Đề tài Thiết kế bộ biến tần nguồn áp ba pha để cung cấp cho động cơ điện xoay chiều rotor lồng sóc

pha hình 1.13. Mạch chuyển đổi độc lập theo pha Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực bộ nghịch lưu cầu nguồn áp ba pha chuyển đổi độc lập Sơ đồ nguyên lý của mạch vẽ trên hình 1.13. Ở mạch này để thực hiện việc chuyển đổi giữa các van, ngoài ra các tụ C1, C2, C3 các cuộn kháng L1, L2, L3 còn cần dùng hệ thống 6 Thyristor phụ T11¸T16. Nguyên lý làm việc: Giả thiết T1 đang dẫn dòng và ở giai đoạn trước T14 đang được mở, tụ C1 đã được nạp theo mạch vòng +U ® T1 ® L1 ® C1 ® T14 ® -U . Khi tụ C1 nạp đến giá trị điện áp Uc = Uo » 2U do tính chất mạch vòng dao động LC. Khi cần khóa T1, ta đưa xung vào mở T11 làm cho T11 mở, tụ C1 phóng điện theo mạch vòng +C ® L1 ® D1 ® T11 ® -C. Phương trình phóng điện của tụ: UC(t = 0) = L. (1.32) Các điều kiện đầu là: (t = 0) = 0 (t = 0) = UCo = L. (1.33) Với các điều kiện đầu (1.33) thì phương trình (1.32) có nghiệm là: = UCo.sinwot = ICm.sinwot (1.34) với wo = Nếu dòng điện tải tại thời điểm tới T11 là: i1 = I10 thì dòng điện chạy qua T1 là: Do dòng điện tăng theo quy luật hình sin, dòng tải được duy trì do tải có tính cảm nên dòng qua T1 giảm dần. Tải khi = 0 và T1 khóa. Điện áp ngược đặt lên T1 là điện áp rơi trên Điốt D1. Thời gian kể từ khi đưa xung tới T11 cho tới khi T1 khóa (it1 = 0) là thời gian Gọi thời gian khóa T1 là t1 thì: t1 = LC.arcsin (1.35) Trong đó: x = (1.36) Bắt đầu từ thời điển t1, dòng điện phóng của tụ điện qua Điốt D1 xác định: ID1 = IC - i1 = iC1 - I10 (1.37) Đến thời điểm t2, dòng điện phóng của tụ điện đạt giá trị cực đại, thời gian t2 được tính: t2 = LC (1.38) Lúc này, điện áp giảm về 0, nhờ tính chất của mạch dao động cộng hưởng mà tụ được nạp theo chiều ngược lại. Hình 1.14 minh hoạ quá trình diễn ra trong mạch. Đến thời điểm t3, dòng ic giảm xuống bằng giá trị dòng tải I10, dòng điện chạy qua D1, giảm về bằng 0. Nếu tải thuần trở thì tại thời điểm này sẽ cắt hoàn toàn dòng tải, còn nếu tải có tính cảm thì tại thời điểm này D1 ngừng dẫn, sức điện động tự cảm duy trì dòng tải sẽ khép mạch qua D4 trả phần năng lượng tích luỹ của tải về nguồn, do đó điện áp trên tụ C được nạp tới giá trị lớn hơn mức điện áp của mạch LC đơn giản. Sự chuyển mạch kết thúc khi dòng điện trên tải có xu hướng ngược chiều. T11 sẽ khóa ở thời điểm t3 và D1 khép mạch dòng điện tải. Hình 1.14. Quá trình chuyển mạch trong mạch chuyển đổi độc lập Các khoảng thời gian biểu diễn trên hình 1.18 được tính: t'0 = (1.39) t0 = = LC.g(x) (1.40) Sự ràng buộc của các giá trị L và C vào thông số nguồn và tải được biểu diễn: C = L = (1.41) Hình 1.15. Đồ thị thể hiện sự ràng buộc của các giá trị L và C vào thông số nguồn và tải Các quan hệ này được tính toán và thể hiện trên đồ thị hình 1.15 1.3.3. Nhận xét về phương pháp khống chế Các hình vẽ 1.10, hình 1.11, hình 1.12 cho thâyd dạng điện áp ra của bộ nghịch lưu áp 3 pha khi khống chế góc dẫn của van 180o , 150o và 120o độ điện. Do điện áp ra trên tải nhận được nhờ việc đóng cắt các van cho dạng điện áp là các xung vuông nên chúng có tính phi sin. Triển khai Furier điện áp, ngoài thành phần sóng hình sin cơ bản bậc 1 còn có các thành phần sóng hài bậc cao khác. - Xét về dạng sóng thì khi khống chế ở góc dẫn 150o điện, điện áp pha gần sin hơn cả, do đó với góc dẫn này nên nối tải hình Y. Đối với góc dẫn 120o điện, dạng điện áp dây trên tải gần sin hơn cả, do đó với góc dẫn này, nên nối tải theo hình D. - Xét về trị hiệu dụng của điện áp ra thì góc dẫn dòng của van càng lớn, trị hiệu dụng của điện áp càng lớn. Điều đáng quan tâm nhất của bộ nghịch lưu là điện áp ra càng gần sin, chứa ít thành phần sóng hài, đặc biệt làm sao hạn chế các thành phần sóng hài bậc thấp (bậc 3, bậc 5). Với phương pháp khống chế trên, tuy rằng hạn chế được thành phần bậc 3, song thành phần bậc 5, 7 ... còn lớn nên người ta đưa ra một số phương pháp khống chế khác để cải thiện dạng sóng. Một số phương pháp được sử dụng là bộ nghịch lưu sin và phương pháp băm điện áp (điều chế độ rộng xung). Tuy nhiên, hiện nay thì phương pháp băm xung điện áp được sử dụng phổ biến hơn do tính hiệu quả trong công việc. Sau đây sẽ nghiên cứu kỹ phương pháp này trong đồ án. 1.4. Phương pháp khống chế điều chế độ rộng xung Đây là phương pháp khống chế bộ nghịch lưu dựa trên nguyên tắc bộ băm điện áp: Điện áp ra trong một chu kỳ là một chuỗi xung điện áp hình chữ nhật có cùng biên độ nhưng độ rộng từng xung thay đổi và được quyết định bởi luật điều khiển góc mở a. Chu kỳ đóng mở van được thực hiện sao cho bề rộng xung là cực đại ở đỉnh. Hình vẽ 1.16 biểu diễn điện áp ra của bộ nghịch lưu điều chế độ rộng xung đơn cực. Để xác định các thời điểm mồi cần thiết tổng hợp đúng sóng theo phương pháp điều chế độ rộng xung đơn cực trong mạch điều khiển, người ta tạo ra một sóng hình sin chuẩn, mong muốn so sánh nó với 1 dãy xung tam giác. Giao điểm giữa hai sóng đó xác định các thời điểm mồi. Với phương pháp khống chế này có thể thay đổi biên độ điện áp ra bằng cách thay đổi biên độ sóng chuẩn hình sin. Hình 1.16. Điều chế độ rộng xung đơn cực Hình 1.17. Điều chế bằng cách thay đổi biên độ sóng chuẩn hình sin Hình 1.17 cho thấy phần sóng chuẩn hình sin nằm phía trên xung tam giác sẽ tương ứng cho xung ra có bề rộng b, giảm biên độ sóng sin đi một nửa xung ra có bề rộng c. Nếu coi gần đúng đoạn sóng sin đó như một đoạn thẳng thì c bằng nửa b. Điều đó ứng với biên độ sóng hình sin ra đã được giảm đi như mong muốn. Hình 1.18 . Điều chế độ rộng xung lưỡng cực Thay cho việc điều chế độ rộng xung đơn cực như đã mô tả trên, người ta cũng có thể điều khiển bộ nghịch lưu sao cho nguồn một chiều luôn được nối với tải để tránh điện áp có những khoảng bằng 0 tạo nên xung lưỡng cực. Phần điện áp ngược trong nửa chu kỳ điện áp đầu ra rất ngắn. Để xác định thời điểm mồi của các van người ta điều chế song tam giác tần số cao có biên độ bằng sóng chuẩn hình sin và không lệch pha với sóng sin. Do đó, có thể băm điện áp tải thành nhiều xung có độ rộng khác nhau nên có thể làm cho điện áp tải chứa ít sóng hài. Xét trên hình 1.18 nếu chọn O là tâm điểm đối xứng thì điện áp ra là một hàm chu kỳ lẻ đối xứng qua trục hoành nên khai triển Furie của nó chỉ chứa các số hạng lẻ sin. Biên độ sóng hài: Umn = n = 1, 3, 5 ... (1.26) Um1 (1 - 2cosa1 + 2.cosa2) (1.27) Tính toán tương tự: Um3 (1 - 2cos3a1 + 2.cos3a2) (1.28) Um5 (1 - 2cos5a1 + 2.cos5a2) (1.29) Công thức (1.61), (1.62) cho thấy có thể loại trừ được sóng hài bậc 3 và bậc 5 bằng cách cho Um3 = Um5 = 0 Tức là: 1 - 2cos3a1 + 2cos 3a2 = 0 1 - 2cos5a1 + 2cos 5a2 = 0 (1.30) Giải (1.30) bằng phương pháp tính gần đúng ta được: a1 = 23,616o và a2 = 33,3o (1.31) Như vậy khi khống chế góc mở của van ở những giá trị đặc biệt như đã tính toán ta đã khử được thành phần sóng hài bậc 3 và bậc 5. Bằng phương pháp khải triển Furie điện áp cho thấy rằng số xung trong một chu kỳ của điện áp đầu ra lớn làm tăng các điều hòa bậc cao, nhưng dễ dàng lọc được các sóng điều hòa bậc thấp. Với phương pháp này, tần số xung ra trong một chu kỳ của điện áp bị giới hạn bởi tần số chuyển mạch của van. Điện áp xoay chiều được ghi ra trên hình 1.19. 1.5. Bộ nghịch lưu Tranzistor 1.5.1. Đặt vấn đề Phần trên đã nghiên cứu về bộ nghịch lưu sử dụng Thyristor thông thường. Một yêu cầu của bộ nghịch lưu Thyristor là phải có mạch chuyển đổi để khóa các van khi cắt dòng. Các phần tử chính trong mạch chuyển đổi là các cuộn dây và tụ điện. Hơn nữa các Thyristor đóng cắt cần có quá trình quá độ nên tồn tại một khoảng thời gian chuyển mạch. Điều này làm mạch thêm phức tạp và gây nên tổn thất trong quá trình đổi chiều và hạn chế tần số điện áp đầu ra (dưới 100Hz). Như vậy, muốn nâng cao chất lượng điện áp ra bằng phương pháp điều chế độ rộng xung thì bộ nghịch lưu Thyristor không đáp ứng được. Với sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử bán dẫn, có nhiều loại van có công suất lớn có nhiều ưu điểm hơn Thyristor đã được chế tạo để thay thế cho Thyristor. Một trong những loại van bán dẫn công suất được ứng dụng hiện nay trong bộ nghịch lưu là Tranzistor công suất. Ưu điểm của Tranzistor là việc điều khiển bằng dòng cực gốc không cần bất cứ mạch chuyển đổi nào, tần số chuyển mạch lớn hơn nhiều lần so với Thyristor. Tuy nhiên dòng cực gốc của Tranzistor bị phát nóng. Dòng cho phép của Tranzistor càng lớn thì tổn hao càng lớn nên khi sử dụng Tranzistor bị hạn chế về công suất. 1.5.2. Nghịch lưu áp 3 pha dùng Tranzistor Hình1.20. Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần nguồn áp sử dụng transistor Ứng dụng của Tranzistor công suất trong bộ nghịch lưu như trên hình. Trong mạch các Tranzistor Tr1 ¸ Tr6 đóng vai trò là các van đóng cắt dòng điện tải, các Điốt D1 ¸ D6 song song ngược với các cực phát - cực góp để trả năng lượng của tải về nguồn và để tránh các Tranzistor không bị đánh thủng do sức điện động tự cảm của tải có tính chất cảm. Như vậy, khi thay thế Thyristor bằng Tranzistor trong bộ nghịch lưu, mạch lực không cần bất cứ mạch chuyển đổi nào, việc khống chế dễ dàng hơn, tần số đóng mở của Tranzistor công suất rất lớn tạo điều kiện thuận lợi sử dụng phương pháp khống chế độ rộng xung. 1.5.3. Tính chọn mạch động lực, các linh kiện trong mạch động lực * Trình tự thiết kế: 1. Phân tích chế độ làm việc của tải, tìm hiểu các căn cứ thiết kế 2. Lựa chọn sơ đồ 3. Tính toán thông số mạch động lực *Căn cứ thiết kế - Đặc điểm của tải: + Công suất tải + Điện áp và dòng điện tải + Dải điều khiển công suất + Nguồn cấp (số pha, trị số điện áp) Điều kiện môi trường làm việc: + Nhiệt độ + Độ ẩm + Các điều kiện khác * Tính toán: Các thông số của động cơ: Pđm = 400W; Uf = 220V;Iđm=2,7(A);fđm =(50 Hz);nđm=940 (vòng/phút) cosj = 0,83 J=0,001 (kgm2);no=1000 (vòng/phút) Tính chọn mạch động lực + Chọn Tranzistor: Tranzistor là một thiết bị bán dẫn vì vậy muốn các Tranzistor làm việc ổn định và tin cậy thì ta phải chọn nó theo các điều kiện về dòng điện và về điện áp Uđm= 220(V). Iđm= 27(A). Điện áp max và Transistor phải chịu: Umax= Điện áp của Transistor cần phải chọn: Ku: Hệ số dự trữ điện áp. Dòng điện của van mà Transistor phải chịu: = 30,874 (A) Dòng điện của Transistor cần phải chọn: Từ các thông số này tra bảng p4: Thông số transistor với các thông số sau: Kí hiệu Ic(A) UCEo(V) IMBI 400P-140 400 1400 + Tính chọn Điốt: Dòng điện qua Điốt là ID = (1 - m) với mmax = 1 - 2.Ts.toff = 0,97 Suy ra ID = 0,0405 (A) Khi xảy ra các sự cố trong mạch thì Điốt phải chịu dòng tăng lên thêm 30%ID. Hay IđmD = 130%.ID = 0,05265 (A) Điện áp mà Điốt phải chịu > 220(V) Từ thông số trên dựa vào bảng p.1 ta chọn được loại Điốt KY718 với các thông số ở bảng sau: Ký hiệu Imax(A) Un(V) Ipik(A) ∆U(V) Ith(A) Ir(A) KY718 20 270 140 1,1 20 100(µA) CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN NGUỒN ÁP 3 PHA 2.1. Đặt vấn đề Điều mong muốn là bộ biến tần cung cấp hệ thống điện áp ba pha xoay chiều phù hợp với yêu cầu của phụ tải. Với mỗi ứng dụng của bộ nghịch lưu đều có những yêu cầu cụ thể. Trong này ta xét đến 1 ứng dụng thường gặp của bộ biến tần là máy điện. Tốc độ góc của từ trường quay trong máy điện được quyết định bởi tần số lưới: w = 2pf (2.1) Phương trình cân bằng điện áp Stato: E1 = C.F.f1 = U1 - I1Z1 (2.2) Trong đó: E1 - Sức từ động cảm ứng trong cuộn dây Stato. F1 - Từ thông móc vòng qua cuộn dây Stato C - Hằng số tỷ lệ f1 - Tần số nguồn đặt vào Stato U - Điện áp đặt vào Stato Nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở Stato thì từ (46) ta có: F = (2.3) Nếu điện áp đặt vào Stato không đổi, khi tần số nguồn tăng thì từ thông máy điện sẽ giảm. Nếu momen tải giữ không đổi hoặc là hàm tăng của n thì dòng của động cơ phải tăng để làm cân bằng momen động cơ với momen cản của tải. Kết quả động cơ bị quá tải về dòng. Khi giảm tần số từ thông của máy điện sẽ tăng và nếu giảm đến mức mạch từ bị bão hòa. Dẫu đến dòng điện từ hóa tăng, nghĩa là tăng tổn hao sắt từ trong lõi thép, làm cho máy điện bị đốt nóng. Do đó khi điều chỉnh tần số để điều chỉnh tốc độ thì phải điều chỉnh điện áp cho phù hợp. Trên cơ sở điều khiển như đã nêu trên, ta có thể thiết kế được những hệ thống điều khiển có chất lượng cao cho các mạch ứng dụng trong thực tế trong đề tài này chỉ xét riêng phần điều khiển cho bộ biến tần cho ra điện áp xoay chiều ba pha có tần số và điện áp có thể thay đổi được và nghiên cứu cải thiện nâng cao chất lượng điện áp sao cho gần với dạng điện áp ba pha hình sin. 2.2. Hệ thống nghịch lưu với điều khiển độ rộng xung Hệ thống điều khiển bộ nghịch lưu có sơ đồ rất đa dạng, song đều có thể dựa trên nguyên tắc được mô tả như hình vẽ 2.1 Sau đây ta sẽ nghiên cứu từng khối. Hình 2.1.Sơ đồ khối hệ thống nghịch lưu với điều khiển độ rộng xung 2.2.1. Khối tạo dao động Có nhiều biện pháp tạo dao động như dùng Điốt hai cực gốc, dùng sơ đồ đa hài một pha đối xứng. Khối này tạo ra dao động có tần số thay đổi được. Xung ra của bộ tạo dao động có thể là xung vuông, xung tam giác hoặc 1 sóng hình sin. Việc làm cho các sóng này tương thích được với các khối phía sau được thực hiện bởi các mạch sửa. Trong thực tế có rất nhiều loại mạch có thể thực hiện được chức năng này như dùng Điốt 2 cực gốc, dùng sơ đồ đa hài 1 pha đối xứng, mạch số dùng IC555. Ở đây ta chọn vi mạch tạo dao động 555. Sơ đồ của mạch như hình 2.2 Hình 2.3. Mạch tạo dao động với IC 555 Đây là bộ định thời đầu tiên do hãng Signetic đưa ra, sau đó một số hãng khác cũng đưa ra những sản phẩm tương tự. Bộ định thời 555 hoạt độ với nguồn một chiều có điện áp từ 5V đến 8V. Vì vậy nó tương thích với những mức logic thông thường và cả những mức điện áp của các bộ khuyếch đại thuật toán. Đầu dương của nguồn nuôi nối vào chân số 8 (+UC), cực âm mắc vào chân số 1 (nối đất). Đầu nối đất được dùng làm điểm chung để so sánh các điện thế trên các điểm khác của mạch. Đầu ra (chân 3) có thể có một trong hai mức: mức cao và mức thấp. Mức cao xấp xỉ với UC (khoảng 4,5V), mức thấp 0,1V. t T C T T T Hình 2.3. Dạng xung của bộ tạo dao động Với cách mắc như vậy đầu ra (chân số 3) có dạng sóng chữ nhật biểu diễn như hình 2.3. Khoảng thời gian đầu ra ở mức cao TC chính là thời gian nạp của tụ điện C theo mạch vòng (+UC) - RA - C - (-UC). Hằng số thời gian của mạch nạp: tC = (RA + RB).C Khoảng thời gian đầu ra ở mức thấp TT chính là thời gian tụ điện C phóng điện theo mạch vòng C - RB - 555 - Đất C. Hằng số thời gian phóng: tC = RB.C Bằng phương pháp tính toán người ta xác định được giá trị của TC và TT. TC = tC.ln2 = (RA + RB).0,693.C (2.4) TT = tT.ln2 = RB.0,693.C (2.5) Chu kỳ sóng áp đầu ra: T = TC + TT = (RA + 2RB).0,693.C (2.6) Và tần số đầu ra của IC555 là: f = (2.7) Như vậy ta thấy có thể thay đổi tần số đầu ra của IC555 bằng cách thay đổi trị số của RA, RB và C. Thông thường người ta điều chỉnh RA vô cấp để tần số biến thiên liên tục, còn tụ điện C thì thay đổi theo từng cấp để tạo ra các khoảng tần số. 2.2.2. Bộ dịch pha số Khối này có nhiệm vụ là gửi xung từ bộ tạo dao động tới các van động lực một các tuần tự và có tính chu kỳ. Có nhiều dạng bộ dịch pha, trong đề tài chọn bộ dịch pha số. Sơ đồ mạch dịch pha số như hình vẽ 2.5. Trong mạch có sử dụng IC4013 và IC4081. Đây là loại IC chuyên dụng để tạo ra các độ trễ khác nhau đối với tín hiệu. IC4013 là loại vi mạch thuộc loại CM05 có đặc điểm là công suất tiêu thụ ở trạng thái tĩnh nhỏ, tốc độ chuyển đổi trạng thái cao, khả năng chỗng nhiếu cao và có khả năng mang tải lớn. Cấu tạo của nó có 2 Flip - Flop loại D. Nguồn nuôi cho IC4013 là nguồn một chiều có điện áp từ +3V đến +15V. Vì vậy nó tương thích với những mức logic thông thường và cả những mức điện áp của các bộ khuyếch đại thuật toán. Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý mạch dịch pha số Trong sơ đồ hình 2.4 khi đưa tín hiệu đầu vào dạng chuỗi xung có tần số 6f thì ở đầu ra sẽ nhận được hệ thống xung có tần số là f. Chuỗi xung này lệch pha nhau một góc 120o điện và có hệ số lấp đầy là 50%. Như vậy dùng IC4013 ta đã định hình được tín hiệu nguồn xoay chiều ba pha. Đây là công việc rất thuận lợi cho công việc khống chế bộ nghịch lưu. Dạng xung đầu ra được biểu diễn trên hình 2.5. Hình 2.6. Dạng xung điện áp ra 2.2.3. Khối tạo sin Hình 2.7. Khối tạo sin Phần tạo sin gồm 3 khối hoàn toàn giống nhau cho pha A, B và C. Khối này lấy tín hiệu từ khối dịch pha và chia pha ở dạng số. Xét cho pha A: Hình 2.7. Giản đồ điện áp của bộ tạo sin Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý mạch Trigơ Smith và đặc tính truyền đạt điện áp Khối tạo sin được tạo thành bởi các bộ khuếch đại thuật toán OA. OA đầu tiên có nhiệm vụ biến đổi xung vuông thành xung lưỡng cực, và nó được nối thành một Trigơ Smith (như hình 2.8). Nguyên lý làm việc: Giả sử mạch ở trạng thái ứng với phần bên trái của giản đồ điện áp (từ điểm A). Điện áp vào có giá trị âm lớn, lúc này UR có giá trị: UR = +Vsat = + URmax. Trên lối vào không đảo đặt điện áp: = UVngắt. Khi điện áp tăng dần tới giá trị Vsat ³ UVđóng điện áp giữa 2 cực đảo và không đảo của OA đổi dấu dẫn tới giá trị điện áp trên đầu ra cũng thay đổi: UR = - Vsat = -URmin. Qua mạch hồi tiếp dương ta có: = UVđóng. Tương tự như vậy khi giảm UV từ giá trị dương rất lớn tới giá trị UV = U. = UVngắt. Tăng dần V1 cho tới khi V1 chưa đạt tới UVngắt. Khi V1 ³ UVngắt, điện áp Uo giữa 2 lối vào đảo và không đảo của khuếch đại thuật toán đổi dấu dẫn tới Ura = -Uramin qua mạch hồi tiếp dương có: = UVđóng. tiếp tục giữ nguyên khi V1 tăng. Khi V1 giảm từ giá trị dương lớn cho tới lúc: UVđóng mạch lật trạng thái làm Ura chuyển từ trạng thái -Uramax lên +Uramax . Với nguyên lý như vậy nên ở đầu vào của nó ta phải nối 2 điện trở phần áp R2 + R3. Do mắc R2, R3, vì tín hiệu vào từ bộ dịch pha số là tín hiệu 1 cực. R1, R2 sẽ tạo một mạch so sánh, nếu tín hiệu ở mức 1 (tương ứng bằng 9V) thì đầu vào IC1 được đặt điện áp dương có giá trị V1 ³ UVngắt, còn khi tín hiệu vào ở mức 0 (» 0,1) thì V1 £ UVđóng. Như vậy ở đầu ra, ta nhận được tín hiệu xung vuông lưỡng cực. IC2 mắc thành một khâu tích phân 3, khâu này cho ở điện áp xác định như sau: Ura = (t).dt + Ur(0). Với căn cứ đó một sóng vào là xung vuông sẽ cho ta sóng răng cưa lưỡng cực. Tương tự như IC2, IC1 cũng được nối thành bộ tích phân ở đầu ra IC1, sẽ được sóng dạng sin. IC4 làm nhiệm vụ khuếch đại, tạo sự tương hợp về biên độ và sóng mang tam giác. Khối nhân tần: Để tạo ra sóng răng cưa làm sóng mang tần số mong muốn là có tần số 3nf dùng bộ nhân tần. Bộ nhân tần số ghép bởi IC4046 và IC4013. Với cách mác trong hình, 4046 đóng vai trò là bộ nhân sáu lần tần số. Tần số 6f lấy từ đầu ra của IC555 qua IC4046 sẽ có tần số 36f. Về nguyên tắc thì tần số 36f = 3.12f đủ yêu cầu tối ưu của sóng mang trong điều chế độ rộng xung nhưng ở những tần số ra lớn thì đôi khi các phần tử bán dẫn không đáp ứng được nên trong sơ đồ sử dụng thêm IC4013. Mục đích của IC4013 là để chia tần số và tạo dạng sóng có hệ số lấp đầy 50%. Như vậy là qua IC4046 và IC4013, ta được tần số 18Hz. Tín hiệu này ở dạng số nên nó là xung đơn cực, do vậy để tạo ra sóng tam giác lưỡng cực phải đưa tín hiệu này qua một Trigơ Smith và một khâu tích phân. Hai khâu này hoàn toàn giống IC1 và IC2 trong bộ bạo sin tạo nên khâu tạo sóng răng cưa. Như vậy là sau khối tạo sin và tạo sóng răng cưa đã có thể xác định các thời điểm phát xung nhờ việc so sánh hai sóng này. Việc so sánh được thực hiện bởi một bộ khuếch đại thuật toán sóng sin tạo ra được đưa vào chân đảo, sóng mang đưa vào chân không đảo. Cách mắc này tạo nên hàm trừ: Ur = K(UV1 - UV2) Trong đó: K là hệ số khuếch đại. UV1 là tín hiệu điện áp sin nối vào chân đảo UV2 là tín hiệu điện áp răng cưa nối vào chân không đảo, biên độ UV1, UV2 bằng nhau. Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý khối so sánh tạo xung Nguyên lý làm việc khối so sánh - tạo xung như sau: Khi tín hiệu sin ở đầu vào bộ so sánh lớn hơn tính hiệu răng cưa thì ở đầu ra của nó có giá trị âm có tác dụng mở các Tranzistor T1 ¸ T4, điện áp đặt lên cực điều khiển ở mạch lúc có giá trị dương sẽ khóa các Tranzistor T1 ¸ T4, UEPT4> 0, T1 khóa T4 mở. Dạng điện áp ra như hình 2.10. Hình 2.10. Điện áp ra của bộ nghịch lưu dung Transistor có điều chế độ rộng xung 2.3. Tính chọn linh kiện mạch điều khiển 2.3.1. Khối dịch pha và chia pha Khối này sử dụng 3IC4013 cung cấp xung đơn cực cho 3 bộ tạo sin chuẩn của pha A, B, C. 2.3.2. Khối tạo sin Hình 2.11. Khối tạo sin Khối tạo sin sử dụng 4IC: 2 khuếch đại thuật toán IC741 và 2IC4258 được thiết kế như trên hình vẽ 2.11. 2.3.3. Khối nhân tần Sử dụng 1IC4016 kết hợp với 1IC4013 nhằm nâng cao tần số đầu vào. 2.3.4. Khối phát sóng răng cưa Sử dụng 2IC741 với các mác như IC1 và IC2 của bộ tạo sóng hình sin. 2.3.5. Khối so sánh và tạo xung: Tổng hợp và so sánh tín hiệu từ khói tạo sóng dạng răng cưa và khối tạo sin nhằm cấp xung điều khiển đến đóng mở các Tranzistor của mạch động lực. PHẦN II: ỨNG DỤNG BIẾN TẦN TRONG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC-TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG. CHƯƠNG3 : ỨNG DỤNG BIẾN TẦN TRONG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA ROTOR LỒNG SÓC Xây dựng sơ đồ khối hệ biến tần động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc : Đặt vấn đề : Động cơ điện xoay chiều ba pha rotor lồng sóc ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp với nhiều ưu điểm như giá thành thấp, sử dụng nguồn điện xoay chiều ba pha hình sin là nguồn điện phổ biến trong cuộc sống. Tuy nhiên, nó cũng có nhược điểm đó là việc điều chỉnh tốc độ rất khó khăn. Để khắc phục điều này, người ta sử dụng các hệ điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng biến tần với nhiều ưu điểm và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong đời sống. Có hai loại biến tần : Biến tần nguồn dòng và biến tần nguồn áp. Trong phạm vi đồ án này, tôi nghiên cứu hệ biến tần nguồn áp , động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc. Sơ đồ khối hệ điều chỉnh tốc độ bằng biến tần  Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ điều chỉnh tốc độ bằng biến tần nguồn áp Khối 1 bao gồm bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu áp mắc song song ngược. Bộ chỉnh lưu biến điện áp lưới ( U1,f1 ) thành điện áp một chiều Ud cung cấp cho mạch trung gian. Bộ nghich lưu biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều ba pha trả về lưới ở chế độ nghịch lưu. Khối 2 là khâu trung gian với tụ Co có dung lượng lớn, có tác dụng duy trì điện áp trên hai cực của nguồn chỉnh lưu không thay đổi khi biến tần làm việc. Khối 3 là bộ biến tần nguồn áp ,trên đầu ra sẽ thu được điện áp xoay chiều có tần số và biên độ thay đổi ,cung cấp cho động cơ điện không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc. Xây dựng hệ điều khiển biến tần động cơ điện không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc Ngày nay người ta thường sử dụng 2 hệ thống điều khiển biến tần là điều khiển tần số trượt và điều khiển vectơ BT CL = = Ri = ~ T 1 ¸T 2 T 1 ¸T 2 R w FT U * NL = Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tần số trượt 3.2.1 Điều khiển tần số trượt: Hệ thống truyền động có hai mạch vòng phản hồi: Mạch vòng tốc độ và mạch vòng dòng điện. - Mạch vòng tốc độ dùng máy phát tốc độ FT để ổn định tốc độ. ứng với một điện áp chủ đạo(Ucd) đặt trước tức là sẽ có dòng điện và tần số của bộ NL xác định. Trong quá trình làm việc nếu phụ tải của động cơ dao động dẫn đến tốc độ động cơ thay đổi, lượng phản hồi tốc độ n đưa về bộ R để so sánh với Ucd, tín hiệu ra của R thay đổi dẫn đến tần số của NL sẽ thay đổi, nhờ vậy ổn định được tốc độ của động cơ. - Đối với mạch điện vòng dòng điện: Tín hiệu dòng điện của động cơ được lấy gián tiếp ở đầu vào bộ chỉnh lưu và là bI đưa về bộ RI để so sánh tốc độ dòng điện đặt trước. Quá trình làm việc nếu phụ tải dao dộng sẽ dẫn tới tốc độ, mômen động cơ biến đổi. Khi mômen thay đổi thì dòng điện động cơ thay đổi. Nhờ có mạch vòng phản hồi dòng điện, tín hiệu của RI sẽ điều khiển ở góc mở a làm cho dòng điện động cơ thay đổi dẫn tới ổn định được mômen của động cơ. Quá trình điều chỉnh và ổn định tốc độ của hệ thống truyền động điều tốc biến tần điều khiển tần số trượt luôn giữ từ thông của động cơ không đổi, điều đó dẫn tới việc điều chỉnh tốc độ tỷ lệ với việc điều chỉnh mômen. Bên cạnh ưu điểm trên, hệ thống truyền động này còn dễ dàng điều khiển động cơ làm việc trên 4 góc của hệ trục tọa độ. Đặc tính cơ của hệ thống được biểu diễn trên hình 3.3. Hình 3.3. Đặc tính vận hành trên bốn góc tọa độ của hệ thống điều khiển tần số trượt. Nhược điểm của hệ thống này là hệ thống phi tuyến, khi khảo sát đều ở trong điều kiện bỏ qua phi tuyến, vì vậy kết quả làm ra đương nhiên không thể rất chính xác, khó có thể nhận được chất lượng động cao như trong hệ thống điều tốc hai mạch vòng kín một chiều. 3.2.2 Điều khiển Vec tơ biến tần động cơ 3 pha Ở phần trên đã phân tích loại điều tốc biến tần hệ số trượt mạch vòng kín tốc độ quay và đã giải quyết được vấn đề điều tốc vô cấp cho động cơ KĐB, có thể thỏa mãn nhiều yêu cầu trong ứng dụng công nghiệp. Nhưng khi máy công tác đòi hỏi chất lượng tĩnh và động của hệ thống điều tốc ở mức cao hơn thì hệ thống biến tần hệ số trượt chưa đuổi kịp hệ thống điều tốc một chiều. Để đạt được các tính năng điều khiển tương tự như động cơ một chiều chúng ta tiến hành mô tả động cơ KBĐ 3 pha trên hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor, nghĩa là chuyển đổi được cấu trúc mạch và các mối quan hệ phức tạp của các đại lượng ba pha thành các tương quan minh bạch: dòng điện tỉ lệ với từ thông, dòng điện tỉ lệ với mômen như của động cơ một chiều. Các phương thức điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha trên cơ sở phương pháp mô tả đó gọi là phương thức điều khiển tựa theo từ thông rotor. Quá trình chuyển đổi được thực hiện theo các bước sau: 3.2.2.1. Mô tả động cơ KĐB 3 pha dưới dạng các đại lượng véctơ không gian Khi nghiên cứu mô hình toán học nhiều biến của động cơ KĐB thường phải đưa ra một số giả thiết như sau: - Coi 3 cuộn dây 3 pha đối xứng nhau, về không gia lệch nhau 1200, sức điện động dọc khe hở là hình sin, bỏ qua sóng hài không gian. - Bỏ qua bão hòa mạch từ, tự cảm và hỗ cảm của các cuộn dây đều là hình sin. - Bỏ qua tổn hao trong lõi sắt từ, không xét tới ảnh hưởng của tần số và thay đổi của nhiệt độ đối với điện trở cuộn dây. Dù cho rôto động cơ dây quấn hay lồng sóc đều chuyển đổi về rôto dây quấn đẳng trị, đồng thời chuyển đổi về phía mạch stato, số vòng quấn mỗi pha sau khi chuyển đổi đều bằng nhau. Như vậy, nhóm cuộn dây của động cơ thực tế được đẳng trị thành mô hình vật lý động cơ KĐB 3 pha như trên hình 3.4. Hình 3.4: Mô hình vật lý động cơ KĐB 3 pha Trong hình, trục của các cuộn dây 3 pha A, B, C trên stato là cố định lấy trục A làm trục tọa độ tham khảo, đường trục a của rôto làm với đường trục A một góc q (q là lượng biến thiên góc pha không gian). Đồng thời qui định chiều dương của điện áp, dòng điện, từ thông móc vòng phù hợp với qui tắc bàn tay phải. Lúc này mô hình toán học của động cơ KĐB được hình thành bởi các phương trình điện áp, từ thông móc vòng mômen và phương trình chuyển động. * Phương trình điện áp Phương trình cân bằng điện áp của nhóm cuộn dây stato 3 pha là: tương ứng với nó phương trình cân bằng điện áp của nhóm cuộn dây mạch rôto 3 pha sau khi tính chuyển đổi về mạch stato là ( 3-1) Trong đó: UA, UB, UC, ua, ub, uc là giá trị tức thời của điện áp pha stato và rôto. IA, IB, IC, ia, ib, ic là giá trị tức thời của dòng điện pha stato và rôto. yA, yB, yC, ya, yb, yc là toàn bộ chuỗi từ của nhóm cuộn dây các pha. R1, R2 là điện trở nhóm cuộn dây stato và rôto. Các đại lượng trên đều đã tính chuyển đổi về mạch stato. Phương trình điện áp được viết dưới dạng ma trận, đồng thời dùng toán tử P thay cho kí hiệu vi phân d/dt và trở thành: (3-2) Hay u = Ri + py * Phương trình chuỗi từ (từ thông) Từ thông của mỗi nhóm cuộn dây là tổng của từ thông tự cảm và từ thông hỗ cảm. Chuỗi từ của 6 nhóm cuộn dây được thể hiện như sau: (3-3) Hoặc viết thành : u = L.i. Trong đó L là ma trận điện cảm 6x6. LA A,  LBB, LCC,La a, Lbb, Lcc là tự cảm. Các phần tử khác còn lại là hỗ cảm. Đối với cuộn dây trên mỗi một pha từ thông mà nó đan xen là tổng của từ thông hỗ cảm và từ thông rò.Vì vậy từ cảm của các pha trên mạch Stato là: LAA= LBB=LCC=Lm1+Ll1 (3-4) và từ cảm của các pha trên mạch rô to là: Laa= Lbb=Lcc=Lm1+Ll1 (3-5) Trong đó LL1là từ thông rò. Hỗ cảm giữa dây quấn Stato với dây quấn rô to phụ thuộc vào góc lệch không gian giữa 2 dây quấn và được xác định theo biểu thức: LAa = LaA=LbB =LBb= LCc = LcC =Lm1.cosq (3.6) LAb = Lb A=LBC=LCb= LCa = LAc =Lm1.cos(q +120o) (3.7) LA c = Lc A=LBa=LaB= LbC = LCb =Lm1.cos(q -120o) (3.8) Khi đường trục các cuộn dây 2 pha của rôto và stato trùng nhau, trị số hỗ cảm giữa chúng là lớn nhất (Lm1) Hỗ cảm nằm xen ở vị trí giữa 3 pha của stato và nằm xen ở vị trí giữa 3 pha của rô to đều là cố định nên hỗ cảm là hằng số. Bởi góc lệch pha giữa đường trục nhóm cuộn dây 3 pha là ±120o. Với giả thiết từ thông phân bố là hình sin trị số hỗ cảm là: Lm1.cos 1200 =Lm1.cos (-1200) = -Lm1 LAB =LBC= LCA=LBA=LCB = LAC= -Lm1 (3.9) Lab =Lbc= Lca=Lba=Lcb= Lac= -Lm1 (3.10) Thay các giá trị ở biểu thức (3.4), (3.5), (3.6), (3.7), (3.8), (3.9), (3.10) vào biểu thức (3.3) ta được phương trình chuỗi từ hoàn chỉnh. Để đơn giản ngắn gọn có thể viết dưới dạng ma trận phân khối. (3-11) (3-12) (3-13) (3-14) Nếu thay phương trình chuỗi từ (2.3) vào phương trình điện áp (2.2) sẽ có phương trình khai triển. (3.15) Trong đó là thuộc về sức điện động mạch xung trong sức điện động cảm ứng điện từ. Trong đó là thuộc về sức điện động quay tỷ lệ thuận với tốc độ góc w trong sức điện động cảm ứng điện từ. 3.2.2.2. Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ từ hệ véc tơ (a,b,c) về hệ tọa độ cố định trên Stato (a,b) Để thuận tiện cho việc nghiên cứu ta quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ ba pha từ hệ tọa độ vector không gian (a,b,c) về hệ tọa độ cố định trên stator (a,b) với quy ước là trục 0a trùng với trục 0a. Ta có thể coi hệ tọa độ cố định trên stator (a,b) bao gồm hai cuộn dây stator nằm trên hai trục (a,b). Hình 3.5: Hệ trục vector không gian (a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên trục stator (a,b). Việc quy đổi vector dòng điện và điện áp được thực hiện theo công thức: (3.16) Như vậy ma trận biến đổi sẽ là: (3.17) Nguợc lại khi quy đổi từ hệ trục toạ độ cố định trên stator (a,b) về hệ toạ độ vector không gian(a,b,c) ta có công thức: (3.18) Trong trường hợp này ma trận biến đổi ngược chính là ma trận chuyển vị của ma trận biến đổi thuận: (3.19) Tương tự các ma trận thông số được quy đổi theo công thức: R1 = C1.Rs. C1T R2 = C1.Rr.C1T L1 = C1.Ls.C1T L2 = C1.Lr.C1T (3.20) Lm(q) = C1.Lm0(q).C1T Trong đó R2, L2 là điện trở và điện kháng rotor quy đổi về hai pha. Sau khi quy đổi ta được kết quả: Trong đó L1 = L10 + Lms L2 = L20 + Lmr Lm = 1,5.Lm0 Các giá trị R1, R2 không thay đổi Hình 3.6. Hệ tọa độ cố định trên stator (a,b) và hệ toạ độ cố định trên rotor(x,y). Bên cạnh khái niệm về hệ tọa độ cố định trên stator (a,b), trên rotor cũng đặt một hệ tọa độ cố định khác có tên gọi là (x,y). Hệ tọa độ cố định trên rotor (x,y) còn có một tên gọi khác là hệ toạ độ quay cùng rotor. Một cách trực quan ta có thể coi hệ toạ độ cố định trên rotor (x,y) gồm hai cuộn dây rotor nằm trên hai trục (x,y). Ta có hệ phương trình cân bằng điện áp như sau: (3.21) Viết dưới dạng ma trận là: (3.22) 3.2.2.3. Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ ba pha từ hệ tọa độ cố định trên Rotor (x,y) về hệ tọa độ cố định trên Stator (a,b). Từ mô hình mạch của động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ cố định stator (a,b), ta nhận thấy từng cặp (u1a, u1b); (u2x, u2y); (i1a, i1b); (i2x, i2y); có thể xem như tọa độ của các vector không gian; ;;; trên toạ độ (a,b) và (x,y). Bằng cách như vậy ta có thể quy đổi các đại lượng sang các toạ độ khác nhau. a b x y i2b i2 i2 i2x i2 q cố định trên rotor (quay vùng rotor) cố định trên stator 0 Hình 3.7. Biểu diễn véc tơ dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ cố định stator (a,b) và hệ tọa độ cố định rotor (x,y). Bây giờ ta thực hiện quy đổi dòng điện của dây quấn rotor từ hệ tọa độ cố định trên rotor (x,y) về hệ tọa độ cố định trên stator (a,b). ta có: (3.23) Ma trận biến đổi sẽ là: (3.24) Ngược lại ta có: (3.25) Khi đó hệ (3.21) trở thành: (3.26) Tương tự, vector điện áp rotor được quy đổi theo công thức: (3.27) Thay u2x, u2y từ hệ (3.13) vào (3.14) và thay ký hiệu p bằng đạo hàm d/dt. sau khi biến đổi ta nhận được hệ phương trình cân bằng điện áp: (3.28) Trong đó w = dq/dt là tốc độ góc của rotor (rad/s). Viết dưới dạng ma trận sẽ là: (3.29) 3.2.2.4. Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ ba pha từ hệ tọa độ cố định trên Stator (a,b) về hệ tọa độ cố định trên Rotor (d,q) a b d q i1b i1a i1q i1d i1 q1 0 Hình 3.8. Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định stator (a,b) và hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q). Thực hiện quy đổi các vector từ hệ tọa độ cố định trên stator (a,b) về hệ tọa độ tự theo từ thông rotor (d,q) quay đồng bộ với từ trường quay. Trong đó trục 0d trùng với phương của từ thông rotor y2 và hợp với trục 0a một góc q1 = w1.t Ta có công thức quy đổi: (3.30) Ma trận quy đổi sẽ là: (3.31) Ma trận biến đổi ngược là: (3.32) Ma trận biến đổi nguợc là: (3.33) Các vector điện áp được quy đổi theo công thức: ; (3.34) Thay thế (3.28) vào (3.34) và thay ký hiệu p bằng đạo hàm d/dt. Sau khi biến đổi ta nhận được hệ phương trình: (3.35) Viết dưới dạng ma trận là: (3.36) Trong đó w = dq/dt là tốc độ góc của rotor (rad/s). ws = w1 - w là tốc độ trượt của rotor với từ trường quay (rad/s). Các thành phần của từ thông rotor y2 được xác định theo phương trình: y2d = lm.i1d + l2d y2q = lm.i1q + l2q (3.37) Để tiện cho nghiên cứu hệ thống ta sẽ biến đổi hệ phương trình cân bằng điện áp theo các biến i1d, i1q, y2d, y2q. Thay (3.37) vào (3.25), hai phương trình dưới của (3.35) được viết lại như sau: u2d = R2.i2d + py2d - ws. y2q u2q = R2.i2q +ws. y2d + py2q (3.38) Từ (2.37) ta có: (3.39) Trong đó: Thay (3.39) vào (3.38) ta được: (3.40) Đặt , rồi nhân hai vế của (2.40) với t2 và chú ý (Lm = Kr.L2) ta được: T2.u2d = -Lm.i1d + (1 + T2p).y2d – T2.ws.y2q T2.u2q = -Lm.i1q + T2.ws.y2d + (1 + T2p).y2q (3.41) Thay (3.39) vào (3.35) ta có: u1d = (R1+ pL1).i1d – L1.w1.i1q + Kr.(py2d - pLm.i1d - w1.y2q + w1.Lm.i1q) = [R1+ p(L1 – Kr.Lm)].i1d – w1.(L1 - kr.Lm).i1q + Kr.py2d – Kr.w1.y2q u1q = L1.w1.i1d + (R1+ pL1).i1q + Kr.(py2d - Lm. w1.i1d + py2q - pLm.i1q) = w1.(L1 – Kr.Lm)].i1d +[R1+ p(L1 – Kr.Lm)].i1q + Kr.w1.y2q + Kr.py2d Từ đó ta có: (3.42) Trong đó: Rn = R1 + Kr2.R2 Ln = L1 – Kr.Lm Nếu như dây quấn rotor đã quy đổi về dây quấn stator thì: L1 = Lm + L1t L2 = Lm + L2t Trong đó L1t, L2t là hệ số tự cảm tản của dây quấn stator và rotor. Khi đó ta có: Ln = L1t + (1 – Kr).Lm Như vậy: Rn và Ln có ý nghĩa như là điện trở và điện kháng ngắn mạch của động cơ. Tỷ số là hằng số thời gian của mạch vòng điện từ. Kết hợp (3.41) và (3.42) với chú ý là u2d = u2q = 0 (®èi víi r« to ng¾n m¹ch) ta được hệ phương trình: (3.43) Viết dưới dạng ma trận sẽ là: (3.44) Hệ phương trình (2.44) cho thấy mối quan hệ giữa từ thông rotor với điện áp và dòng điện stator. Điều đó có ý nghĩa quan trọng trong việc phân tích hệ thống điều chỉnh từ thông theo dòng điện stator. Về phương trình mô men sau khi phân tích y2 thấy rằng y2 chính là véc tơ quay với tốc độ góc đồng bộ và do đó y2d º y2; y2q º 0 Tức là : Lmi1d+Lri2d = y2 (3.45) Lmi1q+Lri2q= 0 (3.46) Mà biểu thức mô men M = npLm(i1qi2d - i1di2q) (3.47) Lấy (3.45), (3.46) thay vào (3.47) ta được biểu thức mô men Quan hệ này tương đối đơn giản, rất giống với phương trình mô men động cơ một chiều. 3.2.2.5. Cơ sở để định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông Rotor (d,q) a d b q i1a i1d i1q i1 i2 q1 Hình 3.9. Định hướng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q). Trở lại phương trình (2.43) ta có: (3.48) Nếu ta giữ cho biên độ từ thông rotor y2 không đổi và vector không gian y2 trùng với trục 0x thì ta có: y2q = 0 ; y2d = y2 = const. Từ (3.48) ta xác định được các thành phần của vector dòng điện stator: (3.49) Mômen điện từ khi đó là: M = Kr.y2d.i1q =Kr.Lm.i1d.i1q (3.50) (vì y2d =Lm.i1d ) Ngược lại khi ta điều chỉnh vector dòng điện stator theo đúng quy luật (3.50) thì vector từ thông rotor y2 luôn trùng với trục 0d và có biên độ không thay đổi. Các thành phần của vector dòng điện rotor là: (3.51) Như vậy khi định hướng vector từ thông rotor trùng với trục 0d với biên độ không đổi thì ta rút ra được các đặc điểm quan trọng là: - Vector dòng điện rôtor luôn vuông góc với vector từ thông rotor. - Thành phần i1d có giá trị không đổi, đóng vai trò là dòng điện từ hoá. - Các thành phần i1q, i2q và mômen M tỷ lệ với nhau và tỷ lệ với tốc độ trượt ws. Từ công thức (3.50) ta có thể xác định giá trị i1d theo các thông số định mức của động cơ như sau: (3.52) Trong đó: Mđm là mômen định mức (nm). wdm là tốc độ định mức (rad/s). wsdm là tốc độ trượt định mức (rad/s). sdm là độ trượt định mức. Nếu coi từ thông rotor của động cơ không đồng bộ lúc không tải bằng từ thông định mức, thì vector dòng điện stator được xác định như sau: Trong đó: I0m là biên độ dòng điện không tải. I0 là giá trị hiệu dụng của dòng điện không tải. là hệ số quy đổi từ 3 pha về 2 pha. Trên cơ sở phân tích trên ta xây dựng được sơ đồ điều khiển cho động cơ không đồng bộ như hình 3.10. Trong đó hệ thộng này thực hiện điều chỉnh vector dòng điện stator theo luật (3-54) nhờ đó mà định hướng được vector từ thông rotor trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q). Các đại lượng điều chỉnh được quy đổi từ hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) sang hệ 3 pha (a,b,c) để đưa vào điều khiển bộ nghịch lưu. Tín hiệu phản hồi dòng điện được quy đổi từ hệ 3 pha về hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q). Các ma trận quy đổi có tham số phụ thuộc vào góc quay q1 và được xác định theo công thức: với Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ bằng thiết bị biến tần Từ phương trình (3-51) và (3-52) ta nhận thấy: nếu trong quá trình làm việc giữ từ thông rotor không đổi y2d = const có nghĩa là giữ nguyên dòng điện I1d = const, lúc này ta điều chỉnh dòng điện I1q để tiến hành điều chỉnh mômen (cách điều chỉnh này giống như điều chỉnh động cơ điện một chiều). Với hai mạch vòng, để điều chỉnh I1q thì sẽ điều chỉnh được lượng vào của mạch vòng tốc độ, lượng ra của bộ điều chỉnh tốc độ là trị số điều chỉnh mômen của động cơ. Như vậy khi thay đổi lượng vào tốc độ tức là thay đổi tốc độ đặt của động cơ Þ thay đổi tần số của bộ biến tần để thay đổi tốc độ của động cơ. CHƯƠNG 4: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG VECTƠ- BIẾN TẦN VÀ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA ROTOR LỒNG SÓC. 4.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống truyền động điện điều khiển vectơ biến tần và động cơ không đồng bộ: Từ sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ hình 3.8 và sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ bằng biến tần hình 3.10, thành lập ,thành lập sơ đồ cấu trúc chi tiết của hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ không đồng bộ (hình 4.1). Hình 4.1 : Sơ đồ cấu trúc chi tiết hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ không đồng bộ Trong sơ đồ khối này ta coi gần đúng bộ nghịch lưu là một khâu khuyếch đại có hệ số khuyếch đại Ku, vectơ chứa thành phần phi tuyến xác định theo biểu thức: Các thành phần của từ thông Y2 được xác định từ hệ phương trình phi tuyến: Hàm truyền W1(p) được xác định theo công thức : Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu dòng điện WL(P) co dạng: Khâu tạo momen là một khâu phi tuyến có phương trình : Ma trận Co là ma trận quy đổi từ hệ toạ độ vectơ không gian (a,b,c) về hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor(d,q). Ngược lại : là ma trận quy đổi từ hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q) về hệ toạ độ vectơ KG (a,b,c). Các Ma trận Co và có các phần tử thay đổi theo góc quay của từ trưòng quay. Ta nhận thấy : Co.=( Ma trận đơn vị ). Vì vậy ta có thể đơn giản hoá sơ đồ cấu trúc chi tiết của hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và ĐCKĐB thành sơ đồ như trong hình 4.2 dưới đây. Hình 4.2. Sơ đồ cấu trúc đơn giản hóa của hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần , động cơ không đồng bộ. 4.2. Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện Hình 4.3. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện Từ sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện (hình 4.9) ta xác định được hàm truyền của hệ kín là: (4.1) Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có: Fotư = Ri(P).Ku.W1(P).WL(P) Þ (với tå = Ti) Như vậy bộ điều chỉnh dòng điện RiP là một khâu PI (tỷ lệ - tích phân). 4.3. Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ W i (P) K m M Mc 1 Jp W F (p) ω * - ω R ω Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ Thay (4.2) vào (4.1) Þ Trong sơ đồ cấu trúc này, ta thấy thành phần i1d không tham gia vào trực tiếp. Nó chỉ đóng vai trò là dòng điện để tạo ra từ thông trong động cơ và do đó nó chỉ ảnh hưởng đến hệ số Km. Theo sơ đồ cấu trúc hình (4.4) ta có: với Wi(P) = (Theo CT 4.1) Trong đó J là momen quán tính đã quy về trục động cơ. (p) * γn W F ω * - ω R ω I 1q Đối tượng điều khiển Từ sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ (Hình 4.10), nếu đơn giản hóa thành sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ (như hình 4.11) thì hàm truyền của đối tượng điều khiển sẽ có dạng (4.5). Hình 4.5. Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ (4.3) Đặt Kw = Km; Tw = 2Ti; Suy ra WDT(P) = * Dùng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có: Fotư = Rw(P).WDT(P).WF(P) Hàm truyền của BĐC tốc độ Như vậy bộ điều chỉnh tốc độ Rw(P) có dạng là một khâu P Với K = Kw.KFT = Km.KFT. tå = TFT + Tw = TFT = 2Ti. Thay (4.4) vào Ww(P) ta có: * Dùng tiêu chuẩn modul đối xứng Fotư = Rw(P).WPT(P).WF(P) Hàm truyền của BĐC tốc độ: Như vậy bộ điều chỉnh tốc độ Rw(P) có dạng là một khâu PI Nhận xét: - Khi tổng hợp bằng phương pháp modul tối ưu, ta xác định bộ điều chỉnh tốc độ là một khâu P. - Khi tổng hợp bằng phương pháp modul đối xứng, ta xác định bộ điều chỉnh tốc độ là một khâu PI. - Hai khâu này đưa vào hệ thống, hệ thống đều ổn định xuất phát từ modul tối ưu nhưng chất lượng động và chất lượng tĩnh khác nhau. Nếu dùng khâu P rút ngắn quá trình quá độ nhưng hệ thống có sai lệch tĩnh nếu hệ số tỉ lệ nhỏ sai lệch sẽ nhiều, độ dốc đặc tính lớn dễ gây ra quá tốc độ mất ổn định tăng lên. Nếu dùng khâu PI thì thời gian ổn định lớn hơn nhưng sai lệch tĩnh bằng 0. 4.4.Tính toán gần đúng các thông số 4.4.1.Tính toán gần đúng các thông số cần tìm từ các thông số ghi trên nhãn động cơ Các thông số ghi trên động cơ gồm: Pđm = 400W; cosjđm = 0,83; Uđm = 220V; Iđm = 2,7A; fđm = 50Hz; nđm = 940 (vòng/phút) J = 0,001 Kgm2/ n0 = 1000 (vòng/phút) - Tính tốc độ góc định mức: (rad/s) - Tính momen định mức: (M/m) - Tính hệ số trượt định mức: - Tính số đôi cực từ: Pc = - Tính hệ số sinjđm = = 0,56 - Tính dòng kích từ định mức: I1ddm = = 1,574 (A) - Tính dòng tạo momen quay định mức: Iqđm = = 3,479 (A) - Tính tốc độ góc trượt của rotor so với từ trường quay: wsđm = = 18,85 (rad/s) - Tính hằng số thời gian rotor định mức Tr = T2 = = 0,117 (s) - Tính kháng phức tiêu tán phần định mức = 8,568 (W) - Tính điện kháng phức định mức = 105,53 W Tính điện trở rotor và stato định mức: Rsđm=Rrđm= Tính hệ số tiêu tán tổng: =0.0812(H) Tính điện cảm stato: Ls= Tính hằng số thời gian stato: Ts= Tính điện cảm rotor: Lr=Tr.Rsdm=0.336(H) Tính hỗ cảm: Lm= Từ các kết quả này ta tính được các thông số sau: Kr= Chọn hằng số thời gian của các bộ điều chỉnh: Ti=0.002 (s) Vậy hàm truyền của đối tượng có dạng: Xác định các thông số của máy phát tốc: Máy phát tốc được dung trong hệ thống để làm khâu phản hồi âm tốc độ. Nó được nối cứng vào trục động cơ chấp hành hoặc qua hộp tốc độ Dựa theo yêu cầu công nghệ ta chọn máy phát tốc có thông số như sau: Loại Pđm(W) Uđm(V) Iđm(A) Nđm (vg/ph) TTT32/1B4Y 115 230 0.5 1000 7.34 Tỉ số truyền giữa máy phát tốc và động cơ: i= Hệ số khuyếch đại của máy phát tốc: Hằng số thời gian của máy phát tốc: TFT=0,05(s) Xác định thông số của máy biến dòng BI: Căn cứ vào dòng phần ứng động cơ, ta chọn BI như sau: Điều kiện chọn: UdmBI> Udmdc=220(V) UdmBI> Imm=2,5.Idm=2,5.2,7=6,57(A) Ta chọn BI với các thông số cho ở bảng Loại Udm(V) Idm(A) Cấp chính xác của lõi thép Công suất định mức và phụ tải thứ cấp khi cấp chính xác TK-0,5 500 5-300 0,5 0.5 1 3 1 VA5 0,2 VA VA 4.4.2 . Tính toán các thông số của bộ điều chỉnh dòng điện Ri(p) Ri(p)= Với = Với Tn= : Hằng số thời gian của mạch điện từ Rn và Ln là điện trở và điện kháng ngắn mạch của động cơ: Rn=Rr=2.866 Ln=Ls=0,336(H) Tn= Ku=2,34 Với Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện là:Ri(p)= Ta có sơ đồ mạch điện: Hình 4.6. Khâu PI R 2 C U R 1 +U cc -U cc v U r Ri(P)= Chọn C2=(F) => R1=32 (K); R2=1170(K) 4.4.3. Tính toán các thông số của bộ điều chỉnh tốc độ * Trường hợp bộ điều chỉnh tốc độ là một khâu P: R r -U cc R 1 R 2 U U v +U cc Ta có sơ đồ mạch điện: Hình 4.7. Khâu P Chọn Trường hợp bộ điều chỉnh tốc độ là một khâu PI: Chọn C2= R1=30 (K) 4.5. Kiểm tra chất lượng điều khiển của các bộ điều chỉnh tốc độ và dòng điện bằng công cụ Simulink của Matlab Sử dụng công cụ Simulink của Matlab, xây dựng mô hình mô phỏng mạch vòng điều chỉnh tốc độ và điều chỉnh dòng điện của hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ không đồng bộ có dạng như hình 4.8 và hình 4.9. Hình 4.8. Mô hình mô phỏng hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ không đồng bộ (mạch vòng điều chỉnh tốc độ sử dụng bộ điều khiển P) Hình 4.9. Mô hình mô phỏng hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ không đồng bộ (mạch vòng điều chỉnh tốc độ sử dụng bộ điều khiển PI) Giải thích các tham số của mô hình: © Tốc độ đặt: Là tốc độ góc định mức của động cơ ωdm=98,429(rad/s) © Nhiễu do tải tác động vào hệ thống được biểu diễn dưới dạng đại lượng gia tốc a áp vào tải có độ lớn là: © Bộ điều chỉnh tốc độ lần lượt sử dụng các công thức bộ điều chỉnh Khâu P và khâu PI. © Hàm truyền của đối tượng là động cơ không đồng động bộ ba pha có dạng: 4.5.1 Kết quả mô phỏng hệ thống truyền động biến tần, động cơ không đồng bộ ba pha rotor lông sóc với bộ điều khiển PI Hình 4.10. Đáp ứng tốc độ ra của mạch vòng điều chỉnh tốc độ với bộ điều chỉnh tốc độ PI Chất lượng điều khiển:Độ quá điều chỉnh là 27.3%;độ sụt tốc khi áp tải là 15,8%; số lần quá điều chỉnh là 5 Hình 4.11. Đáp ứng dòng điện ra của mạch vòng điều chỉnh dòng với bộ điều chỉnh dòng điện PI Chất lượng điều khiển: Độ quá điều chỉnh là 90.2%; số lần quá điều chỉnh là 4 4.5.2. Kết quả mô phỏng hệ thống truyền động biến tần, động cơ không đồng bộ ba pha rotor lông sóc với bộ điều khiển PI Hình 4.12. Đáp ứng tốc độ ra của mạch vòng điều chỉnh tốc độ với bộ điều chỉnh tốc độ P Chất lượng điều khiển:Độ quá điều chỉnh là 6.01%;độ sụt tốc khi áp tải là 0; số lần quá điều chỉnh là 1 Hình 4.13. Đáp ứng dòng điện ra của mạch vòng điều chỉnh dòng với bộ điều chỉnh dòng điện PI Chất lượng điều khiển: Độ quá điều chỉnh là 0.5%; số lần quá điều chỉnh là 2 4.6. Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động biến tần nguồn áp,động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc: Từ các kết quả mô phỏng ở trên ta thấy chất lượng của hệ điều khiển khi sử dụng bộ điều chỉnh P tốt hơn so với hệ điều khiển sử dụng bộ điều chỉnh PI. Do đó trong đồ án này tôi sử dụng bộ điều khiển P để điều chỉnh tốc độ. Từ các thông số trên ta có sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động biến tần nguồn áp,động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc như hình.4.14. Nguyên lý hoạt động của hệ truyền động biến tần nguồn áp,động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc được trình bày ở phần 3.2.3 KẾT LUẬN Hệ thống truyền động biến tần nguồn áp-động cơ không đồng bộ được sử dụng nhiều trong thực tế vì có nhiều ưu điểm.Tuy nhiên vẫn còn một tồn tại cần phải xem xét, đó là dạng điện áp đầu ra của bộ biến tần không sin.Vì vậy, người ta đi sâu vào nghiên cứu hệ thống ngày càng có chất lượng cao hơn. Trong phạm vi bản đồ án tốt nghiệp này đã thu được một số kết quả chính như sau: Thiết kế bộ biến tần nguồn áp. Tính toán,xây dựng hệ truyền động Biến tần-Động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc thông qua phương pháp chuyển đổi hệ trục tọa độ. Thiết kế được mạch điều khiển Biến tần chất lượng cao với phưong pháp điều chỉnh độ rộng xung bằng các linh kiện bán dẫn có chất lượng và khả năng đóng cắt với tần số cao như IC 555, IC 4013, IC 4015, các bộ khuyếch đại thuật toán OA 741 và các transistor công suất cho mạch động lực bộ biến tần. Tuy nhiên do thời gian có hạn nên bản đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót như: Chưa nghiên cứu sâu sắc được như mong muốn, trình bày chưa ngắn gọn. Kính mong quý thầy cô giáo và các bạn góp ý để bản đồ án được hoàn thiện hơn. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS-TS Võ Quang Lạp và các thầy cô trong khoa Kỹ Thuật và Công Nghệ đã tận tình chỉ bảo và tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành bản đồ án này. TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Bính- Điện Tử Công Suất NXB: Khoa Học Và Kỹ Thuật Hà Nội-2000. Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh Điện tử công suất- NXB: Khoa Học Và Kỹ Thuật Hà Nội-2004 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền-Truyền Động Điện NXB: Khoa Học Và Kỹ Thuật Hà Nội-1996 Võ Quang Lạp-Giáo trình kỹ thuật biến đổi Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên-1998 Phạm Công Ngô-Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động NXB: Khoa Học Và Kỹ Thuật Hà Nội-2006 Võ Quang Lạp-Trần Thọ Cơ Sỏ Điều Khiển Tự Động Truyền Động Điện NXB: Khoa Học Và Kỹ Thuật Hà Nội-2004 Võ Quang Lạp-Giáo trình điện tử công suất và ứng dụng(II) Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên-2002