên để thực hiện việc điều khiển tối u mômen quay thì cần phải sử dụng chip DSP có độ chính xác cao, tốc độ tính toán nhanh và thuật toán điều khiển cũng phức tạp hơn so với biến tần PWM điều khiển theo luật U/f x , do đó giá thành của thiết bị biến tần này khá cao, thờng chỉ sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt. Trên hình 6 là đặc tính mômen và tốc độ của hệ điều khiển vectơ biến tần - ĐC KĐB trong tựa theo tọa độ từ thông rôto, có nhận dạng hằng số thời gian trong quá trình động. CT 2 Hình 6 . Kết quả mô phỏng điều khiển mômen quay trên cơ sở áp đặt nhanh dòng điện stato trong hệ điều khiển vec tơ FOC iii. Điều khiển tối u năng lợng hệ biến tần điều khiển vectơ - ĐC KĐB Khi thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện xoay chiều, vấn đề vận hành tối u về phơng diện năng lợng đợc giữ một vai trò quan trọng. Tổn hao làm lãng phí năng lợng và tăng nhiệt độ động cơ buộc nhà thiết kế phải có những giải pháp hữu ích. Các thiết bị điện tử công suất hiện đại có thể đạt đợc hiệu suất tới 98%, động cơ có công suất trung bình và lớn có thể đạt tới 95% tại điểm làm việc danh định. Ngợc lai, ở chế độ non tải hiệu suất có thể giảm đáng kể. Một vấn đề nảy sinh khi xét hiện tợng thiết bị điều khiển chịu các giới hạn về dòng và áp. Khi đó, việc điều khiển các biến trạng thái (từ thông rotor, dòng điện stator) phải đợc thực hiện sao cho luôn luôn tận dụng đợc thiết bị truyền động, tận dụng động cơ một cách tối đa. Phơng pháp điều khiển tựa từ thông rôto cho ta một công cụ mạnh: bằng cách áp đặt chính xác hai thành phần dòng tạo từ thông và tạo mômen quay, ta có thể điều khiển cách ly hai đại lợng này. Với mômen là một đại lợng độc lập phụ thuộc vào tải, nên công cụ còn lại để điều khiển tối u là từ thông rôto. Mục đích điều khiển tối u là sử dụng tối đa động cơ theo các điều kiện cụ thể. Nghĩa là: hoặc để sinh mômen quay với dòng điện stator bé nhất, hoặc là sinh ra mômen tối đa với dòng điện giới hạn. Việc này nếu thành công thì tối u mômen ta thu đợc dòng điện nhỏ nhất, hay nói cách khác có hiệu suất tốt nhất. - Nguyên tắc điều khiển tối u hiệu suất: Có hai phơng án điều khiển tối u hiệu suất: + Phơng án 1: Dò tìm điểm cực tiểu tổn thất năng lợng. Từ biểu thức tính công suất điện cấp cho động cơ ở chế độ xác lập: P 1 = 2 3 Re(u s . ) = * S i 2 3 Re () )iuiu( 2 3 )jii).(juu( SqSqSdSdSqSdSqSd +=+ (1) hoặc: P 1 = p cu + p fe + P cơ = () [] sqsds 2 sqrs 2 sd s iiL)1(iR)1(RiR 2 3 +++ (2) rs 2 m LL L 1= CT 2 Dùng thuật toán dò tìm chiều biến thiên từ thông rôto thích hợp, để tìm giá trị cực tiểu công suất điện cấp cho động cơ (tính theo biểu thức trên hoặc đo trực tuyến) tức là tổn hao công suất đạt giá trị cực tiểu. + Phơng án 2: Cân bằng hai thnh phần tổn hao phụ thuộc vo từ thông v mômen. Công thức tính các loại tổn hao năng lợng: p cu = () [] (3) 2 sqrs 2 sd s iR)1(RiR 2 3 ++ p fe = fe 2 sdms fe 2 s R )iL( 2 3 R )( 2 3 (4) trong đó: R fe sN s feN R . Ngoài ra còn có tổn hao phụ, tổn hao phụ thờng đợc tính gần đúng bằng k z .p cu , với k z 0,3. Biểu thức tính tổng tổn hao năng lợng trong ĐC KĐB: () +++ ++=++= 2 sqrsz 2 sd s feN 2 msN szfecuz iR)1(R)(k1(i R L R)k1( 2 3 pp)k1(p (5) )i(fp),i(fp;ppi.bi.ap sq2sd121 2 sq 2 sd ==+=+= (6) Với giả thiết mômen quay không đổi ở chế độ xác lập: M i sd i sq = const ta thu đợc điều kiện để công suất tổn hao bé nhất là: 21 pp = , tức là thành phần tổn hao phụ thuộc vào dòng tạo từ thông và thành phần tổn hao phụ thuộc vào dòng tạo mômen phải bằng nhau. Để thực hiện phơng án này, ta tính toán trực tuyến (on - line) hai thành phần tổn hao trên, so sánh chúng với nhau và dùng một khâu điều chỉnh PI để điều chỉnh modul từ thông rôto sao cho hai thành phần tổn hao đó cân bằng với nhau (hình 7), khi đó tổn hao năng lợng là nhỏ nhất [3, 9]. Hình 7 . Điều khiển từ thông rôto để cân bằng hai thnh phần tổn thất năng lợng R r , R s * r i sq i sd , s R s R fe 1 p (i sd ) 2 p (i sq ) PI iv. Những khuyến cáo khi lựa chọn phơng án truyền động điện CT 2 Bài toán khó đối với các nhà sản xuất là chọn cách đầu t nh thế nào cho hợp lý. Khi đó đối với một hệ thống truyền động điện, cần chọn giữa việc sử dụng động cơ không điều khiển với động cơ có điều khiển. Trong các phơng pháp điều khiển thì chọn phơng pháp nào. Trên quan điểm về chất lợng làm việc của hệ thống truyền động điện và tiết kiệm năng năng lợng chúng tôi khuyến cáo: - Đối với những loại tải có động cơ làm việc hết công suất và không cần điều chỉnh tốc độ hay một thông số nào đó, thì nên chọn động cơ điện không đồng bộ không điều khiển. Bởi vì phơng án này vốn đầu t thấp và vận hành đơn giản. - Đối với những loại tải chỉ cần điều khiển trong quá trình khởi động và hãm động cơ (trờng hợp này thờng gặp đối với động cơ công suất lớn), nên chọn điều khiển bằng các bộ khởi động mềm bán dẫn. - Đối với những loại tải cần điều khiển quá trình khởi động, hãm và có điều chỉnh tốc độ có thể chọn phơng án điều khiển là động cơ điện một chiều và xoay chiều. Nếu dùng động cơ điện xoay chiều thì có thể điều khiển bằng ly hợp điện từ và điều khiển bằng biến tần. Trong các phơng pháp điều khiển đó thì sử dụng biến tần có nhiều u điểm hơn với các lý do sau: + Khi điều khiển bằng biến tần chúng ta có thể điều khiển tối u hiệu suất đợc nên tổn hao năng lợng thấp hơn, từ đó có giá thnh chi phí năng lợng điện cho một đơn vị sản phẩm thấp hơn. + Khi điều khiển bằng biến tần chúng ta có hệ số công suất cos của lới cao hơn. Hệ số công suất cos khi điều khiển bằng biến tần gần nh không thay đổi khi điều chỉnh tần số. - Đối với những loại tải mà động cơ điện thờng cho làm việc non tải thì việc sử dụng biến tần để điều khiển là phơng án tối u hơn cả. Đối với các nhà đầu t nếu chọn chất lợng sản phẩm và tiết kiệm năng lợng là hàng đầu thì chọn biến tần điều khiển động cơ là tối u hơn cả. Tài liệu tham khảo [1]. Vũ Xuân Hùng, Trần Văn Thịnh; Phơng pháp tổng hợp và mô phỏng hệ Biến tần điều khiển vectơ - Nhận dạng hằng số thời gian rôto; Tạp chí Khoa học GTVT, 3/2005. [2]. Vũ Xuân Hùng, Trần Văn Thịnh, Hồ Mạnh Tiến; Điều khiển trực tiếp từ thông stato và mô men của ĐC KĐB sử dụng kỹ thuật điều chế SVM; Tạp chí KH GTVT, 11/2005. [3]. Vũ Xuân Hùng; Tính toán tổn thất năng lợng trong quá trình động của động cơ không đồng bộ khi đợc cấp điện từ biến tần PWM, Tạp chí Khoa học GTVT, 11/2003. [4]. Tài liệu kỹ thuật về biến tần 3G3MV của Omron; Biến tần Micromaster 420, Siemens. [5]. N.R.N. Idris, A.H.M. Yatim; DTC of Induction Machines with Constant Switching Frequency and Reduced Torque Ripple; IEEE Transactions on IE; Volume 51, No 4, August 2004. [6]. Domenico Casadei, others; FOC and DTC: Two Viable Schemes for Induction Motors Torque Control; IEEE Press; 2002. [7]. Richard Valentine, Motor Control Electronics Handbook, McGraw-Hill, 1998. [8]. J. Vithayathil, Power Electronics - Principles &Applications, McGraw-Hill,Inc, 1996. [9]. Ng. Ph. Quang, A. Dittrich, Truyền động điện thông minh, Nhà xuất bản KHKT, 2002. [10]. Lê Văn Doanh, Trần Văn Thịnh; Điện tử công suất, Nhà xuất bản KHKT, 2005Ă CT 2 . nhợc điểm trên và nâng cao hiệu quả, hiệu suất hệ biến tần - động cơ không đồng bộ ba pha (ĐC KĐB). ii. Giải pháp nâng cao chất lợng v hiệu quả sử dụng hệ Biến tần - ĐC KĐB ba pha - Khi ĐC KĐB. Giải pháp nâng cao hiệu quả và hiệu suất sử dụng hệ Biến tần - Động cơ không đồng bộ ba pha TS. trần văn thịnh Khoa Điện - Điện tử Trờng ĐH Bách Khoa H Nội ThS. vũ xuân hùng Bộ môn. điện - Khoa Điện - Điện tử Trờng Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bi báo ny trình by một số kết quả nghiên cứu, phân tích, đánh giá nhằm nâng cao hiệu quả, hiệu suất sử dụng hệ biến tần -