BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ MÔMEN KHỞI ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN Chuyên ngành: Thiết bị, mạng nhà máy điện Mã số ngành: 60 52 50 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong thực tế có nhiều hoạt động công nghiệp đòi hỏi động điện phải có mômen khởi động lớn Ví dụ: hệ thống cầu trục, hệ thống băng tải, thang máy, máy cán Trước đây, hệ thống thường sử dụng động điện chiều để thực truyền động tính đơn giản điều khiển, song động điện chiều bộc lộ nhiều nhược điểm như: vận hành không an toàn, chi phí bảo dưỡng cao chiếm nhiều không gian so với động điện xoay chiều có công suất… Do có cấu tạo đơn giản, vận hành tin cậy, giá thành thấp so với động điện chiều sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều nên động KĐB ba pha thường sử dụng Về cấu tạo, chia động KĐB pha làm hai loại: động rotor dây quấn động rotor lồng sóc Quan hệ tốc độ mômen biểu đặc tính động cơ, tạo đường đặc tính phù hợp với yêu cầu phụ tải cách thay đổi thông số động Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính bao gồm:  Ảnh hưởng điện kháng phụ nối vào mạch stator  Ảnh hưởng điện trở phụ nối vào mạch rotor  Ảnh hưởng điện áp lưới cấp cho động  Ảnh hưởng số đôi cực dây quấn  Ảnh hưởng tần số cung cấp cho động Khi giảm điện áp cung cấp hay nối thêm điện kháng vào mạch stator mômen động giảm lớn (bình phương lần) nên biện pháp không dùng trường hợp khởi động động động mang tải Để đạt mômen lớn lúc khởi động, nối thêm điện trở vào mạch rotor - áp dụng cho động KĐB rotor dây quấn, hạn chế biện pháp tổn hao điện trở lớn động vận hành không an toàn Ngoài ra, thay đổi số cực cách thay đổi cách đấu dây stator động cơ, tùy theo cách đấu dây mà thay đổi mômen, nhiên nhược điểm biện pháp tốc độ động thay đổi nhảy cấp Với khả phát triển kỹ thuật chế tạo linh kiện bán dẫn công suất, đời biến tần giúp việc điều chỉnh tần số nguồn điện cung cấp cho động trở nên thuận lợi, tạo thích ứng mơmen khởi động động có tải, hạn chế việc phải thay đổi kết cấu động hay phải sử dụng thêm thiết bị phụ duøng để khởi động Điều phát huy tính hiệu sử dụng động KĐB rotor lồng sóc, có cấu tạo đơn giản, vận hành tin cậy, chắn Từ vấn đề đề cập trên, người thực chọn đề tài “Mômen khởi động động KĐB rotor lồng sóc làm việc với biến tần” 1.2 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ Mục tiêu đề tài nghiên cứu mômen khởi động động KĐB pha làm việc với biến tần Đề đạt mục tiêu này, cần phải thực nội dung sau đây:  Tìm hiểu tài liệu liên quan  Tìm hiểu biến tần  Xây dựng mô hình động KĐB pha  Nguyên lý điều khiển động KĐB pha  Xây dựng hệ truyền động động KĐB pha – biến tần  Mô hệ truyền động động KĐB pha – biến tần môi trường MATLAB  Phân tích đánh giá kết 1.3 PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phạm vi nghiên cứu: Do bò giới hạn thời gian điều kiện nghiên cứu nên đề tài giới hạn các vấn đề sau:  Nghiên cứu biến tần động KĐB pha  Các nguyên lý điều khiển động KĐB pha  Mômen khởi động động KĐB pha  Mô hệ truyền động động KĐB pha – biến tần môi trường MATLAB Phương pháp nghiên cứu Phương pháp chủ yếu sử dụng đề tài là:  Tìm kiếm tài liệu tham khảo cập nhật thông tin qua mạng Internet Trao đổi với giáo viên hướng dẫn, nhiệm vụ giao vấn đề có liên quan  Liên hệ tham khảo ý kiến chuyên gia vấn đề nghiên cứu  Xây dựng mô hình mô môi trường MATLAB/simulink, phân tích đánh giá kết đưa số đề xuất tương lai 1.4 ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN  Thiết lập mô hình động KĐB pha hệ tọa độ stator  Thiết lập điều khiển U/f không đổi 1.5 Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI  Ứng dụng hệ thống điều khiển động KĐB  Sử dụng hệ truyền động đòi hỏi mômen khởi động lớn 1.6 BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN Nội dung luận văn trình bày qua chương sau: - Mục lục - Giới thiệu đề tài - Chương 1: Biến tần phương pháp điều khiển - Chương 2: Mô hình động KĐB pha - Chương 3: Nguyên lý điều khiển mômen động KĐB pha - Chương 4: Mômen khởi động động KĐB pha làm việc với biến tần nguồn áp - Kết luận hướng phát triển đề tài Chương 1: Biến tần Phương pháp điều khiển Trang 11 Chương 1: BIẾN TẦN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN Nội dung: 1.1 Khái niệm 1.2 Phân loại 1.3 Bộ biến tần gián tiếp 1.3.1 Bộ biến tần gián tiếp nghòch lưu nguồn áp 1.3.2 Bộ biến tần gián tiếp nghòch lưu nguồn dòng 1.4 Phương pháp điều khiển biến tần 1.4.1 Khái niệm 1.4.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) 1.4.3 Các dạng sóng mang dùng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) CBHD: TS Nguyễn Bách Phúc Trang 12 Chương 1: Biến tần Phương pháp điều khiển Chương 1: BIẾN TẦN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1.1 Khái niệm Bộ biến tần dùng để chuyển đổi điện áp dòng điện xoay chiều ngõ vào từ tần số thành điện áp dòng điện xoay chiều có tần số khác ngõ Với chức đó, biến tần thường sử dụng để điều khiển vận tốc động xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, cách hay đổi góc kích tần số cắt chuyển khóa bán dẫn thay đổi biên độ tần số điện áp ngõ Ngoài việc thay đổi tần số có thay đổi tổng số pha Từ nguồn lưới pha, với giúp đỡ biến tần ta mắc vào tải động ba pha Bộ biến tần phải thỏa mãn yêu cầu sau: - Có khả điều chỉnh tần số theo giá trò tốc độ đặt mong muốn - Có khả điều chỉnh điện áp theo tần số để trì từ thông khe hở không đổi vùng điều chỉnh mômen không đổi - Có khả cung cấp dòng điện đònh mức tần số 1.2 Phân loại a.Theo tổng số pha, có biến tần: - Một pha - Ba pha - m pha b.Theo cấu trúc mạch điện, có biến tần: - Bộ biến tần gián tiếp (biến tần có khâu trung gian chiều): gồm biến tần dùng nghòch lưu áp biến tần dùng nghòch lưu dòng, với trình chuyển mạch phụ thuộc mạch nguồn với trình chuyển mạch cưỡng ~ u1, f1 Ud C IM (a) Ld Id ~ u1, f1 IM (b) Hình 1.1 Sơ đồ khối biến tần gián tiếp a Biến tần nghòch lưu nguồn áp b Biến tần nghòch lưu nguồn dòng - Bộ biến tần trực tiếp (biến tần khâu trung gian chiều gọi cycleconvertor) Bộ biến tần gián tiếp trước tiên phải chỉnh lưu dòng điện xoay chiều lưới thành dòng điện chiều, sau lại qua nghòch lưu chuyển dòng điện chiều CBHD: TS Nguyễn Bách Phúc Chương 1: Biến tần Phương pháp điều khiển Trang 13 thaønh dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển được, gọi biến tần có khâu chiều trung gian Bộ biến tần trực tiếp biến đổi dòng điện xoay chiều lưới có tần số thành dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển được, khâu chiều trung gian Trên thực tế biến tần gián tiếp sử dụng nhiều Bảng 1.1: So sánh đặc điểm chủ yếu biến tần gián tiếp biến tần trực tiếp Loại Mục so Hình sá nh thức chuyển đổi Bộ biến tần gián tiếp Bộ biến tần trực tiếp Hai lần chuyển đổi Chuyển đổi năng lượng lượng, hiệu suất thấp lượng lần, hiệu suất cao Phương thức chuyển Đổi chiều cưỡng Điện áp nguồn đổi đổi dòng điện dùng phương pháp dao chiều động phụ tải để đổi chiều Số lượng linh kiện Số lượng linh kiện tương Số lượng linh kiện thiết bò đối nhiều Phạm vi điều tần Phạm vi điều chỉnh tần Tần số lớn đầu số rộng nằm phạm vi 1/3 ~1/2 tần số nguồn Hệ số công suất mạng Khi điều áp dùng chỉnh Tương đối thấp điện lưu điều chỉnh được, hệ số công suất thấp điện áp thấp; điều áp sóng cưa dùng phương thức PWM hệ số công suất cao Phạm vi sử dụng Có thể dùng để dẫn động Rất thích hợp với loại thiết bò với điện áp truyền dẫn công suất lớn, tần số nguồn ổn đònh, tốc độ thấp điện nguồn không bò cắt 1.3 Bộ biến tần gián tiếp Cấu tạo gồm có chỉnh lưu biến đổi nguồn điện xoay chiều ngõ vào thành nguồn điện chiều nghòch lưu biến đổi nguồn chiều thành nguồn xoay chiều ngõ ra, có tần số khác tần số nguồn Với cấu tạo trên, người ta điều khiển tần số ngõ cách độc lập không phụ thuộc tần số vào Các biến tần gián tiếp thường hoạt động với công suất khoảng từ hàng kW đến vài trăm kW Phạm vi hoạt động tần số khoảng vài chục Hz đến vài trăm Hz Công suất tối đa chúng đạt đến vài MW tần số tối đa khoảng vài chục kHz CBHD: TS Nguyễn Bách Phúc Trang 14 Chương 1: Biến tần Phương pháp điều khiển 1.3.1 Bộ biến tần gián tiếp nghòch lưu nguồn áp: S1 A B C S3 S5 C S2 IM S4 S6 Hình 1.2: Cấu tạo biến tần nghòch lưu nguồn áp a) Mạch trung gian chiều Có chứa tụ C điện dung lớn, mắc vào ngõ vào nghòch lưu Điều giúp cho mạch trung gian hoạt động nguồn điện áp Tụ điện phối hợp với cuộn cảm L mạch trung gian nắn điện áp chỉnh lưu Do tác dụng diode nghòch đảo nghòch lưu, điện áp đặt tụ đạt giá trò dương Lúc mạch trung gian đóng vai trò kho tích trữ lượng, sau lượng đưa qua nghòch lưu, biến thành nguồn điện xoay chiều có tần số thay đổi b) Bộ nghòch lưu áp Dạng pha pha Quá trình chuyển mạch nghòch lưu áp thường trình cưỡng Trong trường hợp đặc biệt, nghòch lưu làm việc trình chuyển mạch với trình chuyển mạch phụ thuộc bên c) Bộ chỉnh lưu Có nhiều dạng khác nhau, mạch hình tia, hình cầu pha pha, thường gặp mạch cầu pha Nếu chỉnh lưu pha nghòch lưu pha, biến tần thực chức biến đổi tổng số pha Khi áp dụng phương pháp điều khiển theo biên độ cho điện áp tải xoay chiều chỉnh lưu, phải bắt buộc chỉnh lưu điều khiển Ngoài điện áp chỉnh lưu điều khiển thông qua phương pháp điều khiển xung, thực trực tiếp nghòch lưu, chỉnh lưu không cần điều khiển Nếu thực truyền lượng theo hai chiều qua biến tần, biến tần thường trang bò chỉnh lưu kép 1.3.2 Bộ biến tần gián tiếp nghòch lưu nguồn dòng a) Mạch trung gian Chỉ có cuộn cảm L Nhờ thế, mạch trung gian thực chức nguồn dòng điện nghòch lưu Dòng điện mạch trung gian có chiều không đổi Dòng CBHD: TS Nguyễn Bách Phúc Trang 15 Chương 1: Biến tần Phương pháp điều khiển cuộn cảm nắn Cuộn cảm thực chức trao đổi lượng tải tiêu thụ mạch trung gian L S1 S3 S5 A B C IM S2 S4 S6 Hình 1.3: Cấu tạo biến tần nghòch lưu nguồn dòng b) Bộ nghòch lưu dòng Một pha thường gặp dạng ba pha tùy theo trường hợp, nghòch lưu với trình chuyển mạch cưỡng trình chuyển mạch phụ thuộc Bộ nghòch lưu dòng với trình chuyển mạch phụ thuộc chất chỉnh lưu có trình chuyển mạch phụ thuộc vào điện áp xoay chiều tải hoạt động chế độ nghòch lưu Từ phân biệt biến tần có trình chuyển mạch cưỡng biến tần với trình chuyển mạch phụ thuộc c) Bộ chỉnh lưu Có nhiều dạng khác nhau, mạch hình tia, hình cầu pha ba pha Khi có yêu cầu phải truyền lượng theo hai chiều, cần chỉnh lưu đơn với điện áp đổi dấu Thông thường sử dụng mạch cầu ba pha có điều khiển Điện áp dòng điện tải điều khiển theo phương pháp điều khiển không dùng Để giảm bớt tượng điện áp linh kiện bán dẫn nghòch lưu, dùng nghòch lưu có chứa mạch tích lượng 1.4 Phương pháp điều khiển biến tần 1.4.1 Khái niệm Thực chất phương pháp điều khiển biến tần phương pháp điều khiển nghòch lưu bên biến tần Để tạo điện áp xoay chiều ngõ ra, linh kiện chuyển mạch điều khiển ON-OFF BJT, MOSFET, IGBT, GTO sử dụng mạch nghòch lưu áp điều khiển ON-OFF theo quy luật đònh để tạo dạng điện áp xung chứa thành phần dạng sin có biên độ tần số mong muốn Điện áp ngõ nghòch lưu áp có hay nhiều mức khác Tuỳ thuộc vào điều ta có nghòch lưu áp bậc nghòch lưu áp đa bậc (từ mức trở lên) Sự khác biệt mức áp kế điện áp tối đa đặt lên linh kiện CBHD: TS Nguyễn Bách Phúc Chương 1: Biến tần Phương pháp điều khiển Trang 16 trình linh kiện trạng thái OFF Khi số bậc lớn, với mức áp dòng điện ngõ ra, tiêu độ méo dạng tổng thể sóng hài (THD), kích thước mạch lọc ngõ (trường hợp có dùng mạch lọc) công suất chuyển mạch giảm so với mạch nghòch lưu áp bậc Các nghòch lưu áp hai bậc chứa hai khoá bán dẫn (IGBT) nhánh pha tải, áp dụng rộng rãi phạm vi công suất vừa nhỏ Khái niệm hai bậc xuất phát từ trình điện áp đầu pha tải đến điểm điện chuẩn mạch DC thay đổi hai bậc giá trò khác Bộ nghòch lưu áp hai bậc có nhược điểm tạo điện áp cung cấp cho cuộn dây động với độ dốc (dv/dt ) lớn gây số vấn đề khó khăn tồn trạng thái khác zero tổng điện từ pha đến tâm nguồn DC (hiện tượng commonmode voltage) Bộ nghòch lưu áp đa bậc phát triển để giải vấn đề gây nêu nghòch lưu áp hai bậc thường sử dụng cho ứng dụng điện áp cao công suất lớn Các Ưu Điểm nghòch lưu áp đa bậc:  Công suất nghòch lưu áp tăng lên Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho tải đạt giá trò tương đối lớn  Điện áp đặt lên linh kiện bò giảm xuống nên công suất tổn hao trình đóng ngắt linh kiện giảm theo  Với tần số đóng ngắt, thành phần sóng hài bậc cao điện áp giảm nhỏ so với trường hợp nghòch lưu áp hai bậc  Điện áp common mode nhỏ hơn, nên làm giảm ứng suất trục động cơ, nghóa tuổi thọ động tăng lên  Cải thiện độ méo dạng sóng hài tổng Như vậy, cóù thể điều khiển nghòch lưu áp (điều khiển tín hiệu đóng ngắt lên công tắc) nhiều phương pháp, phương pháp thích hợp với loại tải khác Do biến tần đa bậc có phạm vi hoạt động chủ yếu với tải công suất lớn nên vấn đề giảm bớt tần só đóng ngắt giảm shock điện áp linh kiện công suất có ý nghóa quan trọng Các thuật toán cố gắn thực trì trạng thái cân nguồn điện áp DC khử bỏ tượng common –mode voltage, nguyên nhân gây số tượng làm sớm lão hoá động 1.4.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang carrier based-PWM thực kỹ thuật Analog dựa sở so sánh hai tín hiệu sóng điều khiển dạng sin với sóng mang tam giác, kết so sánh dùng để điều khiển linh kiện chuyển mạch (hình 1.4) Tỉ số điều chế biên độ đònh nghóa là: U m a  ñk (1.1) Um CBHD: TS Nguyễn Bách Phúc Phụ lục: liên hệ mail: thienngatrang85@gmail.com for ii Xs Xr Xm = = = = Trang 65 1:51 2*pi*f(ii)*Ls; 2*pi*f(ii)*Lr; 2*pi*f(ii)*Lm; ns(ii) = 60*f(ii)/p; ws(ii) = 2*pi*ns(ii)/60; a = f(ii)/fn; E = a*En; M(ii) = (3/ws(ii))*(((E^2)*Rr/(a*s))/((Rr/(a*s))^2 + Xr^2)); end plot(f,M,'Color','k','LineWidth',3.0,'LineStyle','-'); hold on; xlabel('Tần số f [Hz]','fontname','VNI-Times','FontSize',12,'color','b'); ylabel('Mômen khởi động M_{kđ} [Nm]','fontname','VNITimes','FontSize',13,'color','b'); title ('Mômen khởi động ĐC KĐB f