Nghiên cứu thiết kế bộ biến tần trên cơ sở điều chế vec tơ không gian

Luận văn, thạc sĩ, tiến sĩ, khóa luận, cao học, đề tài

Chơng 1. Tổng quan về hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ Khi nói đến hệ truyền động, ngời ta thờng quan tâm đến ba vấn đề: đối tợng điều khiển, phơng pháp điều khiển và thiết bị điều khiển. Chơng 1 với vai trò là chơng tổng quan chung của luận văn này, sẽ đề cập đến các nội dung sau: Khái quát chung về ĐCKĐB. Đây chính là đối tợng điều khiển. Phơng pháp điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB bằng cách thay đổi tần số nguồn cung cấp. Đây là phơng pháp điều khiển. Các bộ biến tần, hay thiết bị điều khiển của hệ thống điều khiển. 1.1. Sơ lợc về động cơ không đồng bộ 1.1.1. đặc điểm của động cơ không đồng bộ ĐCKĐB là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn mà trong đó chỉ có một dây quấn (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lới với tần số f s , còn dây quấn thứ hai (dây quấn thứ cấp) đợc nối tắt lại hay đợc khép kín qua điện trở. Dòng điện trong dây quấn thứ cấp đợc sinh ra nhờ cảm ứng điện từ, nó có tần số là f r là một hàm của tốc độ góc rôto r . Các máy không đồng bộ rất ít khi sử dụng làm máy phát, chủ yếu đợc dùng làm động cơ và là loại thông dụng nhất hiện nay. So với ĐCMC, nó có u điểm là cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, giá thành hạ, vận hành tin cậy, có thể dùng trực tiếp với lới điện ba pha nên có thể không cần thiết bị biến đổi kèm theo. 3 Về mặt cấu tạo, ĐCKĐB đợc chia thành hai loại: ĐCKĐB rôto dây quấn. ĐCKĐB rôto lồng sóc. Nhợc điểm chính của ĐCKĐB là đặc tính mở máy xấu và việc khống chế quá trình quá độ khó khăn hơn so với ĐCMC. Trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh của kỹ thuật điện tử công suất, kỹ thuật vi điện tử, tin học . đã làm tăng khả năng sử dụng ĐCKĐB ngay cả trong những trờng hợp có yêu cầu điều chỉnh tự động truyền động điện trong dải rộng và với độ chính xác cao mà trong các hệ truyền động trớc đây vẫn thờng phải sử dụng ĐCMC. 1.1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ ĐCKĐB là loại máy điện quay làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi cho dòng điện xoay chiều ba pha chạy vào dây quấn ba pha đối xứng đặt trong lõi thép stato thì trong khe hở không khí xuất hiện từ trờng quay mà thành phần bậc nhất quay với tốc độ n 1 = 60f s /p c trong đó f s là tần số của lới điện đa vào stato và p c là số đôi cực của động cơ. Từ trờng này quét qua các thanh dẫn của dây quấn rôto và cảm ứng trong chúng sức điện động. Do dây quấn rôto đợc nối ngắn mạch nên trong nó xuất hiện dòng điện cảm ứng. Từ trờng tạo bởi dòng điện rôto kết hợp với từ trờng tạo bởi dòng điện stato để tạo ra từ trờng tổng trong khe hở không khí. Tác dụng của từ trờng tổng này với dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn rôto tạo nên mô-men quay và làm cho rôto quay. 4 1.1.3. Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ Khác với ĐCMC, ĐCKĐB đợc cấu tạo phần cảm và phần ứng không tách biệt. Từ thông động cơ cũng nh cũng nh mô-men động cơ sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham số. Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện ĐCKĐB là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh (theo TL [8]). Có bốn phơng pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB: a) Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi thyristor. Mô-men do ĐCKĐB sinh ra tỷ lệ với bình phơng điện áp stato, do đó có thể điều chỉnh đợc mô men và tốc độ ĐCKĐB bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số nguồn cung cấp. Trớc đây, ngời ta thờng điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ bằng cách dùng máy biến áp tự ngẫu hoặc cuộn kháng. Phơng pháp này có nhợc điểm là hệ số công suất và hiệu suất thấp. Hiện nay do kỹ thuật điện tử công suất phát triển nên ngời ta thờng dùng bộ biến đổi thyristor để điều chỉnh điện áp bằng việc thay đổi góc mở của nó. b) Điều chỉnh điện trở rôto bằng bộ biến đổi xung thyristor. Phơng pháp này chỉ áp dụng cho ĐCKĐB rôto dây quấn. Hiện nay ngời ta cũng thờng thực hiện điều chỉnh trơn điện trở mạch rô-to bằng các van bán dẫn, u thế của phơng pháp này là dễ tự động hoá việc điều chỉnh. c) Điều chỉnh công suất trợt P s . Trong các trờng hợp điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB bằng cách làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tởng thì công suất trợt P s = s.P đt đợc tiêu tán trên điện trở mạch rôto. ở các hệ thống truyền động điện công suất lớn tổn hao này là đáng kể. Vì thế để vừa điều chỉnh đợc tốc độ truyền 5 động, vừa tận dụng đợc công suất trợt ngời ta sử dụng các sơ đồ điều chỉnh công suất trợt, đợc gọi chung là các sơ đồ nối tầng. d) Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ bằng các bộ biến đổi tần số thyristor hoặc transistor (các bộ biến tần). Bằng việc thay đổi tần số nguồn cung cấp ta đã thay đổi đợc tốc độ không tải lý tởng của ĐCKĐB, từ đó thay đổi đợc tốc độ quay của rôto. Trong bốn phơng pháp trên thì phơng pháp thứ t - phơng pháp điều chỉnh tần số nguồn cung cấp là một phơng pháp mạnh, ngày càng đợc ứng dụng rộng rãi vì nó sử dụng ĐCKĐB rôto lồng sóc với nhiều u điểm cơ bản nh đã nói ở trên. Trong định hớng xây dựng cấu trúc hệ truyền động biến tần - ĐCKĐB ngời ta có xu hớng tiếp cận với các đặc tính điều chỉnh của truyền động ĐCMC (theo TL [8]). Trong khuôn khổ của đề tài, luận văn này sẽ áp dụng phơng pháp thứ t - phơng pháp điều chỉnh tần số nguồn cung cấp để thiết kế bộ biến tần. Mục 1.2 tiếp sau đây sẽ phân tích kỹ hơn về phơng pháp này. 6 1.2. điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn cung cấp Nguyên lý của phơng pháp điều khiển tần số xuất phát từ công thức tính tốc độ góc rôto của ĐCKĐB nh sau: ( ) csr p/f2s1 = trong đó: là tốc độ góc của rôto. r s là độ trợt. f s là tần số lới điện cấp cho cuộn dây stato động cơ. p c là số đôi cực của động cơ. Nh vậy, khi điều chỉnh f s thì tốc độ động cơ đợc điều chỉnh theo. Đồng thời với việc điều chỉnh tần số phải điều chỉnh cả điện áp nguồn cung cấp. Sức điện động dây quấn stato tỷ lệ với tần số f s và từ thông theo quan hệ: e s = C f s. . Mặt khác, nếu bỏ qua sụt áp trên dây quấn stato u s = I s .Z s = 0 thì e s u s Từ các công thức trên suy ra: u s C f s. . Nh vậy, khi điều chỉnh f s mà vẫn giữ nguyên u s thì sẽ biến đổi theo: * Khi f s giảm, sẽ lớn lên, mạch từ động cơ bị bão hoà và dòng từ hoá tăng lên, điều này dẫn đến các chỉ tiêu năng lợng động cơ bị xấu đi, động cơ phát nóng quá mức cho phép. * Khi f s tăng, sẽ giảm xuống, dòng rôto tăng lên, dây quấn động cơ phải chịu quá tải còn lõi thép lại non tải. Trong phơng pháp điều chỉnh tần số ta phải tuân theo các luật điều chỉnh, bởi vì khi điều khiển tần số thì trở kháng, từ thông, dòng điện . của động 7 cơ thay đổi theo. Để đảm bảo một số chỉ tiêu mà không làm cho động cơ bị quá dòng thì phải điều chỉnh cả điện áp. Đối với hệ thống truyền động biến tần nguồn áp thờng có yêu cầu giữ khả năng quá tải về mô-men là không đổi trong suốt vùng điều chỉnh tốc độ. Có nhiều luật điều chỉnh, song ngời ta thờng áp dụng các luật sau: Giữ từ thông stato không đổi, điển hình là luật điều chỉnh điện áp- tần số (giữ cho tỷ số U/f không đổi). Giữ từ thông rôto không đổi: điển hình là phơng pháp tựa theo từ thông rôto (T 4 R). Giữ tần số trợt không đổi. Trong các phơng pháp trên thì phơng pháp T 4 R là một phơng pháp mạnh vì nó tiếp cận đợc với phơng pháp điều khiển của ĐCMC, đợc ứng dụng trong các hệ truyền động chất lợng cao và sẽ đợc áp dụng trong luận văn này. 8 1.3. Các bộ biến tần dùng trong hệ biến tần- Động cơ không đồng bộ 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 đợc. Thông thờng biến tần làm việc với nguồn điện đầu vào là lới điện nhng về nguyên tắc chung thì biến tần có thể làm việc với bất kỳ nguồn điện áp xoay chiều nào (theo TL [10]). Tuỳ theo các yêu cầu kinh tế-kỹ thuật mà có thể xác định đợc cấu trúc của hệ biến tần-động cơ. Về cơ bản, chúng có thể đợc chia thành hai loại: Biến tần trực tiếp. Biến tần gián tiếp. 1.3.1. Biến tần trực tiếp Gọi là biến tần 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 phải qua một khâu biến đổi trung gian nào cả (hình 1.1). f 2 < f 1 ĐC mạch van f 1 Xun g điều khiển Hình 1.1. Sơ đồ khối của biến tần trực tiếp Hình 1.2 thể hiện sơ đồ nguyên lý mạch lực của biến tần trực tiếp hình tia (theo TL [10]). Mạch lực gồm ba pha, mỗi pha về nguyên tắc chính là một mạch chỉnh lu có đảo chiều, gồm hai mạch chỉnh lu ba pha ngợc nhau. Mỗi mạch chỉnh lu có nhiệm vụ tạo ra một nửa chu kỳ điện áp ra (dơng và 9 âm). Nửa chu kỳ điện áp ra đợc tạo ra bởi sơ đồ chỉnh lu làm việc với điện áp điều khiển theo một hình sin chuẩn, có tần số nhỏ hơn tần số lới điện. Nh vậy điện áp đầu ra bao gồm các đoạn của điện áp lới với tần số đập mạch bằng tần số đập mạch của sơ đồ chỉnh lu tơng ứng, nhng với góc điều khiển liên tục thay đổi theo sự thay đổi của điện áp điều khiển. Về nguyên tắc các bộ biến đổi có đảo chiều này có thể làm việc theo nguyên tắc điều khiển chung hoặc điều khiển riêng. A C B N Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý mạch lực biến tần trực tiếp hình tia Có thể thấy số lợng van bán dẫn sử dụng trong sơ đồ rất lớn (nhất là đối với sơ đồ cầu ba pha, không vẽ ở đây), điều này dẫn đến hệ thống điều khiển rất phức tạp. Nói chung, loại biến tần này có tần số đầu ra luôn nhỏ hơn tần số đầu vào: f 2 = (0 ữ 0,5) f 1 , thờng sử dụng cho hệ truyền động động cơ công suất lớn. Tuy nhiên biến tần trực tiếp có khả năng trao đổi năng lợng với lới 10 theo cả hai chiều, các chế độ chỉnh lu và nghịch lu phụ thuộc xen kẽ nhau trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp ra. Điều này rất có ý nghĩa về mặt kinh tế đối với những phụ tải có công suất rất lớn vì hiệu suất của nó rất lớn. 1.3.2. Biến tần gián tiếp Sơ đồ khối mạch lực của biến tần gián tiếp đợc thể hiện trên hình 1.3 : Lới điện = = Xun g điều khiển f 2 ĐC nghịch lu độc lập một chiều trung gian chỉnh lu f 1 Hình 1.3. Sơ đồ khối của biến tần gián tiếp Với loại biến tần này, nguồn vào xoay chiều tần số f 1 trớc hết đợc chỉnh lu thành nguồn một chiều, sau đó qua bộ nghich lu chuyển thành nguồn xoay chiều với tần số f 2 . Tuỳ thuộc khâu trung gian một chiều làm việc trong chế độ nguồn dòng hay nguồn áp mà biến tần đợc chia thành ba loại sau: Biến tần nguồn dòng. Biến tần nguồn áp với nguồn có điều khiển. Biến tần nguồn áp không điều khiển: sử dụng nghịch lu áp điều biến độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM). + Biến tần nguồn dòng : Biến tần nguồn dòng là biến tần mà dạng dòng điện trên cửa ra của nó đợc xác định chỉ bằng sự chuyển đổi các thyristor hoặc transistor của bộ nghịch lu, còn dạng điện áp thì phụ thuộc vào tính chất của phụ tải. Việc cấp điện cho bộ nghịch lu độc lập nguồn dòng phải đợc thực hiện từ nguồn 11 dòng điện. Thông thờng, việc chuyển các bộ chỉnh lu sang chế độ nguồn dòng bằng cách nối tiếp với một bộ điện kháng có điện cảm rất lớn . Hình 1.4 mô tả sơ đồ nguyên lý mạch lực của biến tần nguồn dòng. Biến tần nguồn dòng dùng chỉnh lu có điều khiển, nghịch lu thyristor. Ưu điểm cơ bản của biến tần loại này là có sơ đồ đơn giản và sử dụng loại thyristor với tần số đóng cắt không cao lắm. Chỉnh lu có điều khiển cùng với cuộn cảm tạo nên nguồn dòng cấp cho nghịch lu. M Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý mạch lực của biến tần nguồn dòng Nghịch lu ở đây là sơ đồ nguồn dòng song song. Hệ thống tụ chuyển mạch đợc cách ly với tải qua hệ thống điôt cách ly. Dòng ra nghịch lu có dạng xung chữ nhật , điện áp ra có dạng tơng đối sin nếu tải là động cơ. Khi động cơ chuyển sang chế độ máy phát dòng đầu vào nghịch lu vẫn đợc giữ không đổi nhng chỉnh lu chuyển sang làm việc với góc điều khiển lớn hơn 90 0 , nghĩa là chuyển sang chế độ nghịch lu phụ thuộc, nhờ đó năng lợng từ phía nghịch lu đợc đa về lới. Biến tần nguồn dòng cũng không sợ chế độ ngắn mạch vì có hệ thống giữ dòng không đổi nhờ chỉnh lu có điều khiển và cuộn kháng trong mạch một chiều. Với công suất nhỏ thì sơ đồ này không phù hợp vì hiệu suất thấp và cồng kềnh, nhng với công suất cỡ trên 100 kW thì đây là một phơng án rất hiệu quả (theo TL [10]). 12 . trúc bộ biến tần trên cơ sở điều chế véc -tơ không gian Trớc khi tiến hành thiết kế phần cứng và xây dựng chơng trình phần mềm bộ biến tần theo nguyên lý điều. 1.3. Các bộ biến tần dùng trong hệ biến tần- Động cơ không đồng bộ Biến tần là các bộ biến đổi điện dùng để biến đổi nguồn điện áp với các thông số không