bctntlvn (66).pdf

1,730 views

Published on

0 Comments
1 Like
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
1,730
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
3
Actions
Shares
0
Downloads
23
Comments
0
Likes
1
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

bctntlvn (66).pdf

  1. 1. z  Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Tự động điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều một pha bằng biến tần áp gián tiếp”
  2. 2. MỞ ĐẦU1. Đặt vấn đề Trong sản xuất hiện đại, để nâng cao năng suất, hiệu suất sử dụng củamáy, nâng cao chất lượng sản phẩm và các phương pháp tự động hoá dâytruyền sản xuất thì hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc độ là khôngthể thiếu được, đặc biệt là trong sản xuất công nghiệp. Nó quyết định đếnnăng suất, chất lượng sản phẩm, khả năng linh động, đáp ứng với các thay đổinhanh chóng của thị trường nhằm giữ uy tín với khách hàng khi hoà nhập vàomôi trường cạnh tranh quốc tế. Nước ta là một nước nông nghiệp, quanh năm đều có những sản phẩmnông sản. Ngoài việc không ngừng tăng về mặt số lượng của nông sản màviệc nâng cao chất lượng nông sản cũng đang được Đảng và Nhà nước ta rấtquan tâm. Vì vậy việc ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật vào nôngnghiệp là rất quan trọng. Đặc biệt là trong khâu bảo quản sau thu hoạch, trongđó quá trình sấy để bảo quản nông sản rất được quan tâm. Nhiệt độ, độ ẩm vàtốc độ gió là những thông số rất quan trọng trong quá sấy. Nó ảnh hưởng rấtlớn đến chất lượng nông sản. Ở nước ta, việc sấy nông sản đã được tiến hànhtừ xa xưa nhằm bảo quản nông sản được lâu hơn, nhưng công việc này chủyếu dựa vào thiên nhiên là chính. Việc nhận biết đặc tính sấy của nông sảnchủ yếu là do kinh nghiệm của người thực hiện sấy. Những năm gần đây đãcó những phòng thí nghiệm sấy được xây dựng nhằm khảo nghiệm đặc tínhsấy của nông sản. Một trong những yếu tố quan trọng tác động đến đặc tínhsấy của nông sản là tốc độ gió thổi vào nông sản. Vì vậy việc điều chỉnh tốcđộ gió có một ý nghĩa quan trọng và nó đòi hỏi cần phải có một giải pháp điềuchỉnh tốc độ chính xác. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ quạt gió để thay đổitốc độ gió thổi vào nông sản đang được ứng dụng rất phổ biến. Hiện nay cùng với sự phát triển kỹ thuật vi điện tử, công nghệ thông tinlà sự phát triển của kỹ thuật điều khiển và tự động hoá. Trong sản xuất công 1
  3. 3. nghiệp tự động hoá quá trình sản xuất đang là mũi nhọn và then chốt để giảiquyết vấn đề nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Một trong nhữngvấn đề quang trọng trong dây truyền tự động hoá là việc điều chỉnh tốc độ củađộng cơ truyền động. Trong đó phải kể đến hệ thống điều khiển tốc độ độngcơ không đồng bộ roto lồng sóc. Gần đây loại động cơ này được sử dụng rấtrộng rãi do nó có nhiều ưu điểm nổi bật so với các động cơ khác. Có nhiềuphương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều và mỗi một phươngpháp lại có nhưng ưu điểm riêng. Đối với loại động cơ không đồng bộ rotolồng sóc một xu hướng điều khiển thông dụng được dùng nhiều nhất là điềukhiển tần số nguồn cung cấp (còn gọi là phương pháp điều khiển tốc độ độngcơ bằng biến tần). Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng biến tần làphương pháp hiện đại cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều trơn,rộng và hiệu quả. Ưu điểm này đã đáp ứng được yêu cầu điều khiển tốc độ giótrong hệ thống thí nghiệm sấy. Được sự phân công của bộ môn điện, với sự hướng dẫn của thầy giáoNguyễn Văn Đường, cùng với sự giúp đỡ của các thầy giáo trong bộ môn đềtài: “Tự động điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều một pha bằng biến tần ápgián tiếp” đã hoàn thành. Do thời gian dành cho đề tài có hạn, khả năng bản thân còn nhiều hạnchế nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong sự đóng góp ý kiếncủa các thầy cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn.2. Mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài. - Nghiên cứu về mặt lý thuyết hệ thống điều khiển tốc độ quay và biến tần. - Tìm hiểu kỹ thuật điều khiển động cơ điện xoay chiều một pha bằngbiến tần áp. - Xây dựng được hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quạt gió bằng biếntần áp của hệ thống sấy nông sản. - Thiết kế và lắp ráp được mạch. 2
  4. 4. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN1.1 Điều khiển tốc độ quay động cơ xoay chiều trong nước và trên thếgiới Trước khi tìm hiểu về các phương pháp điều khiển động cơ xoay chiềuthì ta tìm hiểu về động cơ không đồng bộ.1.1.1 Khái quát về động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ được sử dụng một cách rộng rãi trong công nghiệp và chiếm tỷ lệ lớn so với các loại động cơ khác. Sở dĩ như vậy là do động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn trực tiếp từ lưới điện. Trước đây các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ sử dụng động cơ không đồng bộ chiếm tỷ lệ rất nhỏ do khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ. Trong thời gian gần đây với sự phát triển như vũ bão của kỹ thuật điện tử, động cơ không đồng bộ đã được khai thác triệt để các ưu điểm của nó và dần dần thay thế cho động cơ điện một chiều trong các hệ truyền động. hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ có cấu tạo gồm hai phần stator và rotor. Phầncảm (stator) có các dây quấn được đặt vào các rãnh của lõi thép và được cáchđiện với lõi thép. Phần ứng (rotor) được chia làm hai loại chính là: rotor dâyquấn và rotor lồng sóc. Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn có kết cấugiống như dây quấn stator. Đặc điểm của loại động cơ không đồng bộ rotor 3
  5. 5. dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ vào mạch điện rotorđể cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số côngsuất của máy. Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc thì kết cấu rất khác vớidây quấn stator. Trong rãnh của lõi thép rotor người ta đặt vào thanh dẫn bằngđồng hay nhôm được nối với nhau bằng vòng ngắn mạch. Dây quấn lồng sóckhông cần cách điện với lõi sắt. Động cơ không đồng bộ làm việc theo nguyên lý từ trường quay. Khi tađưa dòng điện xoay chiều vào dây quấn stator của động cơ không đồng bộ thìtrong dây quấn stator sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ n1. f1 n1 = ptrong đó f1 là tần số nguồn cung cấp; p là số đôi cực của stato. Từ trường nàysẽ quét qua dây quấn rotor và cảm ứng trên nó một sức điện động cảm ứnge21. Khi dây quấn rotor được nối kín mạch nó sẽ sinh ra một dòng điện I2. Từthông do dòng điện stator và dòng điện rotor tạo nên đó là từ thông khe hởkhông khí giữa stator và rotor. Sự tương tác giữa từ thông này và dòng điệnrotor tạo ra mômen quay Mq. Nếu mômen Mq > Mc thì roto sẽ quay (Mc làmômen cản). Gọi tốc độ quay của rotor là n thì n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trườngquay n1, ví khi n = n1 lúc đó e21 = 0; I2 = 0; Mq = 0 rotor sẽ giảm tốc độ. Đểđánh giá sự khác nhau giữa n và n1 ta đưa ra khái niệm về độ trượt s. n1 - n s= n1Khi bắt đầu mở máy n = 0 nên s = 0, khi n ≈ n1 độ trượt s ≈ 0. Trong chế độđộng cơ 0 < n < n1 do đó 0 < s < 1. Trong chế độ máy phát ta phải quay rotorvới n > n1 do đó - ∞ < s < 0. Ngoài ra khi quay rotor với tốc độ n bất kì nhưngngược chiều từ trường n1 lúc đó máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ 4
  6. 6. hãm điện từ 1 < s < + ∞. Như vậy chế độ làm việc của máy điện không đồngbộ có thể biiêủ diễn trên thang độ trượt như hình sau: Người ta chia động cơ không đồng bộ làm hai loại chính là: động cơrotor dây quấn và động cơ rotor lồng sóc. Với kết cấu đơn giản, làm việc chắcchắn, có đặc tính làm việc tốt, song đặc tính mở máy của động cơ rotor lồngsóc lại không được như của động cơ rotor dây quấn. Tuy nhiên với sự pháttriển mạnh mẽ của kỹ thuật điện từ bán dẫn đã cho phép thực hiện thành côngcác kỹ thuật điều khiển phức tạp đối với loại động cơ rotor lồng sóc. Vì lý doấy động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ngày nay được sử dụng một cáchrộng rãi trong các hệ truyền động công nghiệp.Quan hệ điện từ trong động cơ điện không đồng bộTa có phương trình cân bằng điện áp viết cho dây quấn stator: . . U 1 = -E1 + I1 ( r1 + jx 1 ) (1.1)Trên dây quấn rotor: . ., 0 = - E 2 - I 2 ( r2 /s + jx 2 ) . , . E 2 = E1 . ., . (1.2) I1 + I 2 = I o . . E1 = − I o z m r1 và r2’ là điện trở stator và rotor đã quy đổi về mạchstator; x1 và x2’ là điện kháng tản stator và rotor đã quy đổi về mạch stator; Io là dòng điện từ hoá; 5
  7. 7. rm là điện trở từ hoá đặc trưng cho tổn hao sắt từ, xm là điệnkháng từ hoá biểu thị sự hỗ cảm giữa stator và rotor; Từ những phương trình nêu trên ta có sơ đồ thay thế và đồ thị vectơ củađộng cơ không đồng bộ: Hình 1.2 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộCông suất điện từ và mô men điện từ Pdt = P1 − p Cu1 − p Fe = m1 (I 2 ) 2 r2 /s Pco = Pdt − p Cu2 = m1 (I 2 ) 2 r2 (1 − s)/s Mô men điện từ của động cơ: Pdt m 1 U 1 pr 2 /s 2 M = = (1.3) ws 2ππs [(r1 + r2 /s) 2 + (x 1 + x 2 ) 2Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ω = f(M) Từ phương trình mô men của động cơ (1.3) ta xây dựng được đườngđặc tính cơ của động cơ đó là quan hệ giữa tốc độ và mô men của động cơnhư hình vẽ sau: ω s=0 sth n= 0 Mt Mth M 6
  8. 8. Hình 1.3 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộĐường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ đạt cực đại tại điểm có: r 2 s th = r12 + (x 1 + x 2 ) 2 2 3U1 Mth = 2ω (r1 + r12 +(x1 + x2)2 ) s 2M th (1 + as th ) ⇒ M = ( 1.4 ) s s + th + 2as th s th svới a = r1/r2. Đối với động cơ có công suất lớn r1<<x1+x2’ lúc này ta có thể bỏ qua r1nghĩa là r1 = asth= 0 suy ra: r2 3U1 2 sth = ⇒ M th = x1 + x 2 2ωs (x1 + x 2 ) 2M ⇒ M = th s s th + ( 1.5 ) s th s1.1.2 Động cơ không đồng bộ một pha Động cơ không đồng bộ một pha thường được sử dụng trong các dụngcụ, thiết bị sinh hoạt và trong công nghiệp. Công suất của động cơ từ vài oátđến vài trăm oát và nối vào lưới điện xoay chiều một pha. Stato động cơ 7
  9. 9. không đồng bộ một pha có hai dây quấn: dây quấn làm việc và dây quấn khởiđộng. Rôto động cơ không đồng bộ một pha thường là lồng sóc. Dây quấn làm việc được nối với lưới điện trong suốt quá trình làm việc,còn dây quấn khởi động chỉ nối vào khi mở máy. Khi tốc độ đạt đến 75 ÷85% tốc độ đồng bộ thì dùng bộ ngắt kiểu ly tâm cắt dây quấn khởi động rakhỏi lưới điện. Động cơ công suất nhỏ sau khi mở máy, dây quấn khởi độngnối vào lưới. So với động cơ điện không đồng bộ ba pha cùng kích thước, công suấtcủa động cơ điện một pha chỉ bằng 70% công suất của động cơ điện ba pha,nhưng do các động cơ điện một pha có khả năng quá tải thấp nên trên thực tế,trừ động cơ điện kiểu điện dung ra, công suất của động cơ điện một pha bằng40 ÷50% công suất động cơ điện ba pha. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ một pha: Khi dây quấnlàm việc nối với điện áp một pha thì dòng điện trong dây quấn sinh ra từtrường đập mạch Φ. Từ trường này có thể phân thành hai từ trường quayngược chiều nhau ΦA và ΦB có tốc độ bằng nhau và biên độ bằng một nửa từtrường đập mạch như Hình 1.4a. Như vậy có thể xem động cơ điện một phatương đương như một động cơ điện ba pha mà dây quấn stato gồm hai phầngiống nhau mắc nối tiếp và tạo thành các từ trường quay theo những chiềungược nhau như Hình 1.4b. Tác dụng của từ trường quay thuận nghịch đó vớidòng điện ở roto do chúng sinh ra tạo thành hai mô men ngược nhau MA vàMB. Khi động cơ đứng yên (s = 1) thì hai mô men đó bằng nhau và ngượcchiều nhau, do đó mô men quay tổng bằng không. 8
  10. 10. Hình 1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ một pha Nếu ta quay roto của động cơ điện theo một chiều nào đó (ví dụ quaytheo chiều quay của từ trường dây quấn A như Hình b) với tốc độ n thì tần sốcủa sức điện động, dòng điện cảm ứng ở roto do từ trường quay thuận ΦA sinhra sẽ là: p ( n1 - n ) pn1 ( n1 - n ) f 2B = = = sf1 ( 1.6 ) 60 60n1 Còn đối vớitừ trường quay ngược ΦB thì tần số ấy sẽ là: p ( n1 + n ) pn1 ⎡ 2n1 - ( n1 - n ) ⎤ f 2A = = ⎢ ⎥ - ( 2 - s ) f1 ( 1.7 ) 60 60 ⎣ n1 ⎦ở đây (2 - s) chính là hệ số trượt của roto đối với từ trường ΦB. Như vậy, khi 0 < s < 1 đối với từ trường ΦA máy làm việc ở chế độđộng cơ điện, còn đối với từ trường ΦB, do hệ số trượt của roto đối với tửtrường đó bằng 2 – s > 1, nên máy sẽ làm việc trong chế độ hãm. Ngược lại,khi 1 < s < 2 tức là khi cho roto quay theo chiều của từ trường dây quấn B thìhệ số trượt đối với từ trường này sẽ là 0 < 2 – s < 1; lúc đó đối với từ trườngΦB, máy làm việc ở chế độ động cơ, còn đối với từ trường ΦA thì ở chế độhãm. Quy ước rằng các mô men có trị số dương khi chúng tác dụng theochiều chiều quay của từ trường ΦA, ta sẽ được các đường cong mô men MA và 9
  11. 11. MB của các dây quấn A, B và mô men tổng theo Hình 1.5 ta, đường đặc tínhmô men của máy điện không đồng bộ một pha có tính chất đối xứng, cho nênđộng cơ có thể quay bất cứ chiều nào. Chiều quay thực tế của động cơ điệnmột pha chủ yếu phụ thuộc vào chiều quay của bộ phận mở máy. Hình1.5 Đặc tính M = f(s) của động cơ điện không đồng bộ một pha1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ Để điều khiển được dòng năng lượng đưa ra trục động cơ ta cần nghiêncứu và phân tích đặc tính cơ của động cơ ω = f(M) trong đó ω là tốc độ góccủa rotor, M là mô men của động cơ. Từ đó có các phương thức để điều chỉnhtốc độ và mô men. Ta có phương trình đặc tính của động cơ không đồng bộ như sau: m 1 U 1 pr2 /s 2 M = ( 1.8 ) 2πf s [(r1 + r2 /s) 2 + (x 1 + x 2 ) 2 Từ phương trình đặc tính cơ 1.8 ta thấy có nhiều phương pháp điềuchỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ: điều chỉnh điện áp u1, điều chỉnh điệntrở mạch rotor (r2), điều chỉnh công suất trượt, và điều chỉnh tần số nguồncung cấp cho động cơ bằng bộ biến đổi tần số thiristor hoặc tranzitor… Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ vàmỗi phương pháp đều có nhưng ưu điểm và nhược điểm của nó. Sau đây làmột số phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ: 10
  12. 12. a. Điều chỉnh điện áp đặt vào stator của động cơ Từ biểu thức (1.8) mô men của động cơ tỷ lệ với bình phương điện ápđặt vào stator do đó ta có thể điều chỉnh được mô men quay và tốc độ động cơbằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stator trong đó giữ nguyên tần số nguồncấp. Ưu điểm của phương pháp này là nó thích hợp với trường hợp mô men tảilà hàm tăng của tốc độ, tuy nhiên nó lại không thích hợp với loại động cơ rotorlồng sóc vì sth của loại động cơ này là bé. Khi thực hiện điều chỉnh đối với động cơrotor dây quấn thì cần nối thêm điện trở phụ vào mạch rotor để mở rộng dải điềuchỉnh tốc độ và mô men.b. Điều khiển công suất trượt mạch rotor Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằngcách làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suấttrượt ΔPs = sPđt được tiêu tán trên điện trở mạch rotor. Ở các hệ thống truyềnđộng công suất lớn, tổn hao này là đáng kể. Vì thế để vừa điều chỉnh được tốcđộ truyền động, vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồđiều chỉnh công suất trượt, gọi tắt là các sơ đồ nối tầng. Có nhiều phươngpháp xây dựng hệ nối tầng. Phương pháp điều khiển công suất trượt mạch rotor thường được ápdụng cho các hệ truyền động công suất lớn vì khi đó việc tiết kiệm điện năngcó ý nghĩa lớn nhưng nó có nhược điểm là phạm vi điều chỉnh tốc độ khônglớn lắm và mô men của động cơ bị khi tốc độ thấp. Một vấn đề nữa đối vớicác hệ thống công suất lớn là vấn đề khởi động động cơ, thường dùng điện trởphụ để khởi động động cơ đến vùng tốc độ làm việc sau đó chuyển sang chếđộ điều chỉnh công suất trượt. Vì vậy, nên áp dụng phương pháp này cho cáchệ truyền động có số lần khởi động, dừng máy và đảo chiều ít nhất.c. Điều khiển điện trở mạch rotor 11
  13. 13. Theo phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ thì ta có thểđiều chỉnh tốc độ của động cơ bằng điều chỉnh điện trở mạch rotor, ưu điểmcủa phương pháp này là dễ điều chỉnh, tuy nhiên nhược điểm của nó là gâytổn hao trên điện trở và mạch chuyển đổi van ở điện áp một chiều. Mặt kháckhi điều chỉnh điện trở của mạch rotor thì độ trượt tới hạn cũng thay đổi theo,song trong một dải tốc độ nào đó thì mô men của động cơ tăng lên khi tăngđiện trở, nhưng trong dải khác mô men của động cơ lại giảm đi. Trongphương pháp này nếu giữ dòng điện rotor không đổi thì mô men cũng khôngđổi và không phụ thuộc tốc độ động cơ, vì vậy có thể áp dụng phương phápnày cho hệ truyền động có mô men không đổi.d. Điều khiển tần số điện áp nguồn cung cấp cho động cơ Với mục đích mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao chất lượng động hệthống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơ khôngđồng bộ nói riêng, phương pháp điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ chophép mở rộng phạm vi sử dụng động cơ không đồng bộ trong nhiều nghànhcông nghiệp. Trước hết đó là ứng dụng cho những thiết bị cần thay đổi tốc độnhiều động cơ cùng một lúc như các hệ truyền động của các nhóm máy dệt,băng tải, băng truyền...Phương pháp này còn được áp dụng trong cả nhữngthiết bị đơn lẻ nhất là những thiết bị có công nghệ yêu cầu tốc độ làm việc caonhư máy ly tâm, máy mài, máy đánh bóng... Đặc biệt các hệ thống điều chỉnhtốc độ động cơ bằng các bộ biến đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơkhông đồng bộ rotor lồng sóc có cấu tạo đơn giản, vững chắc, giá thành rẻ vàlàm việc trong những môi trường nặng nề, tin cậy. Đó là những yêu cầu cầnthiết trong hệ thống công nghiệp đang ngày càng phát triển. Trong hệ điều khiển tần số động cơ thì thông số điều khiển là tần số củađiện áp đặt và stator. Nếu phụ tải có mô men là hằng số thì ta phải điều khiểncả điện áp để đạt được quy luật U/f = const. Nếu phụ tải có công suất là hằngsố thì ta giữ nguyên điện áp đặt vào stator nhưng chỉ làm việc với dải tần số 12
  14. 14. f > fs. Ưu điểm nổi bật của phương pháp này mà các phương pháp kháckhông có được là có thể điều khiển động cơ phù hợp với mọi loại tải và pháthuy được dải điều chỉnh ở cả hai vùng tốc độ dưới và trên định mức, phù hợpvới các hệ truyền động yêu cầu tốc độ cao. Song phương pháp này có nhượcđiểm là hệ thống điều khiển phức tạp. Tuy nhiên, với ứngdụng của kỹ thuật vixử lý tín hiệu đã cho phép giải quyết các thuật toán phức tạp điều khiển độngcơ trong điều kiện thời gian thực với chất lượng điều khiển cao. Chính vì vậyphương pháp này ngày càng được quan tâm và ứng dụng mạnh mẽ trong cáchệ thống công nghiệp.e. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi số đôi cực Trong nhiều trường hợp các cơ cấu sản xuất không yêu cầu phải điềuchỉnh tốc độ bằng phẳng mà chỉ cần điều chỉnh có cấp. Đối với động cơ không đồng bộ ba pha, ta có tốc độ của từ trường 60f 1quay: n1 = (1.9) p n = n1(1 – s) (1.10) Do đó khi thay đổi số đôi cực thì n1 sẽ thay đổi, vì vậy tốc độ của độngcơ sẽ thay đổi. Để thay đổi số đôi cực p ta thay đổi cách đấu dây và cũng làcách thay đổi chiều dòng điện đi trong các cuộn dây mỗi pha stato động cơ.Khi thay đổi số đôi cực chú ý rằng số đôi cực ở stato và roto là như nhau.Nghĩa là khi thay đổi số đôi cực ở stato thì ở roto cũng phải thay đổi theo nênrất khó thực hiện cho động cơ roto dây quấn. Phương pháp này chủ yếu dùngcho động cơ không đồng bộ roto lồng sóc và loại động cơ này có khả năng tựbiến đổi số đôi cực ở roto để phù hợp với số đôi cực ở stato. Đối với động cơcó nhiều cấp độ, mỗi pha stato phải có ít nhất là hai nhóm bối dây trở nên hoàntoàn giống nhau. Do đó càng nhiều cấp độ thì kích thước, trọng lượng và giáthành càng cao vì vậy trong thực tế thường dùng tối đa là bốn cấp độ. 13
  15. 15. Kết luận Từ các phương pháp trên ta thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ độngcơ bằng biến tần là phương pháp có nhiều ưu điểm hơn cả. Vì nó có thể điềukhiển được nhiều loại động cơ khác nhau trong đó có cả động cơ điện mộtchiều, dải điều chỉnh tốc độ rộng và liên tục. Nó còn được áp dụng nhiềutrong các hệ truyền động chất lượng cao. Hơn nữa phương pháp điều khiểntốc độ bằng biến tần điều khiển tốc độ của động cơ xoay chiều một pha đơn giảnvà thích hợp nhất. Nên phương pháp này sẽ được áp dụng trong đề tài này để điềukhiển tốc độ gió cho hệ thống sấy nông sản trong phòng thí nghiệm.1.2 Điều chỉnh tốc độ quay động cơ bằng biến tần Bộ biến tần có nhiệm vụ biến đổi điện áp lưới với tần số công nghiệp (ởmột số trường hợp là điện áp mạng hay nguồn độc lập tần số cao) thành điệnáp (hoặc dòng điện) biến đổi nhiều pha có biên độ, tần số và số pha có thểthay đổi được trong phạm vi cho phép.Tốc độ động cơ không đồng bộ: 60f1 n = n 1 (1 − s) = (1 − s) (1.11) pTrong đó f1 là tần số nguồn cung cấp; s là hệ số trượt của động cơ. Khi hệ số trượt thay đổi ít thì tốc độ của động cơ n tỷ lên thuận với f1.Vì vậy ta có thể điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn. Riêng đốivới động cơ rotor lồng sóc chỉ có thể điều chỉnh tần số mới thực hiện điềuchỉnh trơn tốc độ trong phạm vi rộng. Đối với động cơ không đồng bộ nếu bỏ qua điện áp rơi trên điện trở vàđiện cảm dây quấn stator ta có: U 1 = E 1 ≈ 4,44k dq W1f1φ U1 ⇒φ =k f1 14
  16. 16. với: 1 k= trong đó: 4,44k dq W1 W1 là số vòng dây stator; Kdq hệ số dây quấn Từ biểu thức trên ta thấy đồng thời với việc điều chỉnh tần số thì ta phảiđiều chỉnh cả điện áp nguồn cung cấp. Bởi vì nếu điều chỉnh tần số mà giữnguyên điện áp thì: Nếu giảm f1 thì φ của động cơ tăng lên làm cho mạch từ của động cơ bịbão hoà và dòng điện từ hoá Iμ lớn lên, tổn thất sắt trong lõi thép stator lớnlàm cho động cơ phát nóng dữ dội, đôi khi có thể gây cháy động cơ. Nếu tăng f1 làm cho từ thông φ của động cơ giảm xuống và nếu độngcơ có tải với mô men không đổi thì dòng điện rotor Ir tăng lên dẫn đến trongtrường hợp này dây quấn rotor bị quá tải, cho mô men cho phép và khả năngquá tải cho phép của động cơ bị giảm đi. Để phát huy tối đa mọi khả năng của động cơ khi điều chỉnh tốc độbằng bộ biến tần người ta phải tiến hành điều chỉnh cả điện áp theo một hàmcho phù hợp với phụ tải. Việc điều khiển này có thể được thực hiện thông quahệ thống kín khi đó nhờ các mạch phản hồi điện áp ứng với một tần số chotrước nào đó sẽ biến đổi theo phụ tải và các quy luật tải khác ta có các quyluật điều khiển. Nguyên tắc chung của các bộ biến đổi tần số là dùng khoá điện tử côngsuất điều khiển là transitor hay thyristor (gọi là các khoá điện tử). Thực chấtcủa các nguyên tắc này là ở việc tổ chức các mối liên kết của các phần tử chủyếu của bộ biến đổi và đóng cắt chúng bằng những quy luật (thuật toán) nàođó theo hàm thời gian để điều chỉnh dòng năng lượng ở đầu ra bộ biến đổivới tần số mong muốn. 15
  17. 17. Các bộ biến đổi tần số dùng khoá điện tử có thể chia thành ba loại theophương pháp chuyển mạch dòng điện giữa các khoá điện tử. 1- Bộ biến tần dùng khóa điện tử với chuyển mạch tự nhiên. 2- Bộ biến tần dùng van bán dẫn với chuyển mạch ngoài (chuyển mạchnhân tạo và chuyển mạch cưỡng bức). 3- Bộ biến tần dùng khoá điện tử với chuyển mạch hỗn hợp. Mặt khác, tùy theo cách liên hệ của phụ tải với năng lượng nguồn,chính xác hơn là theo kiểu biến đổi trung gian của điện áp sơ cấp (điện áplưới), người ta chia ra ba loại bộ biến đổi tần số dùng khoá điện tử: 1- Các bộ biến tần có khâu trung gian dòng điện một chiều (các bộ biếnđổi tần số kiểu nghịch lưu). 2- Các bộ biến tần trực tiếp (không có khâu trung gian dòng điện mộtchiều và các mạch vòng khác). 3- Các bộ biến tần có khâu trung gian dòng điện xoay chiều tần số cao.1.3 Ý nghĩa của việc dùng biến tần để điều khiển tốc độ gió của hệ thốngsấy Việc điều chỉnh tốc độ gió trong hệ thống thí nghiệm sấy được chuyểnvề việc điều khiển tốc độ động cơ quạt gió. Giữa tốc độ gió và tốc độ động cơcó quan hệ với nhau theo một hàm nào đó, hàm này sẽ được xác định bằngthực nghiệm. Tốc độ gió trong hệ thống thí nghiệm sấy cần một dải tốc độ vàở mỗi tốc độ thì cần ổn định chúng. Việc sử dụng biến tần là thích hợp vì điềuchỉnh tốc độ được liên tục, dải điều chỉnh rộng và việc điều chỉnh đơn giản. 16
  18. 18. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN TẦN2.1 Biến tần áp2.1.1 Định nghĩa chung về biến tần Biến tần là các bộ biến đổi điện dùng để biến đổi nguồn điện áp với cácthông số không đổi, thành nguồn điện (nguồn áp hoặc nguồn dòng) với tần số cóthể thay đổi được. Thông thường biến tần làm việc với nguồn điện đầu vào là lướiđiện nhưng về nguyên tắc chung thì biến tần có thể làm việc với bất kỳ nguồn điệnáp xoay chiều nào. Bộ biến tần phải thoả mãn các yêu cầu sau: - Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn. - Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hởkhông đổi trong vùng điều chỉnh mômen không đổi. - Có khă năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số. Tuỳ theo yêu cầu kinh tế - kỹ thuật mà có thể xác định được cấu trúccủa hệ biến tần động cơ. Về cơ bản chúng ta có thể chia thành hai loại : Biếntần trực tiếp, biến tần gián tiếp. Biến tần trực tiếp Được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnh lưu đảo chiều có điều khiển (bộbiến đổi một pha, nhiều pha, có điểm trung tính và sơ đồ cầu). U∼ Bộ biến đổi U∼ f1 f2 Hình 2.1 Sơ đồ biến tần trực tiếp Gọi là biến trực tiếp vì nó biến đổi nguồn vào xoay chiều có tần số f1thành nguồn ra xoay chiều có tần số f2 một cách trực tiếp mà không cần qua 17
  19. 19. một khâu biến đổi trung gian nào cả. Nên hiệu suất của bộ biến đổi tần số loạinày cao, khối lượng và kích thước của chúng nhỏ. Nhược điểm của biến tần trực tiếp dùng khoá điện tử là: hệ số công suấtphía nguồn cung cấp thấp, tồn tại một tỷ lệ lớn các sóng hài bậc cao ở điện ápra, hệ thống điều khiển phức tạp và tần số ở đầu ra thấp. Tần số ra lớn nhất của bộ biến tần trực tiếp thấp hơn tần số lưới, số pham1 ở mạch lực của bộ biến tần phía nguồn cung cấp càng ít bao nhiêu thì tầnsố ra càng thấp bấy nhiêu. Để có tần số f2 = 50 Hz cần phải hoặc là nâng caotần số cung cấp lên 150 ÷ 200 Hz hoặc là tăng số pha m1 lên đến 24 pha. Điềunày không dễ dàng đối với việc biến đổi năng lượng bổ xung trong khi tần sốnguồn cung cấp là tiêu chuẩn và làm giảm đáng kể các chỉ tiêu kinh tế, kỹthuật, làm giảm tính ưu việt của bộ biến tần trực tiếp dùng khoá điện tử. Như vậy bộ biến tần trực tiếp dùng khoá điện tử được xây dựng trên cơsở các bộ chỉnh lưu có điều khiển. Sự chuyển mạch của các khoá điện tửcông suất thường được thực hiện nhờ điện áp lưới mà đặc trưng tiêu biểu chocác bộ biến tần loại này là chuyển mạch tự nhiên, nhưng cũng có các bộ biếntần trực tiếp dùng chuyển mạch ngoài. Sử dụng chuyển mạch ngoài trong cácbộ biến tần loại này cho phép làm tăng đáng kể giá trị lớn nhất của tần số đầura và mở rộng khả năng sử dụng của chúng. Biến tần gián tiếp Việc biến đổi điện áp lưới cung cấp được cung cấp hai lần. Đầu tiên,điện áp xoay chiều được nắn nhờ bộ chỉnh lưu thành điện áp một chiều, sauđó điện áp một chiều nhờ bộ nghịch lưu được biến đổi thành điện áp xoaychiều. Sơ đồ khối được biểu diễn trên Hình 2.2. U∼ Chỉnh lưu Lọc Nghịch lưu U∼ f1 độc lập f2 18
  20. 20. Hình 2.2 Sơ đồ biến tần gián tiếp Bộ nghịch lưu có thể là độc lập hay phụ thuộc tùy theo phụ tải ở mạngtiêu thụ với tần số ấn định. Giữa bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu thường là bộlọc để san bằng sự đập mạch của điện áp hay dòng điện chỉnh lưu. Bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu có thể làm việc độc lập với nhau và cóthể thực hiện chuyển mạch tự nhiên hay nhân tạo, bao gồm các nhóm: 1- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch hỗn hợp: bộ biến đổi đảochiều dùng nghịch lưu phụ thuộc với chuyển mạch tự nhiên, còn nghịch lưuđộc lập, dùng chuyển mạch nhân tạo. 2- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch tự nhiên hoàn toàn: trườnghợp thiết bị điện một chiều, động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ bù và với cácphụ tải khác có hệ số công suất cao và trong trường hợp truyền động điện nốitầng van không đồng bộ. 3- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch nhân tạo hoàn toàn. Khi đócả bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu đều được thực hiện chuyển mạch nhân tạo. Ưu điểm chính của bộ biến đổi tần số dùng khoá điện tử có khâu trunggian dòng điện một chiều là có thể nhận được ở đầu ra của nó nhờ nghịch lưuđộc lập, tần số có thể thay đổi được trong dải rộng, không phụ thuộc vào tầnsố nguồn cung cấp. Nhược điểm cơ bản của bộ biến đổi loại này là biến đổi năng lượng hailần nên làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi và làm tăng kích thước và khốilượng của nó. Bộ biến tần dùng van bán dẫn có khâu trung gian dòng điện xoaychiều một pha tần số cao. Để nhận được tần số 50 Hz ở cửa ra của bộ biến tần khoá điện tử nàythì tần số điện áp của khâu trung gian dòng điện xoay chiều không được nhỏhơn 450 Hz. Bộ biến tần với khâu trung gian dòng điện một pha có chuyểnmạch hỗn hợp. Bộ biến tần loại này dẫn dòng cả hai phía, đảm bảo trao đổi 19
  21. 21. năng lượng phản kháng giữa nguồn và phụ tải. Khi động cơ làm việc ở chế độmáy phát, có thể trả lại năng lượng tác dụng về lưới cung cấp. Giá trị cực đạicủa tần số ra của bộ biến tần khoá điện tử này được giới hạn bởi giá trị tần sốđiện áp ở khâu trung gian dòng điện một pha và thường vào khoảng 50 – 60Hz, nhưng về nguyên tắc thì có thể đạt giá trị lớn hơn. Bộ biến tần khoá điện tử có khâu trung gian dòng điện xoay chiều tầnsố cao sử dụng nhiều sơ đồ phức tạp, được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnhlưu hình tia ba pha và chỉnh lưu đảo chiều dùng sơ đồ cầu ba pha. Ở đây việcbiến đổi điện áp tần số cao thành điện áp có tần số thấp điều chỉnh được,thường được thực hiên nhờ bộ biến tần trực tiếp một pha đến ba pha dùngchuyển mạch tự nhiên. Những bộ biến đổi loại này không mang lại ứng dụngthực tiễn trong truyền động điện vì sơ đồ mạch lực và hệ thống điều khiển kháphức tạp. Các nguyên tắc biến đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều trongcác bộ biến đổi dùng khoá điện tử. Các bộ nghịch lưu và tính chất của chúng. Phần quan trọng cấu thành các bộ biến tần khoá điện tử có khâu trunggian dòng điện một chiều cùng với các bộ chỉnh lưu là các bộ nghịch lưu. Nghịch lưu là quá trình biến đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều.Đó là quá trình biến đổi hệ thống điện áp một chiều sang mạch xoay chiềunhờ các khóa điều khiển (thyristor hay transitor). Thiết bị thực hiện quá trình này được gọi là nghịch lưu. Các bộ nghịchlưu thường được chia ra theo loại phụ tải và theo tương quan công suấtchuyển mạch và mạch tiêu thụ là độc lập hay phụ thuộc. Nghịch lưu độc lập là nghịch lưu làm việc với tải độc lập, ở đó khôngchứa sẵn nguồn năng lượng tác dụng, có cùng điện áp và tần số với đầu ranghịch lưu. Vì vậy tần số, dạng điện áp được xác định do chế độ làm việc đóđến các thông số ở đầu ra nghịch lưu. 20
  22. 22. Nghịch lưu phụ thuộc là nghịch lưu trả lại năng lượng cho lưới điệnxoay chiều có điện áp, tần số cố định và công suất tác dụng lớn hơn đáng kểso với công suất mà nghịch lưu trả lại. Khi này những thông số về điện áp, tầnsố ở đầu ra của nghịch lưu phụ thuộc không ảnh hưởng đến chế độ làm việccủa nó, những thông số này hoàn toàn được xác định bởi các thông số củalưới mà nghịch lưu trả năng lượng lại. Tuỳ theo kiểu chuyển mạch nghịch lưu mà được chia ra làm hai nhóm: - Các bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên. - Các bộ nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức Nghịch lưu phụ thuộc được đặc trưng bằng chuyển mạch tự nhiên củacác khoá điện tử, hệ thống điều khiển các khóa điện tử của bộ nghịch lưu nàythường là phụ thuộc (được đồng bộ hoá) như ở bộ chỉnh lưu. Nghịch lưu độc lập được đặc trưng bằng chuyển mạch cưỡng bức vàviệc điều khiển các thysistor hay transitor đều từ bên ngoài (không phụ thuộccả mạng cung cấp lẫn tải tiêu thụ). Nhưng nghịch lưu độc lập có thể có chế độlàm việc với chuyển mạch tự nhiên cho các khoá điện tử (khi làm việc vớiđộng cơ đồng bộ quá bù, phụ tải điện dung v.v…). Chẳng hạn, ở chế độ máyđiện một chiều, việc chuyển mạch của các khoá điện tử trong nghịch lưu phụthuộc vào vị trí góc và tốc độ góc của roto động cơ, nghĩa là hệ thống điềukhiển nghịch lưu đó cần phải được đồng bộ hoá và bị phụ thuộc vào vị tríroto. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là biến nghịch lưu độc lập thànhnghịch lưu phụ thuộc, bởi vì việc xác định nghịch lưu độc lập dựa trên cơ sởtần số, biên độ điện áp, dạng điện áp ở đầu ra và chế độ làm việc của nghịchlưu này có phụ thuộc vào năng lượng tác dụng cũng như tần số của nguồncung cấp hay không. Do tính độc lập về chế độ làm việc của nguồn điện một chiều và sự duy trìnghiêm ngặt các quá trình điện từ trong nghịch lưu độc lập, người ta chia ra 21
  23. 23. thành nghịch lưu độc lập nguồn điện áp và nghịch lưu độc lập nguồn dòngđiện. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện là nghịch lưu mà dạng dòng điện ởdầu ra của nó được xác định chỉ bằng sự chuyển mạch dòng điện giữa cáckhoá điện tử của nghịch lưu, còn dạng điện áp thì phụ thuộc vào tính chất củaphụ tải. Việc đưa bộ chỉnh lưu điều khiển vào chế độ nguồn dòng điện điềuchỉnh được khi làm việc với nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện được thựchiện bằng cách đấu thêm điện kháng san bằng có điện cảm rất lớn ở đầu vàohoặc dùng khâu phản hồi âm dòng điện trong chỉnh lưu điều khiển và sử dụngcuộn kháng san bằng có giá trị điện cảm đủ để san bằng sự đập mạch củadòng điện chỉnh lưu. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện không thể làm việc với tải cảmkháng, vì khi dòng điện đột biến ở đầu ra (thời điểm thay đổi cực tính điện áptrên tải làm hở mạch nguồn dòng điện) sẽ làm xuất hiện quá điện áp lớn hơngiới hạn cho phép. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện sẽ gần đạt đến nghịchlưu dòng điện lý tưởng khi nó làm việc với tải có tính chất dung kháng.Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện có thể cho phép làm việc với tải có tínhchất cảm kháng hay động cơ điện xoay chiều nhưng trong trường hợp này cầnphải hạn chế quá điện áp chuyển mạch và tốc độ tăng trưởng của dòng điệnkhi thay đổi cực tính và phải có biện pháp đặc biệt để dập tắt hoặc trả lại nănglượng phản kháng đã tĩch luỹ trên tải cho nguồn cung cấp. Khả năng làm việcvới tải có hệ số công suất vượt góc trước làm cho nghịch lưu độc lập nguồndòng điện có ưu việt hơn cả nhờ việc sử dụng tính chất chuyển mạch tự nhiên.2.1.3 Các luật điều khiển tần sốa) Luật điều khiển tần số theo khả năng quá tải Mô men cực đại mà động cơ sinh ra được chính là mô men tới hạn Mth,khả năng quá tải về mô men được quy định: Khi điều chỉnh tần số thì trởkháng, từ thông, dòng điện...của động cơ thay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu 22
  24. 24. điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì cần phải điều chỉnh cả điệnáp. Đối với hệ thống biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ cho khả năngquá tải về mô men là không đổi trong bằng hệ số quá tải về mô men λM. M th λM = MNếu bỏ qua điện trở dây quấn stator (Rs=0) thì ta có: 2 2 L2m U s Us M th = =k 2 (2.1) 2L2s L rσ ω0 2 ω0với ω0 là tốc độ không tảiĐiều kiện để giữ hệ số quá tải không đổi là: M th M thdm λM = = (2.2) M M dmThay (2.3) vào (2.2) ta được: U s U sdm M = (2.3) ω0 ω0dm M dmĐặc tính cơ của máy công tác có dạng x ⎛ ω ⎞ M c = M dm ⎜ 0 ⎟ ⎜ω ⎟ ⎝ dm ⎠Thay phương trình trên vào phương trình (2.3) ta rút ra được luật điều chỉnhtần số điện áp để có hệ số quá tải về mô men là không đổi là: 1+ x 1+ x Us ⎛ ω ⎞ 2 ⎛ f ⎞ 2 =⎜ 0 ⎟ =⎜ s ⎟ U sdm ⎜ ω0dm ⎟ ⎝ ⎠ ⎜f ⎟ ⎝ sdm ⎠ (2.4) ⇔ U* = f s* s ( ) 1+ x 2 • Khi x=0 tức là phụ tải có Mc=const thì: Us*=fs* ↔ Us/fs=const • Khi x=1 tức là phụ tải có công suất không đổi thì: Us*=(fs*)3/2 • Khi x=2 tức là phụ tải dạng bơm ly tâm và quạt gió thì: 23
  25. 25. Us*=(fs*)2 suy ra Us/fs2=constb) Luật điều chỉnh giữ từ thông không đổi Chế độ định mức là chế độ làm việc tối ưu về tuổi thọ của động cơkhông đồng bộ. Trong chế độ này từ thông là định mức và mạch từ có côngsuất tối đa. Luật điều chỉnh điện áp tần số mà ta đã trình bày ở trên là luật gầnđúng giữ từ thông không đổi trên phạm vi toàn dải điều chỉnh. Tuy nhiên từthông động cơ trên mỗi đặc tính còn phụ thuộc rất nhiều vào độ trượt s, tức làphụ thuộc mô men tải trên trục động cơ. Vì thế, trong các hệ điều chỉnh yêucầu chất lượng cao thì ta cần tìm cách bù từ thông. Từ phương trình mô tả mô men của động cơ không đồng bộ ta thấy,nếu giữ được từ thông của khe hở không khí hay từ thông stator không đổi thìmô men sẽ không phụ thuộc vào tần số và mô men tới hạn sẽ không đổi trongtoàn dải điềi chỉnh. Nếu coi Rs = 0 thì: U s U sdm ψs = = = const ωs ωsdm Tuy nhiên ở vùng tần số làm việc thấp thì sụt áp trên điện trở mạchstator đáng kể so với sụt áp trên điện cảm stator. Do đó từ thông cũng giảm đivà mô men tới hạn cũng giảm.Quan hệ giữa dòng điện stator và từ thông rotor như sau: ψr Is = 1 + (Tr ωs ) 2 (2.5) Lm Thực tế là khi giữ từ thông rotor không đổi ψr = ψrdm thì vec tơ dòng điệnrotor và vec tơ từ thông rotor phải luôn vuông góc với nhau trong không gian. Mặtkhác, do mô men điện từ là tích vec tơ của hai vec tơ này nên khi chúng vuông gócvới nhau thì mô men trở thành tích của hai đại lượng. Do đó, từ biểu thức (2.5) tathấy để điều chỉnh cho từ thông không đổi ta chỉ cần điều chỉnh dòng điện stator vàtần số fs sao cho thoả mãn biểu thức trên.c) Luật điều khiển tần số trượt không đổi 24
  26. 26. Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ở chế độ xác lập ta có phương trình: 3 L2m 2 ω r Is M= (2.6) 2 R r 1 + (ωr Tr )2trong đó: ωr=ωs-ωVì vậy nếu giữ ωr=const thì M=f(Is2). Lấy đạo hàm của mô men M theo tốc độωr sau đó cho bằng 0 ta tìm được tốc độ ωr tới hạn và mô men tới hạn. Rr ω rth = Lr 2 3 Lm 2 M th = Is 4 L rσNhư vậy nếu giữ ωr=ωth=Rr/Lr=1/Tr thì mô men điện từ của động cơ sinh rabằng mô men tới hạn của động cơ. Trường hợp này ta gọi là luật điều chỉnhsao cho động cơ sinh ra mô men tối đa ứng với một giá trị cho trước của dòngđiện stator. Mặt khác vì ωr=2пfr nên luật này còn gọi là luật điều chỉnh giữ tầnsố mạch rotor là hằng số.d) Điều chỉnh tần số bằng phương pháp véc tơ không gian Qua sự phân tích một số phương pháp điều khiển tốc độ động cơ khôngđồng bộ nêu trên ta thấy, hầu hết các phương pháp đó đều có đặc điểm làkhông sử dụng các thiết bị phản hồi nên mặc dù đạt được sự tối ưu về giáthành song mục tiêu quan trọng là chất lượng điều khiển lại chưa đạt được độchính xác cao. Sự định hướng của trường rotor không được sử dụng, trạngthái của động cơ bị bỏ qua, mô men không được điều khiển... Kỹ thuật điềukhiển này gọi là điều khiển vô hướng. Mặt khác chúng ta đều đã biết động cơkhông đồng bộ là thiết bị mang tính chất phi tuyến, mặc dù đã bỏ qua ảnhhưởng của bão hoà từ, tổn thất trong lõi thép và các thành phần sóng hài bậccao nhưng chúng ta vẫn gặp rất nhiều khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độđộng cơ vì quá trình điện từ trong động cơ không đồng bộ hết sức phức tạp.Phần cảm và phần ứng của động cơ có quan hệ chặt chẽ với nhau. Với mong 25
  27. 27. muốn làm sao chế ngự được hoàn toàn động cơ không đồng bộ đạt được chấtlượng truyền động như động cơ một chiều, người ta đã đưa ra một phươngpháp điều khiển đó là phương pháp điều chế véc tơ không gian. Nội dung củaphương pháp này là người ta biến các đại lượng véc tơ dòng điện, điện áp vàtừ thông từ hệ toạ độ ba pha về hệ toạ độ hai pha (dq), hệ toạ độ này quayđồng bộ với từ trường quay. Tiến hành điều khiển và khảo sát trên hệ toạ độdq và khi có kết quả ta quy đổi ngược trở về hệ toạ độ ba pha để tạo ra các tínhiệu điều khiển bộ biến tần bằng các thay đổi độ rộng xung (PWM). Hệ truyền động động cơ không đồng bộ điều khiển tần số theo phươngpháp không gian vec tơ cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ trong phạm virộng, có khả năng sinh mô men quay ở tốc độ thấp (thậm chí ở tốc độ 0) vàđiều chỉnh trơn một cách tuỳ ý. Tốc độ đạt được độ chính xác cao, đáp ứngmô men tốt. Xuất phát từ cơ sở đó hiện nay các nhà khoa học đã và đang đi sâunghiên cứu để tìm ra một phương pháp điều khiển tối ưu nhất cho động cơkhông đồng bộ. Trong đó, phương pháp điều khiển tần số tựa theo từ thôngrotor sẽ là một trong những hướng phát triển chính của hệ truyền động xoaychiều trong những năm tới. Với sự phát triển của công nghệ điện tử và bándẫn công suất, việc tính toán, đo các giá trị thực đã được gói trọn trên một bảnmạch. Vấn đề chủ chốt của một hệ điều khiển vào lúc đó chỉ còn là thuật toánđiều khiển. Như vậy nếu giải quyết được vấn đề trên thì hệ truyền động độngcơ không đồng bộ sẽ dần thay thế hệ truyền động động cơ một chiều tronghầu hết các lĩnh vực, kể cả công nghệ cao như hệ điều khiển chương trìnhngười máy. Cũng từ đó ta dễ dàng phân lập các hệ truyền động để nâng caochất lượng công nghệ. Như vậy ta đã góp phần vào vấn đề mấu chốt là kinh tếvà chất lượng.2.1.4 Bộ biến tần áp bán dẫn Có nhiều loại biến tần nhưng do giới hạn của đề tài chỉ nghiên cứu về 26
  28. 28. biến tần áp. Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp là nghịch lưu mà ở dạng điện áp ởđầu ra của nó được xác định chỉ bằng việc đóng, ngắt các khoá điện tử trongnghịch lưu, còn dạng dòng điện thì phụ thuộc vào tính chất của phụ tải. Khinghịch lưu độc lập nguồn điện áp làm việc với tải phản kháng cần phải đảmbảo khả năng trao đổi năng lượng phản kháng giữa tải và nguồn điện áp mộtchiều. Tụ điện có dung lượng đủ lớn đấu song song ở đầu vào nghịch lưu độclập nguồn điện áp, còn sơ đồ đấu song song ngược với nghịch lưu độc lậpnguồn điện áp được gọi là chỉnh lưu ngược. Điều này cho phép dòng điệnchảy trong mạch tải lệch pha so với điện áp tải. Hình 2.3 Sơ đồ mạch lực của bộ biến tần nguồn áp một pha dùng Transitor 27
  29. 29. Hình 2.4 Điện áp tải (u), dòng điện tải (i) và dòng nguồn(is) Hoạt động của sơ đồ Giả thiết T2 và T4 đang cho dòng chảy qua ( dòng tải đi từ B đến A). Khit = 0, cho xung điều khiển mở T1 và T3 , T2 và T4 bị khoá lại (do thiết bị chuyểnmạch thực hiện). Dòng tải i = - Im không thể đảo chiều một cách đột ngột. Nó tiếptục chảy theo chiều cũ nhưng theo mạch: D5 → E→ D7 → Z → D5 và suy giảm dần.D5 và D7 dẫn dòng khiến T1và T3 vừa kịp mở đã bị khoá lại. Điện áp trên tải là U = E. Khi t = t1, i = 0, D1 và D3 bị khoá lại, T1 và T3 sẽ mở lại nếu còn xung điềukhiển tác động ở các cực điều khiển của T1 và T3, dòng tải i > 0 và tăng trưởng,chảy theo chiều từ A đến B. Giai đoạn từ t = 0 đến t1 là giai đoạn hoàn năng lượng. Khi t = T/2, cho xung điều khiển mở T2 và T4, T1 và T3 bị khoá lại. Dòng tảii chạy qua D6 và D8 khiến cho T2 và T4 vừa kịp mở đã khoá lại. Khi t = t3, i = 0,T2 và T4 sẽ mở lại, i < 0, chảy theo chiều từ B đến A, … Dòng tải i biến thiên theotheo quy luật hàm mũ giữa hai giá trị Im và - Im. Biểu thức của dòng tải i 28
  30. 30. Khi bắt đầu cho xung mở T1 và T3, ta có phương trình: Ldi/dt + Ri = E , (2.7) di/dt + ai = a E/R Dưới dạng toán tử Laplace, ta có: pI(p) – i(0) + aI(p) = aE/Rp trong đó sơ kiện i(0) = - Im và a = R/L. Do đó E ( ) i = 1−e−at − Ime−at R (2.8) Tương tự như vậy, khi cho xung mở T2 và T4 ta có phương trình: - Ldi/td – Ri = E E ⎡ -a ( t-T/2 ) ⎤ -a ( t-T/2 ) Và i= ⎢1- e ⎥ + Im e (2.9) R⎣ ⎦ Dòng nguồn Chúng ta quy ước: is > 0 khi nguồn nuôi cung cấp năng lượng cho tải,tức là khi các transitor dẫn dòng; is < 0 khi tải trả năng lượng về nguồn nuôi,tức là các điot dẫn dòng. Dòng điện is là dòng điện xoay chiều dạng răng cưa. Chất lượng điện áp tải và dòng tải Điện áp tải có dạng “sin chữ nhật”, đối xứng. Nó là một hàm lẻ, chu kỳ.Triển khai Fourier của nó gồm các số hạng sóng sin: 4E 1 1 u= (sinωt + sin3ωt + sin5ωt+ …) (2.10) π 3 5 Biên độ của số hạng thứ 10 bằng 5,2% biên độ số hạng thứ nhất. Mạch tải là động cơ nên gồm có thành phần R và L. Tổng trở của mạchtải liên quan đến bậc của sóng hài như sau: Zn = R 2 + ( nωL ) 2 29
  31. 31. Trong đó n = 1, 3, 5, 7… Vì Z5 > Z3 > Z1 nên biên độ sóng hài củadòng tải giảm nhanh so với sự suy giảm của biên độ sóng hài điện áp tải. Biên độ của số hạng thứ 3 của dòng tải chỉ còn bằng 5,4% biên độ củasố hạng thứ nhất của nó. Như vậy đối với tải cảm kháng, ta chỉ cần lấy 3 số hạng đầu trong khaitriển Fourier của điện áp tải để tính toán cũng khá chính xác. Sơ đồ điều biến độ rộng xung PMW (Pluse Width Modulation) Thiết bị biến tần trình bày ở trên chỉ tạo ra được dạng điện áp xoaychiều chữ nhật, hoặc gần chữ nhật, chứa nhiều sóng hài. Muốn giảm nhỏ ảnhhưởng của sóng hài, người ta dùng các bộ lọc, và như vậy, trọng lượng và giáthành của thiết bị biến tần sẽ cao. Điều mong muốn là làm thế nào để vừa điều chỉnh được điện áp mà vẫngiảm nhỏ được ảnh hưởng của các sóng hài bậc thấp. Biện pháp điều biến độrộng xung đáp ứng yêu cầu trên. Nội dung chính của biện pháp này như sau: - Tạo một sóng dạng sin, ur, ta gọi là sóng điều biến, có tần số bằng tầnsố mong muốn. - Tạo một sóng dạng tam giác, biên độ cố định, up, ta gọi là sóng mang,có tần số lớn hơn nhiều (thường là bội ba) tần số sóng điều biến. - Dùng một khâu so sánh ur và up. Các giao điểm của hai sóng này xácđịnh khoảng phát xung điều khiển mở transitor công suất. Người ta chia điều biến độ rộng xung thành hai loại: - Điều biến độ rộng xung đơn cực: điện áp ra trên tải là một chuỗi xung,độ rộng khác nhau, có trị số 0 và ± E. - Điều biến độ rộng xung lưỡng cực: điện áp ra trên tải là một chuỗixung, độ rộng khác nhau, có trị số ± E. Tỉ số giữa biên độ sóng điều biến và biên độ sóng mang, ký hiệu là M,được gọi là tỉ số điều biến, M = Ar + Ap . Điều chỉnh Ar cũng chính là điều chỉnh độ rộng xung. 30
  32. 32. Vì biên độ xung ra là E, một đại lượng cố định, nên bằng cách điềuchỉnh Ar ta điều chỉnh được điện áp ra trên tải. a. Điều biến độ rộng xung đơn cực: Trên hình 2.5 trình bày giản đồ điều biến độ rộng xung đơn cực, mộtpha, tải R + L. Sơ đồ hoạt động như sau: Hình 2.5 Giản đồ điều biến độ rộng xung đơn cực Transitor T1 được kích bởi xung điều khiển trong nửa chu kỳ dươngcủa sóng điều biến up, còn transitor T4 trong nửa chu kỳ âm của ur. Dòng tải i chậm pha so với điện áp tải u. Trong khoảng u và i cùng dấu, dòng tải chạy từ nguồn E ra tải qua 2transitor. Trong khoảng u và i khác dấu, dòng tải chạy về nguồn E qua 2 điot. 31
  33. 33. Trong khoảng u = 0, dòng tải chạy qua một transitor của nhánh này vàmột điot của nhánh khác, tải bị ngắn mạch, dòng điện nguồn is = 0. Sóng hài trong điện áp tải Nếu chuyển gốc toạ độ sang O’ , điện áp tải u là một hàm chu kỳ, lẻ.Khai triển Fourier của nó chỉ chứa các thành phần sóng sin. Biên độ của sóng hài được tính theo công thức: π 2 E ( α )sinθdθ π∫ Unm = (2.11) 0 Khi n = 1, ta có: 2E ⎡ 2 ⎤ α 4 α π-α5 π-α3 π-α1 U1m= ⎢ ∫ sinθdθ + ∫ sinθdθ + ∫ sinθdθ + ∫ sinθdθ + ∫ sinθdθ ⎥ π ⎢ α1 ⎣ α3 α5 π-α 4 π-α 2 ⎥ ⎦ 4E = [cosα1 - cosα 2 + cosα3 - cosα 4 + cosα5 ] π U2m ≈ 0 Khi n = 3, ta có: 3( π -α 5 ) 3 ( π -α 3 ) 3 ( π -α1 ) 2E ⎡ 2 ⎤ 3α 3α 4U3m= ⎢ ∫ sinΩdΩ + ∫ sinΩdΩ + ∫ sinΩdΩ + ∫ sinΩdΩ + ∫ sinΩdΩ ⎥ π ⎢ 3α1 ⎥ ⎣ 3α 3 3α 5 3 ( π -α 4 ) 3 ( π -α 2 ) ⎦ 4E = [cos3α1 - cos3α 2 + cos3α3 - cos3α 4 + cos3α5 ] π Biên độ của các sóng hài có dạng tổng quát như sau: i-1 4E 1 Unm = ∑ ( -1) cosnα1 nπ k trong đó n = 1, 3, 5, … α1 là góc chuyển trạng thái, i biến thiên từ 1 đến k. αk là góc trạng thái cuối cùng trước π/2. Như vậy, đối với điều biến độ rộng xung đơn cực, để da tải không chứacác sóng hài bậc 3,5 và 7 cần phải có: 32
  34. 34. i-1 4E k U3m = ∑ ( -1) cos3αi = 0 , 3π i=1 i-1 4E k U5m = ∑ ( -1) cosαi = 0 , 5π i=1 i-1 4E k U7m = ∑ ( -1) cosαi = 0 7π i=1 b. Điều biến độ rộng xung lưỡng cực Trên hình 2.6 trình bày giản đồ điều biến độ rộng xung lưỡng cực vớitải L + R. Hình 2.6 Giản đồ điều biến độ rộng xung lưỡng cực Tỉ số điểu biến M > 1. Các transitor được điều khiển từng cặp T1, T3 vàT2, T4. Nguồn E luôn luôn được nối với tải thông qua hoặc T1, T3, hoặc T2, T4,do đó điện áp tải gồm một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, không có nhữngkhoảng u = 0. Sóng hài trong điện áp tải 33
  35. 35. Nếu chuyển gốc toạ độ sang O’, dễ thấy rằng điện áp tải có dạng hàmchu kỳ, lẻ, chỉ chứa các thành phần sin. Biên độ sóng hài được tính theo công thức (2.11): 2E ⎡ α2 α2 π -α 2 π -α 1 π ⎤ U1m = ⎢ ∫ sinθdθ - ∫ sinθdθ + ∫ sinθdθ - ∫ sinθdθ + ∫ sinθdθ ⎥ π ⎢0 ⎣ α1 α2 π -α 2 π -α 1 ⎥ ⎦ 4E = [1- 2cosα1 + 2cosα2 ] π U2m = 0 4E U 3m = [1 − 2 co s3 α 1 + 2cos3 α 2 ] 3π Biểu thức tổng quát của biên độ sóng hài của điều biến độ rộng xunglưỡng cực: 4E ⎡ k ⎤ ⎢1 − 2∑ ( −1) cosα i ⎥ i −1 U nm = khi u bắt đầu bằng một xung dương nπ ⎣ i =1 ⎦ 4E ⎡ k ⎤ ⎢-1+ 2∑ ( -1) cosαi ⎥ i-1 U nm = khi u bắt đầu bằng một xung âm. nπ ⎣ i=1 ⎦ Đối với trường hợp đang xét, muốn loại trừ sóng hài bậc 3 và 5 cầnphải có: 1-2cos 3α1 + 2cos 3α2 = 0 1-2cos 5α1 + 2cos 5α2 = 0 Bằng phương pháp tính gần đúng tìm được α1 = 23o616, α2 = 33o3. Nhưvậy, điện áp ra chỉ chứa sóng cơ bản và các sóng hài bậc cao 7, 9, 11… Cóthể xem: 4E u= sinω t π Nghịch lưu điện áp khi làm việc với tải có tính chất dung kháng, điệnáp tăng vọt ở đầu ra của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp (lúc thay đổi cực 34
  36. 36. tính điện áp trên tải) làm xuất hiện dòng điện xung rất lớn (về lý thuyết là vôcùng). Khi làm việc với tải có tính chất cảm kháng hay động cơ điện xoaychiều, đặc tính của nghịch lưu độc lập điện áp gần đạt đến đặc tính lý tưởng. Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp dùng khoá điện tử có khả năng làmviệc với phụ tải dung kháng (dòng điện vượt pha trước điện áp), chẳng hạn ởđộng cơ điện một chiều không vành góp. Trong trường hợp này, khi có sựtăng vọt của dòng điện thì việc chuyển mạch dòng điện giữa các van giới hạnbởi các thông số của phụ tải và tuỳ theo tốc độ tăng trưởng của dòng điệntrong khoá điện tử. Sự làm việc tin cậy này của nghịch lưu độc lập nguồn điệnáp chỉ có thể đạt được trong trường hợp dùng chuyển mạch cưỡng bức. Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp được đặc trưng đơn trị với sự phụthuộc của điện áp đầu ra vào điện áp đầu vào và thực sự không phụ thuộc vàosự thay đổi của phụ tải và hệ số công suất của nó. Đó là ưu điểm nổi bật củanghịch lưu độc lập nguồn điện áp khi làm việc với động cơ điện xoay chiều vàlàm cho việc sử dụng bộ biến tần khoá điện tử dùng nghịch lưu độc lập nguồnđiện áp tốt hơn trong các hệ thống hở điều khiển tốc độ động cơ điện xoaychiều và khi cung cấp cho nhóm động cơ. Khi chuyển động cơ được cấp từ bộ biến tần khoá điện tử dùng nghịchlưu độc lập nguồn điện áp sang chế độ máy phát, chiều dòng điện ở đầu vàocủa nghịch lưu độc lập nguồn điện áp thay đổi (nếu đầu ra của bộ chỉnh lưungược được nối với đầu vào của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp), nhưngkhông làm thay đổi cực tính của điện áp của khâu dòng điện một chiều. Tuynhiên dòng điện qua chỉnh lưu cấp cho nghịch lưu không biến đổi chiều. Dovậy không thể thực hiện việc truyền năng lượng đã có vào mạng, và nănglượng được tạo ra bởi máy điện xoay chiều sẽ được tích luỹ vào khâu dòngđiện một chiều, trong bộ lọc dùng tụ điện. Trên cơ sở về lý thuyết biến tần thì ta có sơ đồ cấu trúc của hệ biến tầnđộng cơ được biểu diễn trên Hình 2.4. 35
  37. 37. Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc tổng quan về hệ biến tần động cơ Nguyên lý hoạt động của biến tần áp một pha: nguồn điện được cấp từ phíasơ cấp của máy biến áp có tần số f1 sau đó qua máy biến áp có điện áp thứ cấp u2.Dòng điện xoay chiều qua bộ chỉnh lưu cầu để tạo ra dòng điện một chiều. Tụ Ccó tác dụng lọc nhằm giảm độ đập mạch của điện áp sau khi chỉnh lưu. Sau đódòng điện một chiều được đưa qua bộ nghịch lưu, tại đây dòng điện một chiềuđược biến thành dòng điện xoay chiều có tần số f2. Tần số f2 thay đổi phụ thuộcvào quá trình đóng, mở của các transitor của mạch nghịch lưu. Việc đóng, mở củacác transitor được thực hiện bởi mạch điều khiển. Mạch điều khiển này nhận tínhiệu từ bộ vi xử lý đã được lập trình theo một thuật toán nhất định.2.2 Xây dựng luật điều khiển Việc điều khiển tần số của động cơ được thực hiện nhờ mạch nghịch lưu.Tần số của dòng điện đưa vào động cơ chính là tần số đóng mở của hai cặpTransitor trong mạch nghịch lưu. Quá trình đóng mở hai cặp transitor này đượcthực hiện nhờ mạch điều khiển. Mạch điều khiển này và mạch lực của bộ biến tầntạo thành bộ điều chỉnh của hệ ổn định tốc độ động cơ. Việc tổng hợp hệ thốngđiều chỉnh sẽ được trình bày ở trong chương 3. 36
  38. 38. CHƯƠNG 3XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY BẰNGBIẾN TẦN ÁP MỘT PHA Khi nói đến hệ thống điều chỉnh tự động, người ta thường quan tâm đếnba vấn đề: Đối tượng điều khiển, phương pháp điều khiển và thiết bị điềukhiển. Đối tượng điều khiển là động cơ không đồng bộ một pha, phương phápđiều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồncung cấp là phương pháp điều khiển. Còn các bộ biến tần và các thiết bị phụkhác là thiết bị điều khiển.3.1 Hệ thống điều khiển mạch vòng kín Hệ thống điều khiển mạch vòng kín được sử dụng rất rộng rãi trong dândụng cũng như trong công nghiệp. Trong dân dụng chúng ta gặp các hệ thốngổn định nhiệt độ bàn là, tủ lạnh… Trong kỹ thuật chúng là những hệ thống ổnđịnhnhiệt độ trong các lò nung, lưu lượng trong các đường ống dẫn, điện áp racủa máy phát điện…Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển mạch vòng kínổn định tốc độ được biểu diễn trên Hình 3.1 Hình 3.1 Mạch vòng ổn định tốc độ ĐTĐK là đối tượng điều khiển TBĐK là thiết bị điều khiển u là tín hiệu đặt đầu vào y là tín hiệu đầu ra e là sai lệch uđk là tín hiệu điều khiển 37
  39. 39. Tốc độ làm việc do công nghệ yêu cầu và được gọi là tốc độ đặt, haytốc độ mong muốn. Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bịthay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độthực so với tốc độ đặt. Khi có tín hiệu đầu vào u đặt ở đầu vào thì ở đầu ra sẽ có tín hiệu đầura là y, nhờ có cảm biến đo tốc độ mà tín hiệu đầu ra được phản hồi trở lại vànhờ có khâu so sánh ta biết được đầu ra có thoả mãn được yêu cầu của đầuvào không. Khi có sự sai lệch thì khâu so sánh sẽ đưa ra tín hiệu sai lệch vàthiết bị điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển uđk để điều khiển đối tượngđiều khiển nhằm đảm bảo tín hiệu đầu ra luôn thoả mãn yêu cầu của đầu vào.3.2 Cảm biến tốc độ Một công việc rất quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động là đođược các thông số của hệ thống. Việc đo này được tiến hành bởi các cảmbiến. Để đo tốc độ động cơ ta dùng cảm biến tốc độ. Việc đo tốc độ động cơ từ trước cho tới nay có rất nhiều phương phápkhác nhau và mỗi một phương pháp có các ưu điểm và nhược khác nhau. Phương pháp đo tốc độ theo nguyên lý điện từ Các cảm biến theo nguyên lý này dựa trên định luật Faraday: dφ e=- (3.1) dt Với e là suất điện động xuất hiện khi từ thông thay đổi một lượng dΦtrong khoảng thời gian dt. Từ thông đi qua một mạch là một hàm số có dạng: Φ(x) =Φo(x).F(x) (3.2) Trong đó x là biến số của vị trí thay đổi theo đường thẳng hoặc vị trítheo góc quay. Mọi sự thay đổi giữa nguồn từ thông ( phần cảm) và mạch có từ thôngđi qua (phần ứng) sẽ làm suất hiện trong mạch một suất điện động có biên độ 38
  40. 40. tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển. Suất điện động này chứa đựng tín hiệu trong nótín hiệu ra của cảm biến. dF(x) dx e = -φo (3.3) dx dt Các loại cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý này đặc trưng là tốc độkế một chiều (máy phát tốc), tốc độ kế xoay chiều (máy phát đồng bộ). Hình 3.1 Tốc độ kế một chiều Hình 3.2 Máy phát đồng bộ Phương pháp đo tốc độ theo nguyên lý đếm xung Các cảm biến theo nguyên lý này có vật trung gian thường dùng là đĩađược chia thành p phần bằng nhau (chia theo góc ở tâm), mỗi phần mang một dấuhiệu đặc trưng như lỗ, đường vát, răng, điểm sáng (mặt phản xạ)… 39
  41. 41. Một cảm biến thích hợp đặt đối diện với vật trung gian để ghi nhận mộtcách ngắt quãng mỗi khi có một dấu hiệu đi qua và mỗi lần như vậy nó cấpmột tín hiệu xung. Biểu thức của tấn số f của các tín hiệu xung này được viếtdưới dạng: f = p.N (3.4)Trong đó f là tần số đo bằng Hz, p là số lượng dấu trên đĩa và N là số vòngquay của đĩa trong một giây. Việc lựa chọn loại cảm biến thích hợp để ghi nhận tín hiệu liên quanđến bản chất của vật quay, cấu tạo của vật quay và các dấu hiệu trên nó. - Cảm biến từ trở biến thiên sử dụng khi vật quay là sắt từ. - Cảm biến Hall hoặc cảm biến từ điện trở dùng trong trường hợp vậtquay là một hay nhiều nam châm, hoặc vật quay tạo thành màn chắn từ mộtcách tuần hoàn giữa một nam châm bất động và một cảm biến. - Cảm biến quang cùng một nguồn sáng được dùng khi trên vật trunggian quay có các lỗ, đường vát hoặc mặt phản xạ. Trong đề tài này việc chọn lựa cảm biến được dựa vào đặc điểm cấu tạocủa động cơ (quạt) và tín hiệu cần lấy ra. Hơn thế nữa việc xử lý tín hiệu racủa cảm biến được thực hiện bằng vi điều khiển. Vì vậy mà chúng tôi đã lựachọn loại cảm biến để đo tốc độ là cảm biến quang. Cảm biến quang Cấu tạo và sơ đồ nguyên lý của cảm biến quang được biểu diễn trênhình 3.4. - Khối tạo nguồn tạo nguồn nuôi cho toàn mạch gồm có cầu chỉnh lưuD1 các tụ lọc và IC LM7805 để ổn nguồn 5V - Ba cặp thu phát hồng ngoại tương ứng với ba vị trí các quạt bố trí trênhệ thống. Nhiệm vụ của của cặp thu phát này là cảm nhận được vị trí thay đổicủa điểm sáng. 40
  42. 42. - Một LM234 là IC khuyếch đại thuật toán trong nó bao gồm 4 mạch sosánh như Hình vẽ 3.3. Sử dụng để so sánh với giữa tín hiệu đặt ở đầu vào không đảo và tínhiệu đo được từ cảm biến đặt vào đầu đảo. Hình 3.3 IC khuyếch đại thuật toán LM234 41
  43. 43. Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến quang - Một IC74HC04 là IC gồm 4 cổng NOT mục đích của việc đưa thêmcổng NOT vào để tăng tính ổn định đồng thời thuận lợi cho việc đưa tín hiệuvào vi xử lí. Ngoài ra còn sử dụng một số các linh kiện khác như các biến trở dùngđể đặt các giá trị. Các điện trở dùng để hạn chế dòng và các đèn LED để báohiệu có tín hiệu hay không. 42
  44. 44. Trên sơ đồ Hình 3.4 có đưa ra ba đầu ra ứng với ba cảm biến. Do trongmô hình hệ thống thí nghiệm sấy có ba vị trí dùng quạt. Mỗi quạt có một cảmbiến để đo tốc độ của quạt, do đó cần ba đầu ra cảm biến. + Nguyên lý hoạt động Để sử dụng để đo được tốc độ quạt thì trên các quạt cần dán các tấmphản xạ có độ phản xạ tốt. Do tốc độ của quạt là tương đối cao vì thế mà tachỉ dán một tấm phản xạ. Đặt các đầu thu phát cách tấm phản xạ khoảng 5mmvà các cặp thu phát được đặt song song với nhau. Nguyên tắc thực hiện đo bằng việc so sánh hai điện áp vào hai đầu vàođảo (U-) và không đảo (U+) của mạch so sánh. Nếu U+>U- Thì đầu ra Ura sẽ cómức cao xấp xỉ bằng điện áp nguồn nuôi. Ngược lại đầu ra sẽ có mức thấp. Phần phát luôn luôn được cấp nguồn để phát ra tia hồng ngoại khi quạtquay sẽ kéo theo tấm phản xạ đó quay theo. Khi tấm phản xạ quay đến đốidiện phần phát thì tia hồng ngoại sẽ được phản xạ từ tấm phản xạ đến phầnthu. Lúc này do tính chất cấu tạo của phần thu khi có ánh sáng hồng ngoạichiếu vào điện trở của nó giảm xuống rất nhanh và sự giảm này phụ thuộc vàocường độ phản xạ của phần phát. Khi đó điểm nối đầu đảo của mạch so sánhsẽ gần như được nối đất U- ≈ 0V. Điện áp này sẽ được so sánh với điện áp đặtvào đầu không đảo của bộ so sánh đó. Giá trị điện áp đầu vào không đảo củamạch so sánh sẽ được đặt và điều chỉnh bởi các biến trở ở đây đặt U+ ≈ 2V.Lúc này U+ > U- nên ở đầu ra so sánh sẽ có một điện áp Ura ≈ 5V. Ngược lại, khi mà tấm phản xạ lệch khỏi vị trí đối diện với phần phátlúc này tia phản xạ lệch khỏi phần thu nên giá trị điện trở của phần thu gầnnhư bằng vô cùng. Vì vậy điện áp đặt vào đầu đảo của bộ so sánh sẽ xấp xỉbằng điện áp nguồn nuôi của nó U- ≈ 5V.Lúc này thì U+ < U- nên ở đầu ra sẽ có mức thấp Ura ≈ 0V. 43
  45. 45. Như vậy mỗi lần có tia phản xạ đi qua thì ở đầu ra mạch so sánh sẽ chora một xung điện áp có biên độ xấp xỉ 5V và tần số phụ thuộc vào tần số quạtđược tính theo công thức: f = p.N (3.5) Ở đây p = 1, N = 2800 vòng/phút → f = 2800 xung/phút. Vậy ứng với mỗi một xung là một vòng quay của động cơ. Nên việc đotốc độ động cơ bây giờ trở thành việc đếm số xung phát ra từ bộ cảm biếntheo quan hệ như công thức (3.5) Mặt khác số xung này sẽ được đếm bằng vi điều khiển mà hầu hết cácvi điều khiển khi hoạt động đều tích cực ở mức thấp. Nên ở đầu ra của cáccon so sánh đều được cho qua một cổng NOT.3.3 Cơ cấu điều chỉnh tốc độ Cơ cấu điều chỉnh tốc độ trong mạch ổn định tốc độ là bộ biến tầntrong đó gồm có mạch lực của bộ biến tần, mạch điều khiển và thiết bị cảmbiến. Mạch lực có tác dụng tạo ra được nguồn điện có các thông số như điệnáp và dòng điện thoả mãn với các thông số của động cơ và đặc biệt là có tầnsố thay đổi. Mạch điều khiển trong đó có bộ vi điều khiển và các thiết bị phụtrợ có tác dụng tạo ra tín hiệu điều khiển để đóng mở các Transitor theo một 44
  46. 46. luật điều khiển đã được lập trình trong chương trình của vi điều khiển. Môhình toán học của bộ điều khiển này là cơ sở quan trọng để đi tới bài toán điềukhiển. Để xây dựng được mô hình toán học hệ thống ta có hai phương pháp:phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm. Phương pháp lý thuyếtphải tính toán rất phức tạp, trên cơ sở đã có mô hình của hệ thống ta tiến hànhxây dựng của bộ điều khiển bằng phương pháp thực nghiệm.Thông tin hệ thống Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm sấy Hoạt động của hệ thống: Không khí được đưa vào buồng sấy qua ốngdẫn 1 nhờ quạt I và được gia nhiệt và tạo ẩm đến một giá trị quy định sẵn. Sauđó không khí trong buồng trộn được thổi vào hai ống sấy II và III với một tốcđộ đặt trước nhờ điều khiển tốc độ của quạt gió.3.3.1 Hàm truyền của đối tượng điều khiểna) Phương pháp xây dựng hàm truyền cho đối tượng điều khiển 45
  47. 47. Để tổng hợp được bộ điều khiển, trước tiên chúng ta cần phải biết về đốitượng điều khiển, tức là cần phải có một mô hình toán học mô tả đối tượng.Việc xây dựng mô hình cho đối tượng được gọi là mô hình hoá. Trong thựctế, các phương pháp mô hình hoá được chia làm hai loại: phương pháp lýthuyết và phương pháp thực nghiệm. Phương pháp lý thuyết là phương pháp thiết lập mô hình dựa trên cácđịnh luật có sẵn về quan hệ vật lý bên trong và quan hệ giao tiếp với môitrường bên ngoài của đối tượng. Các quan hệ này được mô tả dưới dạngnhững phương trình toán học. Trong trường hợp sự hiểu biết về đối tượng không được đầy đủ để cóthể xây dựng được một mô hình hoàn chỉnh, nhưng ta biết các thông tin banđầu về dạng mô hình thì chúng ta phải áp dụng phương pháp thực nghiệm đểhoàn thiện nốt việc xây dựng mô hình đối tượng trên cơ sở quan sát tín hiệuvào ra của đối tượng sao cho mô hình thu được bằng phương pháp thựcnghiệm thoả mãn các yêu cầu của phương pháp lý thuyết đề ra. Phương phápthực nghiệm đó được gọi là nhận dạng hệ thống điều khiển. Yêu cầu của mô hình tổng hợp được là: - Mô hình phải thuộc lớp mô hình tuyến tính thích hợp. - Mô hình phải có sai số với đối tượng là nhỏ nhất. Loại mô hình được lựa chọn: Với những ưu điểm như: mô hình đơngiản, ít chi phí, các tham số xác định dễ dàng, không tốn nhiều thời gian, môhình cho phép dễ dàng theo dõi được kết quả điều khiển đối tượng và chỉnhđịnh lại mô hình cho phù hợp, … Mô hình tuyến tính là loại mô hình đượcchúng tôi lựa chọn cho đối tượng. Với lớp mô hình thích hợp là mô hình liêntục có tham số. Mô hình liên tục có tham số có dạng hàm truyền là: 46
  48. 48. b 0 + b1s + ... + b m s m G(s) = với m ≤ n (3.6) a 0 + a1s + ... + a n s n Trong đó: n, m có thể cho trước hoặc không cho trước; b0, b1, …, bm; a0, a1, …, an là các tham số cần xác định. Phương pháp nhận dạng: Phương pháp nhận dạng được sử dụng khitiến hành thí nghiệm là phương pháp nhận dạng chủ động, tức là ta chủ độngkích đối tượng bằng hàm Heaviside 1(t) ở đầu vào và thu được tín hiệu dướidạng hàm quá độ h(t) ở đầu ra. Trên cơ sở hàm quá độ thu được h(t), chúng ta xác định các tham số b0,b1, … , bm, a0, a1, … , an cho mô hình trên. Để thực hiện được điều đó, trướchết chúng ta cần xem qua những kết luận có tính chất đặt cơ sở cho sự suyluận về dạng mô hình:Kết luận 1:- Nếu h(+0) = 0 thì n > m. Ngược lại nếu h(+0) ≠ 0 thì n = m. d d - Nếu h(+0) = 0 thì n – m > 1. Ngược lại nếu h(+0)¹≠ 0 dt dt thì n = m + 1. - Nếu h(+∞) = ∞ thì a0 = 0. - Nếu h(+∞) = 0 thì b0 = 0. - Nếu h(+∞) là một hằng số khác 0 thì trong G(s) có một khâu P b0nối tiếp với hệ số khuếch đại k = . a0 Không mất tính tổng quát, G(s) có thể được biểu diễn lại như sau: 47
  49. 49. (1 + T1 s)(1 + T 2 s)...(1 + T m s) G(s) = k. (3.7) (1 + T1s)(1 + T2 s)...(1 + Tn s) Ở đây Ti và Ti’ là các hằng số thời gian. Không mất tính tổng quát tagiả thiết: T1 ≤ T2 ≤ … ≤ Tn và T1’ ≤ T2’ ≤ … ≤ Tm’. Kết luận 2: Nếu h(t) không lượn sóng và không giảm, tức là h(t) khôngchứa thành phần quá điều chỉnh, thì các tham số Ti, Ti’ của mô hình (3.7)tương ứng phải là những số thực và phải thoả mãn: Tn > Tm’, Tn-1 > Tm-1’, … , Tn-m-1 > T1’ (3.8) Kết luận 3: Nếu h(t) không lượn sóng, có độ quá điều chỉnh nhưng sauđó giảm dần về h(∞) = k và không nhỏ hơn k thì tham số Ti, Ti’ của mô hình(3.7) tương ứng phải là những số thực và tồn tại duy nhất một chỉ số l ∈ {1, 2,… , m} để một trong m bất đẳng thức (3.8) không được thoả mãn. Kết luận 4: Nếu h(t) có p điểm cực trị, trong đó điểm cực đại nằm trênđường h(∞) = k và điểm cực tiểu nằm dưới đường h(t) = k thì những tham sốTi, Ti’ của mô hình (3.7) tương ứng là những số thực và phải tồn tại p chỉ sốtrong khoảng {1, 2, … , m} để có p bất đẳng thức trong (3.8) không được thoảmãn. Kết luận 5: Nếu h(t) có vô số điểm cực trị cách đều nhau, trong đó điểmcực đại nằm trên đường h(∞) = k và điểm cực tiểu nằm dưới đường h(∞) = kthì mô hình (3.6) của nó phải có các điểm cực là những giá trị phက

×