Nghiên cứu hệ truyền động máy cắt cuộn lai sử dụng biến tần 4 góc phần tư

ịnh và được ghi trên nhãn máy. Vì máy điện không đồng bộ chủ yếu làm việc ở chế độ động cơ điện nên trên nhãn máy ghi các trị số định mức của động cơ điện khi máy tải định mức. Các trị số đó thường bao gồm công suất định mức đầu trục, dòng điện dây định mức, điện áp dây định mức, cách đấu dây, tốc độ quay định mức, hiệu suất định mức và hệ số công suất định mức... Trên stato của máy điện không đồng bộ có dây quấn m pha (thường m=3), trên roto có dây quấn n pha (thường n=3 đối với động cơ roto dây quấn, còn đối với động cơ roto lồng sóc n>3 dây quấn nhiều pha). Như vậy trong máy có 2 mạch điện không nối với nhau và giữa chúng chỉ có sự liên hệ về cảm ứng từ. Khi máy làm việc bình thường, trên dây quấn stato có từ thông tản và tương ứng có điện kháng, trên dây quấn roto cũng vậy và giữa hai dây quấn có hỗ cảm. Vì vậy có thể coi máy điện không đồng bộ như một máy biến áp mà dây quấn stato là dây quấn sơ cấp, dây quấn roto là dây quấn thứ cấp và sự liên hệ giữa hai mạch điện sơ cấp và thứ cấp là thông qua từ trường quay. Bình thường khi làm việc dây quấn roto của máy điện không đồng bộ được nối ngắn mạch và máy quay với một tốc độ nào đó. Động cơ không đồng bộ chia làm hai loại: động cơ roto dây quấn và động cơ roto lồng sóc. Hình 2.1. Động cơ không đồng bộ Khi nghiên cứu máy động cơ điện không đồng bộ ta đưa ra một số giả thiết: Ba pha của động cơ là đối xứng, khe hở không khí là đều. Các thông số của động cơ không đổi, nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở roto không phụ thuộc vào tần số dòng điện roto, mạch từ máy điện chưa bão hòa nên các điện kháng không đổi. Tổng dẫn mạch từ hóa không thay đổi, dòng điện từ hóa không phụ thuộc tải mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt vào động stato động cơ. Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép. Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng ba pha. Để tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ điện, dựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ: công suất điện chuyển từ stato sang roto: (2.1) là momen điện từ của động cơ. Nếu bỏ qua các tổn thất cơ học thì . Công suất điện từ chia làm 2 phần: công suất cơ đưa ra trên trục động cơ (nếu bỏ qua tổn thất cơ khí). công suất tổn hao đồng trong roto. (2.2) hay (2.3) Do đó: (2.4) Mặt khác: (2.5) Nên: (2.6) Ta có biểu thức momen của động cơ không đồng bộ: M= (2.7) Uf1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato R1, R - điện trở cuộn dây stato và rotor đã qui đổi về stato. Xnm - điện kháng ngắn mạch ω1- tốc độ góc của từ trường quay hay còn gọi là tốc độ đồng bộ s - độ trượt M- momen động cơ. Độ trượt tới hạn: (2.8) Momen tới hạn: (2.9) Trong hai biểu thức trên dấu (+) ứng với trạng thái làm việc động cơ, dấu (-) ứng với trạng thái máy phát. Do đó momen tới hạn ở chế độ máy phát lớn hơn momen tới hạn ở chế độ động cơ. Từ phương trình đặc tính cơ động cơ không đồng bộ, ta thấy các thông số ảnh hưởng đặc tính cơ bao gồm: + ảnh hưởng của điện áp stato. + ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato. + ảnh hưởng của điện trở mạch roto. + ảnh hưởng của thay đổi tần số lưới cấp cho động cơ. Ngoài ra việc thay đổi số đôi cực sẽ thay đổi tốc độ đồng bộ và làm thay đổi đặc tính cơ. 2.2. Giới thiệu biến tần. Các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và tính chất động học chỉ có thể thực hiện với các bộ biến tần. Các hệ này sử dung động cơ KĐB roto lồng sóc có kết cấu đơn giản, vững chắc, giá thành rẻ, có thể làm việc trong mọi môi trường. Nhược điểm cơ bản của hệ thông này là mạch điều khiển rất phức tạp. Hình 2.2. Giá thành hệ truyền động Các hệ truyền động dùng động cơ xoay chiều có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ và các đặc tính cơ cần phải kết hợp với biến tần tạo nên các hệ truyền động dùng động cơ - biến tần. Hình 2.3. Mô hình biến tần 2.2.1. Biến tần trực tiếp. Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều, không thông qua khâu trung gian một chiều. Biến tần trực tiếp là loại biến tần có tần số đầu ra luôn nhỏ hơn tần số lưới f1. Bộ biến tần này gồm hai bộ chỉnh lưu nối song song ngược. Đặc điểm của loại biến tần này là số van bán dẫn lớn nên độ phức tạp trong điều chỉnh lớn nên ít sử dụng. Thực tế thường sử dụng cho hệ truyền động công suất lớn. 2.2.2. Biến tần gián tiếp nguồn áp. Thường sử dụng cho truyền động nhiều động cơ. Loại biến tần này yêu cầu chất lượng điện áp cao, thường là các biến tần có điều chế độ rộng xung. Bộ biến tần với nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung với bộ chỉnh lưu dùng diod. Điện áp 1 chiều từ bộ chỉnh lưu không điều khiển có trị số không đổi được lọc nhờ tụ điện có trị số khá lớn. Điện áp và tần số được điều chỉnh nhờ bộ điều chỉnh nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM). Các mạch nghịch lưu bằng các tranzito (BJT, MOSFEST, IGBT) được điều khiển theo nguyên lý PWM đảm bảo cung cấp điện áp động cơ có dạng gần sin nhất. Bộ biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lưu điều khiển. Điện áp điều chỉnh nhờ bộ chỉnh lưu có điều khiển (thông thường bằng thyristor hoặc tranzistor) .Bộ nghịch lưu có chức năng điều chỉnh tần số động cơ .Dạng điện áp ra có dạng hình xung vuông. Hình 2.4. Biến tần nguồn áp 2.2.3. Biến tần có nghịch lưu độc lập nguồn dòng. Loại biến tần này thích hợp cho truyền động đảo chiều, công suất động cơ truyền động lớn. Nguồn 1 chiều cung cấp cho nghịch lưu là nguồn với bộ lọc là cuộn kháng đủ lớn. Hình 2.5. Biến tần nguồn dòng 2.3. Khái quát về điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ. Điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ là phương pháp điều chỉnh kinh tế, tuy vậy nó 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 , còn momen là do tác động từ thông với dòng điện roto . Hướng thứ hai là coi roto là phần cảm tạo ra từ thông , còn momen là do tác động từ thông với dòng stato . Tuy vậy cả dòng điện , và từ thông , đều được xác định từ một nguồn cấp từ stato U1, f1. Vì vậy khi điều chỉnh tần số, động cơ không đồng bộ được xem như đối tượng điều chỉnh phi tuyến đa thông số tác động xen kênh như hình vẽ: Hình 2.6. Mô tả vào ra động cơ không đồng bộ khi điều khiển tần số Đầu vào thứ nhất: 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 là momen và tốc độ. momen cản được coi là đầu vào tải. Khi điều chỉnh tần số f1 tốc độ động cơ thay đổi, vấn đề quan trọng ở đây là tham số đầu ra momen động cơ cần phải điều khiển cân bằng với momen 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 giá trị điện áp U1 hoặc dòng điện I1 ở giá trị tần số f1 để động cơ sinh ra momen đáp ứng momen tải, sao cho tổn thất công suất và lượng tiêu thụ công suất phản kháng nhỏ nhất. Từ lý luận trên ta thấy từ thông máy điện không đồng bộ khi điều khiển tần số là thông số điều khiển cực kỳ quan trọng. Lịch sử phát triển điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ đầu tiên xuất phát từ thông số điều khiển từ thông stato 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 hai loại: Điều khiển điện áp- tần số sao cho từ thông stato là hàm của momen tải (còn gọi là điều khiển năng lực quá tải không đổi) phương pháp này dễ thực hiện, có hiệu quả là lượng tổn thất công suất tác dụng nhỏ, lượng tiêu thụ công suất phản kháng luôn luôn nhỏ hơn hoặc bằng công suất phản kháng định mức. Tuy vậy ổn định tốc độ ở tốc độ thấp gặp khó khăn. Điều chỉnh điện áp- tần số hoặc dòng điện sao cho từ thông stato luôn luôn không đổi ở toàn dải điều chỉnh . Phương pháp này dễ thực hiện, tuy vậy tổn thất công suất tác dụng và lượng tiêu thụ công suất phản kháng không phải là nhỏ nhất. Việc ổn định tốc độ thấp khó khăn, do vậy điều khiển vô hướng được ứng dụng trong công nghiệp khi yêu cầu điều chỉnh sâu tốc độ. Khi phép biến đổi tuyến tính không gian vector áp dụng cho động cơ không đồng bộ mở ra hướng điều khiển vector cho động cơ không đồng bộ. Năm 1971 hãng Siemens đề xuất điều khiển vector định hướng theo từ thông roto. Tinh thần của phương pháp là dùng công cụ biến đổi vector để ước lượng đại lượng vector từ thông roto và điều chỉnh nó. Còn momen động cơ điều chỉnh qua thành phần vector dòng điện stato. Như vậy phương pháp này coi roto 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 được áp dụng rộng rãi vào công nghiệp. Phương pháp này tạo nên cuộc cách mạng trong điều khiển động cơ không đồng bộ, nó có thể làm việc ổn định rất tốt ở tốc độ cận không, do vậy nó cạnh tranh có hiệu quả với truyền động động cơ một chiều. Ngày nay phương pháp này được gọi là điều khiển vector định hướng theo trường roto FOC. Phương pháp thứ 3 là phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC. Tinh thần của phương pháp này là điều khiển vị trí vector từ thông stato để điều khiển momen động cơ. Để thực hiện phương pháp này, cần dựa trên phép biến đổi vector để xác định độ lớn và vị trí vector từ thông stato, thay đổi vector điện áp stato Us để thay đổi vị trí vector từ thông stato. Phương pháp này có ưu điểm là chỉ cần quan tâm tới các giá đại lượng vector stato, không cần xác định vị trí roto nên đơn giản, điều khiển vị trí vector từ thông stato thông qua hàm đóng cẳt tranzitor lực của nghịch lưu nên đáp ứng momen nhanh. Nhược điểm của phương pháp này là do bộ điều chỉnh từ thống và momen là ON/OFF hai hoặc ba vị trí dẫn đến các xung momen động cơ, nên khi làm việc ở tốc độ thấp khó ổn định. Hiện nay phương pháp điều khiển vector đã chứng tỏ được ưu điểm vượt trội so với các phương pháp điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ. Bởi vậy, trong phạm vi đồ án này lựa chọn nghiên cứu phương pháp điều khiển vector động cơ không đồng bộ. Trước hết cần nghiên cứu mô hình động cơ không đồng bộ trong không gian vector. 2.4. Mô hình động cơ không đồng bộ. 2.4.1. Mô hình động cơ không đồng bộ trong không gian vector. Động cơ không đồng bộ 3 pha nói chung bao gồm sáu dây quấn, trong đó dây quấn stato được cố định và cách nhau một phần ba vòng tròn, ba dây quấn pha roto cũng được đặt lệch nhau một phần ba vòng tròn, song chúng lại được quay quanh trục roto, giữa dây quấn pha stato và dây quấn pha roto được liên hệ với nhau bởi cảm ứng điện từ qua khe hở không khí, có chiều dài h. Hình 2.7. Điện áp và dòng điện cuộn dây trong động cơ không đồng bộ, sơ đồ dây quấn Hình 2.8. Mô hình vector động cơ không đồng bộ 3 pha và hình ảnh vector tại thời điểm to Định nghĩa được một vector điện áp stato có 3 thành phần lệch nhau trong không gian: (2.10) Sau một chu kỳ điện áp nguồn, nếu số đôi cực của dây quấn =1 thì đầu mút vector sẽ vẽ nên một đường tròn. Trong tính toán, thường định nghĩa vector mới, có biên độ đúng bằng biên độ điện áp pha: (2.11) (2.12) trong đó (2.13) Các đại lượng điện từ khác như dòng điện stato, từ thông stato, dòng điện từ hoá, dòng điện roto, từ thông khe hở không khí... cũng có thể được định nghĩa dưới dạng vector tương tự như trên. Tất cả các vector điện từ đều quay trong mặt phẳng với tốc độ quay bằng tốc độ , tốc độ này gọi là tốc độ từ trường quay. Về mặt năng lượng có thể coi các vector không gian là hoàn toàn đại diện cho các đại lượng ba pha trong thời gian và như vậy, một máy điện có hai dây quấn s và r, nếu trên đó đặt vector điện áp tương ứng thì sẽ sinh ra các vector điện từ không gian còn lại tương tự như chúng được sinh ra bởi các đại lượng ba pha trong thời gian, mô hình máy điện như vậy được gọi là mô hình máy điện trong toạ độ cực. Hình 2.9. Mô hình máy điện trong tọa độ cực Quy ước: A,B,C chỉ thứ tự pha các cuộn dây rotor và a,b,c chỉ thứ tự pha các cuộn dây stator. Vì ba pha đối xứng nên: Ra =Rb =Rc = Rs , RA =RB =RC =Rr (2.14) L aa =L bb =L cc =L s1 , L AA =L BB =L CC =L r1 (2.15) L ab =L ba =L bc ...=-M s , L AC =L BC =L AB ...=-M r (2.16) L aA =L bB =L cC =L Aa = L Bb =L Cc =Mcosq (2.17) L aB =L bC =L cA =L Ba = L Cb =L Ac =Mcos(q+2p/3) (2.18) L aC =L bA =L cB =L Ca = L Ab =L Bc =Mcos(q -2p/3) (2.19) (2.20) (2.21) (2.22) (2.23) Các phương trình điện áp trong không gian toạ độ cực: (2.24) (2.25) Các phương trình của từ thông: (2.26) và momen điện từ: (2.27) 2.4.2. Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ toạ độ trực giao. Hình 2.10. Mô tả hệ tọa độ Mô hình toạ độ cực của động cơ không đồng bộ không thuận tiện cho các tính toán điều khiển, mặt khác ta thấy rằng tất cả các đại lượng vector đều quay trong mặt phẳng cắt ngang của động cơ, do đó có thể quy đổi sang hệ toạ độ Đề-các, gọi hệ toạ độ này là , trong đó trục O được chọn trùng với trục dây quấn pha a stato. (2.28) (2.29) (2.30) (2.31) Có thể lập được mối quan hệ giữa các đại lượng trong hai không gian khác nhau: (2.32) (2.33) Có thể thực hiện phép biến đổi tương đương các đại lượng không gian ba pha thành các đại lượng trong không gian hai pha: (2.34) (2.35) Những điều trên hoàn toàn đúng với các đại lượng điện từ còn lại như: từ thông roto và stato, dòng điện stato, roto và từ hóa, điện áp roto... Vì hai trục toạ độ là trực giao, nên có thể viết được phương trình cho từng trục toạ độ. (2.36) (2.37) (2.37) (2.38) (2.39) (2.40) (2.41) (2.42) Hình 2.11. Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ Momen điện từ: (2.41) 2.4.3.Vector không gian trong hệ toạ độ quay. Nhìn lại mô hình máy điện trong hệ tọa độ cực, đại lượng véc tơ được xác định bởi độ dài (mô đun) của véc tơ và vị trí góc pha () tính từ trục cực đứng yên đến véc tơ. Trong chế độ xác lập, độ dài véc tơ là hằng số còn góc pha lấy các giá trị từ 0 đến 2pi, đầu mút véc tơ vẽ nên một đường tròn có bán kính đúng bằng mô đun. Cho trục cực quay với một tốc độ đúng bằng tốc độ đồng bộ . Các đại lượng véc tơ stato được biểu diễn trong hệ tọa độ quay với tốc độ đồng bộ, tức là chúng được quay đi một góc đúng bằng , lúc này để phân biệt với mô tả trong hệ tọa độ cực (đứng yên) ta thêm vào ký hiệu chỉ số “k”. Trong đó do bản thân dây quấn roto đã quay với góc , nên góc quay “thực” của các đại lượng véc tơ roto là . Hình 2.12. Khái niệm về trục tọa độ quay (2.42) (2.43) (2.44) (2.45) (2.46) (2.47) Hình 2.13. Sơ đồ thay thế quy đổi trong hệ tọa độ quay 2.4.4. Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ toạ độ trực giao, quay đồng bộ. Đặt vector trong hệ toạ độ trực giao (x,y), quay đồng bộ với tốc độ đồng bộ . (2.48) (2.49) là góc lệch pha giữa vector điện áp và trục. Chuyển đổi giữa các đại lượng mô tả trên các hệ toạ độ trực giao quay và đứng yên: (2.49) mô hình động cơ: (2.50) (2.51) (2.52) (2.53) với là tốc độ trượt của động cơ. Hình 2.14. Các hệ thống tọa độ trực giao Hình 2.15. Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ trực giao, quay đồng bộ với từ trường quay 2.5. Điều khiển vector tựa từ thông rotor. Phương pháp điều khiển cả biên độ và vị trí pha của vector dòng điện (điện áp) giúp tạo được hệ thống điều chỉnh từ thông hoàn hảo mà không cần sử dụng cảm biến từ thông động cơ. Trong chế độ xác lập, vector từ thông roto quay đồng bộ với từ trường quay stato, chọn vector này trùng với trục Ox của hệ thống toạ độ quay đồng bộ. Hình 2.16. Đồ thị vector cho phương pháp điều khiển vector tựa từ thông roto Hệ điều khiển cũng tương tự như hệ điều khiển động cơ một chiều. Hình 2.17. So sánh động cơ 1 chiều kích từ độc lập và động cơ không đồng bộ Trong chế độ xác lập thì vì tất cả các vector đều quay đồng bộ với hệ trục toạ độ nên góc lệch giữa và Ox là hằng số và do đó các thành phần của dòng điện chiếu lên trục cũng sẽ là một chiều (biến thiên rất chậm). Vì trục Ox trùng với vector từ thông roto nên: (2.54) (2.55) cũng trùng với vector do đó là thành phần sinh từ thông roto. (2.56) (2.57) Khi giữ biên độ vector từ thông rotor không đổi, momen của động cơ tỷ lệ thuận với thành phần dòng điện stato chiếu lên trục Oy, , và do đó thành phần dòng điện này gọi là thành phần dòng điện sinh momen. Trong phương pháp này phải xác định được vị trí góc của vector từ thông, góc này chính là tổng giữa vị trí góc của trục dây quấn roto và góc trượt. Biên độ của từ thông roto cũng vẫn được tính toán nhận dạng bằng một mô hình từ thông để cung cấp tín hiệu phản hồi cho bộ điều chỉnh giữ biên độ từ thông không đổi. Mặt khác trong đoạn làm việc của đặc tính cơ coi là tuyến tính thì momen tải tỷ lệ thuận với độ trượt s, hay tốc độ trượt . (2.58) để ý rằng: (2.59) Không thấy rõ một kênh điều chỉnh tần số, tuy nhiên quá trình điều chỉnh tần số được ẩn trong việc điều khiển thành phần tức là làm cho vector dòng điện stato có đầu mút vẽ lên một đoạn quỹ đạo sao cho vẫn điều khiển được momen mà từ thông roto là không đổi. Quá trình ấy được mô tả như sau, với giả thiết vị trí véc tơ từ thông roto biến thiên chậm hơn so với véc tơ dòng điện (và điện áp) stato. Giả thiết muốn tăng tốc độ, cần tạo ra mômen điện từ lớn hơn momen tải, ta phải vừa tăng biên độ is , vừa quay nhanh véc tơ is sao cho góc lớn hơn trước, để làm được việc này cần tăng tần số chuyển mạch của biến tần. Kết quả là m”men điện từ tăng lên, gia tốc trở nên dương và tốc độ r”to bắt đầu tăng lên. Khi tốc độ tăng lên thì đồng thời làm cho góc giảm dần, khi góc này đạt được giá trị ban đầu (trước khi tăng tốc) thì momen điện từ cân bằng momen tải, hệ thống làm việc xác lập với tần số và tốc độ lớn hơn giá trị ban đầu. Hình 2.18. Điều khiển tựa từ thông roto trực tiếp (2.60) (2.61) Trong đó Tr = Lr /Rr là hằng số thời gian điện từ của mạch roto. Để ý rằng các biểu thức trong ngoặc đơn của hai phương trên tương ứng là thành phần dọc trục và thành phần ngang trục của véc tơ từ thông roto, nên ta có: (2.62) Hình 2.19. Mô hình từ thông từ dòng điện Hình 2.20. Họ đặc tính cơ của hệ thống biến tần- động cơ không đồng bộ điều khiển theo FOC Nhận xét thấy rằng mô hình này rất nhạy với sự biến thiên thông số của động cơ, nhất là điện trở roto có thể thay đổi 50% giá trị chuẩn do sự thay đổi nhiệt độ và hiệu ứng mặt ngoài. Tuy nhiên mô hình có ưu điểm là khá đơn giản, phù hợp cho vùng tốc độ dưới tốc độ cơ bản. Điều khiển vector tựa từ thông roto cho họ đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ giống hệt họ đặc tính cơ của động cơ 1 chiều kích từ độc lập ở vùng từ thông không đổi. 2.6. Điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ. Phương pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor, ngoài những ưu điểm nổi bật, còn tồn tại một nhược điểm quan trọng là độ tác động nhanh không cao do mô hình phức tạp, phải thực hiện phép quay tọa độ, và vẫn phải điều khiển các thành phần dòng điện. Một phương pháp cho phép điều khiển trực tiếp momen cho phép điều khiển trực tiếp momen điện từ bởi một nguyên lý đơn giản. (2.63) Đây là biểu thức tính mômen trong chế độ tĩnh, gắn chặt với trục dây quấn stator (a,b). Vector từ thông rotor thường biến thiên chậm hơn so với vector từ thông stator, do đó có thể đạt được giá trị mômen theo yêu cầu bằng cách quay vector từ thông stator càng nhanh càng tốt theo hướng nào đó, làm thay đổi nhanh góc d, gọi là góc mômen. (2.64) Hình 2.21. Điều khiển momen bằng cách quay từ thông stato Trong phương trình điện áp stator: (2.65) Nếu bỏ qua sụt áp trên điện trở thuần Rs thì: (2.66) (2.67) Vector cũng có thể lấy các giá trị gián đoạn: (2.68) Trong đó Udc là điện áp một chiều Sa, Sb, Sc là hàm đóng cắt của transistor trên pha tương ứng của mạch lực biến tần. Hình 2.22. Mô tả hàm đóng cắt mạch lực biến tần Mỗi khoá Sa, Sb, Sc lấy giá trị 1 nối vào + Udc hoặc 0 nếu nối vào - Udc. Ta chia không gian vector điện áp ra làm sáu phần (S1, S2, S3, S4, S5, S6) với hai trạng thái của ba khoá Sa, Sb, Sc ta có 8 trường hợp (V1, V2, V3, V4, V5, V6) tương ứng với giá trị trên còn V0 = 111 và V7 = 000. Có thể điều khiển riêng biệt biên độ từ thông stator và momen điện từ M bằng cách tác động vào các thành phần hướng kính và thành phần tiếp tuyến của vector từ thông móc vòng stator trong quỹ đạo của nó. Bảng 2.1. Vector điện áp ứng với trạng thái khóa Sabc Pha V0 V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 a 0 1 1 0 0 0 1 1 b 0 0 1 1 1 0 0 1 c 0 0 0 0 1 1 1 1 Hình 2.23. Thay đổi vị trí vector từ thông stato Hình 2.24. Quỹ đạo véc tơ từ thông stato: FD – giảm từ thông, FI – tăng từ thông; TD – giảm momen; TI – tăng momen. Hình trên là quỹ đạo chuyển động của vector từ thông stato và các phương án khác nhau tùy thuộc vào chuyển mạch của nghịch lưu áp. Quỹ đạo tròn này được chia thành sáu mảng khác nhau, ranh giới là các đường nét đứt, với đường phân giác là các vector không gian điện áp tương ứng. Bảng 2.2. Bảng chọn chung cho mảnh quỹ đạo thứ k Vector điện áp Tăng Giảm Từ thông stator Vk, Vk+1, Vk+3 Vk+2, Vk-2, Vk+3 Momen Vk+1, Vk+2 Vk-1, Vk-2 Bảng 2.3. Bảng chọn vector điện áp khi điều khiển trực tiếp momen F m S1 S2 S3 S4 S5 S6 FI TI V2 V3 V4 V5 V6 V1 T= V0 V7 V0 V7 V0 V7 TD V6 V1 V2 V3 V4 V5 FD TI V3 V4 V5 V6 V1 V2 T = V7 V0 V7 V0 V7 V0 TD V5 V6 V1 V2 V3 V4 Trong đó: FD/FI: Từ thông giảm/tăng TD/=/I: Mônmen giảm/không đổi/tăng. Sx; x = [1,6] mảnh phần 6 của từ thông stator. DF: Sai lệch từ môdun từ thông stator sau khâu so sánh có trễ. Dm: Sai lệch momen sau khâu so sánh có trễ. Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ: Hình 2.25. Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ Đây là sơ đồ đơn giản nhất của phương pháp điều chỉnh trực tiếp momen. Các giá trị đặt của biên độ từ thông stato và của momen được so sánh với các giá trị thực của chúng, các giá trị sai lệch được đưa vào các khối trạng thái trễ tương ứng hai mức và ba mức. Đầu ra của các khối trạng thái trễ lấy các trạng thái gián đoạn được đưa cùng với vị trí vector từ thông stato vào một bảng tra. Sai số của module từ thông stato và momen nằm trong dải trễ tương ứng, độ rộng của dải trễ quyết định độ chính xác điều khiển. Độ rộng dải trễ từ thông ảnh hưởng chủ yếu đến độ méo sóng hài bậc thấp của dòng điện stato, còn độ rộng dải trễ momen ảnh hưởng đến tần số chuyển mạch của biến tần. (2.69) Vị trí Sx có thể được suy ra từ . Phương pháp điều chỉnh trực tiếp mômen có các ưu điểm là: không cần thực hiện phép quay toạ độ, độ chính xác điều chỉnh là tuỳ ý, phụ thuộc vào khả năng về tần số chuyển mạch của biến tần, mô hình ước lượng chỉ phụ thuộc vào tham số là điện trở dây cuốn stator là tham số dễ dàng nhận dạng được sự biến thiên theo nhiệt độ. Momen động cơ phát huy nhanh. Nhược điểm của phương pháp điều khiển trực tiếp mômen là xuất hiện xung mômen nên hệ làm việc ở vùng tốc độ thấp là không ổn định. Với những ưu điểm của phương pháp điều khiển vector tựa từ thông roto, trong đồ án này sử dụng phương pháp này để điều khiển các van nghịch lưu của biến tần. 2.7. Biến tần nguồn áp chỉnh lưu tích cực PWM. Như ta đã phân tích trong truyền động của máy cắt cuộn lại giấy, bài toán được đặt ra là phải trao đổi được năng lượng giữa tải và lưới. Trong hệ truyền động biến tần - KĐB thì phần chỉnh lưu phải có khả năng truyền năng lượng theo hai chiều. Biến tần nguồn áp dùng chỉnh lưu diode hoặc dùng thyristor có 3 nhược điểm: - Không thực hiện được trao đổi công suất với lưới (làm việc 2 góc phần tư). - Dòng điện đầu vào có chứa nhiều sóng điều hòa bậc cao gây méo điện áp lưới. - Làm giảm hệ số cos. Một giải pháp được đưa ra là sử dụng biến tần 4 góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM. 2.7.1. Giới thiệu biến tần nguồn áp chỉnh lưu tích cực PWM. Hình 2.26. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu PWM Biến tần dùng chỉnh lưu PWM đã khắc phục được những vấn đề tồn tại ở trên. Nó bao gồm hai khối chỉnh lưu và nghịch lưu có cấu tạo hoàn toàn tương tự nhau và có chung mạch một chiều. Biến tần chỉnh lưu tích cực PWM dùng cho hệ thống có công suất từ hàng trăm KW đến hàng MW. Loại này có các ưu điểm như sau: – Nó có thể làm việc ở bốn góc phần tư thực hiện trao đổi công suất giữa tải và lưới. – Dòng đầu vào có dạng hình sin, giảm sóng điều hòa bậc cao – Có thể điều chỉnh hệ số công suất cos = 1. Để đảm bảo công suất trao đổi hai chiều giữa tải và lưới dòng điện chỉnh lưu Id phải thay đổi được dấu. Ta gọi Id có dấu dương khi nó có chiều hướng về tải và ngược lại Id có dấu âm khi chiều của nó hướng về lưới. Vì dấu của điện áp 1 chiều là cố định nên công suất có thể thay đổi hai chiều từ lưới về tải Pd=Ud*Id>0 và từ tải về lưới Pd=Ud*Id<0. Để thực hiện được nguyên lý làm việc trên biến tần cần có điều kiện: Bắt buộc phải có điện cảm đầu vào. Giá trị điện áp 1 chiều Udc được điều chỉnh không đổi và phải lớn hơn giá trị điện áp chỉnh lưu tự nhiên từ lưới. Do khóa đóng cắt hai chiều (tranzisto và diod ngược) kết hợp với mạch vòng dao động L-C tạo nên điện áp 1 chiều Udc>Ud0. Để giải thích nguyên lý làm việc của chỉnh lưu PWM ta sử dụng sơ đồ thay thế 1 pha: Hình 2.27. Sơ đồ thay thế và giản đồ vector chỉnh lưu PWM Nếu điều khiển chỉnh lưu PWM để véc tơ dòng điện trùng với véc tơ ta có hệ số công suất bằng 1 và công suất . Khi véctơ dòng điện ngược với véc tơ ta có hệ số công suất bằng 1 và công suất ( ứng với chế độ hãm tái sinh). Để thực hiện dòng điện đầu vào có dạng hình sin người ta dùng phương pháp biến điệu véc tơ không gian như theo nghịch lưu (SVPWM). Ta có ba có khoá bán dẫn cho ba pha Sa Sb Sc. Mỗi khoá có hai trạng thái đóng 1 và cắt 0, tạo ra sáu véc tơ điện áp tác dụng (V1 V2 V3 V4 V5 V6 ) và hai trạng thái không là 111 và 000. Hình 2.28. vector điện áp trong chỉnh lưu tích cực PWM Hệ thống điện áp đặt lệch pha lệch nhau một phần ba chu kỳ, dây quấn pha đặt lệch nhau một phần ba vòng tròn tạo thành hệ thống điện áp không gian, về mặt hình thức tồn tại một vector điện áp không gian: (2.70) (2.71) Với là biên độ điện áp pha. Tại mỗi thời điểm, mỗi pha động cơ có thể nhận được một trong hai trạng thái: "1" nối với cực dương của , "0" nối với cực âm của . Do có 3 cặp van bán dẫn nên tồn tại trạng thái logic ứng với 8 vector điện áp chuẩn V0, V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7. Trong đó V0 ứng với trường hợp cả 3 cuộn dây nối với cực âm, V7 ứng với trường hợp cả 3 cuộn dây nối với cực dương. Để thoả mãn các luật điều khiển khác nhau thì vector điện áp 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. Vector điện áp mong muốn được hình thành bởi tổ hợp chuyển mạch phức hợp. Vector điện áp mong muốn có thể được phân tích thành 2 thành phần tựa trên 2 vector Va, Vb cách nhau một phần sáu vòng tròn: (2.72) Vector điện áp mong muốn được lấy mẫu với tần số cố định , giá trị của nó được dùng để giải phương trình: (2.73) (2.74) Phương trình trên chỉ có ý nghĩa hình thức vì Va và Vb không cùng tồn tại, tuy nhiên khi tần số lấy mẫu đủ lớn có thể coi rằng dòng điện là liên tục và có giá thị trung bình tương ứng với điện áp trung bình cần có. Hình 2.29. điều chế vector điện áp không gian Nghiệm của phương trình là thời gian tồn tại của Va, của Vb, của V0 hoặc V7. (2.75) Trong đó là góc pha giứa vector mong muốn và vector Va, đây là kỹ thuật lấy trung bình của vector trong thời gian bán chu kỳ để tạo nên vector mong muốn. Trong mảnh đầu tiên của mặt phẳng phức thì Va=V1, Vb= V2, ở mảnh thứ hai Va=V2, Vb= V3... Vector "0" sẽ là V0 hoặc V7 sao cho đảm bảo chuyển mạch tối ưu giữa các vector tích cực và vector không. Hình 2.30. Véc tơ điện áp trong SVPWM Giới hạn cực tiểu của điện áp 1 chiều: (2.76) Thông thường chọn điện áp một chiều ở giá trị: (2.77) Giá trị điện cảm cực đại: (2.78) Từ những phân tích trên ta thấy biến tần nguồn áp sử dụng chỉnh lưu tích cực PWM rất thích hợp sử dụng trong hệ truyền động nhiều động cơ. Với những ưu điểm nổi bật đã trình bày, trong đồ án này sử dụng chỉnh lưu tích cực PWM. 2.7.2. Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM. Hình 2.31. các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM Từ hai đại lượng vector cơ bản là điện áp và từ thông ảo để xây dựng phương pháp điều khiển chỉnh lưu. - Điều khiển dựa trên điện áp là phương pháp điều khiển mà trước hết cần ước lượng điện áp lưới bằng cách cộng điện áp đặt đầu vào bộ chỉnh lưu với điện áp rơi trên cuộn cảm. Sau đó, dựa trên điện áp lưới đã ước lượng được sẽ tiến hành điều khiển định hướng theo vector điện áp (VOC - Voltage Oriented Control) hay điều khiển trực tiếp công suất (DPC - Direct Power Control). + Cấu trúc điều khiển VOC sử dụng mạch vòng điều khiển dòng điện là cấu trúc đã được phát triển và rất phổ biến. Cấu trúc này dựa trên việc chuyển đổi giữa hệ trục tọa độ cố định và hệ trục tọa độ quay đồng bộ d-q. Phương pháp này đảm bảo đáp ứng tức thời nhanh và hiệu suất tĩnh cao thông qua các mạch vòng điều khiển dòng điện bên trong. + Cấu trúc điều khiển DPC dựa trên các mạch vòng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng tức thời. Do đó, một điểm quan trọng khi thực hiện cấu trúc DPC là phải ước lượng nhanh và chính xác công suất tác dụng và công suất phản kháng. - Điều khiển dựa trên từ thông ảo là phương pháp điều khiển mà ta phải ước lượng từ thông ảo của lưới bằng việc áp dụng phương pháp điều khiển từ thông stator của động cơ không đồng bộ cho lưới điện. Sau đó, ta tiến hành điều khiển bằng mạch vòng dòng điện (VFOC) hay điều khiển theo công suất (VF-DPC). VFOC tương tự như VOC, còn VF-DPC cũng tương tự như DPC. Chúng chỉ khác nhau ở chỗ điều khiển dựa trên điện áp hay dựa trên từ thông ảo. Trong phạm vi đồ án này sử dụng phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp điều khiển trực tiếp công suất. ._.