CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1. Tổng quan Trong công nghiệp máy điện không đng bộ ba pha là loại động cơ chiếm một tỷ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, ngun cung cấp lấy ngay trên lưới công nghiệp, dải công suất động cơ rất rộng từ vài trăm W đến hàng ngàn kW. Tuy nhiên các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ không đng bộ lại có tỷ lệ nhỏ so với động cơ một chiều.
Đó là điều chỉnh tốc độ động cơ không đng bộ gặp nhiều khó khăn và dải điều chỉnh hẹp… Ngày nay, điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại chứa đựng những phương pháp mới trong việc mô hình hóa đối tượng động cơ, từ đó xây dựng nên các thuật toán điều khiển phù hợp với các tiến bộ mới của công nghệ vi điện tử, vi xử lý và điện tử công suất. Cơ sở truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại là phương pháp điều khiển tựa theo từ trường quay của rôto được Haase đưa ra 1968 và Balaschke đưa ra 1970. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ được sử dụng trong thực tế được minh họa trên hình 1.1 Tần số không đổi ( f = hằng số): + Điều chỉnh điện áp stato. + Điều chỉnh điện trở phụ roto.
- Tần số thay đổi ( f ≠ hằng số) : + Điều khiển vô hưng động cơ không đồng bộ (scalar) + Điều khiển véctơ 9 Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ Hình 1.1- Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 1. Các phương pháp điều khiển ĐCKĐB 1. Điều chỉnh tốc độ động cơ với tần số không đổi 1. Hệ thống điều chỉnh và khởi động động cơ bằng điện áp stato : Nguyên lý điều khiển tốc độ : Thay đổi trị số hiệu dụng điện áp đặt vào stato (nhỏ hơn điện áp định mức), tần số được giữ định mức.
Từ biểu thức mô men tới hạn và độ trượt tới hạn nhận thấy rằng : Khi Điện áp giảm (<U1đm) mô men tới hạn giảm tỉ lệ U21đm và độ trượt sth không đổi, đng thời mô men ngắn mạch (Mnm = Mkđ ) giảm. Đặc tính như hình vẽ 1. Đặc tính điều chỉnh của động cơ là : Mcf ≡ 1/s 10 Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ A ~Ul fl B C §AXC Uđm>U2 >U3 Uđm s thđm M M U3 U2 M th3 M th2 M thđm Hình 1.2- Sơ đồ và đặc tính điều khiển điện áp stato Nhược điểm của hệ thống điều khiển điện áp stato là phạm vi điều chỉnh tốc độ và đặc tính có độ dốc tăng khi điện áp giảm. Do dó phương pháp này thường được sử dụng để khởi động động cơ với tải là các máy bơm, quạt gió.
Khi điện áp giảm mô men khởi động giảm theo U12. Như vậy khả năng khởi động của động cơ cũng giảm đi. Động cơ sẽ khó khởi động hơn đặc biệt với các cơ cấu có mô men cản tĩnh (khi động cơ không quay) lớn : băng tải có tải khi khởi động, cần trục có tải. Hệ thống điều chỉnh và khởi động động cơ bằng điện trở phụ roto : Nguyên lý điều chỉnh : Thay đổi tốc độ bằng thay đổi điện trở phụ trong roto.
Khi điện trở phụ roto tăng, mô men tới hạn không thay đổi, độ trượt tới hạn tăng. Cũng có thể thấy rằng, khi điện trở phụ tăng trong một phạm vi nào đó, mô men ngắn mạch (mô men khởi động) tăng. Khi Rf =Rfm Mô men khởi động là lớn nhất và băng mô men tới hạn. Đặc tính điều chỉnh của động cơ là : 11 Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ Mcf = Hằng số.
Vì vậy hệ thống điều chỉnh điện trở phụ roto được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cho các máy có đặc tính mô men là hằng số như cần trục,… Đng thời cũng được ứng dụng để khởi động các động cơ roto dây quấn , đặc biệt các động cơ công suất lớn : máy nghiền, quạt máy nghiền,…. Sơ đ nguyên lý hệ thống như hình 1.3 - Sơ đồ và đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ 1. Điều chỉnh tốc độ động cơ với tần số thay đổi 1. Điều khiển vô hưng động cơ không đồng bộ (scalar) Hiện nay, phần lớn hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đng bộ là truyền động đặc tính thấp trong đó cả biên độ lẫn tần số của dòng điện và điện áp của ngun cung cấp có thể điều chỉnh đng thời.
Cách điều chỉnh này cho phép điều khiển tốc độ hoặc momen đến trạng thái xác lập trong khi vẫn giữ từ thông của động cơ ổn định. Phương pháp điều khiển này được gọi là điều khiển vô hướng. Khi giả thiết điện áp hoặc dòng điện được điều khiển có dạng hình sin, biên độ và tần số được điều chỉnh, không liên quan đến vị trí không gian của véctơ điện áp và dòng điện. 12 Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ Điều khiển vô hướng đơn giản hơn điều khiển véctơ.
Kỹ thuật điều khiển vô Volts hướng thường được cài đặt trong thực tế là không đổi (Constant Volts/Hertzs - Hertz CVH) nghĩa là biên độ điện áp stato được điều chỉnh tỉ lệ với tần số nhằm duy trì từ thông stato không đổi. Phương pháp này bao gm điều khiển tốc độ từ trường quay của stato bằng cách thay đổi tần số ngun điện cung cấp. Hệ thống điều khiển đơn giản chỉ duy nhất yêu cầu phản hi tốc độ. Tín hiệu tốc độ thực M sẽ so sánh với tín hiệu tốc độ đặt *M , sai số tốc độ được đưa vào bộ điều khiển tốc độ trượt (slip controller), cho ra tín hiệu tốc độ trượt chuẩn *sl.
Tín hiệu này cộng với M tạo ra tín hiệu tốc độ đng bộ, qua khối tỉ lệ 1/2π tạo tần số đúng yêu cầu cung cấp cho biến tần. Khâu luật điều khiển tần số (U/f) tạo ra tín hiệu điện áp chuẩn điều khiển bộ biến tần. Dc supply Voltage Voltage controller VS* Slip Controller M Inverter *M * S1 * Syn * P/2 M M motor M Speed sensor Hình 1.4- Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ vô hưng. Nguyên lý điều khiển tần số : Tốc độ đng bộ động cơ : 2f 60f 1 = hoặc n1 = (1-1) p p 13 Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ Như vậy khi thay đổi tần số, tốc độ đng bộ động cơ sẽ thay đổi, tốc độ động cơ : = 1 (1 − s) sẽ thay đổi.
Khi điều chỉnh tần số, điện áp phải thay đổi theo để đảm bảo chỉ tiêu năng lượng cao và động cơ không bị bão hòa từ. Quan hệ U 1 (f) gọi là qui luật điều khiển tần số. Trong thực tế hai qui luật điều khiển tần số được sử dụng rộng rãi là : Qui luật điều khiển tần số cơ bản và luật điều khiển từ thông khe hở không đổi. Qui luật điều khiển tần số cơ bản : - Nội dung : Điều khiển điện áp và tần số đảm bảo khả năng quá tải không đổi với mọi tần số khác nhau : M th = = const f (1-2) Mc Biểu thức của qui luật tần số cơ bản ở dạng tổng quát khi coi điện trở stato bằng không (R 1 =0) : U1 U 1dm Mc = (1-3) f f dm M cdm Quan hệ U1(f) phụ thuộc vào đặc tính mô men cản.
Trong thực tế có 3 dạng mô men cản : M c = hằng số; M c≡ 1/ω ; M c≡ω 2 tương ứng có 3 luật điều khiển tần số : U1 U 1dm + Mc = hằng số ; = = Const f f dm U1 + Mc≡ 1/ω ; = Const f + Mc≡ω 2 ; U21 = Const f 14 Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ Hình 1.5- Đặc tính động cơ có công suất trung bình và nhỏ vi luật U/f = const Tuy nhiên trong thực tế R1 ≠ 0 nên khả năng quá tải sẽ giảm khi tần số giảm, thể hiện thông qua sự giảm của mô men tới hạn khi tần số giảm. 3p U 21 M th = (1-4) 2 f 2 R R 4 1 + 1 + 4 2 L2n f f Ở vùng tần số cao ( xung quanh tần số định mức) , momen tới hạn có trị số gần như không phụ thuộc tần số nếu tỉ số R 1/f nhỏ. Khi tần số giảm , từ thông khe hở sẽ giảm do sụt áp trên điện trở stato ứng với dòng định mức không đổỉ mọi tần số; kết quả là momen tới hạn động cơ sẽ giảm, đặc biệt sẽ giảm nhanh ở vùng tần số thấp , ví dụ nhỏ hơn 10Hz. Do điện trở stato không thể bỏ qua nên sụt áp trên điện trở stato ứng với dòng điện định mức sẽ không đổi khi giảm tần số , trong khi sụt áp trên điện kháng giảm theo tần số.
Do đó sụt áp trên điện trở sẽ chiếm tỉ lệ lớn ở tần số nhỏ, sẽ ảnh hưởng lớn đến từ thông khe hở. 15 Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ Vì vậy trong ứng dụng thực tế, tỉ lệ điện áp - tần số thường được tăng lên ở vùng tần số thấp để bù lại sụt áp trên điện trở stato .6 là các dạng đặc tính điện áp - tần số đã hiệu chỉnh ở vùng tần số thấp. Us Usđm (2) Ub (1) U0 fb f đm fs Hình 1.6- Đặc tính U(f) lý tưởng (1) và thực tế(2) Trị số Uo được chọn tùy thuộc đặc tính phụ tải của động cơ. Với phụ tải động cơ yêu cầu momen khởi động lớn, điện áp U o được điều chỉnh để dòng điện động cơ lớn ở tần số zero (thời điểm đầu tiên của quá trình khởi động).
Nhưng trị số U o lớn có thể làm động cơ quá nhiệt nếu động cơ thường xuyên làm việc ở tốc độ thấp do mức độ làm mát của động cơ tự làm mát giảm đáng kể. Với phụ tải quạt gió, momen động cơ ở tốc thấp rất nhỏ, tỉ số điện áp - tần số có thể giảm nhỏ để mức độ phát nóng động cơ bé nhất. Trong các hệ thống truyền động điện khác, mức độ tăng điện áp ở tần số thấp có thể chỉnh định phù hợp với đặc tính phụ tải.