Tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U,f = const và điều chế SPWM

Tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U,f = const và điều chế SPWM

LỜI NÓI ĐẦU

Nội dung đồ án này là tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba phađiều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U/f = const và điều chếSPWM Từ cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điềukhiển bằng tần số và qua tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũngnhư đánh giá các phương pháp điều khiển, nội dung của đồ án đã đề xuất ra mô hìnhbiến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng trong các hệ truyền độngvới giá thành thấp, đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của thực tế Do hạn chế về mặtthời gian nên trong phạm vi đồ án này chỉ dừng lại ở điều khiển vòng hở động cơkhông đồng bộ ba pha và hi vọng đề tài sẽ được tiếp tục phát triển trong tương lai

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô trong bộ môn Trangthiết bị Điện - Điện Tử trong công nghiệp và giao thông vận tải cùng các thầy côtrong khoa Điện - Điện tử đã tận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên môn làm

cơ sở để em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho emhoàn tất khóa học.

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn TS Nguyễn Văn Nghĩa,

đã tận tình chỉ bảo, gợi ý, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ em hoànthành đề tài này.

Hà nội, ngày 16 tháng 5 năm2009

MỤC LỤC

PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 4

CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 14

1 Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ 14

2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha 16

3 Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn 16

4 Phương pháp điều chỉnh U/f = const 17

CHƯƠNG 3: BIẾN TẦN 21

1 Biến tần và tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp 21

2 Phân loại biến tần 23

3 Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần 25

4 Phương thức điều khiển 27

PHẦN II: THIẾT KẾ SƠ BỘ 45

3 Thiết kế mạch theo dõi dòng điện 59

4 Thiết kế mạch điều khiển 63

5 Thiết kế bộ nguồn 66

CHƯƠNG 2: GIẢI THUẬT VÀ LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 70

1 Phân tích khảo sát phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM 702 Phương pháp điều chế tín hiệu SPWM ba pha theo luật U/f=const sử dụng PSoC 2

PHỤ LỤC 84TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

PHẦN I

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ códòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải Từ trường quaylại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theoquy tắc ban tay trái và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trườngquay.

Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua Nếu rotoquay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dâyquấn phần cảm nữa nên sdd cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, momenquay cũng không còn Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và cácdây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lạicó momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏhơn tốc độ từ trường.

Đồng cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KDB) hayđộng cơ xoay chiều.

Hình 1-1: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha

Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ωo (rad/s) hay no (vòng/phút) thì tốc độ quaycủa roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ωo ; n < no ) Sai lệch tương tối giữa haitốc độ gọi là độ trượt s:

oo

f1 - tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato.

Tốc độ ωo là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu không có lực cản nào.Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ.

Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1.

Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoaychiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay:

Hình 1-2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ

2.2.Đường đặc tính cơ

Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá trịcủa M Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1-4, đó làđường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.

Hình 1-3: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha

Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K Tại điểm đó:

Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:

Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị sth vàMth của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+).

Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KDB là một đường cong phức tạp cóhai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K Đoạn AK gần thẳng và cứng Trênđoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại Do vậy động cơ làmviệc trên đoạn này sẽ ổn định Đoạn BK cong với độ dốc dương Trên đoạn nàyđộng cơ làm việc không ổn định.

Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 ( s = 1 ) vàmomen mở máy:

RR )3U

Điểm A ứng với momen cản bằng 0 ( Mc = 0 ) và tốc độ đồng bộ:

2 fp

3 Ảnh hưởng của tần số nguồn f1 đến đặc tính cơ:

Khi thay đổi f1 thì theo (1-5) tốc độ đồng bộ ωo thay đổi, đồng thời X1, X2 cũngbị thay đổi ( vì X = 2πfL ), kéo theo sự thay đổi của cả độ trượt tới hạn sfL ), kéo theo sự thay đổi của cả độ trượt tới hạn sth vàmomen tới hạn Mth

Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số sth = f(f1) và momen tới hạn theo tần số Mth

= f(f1) là phức tạp nhưng vì ωo và X1 phụ thuộc tỷ lệ với tần số f1 nên có thể từ cácbiểu thức của sth và Mth rút ra:

Khi tần số f giảm, độ trượt tới hạn sth và momen tới hạn Mth đều tăng nhưng Mth

tăng nhanh hơn

Khi giảm tần số f1 xuống dưới tần số định mức f1dm thì tổng trở của các cuộn dâygiảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện động cơtăng mạnh Vì vậy khi giảm tần số nguồn xuống dưới giá trị định mức cần phảiđồng thời giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ:

Uons để giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất.

Hình 1-4: Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn

Hình 1-5: Đặc tính cơ của động cơ KDB khi thay đổi tần số nguồn kết hợp với thayđổi điện áp

4 Ứng dụng của động cơ không đồng bộ

Ngày nay các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong cácthiết bị hoặc dây truyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải và trong cácthiết bị điện dân dụng… Ước tính có khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêuthụ bởi các hệ thống truyền động điện.

Hệ thống điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc tốc độ thay đổi được.Hiện nay có khoảng 75 – 80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc độkhông đổi Với các hệ thống này, tốc độ của động cơ hầu như không cần điều khiểntrừ các quá trình khởi động và hãm Phần còn lại là các hệ thống có thể điều chỉnhđược tốc độ để phối hợp đặc tính động cơ với đặc tính tải theo yêu cầu Với sự pháttriển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý, các hệ thốngđiều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và công cụkhông thể thiếu trong quá trình tự động hóa.

Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như sau: kết cấu đơn giản, làm việcchắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độchại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao Vì những ưu điểm này nên động cơ khôngđồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suấttừ vài chục đến hàng nghìn kW Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thườngđược dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máycông cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ… Trong nông nghiệp, được dùng làm máybơm hay máy gia công nông sản phẩm Trong đời sống hàng ngày, động cơ khôngđồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió,động cơ trong tủ lạnh, trong máy điều hòa… Tóm lại cùng với sự phát triển của nềnsản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồngbộ ngày càng rộng rãi.

Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ không động bộ là so với máy điện mộtchiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp nhiều khó khăn bởi vì các thông sốcủa máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian cũng như bản chấtphức tạp về mặt cấu trúc của động cơ điện xoay chiều.

Để có thể điều khiển độc lập từ thông và momen của động cơ điện xoay chiềuđòi hỏi một hệ thống tính toán cực nhanh và chính xác trong việc quy đổi các giá trịxoay chiều về các biến đơn giản Vì vậy cho đến gần đây, phần lớn động cơ xoaychiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi do các phương pháp điềukhiển trước đây dùng cho máy điện thường đắt và có hiệu suất kém

5 Khả năng dùng động cơ xoay chiều thay thế động cơ điện một chiều

Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ điện xoay chiều chính là làm thếnào để có thể dễ dàng điều khiển được tốc độ của nó như việc điều khiển động cơmột chiều Vì vậy một ý tưởng về việc biến đổi một máy điện xoay chiều thành mộtmáy điện một chiều trên phương diện điều khiển đã ra đời Đây chính là điều khiển

vector Điều khiển vector sẽ cho phép điều khiển từ thông và momen hoàn toàn độclập với nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng (động cơ tiếp dòng) hoặcgiá trị tức thời của áp (động cơ tiếp áp).

Điều khiển vecto cho phép tạo ra những phản ứng nhanh và chính xác của cả từthông và momen trong cả quá trình quá độ cũng như quá trình xác lập của máy điệnxoay chiều giống như máy điện một chiều Cùng với sự phát triển của kỹ thuật bándẫn và những bộ vi xử lý có tốc độ nhanh và giá thành hạ, việc ứng dụng của điềukhiển vector ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ truyền động và đã trởthành một tiêu chuẩn công nghiệp.

Với sự phát triển nhanh chóng, ngành công nghiệp tự động luôn đòi hỏi sự cảitiến thường xuyên của các loại hệ truyền động khác nhau Những yêu cầu cải tiếncốt yếu là tăng độ tin cậy, giảm khẳ năng tiêu thụ điện năng, giảm thiểu chi phí bảodưỡng, tăng độ chính xác và tăng khả năng điều khiển phức tạp Vì vậy, những hệtruyền động với động cơ điện một chiều đang dần bị thay thế bởi những hệ truyềnđộng với động cơ xoay chiều sử dụng điều khiển vector Lý do chính để sử dụngrộng rãi động cơ một chiều trước kia là khả năng điều khiển độc lập từ thông vàmomen cũng như cấu trúc hệ truyền động khá đơn giản Tuy nhiên chi phí mua vàbảo trì động cơ cao, đặc biệt là khi số lượng máy điện phải dùng lớn Trong khi đó,các ứng dụng thực tế của lý thuyết điều khiển vector đã được thực hiện từ nhữngnăm 70 với các mạch điều khiển liên tục Nhưng các mạch liên tục không thể đápứng được sự đòi hỏi phải chuyển đổi tức thời của hệ quy chiều quay do điều này đòihỏi một khối lượng tính toán trong một thời gian ngắn.

Sự phát triển của những mạch vi xử lý đã làm thay đổi việc ứng dụng của lýthuyết điều khiển vector Khả năng tối ưu trong điều khiển quá độ của điều khiểnvector là nền móng cho sự phát triển rộng rãi của các hệ truyền động xoay chiều ( vìgiá thành của động cơ xoay chiều rẻ hơn so với động cơ một chiều ).

Ngoài những phát triển trong điều khiển vector, một sự phát triển đáng chú ýkhác chính là phát triển mạng neural ( neural network ) và logic mờ ( fuzzy logic )vào điều khiển vector đang là những đề tài nghiên cứu mới trong nghiên cứu truyềnđộng Hai kỹ thuật điều khiển mới này sẽ tạo nên những cải tiến vượt bậc cho hệtruyền động xoay chiều trong một tương lai gần Triển vọng ứng dụng rộng rãi củahai kỹ thuật này phụ thuộc vào sự phát triển của bộ vi xử lý bán dẫn( Semiconductor Microprocessor ).

Với sự phát triển mạnh mẽ của các bộ biến đổi điện tử công suất, một lý thuyếtđiều khiển máy điện xoay chiều khác hẳn với điều khiển vector đã ra đời Đó là lýthuyết điều khiển trực tiếp momen lực ( Direct Torque Control hay viết tắt là DTC )do giáo sư Noguchi Takahashi đưa ra vào cuối năm 80 Tuy nhiên kỹ thuật DTCvẫn chưa hoàn hảo và cần được nghiên cứu thêm.

CHƯƠNG 2

CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNGĐỒNG BỘ BA PHA

1 Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ

Những động cơ trước đây thường được chế tạo để làm việc với tải không đổitrong suốt quá trình làm việc Điều này làm cho hiệu suất làm việc của hệ thốngthấp, một phần đáng kể công suất đầu vào không được sử dụng hiệu quả Hầu hếtthời gian momen động cơ sinh ra đều lớn hơn momen yêu cầu của tải.

Khi khởi động trực tiếp từ lưới nguồn, dòng khởi động rất lớn Điều này làm tổnthất công suất lớn trên đường truyền và trong roto, làm nóng động cơ, thậm chí cóthể làm hỏng lớp cách điện Dòng khởi động lớn có thể làm sụt điện áp nguồn, ảnhhưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.

Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dòng từ hóa, tảihầu như chỉ có tính cảm Kết quả là hệ số công suất ( PF: Power Factor ) rất thấp,khoảng 0,1 Khi tải tăng lên dòng điện làm việc bắt đầu tăng Dòng điện từ hóa duytrì hầu như không đổi trong suốt quá trình hoạt động từ không tải đến đầy tải Vìvậy khi tải tăng hệ số công suất cũng lên Khi động cơ làm việc với hệ số công suấtnhở hơn 1, dòng điện trong động cơ không hoàn toàn sin Điều này cũng làm giảmchất lượng công suất nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn vớiđộng cơ.

Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn cấp hoặc đảo chiều động cơ.Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt làm tăng năngsuất lao động cũng như chất lượng sản phẩm Trong các ứng dụng trước đây cácphương pháp hãm cơ được sử dụng Lực ma sat giữa phần cơ và má phanh có tácdụng hãm Tuy nhiên việc hãm này rất kém hiệu quả và tổn hao nhiệt lớn.

Trong nhiều ứng dụng, công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độ nhưquạt, máy bơm Ở những tải loại này, momen cản tỷ lệ với bình phương tốc đô,công suất tỷ lệ với lập phương của tốc độ Do đó việc điều chỉnh tốc độ, điều nàyphụ thuộc vào tải, có thể tiết kiệm điện năng Tính toán cho thấy việc giảm 20% tốcđộ động cơ có thể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào Mà điều này là không thểthực hiện được đối với những động cơ sử dụng trực tiếp điện áp lưới.

Khi lưới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ hơn đơn vị, dòng điệntrong động cơ chứa nhiều thành phần điều hòa bậc cao Điều này làm tăng tổn thấttrong động cơ dẫn đến giảm tuổi thọ của động cơ Momen sinh ra bởi động cơ bịgợn sóng Các thành phần điều hòa bậc cao có thể loại bỏ khi hoạt động ở tần số caobởi tính chất cảm của động cơ Nhưng ở tần số thấp động cơ chạy sẽ bị rung, làmảnh hưởng đến các vòng đồng của roto Động cơ làm việc ở lưới nguồn không ổnđịnh nếu không được bảo vệ sẽ làm giảm tuổi thọ của động cơ.

Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều khiển thông minh.Sự phát triển của các van công suất, công nghệ sản xuất IC tích hợp cao cho ra đờinhững bộ vi xử lý có tốc độ xử lý ngày càng nhanh và sự phát triển của kỹ thuật tínhtoán đã dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể đạt được chất lượngcao.

2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như:

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch roto Rf- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ

- Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa

- Điều chỉnh bằng phương pháp nói tầng

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f1

Trong các phuơng pháp trên thì phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi tầnsố cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng cao nhất, đạt đến mứcđộ tương đương như điều chỉnh động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện ápphần ứng Ngày nay các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ điều chỉnhtần số đang ngày càng phát triển Sau đây xin trình bày phương pháp điều chỉnhđộng cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn f1.

3 Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn

Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số đôicực từ theo công thức:

2 fp

- Luật U/f không đổi: U/f = const

- Luật hệ số quá tải không đổi: λ = Mth/Mc = const

- Luật dòng điện không tải không đổi: Io = const

- Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I1 = f(Δω)

4 Phương pháp điều chỉnh U/f = const

Sdd của cuộn dây stato E1 tỷ lệ với từ thông Φ1 và tần số f1 theo biều thức:

1 K f1 1 U1 I Z1 1

Từ (2-3) nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z1, ta có E1 ≈ U1, do đó:

Như vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U1/f1 không đổi Trongphương pháp U/f = const thì tỷ số U1/f1 được giữ không đổi và bằng tỷ số này ởđịnh mức Cần lưu ý khi momen tải tăng, dòng động cơ tăng làm tăng sụt áp trênđiện trở stato dẫn đến E1 giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm Do dó động cơkhông hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi.

Ta có công thức tính momen cơ của động cơ như sau:

3U R / sM

Và momen tới hạn:

3U R / sM

3UM

Ta có công thức sau:

2 2''

Dựa theo công thức trên ta thấy, các giá trị X1 và X’

2 phụ thuộc vào tần số trong

’

sụt áp trên R1 rất nhỏ nên giá trị E suy giảm rất ít dẫn đến từ thông được giữ gần nhưkhông đổi Momen cực đại của động cơ gần như không đổi.

Tuy nhiên khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R1/a sẽ tương đối lớn sovới giá trị của (X1 + X’

2) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện trở stato khi momen tải lớn.Điều này làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ thông momen cực đại.

Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp, ta sẽ cung cấp thêm cho động cơđiện một điện áp Uo để từ thông của động cơ định mức khi f = 0 Từ đó ta có quanhệ sau:

Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U1 cấp cho động cơ U=Udm tại f= fdm Khi a > 1 (f > fdm ), điện áp được giữ không đổi và bằng định mức Khi đóđộng cơ hoạt động ở chế độ suy giảm từ thông Sau đây là đồ thị biểu thị mối quanhệ giữa momen và điện áp theo tần số trong phương pháp điều khiển U/f=const:

Hình 2-1:Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo luậtđiều khiển U/f=const

Từ (hình 2-1) ta có nhận xét sau:

- Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn

- Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên Thay vì chỉ làm việc ở tốcđộ định mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc độ địnhmức Momen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc này.

- Chúng ta có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định mứcbằng cách tiếp tục tăng tần số Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăng trên điện ápđịnh mức Do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến momen giảm Ở vùng trên vận tốccơ bản các hệ số ảnh hưởng đến momen trở nên phức tạp.

- Việc tăng tốc giảm tốc có thể được thực hiện bằng cách điều khiển sựthay đổi của tần số theo thời gian.

CHƯƠNG 3BIẾN TẦN

1 Biến tần và tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp

Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngàycàng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phậnđáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơđiện.

Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độđộng cơ điện Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống

đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khiđúc… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đềchính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp.

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thôngsố nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông …Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêucầu của phụ tải cơ Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:

 Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyểntiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.

 Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phứctạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụngcác hệ thống điều khiển bằng điện tử Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điềukhiển tốc độ động cơ theo phương pháp này.

Khảo sát cho thấy:

 Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment.

 Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạtgió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm),chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng.

 Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổilên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu vềtừ việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ.

Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt

 Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt.

 Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van.

 Giảm tiếng ồn công nghiệp.

 Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ.

 Giúp tiết kiệm điện năng tối đa.

Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thayđổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉthay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiềuphương thức khác, không dùng mạch điện tử Trước kia, khi công nghệ chế tạo linhkiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máybiến áp Ưu điểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt(ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng cònnhiều hạn chế như:

- Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn.

- Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu.- Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảotrì cũng như thay mới.

- Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện ápngõ ra do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp.

Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giámsát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải… mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trườnghợp này.

2 Phân loại biến tần

Biến tần thường được chia làm hai loại:- Biến tần trực tiếp

- Biến tần gián tiếp

2.1.Biến tần trực tiếp

Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiềukhông thông qua khâu trung gian một chiều Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp vànhỏ hơn tần số lưới ( f1 < flưới ) Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng.

2.2.Biến tần gián tiếp

Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:

Hình 3-1: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp

Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậycó tên gọi là biến tần gián tiếp Chức năng của các khối như sau:

a) Chỉnh lưu: Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiềuthành điện áp một chiều Chỉnh lưu có thể là không điều chỉnh hoặc có điều chỉnh.Ngày nay đa số chỉnh lưu là không điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp một chiềutrong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biếnđổi Nói chung chức năng biến đổi điện áp và tần số được thực hiện bởi nghịch lưuthông qua luật điều khiển Trong các bộ biến đổi công suất lớn, người ta thườngdùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệthống khi quá tải Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp màbộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định.

b) Lọc: Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp sau chỉnh lưu.

c) Nghịch lưu: Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng một chiều thànhdòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lậpNghịch lưu có thể là một trong ba loại sau:

- Nghịch lưu nguồn áp: trong dạng này, dạng điện áp ra tải được định dạngtrước (thường có dạng xung chữ nhật) còn dạng dòng điện phụ thuộc vào tính chấttải Nguồn điện áp cung cấp phải là nguồn sức điện động có nội trở nhỏ Trong cácứng dụng điều kiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu nguồn áp.

- Nghịch lưu nguồn dòng: Ngược với dạng trên, dạng dòng điện ra tải đượcđịnh hình trước, còn dạng điện áp phụ thuộc vào tải Nguồn cung cấp phải là nguồndòng để đảm bảo giữ dòng một chiều ổn định, vì vậy nếu nguồn là sức điện động thìphải có điện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điềukhiển ổn định dòng điện

Nghịch lưu cộng hưởng: Loại này dùng nguyên tắc cộng hưởng khi mạch hoạtđộng, do đó dạng dòng điện (hoặc điện áp) thường có dạng hình sin Cả điện áp vàdòng điện ra tải phụ thuộc vào tính chất tải.

3 Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần

Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần như hình ()

Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha Bộ chỉnh lưu có nhiệmbiến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều

Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu.

Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều cótần số có thể thay đổi được Điện áp một chiều được biến thành điện áp xoay chiềunhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van công suất theo một quy luật nhất định

Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luật điều khiển nàođó đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu Ngoài ra nó còn có chức năngsau:

- Theo dõi sự cố lúc vận hành- Xử lý thông tin từ người sử dụng

- Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm- Xác định đặc tính – momen tốc độ

- Xử lý thông tin từ các mạch thu thập dữ liệu- Kết nối với máy tính.

- …

Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp các van côngsuất trong mạch nghịch lưu Mạch cách ly có nhiệm vụ cách ly giữa mạch công suấtvới mạch điều khiển để bảo vệ mạch điều khiển.

Màn hình hiển thị và điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thông tin hệ thống như tầnsố, dòng điện, điện áp,… và để người sử dụng có thể đặt lại thông số cho hệ thống.

Các mạch thu thập tín hiệu như dòng điện, điện áp nhiệt độ,… biến đổi chúngthành tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển có thể xử lý được Ngài ra còn có cácmạch làm nhiệm vụ bảo vệ khác như bảo vệ chống quá áp hay thấp áp đầu vào…

Các mạch điều khiển, thu thập tín hiệu đều cần cấp nguồn, các nguồn nàythường là nguồn điện một chiều 5, 12, 15VDC yêu cầu điện áp cấp phải ổn định Bộnguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện thích hợp đó.

Sự ra đời của các bộ vi xử lý có tốc độ tính toán nhanh có thể thực hiện các thuậttoán phức tạp thời gian thực, sự phát triển của các lý thuyết điều khiển, công nghệsản xuất IC có mức độ tích hợp ngày càng cao cùng với giá thành của các linh kiệnngày càng giảm dẫn đến sự ra đời của các bộ biến tần ngày càng thông minh có khảnăng điều khiển chính xác, đáp ứng nhanh và giá thành rẻ

4 Phương thức điều khiển

4.1.Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)

Nội dung của phương pháp điều chế độ rộng xung là tạo ra một tín hiệu sinchuẩn có tần số bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện ra nghịch lưu Tínhiệu này sẽ được so sánh với một tín hiệu răng cưa có tần số lớn hơn rất nhiều tầnsố của tín hiệu sin chuẩn Giao điểm của hai tín hiệu này xác định thời điểm đóngmở van công suất Điện áp ra có dạng xung với độ rộng thay đổi theo từng chu kỳ.

Hình 3-2: Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung(vo1 là thành phần sin cơ bản, v ilà điện một chiều vào bộ nghịch lưu, vo là điện áp

ra )

Trong quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực, điềubiến theo độ rộng xung đơn cực và điều biến theo độ rộng xung lưỡng cực Trongđề tài này em sử dụng phương điều chế độ rộng xung đơn cực.

Có hai phương pháp điều chế cơ bản là:

- Điều chế theo phương pháp sin PWM (SPWM)- Điều chế vectơ

4.1.1 Điều chế theo phương pháp SPWM

Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, ta sử dụng một tín hiệu

xung tam giác vtri (gọi là sóng mang) đem so sánh với một tín hiệu sin chuẩn vc (gọi

là tín hiệu điều khiển) Nếu đem xung điều khiển này cấp cho bộ nghich lưu một

pha, thì ở ngõ ra sẽ thu được dạng xung điện áp mà thành phần điều hòa cơ bản có

tần số bằng tần số tín hiệu điều khiển vc và biên độ phụ thuộc vào nguồn điện một

chiều cấp cho bộ nghịch lưu và tỷ số giữa biên độ sóng sin mẫu và biên độ sóngmang Tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều tần số tín hiệu điều khiển Hình 3-3 miêutả nguyên lý của của phương pháp điều chế SPWM một pha:

Hình 3-3: Nguyên lý điều chế SPWM một pha

Khi:

vc > vtri , VA0 = Vdc/2vc < ttri , VA0 = -Vdc/2

Đối với nghịch lưu áp ba pha có sơ đồ như hình 3-4 Để tạo ra điện áp sin ba phadạng điều rộng xung, ta cần ba tín hiệu sin mẫu.

Hình 3-4: Nghịch lưu áp ba pha

Nguyên lý điều chế và dạng sóng như sau:

Hình 3-5: Nguyên lý điều chế SPWM ba pha

Hệ số điều chế biên độ ma được định nghĩa là tỷ số giữa biên độ của tín hiệu điềukhiển với biên độ của sóng mang:

Trong vùng tuyến tính (0 < ma < 1), biên độ của thành phần sin cơ bản VA01

(điện áp pha) trong dạng sóng đầu ra tỷ lệ với hệ số điều biến theo công thức:

VmV

mf - hệ số điều chế tỷ số

ftri - tần số sóng mang, bằng tần số PWMfc - tấn số tín hiệu điều khiển

Giá trị của mf được chọn sao cho nên có giá trị dương và lẻ Nếu mf là một giátrị không nguyên thì trong dạng sóng đầu ra sẽ có các thành phần điều hòa phụ(subharmonic) Nếu mf không phải là một số lẻ, trong dạng sóng đầu ra sẽ tồn tạithành phần một chiều và các hài bậc chẵn Giá trị của mf nên là bội số của 3 đốinghịch lưu áp ba pha vì trong điện áp dây đầu ra sẽ triệt tiêu các hài bậc chẵn và hàilà bội số của ba

Như vậy, nếu điện áp một chiều đầu vào không đổi, để điều chỉnh biên độ và tầnsố của điện áp đầu ra ta chỉ việc điều chỉnh biên độ và tần số của tín hiệu sin chuẩn

vc Đặc trưng cơ bản của phương pháp này là thành phần sóng điều hòa của điện ápra Muốn giảm các sóng điều hòa bậc cao cần phải tăng tần số sóng mang hay tần sốPWM Tuy nhiên càng tăng tần số PWM thì tổn hao chuyển mạch lại tăng lên.

4.1.2 Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVPWM)

Phương pháp điều chế vectơ không gian khác với các phương pháp điều chế độrộng xung khác Với phương pháp điều chế PWM khác, bộ nghịch lưu được xemnhư ba bộ biến đổi đẩy kéo riêng biệt với ba điện áp pha độc lập nhau Đối vớiphương pháp điều chế vectơ không gian, bộ nghịch lưu được xem như một khối duynhất với 8 trạng thái đóng ngắt từ 0 đến 7.

4.1.2.1.Thành lập vectơ không gian

Đối với nguồn áp ba pha cân bằng, ta luôn có phương trình sau:

a(t) u (t) u ( ) 0bc

Và bất kỳ ba hàm số nào thỏa mãn phương trình trên đều có thể chuyển sang hệtọa độ hai chiều vuông góc Ta có thể biểu diễn phương trình trên dưới dạng bavectơ gồm [ua 0 0]T, trùng với trục x, vectơ [0 ub 0]T lệch một góc 120o và vectơ [0 0ua]T lệch một góc 240o so với trục x, như hình vẽ sau:

Hình 3-6: biểu diễn vectơ không gian trong hệ tọa độ x0y

Từ đó ta xây dựng được phương trình của vectơ không gian trong hệ tọa độ phứcnhư sau:

u u sin(2 / 3) u sin( 2 / 3)3

  

Nguồn áp ba pha tạo ra là cân bằng và sin nên ta có thể viết lại phương trìnhđiện áp pha như sau:

  



Từ phương trình (3-9) ta xây dựng được phương trình sau:

  

j(2n 1) /6

Với n = 0,1,2,…,6 ta thành lập được 6 vectơ không gian V1 – V6 và hai vectơ 0là V0 và V7 như hình sau:

Hình 3-7: Các vectơ không gian từ 1 đến 6

Hình 3-8: Trạng thái đóng ngắt của các van

Bảng 3-1: Giá trị điện áp các trạng thái đóng ngắt và vectơ không gian tương ứng(Ghi chú: độ lớn điện áp phải nhân với Vdc)

4.1.2.2.Tính toán thời gian đóng ngắt

Xét trường hợp vectơ Vr nằm trong vùng 1 như hình sau:

Hình 3-9: Vectơ không gian Vr trong vùng 1

Giả sử tần số băm xung fPWM đủ cao để trong suốt chu kỳ điều rộng xung Ts,vectơ Vr không thay đổi vị trí Nhờ đó ta có thể phân tích Vr theo các vectơ V1, V2

và vectơ V0 hoặc V7 như phương trình sau:

Với: Ts là chu kỳ điều rộng xung

Tn là thời gian duy trì ở trạng thái Vn

Chuyển sang hệ tọa độ vuông góc, ta có phương trình sau – suy ra từ phươngtrình (3-11) và (3-12):

6n



Hình 3-10:Vectơ không gian Vr trong vùng bất kỳ

Dựa trên kết quả trên phương trình (3-17), ta xây dựng công thức tổng quáttrong phương trình (3-18) sau đây:

 

n( )T T

     

 

4.1.2.4.Kỹ thuật thực hiện vectơ không gian

Thông thường một trong những tiêu chuẩn để lựa chọn giản đồ đóng kích linhkiện là giảm thiểu tối đa số lần chuyền mạch của linh kiện, để giảm tổn hao trong