NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrctnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN TIẾN LUẬT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ Khoá học: K10 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrctnu.edu.vn THÁI NGUYÊN - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrctnu.edu.vn Công trình được hoàn thành tại: KHOA SAU ĐẠI HỌC - ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN LIỄN Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN Phản biện 2: TS. TRẦN TRỌNG MINH Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Vào hồi 11h ngày 22 tháng 11 năm 2009 Có thể tìm hiểu luận văn tại: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrctnu.edu.vn THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRUNG TÂM HỌC LIỆU - ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 Chƣơng I ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ 1.1. Mô tả chung về động cơ không đồng bộ. - Ở đây ta chủ yếu nghiên cứu động cơ không đồng bộ ba pha. - Động cơ không đồng bộ ba pha là máy điện quay không đồng bộ ba pha. về cấu tạo, động cơ không đồng bộ gồm 2 phần chính là phần tĩnh hay là stato và phần quay là rôto. Stato thường gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120° trong không gian. Rôto phân làm 2 loại chính: rôto dây quấn và rôto lồng sóc. Rôto dây quấn là kiểu rôto có dây quấn giống ở stato, dây quấn rôto được đặt và các rãnh của lõi sắt rôto. Còn rôto lồng sóc thì không dùng dây quấn mà dùng các thanh dẫn bằng đồng hay nhôm, các thanh dẫn này được nối ngắn mạch với nhau ở mỗi đầu bằng vòng ngắn mạch. a b c c ba Hình 1.1. Động cơ không đồng bộ. a) Rô to lồng sóc, b) Rôto dây quấn - Động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất. Ưu điểm nổi bật của loại động cơ này là cấu tạo đơn giản đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc; so với động cơ một chiều động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn. Ngoài ra động cơ không đồng bộ có thể dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha nên không cần bộ biến đổi như động cơ điện 1 chiều. Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điểu chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn; riêng với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc thì các chỉ tiêu khởi động xấu hơn. S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 1.2. Phng trỡnh c tớnh c ca ng c khụng ng b: - S thay th ca ng c khụng ng b: thnh lp phng trỡnh c tớnh c ca ng c khụng ng b ta s dng s thay th. Trờn hỡnh 1.2 l s thay th gn ỳng mt pha ca ng c khụng ng b vi cỏc gi thit sau: + Ba pha ng c l i xng, khe h khụng khớ l ng u. + Cỏc thụng s ca ng c khụng i, ngha l khụng ph thuc vo nhit , tn s, dũng in rụto, mch t khụng bóo ho. Nờn in khỏng X 1, X 2 khụng i. + Dũng in t hoỏ khụng ph thuc vo ti m ch ph thuc vo in ỏp t stato ng c. + B qua c tn tht ma sỏt, ti tht trong lừi thộp. + in ỏp li hon ton sin v i xng 3 pha. I1 I2 X1 R1 X'2 R'2/s I3 Xm Rm U1 Hỡnh 1.2. S thay th ng c khụng ng b - Trong s : +U 1 : Tr s hiu dng ca in ỏp pha stato. +I à, I 1 , I 2 : Cỏc dũng in t hoỏ, stato v rụto ó quy i v stato. +X , X 1, X 2 : in khỏng mch t hoỏ, in khỏng tn stato v rụto ó quy i v stato. + s: trt ca ng c: 1 1 S + f 1 : Tn s ca in ỏp ngun t vo stato. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 +ω: Tốc độ góc của động cơ. +P p : Số đôi cực từ động cơ. Từ sơ đồ thay thế ta có:                            2 2 ' 2 1 22 11 11 . nm f X s R R XR UI  (1.1) Trong đó: X nm =X 1σ +X ’ 2σ : Điện kháng ngắn mạch Biểu thức (1) là phương trình đặc tính của dòng điện stato. + Khi ω=0, s=1 thì I 1 =I 1nm + Khi ω=ω 1 , s=0 thì:  I XR U I f    2 0 2 0 1 1 + I 1nm : Dòng điện ngắn mạch stato. + I  : Dòng điện từ hoá có tác dụng tạo ra từ trường quay từ hoá lõi sắt động cơ. Ta cũng tìm được dòng điện rôto quy đổi về stato:   2 2 ' 21 1 ' 2 2/ nm f XRR U I   (1.2) - Phương trình đặc tính cơ của động cơ: Để tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ. Công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto: P 12 =M dt .ω 1 Trong đó: M dt : là mômen điện từ của động cơ Bỏ qua các tổn thất phụ thì : M dt =M cơ =M Công suất đó chia làm hai phần: P cơ : Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ ΔP 2 : Công suất tổn hao đồng trong rôto. P 12 =P cơ +ΔP 2 =>M.ω 1 =M.+ΔP 2 Do đó: ΔP 2 =M(ω 1 -ω)=M.ω 1 .s Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 Mặt khác: ΔP 2 =3.I ’2 2 .R 2 ’ 1 ' 2 2' 2 3  s R I M  Từ đó ta có: sX s R R RU M nm . .3 2 2 ' 2 11 ' 2 2 1                     (1.3) Xác định cực trị bằng cách tính 0 ds dM Từ đó suy ra: + 22 1 ' 2 nm th XR R S   (1.4) + )(2 22 111 2 1 nm f th XRR U M    (1.5) Trong hai biểu thức trên dấu + ứng với trạng thái động cơ. Dấu - ứng với trạng thái máy phát. Do đó M th ở chế độ máy phát lớn hơn ở chế độ động cơ. Ở đây nghiên cứu hệ truyền động với động cơ không đồng bộ nên ta quan tâm nhiều tới trạng thái làm việc động cơ nên đường đặc tính cơ lúc này thường biểu diễn trong khoảng 0<s<s th , gọi là đoạn đặc tính cơ làm việc. Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thể biểu diễn đơn gian hơn bằng các lập tỉ số giữa (1.3) và (1.5) ta có: th th th thth sa s s s s saM M . ).1(.2    Trong đó: ' 2 1 R R a  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5  Sdm Sth Mdm Mkd Mth M Hình 1.3. Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy các thông số ảnh hưởng tới đặc tính cơ: - Ảnh hưởng điện trở, điện kháng mạch stato - Ảnh hưởng điện trở mạch rôto - Ảnh hưởng điện áp lưới cấp cho động cơ - Ảnh hưởng của tần số lưới cấp cho động cơ f 1 . 1.3. Mô hình động cơ không đồng bộ. 1.3.1. Mô hình động cơ không đồng bộ trong không gian ba pha. - Quy ước: A,B, C chỉ thứ tự pha các cuộn dây rôto và a,b,c chỉ thứ tự các cuộn dây stato. Giả thiết: - Cuộn dây stato, rôto đối xứng 3 pha. - Dây quấn stato được bố trí sao cho từ thông khe hở có phân bố dạng hình sin dọc theo chu vi khe hở không khí. - Tham số không đổi. - Mạch từ chưa bão hoà. - Khe hở không khí δ đồng đều. - Nguồn 3 pha cấp hình sin và đối xứng (lệch pha góc 2л/3). Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuôn dây k như sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 Trong đó: k là thứ tự cuộn dây A, B, C rôto và a,b,c stato. dt dRIU k kkk   Ψ k là từ thông móc vòng của mỗi cuộn dây thứ k.Ψ k =∑L jk i j . nếu i=k: ta có điện cảm tự cảm , j≠k: ta có điện cảm hỗ cảm. Ví dụ: Ψ a =L a a i a +L ab i b+ L ac i c +L aA i A +L aB i B +L aC i C L là điện cảm chính của dây quấn pha động cơ không đồng bộ. L σ là điện cảm tản N s là số vòng dây quấn stato N r là số vòng dây quấn rôto 1 L L L L ss s   1 . 2 2  L L LN NL r s rr r              c b a s i i i i            C B A r i i i i ,            u a u u s ,            C B A r u u u u              S S S s R R R R 00 00 00              r r r r R R R R 00 00 00            c b a                C B A                          C B A c b a        [...]... http://www.lrc-tnu.edu.vn dụng rộng rãi trong truyền động xoay chiều, trong truyền tải điện xoay chiều như bộ bù tĩnh (static var compensator) Cấu trúc chung của bộ nghịch lưu áp nhiều mức (đa mức) là có nhiều bộ gồm sáu chuyển mạch thông thường trong nghịch lưu ba pha để tổng hợp điện áp hình sin từ một số mức điện áp từ nguồn áp của tụ điện Lý do sử dụng các khóa chuyển mạch này là dòng điện bị phân chia trong các... vậy, phần lớn biến tần công nghiệp thường sử dụng giải pháp này Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 http://www.lrc-tnu.edu.vn Chƣơng II CẤU TRÚC BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC DÙNG TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUNG ÁP A Cấu trúc bộ biến tần đa mức 2.1 Khái niệm Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều... tần số f thì dẫn đến tốc độ thay đổi và sẽ dẫn đến tốc độ động cơ thay đổi Khi điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ thường phải điều chỉnh cả điện áp, dòng điện hoặc từ thông trong mạch stato do trở kháng, từ thông, dòng điện của động cơ bị thay đổi - Khi điều chỉnh tần số, giả sử điện áp là điện áp định mức( Udm): + Nếu giảm tần số f < fđm (trong khi giữ U=Udm) thì từ thông ψ tăng lên, dẫn đến dòng... một chỉ tiêu mà không làm động cơ bị quá dòng, cần phải điều chỉnh cả điện áp động cơ, cụ thể là giảm điện áp cùng với việc giảm tần số theo quy luật nhất định + Nếu tăng tần số vì điện áp U1=Udm (điện áp định mức là lớn nhất) Lúc này từ thông θ động cơ sẽ giảm xuống làm cho momen động cơ giảm, dẫn đến tốc độ động cơ giảm rất nhiều Trường hợp mômen động cơ yếu có thể làm cho động cơ không quay được Số... khiển điện áp /tần số, sức điện động stato động cơ được điều chỉnh tỉ lệ với tần số đảm bảo duy trì từ thông khe hở không đổi Động cơ có khả năng sinh mômen như nhau ở mọi tần số định mức Có thể điều chỉnh tốc độ ở hai vùng: Vùng dưới tốc độ cơ bản: giữ từ thông không đổi thông qua điều khiển tỷ số sức điện động khe hở /tần số là hằng số Vùng trên tốc độ cơ bản: giữ công suất động cơ không đổi, điện áp được... định mức lớn hơn công suất từng khóa riêng rẽ 2.4 Các cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lƣu áp đa mức 2.4.1 Bộ nghịch lưu điôt kẹp (diode clamped multilevel inverter) 2.4.1.1 Cấu trúc Bộ nghịch lưu điôt kẹp sử dụng các điôt kẹp và các tụ điện một chiều mắc nối tầng để tạo ra điện áp có nhiều mức Bộ nghịch lưu này có thể có cấu trúc: 3, 4 hay 5 mức, nhưng thường sử dụng nhiều nhất trong các truyền động. .. và pha của dòng điện thì có thể điều chỉnh được từ thông rôto mà không cần cảm biến tốc độ -Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện Phương pháp điều chỉnh này sử dụng biến tân nguồn dòng Biến tần nguồn dòng có ưu điểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch lưc đơn giản mà vẫn thực hiện hãm tái sinh động cơ Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là nguồn điện điều khiển Để tạo nguồn điện một chiều thường... điện áp stato U1 Điều này dẫn đến mômen động cơ suy giảm theo tần số Để đảm bảo từ thông ψσ không đổi ta cần bù điện áp rơi trên điện trở stato Giải pháp thực hiện trong thực tế hay dùng là phát hàm U1(f1) với dòng điện không tải I10 Khi động cơ mang tải bù thêm lượng điện áp tỷ lệ với sụt áp trên điện trở stato ct Như vậy tại giá trị tần số đầu vào f1 giá trị điện áp sẽ có hai thành phần: Thành phần... tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số Đây là phương pháp đơn giản nhất, chỉ sử dụng một bộ biến đổi điện năng (biến áp, tiristor) để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn stato Phương pháp này kinh tế nhưng họ đặc tính cơ thu được không tốt, thích hợp với phụ tải máy bơm, quạt gió b Điều khiển điện trở rôto: Sử dụng trong cơ cấu dịch chuyển cầu trục, quạt gió,... hoặc truyền động động cơ hai nguồn cung cấp - Nếu tái sử dụng năng lượng Ps để tạo Pcơ: được gọi là truyền động nối câp cơ Phương pháp này không có ý nghĩa nhiều vì khi ω giảm còn 1/3.ω 1 thì Ps=2/3.P1 tức là công suất một chiều dùng để tận dụng Ps phải gần bằng động cơ chính(xoay chiều), nếu không thì lại không nên điều chỉnh sâu ω xuống Trong thực tế không sử dụng phương pháp này d Điều khiển tần