đặt vấn đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ công suất lớn, có thể khẳng định rằng rất khó và cũng rất đắt để thiết kế và chế tạo các bộ biến đổi công suất lớn tương xứng.2 Giải pháp truyền thống Để giải quyết yêu cầu truyền động công suất lớn này thì người ta thường dùng 02 hoặc nhiều động cơ truyền động. AC Drive Ñoä ng cô 1 Ñoä ng cô 2 Taû i Hình 1.2: Hai động cơ có các cuộn phần ứng và kích từ tương ứng nối tiếp nhau Việc dùng 02 động cơ để thay thế 01 động cơ công suất lớn thì có những ưu điểm sau: Tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng như bộ biến đổi đi kèm có công suất nhỏ hơn; quá trình vận chuyển, lắp ráp, vận hành dễ dàng hơn. Đặc biệt là đối với giải pháp đề xuất, bằng cách lựa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 chọn tổ nối dây của máy biến áp lực một cách hợp lý cho phép giảm thiểu ảnh hưởng của thành phần sóng hài bậc 3 do bộ biến đổi tạo ra đối với lưới điện. Xong với 02 động cơ truyền động, để cân bằng phụ tải trong quá trình làm việc của 02 động cơ này thì 02 động cơ này phải có những yêu cầu như sau: (1) Tất cả truyền động thành phần đều phải giữ tỷ lệ không đổi trong cả chế độ tĩnh và chế độ động, ta gọi là yêu cầu đồng bộ hóa tốc độ.
(2) Đối với dây chuyền sản xuất các vật liệu thay đổi, hoặc bề dày vật liệu thay đổi dẫn đến yêu cầu thay đổi tốc độ làm việc thường tỷ lệ này thay đổi không lớn, vùng điều chỉnh tốc độ O (2:1 đến 6:1) (3) Một số dây chuyền yêu cầu chất lượng sản phẩm cao như độ đồng đều vật liệu cao sai số ít. Như vậy hệ truyền động phải đảm bảo có độ chính xác điều chỉnh cao. (4) Một số vật liệu được sản xuất trong dây chuyền liên tục có yêu cầu về chủng loại, tính chất đặt ra yêu cầu phải giữ sức căng không đổi. Vì vậy yêu cầu hệ truyền động phải điều chỉnh cả tốc độ và lực kéo.
Tóm lại, để 02 động cơ làm việc khi nối cứng trục thì quá trình phụ tải thay đổi (tốc độ động cơ thay đổi) thì phải có đặc tính tĩnh hoàn toàn như nhau để giữ cho lực kéo của 02 động cơ này không đổi. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 AC AC Drive 1 Drive 2 Ñoä ng cô 1 Ñoä ng cô 2 Taû i Hình 1.3: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ Một giải pháp giúp hai động cơ trên luôn có các dòng kích từ bằng nhau, các dòng phần ứng như nhau đó là thực hiện mắc nối tiếp các cuộn kích từ, mắc nối tiếp các cuộn dây phần ứng. Khi đó sự đóng góp của hai động cơ là hoàn toàn giống nhau. Giải pháp tưởng như đơn giản tuy nhiên không thể thực hiện trong thực tế bởi lẽ điện áp cấp cho kích từ, điện áp cấp cho phần ứng yêu cầu tăng gấp hai lần, điều nay đồng nghĩa với việc công suất của thiết bị biến đổi yêu cầu tăng gấp hai lần – khó khăn này đã đề cập ở trên.
Ta có thể kết luận ở đây giải pháp 02 động cơ chỉ dùng chung 01 bộ biến đổi là không khả thi trong thực tế. Qua các phân tích trên, giải pháp điều khiển cho 02 động cơ yêu cầu phải dùng 02 bộ biến đổi. Tuy nhiên nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng nếu không có mối liên hệ ràng buộc giữa hai bộ biến đổi sẽ không tạo nên sự đóng góp công suất như nhau của 02 động cơ. Thực tế đã khẳng định rằng, nếu 02 bộ biến đổi cấp nguồn cho 02 động cơ làm việc độc lập sẽ dẫn đến trạng thái nguy hiểm cụ thể là: Một động cơ làm việc quá tải, động cơ còn lại non tải; Trường hợp xấu hơn nữa một động cơ ngoài việc kéo toàn bộ tải còn phải kéo cả động cơ còn lại.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 Một trong các thiết kế đã áp dụng đó là sử dụng cấu trúc với 02 mạch vòng điều khiển, mạch vòng tốc độ chung bên ngoài, mạch vòng dòng điện kép bên trong, tín hiệu ra của mạch vòng tốc độ là tín hiệu đặt cho các mạch vòng dòng điện (Hình 1. Sự sai khác về dòng điện của hai động cơ được hiệu chỉnh bằng cách thay đổi thông số của các bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện một cách phù hợp. Với giải pháp này đã đáp ứng được yêu cầu của sản xuất. Tuy nhiên, do thông số của các bộ điều khiển PID là cố định, trong quá trình vận hành khi thông số của hệ thống thay đổi, dẫn đến sự sai khác tương đối lớn về dòng điện của các động cơ (đôi khi có thể lên đến 15%).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.4: Cấu trúc hệ thống điều khiển truyền thống Chính vì vậy, cùng với quá trình vận hành, cán bộ kỹ thuật cần phải chỉnh định lại thông số của các bộ điều khiển sao cho hệ thống làm việc ổn định theo mong muốn – đây là nhược điểm cơ bản của thiết kế đã nêu. Giải pháp đề xuất Giải pháp đề xuất trình bày trong nghiên cứu này được phát triển dựa theo giải pháp vừa nêu tuy nhiên có sự thay đổi. Cụ thể, giữ nguyên cấu trúc điều khiển hai mạch vòng điều khiển, bộ điều khiển PID mạch vòng tốc độ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 bên ngoài chung cho cả 02 động cơ với thông số cố định, hai bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện bên trong riêng cho 02 động cơ, bộ điều khiển dòng điện động cơ một với thông số cố định, tín hiệu ra của bộ điều khiển này là tín hiệu mẫu, thông số bộ điều khiển dòng của động cơ thứ hai được hiệu chỉnh dựa trên sai lệch về dòng điện giữa 02 động cơ (Hình 1. Nói một cách khác, bộ điều khiển dòng của động cơ thứ 2 là bộ điều khiển thích nghi được thiết kế dựa trên mô hình mẫu được tạo bởi bộ điều khiển dòng động cơ thứ nhất cùng một phần thông số của động cơ đó.
Với cấu trúc này trong quá trình vận hành, dòng điện động cơ thứ nhất được xem là dòng mẫu, dòng động cơ thứ 2 luôn bám dòng động cơ 1 với sai số nhỏ nhất. Có nghĩa dòng phần ứng của cả hai động cơ luôn bằng nhau – điều mà chúng ta mong đợi. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.5: Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất Kết luận: Như vậy, ta thấy được những ưu nhược điểm của giải pháp truyền thống. Để đổi mới và nâng cao chất lượng hệ thống trong quá trình sản xuất, ta đã đưa ra được giải pháp đề xuất mới cho việc cân bằng tải cho 02 động cơ xoay chiều nối cứng trục.
Phần tiếp theo ta đi xây dựng mô hình toán cho động cơ điện xoay chiều. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU 2. Máy điện xoay chiều Gồm 2 loại: Máy điện xoay chiều không đồng bộ và máy điện xoay chiều đồng bộ. Máy điện không đồng bộ: Cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, bảo trì dễ dàng, giá thành hạ, thay đổi tốc độ bằng nhiều phương pháp.
Mô men động cơ không đồng bộ thay đổi nhiều khi điện áp thay đổi Hiệu suất thấp hơn động cơ đồng bộ. Máy điện đồng bộ: Động cơ điện đồng bộ được kích thích bằng dòng điện một chiều nên có thể làm việc với cos = 1 và không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện, kết quả là hệ số công suất của lưới điện được nâng cao, làm giảm được điện áp rơi và tổn hao công suất trên đường dây. Động cơ điện đông bộ ít chịu ảnh hưởng đối với sự thay đổi điện áp của lưới điện. Khi áp lưới bị sụt, khả năng giữ tải của động cơ điện đồng bộ lớn hơn, nếu tăng kích thích, động cơ đồng bộ có thể làm việc an toàn và cải thiện được điều kiện làm việc của cả lưới điện.
Hiệu suất cao hơn động cơ không đồng bộ Tuy nhiên, cấu tạo động cơ đồng bộ phức tạp, giá thành cao, mở máy phức tạp hơn và việc thay đổi tốc độ chỉ có thể thực hiện bằng cách thay đổi tần số nguồn điện. Vì những ưu điểm nổi bật trên của động cơ đồng bộ, trong đề tài này đã nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển gắn với động cơ đồng bộ. Dưới đây là một vài khái niệm chung về máy điện đồng bộ: 2. Khái niệm chung về máy điện đồng bộ Máy điện đồng bộ là loại máy điện mà tốc độ quay của rôto bằng tốc độ quay của từ trường quay trong máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 Ngày nay nguồn năng lượng điện được sử dụng trên thế giới chủ yếu là năng lượng điện xoay chiều thì máy phát điện đồng bộ là nguồn chính để phát ra năng lượng đó Máy đồng bộ cũng có tính chất thuận nghịch.
Tức là có thể làm việc như một máy phát hoặc như một động cơ. Ngoài ra nó còn có thể dùng làm nguồn công suất kháng gọi là máy bù đồng bộ Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Phạm vi ứng dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng , nghĩa là làm máy phát điện. Điện năng 3 pha chủ yếu dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống hằng ngày được sản suất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi, tuabin khí hoặc tubin nước.
Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết bị công suất lớn, thiết bị lớn. Máy điện đồng bộ có khả năng phát ra công suất phản kháng, thông thường máy đồng bộ được tính toán sao cho chúng có thể phát ra công suất phản kháng gần bằng công suất tác dụng. trong một số trường hợp người ta dùng máy điện đồng bộ đặt gần các khu công nghiệp lớn để chỉ phát ra công suất phản kháng đủ bù hệ số cos cho lưới điện là hợp lý. Những máy đó là máy bù đồng bộ.