Tài liệu Luan van

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC LỜI CAM ĐOAN Nhóm em xin cam đoan rằng luận văn này do nhóm tự nghiên cứu và viết ra, có sự hướng dẫn từ Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Hữu Phước. Các nội dung báo cáo và kết quả trong đề tài này hoàn toàn trung thực. Những số liệu trong các hình ảnh, bảng biểu mà nhóm chúng em sử dụng để làm luận văn được chính nhóm em thu thập từ các nguồn khác nhau và có ghi trong phần tài liệu tham khảo. Ngoài ra, luận văn của chúng em còn sử dụng một số tài liệu, số liệu của các tác giả, cơ quan tổ chức khác, và cũng được thể hiện trong phần tài liệu tham khảo.Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào nhóm xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội Đồng, cũng như kết quả luận văn của nhóm. SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC LỜI MỞ ĐẦU Điều khiển động cơ có tầm quan trọng rất lớn trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là các hệ thống điều khiển tự động.Với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, ngày nay việc điều khiển động cơ luôn đòi hỏi sự chính xác cao trong các lĩnh vực ứng dụng và điều khiển. Các loại động cơ điện một chiều vốn có giá thành cao đã dần được thay thế bởi các động cơ ba pha với giá thành rẻ và vận hành dễ dàng hơn và hiệu suất làm việc cao hơn. Để đáp ứng các yêu cầu đó, ngày nay có rất nhiều lý thuyết điều khiển động cơ hiện đại với hiệu suất điều khiển cao được hình thành, song song với đó là sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp vi xử lý đã cho ra đời các bộ vi xử lý có tốc độ cao (PIC của Microchip…..) để hình thành các hệ truyền động với hiệu suất và độ chính xác rất cao. Một trong những lý thuyết đó là phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM), tuy nhiên phương pháp này có nhiều hạn chế vì giá thành và mức độ phức tạp cao, kết hợp khả năng truyền thông của PC và các phần mềm trong điện tử công suất sẽ giúp chúng ta có cái nhìn sâu sắc và có điều kiện quan sát nghiên cứu cụ thể về phương pháp này. Xuất phát từ những nhu cầu mang tính thiết thực đó, từ cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều khiển bằng tần số và qua tìm hiểu khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũng như đánh giá các phương pháp điều khiển, nội dung của đồ án đã đề xuất ra mô hình điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng phương pháp điều chế vector không gian. Trong đồ án này chúng em sử dụng PIC18F4431 là IC chuyên dùng để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha. SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết của đề tài: Một trong những phương pháp sử dụng rộng rãi để điều khiển sóng ra xoay chiều của các bộ biến đổi điện tử công suất là phương pháp điều chế độ rộng xung (Pusle Width Modulation – PWM).Lý thuyết điều chế đã trở thành một vấn đề chính được nghiên cứu của lĩnh vực điện tử công suất trong nhiều thập kỷ và tiếp tục được phát triển thêm.Có hai phương pháp PWM chính thường được sử dụng đó là phương pháp SIN PWM và phương pháp điều chế vector không gian (Space Vector Modulation –SVM) và phương pháp điều chế vector không gian xuất phát từ những ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều , sau đó được mở rộng triển khai trong các hệ thống điện ba pha . Phương pháp điều chế vector không gian và các dạng cải biến của nó có tính hiện đại, giải thuật dựa vào kỹ thuật số và là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong lĩnh vực điện tử công suất, liên quan tới điều khiển các đại lượng xoay chiều ba pha như truyền động điện xoay chiều, điều khiển các mạch lọc tích cực, điều khiển các thiết bị công suất trên hệ thống truyền tải điện. 1.2 Tình hình nghiên cứu : Hiện nay có nhiều công trình nghiên cứu về biến tần vector các công trình nghiên cứu nước ngoài đã tương đối hoàn thiện, đã có các sản phẩm thương mại . Điểm cơ bản là các bộ biến tần vector là sử dụng các bộ vi xử lý mạnh nên dễ dàng điều khiển, khống chế động cơ. Ở nước ta có một số công trình nghiên cứu nhưng dừng lại ở mức độ lý thuyết.Các bộ biến tần thương phẩm của thế SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC giới thường sử dụng các vi điều khiển cấp cao có yêu cầu tốc độ tính toán lớn, rất khó mua ở Việt Nam và giá thành thì tương đối cao. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu : Mục tiêu mà đề tài hướng đến là nghiên cứu áp dụng cơ sở lý thuyết về phương pháp điều chế vector không gian lập trình điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha trên mô hình thực tế nhằm nâng cao chất lượng điều khiển động cơ điên không đồng bộ ba pha. Tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống với phương pháp V/f và phương pháp điều chế vector không gian, đồng thời khảo sát nguyên tắc đóng mở các khóa bán dẫn của bộ nghịch lưu từ đó đưa ra giải thuật và chương trình điều khiển. 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu : - Tìm hiểu động cơ không đồng bộ ba pha - Tìm hiểu các phương pháp điều khiển bộ biến tần. Thi công mô hình điều khiển động cơ bằng phương pháp điều chế vector không gian. 1.5 Phương pháp nghiên cứu: - Tham khảo và tổng hợp tài liệu. - Tiến hành thực nghiệm trên mô hình thực tế. - Theo dõi, đánh giá, nhận xét các thông số thực nghiệm. - Xử lý số liệu, tính toán và viết báo cáo. 1.6 Dự kiến kết quả nghiên cứu : Đưa ra được mô hình biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng trong các hệ thống truyền động với giá thành thấp, đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của thực tế. SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1 Giới thiệu chung : Động cơ không đồng bộ đặc biệt là động cơ rotor lồng sóc có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ DC, như không đòi hỏi bảo trì thường xuyên, độ tin cậy cao, SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC khối lượng và quán tính nhỏ hơn, giá thành rẻ và đặc biệt có khả năng làm việc ở môi trường độc hại hay nơi có khả năng cháy nổ cao… Động cơ điện không đồng bộ ba pha (AC Induction Motor) được sử dụng rất phổ biến ngày nay với vai trò cung cấp sức kéo trong hầu hất các hệ thống máy công nghiệp.Công suất của các động cơ không đồng bộ có thể đạt đến 500 KW (760 Hp) và được thiết kế tuân theo quy chuẩn cụ thể nên có thể thay đổi dễ dàng các nhà cung cấp. Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất cao và kỹ thuật vi xử lý, hiện nay những bộ điều khiển động cơ không đồng bộ đã được chế tạo với đáp ứng cao hơn và giá thành rẻ hơn các bộ điều khiển động cơ DC. Do đó động cơ không đồng bộ có thể thay thế động cơ DC trong rất nhiều ứng dụng. Dự đoán trong tương lai gần động cơ không đồng bộ sẽ được sử dụng rông rãi trong hầu hết các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ 2.2 Cấu tạo: Gồm có 2 phần chính: stato (phần tĩnh) và rotor (phần quay) ngoài ra còn có khe hở không khí Hình 2.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC 2.2.1 Phần tĩnh: stato Cấu tạo gồm có 3 phần: Vỏ máy, lõi sắt và dây quấn. + Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫntừ. Thường vỏ máy được làm bằng gang. Đối với máy có công suất tương đối lớn ( 1000kW ) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy.Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau + Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao: lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại. + Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt lõi sắt. 2.2.2 Phần quay: rotor Gồm có 2 loại: rotor kiểu lồng sóc và rotor kiểu dây quấn + Rotor kiểu lồng sóc: Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator. Trong mỗi rãnh của lõ i sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc + Rotor kiểu dây quấn: Rôto có dây quấn giống như dây quấn của stator. Dây quấn 3 pha của rôt o thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài. Đặc điểm là có thể thông qua chổi than đưa điện trở SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch. Nhược điểm so với động cơ rotor lòng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt, dễ cháy nổ … 2.2.3 Khe hở không khí: Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không đồn g bộ rất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn 2.3 Nguyên lý hoạt động: Khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau 120 0 trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong đó là một từ trường quay .Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn. Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định với quy tắc bàn tay phải.Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định với quy tắc bàn tay trái và tạo ra moment làm quay roto theo chiều quay của từ trườ ng quay. Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay.Nếu roto quay với tốc độ bằng với tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây quấn phần cảm nữa nên suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn , moment quay cũng không còn.Do mo ment cản roto sẽ quay chậm SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC lại sau từ trường và các dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có moment quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường. Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ω0 (rad/s) hay n0 (vòng /phút) thì tốc độ quay của roto là ω (hay n) luôn nhỏ hơn.Sai lệch tương đối giữa hai tốc độ gọi là độ trượt s: s (2-1)   0 (1  s ) hay n  n0 (1  s ) (2-2) Từ đó ta có: Với 0   0 : ω = 2πn/60 ; ω0 = 2πn0/60 = 2πf1/p f1 – tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato Tốc độ ω0 là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu không có lực cản nào.Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá tri 0 ≤ s ≤ 1 Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay: f2  p (n0  n)  sf1 60 (2-3) 2.4 Ứng dụng: Ngày nay các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp , trong giao thông vận tải và trong các thiết bị điện dân dụng…Ước tính có khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi các hệ thống truyền động điện. SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC Hệ thống điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc tốc độ thay đổi được.Hiện nay có khoảng 75-80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc độ không đổi.Với các hệ thống này, tốc độ của động cơ hầu như không cần điều khiển trừ các quá trình khởi động và hãm.Phần còn lại là các hệ thống có thể điều chỉnh được tốc độ để phối hợp đặc tính cơ với đặc tính tải theo yêu cầu. Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý, các hệ thống điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và công cụ không thể thiếu trong quá trình tự động hóa. Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như sau: + Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ điện( đặc biệt là loại rotor lồng sóc) có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ DC. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp, đời sống hằng ngày +Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở cá c nhà máy công nghiệp nhẹ . . . +Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm. … +Trong đời sống hằng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị tr í quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, máy quay dĩa,. . SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC Bên cạnh những ưu điểm thì nhược điểm của động cơ không đồng bộ là so với máy điện một chiều , việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp nhiều khó khăn bởi các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu trúc của động cơ điện xoay chiều. Tóm lại, cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa , phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi CHƯƠNG 3: CÁC YÊU CẦU ĐẶT RA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 3.1 Các yêu cầu đặt ra: - Động cơ trước đây thường được chế tạo để làm việc với tải không đổi trong suốt quá trình làm việc. Điều này làm cho hiệu suất làm việc của hệ thống thấp, công suất đầu vào không được sử dụng hiệu quả, moment động cơ sinh ra đều lớn hơn moment yêu cầu của tải. - Khi khởi động trực tiếp từ lưới nguồn dòng khởi động rất lớn điều này làm tổn thất công suất lớn trên đường truyền và trong roto, làm nóng động cơ, thậm chí có thể làm hỏng cách điện. Dòng khởi động lớn có thể làm sụt áp nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị dùng cùng nguồn với động cơ. SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC - Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dòng từ hóa, tải hầu như chỉ có tính chất cảm. Kết quả là hệ số công suất rất thấp khoảng 0,1. Khi tăng tải lên thì dòng điện làm việc bắt đầu tăng (dòng điện từ hóa hầu như không đổi trong suốt quá trình hoạt động từ không tải đến đầy tải), vì vậy khi tải tăng thì hệ số công suất cũng tăng. Khi động cơ làm việc với hệ số công suất nhỏ hơn 1, dòng điện trong động cơ không hoàn toàn sin, điều này làm giảm chất lượng công suất nguồn ảnh hưởng tới các thiết bị khác dùng cùng nguồn với động cơ. - Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn cấp hoặc đảo chiều động cơ. Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt làm tăng năng suất làm việc cũng như chất lượng sản phẩm. Trong nhiều ứng dụng công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độ như quạt, máy bơm. Ở những loại tải này moment cản tỉ lệ với bình phương tốc độ, công suất tỉ lệ với lập phương của tốc độ. Do đó việc điều chình tốc độ, điều này phụ thuộc vào tải, có thể tiết kiệm điện năng (giảm 20% tốc độ động cơ có thể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào). Mà điều này không thể thực hiện được đối với những động cơ sử dụng trực tiếp điện áp lưới. - Khi lưới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ hơn đơn vị dòng điện trong động cơ chứa nhiều thành phần điều hòa bậc cao. Điều này làm tăng tổn thất trong động cơ dẫn đến giảm tuổi thọ động cơ. Moment sinh ra bởi động cơ bị gợn sóng. Các thành phần điều hòa bậc cao có thể bị loại bỏ khi hoạt động ở tần số cao bởi tính chất cảm của động cơ, nhưng ở tần số thấp động cơ chạy sẽ bị rung làm ảnh hưởng tới các vòng đồng của roto. Động cơ làm việc ở lưới nguồn không ổn định nếu không được bảo vệ sẽ làm giảm tuổi thọ của động cơ. Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều khiển thông minh.Sự phát triển của các van công suất, công nghệ sản xuất IC tích hợp cao cho ra đời những bộ vi xử lý có tốc độ xử lý ngày càng nhanh và sự phát triển SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC của kỹ thuật tính toán đã dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể đạt được chất lượng cao. 3.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha. Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như: - Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rotor - Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stator - Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ - Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa - Điều chỉnh bằng phương pháp nối tầng - Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn Trong các phương pháp trên thì phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn cho phép điều chỉnh cả moment và tốc độ với chất lượng cao nhất, đạt đến mức độ tương đương như điều chỉnh động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.Ngày nay các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển. 3.3 Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn: Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số đôi cực từ với công thức: 0  2 f1 p (3-1) Mà ta lại có, tốc độ của roto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công thức :   0 (1  s ) (3-2) Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f 1 hoặc thay đổi số đôi cực từ có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ không đồng bộ. Khi động cơ đã được chế tạo tạo thì số đôi cực từ không thể thay đổi được do đó chỉ có thể thay đổi tần số nguồn f1.Bằng cách thay đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ.Nhưng khi tần số giảm, trở kháng của động cơ giảm theo (X = 2πfL). Kết quả là làm cho dòng điện và từ thông của động cơ tăng lên. Nếu điện áp nguồn SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC cấp không giảm sẽ làm cho mạch từ bị bão hòa và động cơ không làm việc ở chế độ tối ưu, không phát huy được hết công suất.Vì vậy người ta đặt ra vấn đề là khi thay đổi tần số cần có một luật điều khiển nào đó sao cho từ thông của động cơ không thay đổi.Từ thông này có thể là từ thông stato, từ thông roto hoặc từ thông của mạch từ hóa.Vì moment động cơ tỉ lệ với từ thông trong khe hở từ trường nên việc giữ cho từ thông không đổi cũng làm giữ cho moment không đổi.Có thể kể ra các luật điều khiển như sau: - Luật U/f không đổi : U/f = const   M / M  const th - Luật hệ số quá tải không đổi : - Luật dòng điện không tải không đổi : I0 = const - Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ tụt dốc : I1  f ( ) CHƯƠNG 4: BIẾN TẦN NGUỒN ÁP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC ĐIỀU KHIỂN 4.1 Biến tần nguồn áp: Được sử dụng hầu hết trong các biến tần hiện nay. Tốc độ của động cơ khôn g đồng bộ tỉ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp. Do đó, nếu thay đổi tần sốcủa nguồn cung cấp cho động cơ thì cũng sẽ thay đổi được tốc độ đồng bộ, và tương ứng là tốc độ của động cơ. Tuy nhiên, nếu chỉ thay đổi tần số mà vẫn giữ nguyên biên độ nguồn áp cấpcho động cơ sẽ làm cho mạch từ của động cơ bị bão hòa. Điều này dẫn đến dòng từ hóa tăng, méo dạng điện áp và dòng điện cung cấp cho động cơ gây ra tổn hao lõitừ, tổn hao đồng trong dây quấn Stator. Ngược lại, nếu từ thông giảm dưới định mức sẽ làm giảm moment của động cơ. Vì vậy, khi giảm tần số nguồn cung cấp cho động cơ nhỏ hơn tần số định mứ c thường đi đôi với giảm điện áp cung cấp cho động cơ. Và khi động cơ hoạt độn g với tần số định mức thì điện áp động cơ được giữ không đổi và bằng định mức do giới hạn của cách điện của Stator cũng như của điện áp nguồn cung cấp, moment của động cơ sẽ bị giảm 4.2 Phương pháp điều khiển V/f 4.2.1 Phương pháp E/f: Ta có công thức sau: SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC a Trong đó: f f dm (4-1) f là tần số hoạt động của động cơ f dm là tần số định mức của động cơ Giả sử động cơ hoạt động dưới tần số định mức (a < 1).Từ thông động cơ giữ ở giá trị không đổi.Do từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng từ hóa của động cơ nên từ thông được giữ không đổi khi dòng từ hóa được giữ không đổi tại mọi điểm làm việc của động cơ Ta có phương trình dòng từ hóa tại điểm làm việc định mức như sau: Im  Edm 1 . f dm 2 Lm (4-2) Với Lm: là điện cảm mạch từ hóa. Tại tần số làm việc f: Im  E 1 . a. f dm 2 Lm (4-3) Từ phương trình (1) và (2) ta suy ra điều kiện để dòng điện từ hóa không đổi: E E Edm  Edm    const a f f dm (4-4) Như vậy từ thông trong động cơ được giữ không đổi khi tỷ lệ E/f được giữ không đổi (E/f = const). 4.2.2 Phương pháp V/f: Suất điện động của cuộn dây stato E 1 tỷ lệ với từ thông biểu thức: E1  K1 f1  U1  I1 Z1 1 và tần số f (4-5) Từ (4-5) nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở Z1 ta có E1 ≈ U1 do đó: SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 16 1 với ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC 1  K U1 f1 (4-6) Như vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U 1/f1 không đổi.Trong phương pháp U/f = const thì tỷ số U1/f1 được giữ không đổi và bằng tỷ số này ở định mức.Cần lưu ý khi moment tăng, dòng điện động cơ tăng làm tăng sụt áp trên điện trở stato dẫn đến E1 giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm.Do đó động cơ không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi. Ta có công thức tính moment của động cơ như sau: 3U12 R2' / s M    R' 0 ( R1  2 ) 2  ( X 1  X 2' ) 2  s   (4-7) Và moment tới hạn: M th  3U12  20 R1  R12  ( X 1  X 2' )  (4-8) Khi hoạt động ở định mức: M dm 3U12dm R2' / s  R2' 0 dm [( R1  )  ( X 1dm  X 2' dm ) 2 ] s M thdm  3U 20 dm ( R1  R12  ( X 1dm  X 2' dm ) 2 ) Đồng thời như trên ta cũng có công thức: f1 a f1dm Với: f1 là tần số hoạt động của động cơ. f1dm là tần số hoạt động của động cơ. Theo luật U/f = const: SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 17 (4-9) 2 1dm (4-10) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC U U1  1dm  f1 f1dm  U1 f1  a U1dm f1dm  f1  af1dm  U1  aU1dm (4-11) Phân tích tương tự ta cũng được: 0  a0 dm ; X 1  aX 1dm ; X 2'  aX 2' dm Thay các giá trị trên vào (4-8) và (4-9) ta được công thức tính moment và moment tới hạn của động cơ ở tần số khác định mức:   R2' 2 U 1dm  3  a.s M    0  R1 R2' ' 2  (  )  ( X1  X 2 )  a a.s  M th  (4-12) 2 1dm U 3 20 R1 R  ( 1 ) 2  ( X 1  X 2' )2 a a (4-13) Dựa trên công thức trên ta thấy, các giá trị X 1 và X’2 phụ thuộc vào tần số trong khi R1 lại là hằng số. Như vậy khi hoạt động ở tần số cao, giá trị (X1+X’2)>>R1/a, sụt áp trên R1 rất nhỏ nên giá trị E suy giảm rất ít dẫn đến từ thông được giữ gần như không đổi.Moment cực đại của động cơ gần như không đổi Tuy nhiên khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R 1/a sẽ tương đối lớn so với giá trị (X1+X’2) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện trở stato khi moment tải lớn.Điều này làm cho E bị giảm dẫn đến suy giảm từ thông moment cực đại. Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp ta sẽ cung cấp thêm cho động cơ một điện áp U0 để từ thông của động cơ định mức khi f = 0. Từ đó có quan hệ sau: U1  U 0  Kf1 SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 18 (4-14) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U 1cấp cho động cơ U = Udm tại f = fdm.Khi a>1(f > fdm) điện áp được giữ không đổi và bằng định mức khi.Khi đó động cơ hoạt động ở chế độ suy giảm từ thông. Sau đây là đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa moment và điện áp với tần số với phương pháp điều khiển U/f = const: Hình 4.1 Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa moment và điện áp với tần số * Từ hình ta có nhận xét sau: - Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn. - Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên. Thay vì chỉ làm việc ở tốc độ định mức , động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc độ định mức.Moment tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc này. - Chúng ta có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định mức bằng cách tiếp tục tăng tần số. Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăng trên điện áp định mức do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến moment giảm. Ở vùng trên vận tốc cơ bản các hệ số ảnh hưởng đến moment trở nên phức tạp SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 19 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: NGUYỄN HỮU PHƯỚC - Việc tăng tốc giảm tốc có thể được thực hiện bằng cách điều khiển sự thay đổi của tần số với thời gian. 4.3 Phương pháp điều SIN PWM: Để tạo ra một điện áp xoay chiều bằng phương pháp SIN PWM, ta sử dụng một tín hiệu xung tam giác Vtri (gọi là sóng mang) tần số cao đem so sánh với một điện áp sin chuẩnVc có tần số f (gọi là tín hiệu điều khiển). Nếu đem xung điều khiển này cấp cho bộ nghịch lưu một pha, thì ngõ ra sẽ thu được dạng xung điện áp mà thành phần điều hòa cơ bản có tần số bằng tần số tín hiệu điều khiển Vc và biên độ phụ thuộc vào nguồn điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu và tỷ số giữa biên độ sóng sin mẫu và biên độ sóng mang.Tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều tần số tín hiệu điều khiển. Hình 4.2 Nguyên lý điều chế SIN PWM một pha Khi: Vc  Vtri ,VAO  Vdc / 2 Vc  Vtri ,VAO  Vdc / 2 Đối với nghịch lưu áp ba pha, để tạo ra điện áp sin ba pha dạng điều rộng xung ta cần ba tín hiệu sin mẫu. SVTH: NGUYỄN VĂN HƯNG PHAN QUANG TRUNG 20