Thiết bị biến tần phối hợp điều tốc động cơ đồng bộ có thể là bộ biến tần nguồn áp, bộ biến tần nguồn dòng, bộ biến tần trực tiếp (bộ biến tần xoay chiều - xoay chiều) hoặc bộ biến tần SPWM, khi nghiên cứu về hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ chỉ chọn một trong những số đó để xem xét, không tiến hành đi sâu nghiên cứu từng loại. Biến tần trong hệ thống điều tốc biến tần - động cơ đồng bộ được phân thành 2 nhóm lớn là biến tần điều khiển ngoài (độc lập) và biến tần tự điều khiển (phụ thuộc). Hệ thống điều tốc sử dụng bộ biến tần dùng nghịch lưu độc lập tạo điện áp xoay chiều có điện áp và tần số theo yêu cầu để cấp cho động cơ đồng bộ được gọi là hệ thống điều tốc biến tần điều khiển ngoài, hệ thống điều tốc với thiết bị biến tần dùng bộ đo kiểm vị trí rotor trên trục động cơ để khống chế việc phát xung điều khiển các van nghịch lưu gọi là hệ thống điều tốc biến tần tự điều khiển.
Thái Nguyên, 10/27/15 230
Hình 5.1: Hệ thống điều tốc biến tần đảm bảo tỷ số điện áp tần số không đổi của
nhóm nhiều động cơ đồng bộ
NGOÀI VÀ ĐIỀU KHIỂN VECTOR
5.2.1. Hệ thống điều tốc nhiều động cơ đồng bộ điều khiển tỷ số điện áp tần số không đổi mạch vòng hở tốc độ quay
Đây là loại hệ thống điều tốc biến tần đơn giản nhất, gồm nhiều động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ từ trở được cung cấp điện áp xoay chiều từ một bộ biến tần chung, do một tín hiệu tốc độ quay thống nhất cho trước Uω* đồng thời điều chỉnh tốc độ của nhiều động cơ, kèm bộ tạo hàm số TH để bù sụt áp của stator đã khống chế được tỷ số điện áp tần số không đổi.
5.2.2. Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ công suất lớn tốc độ thấp sử dụng bộ biến tần trực tiếp (xoay chiều- xoay chiều)
Hình 5.2: Hệ thống điều tốc động cơ đồng bộ công suất lớn tốc độ thấp sử dụng bộ biến tần trực tiếp (xoay chiều- xoay chiều)
Thái Nguyên, 10/27/15 232
Để có được chất lượng cao, hệ thống điều tốc biến tần - động cơ đồng bộ cũng có thể sử dụng thuật toán điều khiển vector. Nguyên lý cơ bản của nó cũng giống như điều khiển vector của động cơ không đồng bộ, cũng có thể thông qua phép biến đổi toạ độ vector không gian dòng điện (đại diện cho sức từ động), chuyển đổi tương đương thành động cơ một chiều, sau đó lại phỏng theo phương pháp điều khiển động cơ một chiều để tiến hành điều khiển. Bởi vì kết cấu của động cơ đồng bộ khác với kết cấu của động cơ không đồng bộ, nên biểu diễn vector của nó có những nét riêng biệt.
5.2.3. Hệ thống biến tần điều khiển vector - động cơ đồng bộ
Hình 5.3: Mô hình vật lý của động cơ đồng bộ hai cực
Thái Nguyên, 10/27/15 234
Hình 5.4: Vector không gian và góc pha thời gian gần đúng của động cơ đồng bộ a) Vector không gian từ thông, sức từ động;
b) Góc pha dòng điện, điện áp, từ thông
Trong đó:
5.2.3. Hệ thống biến tần điều khiển vector - động cơ đồng bộ
Ta có:
Và góc của hệ số công suất của động cơ đồng bộ:
Góc pha λ:
Từ biên độ của is và góc pha λ có thể tìm được dòng điện 3 pha stator:
s s 1 s
U ≈ E = 4, 44f ΦΣ
0
90 s
ϕ = − θ
s K
λ = θ + θ + θ
A s
0
B s
0
C s
i i cos
i i cos( 120 ) i i cos( 120 )
= λ
= λ −
= λ +
Thái Nguyên, 10/27/15 236
Dựa vào nguyên lý chuyển đổi cơ năng và điện năng, mô men điện từ của động cơ đồng bộ có thể biểu thị theo quan hệ:
Biên độ của sức từ động quay:
Thành phần mô men quay của dòng điện stator:
Từ đó ta có:
với:
2
đt p s s
M n F sin
2 Σ
= π Φ θ
1 N1
s s
p
3 2N k
F i
= n
π
đt m sT
M =C ΦΣi m p 1 N1
C 3 n N k ;
= 2
s s sT
i sinθ =i
5.2.3. Hệ thống biến tần điều khiển vector - động cơ đồng bộ
Hình 5.5: Hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector - động cơ đồng bộ
Rω - bộ điều chỉnh tốc độ quay; RI - bộ điều chỉnh dòng điện 3pha;
RIk - bộ điều chỉnh dòng điện kích từ; FT- bộ cảm biến tốc độ quay;
BQ - bộ đo vị trí rotor (xác định góc của vector từ thông rotor với trục chuẩn)
Thái Nguyên, 10/27/15 238
Phương trình điện áp tổng quát của động cơ đồng bộ:
A
A 1 A
B
B 1 B
C
C 1 C
K
K K K
D D D
Q Q Q
u R i d
dt u R i d
dt u R i d
dt U R I d
dt 0 R i d
dt 0 R i d
dt
ψ
= +
ψ
= +
ψ
= +
= + ψ
ψ
= +
= + ψ
Trong đó:
uA, uB, uC: Phương trình điện áp của các cuộn dây A, B, C của stator;
UK: Phương trình điện áp một chiều của cuộn dây kích từ;
Hai phương trình cuối là phương trình điện áp của cuộn dây cản.
5.2.4. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ đồng bộ
Dựa vào nguyên lý chuyển đổi tọa độ, thực hiện chuyển đổi hệ tọa độ A, B, C sang hệ tọa độ quay đồng bộ d, q, 0, đồng thời dùng p để biểu thị toán tử vi phân, thì 3 phương trình điện áp của stator sẽ biến đổi thành:
Ba phương trình điện áp của rotor
d 1 d d q
q 1 q q d
0 1 0 0
u R i p u R i p u R i p
= + ψ − ωψ
= + ψ + ωψ
= + ψ
(10.17) (10.16)
K K K K
D D D
Q Q Q
U R I p
0 R i p 0 R i p
= + ψ
= + ψ
= + ψ
Thái Nguyên, 10/27/15 240
Phương trình từ thông trên hệ tọa độ quay đồng bộ hai pha là:
Trong đó:
Lds = Lts + Ldm: Tự cảm trên trục d của cuộn dây stator hai pha tương đương;
Lqs = Lts + Lqm: Tự cảm trên trục q của cuộn dây stator hai pha tương đương;
Lts : Điện cản tản của cuộn dây stator hai pha tương đương;
Ldm : Hỗ cảm giữa cuộn dây stator và rotor trên trục d; tương với điện cảm phản ứng phần ứng trên trục d trong nguyên lý động cơ đồng bộ;
Lqm : Hỗ cảm giữa cuộn dây tato và rotor trên trục q; tương với điện cảm phản ứng phần ứng trên trục q;
LKr = LtK + Ldm: Tự cảm cuộn dây kích từ ;
LDr = LtD + Ldm: Tự cảm cuộn dây cản trên trục d;
LQr = LtQ + Lqm: Tự cảm cuộn dây cản trên trục q.
d ds d dm K dm D
q qs q qm Q
0 ls 0
K dm d Kr K dm D
D dm d dm K Dr D
Q qm q Qr Q
L i L I L i L i L i
L i
L i L I L i L i L I L i L i L i
ψ = + +
ψ = +
ψ =
ψ = + +
ψ = + +
ψ = +
(10.18)
5.2.4. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ đồng bộ
Sau khi biến đổi các biểu thức phía trước ta có thể nhận được phương trình ma trận điện áp của động cơ đồng bộ:
Phương trình mô men của động cơ đồng bộ viết trên hệ tọa độ dq và phương trình chuyển động của nó là:
(10.19)
1 ds qs dm dm qm d
d
ds 1 qs dm dm qm q
q
dm K Kr dm K
K
dm dm D Dr D
qm Q Qr Q
R L p L L p L p L i
u
L R L p L L L p i
u
L p 0 R L p L p 0 . I
U
L p 0 L p R L p 0 i
0
0 L p 0 0 R L p i
0
+ −ω −ω
ω + ω ω
+
=
+
+
đt p d q q d c
p
M n ( i i ) J d M
n dt
= ψ − ψ = × +ω (10.20)
Thái Nguyên, 10/27/15 242
(MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN)
Hình 5.6: Nguyên lý cấu trúc hệ thống điều tốc động cơ đồng bộ tự điều khiển biến tần