I. Lý do chọn đề tài
2.2.2. Bộ biến tần ba pha điều chế độ rộng xung
a) Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý làm việc cơ bản của bộ biến tần: nguồn điện xoay chiều 3 pha được chỉnh lưu bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng nhờ tụ điện. Nhờ vậy hệ số công suất cosφ của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất là 0,96. Điện áp 1 chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Mạch nghịch lưu gồm các van bán dẫn công suất, nghịch lưu được thực hiện bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số
siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ. Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra bộ biến tần có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tùy theo bộ điều khiển. Với luật điều khiển tần số, quan hệ Us/f phụ thuộc vào đối tượng phụ tải. Đối với tải có momen không đổi, tỉ số điện áp tần số là không đổi. Tuy vậy, với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 2. Điện áp là hàm bậc 2 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính momen là hàm bậc 2 của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân momen lại là hàm bậc 2 của điện áp. Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống.
Ngoài ra, biến tần ngày nay tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các kiểu phụ tải khác nhau. Ngày nay biến tần tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thông SCADA.
b) Mạch lực bộ biến đổi
Sơ đồ bộ biến tần 3 pha được trình bày trên hình 2.2. Phương pháp điều biến bộ rộng xung cho phép định hình và điều khiển cả biên độ và tần số điện áp tải khi nghịch lưu được cấp từ một điện áp một chiều Ud không đổi. Để nhận được điện áp đối xứng 3 pha, các điện áp điều khiển hình sin đối xứng 3 pha lệch nhau 1200
được so sánh với cùng một điện áp răng cưa tần số cao (thường từ 1÷10 kHz).
Hình 2.2. Sơ đồ mạch lực bộ biến tần 3 pha
Rh Th h A B C Đ
Các van bán dẫn của nghịch lưu được điều khiển theo phương pháp điều biến độ rộng xung điện áp đơn cực (PWM).
Cụ thể, các tranzitor của các pha (A, B, C) của nghịch lưu chuyển mạch luân phiên liên tục nhau được điều khiển riêng biệt bằng so sánh điện áp răng cưa Urc và điện áp điều khiển UđkA, UđkB và UđkC, như ở hình 2.3. So sánh Urc và UđkA tạo ra các xung điều khiển van bán dẫn của pha A (V1, V4).
Khi UđkA > Urc: V1: mở UAN = Ud Khi UđkA < Urc: V4: mở UAN = 0
Với UAN là điện áp giữa điểm A và cực âm (N) của nguồn một chiều. Tương tự các xung điều khiển tạo ra bằng so sánh Uđkb, Uđkc và Urc sẽ điều khiển các van bán dẫn của pha B (V3, V6) và pha C (V5, V2).
Khi UđkB > Urc: V3: mở UBN = Ud Khi UđkB < Urc: V6: mở UBN = 0 Khi UđkC > Urc: V5: mở UCN = Ud Khi UđkC < Urc: V2: mở UCN = 0
Kết hợp 4 trạng thái chuyển mạch của các van pha A, B và điện áp dây UAB tương ứng là:
1. V1, V6: mở, UAN = Ud,, UBN = 0, UAB = Ud
2. V4, V3: mở, UAN = 0, UBN = Ud , UAB = -Ud
3. V1, V3: mở, UAB = Ud, UBN = Ud , UAB = 0 4. V4, V6: mở, UAB = 0, UBN = 0 , UAB = 0
Do đó các điode nối song song ngược với các phần tử chuyển mạch nên khi các phần tử chuyển mạch (U1, U3) hoặc (V4, V6) mở, dòng điện sẽ chạy qua các phần tử chuyển mạch và các diode ngược tùy thuộc vào chiều dòng io, điện áp đầu ra bằng không.
Các điện áp dây UBC, UCA cũng tương tự như trên.
Trong điều chế độ rộng xung PWM thì việc chọn tần số điều chế rất quan trọng vì nó liên quan đến thành phần sóng hai bậc cao, tổn hao công suất trong quá trình chuyển mạch và kích thước của mạch vì độ lớn của cuộc dây và bộ lọc
liên quan rất lớn đến tần số. Do đó, thông thường hay chọn tần số khoảng từ 1-10 kHz vì tần số nằm trong khoảng này sẽ có thành phần sóng hài và tổn thất công suất trong quá trình chuyển mạch vừa phải trong khi kích thước của thiết bị cũng không quá lớn.
CHƢƠNG 3
TỔN HAO TRONG ĐỘNG CƠ KĐB VÀ
CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIẾN TỐI ƢU HIỆU SUẤT
Khi thiết kế hệ thống TĐĐ vấn đề vận hành tối ưu về phương diện năng lượng giữ vai trò quan trọng. Tổn hao làm lãng phí năng lượng và tăng nhiệt độ động cơ, buộc ta phải có giải pháp thiết kế cơ học để giải thoát năng lượng ra ngoài. Các thiết bị công suất hiện đại thường đạt được hiệu suất tới 98%, động cơ công suất trung bình và cỡ lớn có thể có hiệu suất tới 95% tại điểm làm việc danh định. Ngược lại, ở chế độ non tải hiệu suất có thể giảm đáng kể. Ngoài các biện pháp giảm thiểu tổn hao trên cơ sở các thiết bị phần cứng, hoặc sử dụng mẫu xung kích tối ưu, ta còn có thể điều khiển tối ưu tổn hao (tối ưu hiệu suất). Để hạn chế bớt các khó khăn khi phân tích vấn đề và còn đặt thuật toán, ta sẽ chỉ khảo sát chế độ xác lập.
Tầm quan trọng của vấn đề cải thiện và nâng cao hiệu suất của hệ truyền động máy điện KĐB được đánh giá dựa trên 2 phương diện cơ bản là tiết kiệm năng lượng và phương pháp điều khiển. Việc cải thiện hiệu suất của hệ truyền động động cơ KĐB theo hướng giảm tổn hao có thể được thực hiện theo 3 hướng cơ bản sau:
- Phần cứng (theo cấu tạo và thiết kế của động cơ)
- Cải thiện dạng sóng nguồn bằng các thiết bị biến đổi công suất - Sử dụng các phương pháp điều khiển phù hợp.
Đối với những động cơ đã xác định được điểm làm việc tối ưu (giá trị tốc độ và giá trị dòng xác định) thì hiệu suất là tương đối cao. Tuy nhiên trong một vài ứng dụng, rất khó xác định những điểm làm việc tối ưu đó. Trong những trường hợp như vậy, hiệu suất có thể được cải thiện bằng thay đổi phần cứng động cơ hoặc cải thiện dạng sóng nguồn cấp. Tuy nhiên, thuật toán điều khiển phù hợp với mô hình tổn hao nhỏ nhất sẽ là phương án hiệu quả hơn cả.
IS RS LS Ir' Lr' Rr'/s Lm Rm ES US
3.1. Tổn hao trong động cơ KĐB
Mô hình thay thế động cơ KĐB như hình 3.1.
Hình 3.1. Mô hình thay thế ĐC KĐB
Trong đó:
s s E
U , - Điện áp nguồn cấp và điện áp pha trên stator. Is, I’r - Dòng điện stator và dòng điện rotor quy về stator. Lδs, Lδr - Điện cảm tản stator, điện cảm tản rotor quy về stator
Rs, Rr - Điện trở tác dụng của cuộc dây stator, điện trở rotor quy về stator Rm, Lm - Điện trở và từ trở cảm của lõi sắt.
Công suất điện đầu vào động cơ được biểu thị theo biểu thức: P1 = 3.Us.Is.Cosφs
Một phần nhỏ của công suất biến thành tổn hao đồng của dây quấn stator: PCU1 = 3. I2s.Rs
và tổn hao trong lõi sắt stator: PFe = 3. E2s/Rm
Còn lại phần lớn công suất đưa vào chuyển thành công suất điện từ Pđt
chuyển qua rotor.
Như vậy: Pđt = P1 - PCU1 - PFe
Vì trong rotor có dòng điện nên tổn hao đồng trong rotor là:
Do vậy công suất cơ của động cơ là: Pcơ = Pđt - PCU2
Công suất đưa ra đầu trục động cơ điện P2 sẽ nhỏ hơn công suất cơ vì khi động cơ quay có tổn hao cơ Pcơ và tổn hao phụ Pf, nghĩa là:
P2 = Pcơ - pcơ - pf
Giản đồ năng lượng của động cơ KĐB được biểu diễn ở hình 3.2.
Pcu1 PFe Pcu2 Pc¬ Pf P1 P®t Pc¬ P2
Hình 3.2. Giản đồ năng lƣợng của ĐC KĐB
Trong các loại tổn hao trên, ta thấy tổn hao do ma sát, gió và tổn hao phụ gần như không thay đổi ứng với momen và tốc độ xác định. Tổn hao đồng và tổn hao sắt từ có thể thay đổi bằng việc điều khiển tần số và điện áp, và có thể tối thiểu hóa các tổn thất này và ứng với momen và tốc độ đặt trước.
Loại trừ tổn hao ma sát, tổn hao gió và tổn hao phụ, ta có tổng tổn hao có thể điều chỉnh được: