Điện tử công xuất II P5

Trang 1 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA CHƯƠNG 4 BỘ NGUỒN AC VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC IV. 1 BỘ NGUỒN AC BÁN DẪN: 1. Phân loại: Bộ nguồn xoay chiều bán dẫn chỉ chung các thiết bò sử dụng mạch điện tử công suất để cung cấp năng lượng điện AC cho các tải công nghiệp và dân dụng, ta có thể gặp các loại sau: - Ổn áp AC dùng bán dẫn dùng các mạch điều khiển áp AC hay sử dụng các ngắt điện bán dẫn để đổi nối biến áp tự ngẫu nhằm ổn đònh áp (dòng) ra ở giá trò mong muốn. Ưu điểm lớn nhất của các thiết bò này là gọn nhẹ, giá thành thấp, tác động nhanh so với các thiết bò có chuyển động. Một nhược điểm lớn của nhóm này là khả năng quá tải kém vì dùng các ngắt điện bán dẫn và áp ra không hình sin khi sử dụng điều khiển pha. - Các bộ nguồn không gián đoạn (UPS) dùng để cung cấp năng lượng cho các thiết bò sử dụng điện lưới mà sự gián đoạn nguồn có thể gây thiệt hại nghiêm trọng. - Các bộ nguồn cho thiết bò gia nhiệt sử dụng dòng điện cảm ứng (dòng Foucault), thường có tần số cao hơn tần số công nghiệp (trên 500 Hz). Đây là đối tượng khảo sát của chương 5. - Các bộ biến đổi tần số dùng cho điều khiển động cơ AC. Các BBĐ này biến đổi điện lưới (1 hay 3 pha) thành 3 pha có tần số và điện áp thay đổi cung cấp cho động cơ xoay chiều. Có hai loại: biến tần trực tiếp sử dụng BBĐ điều khiển pha đảo chiều và biến tần có qua trung gian một chiều. Một lưu ý là trong công nghiệp, các bộ biến tần hay được gọi là nghòch lưu (INVERTER), có lẽ vì trọng tâm của thiết bò là bộ nghòch lưu, vốn là một mạch ĐTCS rất phức tạp. Khác với bộ nguồn DC và bộ điều khiển động cơ DC, các bộ nguồn AC và bộ điều khiển động cơ AC có sơ đồ động lưc và điều khiển rất khác biệt vì tải của chúng rất đa dạng. Và vì thế mà mỗi loại sẽ được giới thiệu ở một phần khác nhau. 2. Bộ nguồn không gián đọan (UPS – bộ lưu điện): Để cung cấp năng lượng cho tải AC khi mất nguồn, UPS sử dụng bộ nghòch lưu độc lập biến đổi năng lượng tích trữ trong accu thành điện xoay chiều tần số lưới cung cấp tiếp tục cho tải. Do năng lượng tích trữ của accu rất hữu hạn, các UPS thường chỉ làm việc trong thời gian ngắn, chờ khởi động máy phát dự phòng hay để thực hiện quá trình dừng máy (ví dụ ở máy tính làsao lưu các tài liệu và đóng windows). Có lẽ vì thế mà nó còn có tên là bộ lưu điện. Nạp Accu Nghòch lưu Lưới Tải Chuyển mạch Điều khiển Hình IV.0.1: Sơ đồ khối bộ nguồn xoay chiều không gián đoạn Có hai loại: - Off-line (hình IV.0.1): bình thường, bộ nghòch lưu ở trạng thái chờ, tải sử dụng điện lưới. Khi mất nguồn, UPS khởi động bộ nghòch lưu và chuyển mạch tải. Thời gian khám phá mất điện Trang 2 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA + chuyển mạch tải cần đủ nhanh (vài chục ms) để không ảnh hưởng hoạt động của tải. Sơ đồ off-line thường dùng cho thiết bò công suất bé, khi đó accu có điện áp thấp và bộ nghòch lưu thường là một pha, dùng sơ đồ biến áp có điểm giữa. Dạng sóng nghòch lưu (phía xoay chiều) thường có dạng điều rộng 1 xung đơn giản, là kết quả của việc dùng vi mạch điều khiển độ rộng xung kiểu đẩy kéo như đã khảo sát trong phần bộ nguồn DC. - On-line: Thường dùng cho công suất lớn hay thiết bò cần chất lượng cao, tải luôn sử dụng năng lượng từ bộ nghòch lưu, và hệ thống không có bộ chuyển mạch. Áp ra thường được điều chế hình sin, đưa qua bộ lọc tần số cao để có được dạng sóng giống như điện lưới, tránh việc tăng tổn hao của các tải dùng điện. Sơ đồ khối bộ nghòch lưu có đầu vào là áp DC của bình accu 24 V và ngỏ ra hình sin 220 VAC công suất bé (< vài Kw): Accu å [NL1 å BA tần số cao å CL å Lọc 1 ]å NL2 å Lọc 2 å tải Cụm biến đồi áp DC [ ] dùng để nâng áp từ 24 VDC ra 300 VDC, sử dụng Nghòch Lưu 1 có sơ đồ điều rộng 1 xung với biến áp có điểm giữa. Biến Áp tần số cao giúp giảm kích thước và tăng hiệu suất hệ thống. Nghòch Lưu 2 là điều rộng xung hình sin dùng vi điều khiển nên mạch điện đơn giản, kinh tế. Ngày nay với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, sơ đồ khối trên bắt đầu áp dụng cho cả UPS loại off-line, nhằm tăng chất lượng thiết bò. IV. 1 CÁC VẤN ĐỀ VỀ TĐĐ AC: 1. So sánh động cơ AC và DC: Động cơ AC gồm có động cơ đồng bộ (ĐB ) và không đồng bộ (KĐB). Nếu động cơ ĐB chỉ được dùng khi công suất rất lớn (hàng MW) do cấu tạo phức tạp và khó điều khiển thì KĐB lại rất phổ biến do cấu tạo đơn giản, chi phí vận hành thấp. Ta có thể gặp động cơ KĐB ở mọi ngành kinh tế quốc dân, từ dân dụng đến công nghiệp. Ta có các so sánh sau về hai loại động cơ một chiều và KĐB sau: Động cơ DC Cấu tạo phức tạp, giá thành cao Hiệu suất thấp, sụt tốc theo tải lớn Yêu cầu bảo trì thường xuyên Momen khởi động, khả năng quá tải (momen) lớn Dòng khởi động lớn và không thể khỡi động trực tiếp Điều khiển tốc độ chất lượng cao bằng cách thay đổi áp phần ứng Động cơ KĐB Cấu tạo đơn giản, giá thành hạ Hiệu suất cao, sụt tốc theo tải bé Gần như không phải bảo trì Momen khởi động, khả năng quá tải (momen) bé Dòng khởi động lớn và cho phép khỡi động trực tiếp Điều khiển tốc độ chất lượng cao bằng cách thay đổi tần số nguồn (biến tần). Trước đây, truyền động điện động cơ DC luôn được dùng khi cần chất lượng cao cho đến khi các bộ biến tần bán dẫn xuất hiện. Cho đến đầu những năm 90, các bộ biến đổi tần số đã được nhiều công ty sản xuất nhưng chỉ đến các năm cuối thế kỷ thì các hệ thống điều khiển tần số động cơ KĐB mới thật sự chiếm lónh thò trường truyền động điện có điều khiển tốc độ, khi mà Trang 3 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA giá thành biến tần giảm đáng kể nhờ công nghiệp bán dẫn công suất và vi xử lý phát triển. 2. Đặc tính cơ động cơ KĐB và điều khiển tốc độ: Có hai mô hình được sử dụng để khảo sát động cơ KĐB: - Mô hình tónh: mạch tương đương là mộr biến áp có thứ cấp quay, thường được dùng khi khảo sát trạng thái xác lập hay gần đúng, khi để tính toán cho điều khiền pha điện áp xtator trong truyền động điện . - Mô hình động:biểu diễn dạng ma trận hay phương trình trạng thái, cho phép khảo sát và điều khiển chính xác động học của động cơ, sử dụng khi điều khiển vector. a. Mạch tương đương động cơ KĐB và đặc tính cơ: Dòng điện ba pha chạy trong các cuộn dây xtator sẽ tạo ra từ trường quay (TTQ) ở khe hở, có tốc độ là 60 o f n p ⋅ = , tính bằng vòng/phút (RPM) hay 2. . o wf π = khi tính bằng rad/s, với f là tần số , p là số đôi cực. Momen quay là kết quả của sự tương tác của từ trường rotor và từ trường quay này. Ở động cơ đồng bộ, từ trường rotor do nam châm vónh cửu hay dòng kích từ tạo ra. Ở động cơ KĐB, từ trường rotor là do dòng điện cảm ứng trong các cuộn dây rotor với nguồn kích thích là TTQ xtator. Rotor không thể quay đồng bộ (cùng tốc độ) với TTQ vì khi đó sức điện động cảm ứng bằng không dẫn đến dòng bằng không. Khi khảo sát sự làm việc trong chế độ xác lập, mô hình của động cơ KĐB là một biến áp có thứ cấp quay. Khi rotor quay với tốc độ là w r , nó có độ trượt so với TTQ bằng or o ww s w − = và tần số dòng điện rotor sẽ bằng . ro fsf = , mạch tương đương của động cơ được trình bày trên hình IV.1.1 (d) và (a) khi quy đổi mạch rotor về xtator, trong đó: X1, R1: điện kháng tản và điện trở cuộn dây xtator. Xu: điện kháng từ hóa; Ro: đặc trưng cho các tổn hao trong mạch từ xtator. X’2 và R’2: điện kháng tản và điện trở cuộn dây rotor quy đổi về xtator. XTATOR U skE 1:k ROTOR jXu R2 R1jX1 Ro jX2 E Hình IV.1.1.(d) Từ trường quay Rotor w o r w (c) (a) chính xác (b) gần đúng ROTOR qui đổi về xtator XTATOR U U jXnm jXu jX1 R'2/s jXu jX'2 R'2/s R1 Ro Hình IV.1.1.(c) Từ trường quay xtator w o và tốc độ rotor w r , (d), (a) và (b): Mạch tương đương của động cơ KĐB. Để tính toán đơn giản, người ta hay sử dụng mạch gần đúng hình IV.1.1 (b) khi bỏ qua R1, Ro và ghép X1 + X’2 = Xnm. Khi đó: Trang 4 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA dòng điện rotor quy đổi về xtator: ' 2 2 ' 2 2 nm U I R X s = ⎛⎞ + ⎜⎟ ⎝⎠ <IV.1.1> với U: điện áp pha và công suất cung cấp cho rotor (công suất điện từ) P 2 hay P đt là () ' 2 ' 2 2 3 đt R P I s = <IV.1.2>. Tổn hao của động cơ, xem như chỉ có ở điện trở rotor , là ( ) 2 '' 222 3. . . đt P PRI sPΔΔ= = <IV.1.3> và công suất cơ nhận được trên trục động cơ là: ( ) .1 t đt P MPP sP ω ==−Δ=− <IV.1.4> Từ đó có thể suy ra biểu thức của momen : 2. t t t M M ss s s = + <IV.1.5> với Hình IV.1.2. Đặc tính cơ động cơ KĐB khi thay đổi áp xtator và (a) là đặc tính phụ tải quạt gió. M t là momen tới hạn, 2 3. 2. t onm U M wx = <IV.1.6> xuất hiện khi độ trượt bằng giá trò tới hạn ' 2 t nm R ss x ==± <IV.1.7>. vàđặc tính cơ động cơ KĐB được vẽ trên hình IV.1.2 khi thay đổi áp pha xtator U. Cũng có thể suy ra . đt o P Mw= và Momen tỉ lệ công suất điện từ và tổn hao rotor o P sMwΔ= <IV.1.8>. Các nhận xét: - Khi độ trượt s bé, momen M có thể xem tỉ lệ với độ trượt và theo <IV.1.1> ' 2 ' 2 ' 2 2 2 . nm UUs I R R X s = ⎛⎞ + ⎜⎟ ⎝⎠  vì khi s bé, ' 2 nm R X s  M cũng tỉ lệ với dòng điện như động cơ một chiều. Khi độ trượt tăng lên, momen tăng chậm và qua cực trò là momen tới hạn M t trong khi dòng điện I’ 2 vẫn tăng, đến từ 5 7 lần dòng đònh mức khi s = 1 (dòng khởi động). - M bằng không khi hoạt động ở tốc độ đồng bộ, động cơ hãm (tương ứng chế độ máy phát khi hoạt động ở tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ và không có ổn đònh tónh với tải mômen hằng số khi s > s t hay s < - s t . Độ trượt ở momen đònh mức từ 3 5 % đối với động cơ thông thường và cao hơn đối với các động cơ có momen khởi động lớn, dòng khởi động bé. Vậy sụt tốc của truyền động điện dùng động cơ KĐB theo tải khá bé so với động cơ DC. - Tổn hao rotor ΔP tỉ lệ momen M và độ trượt s và tốc độ đồng bộ w o , Điều này không Trang 5 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA phụ thuộc phương án điều chỉnh tốc độ. Để giữ tổn hao ΔP không đổi khi tốc độ TTQ không đổi, từ <IV.1.8> suy ra momen tải phải giảm tỉ lệ nghòch với độ trượt: . o P M s w Δ = . Phương án này thích hợp với tải quạt gió hay máy bôm ly tâm, các tải này có momen M c tỉ lệ với w n , n > 2 – đường cong (a) trên hình IV.1.2. b. Mô hình động của động cơ KĐB: Mạch tương đương khảo sát phần a. chỉ đáp ứng cho việc tính toán chế độ xác lập hay quá độ không tính đến quán tính điện từ (giả sử mạch điện có đáp ứng tức thời). Để khảo sát đầy đủ hơn, kể cả ảnh hưởng của bảo hòa từ trên đáp ứng của hệ thống, người ta sử dụng mô hình động của động cơ KĐB. * Một số kiến thức cơ sở máy điện: (Xem phụ lục chương IV : TTQ và các phép biến đổi) - Biểu thức căn bản của momen động cơ: Từ nguyên lý momen của động cơ KĐB làdo sự tác động của từ trường khe hở trên dòng điện trong rotor, người ta thành lập biểu thức momen động cơ: Momen động cơ xoay chiều tỉ lệ với tích vector của dòng điện rotor và từ thông khe hở: ^^ ^ ^ 33 . .sin 22 rr mm Mp I p I ψ ψδ =×= <IV.1.18> trong đó: p: số đôi cực ^ m ψ : vector từ thông xuyên (móc vòng) khe hở xtator-rotor (cũng chính là TTQ) ^ r I : vector sức từ động (MMF) rotor δ : góc lệch giữa vector sức từ động rotor và vector từ thông khe hở, hệ số 3/2 xuất hiện do các tính toán 3 pha. <IV.1.18> có dạng quen thuộc của momen (hay) lực điện từ, giống như biểu thức momen của động cơ một chiều (công thức <3.1> ở chương 3) là momen tỉ lệ với từ thông và dòng điện. - Thành lập hệ phương trình vi phân mô tả động cơ KĐB dựa vào tự cảm và hỗ cảm các cuộn dây xtator và rotor: Phương trình dạng vector điện áp xtator: s ss s ss d vRi dt ψ =+ <IV.1.19> trong đó chỉ số s dưới để cho biết là thông số mạch xtator, chỉ số s trên dùng để nhấn mạnh là đang khảo sát đối với hệ tọa độ đứng yên. ,, s ss ss s vi ψ lần lượt là vector giá trò tức thời của áp, dòng xtator, từ thông móc vòng đối với hệ trục cố đònh. Mỗi vector có thể biểu điễn dưới dạng: s as bs cs as bs cs XXU XU XU=++ <IV.1.20> với ,, as bs cs UUU là các vector cơ hệ ba pha ( 24 33 1, , jj ee π π ) . Nếu hệ trục tọa độ quay với tốc độ đồng bộ w, <IV.1.19> được viết lại: s ss s d vRi dt ψ ω ψ =+ +× <IV.1.21> , tích vector s ω ψ × là sức điện động sinh ra do sự quay của hệ. Tính tích vector, đổi phương trình <IV.1.21> sang hệ tọa độ vuông góc quay tần số w: Trang 6 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA . . qs qs s qs ds ds ds s ds qs d vRi w dt d vRi w dt ψ ψ ψ ψ =++ =+− <IV.1.22> Nếu thế w = 0 vào, ta có lại phương trình áp xtator đối với hệ tọa độ vuông không quay (α,β). Xét mạch rotor với giả sử có áp xung đối, phương trình ở hệ tọa độ quay cũng hoàn toàn tương tự, chỉ số r để chỉ thông số rotor nhưng trong khảo sát ta luôn quy đổi về mạch xtator: . . qr qr r qr dr dr dr r dr qr d vRi w dt d vRi w dt ψ ψ ψ ψ =++ =+− <IV.1.23> Vì rotor quay tốc độ w r nên đối với hệ trục quay tốc độ w, ta có tốc độ tương đối w – w r và <IV.1.23> phải bổ sung thành: () () qr qr r qr r dr dr dr r dr r qr d vRi ww dt d vRi ww dt ψ ψ ψ ψ =++− =+−− <IV.1.24> . <IV.1.23>, <IV.1.24> cho ta mạch tương đương trong hệ trục (dq) của động cơ KĐB có áp xung đối như hình IV.1.3, khi để ý: .() .() .() .() qs ls qs m qs qr qr lr qr m qs qr ds ls ds m ds dr ds lr qr m ds dr L iLii L iLii L iLii L iLii ψ ψ ψ ψ =+ + =+ + =+ + =+ + <IV.1.25> trong đó L l là tự cảm tản, L m là tự cảm từ hóa, chỉ số s hay r chỉ rằng đại lượng thuộc về xtator hay rotor. Điện áp xung đối ở rotor v r đưa vào để nâng tính tổng quát của mô hình (nhớ lại mô hình biến áp của động cơ). Với động cơ lồng sóc, đối áp này bằng 0 (ngắn mạch). Trang 7 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA v v i i qs qs s s m r m _ _ ls lr r qr qr ψ w. (w - w ). ψ ds dr r ψ qs qr ψ m (w - w ). lrs m i ψ ψ w. ls s _ r dr ds ψ i qs dr _ qr r v m dr ψ r m ds v ds Ma ïch tương đương trục d Mạch tương đương trục q R L = L L R L L = L L L L = L L L = L L R R Hình IV.1.3 Từ đó có thể viết phương trình liên quan các thành phần dòng , áp xtator v ds , v qs , i ds , i qs và rotor v qr , v dr , i dr , i qr theo điện trở, điện cảm động cơ là 4 phương trình vi phân bậc nhất, dưới dạng ma trận như sau: . . .() .() () . () . qs s s s m m qs ds s s s m m ds qr m r m r r r r qr dr r m m r r s s dr v R sL wL sL wL i vwLRsLwLsLi vsLwwLRsLwwLi v w w L sL w w L R sL i + ⎡⎤⎡ ⎤⎡⎤ ⎢⎥⎢ ⎥⎢⎥ −+− ⎢⎥⎢ ⎥⎢⎥ = ⎢⎥⎢ ⎥⎢⎥ −+− ⎢⎥⎢ ⎥⎢⎥ −− −− + ⎢⎥⎢ ⎥⎢⎥ ⎣⎦⎣ ⎦⎣⎦ <IV.1.26> - Thành lập biểu thức momen: từ <IV.1.18>, ta đổi sang hệ tọa độ (d,q): * 3 (. .) 2 3 (. .) 2 33 .(. .) . 22 hay khi thay thế bằng các gía trò tương đương dm qr qm dr dm qs qm ds m drqs qrds msr Mp i i Mp i i MpLiiii pLii ψψ ψψ =− =− =−= <IV.1.27> * r i : vector liên hợp của dòng rotor Biểu thức momen động cơ M này vàcùng với phương trình căn bản của truyền động điện: 1 mr c dw dw MM J J dt p dt −= = <IV.1.28> trong đó chỉ số m được thêm vào để ký hiệu w m là tốc độ thực của động cơ (phân biệt w là tần số), w r là tốc độ điện, p là số đôi cực, cho ta đủ điều kiện để khảo sát động học của động cơ có tính đến quán tính điện từ. Ở tọa độ (d,q), dòng áp là những giá trò một chiều, cho phép tính toán đơn giản, sau đó ta dùng các phép biến đổi trả về hệ ba pha thực tế. - Mô hình động cơ trong hệ α,β (vuông góc cố đònh): Trong một số trường hợp đơn giản hay để kiểm chứng lại các biểu thức của khảo sát ở chế độ xác lập ở phần a., ta cho w = 0 trong phương trình <IV.1.26> và mạch tương đương hình IV.1.3. Trang 8 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA Khi đó, các đại lượng dòng áp là hình sin nhưng các biểu thức momen <IV.1.27> sẽ không thay đổi khi viết ở tọa độ ( α,β) cố đònh (công thức Stanley). Hình IV.1.5 là mạch tương đương một pha của động cơ khi có xét đến từ thông, trong đó ^ m V là vec tơ áp pha có suất (biên độ) : ^ 22 m s s Vvv α β =+, , s s vv α β là các điện áp ở hệ trục vuông cố đònh. Từ thông xuyên (móc vòng) hay sức điện động cảm ứng ^ r ψ có suất (biên độ) : ^ 22 rr r α β ψ ψψ =+ ls v s Mạch tương đương trục Mạch tương đương trục r lr i ψ i - w m r ψ ψ α β α r β r r β s β β s s β ψ s r s α α ψ r β i s i s m ψ α v α lr α r ls r r w L L L R R R R L L L Hình IV.1.4 Mạch tương đương ở hệ trục vuông góc cố đònh V m r w. lr r ψ ls s m r r ^ ψ ^ ^ RL L L R V m ^ TH w. ^ ψ rr TH ^ V = TH R L Hình IV.1.5 Mạch tương đương một pha và sơ đồ Thevevin khi xem L từ hóa bằng vô cùng Trong nhiều trường hợp, L m lớn nên bỏ qua, ta có mạch Thevenin, trong đó: R TH = R s + R r và L TH = L s + L r , ^^ . TH r Vw ψ = Các nhận xét: Việc chuyển sang tọa độ quay (d,q) quay cùng tốc độ từ trường đã biến các đại lượng hình sin (hay vector) thành một chiều (không đổi), từ đó việc tính toán trở nên đơn giản. Từ các ý nghóa của thành phần d, q của dòng điện (điện áp) trên, người ta có thể xây dựng thuật toán điều khiển hiệu quả hơn động cơ KĐB, làm cho TĐĐ xoay chiều có thể cạnh tranh và ngày nay đã vượt TĐĐ một chiều. c. Các phng pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB rotor lồng sóc: - điều khiển năng lượng trượt: Khi không thay đổi tốc độ TTQ (số đôi cực của cuộn dây, tần số làm việc không đổi), ta chỉ có thể thay đổi tốc độ động cơ bằng cách tăng sụt tốc (hay độ trượt). Các phương pháp có thể sử dụng làđiều khiển (giảm) áp xtator, tăng R, X ở xtator. Như ta đã nhận xét ở trên, các phương pháp này có tác dụng rất hạn chế: tổn hao ΔP tăng theo độ trượt, phạm vi điều chỉnh hẹp vì độ trượt s cần phải bé hơn s t để hệ thống có ổn đònh tỉnh. - Điều khiển tốc độ TTQ: Khi thay đổi tốc độ TTQ, các phương trình đặc tính cơ không đổi, và có thể xem các đặc tính của động cơ làkhông đổi nếu chế độ làm việc của động cơ không lệch quá xa chế độ thiết kế. Khi đó, sụt tốc của động cơ bé, chỉ lệch với tốc độ của TTQ độ trượt Trang 9 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA s có trò số khoảng vài phần trăm, kết quả là có thể sử dụng điều khiển vòng hở. Ngoài ra, chi phí bảo trì thấp và hiệu suất làm việc rất cao vì như CM trên, tổn hao tỉ lệ độ trượt và công suất điện từ. Có hai phương pháp thực hiện: thay đổi số đôi cực p và điều khiển tần số. Phương pháp 1 có các bất lợi là có nấc cố đònh, phải thực hiện khi chế tạo. Có thể đổi nối cuộn dây để thay đổi số đôi cực (tỉ số tốc độ 2:1) hay chế tạo động cơ có nhiều cuộn dây để có tỉ số đònh trước. Khi đóù kích thước, trọng lượng động cơ tăng cao. Điều khiển tần số có thểø điều chỉnh vô cấp nhưng yêu cầu sử dụng bộ biến đổi tần số phức tạp. Có hai loại biến tần bán dẫn: - Biến tần trực tiếp (Cycloconverter) – hình IV.1.4.a: Sử dụng các bộ chỉnh lưu điều khiển pha làm việc 4 phần tư mặt phẳng tải với góc kích SCR thay đổi liên tục sao cho áp ra là điện xoay chiều. BBĐ này chỉ cho ra tần số khá nhỏ so với tần số lưới điện, thường sử dụng để cung cấp cho động cơ công suất rất lớn, quay tốc độ chậm. - Biến tần có trung gian một chiều: có sơ đồ khối như hình IV.1.4.b. Điện lưới được chỉnh lưu (có điều khiển hay không) thành một chiều và sau đó nghòch lưu trở lại xoay chiều. Đây cũng là sơ đồ khối cho hầu hết những bộ nghòch lưu dùng trong công nghiệp vì năng lượng điện của các nhà máy đều lấy từ lưới. Có hai loại biến tần có trung gian một chiều phụ thuộc vào loại nghòch lưu được sử dụng: Biến tần với nghòch lưu nguồn dòng (NLND) và nghòch lưu nguồn áp (NLNA). Các biến tần này có đặc tính như bộ nghòch lưu tương ứng. Như đã trình bày trong phần khảo sát nghòch lưu, khi giảm tần số là cần giữ Hình IV.1.3. So sánh đặc tính cơ hai phương án điều khiển tần số: V/F và vector. từ thông các cuộn dây không vượt quá giá trò cho phép, thường là đònh mức. Với nhận xét đó, ta có hai phương pháp thực hiện biến tần bán dẫn cho điều khiển động cơ: - Thay đổi áp cung cấp tỉ lệ với tần số để giữ từ thông qua mạch không vượt quá giá trò cho phép (biến tần V/F). Khi duy trì được độ trượt s bé động cơ KĐB sẽ làm việc với đặc tính phụ tải momen không đổi. Bất lợi của sơ đồ này (cũng như khi hoạt động với điện lưới) ở chỗ ta cung cấp cho động cơ một nguồn áp và momen, dòng điện động cơ phụ thuộc vào chế độ làm việc. Khi đó có thể xảy ra trường hợp dòng rất lớn trong khi momen bé (ví dụ như khi độ trượt lớn) làm giảm hiệu qua, đặc tính động kém. - Để động cơ có chế độ hoạt động tối ưu hơn, ta có phương pháp điều khiển vector. Dựa trên nghiên cứu mô hình động của động cơ KĐB, người ta tìm ra được quan hệ của các thành phần của dòng xtator với từ thông khe hở và dòng điện rotor, từ đó tính được dòng xtator tức thời để tạo ra momen momen trên trục một cách tối ưu. Phương pháp này làm cho đặc tính truyền động tốt hơn trong chế độ tỉnh cũng như ở quá trình quá độ, có thể so sánh được với động cơ DC. Điều khiển tần số động cơ KĐB là phương án truyền động điện đáng chú ý nhất hiện nay Trang 10 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA do chất lượng cao và giá thành ngày càng hạ. Ngay cả ở các phương án điều khiển đơn giản như biến tần V/F, hiệu suất và chất lượng truyền động đã khá tốt. o o i v A B C N KCB T2T1 T3 T4 T5 T6 R L Hình IV.1.4.a: Biến tần trực tiếp, sơ đồ một pha NL NA 33 Lưới Tải NL ND 33 Lưới Tải L C L Hình IV.1.4.b: Biến tần có trung gian một chiều Đối với động cơ rotor dây quấn, nhờ khả năng tác động vào mạch rotor, việc điều khiển năng lượng trượt trở nên hiệu quả hơn. Có hai phương án: * Sử dụng R phụ ở xtator: Khi đó M t không đổi, độ trượt tới hạn s t tăng theo R’2. Kết quả là phạm vi điều chỉnh tốc độ được nới rộng, Tổn hao rotor tiêu tán chủ yếu trên R phụ nên không làm phát nóng động cơ ở độ trượt s lớn. * Sử dụng sức điện động xung đối ở mạch rotor, còn gọi là hệ thống nối cấp. Khi đó, năng lượng trượt được tái sinh về lưới hay biến ra cơ năng cung cấp cho tải, không những phạm vi điều chỉnh tốc độ được nới rộng mà hiệu suất toàn hệ thống còn được nâng cao. Nhược điểm là hệ thống phức tạp, sử dụng động cơ rotor dây quấn đắt tiền, có chi phí bảo trì cao hơn động cơ lồng sóc. IV. 2 ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯNG TRƯT Đ. CƠ KĐB: 1. Điều khiển điện áp động cơ KĐB và Soft start: Các công thức từ <IV.1.5> đến <IV.1.7> cho ta nhận xét: Cùng độ trượt s, khi thay đổi (giảm) áp xtator: tốc độ TTQ không đổi, dòng điện thay đổi (giảm) tỉ lệtrong khi momen thay đổi (giảm) theo bình phương. Không những thế, độ trượt tới hạn s t theo lý thuyết là không đổi làm phạm vi điều chỉnh tốc độ bò giới hạn và tổn hao trong rotor tăng theo độ trượt làm cho điều khiển áp có tác dụng rất hạn chế đối với động cơ KĐB. Trong thực tế, điều khiển áp xtator dộng cơ KĐB chỉ được sử dụng trong các trường hợp: - Truyền động tải có M giảm mạnh khi giảm tốc như tải quạt gió hay máy bôm ly tâm (còn gọi là tải có momen thay đổi). - Sử dụng cho các động cơ đặc biệt, có độ trượt đònh mức lớn, dòng khởi động bé, có thể làm việc dài hạn ở độ trượt lớn. Đó là các động cơ có rotor rãnh sâu và điện trở lớn (lớp D theo hiệp hội các nhà sản xuất thiết bò điện Mỹ – NEMA) hay động cơ có momen hầu như không đổi ở độ trượt lớn (Torque motor). Loại thứ hai này có thể dùng cho các truyền động cuộn các sản phẩm vào rulô, yêu cầu lực kéo không đổi trong khi tốc độ dài là không đổi, tốc độ quay thay đổi theo đường kính cuộn. - Một ứng dụng quan trọng của các phương pháp này là dùng để khởi động động cơ KĐB. Sơ đồ tăng dần áp xtator bằng bộ điều khiển pha áp AC để hạn chế dòng khởi động và điều khiển gia tốc động cơ KĐB được ứng dụng rộng rãi, có tên thương mại là SOFT START. Chữ SOFT START nhấn mạnh được khả năng điều khiển gia tốc của bộ khởi động. Một bộ soft start hiện đại không chỉ có nhiệm vụ khởi động, nó còn có thể là một trung tâm đo lường – điều khiển động cơ được nối mạng với bộ điều khiển trung tâm của dây chuyền sản xuất hay phân xưởng. [...]... IV.4.4.a: Dạng sóng nghòch lưu theo thời gian và chương trình ROM Trang 21 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA N n các khoảng thời gian bằng nhau của ĐO TẦN SỐ các ngắt điện thành chương trình 1 Đến các ROM của bộ nhớ chỉ đọc ROM Chương Đồng bộ VFC ngắt điện trình này sẽ được truy xuất tuần tự k V 2 để điều khiển các ngắt điện của bộ f PC nghòch lưu, tạo ra dạng sóng mong 1 : Đòa chỉ chọn chu kỳ muốn Hình... cao của truyền động chấp hành - Động cơ một chiều không cổ góp công suất rất lớn (MW) truyền động cho tải công nghiệp có kích từ bằng dòng điện một chiều qua vành trượt (như động cơ đồng bộ), dùng bộ nghòch lưu ba pha SCR chuyển mạch nhờ vào sức điện động cảm ứng ở cuộn dây xtator (chuyển mạch lưới) Trang 29 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA So sánh truyền động dùng động cơ DC không cổ góp và các phương... với hệ quy chiếu vuông góc quay cùng tốc độ Điều này hoàn toàn phù hợp với thực tế : dòng điện 3 pha đi qua 3 cuộn đây của máy điện xoay chiều tạo nên TTQ có biên độ không đổi và tốc độ (điện) của tần số góc của dòng điện Nếu hệ tọa độ quay cùng tốc độ, TTQ trở nên không đổi Trang 34 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA IV.2: BIẾN TẦN HỌ FR - A500 CỦA HÃNG MITSUBISHI ELECTRIC: Là một trong những họ biến... lưu điện áp + _ ic ia Hình IV.4.8: Biến tần dùng nghòch lưu điều khiển dòng điện 4 Biến tần điều khiển vector từ thông: Trang 25 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA ib Từ phương trình M ^ ^ 3 p m Ir 2 3 p 2 ^ ^ m Ir sin cho thấy momen động cơ KĐB cũng dựa vào sự tương tác giữa dòng rotor Ir và từ trường khe hở m giống như động cơ DC Nếu ở động cơ DC, ta luôn có momen tỉ lệ với dòng điện. .. tần số ngỏ ra cố đònh, phạm vi thay đổi điện áp bé, như các bộ nguồn AC bán dẫn Ưu Hình IV.3.4.b: Các dạng sóng điều khiển dòng điểm của chúng là mạch điều khiển đơn giản, tần điện: số đóng ngắt bé nhưng vẫn có kết quả mong muốn iref : tín hiệu đặt dòng; iO : phản hồi dòng vO : dạng áp ra; v1 : hài cơ bản của điện áp ra Trang 16 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA e Điều chế theo mẫu: Khi điều khiển... Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA 1 Nguyên lý hoạt động: Hình V.1.1 bên mô tả hoạt động của động cơ DC không cổ góp Rotor động cơ là nam châm vónh cửu có số đôi cực bằng 1, stator có 3 cuộn dây, kéo bằng 3 transisitor công suất có phân cực dùng transistor quang Transistor quang được đặt trước một diã chắn ánh sáng nối cứng trục với rotor Khi transistor được chiếu sáng, nó dẫn điện làm transistor công suất... khi làm việc với tần số lớn f (a) hơn đònh mức, điện áp động cơ được giữ không đổi và ta có đặc tính phụ tải là công suất không đổi Biến tần Hình IV.3.1: Đặc tính U / f: theo lý thuyết cung cấp điện áp là một hàm của tần số được gọi là (a) và thực tế (b) Đặc tính U / f khi cần biến tần V/F momen lớn (c) hay nhỏ (d) Trang 12 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA Với các đặc tính phụ tải khác nhau, quan hệ... vector đòi hỏi công cụ tính toán mạnh (Vi xử Trang 26 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA lý 16, 32 bit, DSP) bên cạnh hệ thống đo trực tiếp hay gián tiếp từ thông khe hở Như vậy hệ thống điều khiển sẽ có được hai vòng điều khiển tốc độ và momen như đã khảo sát trong phần điều khiển tọa độ, có khả năng cung cấp chất lượng truyền động rất tốt, ngay khi ở tần số rất thấp VDC C Bộ tổng hợp dòng điện hình sin... hài bậc n: Trang 13 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA I Rn Inm / n2 , chỉ số “R “ dùng để chỉ giá trò hiệu dụng, Inm V1 / X nm là dòng ngắn mạch của động cơ, còn gọi là dòng khóa rotor (dòng qua động cơ khi rotor không quay) hay quen thuộc hơn: dòng khởi động b Phát nóng phụ: Vì phát nóng trong mạch tỉ lệ với bình phương giá trò hiệu dụng dòng điện, khi sử dụng dòng điện không sin, động cơ phải chòu... rộng rải ở các biến tần dùng transistor và hệ thống có chất lượng cao Đặc điểm của phương pháp này là yêu cầu tần số làm việc của ngắt điện từ vài trăm Hz đến 15 KHz và sơ đồ điều khiển phức tạp Một ưu điểm khác là điều khiển Trang 14 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA điện áp có thể kết hợp với hạn chế sóng hài bậc cao 7 V c 3 6 2 V o 4 V ref Hình IV.3.3: Sơ đồ nguyên lý, dạng áp của điều chế độ rộng . 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA dòng điện rotor quy đổi về xtator: ' 2 2 ' 2 2 nm U I R X s = ⎛⎞ + ⎜⎟ ⎝⎠ <IV.1.1> với U: điện áp pha và công. tốc độ, khi mà Trang 3 Chuong 4.doc ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT IIA giá thành biến tần giảm đáng kể nhờ công nghiệp bán dẫn công suất và vi xử lý phát triển. 2.