Điện - Điện Tử - Chương 10: Hệ thống điều tốc biến tần - Động cơ đồng bộ

Chương 10 hệ thống điều tốc biến tần - động cơ đồng bộ 10.1. ĐIều tốc biến tần - động cơ đồng bộ y0 = 0 y0 = x y1 = y4 = x+ Động cơ đồng bộ là loại động cơ mà tốc độ quay của rotor luôn bằng tốc độ từ trường quay và có giá trị không đổi khi tần số nguồn cung cấp không đổi. Các động cơ đồng bộ được chế tạo với giải công suất rất rộng, công suất nhỏ như chiếc đồng hồ quay định giờ, công suất lớn đạt đến hàng cục nghìn KW. Ngoài ra động cơ đồng bộ còn có một ưu điểm nổi bật là có thể điều chỉnh được hệ số công suất của nó bằng việc khống chế cuộn kích từ, có thể làm cho hệ số công suất bằng 1 hoặc có thể phát ra công suất phản kháng ( <00, thực hiện chức năng bù công suất phản kháng). Trong một nhà máy chỉ cần có một vài hệ thống công suất rất lớn dùng động cơ đồng bộ là có thể cải thiện được hệ số công suất của toàn nhà máy. Chương 10 y0 = 0 y0 = x y1 = y4 = x+ Do quá trình khởi động động cơ khi khá phức tạp, đặc biệt là với động cơ công suất lớn, nghiêm trọng có thể phát sinh dao động mạnh gây nguy hiểm cho hệ thống và các thiết bị. Ngoài ra, việc điều chỉnh tốc động đồng bộ duy nhất chỉ có thể điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số nguồn, vì vậy trừ khi có những yêu cầu đặc biệt, các thiết bị công nghiệp trước kia rất ít dùng đến động cơ đồng bộ. Từ khi kỹ thuật bán dẫn công suất và kỹ thuật vi xử lý phát triển, các bộ biến tần bán dẫn được sản xuất hàng loạt với giá thành ngày càng thấp thì việc sử dụng động cơ đồng bộ trong các hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc độ đã trở nên phổ biến. Về vấn đề khởi động, với việc sử dụng biến tần có cài đặt chương trình điều khiển phù hợp cho phép khởi động mà không cần thêm các thiết bị phụ, kể cả động cơ công suất lớn cỡ vài chục MW. y0 = 0 y0 = x y1 = y4 = x+ Chương 10 10.2. Hệ thống đIều tốc động cơ đồng bộ với biến tần điều khiển ngoài và điều khiển vector 10.2.1. Hệ thống điều tốc nhiều động cơ đồng bộ điều khiển tỷ số điện áp tần số không đổi mạch vòng hở tốc độ quay Hình 10.1 thể hiện hệ thống điều tốc nhiều động cơ đồng bộ điều khiển tỷ số điện áp tần số không đổi mạch vòng hở tốc độ quay. Đây là loại hệ thống điều tốc biến tần đơn giản nhất, thường gặp trong hệ thống truyền động nhiều động cơ công suất nhỏ của ngành công nghiệp hoá chất và công nghiệp dệt. Nhiều động cơ đồng bộ sắt từ vĩnh cửu hoặc từ trở mắc nối với bộ nghịch lưu dùng chung, do một tín hiệu tốc độ quay thống nhất cho trước U* đồng thời điều chỉnh nhiều tốc độ của động cơ, kèm bộ tạo xung hàm số GF bù sụt áp của stator. y0 = 0 y0 = x y1 = y4 = x+ Chương 10 L Điều khiển điện áp Điều khiển TH CL NL C Bộ điều khiển Tín hiệu đặt Bộ biến đổi tần số trực tiếp Nguồn kích từ Đ Hình 10.1: Hệ thống điều tốc biến tần đảm bảo tỷ số điện áp tần số không đổi của nhóm nhiều động cơ đồng bộ TH- Bộ tao hàm số; CL - Bộ chỉnh lưu có điều khiển; NL - Bộ nghịch lưu nguồn áp tần số Nhóm các động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ từ trở Đ Đ f2, U2 ĐFT Hình 10.2: Hệ thống điều tốc động cơ đồng bộ công suất lớn tốc độ thấp sử dụng bộ biến tần trực tiếp (xoay chiều- xoay chiều) y0 = 0 y0 = x y1 = y4 = x+ Chương 10 10.2.2. Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ công suất lớn tốc độ thấp sử dụng bộ biến tần trực tiếp (xoay chiều- xoay chiều) Một loại hệ thống điều tốc biến tần - động cơ đồng bộ dùng để truyền động công suất lớn tốc độ thấp, như máy cán đảo chiều không có bánh răng, máy tời ở mỏ, máy nghiền của nhà máy xi măng v.v... sử dụng bộ biến tần trực tiếp (xoay chiều-xoay chiều) với tần số đầu ra chỉ nằm trong khoảng 20  25 Hz (trong khi tần số lưới điện là 50 Hz), đối với động cơ đồng bộ có số đôi cực từ lớn (np=10), tốc độ quay đạt ở mức 120  150 vg/ph, dùng để trực tiếp dẫn động trục cán là rất phù hợp, có thể bỏ được hộp giảm tốc và hộp truyền lực rất cồng kềnh. Sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ thống điều tốc như trên hình 10.2, trong đó bộ điều khiển có thể là dạng thông dụng, cũng có thể dùng kiểu điều khiển vector. y0 = 0 y0 = x y1 = y4 = x+ Chương 10 10.2.3. Hệ thống biến tần điều khiển vector - động cơ đồng bộ Để có được chất lượng cao, hệ thống điều tốc biến tần - động cơ đồng bộ cũng có thể sử dụng thuật toán điều khiển vector. Nguyên lý cơ bản của nó cũng giống như điều khiển vector của động cơ không đồng bộ, cũng có thể thông qua phép biến đổi toạ độ vector không gian dòng điện (đại diện cho sức từ động), chuyển đổi tương đương thành động cơ một chiều, sau đó lại phỏng theo phương pháp điều khiển động cơ một chiều để tiến hành điều khiển. Bởi vì kết cấu của động cơ đồng bộ khác với kết cấu của động cơ không đồng bộ, nên biểu diễn vector của nó có những nét riêng biệt. Đặc điểm chủ yếu của động cơ đồng bộ là: stator của nó có 3 cuộn dây xoay chiều 3 pha, rotor có một cuộn dây kích từ được cấp bởi dòng một chiều (hoặc kích từ nam châm vĩnh cửu). y0 = 0 y0 = x y1 = y4 = x+ Chương 10 10.2.3. Hệ thống biến tần điều khiển vector - động cơ đồng bộ Để làm nghiên cứu, trước tiên phải bỏ qua một số yếu tố phụ và đưa ra một số giả thiết như sau: (1) Cực của động cơ là ẩn, hoặc bỏ qua sự thay đổi từ trở của cực từ lồi. (2) Không có cuộn dây cản, nói cách khác là bỏ qua hiệu ứng của cuộn dây cản. (3) Bỏ qua ảnh hưởng của điện trở và điện cảm tản cuộn dây stator. Các giả thiết cơ bản khác giống với các điều kiện giả định đã đưa ra khi nghiên cứu mô hình toán học động cơ không đồng bộ y0 = 0 y0 = x y1 = y4 = x+ Chương 10 10.2.3. Hệ thống biến tần điều khiển vector - động cơ đồng bộ Như vậy mô hình vật lý động cơ đồng bộ hai cực như trên hình 10.3, trong đó đường trục của 3 cuộn dây 3 pha A, B, C stator là cố định, điện áp uA, uB , uC và dòng điện iA, iB, iC đều là đối xứng. uB  q Hình 10.3: Mô hình vật lý của động cơ đồng bộ hai cực 1 uA uC iC iB iA A C d UKIK  y0 = 0 y0 = x y1 = y4 = x+ Chương 10 10.2.3. Hệ thống biến tần điều khiển vector - động cơ đồng bộ 2 2 s sT sMi i i  2 2 2 2 K KT KM sT sMi i i i (i i )     1 sM s s i cos i  1 sM K K i i cos i     KT sTi i  y0 = 0 y0 = x y1 = y4 = x+ Chương 10 10.2. Hệ thống đIều tốc động cơ đồng bộ với biến tần điều khiển ngoài và điều khiển vector 10.2.1. Hệ thống điều tốc nhiều động cơ đồng bộ điều khiển tỷ số điện áp tần số không đổi mạch vòng hở tốc độ quay Từ khi kỹ thuật bán dẫn công suất và kỹ thuật vi xử lý phát triển, các bộ biến tần bán dẫn được sản xuất hàng loạt với giá thành ngày càng thấp thì việc sử dụng động cơ đồng bộ trong các hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc độ đã trở nên phổ biến. Về vấn đề khởi động, với việc sử dụng biến tần có cài đặt chương trình điều khiển phù hợp cho phép khởi động mà không cần thêm các thiết bị phụ, kể cả động cơ công suất lớn cỡ vài chục MW. y0 = 0 y0 = x y1 = y4 = x+ Chương 10 10.2. Hệ thống đIều tốc động cơ đồng bộ với biến tần điều khiển ngoài và điều khiển vector 10.2.1. Hệ thống điều tốc nhiều động cơ đồng bộ điều khiển tỷ số điện áp tần số không đổi mạch vòng hở tốc độ quay Từ khi kỹ thuật bán dẫn công suất và kỹ thuật vi xử lý phát triển, các bộ biến tần bán dẫn được sản xuất hàng loạt với giá thành ngày càng thấp thì việc sử dụng động cơ đồng bộ trong các hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc độ đã trở nên phổ biến. Về vấn đề khởi động, với việc sử dụng biến tần có cài đặt chương trình điều khiển phù hợp cho phép khởi động mà không cần thêm các thiết bị phụ, kể cả động cơ công suất lớn cỡ vài chục MW.