Khi ñiều tốc ñộng cơ ñiện, một nhân tố quan trọng là phải cố gắng duy trì
ñược lượng từ thông Φ trên mỗi cực không ñổi và bằng giá trị ñịnh mức. Từ thông quá yếu sẽ không phát huy hết khả năng của lõi sắt ñộng cơ và là một dạng lãng phí, nếu tăng từ thông có thể làm cho nó bão hòa, dẫn tới dòng ñiện kích từ quá lớn, khi nghiêm trọng làm cuộn dây quá nóng làm hỏng ñộng cơ. Trong ñộng cơ không
ñồng bộ xoay chiều, từ thông là do tổng hợp tác dụng của mạch rotor và stator gây ra. Vì thế, việc giữ cho từ thông Φ không ñổi là một ñiều khá phức tạp.
Giá trị hiệu dụng của sức ñiện ñộng cảm ứng của mỗi pha stator ñộng cơ
không ñồng bộ ba pha là:
E1 = 4.44fw1kdq1Φmax (3.1) Trong ñó, E1: giá trị hiệu dụng của sức ñiện ñộng cảm ứng do từ thông ở khe hở không khí trong mỗi pha stator ñộng cơ không ñồng bộ ba pha gây ra.
f: tần số mạch stator (Hz)
w1: số vòng quấn của mỗi cuộn dây của mỗi pha stator kdq1: hệ số dây quấn
Φmax: biên ñộ từ thông ở khe hở không khí mỗi cực (Wb)
Từ công thức (3.1) có thể thấy, chỉ cần ñiều khiển tốt E1 và f là có thể ñạt
ñược mục ñích ñiều khiển từ thông Φmax. Muốn thế cần phải xét hai trường hợp sau:
3.1.1 ðiều tốc thấp hơn tần số cơ bản:
Từ công thức trên có thể thấy, muốn giữ cho Φmax không ñổi, lúc tần số f từ
trị sốñịnh mức fnñiều tốc xuống thấp hơn, bắt buộc phải ñồng thời hạ E1 xuống sao cho: const f E1 = (3.2) Nghĩa là sử dụng phương thức ñiều khiển với tỉ số sức ñiện ñộng và tần số là hằng.
Nhưng sức ñiện ñộng cảm ứng trong nhóm cuộn dây là khó ñiều khiển, lúc trị số sức ñiện ñộng khá cao, có thể bỏ qua lượng sụt áp trở kháng rò từ của nhóm cuộn dây stator và coi ñiện áp pha của stator U1 ≈ E1 cho nên:
const f
U1
= (3.3)
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Lúc tần số thấp, U1 và E1 ñều khá nhỏ, thành phần sụt áp trở kháng chiếm khá lớn, không thể bỏ qua. Lúc này, phải mạnh dạn nâng cao ñiện áp U1 lên một ít nhằm bù lại lượng sụt áp trên mạch stator. ðặc tính ñiều khiển tỉ số ñiện áp và tần số là hằng ñược thể hiện trên hình 3.1, trong ñó khi có bù sụt áp stator là ñuờng b còn không có bù là ñường a. f 0 U1 fn U1n a b Hình 3.1 ðặc tính ñiều khiển tỷ sốñiện áp và tần số hằng số 3.1.2 ðiều tốc cao hơn tần số cơ bản:
Khi ñiều tốc cao hơn tần số cơ bản, tần số có thể tăng lên từ fn, nhưng ñiện áp U1 không thể tăng quá ñiện áp ñịnh mức U1n tối ña mà chỉ giữ ñược U1 = U1n.
ðiều ñó sẽ làm cho từ thông giảm xuống theo tỉ lệ nghịch với tần số.
Hình 3.2 ðặc ñiểm ñiều khiển ñiều tốc biến tần ñộng cơ không ñồng bộ ðem kết hợp hai trường hợp tần số thấp và cao hơn so với tần số cơ bản có thể ñược ñường ñặc tính ñiều khiển ñiều tốc biến tần ñộng cơ không ñồng bộ như
hình 3.2. Nếu ñộng cơ ở những tốc ñộ khác nhau ñều có dòng ñiện ñịnh mức thì
ñộng cơ có thể làm việc lâu dài trong ñiều kiện nhiệt ñộ tăng lên cho phép, lúc này tốc ñộ quay về cơ bản thay ñổi theo từ thông.
3.2 Phương pháp ñiều khiển bộ nghịch lưu áp:
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu cầu của ñiều tốc biến tần phù hợp với chếñộñiều khiển bộ chỉnh lưu nhất thiết phải
ñiều chỉnh ñược. Lúc ñiều tốc phải ñồng thời ñiều khiển bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu như hình 3.3, ñiều này ñã kéo theo một loạt vấn ñề:
+ Mạch ñiện chính có hai khâu công suất ñiều khiển ñược, nghĩa là khá phức tạp.
+ Bởi vì khâu một chiều trung gian có tụ lọc sóng hoặc bộ ñiện kháng với quán tính lớn làm cho tính thích nghi trạng thái ñộng của hệ thống trở nên chậm chạp.
+ Bởi vì bộ chỉnh lưu ñiều khiển ñược làm cho hệ số cung cấp của nguồn
ñiện sẽ bị xấu ñi khi công suất ñầu ra giảm xuống theo sự thay ñổi của thiết bị biến tần, ñồng thời sinh ra dòng ñiện hài tần số cao.
+ ðầu ra của bộ nghịch lưu là ñiện áp hoặc dòng ñiện biến thiên sáu phách bậc thang, khi truyền dẫn ñộng cơñiện càng tạo ra nhiều sóng hài bậc cao dẫn tới moment biến ñộng khá lớn ảnh hưởng tới tính ổn ñịnh làm việc của ñộng cơ ñặc biệt nghiêm trọng là khi ở tốc ñộ thấp.
Hình 3.3 Sơñồ nguyên lý bộ biến tần xoay chiều – một chiều – xoay chiều thường dùng
Vì vậy các thiết bị biến tần do các linh kiện ñiện tử công suất ở thế hệ ñầu tiên không thể thích ứng với những ñòi hỏi ñối với nguồn ñiện biến tần của những hệ thống ñiều tốc cận ñại. Sự xuất hiện các linh kiện ñiện tử thế hệ thứ hai như
GTO, GTR, P-MOSFEST…cùng với sự phát triển của kĩ thuật vi ñiện tửñã tạo ra
ñược các ñiều kiện tốt ñể giải quyết vấn ñề này.
Bộ biến tần PWM ứng dụng kĩ thuật này về cơ bản ñã giải quyết ñược vấn ñề
tồn tại trong bộ biến tần sóng nhịp thường gặp, tạo ñiều kiện cho sự phát triển lĩnh vực mới là hệ thống ñiều tốc dòng ñiện xoay chiều cận ñại. Hình 3.4 ñã thể hiện sơ ñồ nguyên lý của bộ biến tần PWM.
Hình 3.4 Sơñồ nguyên lý bộ biến tần xoay chiều – một chiều – xoay chiều SPWM Từñây có thể thấy, nó vẫn là thiết bị biến tần xoay chiều - một chiều - xoay chiều, chỉ khác là bộ chỉnh lưu không còn ñiều khiển ñược, ñiện áp ra của nó sau khi ñi qua tụ lọc sóng (có kèm theo ñiện cảm hạn chế dòng) ñã hình thành ñiện áp một chiều có trị số biên ñộ không ñổi, áp lên bộ nghịch lưu, linh kiện ñóng mở công suất trong bộ nghịch lưu mở thông hoặc cắt bỏ, ñầu ra của nó sẽ nhận một loạt xung
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu hình chữ nhật với ñộ rộng khác nhau, còn phương pháp ñiều khiển quy luật phân bố
thời gian và trình tự thao tác ñóng mở chính là phương pháp ñiều chếñộ rộng xung. Tại ñây, thông qua việc thay ñổi hình chữ nhật có thể ñiều chế giá trị biên ñộ ñiện áp của sóng cơ bản một chiều do bộ nghịch lưu ñưa ra, thỏa mãn yêu cầu phối hợp
ñiều khiển của ñiều tốc biến tần với ñiện áp và tần số.
ðặc ñiểm chủ yếu của mạch ñiện trên hình 3.4 là:
+ Mạch ñiện chính chỉ có một khâu công suất ñiều khiển ñược, ñơn giản hóa cấu trúc.
+ Sử dụng bộ chỉnh lưu không ñiều khiển nên làm cho hệ số công suất của mạng ñiện không liên quan tới ñộ lớn của ñiện áp ñầu ra bộ nghịch lưu, mà tiến gần tới một.
+ Bộ nghịch lưu thực hiện ñồng thời ñiều tần và ñiều áp, không liên quan tới tham số của linh kiện khâu một chiều trung gian, ñã làm tăng nhanh mức ñộ thích nghi trạng thái ñộng của hệ thống.
+ Có thể nhận ñược ñồ thịñiện áp ñầu ra tốt hơn so với ñồ thị hình thang sáu phách thường thấy, có thể hạn chế hoặc loại bỏ sóng hài bậc thấp, làm cho ñộng cơ
có thể vận hành ởñiện áp biến thiên gần như sin, biến ñộng của moment khá nhỏ, mở rộng rất lớn phạm vi ñiều tốc của hệ thống truyền dẫn, ñồng thời nâng cao ñược chức năng của hệ thống.
Các bộ nghịch lưu áp thường ñược ñiều khiển dựa theo kĩ thuật ñiều chếñộ
rộng xung và quy tắc kích ñóng ñối nghịch. Quy tắc này ñảm bảo dạng áp tải ñược
ñiều khiển tuân theo giản ñồ kích công tắc và kĩ thuật ñiều chếñộ rộng xung có tác dụng hạn chế tối ña các ảnh hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải.
Dựa vào phương pháp thiết lập giản ñồ kích ñóng các công tắc trong bộ
nghịch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng ñiều chế ñộ rộng xung khác nhau như
sau:
3.2.1 Phương pháp ñiều chếñộ rộng sin (Sin PWM):
Giản ñồ kích ñóng công tắc bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản là sóng ñiều chế tần số cao và sóng ñiều khiển dạng sin.
Sóng ñiều chế có thểở dạng tam giác. Sóng ñiều khiển mang thông tin vềñộ
lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của ñiện áp ở ngõ ra. Trong trường hợp bộ nghịch lưu áp ba pha, ba sóng ñiều khiển của ba pha phải lệch nhau 1/3 chu kỳ
của nó.
3.2.2 Phương pháp ñiều chếñộ rộng xung vuông (Square PWM):
Sóng ñiều khiển có dạng chữ nhật.
3.2.3 Phương pháp ñiều chếñộ rộng xung tối ưu (Optimum PWM):
Ảnh hưởng của một số sóng hài bậc thấp chứa trong ñiện áp ra có thể ñược khử bỏ bằng phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung tối ưu. Giản ñồ kích ñóng các
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu công tắc ñược thiết lập trên cơ sở phân tích hàm tối ưu theo các biến là góc kích
ñóng các linh kiện.
3.2.4 Phương pháp ñiều chế theo dòng ñiện:
Giản ñồ kích ñóng các công tắc ñược xác ñịnh trên cơ sở so sánh dòng ñiện yêu cầu của tải và dòng ñiện ño ñược.
3.2.5 Phương pháp ñiều rộng:
Phương pháp này còn ñược gọi là phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung ñơn, là trường hợp ñặc biệt của phương pháp ñiều chếñộ rộng xung. Trong mỗi nữa chu kỳ, áp ra chỉ có một xung ñiện áp. ðộ lớn ñiện áp tải ñược ñiều khiển bằng cách thay ñổi ñộ rộng xung ñiện áp. Phương pháp này chỉ áp dụng ñiều khiển bộ nghịch lưu áp một pha.
3.2.6 Phương pháp ñiều khiển theo biên ñộ:
Phương pháp này gọi tắt là phương pháp ñiều biên. Phương pháp này ñòi hỏi
ñiện áp nguồn ñiều khiển ñược. Các công tắc trong cặp công tắc cùng pha ñược kích
ñóng với thời gian bằng nhau và bằng một nữa chu kỳ áp ra. Bộ nghịch lưu áp ba pha ñiều khiển theo biên ñộ còn gọi là bộ nghịch lưu sáu bước.
3.3 Nguyên lý làm việc của bộ nghịch lưu ñiều chếñộ rộng sin:
Bộ nghịch lưu SPWM, chính là hệ thống mà ñiện áp ñầu ra ñúng là hình sin thuần túy, nó có thể chia nữa chu kỳ hình sin ra N phần bằng nhau như hình 3.5a sau ñó lấy diện tích bao bởi trục hoành và ñường cong hình sin tạo ra ñược thay thế
bằng một xung hình chữ nhật cùng chiều cao có diện tích bằng nó, trung ñiểm của xung hình sin trùng với tâm của mỗi một phần trên sóng hình sin như hình 3.5b.
Hình 3.5 Thứ tự sắp xếp các xung hình chữ nhật cùng biên ñộ tương ñương với sóng hình sin
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Như vậy, ñồ thị sóng do N xung hình chữ nhật cùng biên ñộ nhưng khác nhau về chiều rộng ñã thay thế bán chu kỳ hình sin. Tương tựở bán chu kỳ âm của sóng hình sin cũng ñược thay thế theo phương pháp này. Một loạt xung trên hình 3.5b chính là ñồ thịñầu ra của bộ nghịch lưu SPWM. Có thể thấy rằng do biên ñộ
bằng nhau của các xung nên bộ nghịch lưu có thể cung cấp nguồn ñiện một chiều không ñổi. Giá trị biên ñộ xung của ñầu ra bộ nghịch lưu chính là ñiện áp ñầu ra của bộ chỉnh lưu. Lúc bộ nghịch lưu làm việc ở trạng thái lý tưởng, tín hiệu của các linh kiện ñóng mở tương ứng cũng sẽ có một loạt xung tương tự như hình 3.5b. Biện pháp thường dùng trong thực tế là ñưa ra khái niệm “ñiều chế” trong kỹ thuật thông tin, ñồ thị sóng mong muốn (ởñây là sóng hình sin) làm sóng ñiều chế, còn tín hiệu chịu sự ñiều khiển của nó gọi là sóng mang. Trong bộ SPWM thường dùng sóng tam giác cân làm sóng tải bởi vì sóng tam giác cân là hình sóng tuyến tính có ñộ
rộng trên dưới ñối xứng nhau, lúc nó giao với ñường cong trơn bất kỳ, ở thời ñiểm giao ấy ñiều khiển ñược ñóng ngắt mở thông của linh kiện, nghĩa là nhận ñược ñộ
rộng xung cùng biên ñộ với xung hình chữ nhật có trị số của hàm số ñường cong này, ñó chính là kết quả cần thiết của bộñiều chếñộ rộng xung.
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
ðể ñiều khiển mạch nghịch lưu ñiều biến ñộ rộng xung, người ta thường dùng phương pháp so sánh hai ñiện áp như hình 3.6a. ðiện áp thứ nhất ñược sử
dụng là ñiện áp chuẩn vr có dạng hình sin, có tần số fr là tần số mong muốn của ñiện áp ra của nghịch lưu.
ðiện áp thứ hai là ñiện áp mang vp có dạng ñối xứng, có tần số fp > fr. Các thời ñiểm giao nhau của các ñường biểu diễn của các ñiện áp vr và vp chính là các thời ñiểm phải phát ra các xung dòng ñiện (iG1, iG2) hoặc (iG3, iG4) ñể lần lượt mở
các cặp thyristor (T1, T2) và (T3, T4) như hình 3.6c.
Xét quá trình trong một chu kỳ của ñiện áp mang vp như hình 3.7.
Hình 3.7 ðiện áp mang vp trong một chu kì
Khi so sánh các ñiện áp vr và vp, chúng giao nhau tại các hoành ñộωt = α và
ωt = 2π – α. Các giao ñiểm này quyết ñịnh chỉ số trung bình của ñiện áp ra trên phụ
tải: Vdc = ∫ ∫− ∫ − + − α 0 α 2π α 2π α 2π Edθ Edθ Edθ 2π 1 Vdc = E −1 π 2α Từñồ thị hình 3.7 ta tính ñược α = 2 π + pm V r v 1 Do ñó suy ra: Vdc = pm V r v E
Trong ñó Vpm là biên ñộ của ñiện áp mang.
Trong một chu kỳ của ñiện áp mang, trị số trung bình của ñiện áp ra trên phụ
tải tỉ lệ với ñiện áp chuẩn vr. Nếu ñiện áp chuẩn vr có dạng hình sin thì ñiện áp trung