Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t t p : / / w w w .l r c t n u . e du . vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN TIẾN LUẬT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ Khoá học: K10 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t t p : / / w w w .l r c t n u . e du . vn THÁI NGUYÊN - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t t p : / / w w w .l r c t n u . e du . vn Công trình được hoàn thành tại: KHOA SAU ĐẠI HỌC - ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN LIỄN Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN Phản biện 2: TS. TRẦN TRỌNG MINH Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Vào hồi 11h ngày 22 tháng 11 năm 2009 Có thể tìm hiểu luận văn tại: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h t t p : / / w w w .l r c t n u . e du . vn THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRUNG TÂM HỌC LIỆU - ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 h t t p: / / w w w . l r c - t nu . e du . v n Chƣơng I ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ 1.1. Mô tả chung về động cơ không đồng bộ. - Ở đây ta chủ yếu nghiên cứu động cơ không đồng bộ ba pha. - Động cơ không đồng bộ ba pha là máy điện quay không đồng bộ ba pha. về cấu tạo, động cơ không đồng bộ gồm 2 phần chính là phần tĩnh hay là stato và phần quay là rôto. Stato thường gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120° trong không gian. Rôto phân làm 2 loại chính: rôto dây quấn và rôto lồng sóc. Rôto dây quấn là kiểu rôto có dây quấn giống ở stato, dây quấn rôto được đặt và các rãnh của lõi sắt rôto. Còn rôto lồng sóc thì không dùng dây quấn mà dùng các thanh dẫn bằng đồng hay nhôm, các thanh dẫn này được nối ngắn mạch với nhau ở mỗi đầu bằng vòng ngắn mạch. a b c a b c Hình 1.1. Động cơ không đồng bộ. a) Rô to lồng sóc, b) Rôto dây quấn - Động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất. Ưu điểm nổi bật của loại động cơ này là cấu tạo đơn giản đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc; so với động cơ một chiều động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn. Ngoài ra động cơ không đồng bộ có thể dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha nên không cần bộ biến đổi như động cơ điện 1 chiều. Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điểu chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn; riêng với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc thì các chỉ tiêu khởi động xấu hơn. U Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 h t t p: / / w w w . l r c - t nu . e du . v n 1.2. Ph ƣ ơng trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ: - Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ: Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta sử dụng sơ đồ thay thế. Trên hình 1.2 là sơ đồ thay thế gần đúng một pha của động cơ không đồng bộ với các giả thiết sau: + Ba pha động cơ là đối xứng, khe hở không khí là đồng đều. + Các thông số của động cơ không đổi, nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, tần số, dòng điện rôto, mạch từ không bão hoà. Nên điện kháng X 1, X 2 không đổi. + Dòng điện từ hoá không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt ở stato động cơ. + Bỏ qua cả tổn thất ma sát, tổi thất trong lõi thép. + Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng 3 pha. I2 I1 X1 σ R1 X' 2 σ X m I3 R' 2/s 1 R m Hình 1.2. Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ - Trong sơ đồ: +U 1 : Trị số hiệu dụng của điện áp pha stato. +I µ, I 1 , I 2 : Các dòng điện từ hoá, stato và rôto đã quy đổi về stato. +X σ, X 1σ, X 2σ : Điện kháng mạch từ hoá, điện kháng tản stato và rôto đã quy đổi về stato. + s: Độ trượt của động cơ: S = ω 1 − ω ω 1 + f 1 : Tần số của điện áp nguồn đặt vào stato. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 h t t p: / / w w w . l r c - t nu . e du . v n 2 I + = 2 +ω: Tốc độ góc của động cơ. +P p : Số đôi cực từ động cơ. Từ sơ đồ thay thế ta có:      1 1  I 1 = U f 1 .  R 2 + X 2  '   (1.1)  µ µ  R + R 2  + X 2     1 s  nm   Trong đó: X nm =X 1σ +X ’ : Điện kháng ngắn mạch 2σ Biểu thức (1) là phương trình đặc tính của dòng điện stato. + Khi ω=0, s=1 thì I 1 =I 1nm + Khi ω=ω 1 , s=0 thì: I 1 = U f 1 R 2 + X 2 = I ο 0 0 + I 1nm : Dòng điện ngắn mạch stato. + I µ : Dòng điện từ hoá có tác dụng tạo ra từ trường quay từ hoá lõi sắt động cơ. Ta cũng tìm được dòng điện rôto quy đổi về stato: ' U f 1 ( R + R ' / 2 ) 2 + X 2 (1.2) 1 2 nm - Phương trình đặc tính cơ của động cơ: Để tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ. Công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto: P 12 =M dt .ω 1 Trong đó: M dt : là mômen điện từ của động cơ Bỏ qua các tổn thất phụ thì : M dt =M cơ =M Công suất đó chia làm hai phần: P cơ : Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ ΔP 2 : Công suất tổn hao đồng trong rôto. P 12 =P cơ +ΔP 2 =>M.ω 1 =M.ω+ΔP 2 Do đó: ΔP 2 =M(ω 1 -ω)=M.ω 1 .s 2 2 U R s 1 f ' Mặt khác: ΔP 2 =3.I ’2 2 .R 2 ’ R ' 3.I '2 . 2 M = s ω 1 2 ' Từ đó ta có: M =   3U 1 .R 2 '   (1.3) ω   R + R 2  + X 2 .s 1 1 nm       Xác định cực trị bằng cách tính Từ đó suy ra: dM = 0 ds + S th R ' = ± 2 R 2 + X 2 (1.4) 1 nm 2 + M th = ± (1.5) 2 ω (R + R 2 + X 2 ) 1 1 1 nm Trong hai biểu thức trên dấu + ứng với trạng thái động cơ. Dấu - ứng với trạng thái máy phát. Do đó M th ở chế độ máy phát lớn hơn ở chế độ động cơ. Ở đây nghiên cứu hệ truyền động với động cơ không đồng bộ nên ta quan tâm nhiều tới trạng thái làm việc động cơ nên đường đặc tính cơ lúc này thường biểu diễn trong khoảng 0<s<s th , gọi là đoạn đặc tính cơ làm việc. Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thể biểu diễn đơn gian hơn bằng các lập tỉ số giữa (1.3) và (1.5) ta có: M = 2.M th (1 + a.s th ) Trong đó: a = R 1 2 s s th + s th + a.s s th ω Sdm Sth M Mdm Mkd Mth Hình 1.3. Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy các thông số ảnh hưởng tới đặc tính cơ: - Ảnh hưởng điện trở, điện kháng mạch stato - Ảnh hưởng điện trở mạch rôto - Ảnh hưởng điện áp lưới cấp cho động cơ - Ảnh hưởng của tần số lưới cấp cho động cơ f 1 . 1.3. Mô hình động cơ không đồng bộ. 1.3.1. Mô hình động cơ không đồng bộ trong không gian ba pha. - Quy ước: A,B, C chỉ thứ tự pha các cuộn dây rôto và a,b,c chỉ thứ tự các cuộn dây stato. Giả thiết: - Cuộn dây stato, rôto đối xứng 3 pha. - Dây quấn stato được bố trí sao cho từ thông khe hở có phân bố dạng hình sin dọc theo chu vi khe hở không khí. - Tham số không đổi. - Mạch từ chưa bão hoà. - Khe hở không khí δ đồng đều. - Nguồn 3 pha cấp hình sin và đối xứng (lệch pha góc 2л/3). Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuôn dây k như sau: s s  0 r  0   Trong đó: k là thứ tự cuộn dây A, B, C rôto và a,b,c stato. U k = I k R k ψ + d k dt Ψ k là từ thông móc vòng của mỗi cuộn dây thứ k.Ψ k =∑L jk i j . nếu i=k: ta có điện cảm tự cảm , j≠k: ta có điện cảm hỗ cảm. Ví dụ: Ψ a =L a a i a +L ab i b+ L ac i c +L aA i A +L aB i B +L aC i C L là điện cảm chính của dây quấn pha động cơ không đồng bộ. L σ là điện cảm tản N s là số vòng dây quấn stato N r là số vòng dây quấn rôto σ = L σ s s L = L s − 1 L L .N 2 σ = σ r r r LN 2 = L r − 1 L  ψ a   ψ   ψ a   ψ A   b   ψ  ψ =  c       ψ A  ψ =  ψ b    ψ c   ψ =  ψ B    ψ C    ψ   B    ψ C    i a   i A   u   u A          i s =  i b    i c    R S [ R ] =  0   0 i r =  i B  ,   i C   0 0  R S  0 R S   u s =  a  ,   u    R r [ R ] =  0   0 u r =  u B    u C   0 0  R r  0 R r   [...]... điện áp tần số giữ từ thông động cơ không đổi được vẽ trên ω ω1 M 0 Mth Hình 1.12 Đặc tính cơ điều khiển điện áp - tần số giữ từ thông động cơ không đổi Nhận xét: Phương pháp điều khiển U1(f1) giữ từ thông không đổi đơn giản dễ thực hiện Vì vậy, phần lớn biến tần công nghiệp thường sử dụng giải pháp này Chƣơng II CẤU TRÚC BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC DÙNG TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUNG ÁP A Cấu trúc bộ biến tần. .. đẩy việc sử dụng các bộ nghịch lưu nguồn áp trong lĩnh vực công suất lớn Các bộ nghịch lưu với dòng điện lớn và điện áp cao ngày càng ứng dụng rộng rãi trong truyền động xoay chiều, trong truyền tải điện xoay chiều như bộ bù tĩnh (static var compensator) Cấu trúc chung của bộ nghịch lưu áp nhiều mức (đa mức) là có nhiều bộ gồm sáu chuyển mạch thông thường trong nghịch lưu ba pha để tổng hợp điện áp hình... không làm động cơ bị quá dòng, cần phải điều chỉnh cả điện áp động cơ, cụ thể là giảm điện áp cùng với việc giảm tần số theo quy luật nhất định + Nếu tăng tần số vì điện áp U1=Udm (điện áp định mức là lớn nhất) Lúc này từ thông θ động cơ sẽ giảm xuống làm cho momen động cơ giảm, dẫn đến tốc độ động cơ giảm rất nhiều Trường hợp mômen động cơ yếu có thể làm cho động cơ không quay được Khi tần số tăng... tốc độ thay đổi và sẽ dẫn đến tốc độ động cơ thay đổi Khi điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ thường phải điều chỉnh cả điện áp, dòng điện hoặc từ thông trong mạch stato do trở kháng, từ thông, dòng điện của động cơ bị thay đổi - Khi điều chỉnh tần số, giả sử điện áp là điện áp định mức( U dm): + Nếu giảm tần số f < fđm (trong khi giữ U=Udm) thì từ thông ψ tăng lên, dẫn đến dòng từ hóa tăng lên,... nhau ở mọi tần số định mức Có thể điều chỉnh tốc độ ở hai vùng: Vùng dưới tốc độ cơ bản: giữ từ thông không đổi thông qua điều khiển tỷ số sức điện động khe hở /tần số là hằng số Vùng trên tốc độ cơ bản: giữ công suất động cơ không đổi, điện áp được duy trì không đổi, từ thông động cơ giảm theo tốc độ - Điều chỉnh từ thông: Trong chế độ định mức, từ thông là định mức và mạch từ có công suất tối đa Luật... tụ điện một chiều mắc nối tầng để tạo ra điện áp có nhiều mức Bộ nghịch lưu này có thể có cấu trúc: 3, 4 hay 5 mức, nhưng thường sử dụng nhiều nhất trong các truyền động công suất lớn, điện áp trung bình (medium voltage drives) là bộ nghịch lưu 3 mức (three level neutral point clamped: 3LNPC) Hình 2.1: Bộ nghịch lưu điôt kẹp 3 mức Cấu trúc của một bộ nghịch lưu điôt kẹp 3 mức như hình 2.1 Pha A của... s Lm + i r L r Trong đó Ls: điện cảm stato Ls =LσS +Lm(LσS: Điện cảm tiêu tán phía stato) Lr: điện cảm rôto Lr=Lαr+Lm(Lσr: Điện cảm tiêu tán phía rôto) (Phương trình từ thông không cần đến chỉ số hệ toạ độ vì các cuộn dây stato và rôto có cấu tạo đối xứng nên điện cảm không đổi trong mọi hệ toạ độ) 1.4 Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ: 1.4.1.Các phƣơng pháp điểu khiển tốc độ động cơ không đồng... 1.7 Các phương pháp điều khiển a Điều khiển điện áp stato: NL Do mômen động cơ không đồng bộ tỉ lệ với bình phương điện áp stato, do đó có thể điều chỉnh được mômen và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số Đây là phương pháp đơn giản nhất, chỉ sử dụng một bộ biến đổi điện năng (biến áp, tiristor) để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn stato Phương pháp này... số mức điện áp từ nguồn áp của tụ điện Lý do sử dụng các khóa chuyển mạch này là dòng điện bị phân chia trong các khóa chuyển mạch và cho phép làm việc với công suất định mức lớn hơn công suất từng khóa riêng rẽ 2.4 Các cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lƣu áp đa mức 2.4.1 Bộ nghịch lưu điôt kẹp (diode clamped multilevel inverter) 2.4.1.1 Cấu trúc Bộ nghịch lưu điôt kẹp sử dụng các điôt kẹp và các tụ điện. .. hoặc truyền động động cơ hai nguồn cung cấp - Nếu tái sử dụng năng lượng Ps để tạo Pcơ: được gọi là truyền động nối câp cơ Phương pháp này không có ý nghĩa nhiều vì khi ω giảm còn 1/3.ω 1 thì Ps=2/3.P1 tức là công suất một chiều dùng để tận dụng Ps phải gần bằng động cơ chính(xoay chiều), nếu không thì lại không nên điều chỉnh sâu ω xuống Trong thực tế không sử dụng phương pháp này d Điều khiển tần . NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN TIẾN LUẬT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ Khoá học: K10 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Số. nm Trong hai biểu thức trên dấu + ứng với trạng thái động cơ. Dấu - ứng với trạng thái máy phát. Do đó M th ở chế độ máy phát lớn hơn ở chế độ động cơ. Ở đây nghiên cứu hệ truyền động với động. động cơ bị quá dòng, cần phải điều chỉnh cả điện áp động cơ, cụ thể là giảm điện áp cùng với việc giảm tần số theo quy luật nhất định. + Nếu tăng tần số vì điện áp U 1 =U dm (điện áp định mức