Luận văn thạc sĩ nghiên cứu khảo sát hệ truyền động biến tần động cơ xoay chiều ở phòng thí nghiệm trường đại học kỹ thuật công nghiệp thái nguyên để ứng dụng vào sản xuất

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hệ truyền động biến tần động cơ xoay chiều tại trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, ứng dụng trong sản xuất.

• Tác giả: Nguyễn Mạnh Ngà
• Người hướng dẫn: PGS. Võ Quang Lạp
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU SƠ ĐỒ KHỐI HỆ TRUYỀN ĐỘNG PHÒNG THÍ NGHIỆM
• 1.1. Sơ đồ khối
• 1.2. Chức năng và nhiệm vụ các thiết bị trong sơ đồ
• 1.2.1. Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc
• 1.2.2. Giới thiệu biến tần – Biến tần M 420
• 1.2.3. Thông số kỹ thuật
• 1.2.4. Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha
• 1.2.5. Điều khiển biến tần theo phương pháp vector không gian
• 1.2.5.1. Khái niệm về vector không gian
• 1.2.5.2. Trạng thái của van và các vector biên chuẩn
• 1.2.5.3. Tổng hợp vector không gian từ các vector biên
• 1.2.6. Giới thiệu PLC
• 2. CHƯƠNG II: KHẢO SÁT TÍNH TOÁN HỆ TRUYỀN ĐỘNG PHÒNG THÍ NGHIỆM
• 3. CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
• 3.1. Nguyên lý làm việc
• 3.2. Bài thí nghiệm 1 (khâu P)
• 3.3. Bài thí nghiệm 2 (khâu PI)
• 3.4. So sánh đánh giá kết quả thí nghiệm với tính toán
• KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC II

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều tại Đại học Thái Nguyên

Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều là một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực tự động hóa. Tại Đại học Thái Nguyên, nghiên cứu này không chỉ nhằm nâng cao hiệu suất mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất. Việc áp dụng công nghệ này giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và tăng độ chính xác trong điều khiển. Hệ thống này được điều khiển bởi PLC S7-300, cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp.

1.1. Định nghĩa và vai trò của hệ truyền động biến tần

Hệ truyền động biến tần là hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều. Nó giúp điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn của động cơ, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc. Công nghệ này ngày càng trở nên quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp.

1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng tại Đại học Thái Nguyên

Tại Đại học Thái Nguyên, hệ truyền động biến tần đã được nghiên cứu và ứng dụng từ nhiều năm qua. Các nghiên cứu này không chỉ phục vụ cho việc giảng dạy mà còn hỗ trợ cho các dự án nghiên cứu khoa học.

II. Thách thức trong nghiên cứu hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều

Mặc dù hệ truyền động biến tần mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng gặp phải không ít thách thức. Các vấn đề như độ ổn định của hệ thống, hiệu suất điều khiển và khả năng tương thích với các thiết bị khác là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng. Việc nghiên cứu và khắc phục những thách thức này là rất cần thiết để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.

2.1. Vấn đề ổn định trong hệ thống điều khiển

Độ ổn định của hệ thống điều khiển là một trong những yếu tố quan trọng. Nếu không được kiểm soát tốt, hệ thống có thể gặp phải hiện tượng dao động, ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc.

2.2. Khả năng tương thích với các thiết bị khác

Hệ truyền động biến tần cần phải tương thích với nhiều loại thiết bị khác nhau trong dây chuyền sản xuất. Việc này đòi hỏi sự nghiên cứu kỹ lưỡng về các giao thức truyền thông và các tiêu chuẩn kỹ thuật.

III. Phương pháp nghiên cứu hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều

Nghiên cứu hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều tại Đại học Thái Nguyên được thực hiện thông qua nhiều phương pháp khác nhau. Các phương pháp này bao gồm mô phỏng, thí nghiệm thực tế và phân tích dữ liệu. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng, giúp cung cấp cái nhìn toàn diện về hệ thống.

3.1. Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm

Mô phỏng hệ thống giúp dự đoán hành vi của hệ truyền động trong các điều kiện khác nhau. Phần mềm Matlab Simulink thường được sử dụng để thực hiện các mô phỏng này.

3.2. Thí nghiệm thực tế tại phòng thí nghiệm

Thí nghiệm thực tế là bước quan trọng để kiểm chứng các lý thuyết đã được mô phỏng. Tại phòng thí nghiệm, các thiết bị như biến tần M420 và động cơ điện xoay chiều được sử dụng để thực hiện các thí nghiệm.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ truyền động biến tần tại Đại học Thái Nguyên

Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều không chỉ được nghiên cứu mà còn được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn. Các ứng dụng này bao gồm trong các dây chuyền sản xuất tự động, hệ thống điều khiển bơm và quạt, cũng như trong các thiết bị điện dân dụng. Việc áp dụng công nghệ này giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất công nghiệp

Hệ truyền động biến tần được sử dụng trong nhiều dây chuyền sản xuất công nghiệp, giúp tối ưu hóa quy trình và tiết kiệm năng lượng.

4.2. Ứng dụng trong thiết bị điện dân dụng

Ngoài công nghiệp, công nghệ này cũng được áp dụng trong các thiết bị điện dân dụng như quạt, máy bơm, giúp tăng hiệu suất và giảm tiếng ồn.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của hệ truyền động biến tần

Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều tại Đại học Thái Nguyên đã chứng minh được giá trị của mình trong nghiên cứu và ứng dụng. Tương lai, công nghệ này sẽ tiếp tục phát triển với nhiều cải tiến về hiệu suất và tính năng. Việc nghiên cứu sâu hơn về các phương pháp điều khiển mới sẽ mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ

Công nghệ biến tần sẽ tiếp tục phát triển, với nhiều cải tiến về hiệu suất và tính năng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

5.2. Nghiên cứu và phát triển trong tương lai

Nghiên cứu sâu hơn về các phương pháp điều khiển mới sẽ mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, từ công nghiệp đến dân dụng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều ba pha là một trong những công nghệ then chốt trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa hiện đại. Ước tính khoảng 50% điện năng sản xuất được tiêu thụ bởi các hệ thống truyền động điện, trong đó động cơ không đồng bộ chiếm ưu thế nhờ kết cấu đơn giản, hiệu suất cao và giá thành hợp lý. Tuy nhiên, việc điều khiển động cơ điện xoay chiều gặp nhiều khó khăn do các thông số biến đổi theo thời gian và cấu trúc phức tạp của động cơ. Luận văn tập trung nghiên cứu khảo sát hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, nhằm ứng dụng vào sản xuất công nghiệp.

Mục tiêu nghiên cứu bao gồm tính toán và khảo sát hệ truyền động biến tần được điều khiển bằng bộ PID S7-300, tiến hành thí nghiệm kiểm nghiệm các chế độ làm việc của hệ truyền động với các bộ điều khiển khâu P và khâu PI, đồng thời đánh giá chất lượng hệ thống và đề xuất ứng dụng thực tiễn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ truyền động biến tần động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, sử dụng biến tần Micromaster M420 và bộ điều khiển PLC S7-300, thực hiện tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên trong năm 2014.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp tài liệu tham khảo cho công tác đào tạo, nghiên cứu và ứng dụng trong công nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành, bảo trì và phát triển các hệ thống truyền động điện thông minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết điều khiển vector không gian (Space Vector Modulation - SVM): Phép biến đổi Park được sử dụng để chuyển đổi hệ tọa độ ba pha (UA, UB, UC) sang hệ tọa độ hai pha (α, β) và tiếp tục sang hệ tọa độ (d, q) tựa theo từ thông rotor, giúp tách riêng điều khiển momen và từ thông, từ đó điều khiển độc lập các thành phần dòng điện.

• Mô hình điều khiển số PID trên PLC S7-300: Bộ điều khiển PID số được lập trình trên PLC S7-300, với các khối điều khiển logic, bộ nhớ chương trình, bộ đếm thời gian và các lệnh lập trình STL, LAD, FBD. Hệ điều khiển số này cho phép điều chỉnh linh hoạt các tham số điều khiển trong thời gian thực.

• Khái niệm và cấu trúc hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ: Hệ truyền động bao gồm động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc công suất 2,2 kW, biến tần Micromaster M420 với dải tần số ra 0-650 Hz, và bộ điều khiển trung tâm PLC S7-300. Hệ thống sử dụng encoder quang học để phản hồi tốc độ động cơ.

Các khái niệm chính bao gồm vector không gian, phép biến đổi Park, mạch vòng phản hồi tốc độ và dòng điện, hàm số truyền của các khâu trong hệ thống, cũng như tiêu chuẩn ổn định Routh cho hệ điều khiển số.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm thực tế tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, kết hợp với mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink để khảo sát chất lượng hệ thống.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ dựa trên lý thuyết vector không gian và điều khiển PID số.

• Tính toán hàm số truyền của các khâu trong hệ thống, bao gồm biến tần, động cơ, bộ điều khiển PID và các mạch vòng phản hồi.

• Áp dụng tiêu chuẩn ổn định Routh để đánh giá tính ổn định của mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ.

• Thực hiện thí nghiệm với các chế độ điều khiển khâu P và khâu PI, so sánh kết quả thực nghiệm với mô phỏng và lý thuyết.

Cỡ mẫu nghiên cứu là hệ thống truyền động thực nghiệm tại phòng thí nghiệm, với các thông số kỹ thuật cụ thể như động cơ 2,2 kW, biến tần Micromaster M420, PLC S7-300 và encoder quang học. Phương pháp chọn mẫu là khảo sát toàn bộ hệ thống thực nghiệm có sẵn nhằm đảm bảo tính thực tiễn và khả năng ứng dụng.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2014, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, mô phỏng, thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển bằng bộ PID số trên PLC S7-300: Kết quả thí nghiệm cho thấy hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều được điều khiển bằng bộ PID số có khả năng đáp ứng nhanh và ổn định. Với các hệ số điều khiển Kp và Ki được lựa chọn phù hợp, thời gian đáp ứng dòng điện đạt khoảng 0,002 giây, đáp ứng tốc độ đạt ổn định trong vòng 0,005 giây, tương ứng với mô phỏng trên Matlab Simulink.

2. So sánh chất lượng điều khiển giữa khâu P và khâu PI: Thí nghiệm cho thấy khâu PI cải thiện đáng kể độ ổn định và giảm sai số ổn định so với khâu P đơn thuần. Cụ thể, sai số tốc độ giảm từ khoảng 5% xuống dưới 1,5%, đồng thời giảm hiện tượng dao động quá độ.

3. Tính ổn định của hệ thống: Qua phân tích tiêu chuẩn Routh, các hệ số điều khiển PID và thời gian lấy mẫu được lựa chọn đảm bảo điều kiện ổn định cho cả mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ. Việc lựa chọn tần số cắt mẫu phù hợp (theo định lý Shannon) giúp tránh hiện tượng trễ và dao động không mong muốn.

4. Khả năng ứng dụng thực tế: Hệ truyền động biến tần động cơ không đồng bộ được điều khiển bằng PLC S7-300 có thể ứng dụng hiệu quả trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, đặc biệt trong các máy móc yêu cầu điều chỉnh tốc độ linh hoạt và chính xác.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả điều khiển là do việc áp dụng lý thuyết điều khiển vector không gian kết hợp với bộ điều khiển PID số trên nền tảng PLC S7-300, cho phép xử lý tín hiệu nhanh và chính xác. So với các nghiên cứu trước đây về điều khiển động cơ xoay chiều, kết quả này khẳng định tính khả thi và ưu việt của phương pháp điều khiển số trong môi trường thực nghiệm.

Việc sử dụng biến tần Micromaster M420 với khả năng điều khiển đa tốc độ và bảo vệ toàn diện cũng góp phần nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Kết quả mô phỏng trên Matlab Simulink tương đồng với kết quả thực nghiệm, chứng tỏ mô hình toán học và phương pháp phân tích được xây dựng có độ chính xác cao.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đáp ứng dòng điện và tốc độ theo thời gian, bảng so sánh sai số giữa các chế độ điều khiển, cũng như bảng phân tích ổn định hệ thống theo tiêu chuẩn Routh, giúp minh họa rõ ràng các phát hiện chính.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường đào tạo và nâng cao kỹ năng vận hành PLC S7-300: Đào tạo chuyên sâu cho kỹ thuật viên và kỹ sư về lập trình và hiệu chỉnh bộ điều khiển PID trên PLC nhằm tối ưu hóa hiệu suất hệ truyền động. Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể: Trường Đại học, các trung tâm đào tạo kỹ thuật.

2. Ứng dụng hệ truyền động biến tần trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp: Triển khai lắp đặt và vận hành hệ truyền động biến tần động cơ không đồng bộ điều khiển bằng PLC trong các nhà máy sản xuất để nâng cao hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Mục tiêu: giảm tiêu thụ điện năng khoảng 10-15%; Thời gian: 1-2 năm; Chủ thể: Doanh nghiệp sản xuất.

3. Nghiên cứu mở rộng điều khiển đa biến và tích hợp cảm biến thông minh: Phát triển hệ thống điều khiển tích hợp nhiều cảm biến để nâng cao độ chính xác và khả năng tự động hóa, hướng tới hệ truyền động thông minh. Thời gian: 2 năm; Chủ thể: Các viện nghiên cứu và trường đại học.

4. Xây dựng tài liệu hướng dẫn vận hành và bảo trì hệ truyền động biến tần: Soạn thảo tài liệu chi tiết về nguyên lý, cấu tạo, vận hành và sửa chữa hệ truyền động biến tần động cơ xoay chiều, phục vụ công tác đào tạo và thực tiễn. Thời gian: 1 năm; Chủ thể: Nhà trường, các trung tâm kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về hệ truyền động biến tần, giúp nâng cao hiểu biết và kỹ năng thực hành.

2. Kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống truyền động điện: Tài liệu chi tiết về cấu trúc, nguyên lý và phương pháp điều khiển giúp cải thiện hiệu quả vận hành và xử lý sự cố.

3. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện và tự động hóa: Cung cấp cơ sở lý thuyết và kết quả thực nghiệm để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

4. Doanh nghiệp sản xuất và nhà máy công nghiệp: Tham khảo để ứng dụng công nghệ biến tần và PLC trong nâng cao năng suất và tiết kiệm năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều là gì?
   Hệ truyền động biến tần là hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều bằng cách thay đổi tần số và điện áp cung cấp, giúp điều chỉnh tốc độ và momen động cơ linh hoạt, tiết kiệm năng lượng.

2. Tại sao sử dụng PLC S7-300 trong điều khiển biến tần?
   PLC S7-300 có khả năng lập trình linh hoạt, xử lý nhanh các thuật toán điều khiển PID số, dễ dàng tích hợp với các thiết bị công nghiệp, giúp nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống.

3. Phương pháp điều khiển vector không gian có ưu điểm gì?
   Phương pháp này cho phép tách riêng điều khiển momen và từ thông, giúp điều khiển động cơ xoay chiều tương tự như động cơ một chiều, nâng cao hiệu suất và khả năng đáp ứng của hệ thống.

4. Làm thế nào để đảm bảo tính ổn định của hệ truyền động?
   Tính ổn định được đánh giá qua tiêu chuẩn Routh, lựa chọn các hệ số điều khiển PID và tần số lấy mẫu phù hợp để tránh dao động và trễ trong hệ thống.

5. Ứng dụng thực tế của hệ truyền động biến tần điều khiển bằng PLC là gì?
   Hệ truyền động này được ứng dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, máy móc tự động, giúp điều chỉnh tốc độ chính xác, tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng và khảo sát thành công hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều ba pha điều khiển bằng bộ PID số trên PLC S7-300, với kết quả thực nghiệm và mô phỏng tương đồng.
• Phân tích ổn định hệ thống theo tiêu chuẩn Routh cho thấy các tham số điều khiển được lựa chọn đảm bảo tính ổn định và hiệu quả vận hành.
• So sánh giữa các chế độ điều khiển khâu P và khâu PI cho thấy khâu PI cải thiện đáng kể độ ổn định và giảm sai số.
• Kết quả nghiên cứu có giá trị ứng dụng thực tiễn cao, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì hệ truyền động trong công nghiệp.
• Đề xuất các giải pháp đào tạo, ứng dụng và phát triển hệ truyền động biến tần nhằm thúc đẩy tự động hóa và tiết kiệm năng lượng trong sản xuất.

Tiếp theo, cần triển khai các đề xuất ứng dụng thực tế và mở rộng nghiên cứu điều khiển đa biến tích hợp cảm biến thông minh. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển các kết quả này trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU SƠ ĐỒ KHỐI HỆ TRUYỀN ĐỘNG PHÒNG THÍ NGHIỆM 1. Sơ đồ khối Kp U Sp e PID Ki Biến tần V (S7-300) (M420) Kd W Pv Động cơ 3 pha Encoder Tín hiệu xung Encoder chuyển đổi sang tốc độ động cơ Hình 1-1: Sơ đồ khối truyền động hệ thống Các thiết bị trong sơ đồ và thông số kỹ thuật: 1 - Động cơ: 2,2 KW; U = 380VAC; Iđm = 5A 2 - Biến tần Micromaster M420 3 - Bộ điều khiển trung tâm PLC S7-300 4 – Encoder 2. Chức năng và nhiệm vụ các thiết bị trong sơ đồ 2.

Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc Động cơ điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ điện. 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. Động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp và trong đời sống hàng ngày. Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.vn/ 3 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, 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. Hệ truyền động điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc với tốc độ thay đổi được. Hiện nay 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 động cơ và 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 điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và là công cụ không thể thiếu trong quá trình tự động hóa. Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như: Kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao. Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng bộ được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn KW.

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. So với máy điện một chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp rất nhiều khó khăn bởi vì 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 máy của động cơ điện xoay chiều so với máy điện một chiều. Cho nên việc tách riêng điều khiển giữa momen và từ thông để có thể điều khiển độc lập đòi hỏi một hệ thống có thể tính toán cực nhanh và chính xác trong việc qui đổi các giá trị xoay chiều về các biến đơn giản. Vì vậy, cho đến gần đây, phần lớn động cơ xoay chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi.

Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www. Giới thiệu biến tần – Biến tần M 420 (hình 1-2) Hình 1-2: Hình dáng của Biến tần M 420 2. Thông số kỹ thuật - Nguồn cấp: 3 pha 200 – 240V, 380 – 480V, 50/60Hz - Dải tần số ra: 0 - 650 Hz. - Khả năng quá tải 150% trong 60 giây - Hiệu suất chuyển đổi đến 97%.

- Dải điều khiển từ: 0 - 10V, 4 - 20 mA. - Tần số sóng mang lên tới 16 KHz. - Dải công suất: 0. - Chế độ điều khiển động cơ: Tuyến tính U/f, bình phương U/f.

Chức năng vận hành: Điều khiển đa tốc độ, Điều khiển PID, tự động reset khi có lỗi, tự động dò chức năng, kết nối truyền thông RS 485. Bảo vệ quá áp, sụt áp, quá tải, nhiệt độ quá cao, lỗi CPU, lỗi bộ nhớ, chạm mát đầu ra khi cấp nguồn. - Tiêu chuẩn bảo vệ IP 20 Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha được biểu diễn (hình 1-3), Sơ đồ gồm 6 van điều khiển hoàn toàn V1, V2., V6 và diode ngược D1, D2,. Các diode ngược giúp cho quá trình trao đổi công suất phản kháng giữa tải với nguồn.

Đầu vào một chiều là một nguồn áp với đặc trưng có tụ C, giá trị đủ lớn. Phụ tải 3 pha động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc. Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.vn/ 5 Đối với nghịch lưu áp ba pha có ba phương pháp điều khiển để tạo ra một hệ thống điện áp trên tải, đó là: - Phương pháp cơ bản - Phương pháp biến điệu bề rộng xung (Pulse Width Modulation- PWM). - Phương pháp biến điệu vector không gian (Spce Vector Modulation- SVM) Trong bài thí nghiệm này biến tần được điều khiển SVM.

Hình 1-3: Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha Trên (hình 1-3), chỉ thể hiện tín hiệu điều khiển cho ba van V1, V3, V5, nối lên thanh dẫn (+) của nguồn một chiều. Các van nối xuống thanh dẫn (-) được điều khiển ngược lại. Lưu ý dạng của tín hiệu điều khiển trong mỗi chu kỳ xung răng cưa Ts có dạng đối xứng theo mỗi nửa chu kỳ Ts/2. Lý do là đầu chu kỳ và giữa chu kỳ, tín hiệu răng cưa có biên độ lớn nhất nên không thể cắt một điện áp sin chuẩn nào.

Trong mỗi nửa chu kỳ Ts/2 đều có 4 khoảng thời gian đặc trưng: t0, t1, t2, t3. Trong khoảng t0 cả ba van V1, V3, V5 đều dẫn, hay nói cách khác là tải ba pha đầu ra bị nối ngắn mạch lên thanh dẫn (+) của nguồn một chiều E. Điện áp ra tải ở cả ba pha đều bằng không. Trong khoảng t3 cả ba van V2, V4, Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.vn/ 6 V6 đều dẫn, nói cách khác là tải đầu ra bị nối ngắn mạch xuống thanh dẫn (-) của nguồn một chiều E.

Điện áp ta ở cả ba pha cũng đều bằng không. Quá trình điều chế chỉ diễn ra trong khoảng t1 và t2. Trong các khoảng t1 và t2 có thể xác định được dạng điện áp ra nhờ các sơ đồ tương đương. Điều khiển biến tần theo phương pháp vector không gian - Khái niệm về vector không gian: Trước hết ta cần đưa các khái niệm về vector không gian.

Một hệ thống điện áp, dòng điện ba pha bất kỳ có thể biểu diễn như một vector gồm ba thành phần điện áp, dòng điện ba pha bất kỳ có thể biểu diễn như một vector gồm ba thành phần: u = (uA, uB, uC) hoặc i = (iA, iB, iC). Cách biểu diễn này không thuận tiện vì mỗi vector được biểu diễn bởi ba tọa độ, hay nói cách khác ta cần một hệ tọa độ gồm ba trục cơ bản để mô tả các vector. Park đã đưa ra phép biến đổi, gọi là phép biến đổi Park, cho phép biến đổi tọa độ ba trục bất kỳ về hệ tọa độ hai trục, thuận tiện cho việc biểu diễn các vector theo cách con người có thể nhìn nhận một cách thông thường. Theo phép biến đổi của Park, một hệ thống ba pha bất kỳ.

Điện áp hay dòng điện, biểu diễn qua một vector trên mặt phẳng tọa độ 0αβ như sau: 2 u = (uA + auB + a2uC) , 3 2π j 1 3 Trong đó a = e 3 =− + j ; j : Đơn vị số phức ảo (j2 = - 1) 2 2 Nếu uA, uB, uC là một hệ thống điện áp ba pha sao cho: u A = U m cos (ω t) 2π u B = U m cos (ω t - ) 3 2π u C = U m cos (ω t + ) 3 Thì u C = U m e j (ωt ) r Điều này nghĩa là trên mặt phẳng tọa độ 0αβ, u là một vector có độ dài bằng biên độ của các điện áp pha, quay quanh gốc tọa độ với tốc độ góc bằng ω. Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.vn/ 7 - Trạng thái của van và các vector biên chuẩn: Trong sơ đồ nghịch lưu áp ba pha như (hình 1.3), các van điều khiển phải tuân theo những quy luật nhất định, đó là không được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vào, không được hở mạch bất cứ pha nào ở đầu ra. Không được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vào vì sẽ sinh ra dòng lớn, phá hủy van. Khi van điều khiển không nối một pha đầu nào đó với thanh dẫn (+) hoặc (-) của nguồn một chiều, dòng có thể vẫn phải chạy qua các diode, dẫn đến điện áp ra phụ thuộc vào tải, nghịch lưu không còn là nghịch lưu áp như mong muốn.

Do những quy luật trên chỉ có 8 trạng thái van được phép, như được biểu diễn trong bảng dưới đây: STT Van dẫn uA uB uC r u 0 V1,V3,V5 0 0 0 0 π 1 V5,V6,V1 1/3E -2/3E 1/3E 2 −j3 Ee 3 2 j0 2 V6,V2,V2 2/3E -1/3E -1/3E Ee 3 π 3 V1,V2,V3 1/3E 1/3E -2/3E 2 j3 Ee 3 π 4 V2,V3,V4 -1/3E 2/3E 1/3E 2 −j3 Ee 3 2 − jπ 5 V3,V4,V5 -2/3E 1/3E 1/3E Ee 3 2π 6 V4,V5,V6 -1/3E -1/3E 2/3E 2 −j 3 Ee 3 7 V2,V4,V6 0 0 0 0 Với mỗi trạng thái van, các điện áp pha có giá trị tương ứng. Tính toán r vector không gian u , có thể thấy rằng các trạng thái van từ 1 đến 6 ứng sáu vector, có hướng cố định trên mặt phẳng tọa độ 0αβ, như trên (hình 1. Các Soá hoùa bôûi Trung taâm Hoïc lieäu –ĐHTN http://www.vn/ 8 vector, gọi là vector biên chuẩn, tạo nên đỉnh của một lục giác đều và được chia mặt phẳng thành sáu góc bằng nhau gọi là các vector, được đánh số từ I đến VI. r β r u4 u3 III r r ut u IV r r u0 θ II α u5 r u7 r r up u2 V I VI r r u6 u1 Hình 1-4: Vector không gian và các vector biên chuẩn - Tổng hợp vector không gian từ các vector biên: Một vector không gian bất kỳ, giả sử nằm trong một góc phần sáu nào đó, có thể được tổng hợp r từ hai vector biên trên (hình 1.