2.2. Giới thiệu về điều khiển tần số động cơ khụng đồng bộ
Đối với động cơ điện khụng đồng bộ thỡ tần số là thụng số điều khiển rất quan trọng. Điều khiển tần số là phương phỏp điều khiển kinh điển, tuy nú đũi hỏi kỹ thuật cao và phức tạp vỡ xuất phỏt từ bản chất và nguyờn lý làm việc của động cơ là phần cảm và phần ứng khụng tỏch biệt.
Một số yờu cầu chất lượng điều chỉnh nõng cao thỡ cỏc phương phỏp kinh điển khú đỏp ứng được. Khi đú , phải sử dụng cỏc phương phỏp điều khiển chủ yếu sau:
1. Điều khiển vụ hướng (SFC: Scalar Frequency Control).
2. Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC: Field Oriented Control) 3. Điều khiển trực tiếp momen (DTC: Direct Toque Control)
2.2.1. Điều khiển vụ hướng (SFC: Scalar Frequency Control):
Thực chất của phương phỏp điều khiển vụ hướng (U/f bằng hằng số) là giữ cho từ thụng stator (ψs) khụng đổi trong suốt quỏ trỡnh điều chỉnh. Khi điều khiển tần số, nếu giữ từ thụng khe hở khụng đổi thỡ động cơ sẽ được sử dụng hiệu quả nhất, tức là cú khả năng sinh mụmen lớn nhất. Do những ưu điểm sẵn cú của cỏc động cơ khụng đồng bộ mà cỏc hệ truyền động của chỳng cũng thừa hưởng tớnh kinh tế và tớnh chắc chắn.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 38
Phương phỏp này dễ thực hiện tuy vậy vẫn cũn tồn tại nhược điểm: tổn thất cụng suất P và lượng tiờu thụ cụng suất phản khỏng Q khụng phải là nhỏ nhất, ổn định tốc độ gặp khú khăn, mặc dự hệ truyền động đơn giản nhưng cú hạn chế về độ chớnh xỏc tốc độ và đỏp ứng mụmen kộm. Hệ truyền động khụng thể đảm bảo điều khiển được cỏc đỏp ứng về mụmen và từ thụng. Cho nờn, điều khiển vụ hướng được ứng dụng trong cụng nghiệp khi yờu cầu khụng cao về điều chỉnh sõu tốc độ.
Cấu trỳc cơ bản của hệ truyền động theo phương phỏp điều khiển vụ hướng được biểu diễn trờn hỡnh 2.4. Sơ đồ cấu trỳc gồm hai phần:
Phần lực gồm: CL là khối chỉnh lưu dựng để biến đổi điện ỏp xoay chiều của mạng điện cụng nghiệp thành điện ỏp một chiều cấp cho khối nghịch lưu; NL là khối nghịch lưu thường dựng cỏc khoỏ đúng cắt IGBT, thực hiện biến đổi điện ỏp một chiều Udc ở đầu ra khối CL thành điện ỏp xoay chiều cung cấp cho động cơ; ĐC là động cơ khụng đồng bộ ba pha rotor lồng súc; C là tụ lọc.
Phần điều khiển gồm: Khõu tạo tớn hiệu khống chế nghịch lưu theo nguyờn lý điều chỉnh độ rộng xung (Driver NL PWM); bộ điều chỉnh biờn độ điện ỏp ra nghịch lưu (ĐCA); cỏc sensor đo dũng (SI) và đo tốc độ (TG); khõu
Hỡnh 2.4: Cấu trỳc điều khiển vụ hướng hệ truyền động biến tần- động cơ khụng đồng bộ A CL NL C ĐTS XL THĐ Đặt tần số ra NL BĐD f ia ib U ĐCA Udc Driver NL PWM - I Sa,Sb,Sc B C TG SI ASM
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 39
biến đổi dũng ba pha của động cơ thành điện ỏp một chiều tỉ lệ với giỏ trị hiệu dụng dũng điện một pha (BĐD); XL là khõu gia cụng tớn hiệu dũng điện và tốc độ động cơ phục vụ cho mục đớch ổn định động hệ thống; tớn hiệu đặt tốc độ của hệ (THĐ) được đưa đến khối đặt tần số để quyết định tần số ra của NL, đồng thời THĐ lại được tổng hợp với tớn hiệu đầu ra của XL để khống chế biờn độ điện ỏp ra của biến tần; cỏc tớn hiệu Sa, Sb, Sc là cỏc chuỗi xung dựng để khụng chế cỏc khoỏ IGBT trong ba pha của nghịch lưu. Việc khống chế qui luật thay đổi tần số giai đoạn khởi động do ĐTS quyết định, cũn việc điều chỉnh điện ỏp được thực hiện bởi ĐCA.
2.2.2. Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC: Field Oriented Control):
Điều khiển định hướng theo từ trường cũn gọi là điều khiển vectơ, cú thể đỏp ứng cỏc yờu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và động. Nguyờn lý điều khiển vectơ dựa trờn ý tưởng điều khiển vectơ động cơ khụng đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều. Phương phỏp này đỏp ứng được yờu cầu điều chỉnh của hệ thống trong quỏ trỡnh quỏ độ cũng như chất lượng điều khiển tối ưu mụmen. Việc điều khiển vectơ dựa trờn định hướng vectơ từ thụng rụto cú thể cho phộp điều khiển tỏch rời hai thành phần dũng stator, từ đú cú thể điều khiển độc lập từ thụng và mụmen động cơ. Kờnh điều khiển mụmen thường gồm một mạch vũng điều chỉnh tốc độ và một mạch vũng điều chỉnh thành phần dũng điện sinh mụmen. Kờnh điều khiển từ thụng thường gồm một mạch vũng điều chỉnh dũng điện sinh từ thụng. Do đú hệ thống truyền động điện động cơ khụng đồng bộ cú thể tạo được cỏc đặc tớnh tĩnh và động cao, so sỏnh được với động cơ một chiều.
Từ mụ hỡnh toỏn học động cơ khụng đồng bộ là một hệ thống nhiều biến, bậc cao, phi tuyến, nhiều ràng buộc chặt chẽ, thụng qua phộp biến đổi tọa độ, cú thể làm nú hạ bậc đồng thời đơn giản hoỏ, nhưng vẫn chưa thay đổi bản chất tớnh phi tuyến và nhiều biến số của nú. Chất lượng động của hệ thống điều tốc biến tần khụng được như mong muốn, tham số của bộ điều chỉnh rất
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 40
khú thiết kế chớnh xỏc, vấn đề chớnh là ở chỗ đó đi theo khỏi niệm hệ thống điều khiển một biến số mà chưa xột tới bản chất phi tuyến, nhiều biến số. Về vấn đề này nhiều nhà chuyờn mụn đó dày cụng nghiờn cứu, đến năm 1971 đó cú 2 cụng trỡnh nghiờn cứu: “Nguyờn lý điều khiển định hướng từ trường động cơ khụng đồng bộ” do F. Blaschke của hóng Seamens Cộng hoà Liờn bang Đức thực hiện, và “Điều khiển biến đổi tọa độ điện ỏp stator động cơ cảm ứng” do P.C. Custman và A.A. Clark ở Mỹ đạt được kết quả tốt, và đó được cụng bố trong sỏng chế phỏt minh của họ. Trải qua nhiều cải tiến liờn tục đó hỡnh thành được hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay đó trở nờn rất phổ biến.
Dựa quy tắc của phộp chuyển đổi là tạo ra sức điện động quay đồng bộ, dũng điện xoay chiều mạch stator iA, iB, iC qua phộp biến đổi 3/2, cú thể chuyển đổi tương tương thành dũng điện xoay chiều ở tọa độ cố định 2 pha i1, i1; sau đú lại thụng qua phộp biến đổi quay theo định hướng từ trường rotor, cú thể chuyển đổi tương đương thành dũng điện một chiều iM1, iT1 trờn hệ tọa độ quay đồng bộ.
Hỡnh 2.5. Sơ đồ cấu trỳc biến đổi tọa độ động cơ khụng đồng bộ. Trong đú: 3/2: Biến đổi 3 pha thành 2 pha; VR: Biến đổi quay
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 41
Nếu người quan sỏt đứng trờn lừi sắt từ và cựng quay với hệ tọa độ, thỡ người quan sỏt sẽ thấy đú như là một động cơ một chiều, tổng từ thụng 2 của rotor động cơ xoay chiều ban đầu chớnh là từ thụng động cơ điện một chiều tương đương. Cuộn dõy M tương đương với cuộn dõy kớch từ của động cơ một chiều, iM1 (hay id1) tương đương với dũng điện kớch từ, cuộn dõy T tương đương với cuộn dõy phần ứng giả cố định, iT1 (hay iq1) tương đương với dũng điện phần ứng và tỷ lệ thuận với mụ men.
Từ quan hệ tương đương trờn đõy cú thể mụ tả dạng sơ đồ cấu trỳc của động cơ như trờn hỡnh 2.5. Về tổng thể mà núi, đầu vào 3 pha A, B, C, đầu ra tốc độ gúc , là một động cơ khụng đồng bộ, qua phộp biến đổi 3/2 và biến đổi quay đồng bộ trở thành một động cơ một chiều đầu vào iM1, iT1 và đầu ra .
Động cơ khụng đồng bộ qua biến đổi tọa độ cú thể trở thành động cơ một chiều tương đương, như vậy phỏng theo phương phỏp điều khiển động cơ một chiều, tỡm ra lượng điều khiển của động cơ một chiều, qua phộp biến đổi ngược tọa độ tương ứng, lại cú thể điều khiển động cơ khụng đồng bộ. Bởi vỡ đối tượng phải tiến hành biến đổi tọa độ là vector khụng gian (được đặc trưng bằng sức từ động) của dũng điện, cho nờn thụng qua hệ thống điều khiển để thực hiện chuyển đổi tọa độ được gọi là hệ thống điều khiển chuyển đổi vector (Transvector Control System), gọi tắt là hệ thống điều khiển vector (Vector Control System), ý tưởng của sơ đồ đú như trờn hỡnh 2.6.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 42
Trong đú tớn hiệu cho trước và tớn hiệu phản hồi đi qua bộ điều khiển tương tự như hệ thống điều tốc một chiều đó dựng, tớn hiệu đặt dũng điện kớch từ i*M1và tớn hiệu đặt dũng điện mạch rotor i*T1, đi qua bộ chuyển đổi quay VR-1, nhận được * *
1 1
i , i , tiếp tục đi qua phộp chuyển đổi 2 pha/3 pha nhận được * * *
A1 B1 C1
i , i , i . Sử dụng ba dũng điện này điều khiển cựng với tớn hiệu điều khiển tần số 1 nhận được từ bộ điều khiển để khống chế bộ biến tần điều khiển dũng điện, tạo ra dũng điện biến tần 3 pha mà động cơ điều tốc yờu cầu. Khi thiết kế hệ thống điều khiển vector, cú thể cho rằng ở bộ chuyển đổi quay ngược VR-1 đưa vào phớa sau bộ điều khiển và khõu chuyển đổi quay VR trong bản thõn động cơ triệt tiờu nhau, bộ chuyển đổi 2/3 và bộ chuyển đổi 3/2 phớa trong động cơ triệt tiờu nhau, nếu tiếp tục bỏ qua trễ do bộ biến tần sinh ra, phần nột đứt trong khung trờn hỡnh 2.6 cú thể bỏ đi hoàn toàn, phần cũn lại rất giống với hệ thống điều tốc một chiều. Cú thể tưởng tượng rằng, tớnh năng trạng thỏi tĩnh và động của hệ thống điều tốc biến tần xoay chiều điều khiển vector hoàn toàn tương đương với hệ thống điều tốc một chiều.
Đối với cỏc hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều thỡ cấu trỳc điều khiển vector tựa theo từ thụng rotor là một trong những cấu trỳc điều khiển hiện đại nhất. Cấu trỳc của hệ truyền động như hỡnh 2.7. Trong sơ đồ hỡnh 2.7, phần lực gồm cú động cơ khụng đồng bộ ba pha rotor lồng súc (ASM) và bụ nghịch lưu (NL).
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 43
Phần điều khiển gồm cỏc khối chủ yếu: cỏc sensor đo dũng 2 pha động cơ isa và isb, mỏy đo tốc độ quay của động cơ; khõu chuyển đổi dũng 3 pha thành 2 pha tương đương is, is; khõu biến đổi toạ độ - d-q đối với dũng điện (CTĐi) và khõu biến đổi toạ độ d-q- đối với điện ỏp (CTĐu); khõu MHD dựng để tớnh gúc lệch giữa vộc tơ từ thụng rotor với trục chuẩn (gúc e); khõu điều chỉnh dũng (ĐCD) dựng để tớnh cỏc thành phần theo trục d và q của điện ỏp cần đối với cho động cơ (usd và usq); khõu điều chế vector khụng gian dựng để tớnh thời gian làm việc của cỏc khoỏ IGBT của khối nghịch lưu (ta, tb, tc); *
là giỏ trị đặt của tốc độ gúc; isd* là giỏ trị đặt thành phần theo trục d của dũng điện, đõy là thành phần tạo ra từ thụng rotor và ở đõy được chọn bằng hằng số.
Hỡnh 2.7 : Cấu trỳc điều khiển vectơ của hệ truyền động biến tần – động cơ khụng đồng bộ rụto lồng súc
3 2 iS iS iSd iSq MHD i*Sq ĐCD CTĐU CTĐi 3 NL U ASM FT uS uS uSd uSq eS S e S iSd ucđ ĐCVTKG a b c iSa iSc + -
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 44
Để thực hiện ý tưởng trờn đõy sẽ phải giải quyết nhiều vấn đề phức tạp. Trước tiờn là, điều khiển tần số và điều khiển dũng điện ở trạng thỏi động sẽ phối hợp với nhau như thế nào? Vấn đề này chưa hề xuất hiện trong hệ thống điều tốc một chiều, mà trong hệ thống điều tốc xoay chiều cần phải quan tõm giải quyết. Hai là, trong động cơ một chiều từ thụng luụn là hằng, cũn trong hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector thỡ vấn đề này được duy trỡ ra sao?
2.2.3. Điều khiển trực tiếp momen (DTC: Direct Toque Control)
Điều khiển trực tiếp momen cho động cơ khụng đồng bộ ba pha là phương phỏp điều khiển trực tiếp lờn momen điện từ, tốc độ là đại lượng điều khiển giỏn tiếp.
Nội dung phương phỏp dựa trờn tỏc động trực tiếp của cỏc vectơ điện ỏp lờn vectơ từ thụng múc vũng stator. Thay đổi trạng thỏi của vectơ từ thụng stator dẫn đến thay đổi trực tiếp tới momen điện từ của động cơ. Cỏc vec tơ điện ỏp được chọn lựa dựa trờn sai lệch của từ thụng stator và momen điện từ với cỏc giỏ trị đặt. Tuỳ thuộc vào trạng thỏi sai lệch của từ thụng và mụ men điện từ, một vectơ điện ỏp tối ưu đó định trước được chọn để điều chỉnh đại lượng về đỳng với lượng đặt. Đõy là phương phỏp điều khiển đơn giản, ớt phụ thuộc vào cỏc thụng số động cơ, đỏp ứng momen nhanh, linh hoạt.
Trong hệ truyền động điện biến tần - động cơ khụng đồng bộ rotor lồng súc cho thang mỏy lựa chọn sử dụng phương phỏp điều khiển trực tiếp momen động cơ khụng đồng bộ với sơ đồ khối như trờn hỡnh 2.8.
Như vậy, ưu điểm của phương phỏp này là chỉ quan tõm đến cỏc vectơ đại lượng stato mà khụng cần xỏc định vị trớ của roto nờn đơn giản, ớt phụ thuộc vào cỏc thụng số của động cơ, đỏp ứng momen nhanh, linh hoạt. Nhược điểm của phương phỏp là do bộ điều chỉnh từ thụng là ON/OFF hai hoặc ba vị trớ dẫn đến cỏc xung momen động cơ nờn khi làm việc ở tốc độ thấp khú ổn định.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 45
2.3. Kết luận
Vấn đề sử dụng động cơ khụng đồng bộ rotor lồng súc truyền động cabin cho thang mỏy, kết hợp với điều khiển tốc độ và hành trỡnh qua bộ biến tần, đó mở ra triển vọng to lớn cho việc ứng dụng động cơ này vào cỏc phụ tải mang tớnh chất thế năng. Về kỹ thuật, hệ thống này đạt cỏc chỉ tiờu cao khi điều chỉnh tốc độ cũng như cỏc yờu cầu an toàn khi vận hành. Về kinh tế, mở ra triển vọng tiết kiệm điện năng bằng cỏch giảm tổn thất nhờ hóm tỏi sinh và hệ số cụng suất cosy 1
Hỡnh 2.8: Sơ đồ khối hệ biến tần - động cơ khụng đồng bộ, điều khiển trực tiếp mụmen.
CLPWM NL LL C 3 p h a Udc Scla,b,c SNla,b,c ĐK chỉnh lƣu PWM ĐK nghịch lƣu ĐKNL ĐKCL FT BD ASM
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 46
CHƢƠNG III
NGHIấN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG
BIẾN TẦN 4Q (Four Quater) – ĐỘNG CƠ KHễNG ĐỒNG BỘ (ASM) CHO THANG MÁY
3.1. Khỏi quỏt về chỉnh lƣu PWM
3.1.1. Lĩnh vực sử dụng chỉnh lưu
Chỉnh lưu là quỏ trỡnh biến đổi năng lượng dũng điện xoay chiều thành năng lượng dũng điện một chiều.
Quỏ trỡnh nghiờn cứu cỏc hệ truyền động điện sử dụng động cơ điện một chiều, đó đề cập đến yờu cầu tạo ra một điện ỏp một chiều ổn định và chất lượng cao. Nú được tạo ra trong cỏc mạch điện tử cụng suất bằng cỏc bộ chỉnh lưu thường sử dụng diode và thyristor. Chỉnh lưu được phõn loại theo nhiều cỏch: theo số pha nguồn cấp cho mạch van (3 pha, 6 pha), theo loại van bỏn dẫn (chỉnh lưu khụng điều khiển, chỉnh lưu điều khiển, chỉnh lưu bỏn điều khiển) và phõn loại theo sơ đồ mắc van (hỡnh tia, hỡnh cầu),…
Bộ chỉnh lưu diode và thyristor đó cú lịch sử gần năm mươi năm và chỳng được định nghĩa như một thiết bị điện tử cụng suất cổ điển, được ứng dụng rộng rói nhất trong thực tế. Cỏc ứng dụng của chỉnh lưu :
- Quỏ trỡnh điện hoỏ học như mạ điện, điện phõn kim loại, bộ nạp và