Hệ truyền động điện biến tần - Động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp

Tạp chí Khoa học & Công nghệ Số 2 (42) /Năm 2007 Hệ truyền động điện Biến tần động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp Trần Xuân Minh Nguyễn Nh− Hiển (Tr−ờng ĐH Kỹ thuật công nghiệp ĐH Thái Nguyên) 1. Đặt vấn đề Theo [2], [3], [7], [8], động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp l động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha rotor dây quấn với sơ đồ đấu dây đặc biệt (hình 1). Với cách đấu dây ny, động cơ lm việc nh− một động cơ đồng bộ (có đ−ờng đặc tính cơ tuyệt đối cứng), do quan niệm từ thông động cơ tạo bởi cuộn dây rotor, m cuộn dây ny lại đ−ợc đấu nối tiếp với cuộn dây stator nên trong tr−ờng θ Va e ia hợp ny động cơ đ−ợc gọi l động cơ đồng bộ kích từ as nối tiếp (ĐCĐBKTNT). Trong [2], [3], [7], [8], đ giới thiệu các kết quả nghiên cứu về chế độ xác lập ic của động cơ, qua đó, đ khẳng định các −u điểm nổi ar cr bật của ĐCĐBKTNT. Nh−ng do động cơ lm việc nh− Vc một động cơ đồng bộ nên vấn đề khởi động động cơ l bs br một nội dung quan trọng cần phải đ−ợc nghiên cứu. cs V Ngoi ra cũng phải xét đến ph−ơng pháp điều chỉnh ib b tốc độ cũng nh− các yêu cầu đối với các thiết bị trong Hình 1: Sơ đồ đấu dây mạch stator v hệ điều chỉnh tự động truyền động điện. Nghiên cứu rotor của động cơ lm việc ở chế độ về các ph−ơng pháp khởi động ĐCĐBKTNT v xây ĐCĐBKTNT dựng cấu trúc điều khiển cũng nh− xác định lĩnh vực có thể ứng dụng hệ truyền động mới ny l nội dung cơ bản của bi báo đ−ợc trình by sau đây. 2. Các cấu trúc của hệ truyền động biến tầnĐCĐBKTNT 2.1. Các ph−ơng pháp khởi động ĐCĐBKTNT trong hệ truyền động điện ĐCĐBKTNT cũng t−ơng tự nh− các động cơ đồng bộ khác l không thể khởi động lên tốc độ lm việc (tốc độ đồng bộ) bằng cách đóng trực tiếp điện áp xoay chiều cung cấp cho các cuộn dây động cơ. Để khởi động các động cơ đồng bộ ng−ời ta có thể sử dụng một số ph−ơng pháp nh−: (1) Sử dụng một động cơ để kéo cho động cơ đồng bộ quay đạt đến tốc độ gần với tốc độ đồng bộ rồi cấp nguồn cho các cuộn dây động cơ để động cơ tự vo đồng bộ; (2) Sử dụng ph−ơng pháp khởi động không đồng bộ (đối với các động cơ có lòng sóc khởi động), khi tốc độ động cơ gần bằng tốc độ đồng bộ thì cấp nguồn cho cuộn dây kích từ để động cơ tự vo đồng bộ; (3) Điều khiển sự lm việc của biến tần theo một số luật nhất định (khi động cơ lm việc trong hệ truyền động biến tầnđộng cơ, điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số nguồn). Trong đó, ph−ơng pháp sử dụng biến tần với luật điều khiển phù hợp (3) để khởi động các động cơ đồng bộ l ph−ơng pháp hiện nay đ−ợc sử dụng phổ biến trong các hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ bằng ph−ơng pháp thay đổi tần số, ph−ơng pháp ny cho chất l−ợng của quá trình khởi động cũng nh− chất l−ợng hệ truyền động rất tốt. Về cơ bản hệ truyền động biến tần ĐCĐBKTNT cũng có thể áp dụng các ph−ơng pháp khởi động cho động cơ đồng bộ nói chung, 43 Tạp chí Khoa học & Công nghệ Số 2 (42) /Năm 2007 tuy nhiên, do bản chất ĐCĐBKTNT có cấu trúc không ổn định [4] nên muốn đ−a động cơ vo đồng bộ, phải xây dựng hệ truyền động theo cấu trúc điều khiển hệ thống kín. Khi đi sâu nghiên cứu ph−ơng pháp khởi động ĐCĐBKTNT trong hệ truyền động sử dụng bộ biến đổi tần số gián tiếp có khâu trung gian một chiều, nhóm tác giả bi báo ny đề xuất các ph−ơng án nh− sau: ⊕ Với hệ truyền động biến tầnĐCĐBKTNT điều khiển vô h−ớng sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM) có thể sử dụng các ph−ơng pháp: Điều chỉnh tần số v điện áp tăng dần theo một luật nhất định trong giai đoạn khởi động, kết hợp với sử dụng tín hiệu dòng v tín hiệu mô men động. áp dụng biện pháp khởi động không đồng bộ. ⊕ Sử dụng cấu trúc điều khiển vector tựa theo từ thông rotor đối với hệ truyền động biến tầnĐCĐBKTNT. Mỗi ph−ơng pháp khởi động có −u nh−ợc điểm riêng cả về cấu trúc của hệ truyền động cũng nh− chất l−ợng của nó. Trong bi báo ny chỉ giới thiệu về cấu trúc điều khiển vô h−ớng, cấu trúc điều khiển vector sẽ đ−ợc giới thiệu trong một bi báo khác. 2.2. Hệ biến tần ĐCĐBKTNT điều khiển vô h−ớng, khởi động động cơ bằng việc điều chỉnh tăng dần tần số v điện áp trong giai đoạn khởi động Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động đ−ợc biểu diễn trên hình 2. Sơ đồ cấu trúc gồm hai phần: Phần lực gồm : CL l khối chỉnh l−u dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của mạng điện công nghiệp thnh điện áp một chiều cấp cho khối nghịch l−u; NL l khối nghịch l−u th−ờng dùng các khoá đóng cắt IGBT, thực hiện biến đổi điện áp một chiều Udc ở đầu ra khối CL thnh điện áp xoay chiều cung cấp cho động cơ; ĐC l động cơ không đồng bộ ba pha rotor dây quấn đ−ợc đấu dây đặc biệt để lm việc ở chế độ động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp (ĐCĐBKTNT); C l tụ lọc. Phần điều khiển gồm : khâu tạo tín hiệu khống chế nghịch l−u theo nguyên lý điều chỉnh độ rộng xung (Driver NL PWM); bộ điều chỉnh biên độ điện áp ra nghịch l−u (ĐCA); các sensor đo dòng (SI) v đo tốc độ (TG); khâu biến đổi dòng ba pha của động cơ thnh điện áp một chiều tỉ lệ với giá trị hiệu dụng dòng điện một pha (BĐD); XL l khâu gia công tín hiệu dòng điện v tốc độ động cơ phục vụ cho mục đích ổn định động hệ thống; tín hiệu đặt tốc độ của hệ (THĐ) đ−ợc đ−a đến khối đặt tần số để quyết định tần số ra của NL, đồng thời THĐ lại đ−ợc tổng hợp với tín hiệu đầu ra của XL để khống chế biên độ điện áp ra của biến tần; các tín hiệu Sa, Sb, Sc l các chuỗi xung dùng để không chế các khoá IGBT trong ba pha của nghịch l−u. Việc khống chế qui luật thay đổi tần số giai đoạn khởi động do ĐTS quyết định, còn việc điều chỉnh điện áp đ−ợc thực hiện bởi ĐCA. áp dụng mô hình mô phỏng động cơ đ đ−ợc giới thiệu trong [2], [3], thực hiện việc mô phỏng đặc tính quá độ của hệ trong MATLABSIMULINK với động cơ có các thông số: Pđm=1,1KW; Uđm=380/220Y/ ∆; I1đm=3,5A; L δs=0,013H; L δr=0,0089H; Ls=0,34H; k=0,692; số đôi cực từ pm=3; tần số định mức fđm=50Hz; mô men quán tính động cơ v tải 44 Tạp chí Khoa học & Công nghệ Số 2 (42) /Năm 2007 nối trục với động cơ J = 0,04. Kết quả thu đ−ợc các đặc tính thời gian tốc độ, giá trị hiệu dụng dòng điện một pha khi khởi động không tải v thay đổi nhảy cấp tải khi A B C động cơ đ hon thnh quá trình khởi Đặt tần số ra NL động; khi khởi động có tải dạng quạt CL gió đ−ợc biểu diễn trên các hình 3a, ĐTS ì b;4a, b. U f dc C Các kết quả quả ny cho thấy, S ,S ,S với cấu trúc điều khiển v ph−ơng Driver a b c NL U NL pháp khởi động động cơ đ nêu, hệ ĐCA PWM truyền động đảm đ−ợc các yêu cầu THĐ SI βI ia cần thiết về đặc tính quá độ v hon BĐD ton có thể áp dụng vo thực tế sản XL ib xuất. TG ĐC Hình 2: Cấu trúc điều khiển vô h−ớng hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp ω r(rad/s) If(A) 120 3.0 100 2.5 80 2.0 60 1.5 40 1.0 20 0.5 a) b) 0 t(s) 0 t(s) 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 Hình 3: Tốc độ góc (a), giá trị hiệu dụng dòng điện một pha (b) của động cơ khi khởi động không tải v thay đổi tải nhảy cấp tại các thời điểm t=15s (M c=6Nm) v t=20s (tăng thêm 4Nm) với cấu trúc điều khiển vô h−ớng ω r(rad/s), M c(Nm) If (A) 120 ω 2.5 r 100 2.0 80 1.5 60 1.0 40 a) b) 20 0.5 Mc 0 t(s) 0 t(s) 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 Hình 4: Tốc độ góc (a), giá trị hiệu dụng dòng điện một pha (b)của động cơ khi khởi động có tải dạng quạt gió với cấu trúc điều khiển vô h−ớng 45 Tạp chí Khoa học & Công nghệ Số 2 (42) /Năm 2007 2.3. Hệ biến tần ĐCĐBKTNT điều khiển vô h−ớng, khởi động động cơ bằng ph−ơng pháp khởi động không đồng bộ ω r(rad/s) If(A) 250 4 200 3 150 2 100 a) b) 50 1 t(s) t(s) 0 0 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 Hình 5: Tốc độ góc (a), giá trị hiệu dụng dòng điện một pha (b) của động cơ khi khởi động không tải v thay đổi tải nhảy cấp tại các thời điểm t=15s(M c=6Nm), t=20s(+4Nm), v t=20s(+3Nm) với cấu trúc điều khiển vô h−ớng, khởi động không đồng bộ Mặc dù không có lồng sóc khởi động nh− một số động cơ đồng bộ, nh−ng ĐCĐBKTNT lại có đặc tính: Khi cấp nguuồn xoay chiều ba pha cho động cơ thì động cơ sẽ khởi động lên tốc độ gần bằng tốc độ từ tr−ờng quay của stator. Sử dụng đặc tính ny của động cơ, ta điều khiển biến tần lm việc theo luật: Khi bắt đầu khởi động biến tần cho ra điện áp với tần số gấp đôi tần số lm việc, dẫn đến động cơ sẽ khởi động đến tốc độ cần thiết, sau đó biến tần đ−ợc điều khiển để tần số đầu ra giảm xuống tần số lm việc (bằng một nửa lúc ban đầu), động cơ sẽ tự vo đồng bộ. Cấu trúc hệ truyền động vẫn có dạng nh− hình 2, chức năng điều khiển tần số để đảm bảo quá trình khởi động đ−ợc ci đặt trong khối đặt tần số. Các đặc tính trên các hình 5a,b cho thấy, với biện pháp khởi động ny cũng có thể dễ dng đ−a động cơ đến tốc độ lm việc theo yêu cầu v các chỉ tiêu khác hon t−ơng đ−ơng nh− khi áp dụng việc điều chỉnh tần số v điện áp ra của biến tần, tuy nhiên tr−ờng hợp ny yêu cầu biến tần phải có khả năng tạo ra điện áp tần số gấp đôi tần số định mức của động cơ. 3. Kết luận Từ các kết quả mô phỏng đối với các cấu trúc điều khiển vô h−ớng của hệ truyền động điện biến tầnđộng cơ đồng bộ kích từ nối tiếp có thể đ−a ra các kết luận: * Hệ truyền động điện biến tần ĐCĐBKTNT l một hệ truyền động có đ−ờng đặc tính cơ tuyệt đối cứng, đảm sự ổn định tốc độ tuyệt đối khi mô men tải thay đổi trong phạm vi nhỏ hơn hoặc bằng mô men cực đại của động cơ (cỡ từ 2 đến 3 lần mô men định mức), rất phù hợp với các cơ cấu sản xuất yêu cầu cao về sự ổn định tốc độ. * Các cấu trúc của hệ truyền động đ nêu đều đảm bảo đ−ợc các chỉ tiêu chất l−ợng tĩnh v động, đảm bảo quá trình khởi động cơ êm, dòng khởi động nhỏ nên không ảnh h−ởng đến l−ới điện khi hệ thống khởi động (với các động cơ công suất lớn). Các cấu trúc điều khiển ny đơn giản, không yêu cầu cao về phần cứng v phần mềm của hệ thống điều khiển nên dễ thực hiện, giá thnh thấp, độ tin cậy cao. * Với đặc tính tốc độ đồng bộ của động cơ gấp đôi tốc độ từ tr−ờng quay stator [2], [3], [7], [8] nên với động cơ 2 cực khi lm việc với tần số bằng 50Hz (th−ờng l tần số định mức của các 46 Tạp chí Khoa học & Công nghệ Số 2 (42) /Năm 2007 động cơ không đồng bộ ba pha đ−ợc sản xuất trong công nghiệp) thì tốc độ động cơ đạt đến 6000 vòng/phút, rất phù hợp với các hệ truyền động có yêu cầu tốc độ cao nh− các máy nén, máy bơm cao tốc, khi đó không cần hộp số nên kích th−ớc của hệ đ−ợc giảm nhỏ, giá thnh thấp. * Kết hợp các −u điểm về kết cấu động cơ chắc chắn, các chỉ tiêu chất l−ợng tĩnh tốt, có khả năng cho ra công suất gấp đôi công suất định mức do nh máy sản xuất đ−a ra [2], [3], [7], [8], với các đặc tính động đ−ợc giới thiệu trong mục 2, hệ truyền động điện biến tầnĐCĐBKTNT l một hệ truyền động rất có triển vọng khi đ−ợc nghiên cứu hon thiện
Tóm tắt Bi báo giới thiệu về một hệ truyền động điện mới, ứng dụng động cơ không đồng bộ ba pha rotor dây quấn với sơ đồ đấu dây đặc biệt, lm việc t−ơng tự nh− động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp. Trên cơ sở đó, xây dựng cấu trúc điều khiển của hệ truyền động đồng bộ kích từ nối tiếp v các kết quả về đặc tính lm việc trong chế độ quá độ của hệ thống, đồng thời, dự báo khả năng ứng dụng hệ truyền động mới ny trong công nghiệp. Summary Electrical transmission system of Altering frequency synchronous motor using the serial magnetic stimulation The paper presents a new electrical transmission system applying an asynchronous three phase induction motor with a special diagram for connecting coils as a synchronous operating motor with the use of the serial magnetic stimulation. Basic on this , the controlling structure of the synchronous system using serial magnetic stimulation is built and results of working characteristic in the immoderate mode of the system are obtained. Moreover, the applicable possibility of this new transmission in industry is also predicted. Ti liệu tham khảo [1]. Trần Khánh H (1997), Máy điện tập1 , NXB Khoa học v kỹ thuật, H Nội. [2]. Nguyễn Nh− Hiển, Trần Xuân Minh (2004), Xây dựng mô hình động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp để nghiên cứu chế độ xác lập , Tự động hoá ngy nay, 12. [3]. Bùi Quốc Khánh, Trần Xuân Minh, Nguyễn Nh− Hiển (2005), Lý thuyết v phân tích hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp , Tuyển tập các báo cáo khoa học Hội nghị ton quốc về tự động hoá lần thứ VI (VICA 6), trang 300305. [4]. Nguyễn Nh− Hiển, Trần Xuân Minh, Phạm Thị Bông, Lâm Hùng Sơn (2005), Các giải pháp ổn định hoá v nâng cao độ bền vững hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ kích từ nối tiếp , Tuyển tập các báo cáo khoa học Hội nghị ton quốc về tự động hoá lần thứ VI (VICA 6), trang 221226. [5]. Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha , NXB Giáo dục, H Nội. [6]. Nguyễn Phùng Quang (2003) MATLAB & Simulink dnh cho kỹ s− điều khiển tự động, NXB Khoa học v kỹ thuật, H Nội. [7]. Essam E. M. Rashad, Mostafa E. Abdel Karim (1996) Theory and Analysis of Threephase Seriesconnected Parametric Motors , trang 715720, IEEE 1996. [8]. Yasser G. Dessouky, Mohmoud S. Abouzid, Adel L. Mohamadein (2000), Theory and Performance of Series Connected Synchronous Motors, IEEE 2000. [9]. M. G. Tsilikil, M. M. Xôclov, B. M. Erekhov, A. B. Shinianxki (1974) Base of Automatic Electrical Drive , Energy, Moscow. 47