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 28 Hình 2.4 Điện áp tải (u), dòng điện tải (i) và dòng nguồn(i s ) Hoạt động của sơ đồ Giả thiết T 2 và T 4 đang cho dòng chảy qua ( dòng tải đi từ B đến A). Khi t = 0, cho xung điều khiển mở T 1 và T 3 , T 2 và T 4 bị khoá lại (do thiết bị chuyển mạch thực hiện). Dòng tải i = - I m không thể đảo chiều một cách đột ngột. Nó tiếp tục chảy theo chiều cũ nhưng theo mạch: D 5 → E→ D 7 → Z → D 5 và suy giảm dần. D 5 và D 7 dẫn dòng khiến T 1 và T 3 vừa kịp mở đã bị khoá lại. Điện áp trên tải là U = E. Khi t = t 1 , i = 0, D 1 và D 3 bị khoá lại, T 1 và T 3 sẽ mở lại nếu còn xung điều khiển tác động ở các cực điều khiển của T 1 và T 3 , dòng tải i > 0 và tăng trưởng, chảy theo chiều từ A đến B. Giai đoạn từ t = 0 đến t 1 là giai đoạn hoàn năng lượng. Khi t = T/2, cho xung điều khiển mở T 2 và T 4 , T 1 và T 3 bị khoá lại. Dòng tải i chạy qua D 6 và D 8 khiến cho T 2 và T 4 vừa kịp mở đã khoá lại. Khi t = t 3 , i = 0, T 2 và T 4 sẽ mở lại, i < 0, chảy theo chiều từ B đến A, … Dòng tải i biến thiên theo theo quy luật hàm mũ giữa hai giá trị I m và - I m . Biểu thức của dòng tải i 29 Khi bắt đầu cho xung mở T 1 và T 3 , ta có phương trình: Ldi/dt + Ri = E , (2.7) di/dt + ai = a E/R Dưới dạng toán tử Laplace, ta có: pI(p) – i(0) + aI(p) = aE/Rp trong đó sơ kiện i(0) = - I m và a = R/L. Do đó ( ) at m at eIe1i R E −− −−= (2.8) Tương tự như vậy, khi cho xung mở T2 và T 4 ta có phương trình: - Ldi/td – Ri = E Và i = ( ) ( ) m -a t-T/2 -a t-T/2 E 1-e +I e R ⎡⎤ ⎢⎥ ⎣⎦ (2.9) Dòng nguồn Chúng ta quy ước: i s > 0 khi nguồn nuôi cung cấp năng lượng cho tải, tức là khi các transitor dẫn dòng; i s < 0 khi tải trả năng lượng về nguồn nuôi, tức là các điot dẫn dòng. Dòng điện i s là dòng điện xoay chiều dạng răng cưa. Chất lượng điện áp tải và dòng tải Điện áp tải có dạng “sin chữ nhật”, đối xứng. Nó là một hàm lẻ, chu kỳ. Triển khai Fourier của nó gồm các số hạng sóng sin: u = 4E π (sinωt + 1 3 sin3ωt + 1 5 sin5ωt+ …) (2.10) Biên độ của số hạng thứ 10 bằng 5,2% biên độ số hạng thứ nhất. Mạch tải là động cơ nên gồm có thành phần R và L. Tổng trở của mạch tải liên quan đến bậc của sóng hài như sau: Z n = () 2 2 R+nωL 30 Trong đó n = 1, 3, 5, 7… Vì Z 5 > Z 3 > Z 1 nên biên độ sóng hài của dòng tải giảm nhanh so với sự suy giảm của biên độ sóng hài điện áp tải. Biên độ của số hạng thứ 3 của dòng tải chỉ còn bằng 5,4% biên độ của số hạng thứ nhất của nó. Như vậy đối với tải cảm kháng, ta chỉ cần lấy 3 số hạng đầu trong khai triển Fourier của điện áp tải để tính toán cũng khá chính xác. Sơ đồ điều biến độ rộng xung PMW (Pluse Width Modulation) Thiết bị biến tần trình bày ở trên chỉ tạo ra được dạng điện áp xoay chiều chữ nhật, hoặc gần chữ nhật, chứa nhiều sóng hài. Muốn giảm nhỏ ảnh hưởng của sóng hài, người ta dùng các bộ lọc, và như vậy, trọng lượng và giá thành của thiết bị biến tần sẽ cao. Điều mong muốn là làm thế nào để vừa điều chỉnh đượ c điện áp mà vẫn giảm nhỏ được ảnh hưởng của các sóng hài bậc thấp. Biện pháp điều biến độ rộng xung đáp ứng yêu cầu trên. Nội dung chính của biện pháp này như sau: - Tạo một sóng dạng sin, u r , ta gọi là sóng điều biến, có tần số bằng tần số mong muốn. - Tạo một sóng dạng tam giác, biên độ cố định, u p , ta gọi là sóng mang, có tần số lớn hơn nhiều (thường là bội ba) tần số sóng điều biến. - Dùng một khâu so sánh u r và u p . Các giao điểm của hai sóng này xác định khoảng phát xung điều khiển mở transitor công suất. Người ta chia điều biến độ rộng xung thành hai loại: - Điều biến độ rộng xung đơn cực: điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số 0 và ± E. - Điều biến độ rộng xung lưỡng cực: điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có tr ị số ± E. Tỉ số giữa biên độ sóng điều biến và biên độ sóng mang, ký hiệu là M, được gọi là tỉ số điều biến, M = A r + A p . Điều chỉnh A r cũng chính là điều chỉnh độ rộng xung. . 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. 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. 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,