Ứng dụng biến tần trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB

Thực tế cho thấy rằng, hệ truyền động ĐCKĐB điều khiển tần số bằng phương pháp không gian vectơ cho phép điều chỉnh tốc độ trong một phạm vi rộng, có khả năng sinh momen ngay cả khi tốc độ thấp (thậm chí ngay cả khi tốc độ bằng không) và điều chỉnh trơn tốc độ này một cách tùy ý. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử- tin học vào trong truyền động điện đã giúp cho hệ truyền động ĐCKĐB điều khiển tần số dùng phương pháp không gian vectơ cạnh tranh có hiệu quả với truyền động động cơ một chiều, ngay cả trong điều khiển chương trình và điều khiển vị trí.

Biến tần trực tiếp (xoay chiều- xoay chiều)

Bộ biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi nguồn điện xoay chiều có điện áp và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được. Nếu dùng phương pháp điều khiển riêng thì không cần các cuộn kháng cân bằng , còn trong trường hợp điều khiển chung thì các cuộn kháng làm nhiệm vụ hạn chế dòng điện cân bằng do có chênh lệch giá trị tức thời của điện áp cân bằng giữa hai nhóm van gây ra. Các tiristor được phát xung mở với các góc sao cho điện áp gần hình sin nhất, nhưng có sự chậm pha của dòng điện tải nên mỗi nhóm van vừa làm việc ở chế độ chỉnh lưu, vừa làm việc ở chế độ nghịch lưu.

Theo dạng điện áp trên tải thì việc luân phiên dẫn dòng giữa các nhóm van là tức thời, song để thiết bị làm việc an toàn, cần có khoảng thời gian trễ để nhóm van vừa dẫn được khoá chắc chắn. Khi bắt đầu cho một nhóm van nào đó, thí dụ nhóm P1 dẫn dòng điện áp cảm ứng trên nửa kia của cuộn kháng cân bằng là phân cực ngược đối với nhóm van N và ngăn không cho nó dẫn dòng. Thời điểm phát xung mở cho các van tiristor của biến tần trực tiếp cần tuân theo một trật tự nhất định sao cho giá trị trung bình cục bộ của điện áp đầu ra theo sát giá trị tức thời của điện áp mong muốn.

Biến tần gián tiếp

Khối nghịch lưu chỉ có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều với tần số điều chỉnh được mà không có khả năng điều chỉnh điện áp ra của nghịch lưu nên giữa khối chỉnh lưu và nghịch lưu bố trí thêm bộ biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh giá trị điện áp một chiều cấp cho nghịch lưu nhằm thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh giá trị hiệu dụng điện áp xoay chiều đầu ra nghịch lưu U2. Hình 2.9 giới thiệu cấu trúc bộ biến tần PWM, bộ biến tần này vẫn là bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều, chỉ khác là khâu chỉnh lưu chỉ cần là chỉnh lưu không điều khiển, điện áp ra của nó sau khi đi qua bộ lọc C (hoặc L-C) cho điện áp một chiều có giá trị không đổi dùng để cấp cho khâu nghịch lưu, linh kiện đóng mở công suất trong khâu nghịch lưu là các phần tử điều khiển hoàn toàn và được điều khiển đóng cắt với tần số khá cao, tạo nên trên đầu ra một loạt xung hình chữ nhật với độ rộng khác nhau, còn phương pháp điều khiển quy luật phân bố thời gian và trình tự thao tác đóng - cắt (mở khóa) chính là phương pháp điều chế độ rộng xung. Các biến tần SPWM với phương pháp điều chỉnh U1/fs=hằng số (fs là tần số sóng hài cơ bản điện áp đặt vào mạch stator động cơ, đây cũng chính là tần số f2 ở đầu ra) có thể cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều với chất lượng dòng áp khá tốt, phạm vi điều chỉnh đã được mở rộng nhưng momen cực đại bị giới hạn và chưa đáp ứng được yêu cầu cao về chất lượng tĩnh của phần lớn các hệ điều tốc.

Với các hệ điều tốc vòng kín dùng biến tần gián tiếp SPWM, như là hệ điều tốc điều khiển tần số trượt chẳng hạn, đã cải thiện đáng kể chất lượng tĩnh của hệ thống điều tốc động cơ xoay chiều, tạo được đặc tính gần với hệ thống điều tốc hai mạch vòng động cơ một chiều, tuy nhiên chất lượng động của hệ thì vẫn còn xa mới đạt được như hệ thống điều tốc hai mạch vòng động cơ một chiều. Hệ truyền động điện biến tần vector - động cơ xoay chiều được thực hiện ở dạng hệ vòng kín, với việc điều khiển định hướng theo từ trường rotor cho phép có thể duy trì được từ thông rotor không đổi (ở vùng tần số thấp hơn tần số cơ bản), thực hiện được quan hệ Er/fs= const, nhờ đó mà đặc tính cơ của động cơ xoay chiều KĐB trong hệ có dạng như đặc tính động cơ một chiều (với khả năng quá tải mô men rất lớn). Như đã nêu ở trên, để thực hiện yêu cầu này có thể sử dụng hai sơ đồ chỉnh lưu điều khiển bằng thyristor cùng loại mặc song ngược, một sơ đồ được dùng để chỉnh lưu khi cần thực hiện biến đổi năng lượng điện xoay chiều từ phía lưới thành năng lượng điện một chiều cấp cho khối nghịch lưu, còn sơ đồ kia sẽ được điều khiển làm việc ở chế độ nghịch lưu khi cần biến đổi năng lượng điện từ phía một chiều (năng lượng từ động cơ được khối nghịch lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu chuyển sang) thành năng lượng điện xoay chiều trả lại lượng điện xoay chiều.

Phương pháp điều chế độ rộng xung SINPWM

Sau khi đã nói về phương pháp điều khiển V/f=const và phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp theo phương pháp điều rộng xung SINPWM, ta có thể đưa ra một thuật toán điều khiển động cơ theo một tần số đặt cho trước như sau. Trong trường hợp ta muốn cho động cơ đang ở trạng thái đứng yên chuyển sang chạy ở tần số đặt thì phải thông qua một quá trình khởi động mềm tránh cho động cơ khởi động lập tức đến tốc độ đặt, gây ra dòng điện khởi động lớn làm hỏng động cơ. Trong quá trình động cơ đang chạy ổn định mà có một nhu cầu thay đổi tần số thì cũng có một quá trình chuyển tần số từng bước thay vì nhảy ngay lập tức đến giá trị tần số yêu cầu mới.

Khi muốn thay đổi chiều của động cơ cần phải đưa động cơ về tần số đủ nhỏ rồi sau đó mới thực hiện việc đổi chiều quay (thay đổi thứ tự pha nguồn cấp cho động cơ) – tránh hiện tượng momen xoắn có thể làm gãy trục động cơ và tăng dòng đột ngột. - Lựa chọn biến tần theo thông số kỹ thuật: tính toán công suất động cơ rồi tính toán công suất của biến tần và theo yêu cầu kỹ thuật của nhà đầu tư hoặc từ khách hàng. - Lựa chọn biến tần theo kinh tế tài chính: nếu hệ thống không yêu cầu quá gắt gao về độ chính xác, thì có thể chọn những loại máy rẻ tiền một chút, ít chức năng cao cấp và chọn công suất động cơ là mức trung bình thấp.

Lựa chọn biến tần điều khiển động cơ

Vậy đối với phương pháp này, điện áp do bộ chỉnh lưu cung cấp chỉ được sử dụng tối đa là 86.67% trong vùng điều khiển tuyến tính. Để lựa chọn được loại biến tần phù hợp, cần xác định rõ nhu cầu ứng dụng, mục đích sử dụng và cân đối mức đầu tư. - Chọn biến tần theo tải: cần xác định được loại tải của máy móc là loại nào: tải nhẹ, tải nặng hay tải trung bình.

Hoặc lựa chọn theo đúng thông số kỹ thuật của biến tần cũ để thay thế trong trường hợp biến tần hư hỏng và không thể sử dụng. Nếu nhu cầu cao và muốn tối ưu hệ thống, thì lựa chọn các hãng có thương hiệu như: Mitshubishi, Schneider, ABB,. Ngày nay nghịch lưu áp ba pha thường dùng chủ yếu với biện pháp biến đổi bề mặt xung, đảm bảo điện áp ra có dạng gần hình sin.

Để đảm bảo điện áp ra có dạng không phụ thuộc vào tải người ta thường dùng biến điệu bề rộng xung hai cực tính, như vậy mỗi pha của sơ đồ ba pha có thể được điều khiển độc lập với nhau. Vấn đề chính trong biến điệu bề rộng xung ba pha là phải có ba sóng sin chuẩn có biên độ chính xác bằng nhau và lệch pha nhau trong toàn bộ giải điều chỉnh.

Kết quả mô phỏng matlab simulink