Nội dung bài viết là nghiên cứu phương pháp khởi động động điện biến tần động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp và xây dựng cấu trúc điều khiển cũng như xác định lĩnh vực có thể áp dụng hệ truyền động này.
Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 2(42)/Năm 2007 Hệ truyền động điện Biến tần- động đồng kích từ nối tiếp Trần Xuân Minh - Nguyễn Nh Hiển (Trờng ĐH Kỹ thuật công nghiệp - ĐH Thái Nguyên) Đặt vấn đề Theo [2], [3], [7], [8], động đồng kích từ nối tiếp động xoay chiều không đồng ba pha rotor dây quấn với sơ đồ đấu dây đặc biệt (hình 1) Với cách đấu dây này, động làm việc nh động đồng (có đờng đặc tính tuyệt đối cứng), quan niệm từ thông động tạo cuộn dây rotor, mà cuộn dây lại đợc đấu nối tiếp với cuộn dây stator nên trờng Va ia e as hợp động đợc gọi động đồng kích từ nối tiếp (ĐCĐBKTNT) Trong [2], [3], [7], [8], đ ic giới thiệu kết nghiên cứu chế độ xác lập cr động cơ, qua đó, đ khẳng định u điểm ar Vc bật ĐCĐBKTNT Nhng động làm việc nh br động đồng nên vấn đề khởi động động bs nội dung quan trọng cần phải đợc nghiên cứu cs Vb ib Ngoài phải xét đến phơng pháp điều chỉnh tốc độ nh yêu cầu thiết bị Hình 1: Sơ đồ đấu dây mạch stator hệ điều chỉnh tự động truyền động điện Nghiên cứu rotor động làm việc chế độ phơng pháp khởi động ĐCĐBKTNT xây ĐCĐBKTNT dựng cấu trúc điều khiển nh xác định lĩnh vực ứng dụng hệ truyền động nội dung báo đợc trình bày sau Các cấu trúc hệ truyền động biến tần-ĐCĐBKTNT 2.1 Các phơng pháp khởi động ĐCĐBKTNT hệ truyền động điện ĐCĐBKTNT tơng tự nh động đồng khác khởi động lên tốc độ làm việc (tốc độ đồng bộ) cách đóng trực tiếp điện áp xoay chiều cung cấp cho cuộn dây động Để khởi động động đồng ngời ta sử dụng số phơng pháp nh: (1) Sử dụng động để kéo cho động đồng quay đạt đến tốc độ gần với tốc độ đồng cấp nguồn cho cuộn dây động để động tự vào đồng bộ; (2) Sử dụng phơng pháp khởi động không đồng (đối với động có lòng sóc khởi động), tốc độ động gần tốc độ đồng cấp nguồn cho cuộn dây kích từ để động tự vào đồng bộ; (3) Điều khiển làm việc biến tần theo số luật định (khi động làm việc hệ truyền động biến tần-động cơ, điều chỉnh tốc độ thay đổi tần số nguồn) Trong đó, phơng pháp sử dụng biến tần với luật điều khiển phù hợp (3) để khởi động động đồng phơng pháp đợc sử dụng phổ biến hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ phơng pháp thay đổi tần số, phơng pháp cho chất lợng trình khởi động nh chất lợng hệ truyền động tốt Về hệ truyền động biến tần ĐCĐBKTNT áp dụng phơng pháp khởi động cho động đồng nói chung, 43 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 2(42)/Năm 2007 nhiên, chất ĐCĐBKTNT có cấu trúc không ổn định [4] nên muốn đa động vào đồng bộ, phải xây dựng hệ truyền động theo cấu trúc điều khiển hệ thống kín Khi sâu nghiên cứu phơng pháp khởi động ĐCĐBKTNT hệ truyền động sử dụng biến đổi tần số gián tiếp có khâu trung gian chiều, nhóm tác giả báo đề xuất phơng án nh sau: Với hệ truyền động biến tần-ĐCĐBKTNT điều khiển vô hớng sư dơng ®iỊu chÕ ®é réng xung (PWM) cã thĨ sử dụng phơng pháp: - Điều chỉnh tần số điện áp tăng dần theo luật định giai đoạn khởi động, kết hợp với sử dụng tín hiệu dòng tín hiệu mô men động - áp dụng biện pháp khởi động không đồng Sư dơng cÊu tróc ®iỊu khiĨn vector tùa theo tõ thông rotor hệ truyền động biến tần-ĐCĐBKTNT Mỗi phơng pháp khởi động có u nhợc điểm riêng vỊ cÊu tróc cđa hƯ trun ®éng còng nh− chÊt lợng Trong báo giới thiệu cấu trúc điều khiển vô hớng, cấu trúc điều khiển vector đợc giới thiệu báo khác 2.2 Hệ biến tần - ĐCĐBKTNT điều khiển vô hớng, khởi động động việc điều chỉnh tăng dần tần số điện áp giai đoạn khởi động Cấu trúc hệ truyền động đợc biểu diễn hình Sơ đồ cấu trúc gồm hai phần: Phần lực gồm: CL khối chỉnh lu dùng để biến đổi điện áp xoay chiều mạng điện công nghiệp thành điện áp chiều cấp cho khối nghịch lu; NL khối nghịch lu thờng dùng khoá đóng cắt IGBT, thực biến đổi điện áp chiều Udc đầu khối CL thành điện áp xoay chiều cung cấp cho động cơ; ĐC động không đồng ba pha rotor dây quấn đợc đấu dây đặc biệt để làm việc chế độ động đồng kích từ nối tiếp (ĐCĐBKTNT); C tụ lọc Phần điều khiển gồm: khâu tạo tín hiệu khống chế nghịch lu theo nguyên lý ®iÒu chØnh ®é réng xung (Driver NL PWM); bé ®iÒu chỉnh biên độ điện áp nghịch lu (ĐCA); sensor đo dòng (SI) đo tốc độ (TG); khâu biến đổi dòng ba pha động thành điện ¸p mét chiỊu tØ lƯ víi gi¸ trÞ hiƯu dơng dòng điện pha (BĐD); XL khâu gia công tín hiệu dòng điện tốc độ động phục vụ cho mục đích ổn định động hệ thống; tín hiệu đặt tốc độ hệ (THĐ) đợc đa đến khối đặt tần số để định tần số NL, đồng thời THĐ lại đợc tổng hợp với tín hiệu đầu XL để khống chế biên độ điện áp biến tần; tín hiệu Sa, Sb, Sc chuỗi xung dùng để không chế khoá IGBT ba pha nghịch lu Việc khống chế qui luật thay đổi tần số giai đoạn khởi động ĐTS định, việc điều chỉnh điện áp đợc thực ĐCA áp dụng mô hình mô động đ đợc giới thiệu [2], [3], thực việc mô đặc tính độ hệ MATLAB-SIMULINK với động có thông số: Pđm=1,1KW; Uđm=380/220-Y/; I1đm=3,5A; Ls=0,013H; Lr=0,0089H; Ls=0,34H; k=0,692; số đôi cực từ pm=3; tần số định mức fđm=50Hz; mô men quán tính động tải 44 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 2(42)/Năm 2007 nối trục với động J = 0,04 Kết thu đợc đặc tính thời gian tốc độ, giá trị hiệu dụng dòng điện pha khởi động A B C không tải thay đổi nhảy cấp tải động đ hoàn thành trình khởi Đặt tần số NL CL động; khởi động có tải dạng quạt ĐTS ì gió đợc biểu diễn hình 3a, b;4a, b Udc f C Các kết quả cho thấy, Driver Sa,Sb,Sc với cấu trúc điều khiển phơng NL U NL ĐCA pháp khởi động động đ nêu, hệ PWM THĐ truyền động đảm đợc yêu cầu SI ia I cần thiết đặc tính độ hoàn BĐD XL toàn áp dụng vào thực tế sản ib xuất C TG Hình 2: Cấu trúc điều khiển vô hớng hệ truyền động biến tần- động đồng kÝch tõ nèi tiÕp 120 100 80 ωr(rad/s) If(A) 3.0 2.5 2.0 60 1.5 40 20 1.0 0.5 a) 10 15 20 t(s) 25 30 b) 10 15 20 t(s) 25 30 H×nh 3: Tốc độ góc (a), giá trị hiệu dụng dòng điện pha (b) động khởi động không tải thay đổi tải nhảy cấp thời điểm t=15s (Mc=6Nm) t=20s (tăng thêm 4Nm) với cấu trúc điều khiển vô hớng r(rad/s), Mc(Nm) 120 100 80 60 40 20 0 2.5 ωr If (A) 2.0 1.5 1.0 a) Mc 10 15 20 t(s) 25 30 b) 0.5 0 10 15 20 t(s) 25 30 Hình 4: Tốc độ góc (a), giá trị hiệu dụng dòng điện pha (b)của động khởi động có tải dạng quạt gió với cấu trúc điều khiển vô hớng 45 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 2(42)/Năm 2007 2.3 Hệ biến tần - ĐCĐBKTNT điều khiển vô hớng, khởi động động phơng pháp khởi động không đồng r(rad/s) If(A) 250 200 150 100 a) b) 50 t(s) 0 10 15 20 25 30 t(s) 0 10 15 20 25 30 H×nh 5: Tốc độ góc (a), giá trị hiệu dụng dòng ®iƯn mét pha (b) cđa ®éng c¬ khëi ®éng không tải thay đổi tải nhảy cấp thời điểm t=15s(Mc=6Nm), t=20s(+4Nm), t=20s(+3Nm) với cấu trúc điều khiển vô hớng, khởi động không đồng Mặc dù lồng sóc khởi động nh số động đồng bộ, nhng ĐCĐBKTNT lại có đặc tính: Khi cấp nguuồn xoay chiều ba pha cho động động khởi động lên tốc độ gần tốc độ từ trờng quay stator Sử dụng đặc tính động cơ, ta điều khiển biến tần làm việc theo luật: Khi bắt đầu khởi động biến tần cho điện áp với tần số gấp đôi tần số làm việc, dẫn đến động khởi ®éng ®Õn tèc ®é cÇn thiÕt, sau ®ã biÕn tÇn đợc điều khiển để tần số đầu giảm xuống tần số làm việc (bằng nửa lúc ban đầu), động tự vào đồng Cấu trúc hệ truyền động có dạng nh hình 2, chức điều khiển tần số để đảm bảo trình khởi động đợc cài đặt khối đặt tần số Các đặc tính hình 5a,b cho thấy, với biện pháp khởi động dễ dàng đa động đến tốc độ làm việc theo yêu cầu tiêu khác hoàn tơng đơng nh áp dụng việc điều chỉnh tần số điện áp biến tần, nhiên trờng hợp yêu cầu biến tần phải có khả tạo điện áp tần số gấp đôi tần số định mức động Kết luận Từ kết mô cấu trúc điều khiển vô hớng hệ truyền động điện biến tần-động đồng kích từ nối tiếp đa kết luận: * Hệ truyền động điện biến tần - ĐCĐBKTNT hệ truyền động có đờng đặc tính tuyệt đối cứng, đảm ổn định tốc độ tuyệt đối mô men tải thay đổi phạm vi nhỏ mô men cực đại động (cỡ từ đến lần mô men định mức), phù hợp với cấu sản xuất yêu cầu cao ổn định tốc độ * Các cấu trúc hệ truyền động đ nêu đảm bảo đợc tiêu chất lợng tĩnh động, đảm bảo trình khởi động êm, dòng khởi động nhỏ nên không ảnh hởng đến lới điện hệ thống khởi động (với động công suất lớn) Các cấu trúc điều khiển đơn giản, không yêu cầu cao phần cứng phần mềm hệ thống điều khiển nên dễ thực hiện, giá thành thấp, độ tin cậy cao * Với đặc tính tốc độ đồng động gấp đôi tốc ®é tõ tr−êng quay stator [2], [3], [7], [8] nªn với động cực làm việc với tần số 50Hz (thờng tần số định mức 46 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 2(42)/Năm 2007 động không đồng ba pha đợc sản xuất công nghiệp) tốc độ động đạt đến 6000 vòng/phút, phù hợp với hệ truyền động có yêu cầu tốc độ cao nh máy nén, máy bơm cao tốc, không cần hộp số nên kích thớc hệ đợc giảm nhỏ, giá thành thấp * Kết hợp u điểm kết cấu động chắn, tiêu chất lợng tĩnh tốt, có khả cho công suất gấp đôi công suất định mức nhà máy sản xuất đa [2], [3], [7], [8], với đặc tính động đợc giới thiệu mục 2, hệ truyền động điện biến tần-ĐCĐBKTNT hệ truyền động có triển vọng đợc nghiên cứu hoàn thiện Tóm tắt Bài báo giới thiệu hệ truyền động điện mới, ứng dụng động không đồng ba pha rotor dây quấn với sơ đồ đấu dây đặc biệt, làm việc tơng tự nh động đồng kích từ nối tiếp Trên sở đó, xây dùng cÊu tróc ®iỊu khiĨn cđa hƯ trun ®éng ®ång kích từ nối tiếp kết đặc tính làm việc chế độ độ hệ thống, đồng thời, dự báo khả ứng dụng hệ truyền động công nghiệp Summary Electrical transmission system of Altering frequency - synchronous motor using the serial magnetic stimulation The paper presents a new electrical transmission system applying an asynchronous threephase induction motor with a special diagram for connecting coils as a synchronous operating motor with the use of the serial magnetic stimulation Basic on this , the controlling structure of the synchronous system using serial magnetic stimulation is built and results of working characteristic in the immoderate mode of the system are obtained Moreover, the applicable possibility of this new transmission in industry is also predicted Tài liệu tham khảo [1] Trần Khánh Hà (1997), Máy điện tập1, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Nguyễn Nh Hiển, Trần Xuân Minh (2004), Xây dựng mô hình động đồng kích từ nối tiếp để nghiên cứu chế độ xác lập, Tự động hoá ngày nay, 12 [3] Bùi Quốc Khánh, Trần Xuân Minh, Nguyễn Nh Hiển (2005), Lý thuyết phân tích hệ truyền động dùng động đồng kích từ nèi tiÕp, Tun tËp c¸c b¸o c¸o khoa häc- Héi nghị toàn quốc tự động hoá lần thứ VI (VICA 6), trang 300-305 [4] Nguyễn Nh Hiển, Trần Xuân Minh, Phạm Thị Bông, Lâm Hùng Sơn (2005), Các giải pháp ổn định hoá nâng cao độ bền vững hệ truyền động sử dụng động đồng kích tõ nèi tiÕp, Tun tËp c¸c b¸o c¸o khoa häc- Hội nghị toàn quốc tự động hoá lần thứ VI (VICA 6), trang 221-226 [5] NguyÔn Phïng Quang (1996), §iỊu khiĨn tù ®éng trun ®éng ®iƯn xoay chiỊu ba pha, NXB Giáo dục, Hà Nội [6] Nguyễn Phùng Quang (2003) MATLAB & Simulink dành cho kỹ s điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [7] Essam E M Rashad, Mostafa E Abdel Karim (1996) Theory and Analysis of Three-phase Series-connected Parametric Motors, trang 715-720, IEEE 1996 [8] Yasser G Dessouky, Mohmoud S Abouzid, Adel L Mohamadein (2000), Theory and Performance of Series Connected Synchronous Motors, IEEE 2000 [9] M G Tsilikil, M M X«clov, B M Erekhov, A B Shinianxki (1974) Base of Automatic Electrical Drive, Energy, Moscow 47 ... tần số điện áp biến tần, nhiên trờng hợp yêu cầu biến tần phải có khả tạo điện áp tần số gấp đôi tần số định mức động Kết luận Từ kết mô cấu trúc điều khiển vô hớng hệ truyền động điện biến tần - ộng. .. trúc điều khiển vô hớng hệ truyền động điện biến tần - ộng đồng kích từ nối tiếp đa kết luận: * Hệ truyền động điện biến tần - ĐCĐBKTNT hệ truyền động có đờng đặc tính tuyệt đối cứng, đảm ổn định... nh động đồng kích từ nối tiếp Trên sở đó, xây dựng cÊu tróc ®iỊu khiĨn cđa hƯ trun ®éng ®ång bé kích từ nối tiếp kết đặc tính làm việc chế độ độ hệ thống, đồng thời, dự báo khả ứng dụng hệ truyền