Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

Chia sẻ: Nguyen Trong Chi | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:16

Thêm vào BST

Báo xấu

1.383
lượt xem 314
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

2.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều 2.3.1. Khái niệm chung Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Thực tế có 2 phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều: - Điều chỉnh điện áp cho phần cứng động cơ - Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kín từ động cơ. Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng bốn loại bộ biến đổi chính. - Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều máy điện khuyếch đại (MĐKĐ) - Bộ biến đổi điện từ : Khuếch đại từ (KĐT) - Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu tiristo (CLT) - Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA) Tương ứng với việc sử dụng bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như: -Hệ truyền động máy phát - động cơ (F - Đ) - Hệ truyền động máy khuếch đại - động cơ (MĐKĐ - Đ) - Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT - Đ) - Hệ truyền động chỉnh lưu tiristo - động cơ (T - Đ) - Hệ truyền động xung áp - động cơ (XA - Đ) Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có loại điều khiển theo mạch kón (ta có hệ truyền động điều chỉnh tự động ) và loại điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều khiển ''hở'') Hệ điều chỉnh tự động động cơ điện có cấy trúc phức tạp, nhưng có chất lượng điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động ''hở'' Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều còn được phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay. Đồng thời tuỳ thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần tư, góc hai phần tư và góc bốn phần tư. Trong phạm vi m chương này, chúng ta nghiên cứu các tính chất tông quáy, cũng như tính chất riêng của từng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều. 2.3.2. Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển v.v.... Các thiết bịnguồn này có chức năng biến năng kượng xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk . Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb khác không. ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau: Eb − Eu = I w ( Rb + Rud ) Eb + Rud ω= .I u K .Φ dm M ω = ωo (U ) − β dk 1
Hình 2.29. Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, , còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là ưu việt. Để xác định dải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mô men tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là: M ω max = ω o max − dm 2-70 β M dm ωmin = ωo min − β Để thoả mãnkhả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen khởi động là: M m min = M c max = K M .M dm Trong đó KM hệ số quá tải về mô men Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc cơ ta có thể viết. 1M ω min = ( M mm min − M dm ) = dm ( K M − 1) β β ω o max β M dm ω 0 max − −1 β M dm D= = ( K M − 1) M dm / β KM −1 Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị ω o max .M dm , K M là xác định, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuôc tuyến tính vào giá trị của độ cứng β . Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ 2
bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ được. ω0 max β / M dm ≤ 10 K M −1 Vì thế, tải có đặc tính mô men không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cũng không vượt quá 10. Đối với các máy có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống ''hở'' như trên là không thoả mãn được. Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh của truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng các đặc tính cơ trong toàn dải điều chỉnh là như nhau, do đó độ sụt tốc tương đối sẽ đạt giá trọ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh. Hay nói cách khác, nếu tại đặc tính cơ thpá nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượt quá giá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động sẽ làm việc sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh. Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính thấp nhất là: ω − ω min ∆ω S = o min = ωo min ∆ 0 min M dm ≤ S cp S β ω o min Vì các giá trị Mdm ,ω 0min , Scp là xác định nên có thể tính được giá trị tối thiểu của của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vượt quá mức giá trị cho phép. Để làm việc này, trong số các trường hpọ cần xây dựng các hệ thống truyền động điều khiển vòng kín. Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông bao bởi kích từ được giữ nguyên, do đó mô men cho phép của hệ sẽ là không đổi. M c.cp = K .φdm .I dm = M dm Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mô men trong hình chữ nhật bao bởi các đường thẳng ω = ω dm , M = Mdm và trục toạ độ. Tồn hao năng lượng chính là tồn hao trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ. Eb = Rư + Iư ( Rb + Rưđ) IưEb = IưEư + I2ư (Rb + Rưđ) Nếu đặt Rb + Rưđ = R thì hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ sẽ là: ω I u Eu = η ư = I u Eu + I u R ω + MR 2 ( KΦ dm ) 2 ω* ηư = ω * + m*r * Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mô en do động cơ sinh ra đúng bằng mômen tải trên trục: M = M c và gần đúng coi đặct ính cơ của phụ tải là mc = (ω ) thì: * *x * ω* ηư = ω * + r * (ω * ) x−1 Hình 2.31 mô tả quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ làm việc trong các trường hợp đặc tính tải khác nhau. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điẹn áp chỉnh. Cũng thấy rằng nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng vì như vậy sẽ giảm đáng kể hiệu suất của hệ. 3
Hình 2.31. Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ với các loại tải khác nhau. 2.3.3. Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mômen điện từ của động cơ M = Kφ Iư và sức điện động quay của động cơ Eư = Kφω . Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến. dΦ ek ik = + Wk (2-73) rb + rk dt rk - điện trở dây cuốn kích thích Trong đó: rb - điện trở của nguồn điện áp kích thích Wk - số vòng dây của dây quấn kích thích. Trong chế độ xác lập ta có quan hệ ek Ik = Φ = f (ik ) rb + rk Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơ bản (đôi khi chính là đặc tính tự nhiên của động cơ). Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của ổ góp điện, Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là mômen cho phép trên trục động cơ giảm rất mạnh. Ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cũng giảm rất nhhanh khi giảm từ thông kích thích. − ( KΦ ) 2 [ ] βφ = 2 hay β φ* = (ϕ * ) 2 Rφ = (φ * * Ru 4
Hình 2.32. a) Sơ đồ thay thế ; b) Đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thông động cơ. Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông nên đối với các động cơ mà từ thông định mức nằm ở chỗ tiếp giáp giữa vùng tuyến tính và vùng bão hoà của đặc tính từ hoá thì có thể coi việc điều chỉnh tuyến tính và hằng số C phụ thuộc vào thông số kết cấu của máy điện. C Φ = C.ik = ek rb + rk 2.3.4. Nguyên lý điều chỉnh kết hợp điện áp và từ thông Phần lớn các hệ truyền động động cơ một chiều thực hiện điều chỉnh cả điện áp và từ thông. Cấu trúc hệ điều khiển được trình bày trên hình 2.3.3 Hình 2.33. Nguyên lý điều khỏên hai thông số điện áp và từ thông Tuỳ theo yêu cầu từng loại công nghệ, việc phối hợp giữa nhai kênh điều khinẻ điện áp và từ thông sẽ có đặc điểm khác nhau. Thông thường có 3 loại chính như sau: 2.3.4.1. Điều chỉnh hai vùng kế tiếp nhau Nguyênlý điều chỉnh hai vùng kế tiếp nhau được phân chia rõ ràng. - Vùng điều chỉnh điện áp: Uư từ 0 ÷ Uưđm từ thông được giữ không đổi ở giá trị định mức. Khả năng sinh mômen của động cơ là không đổi, công suất tăng tuyến tính tốc độ 0 ÷ ω đm, người ta giảm từ thông động cơ từ φ đm đến φ min (tương ứng với ω max). Công suất truyền động 1 không đổi, mômen động cơ suy giảm tỉ lệ nghịch với tốc độ M ~ . Đặc tính trình bày trên bình ω 2.34. 5
Hình 2.34. Đặc tính điều chỉnh hai vùng kế tiếp nhau. 2.3.4.2. Nguyên lý điều chỉnh đồng thời điện áp và từ thông, dòng điện phần ứng không đổi. Trong một số cơ cấu truyền động có tải biến thiên xung quanh theo chu kỳ dễ hây quá dòng do vậy người ta sử dụng nguyên lý điều chỉnh đồng thời điện áp và từ thông để giữ được dòng phần ứng không đổi trong suốt vùng điều chỉnh. Đặc tính được trình bày trên hình 2.35. Hình 2.35. Nguyên lý điều chỉnh đồng thời điện áp và từ thông giữ Iư = const Nhược điểm của phương pháp này là khôngphát huy được hết khả năng sinh mômen của động cơ. 2.3.4.3. Nguyên lý điều chỉnh đồng thời điện áp và từ thông giữ sức điện động không đổi. Trong thực tế sản xuất, truyền động cho cơ cấu cuộn của công nghệ giấy hoặc cán cần phải điều khỉên đồng thời hai thông số tốc độ dài không đổi và lực căng không đổi (xem hình 2.36a). Để thực hiện yêu cầu này người ta dùng nguyên lý điều chỉnh kết hợp điện áp và từ thông. Trong đó điều khiển từ thông và điện áp sao cho sức điện động động cơ không đổi trong suốt sải điều chỉnh. Đặc tính điều chỉnh được trình bày trên hình 2.36c. Ta biết Eư = không.φ .ω , khi tốc độ quay thay đổi người ta điều chỉnh từ thông sao cho φ ! 1 2v ,ω = vì vậy φ ~ d thì E ~ V ω D Lúc đó điện áp phần ứng được điều chỉnh Uư = Eư + IưRư tức là khi 6
Hình 2.36 Nguyên lý điều chỉnh kết hợp điện áp và từ thông giữa sức điện động E ư = hằng số 7
3.9.2. Vấn đề điều chế điện áp -dòng điện của biến tần Logic chuyển mạch đơn giản như trên hình 3.36 cho ra điện áp pha có dạng bậc thang và do đó dòng điện cps dạng rất xấu, không thoả mãn các yêu cầu cơ bản của biến tần, chủ yếu tập trung vào hai yêu cầu chính: i - điều chỉnh giá trị điện áp (dòng điện) và ii - tối thiểu hoá tổng các thành phần sóng hài. Có vài phương pháp chính để thực hiện các yêu cầu này, đó là phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) và phương pháp điều chế véc tơ điện áp không gian, chi tiết hơn có thể kham khảo các tài liệu chuyên về điện tử công suất. a. Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Hình 3.36. Điều chế PWM kinh điển Trong biến tần nguồn áp 3 pha, cùng một lúc có 3 van mạch lực dẫn dòng (nếu bỏ qua thời gian trễ vì lý do an toàn), các tín hiệu đặt (mong muppns) mang thông tin về điện áp 3 pha, * * * gọi là các sóng sin chuẩn U a , U b , U c được so sánh với sóng mang Urc có dạng răng cưa tam giác lưỡng cực. Đầu ra của các bộ phận so sánh Ua điều khiển các van S1 và S4 ; Ub điều khiển các van S3 và S6. U b điểu khiển các van S3 và S6 , U c điều khiển các van S5 và S2 Chuyển mạch đơn giản như trên hình 3.36 tạo ra điện áp pha có 6 bước trong một chu kỳ, với biên độ của sóng pha bậc 1( xom 3.63) 2U d U 1,6b = (3.64) π Nếu gọi thành phần sóng bậc 1 trong PWM là U1 thì ta có định nghĩa chỉ số điều chế m như sau: U m= 1 (3.65) U 1,6b π = 0,785 đạt được tại điểm khi Như trên hình 3.37 có thể thấy chỉ số điều chỉnh mmax = 4 biên độ của sóng mang đúng bằng biên độ của sóng sin chuẩn 8
Hình 3.37 Điều chế PWM kinh điển a) m = mmax b) m = 0,5 Phương pháp điều chế PWM kinh điển còn tồn tại các nhược điểm sau: - Không sử dụng hết khả năng của điện áp một chiều mmax < 1 - Đáp ứng của nghịch lưu không đủ mạnh Để giải quyết các vấn đề này thường sử dụng các thuật toán điều chế biến thể, quá điều chế hoặc điều chế vectơ điện áp không gian. b. Điều chế vectơ điện áp không gian Nếu trên hình 3.34 ta bổ sung thêm hai trạng thái chuyển mạch đặc biệt của biến tần, đó là trạngt hái mà chỉ có các khoá bán dẫn lẻ dẫn điện (S1 , S3 , S5) hoặc chỉ có các khoá chẵn dẫn điện (S2 , S4 , S6) thì trong dây quấn động không xuất hiện dògn điện và do đó điện áp trên các pha cũng bằng không. Hệ thống điện áp đặt lệch pha Ua(t), Ub(t), Uc(t) lệch nhau một phần ba chu kỳ , dây quấn pha đặt lệch nhau mộtphần ba vòng tròn tạo thành hệ thống điện áp không gian, về mặt hình thức tồn tại một vectơ điện áp không gian với định nghĩa như sau: U a (t )   U s = U b (t ) U (t ) c  3 Trong đó độ dài U S = U dm , với Uam là biên độ điện áp pha. 2 Căn cứ vào luật chuyển mạch như hình 3.34a và sơ đồ nối dây tương ứng hình 3.3c có thể thấy rằng điện áp không gian của hệ biến tần - động cơ , tại một thời điểm, sẽ chỉ lấy các giá trị gián đoạn là một trong số tám vectơ. Vị trí của các vectơ được mô tả bởi hình sao điện áp trên H3.38 Để thoả mãn các luật điều khiển khác nhau thì vectơ điện áp Us phải có biên độ và vị trí pha bất kỳ trong hình tròn giới hạn , tức là phải lấy các giá trị liên tục trong không gian. Kỹ thuật 9
điều chế vectơ điện áp không gian khác kỹ thuật PWM ở chỗ nó không sử dụng các bộ điều chế riêng rẽ mà vectơ điện áp mong muốn được hình thành bởi tổ hợp chuyển mạch phức hợp. Hình 3.38. Hình sao điện áp của biến tần - động cơ Thí dụ trên H 3.39a véc tơ mong muốn U sd có thể được phân tích thành hai thành phần tựa trên hai vectơ Va , Vb cách nhau một phần sáu vòng tròn. U sd = Vt + V p V p = A. Va Vt = B. Vb Trong đó Va ,Vb là các véctơ V1 / V2 / V3 / V4 / V5 / V6 A, B là các hệ số tỷ lệ, chúng là khoảng thời gian cần thiết tồn tại các véc tơ Va hoặc Vb . Véc tơ điện áp mong muốn Vsd được lấy mẫu với tần số cố định 2f s, giá trị của nó được dùng để giải phương trình. 2fs (ta. Va +tb. Vb ) = Vsd (t) (3-67) 1 t0 = − t a − tb (3.68) 2 fs Phương trình 3.67 chỉ có nghĩa hình thức, bởi vì Va và Vb không cùng tồn tại, tuy nhiên khi tần số lấy mẫu đủ cao thì có thể coi rằng dòng điện là liên tục và có giá trị trung bình tương ứng với điện áp trung bình cần có. Hình 3.39. Điều chế véc tơ điện áp không gian 10
Nghiệm của phương trình 3.67 là các khoảng thời gian tồn tại ta của Va , tb của Vb và t0 của V0 và V7 .  1 3 1 d .U s (t s ) . (cos α − sin α ) ta = π 2 fx 3    1 23 d sin α ) tb = . U s (t s ) .  (3.69) π 2 fx   1 t0 = − t a − tb   2 fs  Trong đó α là góc pha giữa véc tơ mong muốn và véc tơ Va . Đây là kỹ thuật lấy trung 1 bình của véc tơ trong thời gian bán chu kỳ để tạo nên véc tơ mong muốn. Trong mảnh 600 2 fS đầu tiên của mặt phẳng phức thì Va = V1 , Vb = V2 ở mảnh 600 thứ hai Va =V2 , Vb =V3 , và v.v.... Véc tơ ''không'' sẽ là V0 hoặc V7 sao cho đảm bảo chuyển mạch tối ưu giữa các véc tơ tích cực ( V1 − V6 ) và véc tơ không, đó cũng là lý do tại sao véc tơ ong muốn lại được lấy mẫu với tần số 2fs Điều chế véc tơ điện áp không gian và các biến thể của nó đạt được chỉ số điều chế cực đại Mmax = 0,907 , hình 3.40 cho một khái niệm so sánh về chỉ số điều chế giữa các phương pháp. Hình 3.40. So sánh biên độ điện áp 3.10. Khái quát về điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ Điều chỉnh tần số không đồng bộ là phương pháp điều chỉnh kinh tế , tuy vật đòi hỏi kỹ thuật cao và phức tạp. Điều này xuất phát từ bản chất và nguyên lý làm việc của động cơ là phần cảm và phần ứng không tách biệt. Có hai hướng tiếp cận. - Hướng thứ nhất là coi stato là phần cảm tạo ra từ thông ψ S , còn mômen là do tác động từ thông ψ S với dòng điện rôto Is Tuy vậy cả dòng điện Is, Ir và từ thông ψ S , ψ r đều được xác định từ một nguồn cấp từ stator U1, f1 . Vì vậy khi điều chỉnh tần số, động cơ không đồng bộ được xem là đối tượng điều chỉnh phi tuyến đa thông số tác động xen kênh như trình bày trên hình 3.41 11
Hình 3.41 Mô tả vào - ra động cơ KĐB khi điều chỉnh tần số - Đầu vào thứ nhất: Ta có điện áp U1 (nếu nghịch lưu là nguồn áp) I1 (nếu nghịch lưu là nguồn dòng) đầu vào thứ hai là tần số f1 - Đầu ra ta có mômen và tốc độ - Mô men cản được coi là đầu vào tải Khi điều chỉnh tần số f1 tốc độ động cơ ω1 thay đổi, vấn đề quan trọng ở đây là tham số đầu ra mômen động cơ cần phải điều khiển cân bằng với mômen tải Mc, sao cho tốc độ động cơ ổn định. Vì vậy bài toán điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ quy về tìm gia trị điện áp U 1 hoặc dòng điện I1 ở giá trị tần số f1 để động cơ sinh ra mômen đáp với với mô men tải sao cho tổn thất công suất ∆ P và lượng tiêu ∆ P và lượng tiêu thụ công suất phản kháng là nhỏ nhất. Từ lý luậnt rên ta thấy từ thông máy điện KĐB khi điều khiển tần số là thông số điều khiển cực kỳ quan trọng. Lịch sử phát triển điều chỉnh tần số động cơ KĐB đầu tiên xuất phát từ thông số điều khiển từ thông stato ψ s thông qua các giá trị biên độ của đại lượng điện áp và dòng điện stato, ngày nay gọi là điều chỉnh vô hướng. Có rất nhiều công trình nghiên cứu đề xuất các luật điều khiển tần số tối ưu, nhưng thực tế được ứng dụng trong công nghiệp có 2 loại. - Điều khiển điện áp - tần số sao cho từ thông stato ψ s là hàm của mômen tải ψ s* = mc * (còn gọi là điều khiển năng lực quá tải không đổi) phương pháp này dễ thực hiện, dễ thực hiện, có hiệuq ủa là lượng tổn thất ∆ P nhỏ, lượng tiêu thụ công suất phản kháng luôn luôn nhỏ hơn hoặc bằng công suất phản kháng định mức (< Qđm). Tuy vậy ổn định tốc độ ở tốc độ thấp gặp khó khăn. - Điều chỉnh điện áp - tần số hoặc tần số dòng điện sao cho từ thông stato ψ s luôn luôn không đổi ở toàn dải điều chỉnh ψ S = 1 . phương pháp này dễ thực hiện, tuy vậy tổn thất công * suất ∆ P và lượng tiêu thụ công suất phản kháng Q không phải là nhỏ nhất. ổn định tốc độ thấp khó khắn, do vậy điều khiển vô hướng được ứng dụng trong công nghiệp khi yêu cầu không điều chỉnh sâu tốc độ. Khi phép biến đổi tuyến tính không gian véc tơ áp dụng cho động cơ KĐB do Kovác và Park đề xuất mở ra hướng điều khiển vectơ động cơ KĐB. Năm 1971 hãng Siemens đề xuất điều khiển vectơ định hướng theo từ thông rôtor ψ r . Tinh thần của phương pháp là dùng công cụ biến đổi vectơ để ước lượng đại lượng véctơ từ thông ψ r và điều chỉnh nó. Còn mômen động cơ điều chỉnh qua thành phần véc tơ dòng stato I S . Như vậy phương pháp này coi rô to là phần cảm, stato là phần ứng và được phân ly với nhau giống như máy điện một chiều kích từ độc lập. Do đòi hỏi tính chất phức tạp nên phải chờ công cụ điều khiển số mạnh mới thực sự hoàn chỉnh và ứng dụng rộng rãi vào công nghiệp sau gần 20 năm đề xuất. Phương pháp này tạo nên cuộc cách mạngt rong điều khiển động cơ KĐB, nó có thể làm việc ổn định rất tốt ở tốc độ cận không, do vậy nó cạnh tranh có hiệuq ủa với truyền động động cơ một chiều. Ngày nay người ta gọi phương pháp này là điều khiển véc tơ định hướng theo trường rôto FOC Phương pháp thứ ba là phương pháp điều khiển trực tiếp mômen DTC (xuất hiện phổ biến trên thị trường vào thập kỷ 90 thế kỷ 20). Tinh thần của phương pháp này là điều khiển vị trí véc tơ từ thông ψ S để điều khiển mômen động cơ. Để thực hiện phương pháp này , ta cần dựa trên phép biến đổi vectơ để xác định độ lớn và vị trí véctơ ψ S , thay đổi véc tơ điện áp stato U S , để thay đổi vị trí véc tơ ψ S . Phương pháp này có ưu điểm là chỉ cần quan tâm tới các đại lượng véc tơ stato, không cần xác định vịt rí rô to nên đơn giản, điều khiển vị trí véc tơ ψ S , thông qua hàm đóng cắt tranzito lực của nghịch lưu nên đáp ứng mômen nhanh. Nhược điểm của phương pháp này là do bộ điều chỉnh từ thông và mômen là ON/OFF hai hoặc ba vị trí dẫn đến các xung mômen động cơ, nên khi làm việc ở tốc độ thấp khó ổn định. 12
Trong phạm vi của phương pháp này ta sẽ lần lượt nghiên cứu ba dạng điều khiển tần số động cơ KĐB: Điều khiển vô hướng, điều khiển vectơ theo trường roto FOC và điều khiển trực tiếp mômen DTC. 3.11. Điều khiển vô hướng hệ thống truyền động biến tần động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc. 3.11.1. Điều chỉnh điện áp - tần số với từ thông là hàm mô men tải Điều chỉnh điện áp - tần số hay còn gọi là điều chỉnh vô hướng hệ thống biến tần động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc. Nếu giả thiết điện áp và dòng điện đầu ra của các bộ biến tần là hình son, có biên độ và tần số điều khiển được thì nhòn vào các sơ đồ thay thế và các biểu thức tính dòng điện và mô men có thể thấy rằng: Khi điều chỉnh tần số thì trở kháng của động cơ có thay đổi dẫn đến dòng điện, từ thông, mô men .... thay đổi, do đó khi điều chỉnh tần số thì nhất thiết phải điều chỉnh cả điện áp động cơ để đảm bảo một mặt động cơ không bị quá dòng, mặt khác đảm bảo được khả năng sinh mômen theo yêu cầu đặc tính mômen tải. Đối với hệ biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ khả năng quá tải về mômen của động cơ là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ. Mô men lớn nhất mà động cơ không đồng bộ có thể sinh ra tđược (ứng với điện áp và tần số nhất định) chính là mô men tới hạn, như vậy khả năng quá tải về mômen sẽ là: λ M = M th / M c Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato thì biểu thức mômen tới hạn có thể tính như sau: U M th = K th .( ) 2 3.70 f Trong đó Kth là hằng số phụ thuộc vào htông số của động cơ Điều kiện để giữ hệ số quá tải về mômen không đổi là M M λ M = th = thdm (3.71) Mc M cdm Hình 3.42. Xác định khả nang quá tải về mômen Động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc có đặc tính cơ rất cứng, nghĩa là có thể xem ω = ω 1 , và nếu bỏ qua giá trị Mco trongbiểu thức tính mômen tải thì ta có thể thay thế (3.70) vào (3.71) và được. x x 1+ 1+ ω   1  = f  2 U 2 3.72   = f  U dm  ω1 dm   dm    Hay pr dạng đơn vị tương đối 13
U1 ≈ ψ s nên có thể coi luật điều khiển này chính là luật từ thông Nếu gần đúng ta có f1 hàm của mômen phụ tải. ψ S = mc * * 3.73 3.11.2. Điều khiển điện áp - tần số giữ từ thông động cơ không đổi. Từ thông móc vòng qua khe hở không khí ψ δ được tính U 1 R   1  * − I1  jX 1σ + 1*  ψδ = 3.74  f1   C1 f1dm  f1    C1 : hệ số phụ thuộc vào kết cấu máy điện Trong đó f1đm : tần số định mức: f1* : tần số đơn vị tương đối U 1* Nếu bỏ qua thành phần sụt áp trên điện trở stato ta có ψ * ~ * tương ứng với quy luật σ f1 U1 = hằng số đã nêu ở mục (3.2) , ψ σ bị suy giảm ở vùng tần số thấp khi sụt áp trên điện trở f1 stato có thể so sánh với điện áp stato U1. Điều này dẫn đến mômen động cơ suy giảm theo tần số. Để đảm bảo từ thông ψ σ không đổi ta cần bù lượng điện áp rơi trên điện trở stato. Giải pháp thực hiện trong thực tế hay dùng là phát hàm U 1(f1) với dòng điện không tải I10. Khi động cơ mang tải ta bù thêm lượng điện áp tỷ lệ với áp sụt trên điện trở stato ∆ URI = I1R1. Như vậy tại giá trị tần số đầu vào f1 giá trị điện áp sẽ có hai thành phần: thành phần thứ nhất U11 lấy từ hàm quan hệ U1(f1), thành phần thứ hai tỷ lệ với dòng điện tải U12 ~ I1. Sơ đồ cấu trúc được trình bày trên hình 3.43 Hình 3.43 Cấu trúc điều khiển điện áp - tần số giữa từ thông động cơ không đổi. Dạng đặc tính cơ theo luật điều khiển điện áp tần số giữ từ thông động cơ không đổi được vẽ trên hình 3.44. Nhận xét phương pháp điều khiển U1(f1) giữ từ thông động cơ không đổi đơn giản dễ thựchiện. Vì vậy phần lớn biến tần công nghiệp thường sử dụng giải pháp này. 14
Hình 3.44. Dạng đặc tính cơ khi điều khiển điện áp tần số giữ từ thông động cơ không đổi. 3.11.3. Điều chỉnh dòng điện tần số giữ từ thông động cơ không đổi Khi cấp cho động cơ từ biến tần nguồn dòng, đại lượng đầu vào đặt cho động cơ là dòng điện stato I1 và tần số f1. Các biểu thức tính toán và xây dựng đặc tính cơ cấp từ nguồn áp U 1, f1 trong mục 3.1 sẽ không phù hợp nữa . Để xây dựng đặc tính cơ động cơ KĐB cấp từ nguồn dòng ta có thể sử dụng sơ đồ thay thế tương tự như hình 3.21. Từ 3.7 ta có thể viết lại ωω ∆P = 1 .P1 3.75 ω1 R2 M = 3I 2 2 Suy ra ω2 ω 2 L2 2 I2 = I2 2 2 m 3.76 R2 + ω 2 L2 2 2 2 Lm là điện cảm chính máy điện Trong đó L2 điện cảm toàn phần mạch rô to Giải kết hợp 3.75 và 3.76 ta nhận được ω R 2 L2 M = 3PP 2 2 2 2 m 2 I 12 3.77 R2 + ω 2 L2 Biến đổi 3.77 đưa về dạng công thức đặc tính cơ như 3.1 ta có 2M th M= ω 2 ω 2th 3.78 + ω ω 2th R2 ω 2th = ± Trong đó 3.79 L2 L2 2 3 M th = ± PP m L1 3.80 2 L2 Dấu (+) chế độ động cơ (-) chế độ máy phát. Đặc tính cơ động cơ cấp từ nguồn dòng được vẽ trên hình 3.45 ta thất dạng đặc tính cơ không thay đổi so với cấp từ nguồn áp . Những thông số tính toán khác nhau như độ trượt s được thay bằng tần số trượt ω 2th. . Do không bị ảnh 15
hưởng bởi tổng trở stato nên đặc tính cơ cấp từ nguồn dòng cứng hơn. Khi thay đổi dòng cấp cho động cơ I1, mômen tới hạn sẽ thay đổi, ωth không thay đổi. Hình 3.45. Dạng đặc tính cơ động KĐB khi cấp từ biến tần nguồn dòng 16