Nghiên cứu Điều khiển Lưu lượng bằng Biến tần cho Hệ thống Điều khiển Quá trình

Nghiên cứu hệ thống điều khiển lưu lượng bằng biến tần. Tìm hiểu cách biến tần tối ưu hóa hiệu suất, tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng thực tế.

• Tác giả: Trần Minh Hưng
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Như Hiển
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu điều khiển lưu lượng bằng bộ biến đổi tần số - Động cơ xoay chiều ba pha cho hệ thống điều khiển quá trình
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• Lời cam đoan
• Lời cảm ơn
• Mục lục
• Danh mục các hình vẽ
• Danh mục các chữ viết tắt
• Lý do chọn đề tài
• Mục tiêu nghiên cứu
• Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• Cấu trúc của luận văn
• 1. Chƣơng I: Đối tƣợng nghiên cứu và định hƣớng điều khiển lƣu lƣợng bằng hệ thống biên tần – Động cơ không đồng bộ
• 1.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.2. Giới thiệu về điều khiển tần số động cơ xoay chiều ba pha
• 1.3. Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC)
• 1.4. Vectơ không gian và hệ tọa độ từ thông
• 1.5. Cấu trúc của hệ điều khiển tựa theo từ thông rotor
• 1.6. Kết luận chương 1
• 2. Chƣơng II: Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ ba pha
• 2.1. Đặc điểm của mô hình toán học trạng thái động của động cơ KĐB
• 2.2. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha
• 2.3. Phương trình điện áp
• 2.4. Phương trình từ thông
• 2.5. Phương trình chuyển động
• 2.6. Phương trình mô men
• 2.7. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha
• 2.8. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ quay dq định hướng theo từ trường
• 2.9. Khái niệm cơ bản và nguyên tắc của phép biến đổi tọa độ. Ma trận chuyển đổi tọa độ trong điều kiện công suất bất biến
• 2.10. Phép chuyển đổi từ hệ tọa độ cố định 3 pha bất kỳ sang hệ tọa độ quay 2 pha (phép chuyển đổi 3s/2r)
• 2.11. Mô hình toán học động cơ KĐB trên hệ tọa độ quay 2 pha bất kỳ
• 2.12. Phương trình điện áp trên hệ tọa độ dq0
• 2.13. Phương trình từ thông trên hệ tọa độ dq0
• 2.14. Phương trình mô men và phương trình chuyển động trên hệ tọa độ dq0
• 2.15. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động và mạch điện tương đương trạng thái động của động cơ điện không đồng bộ trên hệ tọa độ dq
• 2.16. Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ theo định hướng từ trường trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha
• 3. Chƣơng III: Đánh giá chất lƣợng hệ thống bằng mô phỏng và thực nghiệm
• 3.1. Sơ đồ hệ thống truyền động BĐTS- ĐCKĐB
• 3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng trên Simulink
• 3.3. Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống
• 3.4. Khối động cơ không đồng bộ
• 3.5. Khối điều khiển vectơ (vector control)
• 3.6. Khối điều khiển tốc độ (Speed control)
• 3.7. Kết quả mô phỏng
• 3.8. Động cơ làm việc không tải ở tần số khác nhau
• 3.9. Động cơ làm việc có tải
• 3.10. Đánh giá bằng kết quả thực nghiệm
• 3.11. Cấu hình thực nghiệm về điều khiển tại trung tâm thí nghiệm
• 3.12. Giới thiệu về các thiết bị của mô hình thực nghiệm
• 3.13. Kết quả thí nghiệm
• 3.14. Kết luận chương 3
• Kết luận và kiến nghị
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống điều khiển lưu lượng bằng biến tần VFD

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc kiểm soát chính xác các quá trình sản xuất là yếu tố sống còn. Điều khiển lưu lượng bằng biến tần đã nổi lên như một giải pháp công nghệ vượt trội, đặc biệt trong các ngành xử lý chất lỏng và khí. Thay vì sử dụng các phương pháp cơ học truyền thống như van tiết lưu gây lãng phí năng lượng, hệ thống này sử dụng bộ biến tần (VFD) để thay đổi tần số dòng điện cấp cho động cơ không đồng bộ 3 pha. Việc này cho phép điều khiển tốc độ động cơ một cách linh hoạt và chính xác, từ đó điều chỉnh trực tiếp lưu lượng của các thiết bị như máy bơm nước và quạt công nghiệp. Nghiên cứu của Trần Minh Hưng (2015) đã chỉ rõ, việc ứng dụng biến tần không chỉ giúp tối ưu hóa hệ thống vận hành mà còn mang lại lợi ích to lớn về tiết kiệm năng lượng và nâng cao tuổi thọ thiết bị. Cấu trúc hệ thống này thường bao gồm một vòng điều khiển kín, sử dụng tín hiệu phản hồi từ cảm biến áp suất hoặc cảm biến lưu lượng để tự động duy trì các thông số mong muốn, đảm bảo sự ổn định và hiệu quả cho toàn bộ dây chuyền sản xuất.

1.1. Bài toán điều khiển lưu lượng trong thực tiễn công nghiệp

Trong các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, hóa chất, hay các hệ thống cấp nước và hệ thống HVAC, việc duy trì lưu lượng ổn định là một yêu cầu bắt buộc. Các phương pháp truyền thống thường sử dụng bơm hoặc quạt chạy ở tốc độ tối đa và điều chỉnh lưu lượng bằng van cơ khí. Phương pháp này không chỉ gây ra sụt áp lớn trên đường ống mà còn lãng phí một lượng điện năng khổng lồ do động cơ luôn hoạt động hết công suất. Theo tài liệu nghiên cứu, sự thiếu chính xác và độ trễ trong đáp ứng của hệ thống cơ khí cũng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm cuối cùng. Do đó, bài toán đặt ra là cần một giải pháp điều khiển bơm và quạt hiệu quả hơn, có khả năng đáp ứng nhanh, chính xác và quan trọng nhất là phải tối ưu về hiệu suất năng lượng.

1.2. Giới thiệu bộ biến tần VFD và vai trò trong hệ thống

Một bộ biến tần, hay còn gọi là Variable Frequency Drive (VFD), là một thiết bị điện tử công suất có chức năng chính là biến đổi dòng điện xoay chiều (AC) ở tần số cố định (ví dụ 50Hz) thành dòng điện AC có tần số và điện áp có thể điều chỉnh được. Nguyên lý này cho phép kiểm soát hoàn toàn tốc độ quay của động cơ không đồng bộ 3 pha. Trong hệ thống điều khiển lưu lượng, biến tần đóng vai trò là 'bộ não' điều khiển, nhận tín hiệu từ các cảm biến và bộ điều khiển trung tâm (như PLC) để điều chỉnh tốc độ bơm/quạt sao cho lưu lượng hoặc áp suất đường ống luôn được giữ ở mức cài đặt. Nhờ vậy, hệ thống chỉ tiêu thụ lượng điện năng cần thiết cho tải thực tế tại mỗi thời điểm, loại bỏ hoàn toàn sự lãng phí năng lượng so với các phương pháp cũ.

II. Hạn chế của các phương pháp điều khiển lưu lượng cơ học

Trước khi công nghệ biến tần trở nên phổ biến, các hệ thống công nghiệp phụ thuộc chủ yếu vào các giải pháp điều khiển cơ học, điển hình là van tiết lưu và hệ thống đường ống bypass. Mặc dù đơn giản về mặt lắp đặt, các phương pháp này bộc lộ nhiều nhược điểm cố hữu, đặc biệt là về mặt hiệu suất năng lượng và chi phí vận hành. Khi sử dụng van tiết lưu, động cơ và bơm vẫn hoạt động ở 100% công suất định mức, trong khi van cản trở dòng chảy để giảm lưu lượng. Năng lượng bị tiêu tán dưới dạng nhiệt và ma sát tại van là một sự lãng phí trực tiếp. Tương tự, hệ thống bypass tuần hoàn một phần lưu lượng về lại đầu hút cũng không làm giảm công suất tiêu thụ của động cơ. Những hạn chế này không chỉ làm tăng hóa đơn tiền điện mà còn gây mài mòn cơ khí, giảm tuổi thọ của bơm, van và đường ống, đồng thời tạo ra tiếng ồn và rung động không cần thiết trong quá trình vận hành.

2.1. Phân tích sự lãng phí năng lượng khi dùng van tiết lưu

Khi một máy bơm nước được điều khiển bằng van tiết lưu, toàn bộ năng lượng điện được chuyển hóa thành năng lượng thủy lực. Tuy nhiên, một phần lớn năng lượng này bị triệt tiêu khi dòng chảy đi qua van. Về bản chất, van hoạt động như một điện trở trong mạch thủy lực, tạo ra một tổn thất áp suất đáng kể để đạt được lưu lượng mong muốn. Công suất lãng phí này có thể được tính toán và cho thấy con số rất lớn, đặc biệt trong các hệ thống hoạt động liên tục 24/7. Việc duy trì áp suất đường ống cao không cần thiết cũng làm tăng nguy cơ rò rỉ và sự cố hệ thống. Đây là nhược điểm chí mạng khiến phương pháp này không còn phù hợp với các tiêu chuẩn về tiết kiệm năng lượng hiện nay.

2.2. Vấn đề về độ chính xác và khả năng tự động hóa hạn chế

Các hệ thống cơ khí gặp khó khăn trong việc đáp ứng chính xác và nhanh chóng với sự thay đổi của nhu cầu. Việc điều chỉnh van thường được thực hiện thủ công hoặc bằng các cơ cấu chấp hành có độ trễ lớn. Điều này dẫn đến sự dao động của lưu lượng và áp suất, ảnh hưởng đến sự ổn định của toàn bộ quá trình. Khả năng tích hợp vào các hệ thống tự động hóa hiện đại cũng rất hạn chế. Việc kết nối và điều khiển một van cơ khí thông qua PLC và biến tần là phức tạp và không hiệu quả so với việc điều khiển trực tiếp tốc độ động cơ. Do đó, việc chuyển đổi sang điều khiển vòng kín (closed-loop) sử dụng biến tần là một bước tiến tất yếu để nâng cao mức độ tự động hóa và độ tin cậy của hệ thống.

III. Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ để tối ưu lưu lượng

Giải pháp cốt lõi để khắc phục các nhược điểm của hệ thống cơ khí là điều khiển tốc độ động cơ bằng bộ biến tần. Nguyên tắc nền tảng của phương pháp này dựa trên Định luật Affinity cho bơm và quạt. Các định luật này mô tả mối quan hệ toán học giữa tốc độ quay của bơm/quạt với lưu lượng, cột áp và công suất tiêu thụ. Cụ thể, lưu lượng tỷ lệ thuận với tốc độ, cột áp tỷ lệ với bình phương tốc độ, và công suất tỷ lệ với lập phương của tốc độ. Điều này có nghĩa là chỉ cần giảm một chút tốc độ động cơ, chúng ta có thể đạt được mức tiết kiệm năng lượng rất lớn. Ví dụ, giảm 20% tốc độ (chạy ở 80% tốc độ định mức) có thể giảm công suất tiêu thụ xuống chỉ còn khoảng 51% (0.8^3). Đây là cơ sở khoa học vững chắc chứng minh hiệu quả vượt trội của việc điều khiển lưu lượng bằng biến tần.

3.1. Phân tích định luật Affinity cho bơm và quạt công nghiệp

Các định luật Affinity là công cụ cơ bản để phân tích và dự đoán hiệu suất của các máy thủy khí như bơm và quạt ly tâm. Ba quy tắc chính bao gồm: (1) Lưu lượng (Q) tỷ lệ thuận với tốc độ (N): Q1/Q2 = N1/N2. (2) Cột áp (H) tỷ lệ với bình phương tốc độ: H1/H2 = (N1/N2)^2. (3) Công suất (P) tỷ lệ với lập phương tốc độ: P1/P2 = (N1/N2)^3. Các mối quan hệ này cho thấy rõ ràng rằng việc giảm tốc độ là cách hiệu quả nhất để giảm công suất tiêu thụ. Khi ứng dụng biến tần VFD để giảm tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha, hệ thống có thể đáp ứng chính xác nhu cầu lưu lượng mà không cần đến các thiết bị cản trở dòng chảy, từ đó tối ưu hóa hệ thống một cách toàn diện.

3.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển vòng kín với cảm biến phản hồi

Một hệ thống điều khiển lưu lượng bằng biến tần hiệu quả hoạt động theo nguyên tắc điều khiển vòng kín (closed-loop). Cấu trúc này bao gồm các thành phần chính: biến tần, động cơ, bơm/quạt, và một cảm biến áp suất hoặc cảm biến lưu lượng được lắp đặt trên đường ống. Người vận hành sẽ cài đặt một giá trị mong muốn (setpoint) cho áp suất hoặc lưu lượng. Cảm biến liên tục đo giá trị thực tế và gửi tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển (thường là bộ điều khiển PID tích hợp sẵn trong biến tần hoặc một PLC bên ngoài). Bộ điều khiển sẽ so sánh giá trị thực tế với giá trị cài đặt, tính toán sai lệch và tự động điều chỉnh tần số đầu ra của biến tần để tăng hoặc giảm tốc độ động cơ, qua đó giữ cho lưu lượng/áp suất luôn ổn định quanh mức mong muốn. Toàn bộ hệ thống được bảo vệ và lắp đặt trong một tủ điện điều khiển chuyên dụng.

IV. Bí quyết điều khiển định hướng từ trường FOC trong biến tần

Để đạt được chất lượng điều khiển cao nhất, đặc biệt trong các ứng dụng đòi hỏi đáp ứng mô-men nhanh và chính xác ở dải tốc độ rộng, các biến tần hiện đại đã áp dụng phương pháp điều khiển định hướng theo từ trường (Field-Oriented Control - FOC), hay còn gọi là điều khiển vector. Như được phân tích trong nghiên cứu của Trần Minh Hưng, phương pháp FOC biến đổi mô hình toán học phức tạp, phi tuyến của động cơ không đồng bộ 3 pha thành một mô hình tương đương với động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Điều này cho phép điều khiển tách biệt và độc lập hai thành phần dòng điện stator: thành phần sinh từ thông và thành phần sinh mô-men. Nhờ đó, biến tần có thể kiểm soát mô-men của động cơ một cách tức thời và chính xác, mang lại khả năng vận hành ổn định ngay cả ở tốc độ rất thấp, đồng thời tối ưu hóa hệ thống và nâng cao hiệu suất năng lượng.

4.1. Nguyên tắc tách kênh từ thông và mô men của FOC

Bản chất của điều khiển định hướng theo từ trường (FOC) là sử dụng các phép biến đổi tọa độ (Clarke và Park) để chuyển đổi các đại lượng xoay chiều ba pha (dòng điện, điện áp) sang một hệ quy chiếu hai trục (d-q) quay đồng bộ với từ thông rotor. Trong hệ quy chiếu này, vector dòng điện stator được tách thành hai thành phần vuông góc: thành phần trục d (isd) có tác dụng tạo ra từ thông rotor, và thành phần trục q (isq) có tác dụng tạo ra mô-men quay. Bằng cách điều khiển độc lập hai thành phần này, hệ thống FOC có thể duy trì từ thông không đổi (tối ưu hiệu suất) trong khi điều chỉnh mô-men một cách nhanh chóng để đáp ứng yêu cầu về tốc độ và tải. Điều này tương tự như việc điều khiển độc lập dòng kích từ và dòng phần ứng trong động cơ DC.

4.2. Ứng dụng bộ điều khiển PID trong cấu trúc FOC

Trong cấu trúc FOC, các bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) đóng vai trò trung tâm. Thường có ít nhất ba vòng điều khiển PID chính: một vòng điều khiển tốc độ bên ngoài và hai vòng điều khiển dòng điện (cho isd và isq) bên trong. Vòng điều khiển tốc độ nhận tín hiệu đặt tốc độ và tín hiệu phản hồi từ encoder, sau đó tính toán ra giá trị mô-men yêu cầu (tương ứng với dòng isq*). Các vòng điều khiển dòng điện so sánh giá trị dòng điện đặt (isd*, isq*) với giá trị thực đo được và điều chỉnh điện áp đầu ra của biến tần để loại bỏ sai lệch. Sự kết hợp giữa thuật toán FOC và các bộ điều khiển PID được tinh chỉnh tốt cho phép hệ thống điều khiển lưu lượng bằng biến tần đạt được hiệu suất động học vượt trội, ổn định và chính xác.

V. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điều khiển thực tế

Nghiên cứu về điều khiển lưu lượng bằng biến tần không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà đã được kiểm chứng qua các mô phỏng và thực nghiệm chi tiết. Luận văn của Trần Minh Hưng (2015) đã xây dựng mô hình mô phỏng toàn diện trên Matlab/Simulink và tiến hành các thí nghiệm trên mô hình thực tại phòng thí nghiệm. Kết quả cho thấy hệ thống sử dụng bộ biến tần với thuật toán điều khiển vector (FOC) có khả năng đáp ứng tốc độ và mô-men rất nhanh và chính xác theo tín hiệu đặt, ngay cả khi có sự thay đổi đột ngột của tải. Các ứng dụng thực tế trong hệ thống cấp nước cho tòa nhà, trạm bơm tăng áp, hệ thống HVAC và các dây chuyền sản xuất hóa chất đã chứng minh hiệu quả rõ rệt. Các hệ thống này không chỉ hoạt động ổn định, giảm thiểu sự cố mà còn ghi nhận mức tiết kiệm năng lượng từ 20% đến 50% so với phương pháp điều khiển bằng van truyền thống.

5.1. Mô phỏng hệ thống điều khiển lưu lượng trên Matlab Simulink

Việc xây dựng mô hình mô phỏng trên Simulink cho phép đánh giá và kiểm chứng thuật toán điều khiển trước khi triển khai trên phần cứng thực tế. Mô hình bao gồm các khối chức năng chính: khối động cơ không đồng bộ, khối biến tần PWM, khối điều khiển vectơ (vector control), và khối điều khiển tốc độ. Kết quả mô phỏng, như được trình bày trong tài liệu nghiên cứu, đã thể hiện đáp ứng của tốc độ và mô-men điện từ ở các tần số và điều kiện tải khác nhau. Các đồ thị cho thấy hệ thống bám sát giá trị đặt với sai số rất nhỏ và thời gian quá độ ngắn, khẳng định tính đúng đắn và hiệu quả của giải pháp điều khiển bơm và quạt bằng biến tần theo phương pháp FOC.

5.2. Đánh giá hiệu suất năng lượng và lợi ích kinh tế thực tiễn

Các kết quả thực nghiệm và các dự án đã triển khai là minh chứng rõ ràng nhất về lợi ích của hệ thống. Bằng cách đo lường công suất tiêu thụ điện trước và sau khi lắp đặt biến tần, các doanh nghiệp có thể dễ dàng tính toán được mức tiết kiệm năng lượng và thời gian hoàn vốn đầu tư. Ngoài lợi ích trực tiếp về chi phí điện, việc vận hành động cơ ở tốc độ thấp hơn giúp giảm mài mòn cơ khí, kéo dài tuổi thọ của bơm, quạt, vòng bi và các phớt làm kín. Chi phí bảo trì, sửa chữa giảm xuống đáng kể. Hơn nữa, hệ thống hoạt động êm ái hơn, giảm tiếng ồn và rung động, cải thiện môi trường làm việc. Tổng hợp các yếu tố này tạo nên một lợi ích kinh tế toàn diện, giúp doanh nghiệp nâng cao năng lực cạnh tranh và phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: Đối tượng nghiên cứu và định hướng điều khiển lưu lượng. Chương II: Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ ba pha. Chương 3: Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng và thực nghiệm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ 3 CHƢƠNG I ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU VÀ ĐỊNH HƢỚNG ĐIỀU KHIỂN LƢU LƢỢNG BẰNG HỆ THỐNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.

Đối tƣợng nghiên cứu [9,10] - Trong hệ thống điều khiển quá trình tiêu biểu là bình trộn dung dịch được minh họa như trên hình 1.1: Giản đồ công nghệ thiết bị trộn quá trình Đầu vào của bình trộn là 2 dòng dung dịch nóng và lạnh. Dung dịch được hòa vào trong bình và bơm ra ngoài bằng bơm P. Dung dịch vào 1 là nước nóng, có nhiệt độ T1[0C], lưu lượng F1[l/s] và khối lượng riêng ρ1 [kg/l]. Dung dịch vào 2 là nước lạnh, có nhiệt độ T2 [0C], lưu lượng F2 [l/s] và khối lượng riêng ρ2 [kg/l].

Dung dịch ra có nhiệt độ T3 [0C], lưu lượng F3 [l/s] và khối lượng riêng ρ3 [kg/l]. Dung dịch ở trong bình trộn có thể tích V [m3], diện tích đáy A [m2], nhiệt độ T [oC] và khối lượng riêng ρ [kg/l]. Đường vào dòng lạnh lắp van CV2. Các giả thiết: Khối lượng riêng của nước thay đổi không đáng kể ρ1 = ρ2= ρ3 = ρ; Nhiệt dung riêng đẳng áp của dòng quá trình là không đổi; coi nhiệt độ nước trong bình bằng nhiệt độ nước ra khỏi bình T3 = T.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ 4 Để điều khiển lưu lượng dòng chảy F1 cấp cho bình trộn, ta sử dụng một bơm điện. Bơm được quay bằng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. Điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng bộ biến tần. Giới thiệu về điều khiển tần số động cơ xoay chiều ba pha [4,5,6,8] Điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, xong việc điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp là phương pháp điều chỉnh triệt để cho phép thay đổi cả tốc độ đồng bộ, và điều chỉnh tốc độ động cơ trong vùng trên của tốc độ định mức.

Trong thực tế việc điều chỉnh tần số nguồn cấp này được thực hiện bởi các bộ biến tần. Một hệ thống truyền động trên cơ sở Biến tần - động cơ có sơ đồ cấu trúc tổng quát gồm nhiều nhiều vòng điều khiển như sau: Hình 1. Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền động Biến tần - động cơ Trong sơ đồ hình 1.2 trên: - RI : Khối điều khiển dòng điện có chức năng nhận tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi dòng điện (mô men) và đưa ra tín hiệu điều khiển theo những luật điều khiển phù hợp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ 5 - R : Khối điều khiển tốc độ có chức năng nhận tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi tốc độ và đưa ra tín hiệu điều khiển theo những luật điều khiển phù hợp.

- R : Khối điều khiển vị trí có chức năng nhận tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi vị trí và đưa ra tín hiệu điều khiển theo những luật điều khiển phù hợp. - Khối chỉnh lưu: thực hiện chức năng chỉnh lưu dòng điện xoay chiều 3 pha thành dòng điện một chiều để cung cấp cho khối biến tần PWM. Tùy theo loại biến tần mà có thể có hoặc không có khối này, với biến tần trực tiếp thì sẽ không có khối này. - Khối biến tần PWM: nhận từ điều khiển từ khối điều khiển dòng và thực hiện khuếch đại xung và đưa các điện áp đến động cơ chấp hành.

Khối này sử dụng các phần tử chuyển mạch là các phần tử bán dẫn làm việc ở chế độ chuyển mạch. - Khối động cơ chấp hành: Khối này có thể là động cơ xoay chiều đồng bộ hoặc không đồng bộ. - βI : Khối phản hồi dòng điện thực hiện chức năng phản hồi mômen (dòng điện) của động cơ và đưa tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển dòng điện. - α : Khối phản hồi tốc độ động cơ điện và đưa tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển tốc độ.

- θ : Khối phản hồi vị trí thực hiện chức năng nhận tín hiệu là vị trí (t) và đưa về khối điều khiển vị trí. - Máy công tác: Là các máy sản xuất hoặc các cơ cấu chấp hành cụ thể. Để tạo ra các bộ biến tần có f thay đổi được người ta có thể các bộ biến tần với máy điện quay hoặc dùng bộ biến tần bán dẫn. So với các bộ biến tần bán dẫn, bộ biến tần máy điện quay có nhiều nhược điểm và ngày càng ít dùng.

Động cơ không đồng bộ là loại máy điện được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật truyền động điện do đó có ưu điểm là: đơn giản về kết cấu, gọn nhẹ dễ chế tạo, dễ sử dụng, đặc biệt động cơ rotor lồng sóc có kết cấu đơn giản, ở phần quay không có yêu cầu về cách điện và có thể làm việc ở cả môi trường có hoạt tính cao hoặc trong nước. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ 6 Trước đây việc điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ gặp khó khăn khi điều khiển ở vùng tốc độ thấp. Ngày nay động cơ không đồng bộ được điều chỉnh bằng các bộ biến tần bán dẫn đã và đang được hoàn thiện và có khả năng cạnh tranh lớp với điều khiển một chiều, nhất là ở vùng công suất truyền động lớn hoặc tốc độ thấp. Đặc điểm của phương pháp điều khiển biến tần là: - Cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều.

- Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng biến tấn có kết cấu đơn giản, làm việc được trong nhiều môi trường khác nhau. - Khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng, có khả năng đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau. - Các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc (máy dệt, băng tải, băng chuyền,…) - Các thiết bị đơn lẻ yêu cầu tốc độ làm việc cao (máy ly tâm, máy mài,…) Hiện nay trên thế giới đang được lưu hành rất nhiều loại biến tần của các hãng khác nhau. Trong đó biến tần của hãng SIEMENS (Đức) là một trong những sản phẩm hàng đầu.

Nó có nhiều đặc điểm ưu việt về tính năng kỹ thuật cũng như chất lượng sản phẩm. Với mong muốn thúc đẩy sự phát triển của nền công nghiệp Việt Nam. Đặc biệt là trong lĩnh vực truyền động điện, cũng như mong muốn giúp sinh viên tiếp cận với những công nghệ khoa học kỹ thuật mới, luận văn này xin giới thiệu một hệ thống thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều sử dụng thiết bị của SIEMENS. Hệ thống bộ biến đổi tần số (dùng chỉnh lưu PWM) - động cơ không đồng bộ (ASM – Asynchronous Machine).

Đối với động cơ điện không đồng bộ thì tần số là thông số điều khiển rất quan trọng. Điều khiển tần số là phương pháp điều khiển kinh điển, tuy nó đòi hỏi kỹ thuật cao và phức tạp vì xuất phát từ bản chất và nguyên lý làm việc của động cơ là phần cảm và phần ứng không tách biệt. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ 7 Một số yêu cầu chất lượng điều chỉnh nâng cao thì các phương pháp kinh điển khó đáp ứng được. Có 3 phương pháp chủ yếu sau: 1.

Điều khiển vô hướng (SFC: Scalar Frequency Control). Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC: Field Oriented Control) 3. Điều khiển trực tiếp momen (DTC: Direct Toque Control) Trong đó: Phƣơng pháp thứ nhất: Thực chất của phương pháp điều khiển vô hướng (U/f bằng hằng số) là giữ cho từ thông stator (ψs) không đổi trong suốt quá trình điều chỉnh. Khi điều khiển tần số, nếu giữ từ thông khe hở không đổi thì động cơ sẽ được sử dụng hiệu quả nhất, tức là có khả năng sinh mômen lớn nhất.

Do những ưu điểm sẵn có của các động cơ không đồng bộ mà các hệ truyền động của chúng cũng thừa hưởng tính kinh tế và tính chắc chắn. Phương pháp này dễ thực hiện tuy vậy vẫn còn tồn tại nhược điểm: tổn thất công suất P và lượng tiêu thụ công suất phản kháng Q không phải là nhỏ nhất, ổn định tốc độ gặp khó khăn, mặc dù hệ truyền động đơn giản nhưng có hạn chế về độ chính xác tốc độ và đáp ứng mômen kém. Hệ truyền động không thể đảm bảo điều khiển được các đáp ứng về mômen và từ thông. Cho nên, điều khiển vô hướng được ứng dụng trong công nghiệp khi yêu cầu không cao về điều chỉnh sâu tốc độ.

Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động theo phương pháp điều khiển vô hướng được biểu diễn trên hình 1. Sơ đồ cấu trúc gồm hai phần: A B C Đặt tần số ra NL CL ĐTS f Udc C Driver Sa,Sb,Sc U NL ĐCA PWM NL THĐ - SI I ia BĐD XL ib TG ASM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.3: Cấu trúc điều khiển vô hướng hệ truyền động biến tần- động cơ không đồng bộ 8 Phần lực gồm: CL là khối chỉnh lưu dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của mạng điện công nghiệp thành điện áp một chiều cấp cho khối nghịch lưu; NL là khối nghịch lưu thường dùng các khoá đóng cắt IGBT, thực hiện biến đổi điện áp một chiều Udc ở đầu ra khối CL thành điện áp xoay chiều cung cấp cho động cơ; ASM là động cơ không đồng bộ ba pha rotor long sóc; C là tụ lọc. Phần điều khiển gồm: Khâu tạo tín hiệu khống chế nghịch lưu theo nguyên lý điều chỉnh độ rộng xung (Driver NL PWM); bộ điều chỉnh biên độ điện áp ra nghịch lưu (ĐCA); các sensor đo dòng (SI) và đo tốc độ (TG); khâu biến đổi dòng ba pha của động cơ thành điện áp một chiều tỉ lệ với giá trị hiệu dụng dòng điện một pha (BĐD); XL là khâu gia công tín hiệu dòng điện và tốc độ động cơ phục vụ cho mục đích ổn định động hệ thống; tín 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 tín hiệu đầu ra của XL để khống chế biên độ điện áp ra của biến tần; các tín hiệu Sa, Sb, Sc là các chuỗi xung dùng để không chế các khoá IGBT trong ba pha của nghịch lưu. Việc khống chế qui luật thay đổi tần số giai đoạn khởi động do ĐTS quyết định, còn việc điều chỉnh điện áp được thực hiện bởi ĐCA.