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. MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Trong sản xuất hiện đại, để nâng cao năng suất, hiệu suất sử dụng của
máy, nâng cao chất lượng sản phẩm và các phương pháp tự động hoá dây
truyền sản xuất thì hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc độ là không
thể thiếu được, đặc biệt là trong sản xuất công nghiệp. Nó quyết định đến
năng suất, chất lượng sản phẩm, khả năng linh động, đáp ứng với các thay đổi
nhanh chóng của thị trường nhằm giữ uy tín với khách hàng khi hoà nhập vào
môi trường cạnh tranh quốc tế.
Nước ta là một nước nông nghiệp, quanh năm đều có những sản phẩm
nông sản. Ngoài việc không ngừng tăng về mặt số lượng của nông sản mà
việc nâng cao chất lượng nông sản cũng đang được Đảng và Nhà nước ta rất
quan tâm. Vì vậy việc ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật vào nông
nghiệp là rất quan trọng. Đặc biệt là trong khâu bảo quản sau thu hoạch, trong
đó quá trình sấy để bảo quản nông sản rất được quan tâm. Nhiệt độ, độ ẩm và
tốc độ gió là những thông số rất quan trọng trong quá sấy. Nó ảnh hưởng rất
lớn đến chất lượng nông sản. Ở nước ta, việc sấy nông sản đã được tiến hành
từ xa xưa nhằm bảo quản nông sản được lâu hơn, nhưng công việc này chủ
yếu dựa vào thiên nhiên là chính. Việc nhận biết đặc tính sấy của nông sản
chủ yếu là do kinh nghiệm của người thực hiện sấy. Những năm gần đây đã
có những phòng thí nghiệm sấy được xây dựng nhằm khảo nghiệm đặc tính
sấy của nông sản. Một trong những yếu tố quan trọng tác động đến đặc tính
sấy của nông sản là tốc độ gió thổi vào nông sản. Vì vậy việc điều chỉnh tốc
độ gió có một ý nghĩa quan trọng và nó đòi hỏi cần phải có một giải pháp điều
chỉnh tốc độ chính xác. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ quạt gió để thay đổi
tốc 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 tin
là sự phát triển của kỹ thuật điều khiển và tự động hoá. Trong sản xuất công
1

3. nghiệp tự động hoá quá trình sản xuất đang là mũi nhọn và then chốt để giải
quyết vấn đề nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Một trong những
vấn đề quang trọng trong dây truyền tự động hoá là việc điều chỉnh tốc độ của
động cơ truyền động. Trong đó phải kể đến hệ thống điều khiển tốc độ động
cơ không đồng bộ roto lồng sóc. Gần đây loại động cơ này được sử dụng rất
rộng rãi do nó có nhiều ưu điểm nổi bật so với các động cơ khác. Có nhiều
phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều và mỗi một phương
pháp lại có nhưng ưu điểm riêng. Đối với loại động cơ không đồng bộ roto
lồng sóc một xu hướng điều khiển thông dụng được dùng nhiều nhất là điều
khiển tần số nguồn cung cấp (còn gọi là phương pháp điều khiển tốc độ động
cơ bằng biến tần). Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng biến tần là
phương 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 gió
trong hệ thống thí nghiệm sấy.
Được sự phân công của bộ môn điện, với sự hướng dẫn của thầy giáo
Nguyễn Văn Đường, cùng với sự giúp đỡ của các thầy giáo trong bộ môn đề
tài: “Tự động điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều một pha bằng biến tần áp
gián tiếp” đã hoàn thành.
Do thời gian dành cho đề tài có hạn, khả năng bản thân còn nhiều hạn
chế nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến
của 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 bằng
biến tần áp.
- Xây dựng được hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quạt gió bằng biến
tần áp của hệ thống sấy nông sản.
- Thiết kế và lắp ráp được mạch.
2

4. CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Điều khiển tốc độ quay động cơ xoay chiều trong nước và trên thế
giới
Trước khi tìm hiểu về các phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều
thì 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. Phần
cảm (stator) có các dây quấn được đặt vào các rãnh của lõi thép và được cách
điện với lõi thép. Phần ứng (rotor) được chia làm hai loại chính là: rotor dây
quấn và rotor lồng sóc. Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn có kết cấu
giống như dây quấn stator. Đặc điểm của loại động cơ không đồng bộ rotor
3

5. dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ vào mạch điện rotor
để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công
suất của máy. Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc thì kết cấu rất khác với
dây quấn stator. Trong rãnh của lõi thép rotor người ta đặt vào thanh dẫn bằng
đồng hay nhôm được nối với nhau bằng vòng ngắn mạch. Dây quấn lồng sóc
không cần cách điện với lõi sắt.
Động cơ không đồng bộ làm việc theo nguyên lý từ trường quay. Khi ta
đưa dòng điện xoay chiều vào dây quấn stator của động cơ không đồng bộ thì
trong dây quấn stator sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ n1.
f1
n1 =
p
trong đó f1 là tần số nguồn cung cấp; p là số đôi cực của stato. Từ trường này
sẽ quét qua dây quấn rotor và cảm ứng trên nó một sức điện động cảm ứng
e21. Khi dây quấn rotor được nối kín mạch nó sẽ sinh ra một dòng điện I2. Từ
thông do dòng điện stator và dòng điện rotor tạo nên đó là từ thông khe hở
không khí giữa stator và rotor. Sự tương tác giữa từ thông này và dòng điện
rotor tạo ra mômen quay Mq. Nếu mômen Mq > Mc thì roto sẽ quay (Mc là
mômen cản).
Gọi tốc độ quay của rotor là n thì n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường
quay n1, ví khi n = n1 lúc đó e21 = 0; I2 = 0; Mq = 0 rotor sẽ giảm tốc độ. Để
đánh giá sự khác nhau giữa n và n1 ta đưa ra khái niệm về độ trượt s.
n1 - n
s=
n1
Khi bắt đầu mở máy n = 0 nên s = 0, khi n ≈ n1 độ trượt s ≈ 0. Trong chế độ
động cơ 0 < n < n1 do đó 0 < s < 1. Trong chế độ máy phát ta phải quay rotor
với n > n1 do đó - ∞ < s < 0. Ngoài ra khi quay rotor với tốc độ n bất kì nhưng
ngược chiều từ trường n1 lúc đó máy điện không đồng bộ làm việc ở chế độ
4

6. hãm điện từ 1 < s < + ∞. Như vậy chế độ làm việc của máy điện không đồng
bộ 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 cơ
rotor dây quấn và động cơ rotor lồng sóc. Với kết cấu đơn giản, làm việc chắc
chắn, có đặc tính làm việc tốt, song đặc tính mở máy của động cơ rotor lồng
sóc lại không được như của động cơ rotor dây quấn. Tuy nhiên với sự phát
triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện từ bán dẫn đã cho phép thực hiện thành công
các kỹ thuật điều khiển phức tạp đối với loại động cơ rotor lồng sóc. Vì lý do
ấy động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ngày nay được sử dụng một cách
rộng rãi trong các hệ truyền động công nghiệp.
Quan hệ điện từ trong động cơ điện không đồng bộ
Ta 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 mạch
stator;
x1 và x2’ là điện kháng tản stator và rotor đã quy đổi về
mạch stator;
Io là dòng điện từ hoá;
5

7. rm là điện trở từ hoá đặc trưng cho tổn hao sắt từ, xm là điện
kháng 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 của
động cơ không đồng bộ:
Hình 1.2 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ
Công 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 ) 2
Đặc 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 đường
đặc tính cơ của động cơ đó là quan hệ giữa tốc độ và mô men của động cơ
như hình vẽ sau:
ω s=0
sth
n= 0 Mt Mth M
6

8. Hình 1.3 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Đường 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 + x'2)2 )
s
2M th (1 + as th )
⇒ M = ( 1.4 )
s s
+ th + 2as th
s th s
với a = r1/r2.
Đối với động cơ có công suất lớn r1<<x1+x2’ lúc này ta có thể bỏ qua r1
nghĩa 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 s
1.1.2 Động cơ không đồng bộ một pha
Động cơ không đồng bộ một pha thường được sử dụng trong các dụng
cụ, thiết bị sinh hoạt và trong công nghiệp. Công suất của động cơ từ vài oát
đến vài trăm oát và nối vào lưới điện xoay chiều một pha. Stato động cơ
7

9. không đồng bộ một pha có hai dây quấn: dây quấn làm việc và dây quấn khởi
động. 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 ra
khỏi lưới điện. Động cơ công suất nhỏ sau khi mở máy, dây quấn khởi động
nối vào lưới.
So với động cơ điện không đồng bộ ba pha cùng kích thước, công suất
của 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 bằng
40 ÷50% công suất động cơ điện ba pha.
Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ một pha: Khi dây quấn
làm việc nối với điện áp một pha thì dòng điện trong dây quấn sinh ra từ
trường đập mạch Φ. Từ trường này có thể phân thành hai từ trường quay
ngược chiều nhau ΦA và ΦB có tốc độ bằng nhau và biên độ bằng một nửa từ
trường đập mạch như Hình 1.4a. Như vậy có thể xem động cơ điện một pha
tương đương như một động cơ điện ba pha mà dây quấn stato gồm hai phần
giống nhau mắc nối tiếp và tạo thành các từ trường quay theo những chiều
ngược nhau như Hình 1.4b. Tác dụng của từ trường quay thuận nghịch đó với
dòng điện ở roto do chúng sinh ra tạo thành hai mô men ngược nhau MA và
MB. Khi động cơ đứng yên (s = 1) thì hai mô men đó bằng nhau và ngược
chiều nhau, do đó mô men quay tổng bằng không.
8

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 quay
theo chiều quay của từ trường dây quấn A như Hình b) với tốc độ n thì tần số
của sức điện động, dòng điện cảm ứng ở roto do từ trường quay thuận ΦA sinh
ra 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 độ
động cơ điện, còn đối với từ trường ΦB, do hệ số trượt của roto đối với tử
trường 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 thì
hệ số trượt đối với từ trường này sẽ là 0 < 2 – s < 1; lúc đó đối với từ trường
ΦB, máy làm việc ở chế độ động cơ, còn đối với từ trường ΦA thì ở chế độ
hãm.
Quy ước rằng các mô men có trị số dương khi chúng tác dụng theo
chiều chiều quay của từ trường ΦA, ta sẽ được các đường cong mô men MA và
9

11. MB của các dây quấn A, B và mô men tổng theo Hình 1.5 ta, đường đặc tính
mô men của máy điện không đồng bộ một pha có tính chất đối xứng, cho nên
động cơ có thể quay bất cứ chiều nào. Chiều quay thực tế của động cơ điện
một 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 pha
1.1.3 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 nghiên
cứu và phân tích đặc tính cơ của động cơ ω = f(M) trong đó ω là tốc độ góc
của rotor, M là mô men của động cơ. Từ đó có các phương thức để điều chỉnh
tốc 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 điều
chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ: điều chỉnh điện áp u1, điều chỉnh điện
trở mạch rotor (r2), điều chỉnh công suất trượt, và điều chỉnh tần số nguồn
cung 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 và
mỗi phương pháp đều có nhưng ưu điểm và nhược điểm của nó. Sau đây là
một số phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ:
10

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 áp
đặt vào stator do đó ta có thể điều chỉnh được mô men quay và tốc độ động cơ
bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stator trong đó giữ nguyên tần số nguồn
cấp.
Ưu điểm của phương pháp này là nó thích hợp với trường hợp mô men tải
là hàm tăng của tốc độ, tuy nhiên nó lại không thích hợp với loại động cơ rotor
lồng sóc vì sth của loại động cơ này là bé. Khi thực hiện điều chỉnh đối với động cơ
rotor dây quấn thì cần nối thêm điện trở phụ vào mạch rotor để mở rộng dải điều
chỉnh 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 bằng
cách làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất
trượt ΔPs = sPđt được tiêu tán trên điện trở mạch rotor. Ở các hệ thống truyền
động công suất lớn, tổn hao này là đáng kể. Vì thế để vừa điều chỉnh được tốc
độ truyền động, vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ
điều chỉnh công suất trượt, gọi tắt là các sơ đồ nối tầng. Có nhiều phương
pháp xây dựng hệ nối tầng.
Phương pháp điều khiển công suất trượt mạch rotor thường được áp
dụng cho các hệ truyền động công suất lớn vì khi đó việc tiết kiệm điện năng
có ý nghĩa lớn nhưng nó có nhược điểm là phạm vi điều chỉnh tốc độ không
lớn lắm và mô men của động cơ bị khi tốc độ thấp. Một vấn đề nữa đối với
các hệ thống công suất lớn là vấn đề khởi động động cơ, thường dùng điện trở
phụ để khởi động động cơ đến vùng tốc độ làm việc sau đó chuyển sang chế
độ điều chỉnh công suất trượt. Vì vậy, nên áp dụng phương pháp này cho các
hệ truyền động có số lần khởi động, dừng máy và đảo chiều ít nhất.
c. Điều khiển điện trở mạch rotor
11

13. Theo phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ thì ta có thể
điều chỉnh tốc độ của động cơ bằng điều chỉnh điện trở mạch rotor, ưu điểm
của phương pháp này là dễ điều chỉnh, tuy nhiên nhược điểm của nó là gây
tổn hao trên điện trở và mạch chuyển đổi van ở điện áp một chiều. Mặt khác
khi 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 tăng
điện trở, nhưng trong dải khác mô men của động cơ lại giảm đi. Trong
phương pháp này nếu giữ dòng điện rotor không đổi thì mô men cũng không
đổi và không phụ thuộc tốc độ động cơ, vì vậy có thể áp dụng phương pháp
này 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 hệ
thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơ không
đồng bộ nói riêng, phương pháp điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ cho
phép mở rộng phạm vi sử dụng động cơ không đồng bộ trong nhiều nghành
công nghiệp. Trước hết đó là ứng dụng cho những thiết bị cần thay đổi tốc độ
nhiều 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 những
thiết bị đơn lẻ nhất là những thiết bị có công nghệ yêu cầu tốc độ làm việc cao
như máy ly tâm, máy mài, máy đánh bóng... Đặc biệt các hệ thống điều chỉnh
tốc độ động cơ bằng các bộ biến đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ
không đồng bộ rotor lồng sóc có cấu tạo đơn giản, vững chắc, giá thành rẻ và
làm việc trong những môi trường nặng nề, tin cậy. Đó là những yêu cầu cần
thiết 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 của
điện áp đặt và stator. Nếu phụ tải có mô men là hằng số thì ta phải điều khiển
cả điện áp để đạt được quy luật U/f = const. Nếu phụ tải có công suất là hằng
số thì ta giữ nguyên điện áp đặt vào stator nhưng chỉ làm việc với dải tần số
12

14. f > fs.
Ưu điểm nổi bật của phương pháp này mà các phương pháp khác
không có được là có thể điều khiển động cơ phù hợp với mọi loại tải và phát
huy được dải điều chỉnh ở cả hai vùng tốc độ dưới và trên định mức, phù hợp
với các hệ truyền động yêu cầu tốc độ cao. Song phương pháp này có nhược
điểm là hệ thống điều khiển phức tạp. Tuy nhiên, với ứngdụng của kỹ thuật vi
xử lý tín hiệu đã cho phép giải quyết các thuật toán phức tạp điều khiển động
cơ trong điều kiện thời gian thực với chất lượng điều khiển cao. Chính vì vậy
phương pháp này ngày càng được quan tâm và ứng dụng mạnh mẽ trong các
hệ 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 điều
chỉnh 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 1
quay: 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 động
cơ sẽ thay đổi. Để thay đổi số đôi cực p ta thay đổi cách đấu dây và cũng là
cách 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 nên
rất khó thực hiện cho động cơ roto dây quấn. Phương pháp này chủ yếu dùng
cho động cơ không đồng bộ roto lồng sóc và loại động cơ này có khả năng tự
biến đổi số đôi cực ở roto để phù hợp với số đôi cực ở stato. Đối với động cơ
có nhiều cấp độ, mỗi pha stato phải có ít nhất là hai nhóm bối dây trở nên hoàn
toàn giống nhau. Do đó càng nhiều cấp độ thì kích thước, trọng lượng và giá
thành càng cao vì vậy trong thực tế thường dùng tối đa là bốn cấp độ.
13

15. Kết luận
Từ các phương pháp trên ta thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ động
cơ bằng biến tần là phương pháp có nhiều ưu điểm hơn cả. Vì nó có thể điều
khiển được nhiều loại động cơ khác nhau trong đó có cả động cơ điện một
chiều, dải điều chỉnh tốc độ rộng và liên tục. Nó còn được áp dụng nhiều
trong các hệ truyền động chất lượng cao. Hơn nữa phương pháp điều khiển
tốc độ bằng biến tần điều khiển tốc độ của động cơ xoay chiều một pha đơn giản
và thích hợp nhất. Nên phương pháp này sẽ được áp dụng trong đề tài này để điều
khiển 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 (ở
một số trường hợp là điện áp mạng hay nguồn độc lập tần số cao) thành điện
áp (hoặc dòng điện) biến đổi nhiều pha có biên độ, tần số và số pha có thể
thay đổi được trong phạm vi cho phép.
Tốc độ động cơ không đồng bộ:
60f1
n = n 1 (1 − s) = (1 − s) (1.11)
p
Trong 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 đối
với động cơ rotor lồng sóc chỉ có thể điều chỉnh tần số mới thực hiện điều
chỉnh trơn tốc độ trong phạm vi rộng.
Đối với động cơ không đồng bộ nếu bỏ qua điện áp rơi trên điện trở và
điện cảm dây quấn stator ta có:
U 1 = E 1 ≈ 4,44k dq W1f1φ
U1
⇒φ =k
f1
14

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 phải
điều chỉnh cả điện áp nguồn cung cấp. Bởi vì nếu điều chỉnh tần số mà giữ
nguyên điện áp thì:
Nếu giảm f1 thì φ của động cơ tăng lên làm cho mạch từ của động cơ bị
bão hoà và dòng điện từ hoá Iμ lớn lên, tổn thất sắt trong lõi thép stator lớn
làm 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 động
cơ có tải với mô men không đổi thì dòng điện rotor Ir tăng lên dẫn đến trong
trường hợp này dây quấn rotor bị quá tải, cho mô men cho phép và khả năng
quá tải cho phép của động cơ bị giảm đi.
Để phát huy tối đa mọi khả năng của động cơ khi điều chỉnh tốc độ
bằng bộ biến tần người ta phải tiến hành điều chỉnh cả điện áp theo một hàm
cho phù hợp với phụ tải. Việc điều khiển này có thể được thực hiện thông qua
hệ thống kín khi đó nhờ các mạch phản hồi điện áp ứng với một tần số cho
trước nào đó sẽ biến đổi theo phụ tải và các quy luật tải khác ta có các quy
luật điều khiển.
Nguyên tắc chung của các bộ biến đổi tần số là dùng khoá điện tử công
suất điều khiển là transitor hay thyristor (gọi là các khoá điện tử). Thực chất
của các nguyên tắc này là ở việc tổ chức các mối liên kết của các phần tử chủ
yếu của bộ biến đổi và đóng cắt chúng bằng những quy luật (thuật toán) nào
đó theo hàm thời gian để điều chỉnh dòng năng lượng ở đầu ra bộ biến đổi
với tần số mong muốn.
15

17. Các bộ biến đổi tần số dùng khoá điện tử có thể chia thành ba loại theo
phương 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 mạch
nhân 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 áp
lưới), 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 biến
đổi tần số kiểu nghịch lưu).
2- Các bộ biến tần trực tiếp (không có khâu trung gian dòng điện một
chiều 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 thống
sấy
Việc điều chỉnh tốc độ gió trong hệ thống thí nghiệm sấy được chuyển
về việc điều khiển tốc độ động cơ quạt gió. Giữa tốc độ gió và tốc độ động cơ
có quan hệ với nhau theo một hàm nào đó, hàm này sẽ được xác định bằng
thực nghiệm. Tốc độ gió trong hệ thống thí nghiệm sấy cần một dải tốc độ và
ở mỗi tốc độ thì cần ổn định chúng. Việc sử dụng biến tần là thích hợp vì điều
chỉnh tốc độ được liên tục, dải điều chỉnh rộng và việc điều chỉnh đơn giản.
16

18. CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN TẦN
2.1 Biến tần áp
2.1.1 Định nghĩa chung về biến tần
Biến tần là các bộ biến đổi điện dùng để biến đổi nguồn điện áp với các
thông số không đổi, thành nguồn điện (nguồn áp hoặc nguồn dòng) với tần số có
thể thay đổi được. Thông thường biến tần làm việc với nguồn điện đầu vào là lưới
điện nhưng về nguyên tắc chung thì biến tần có thể làm việc với bất kỳ nguồn điện
áp 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 hở
không 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 trúc
của hệ biến tần động cơ. Về cơ bản chúng ta có thể chia thành hai loại : Biến
tần 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 (bộ
biến 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 f1
thành nguồn ra xoay chiều có tần số f2 một cách trực tiếp mà không cần qua
17

19. một khâu biến đổi trung gian nào cả. Nên hiệu suất của bộ biến đổi tần số loại
này cao, khối lượng và kích thước của chúng nhỏ.
Nhược điểm của biến tần trực tiếp dùng khoá điện tử là: hệ số công suất
phía nguồn cung cấp thấp, tồn tại một tỷ lệ lớn các sóng hài bậc cao ở điện áp
ra, 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 pha
m1 ở mạch lực của bộ biến tần phía nguồn cung cấp càng ít bao nhiêu thì tần
số ra càng thấp bấy nhiêu. Để có tần số f2 = 50 Hz cần phải hoặc là nâng cao
tần số cung cấp lên 150 ÷ 200 Hz hoặc là tăng số pha m1 lên đến 24 pha. Điều
này không dễ dàng đối với việc biến đổi năng lượng bổ xung trong khi tần số
nguồn cung cấp là tiêu chuẩn và làm giảm đáng kể các chỉ tiêu kinh tế, kỹ
thuật, 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 cơ
sở các bộ chỉnh lưu có điều khiển. Sự chuyển mạch của các khoá điện tử
công suất thường được thực hiện nhờ điện áp lưới mà đặc trưng tiêu biểu cho
các bộ biến tần loại này là chuyển mạch tự nhiên, nhưng cũng có các bộ biến
tần trực tiếp dùng chuyển mạch ngoài. Sử dụng chuyển mạch ngoài trong các
bộ biến tần loại này cho phép làm tăng đáng kể giá trị lớn nhất của tần số đầu
ra 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, sau
đó điện áp một chiều nhờ bộ nghịch lưu được biến đổi thành điện áp xoay
chiều. Sơ đồ khối được biểu diễn trên Hình 2.2.
U∼ Chỉnh lưu Lọc Nghịch lưu U∼
f1 độc lập f2
18

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 mạng
tiêu thụ với tần số ấn định. Giữa bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu thường là bộ
lọc 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 có
thể 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 đảo
chiều dùng nghịch lưu phụ thuộc với chuyển mạch tự nhiên, còn nghịch lưu
độc lập, dùng chuyển mạch nhân tạo.
2- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch tự nhiên hoàn toàn: trường
hợp thiết bị điện một chiều, động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ bù và với các
phụ tải khác có hệ số công suất cao và trong trường hợp truyền động điện nối
tầng van không đồng bộ.
3- Các bộ biến đổi tần số với chuyển mạch nhân tạo hoàn toàn. Khi đó
cả 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 trung
gian dòng điện một chiều là có thể nhận được ở đầu ra của nó nhờ nghịch lưu
độc lập, tần số có thể thay đổi được trong dải rộng, không phụ thuộc vào tần
số nguồn cung cấp.
Nhược điểm cơ bản của bộ biến đổi loại này là biến đổi năng lượng hai
lần nên làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi và làm tăng kích thước và khối
lượng của nó.
Bộ biến tần dùng van bán dẫn có khâu trung gian dòng điện xoay
chiều một pha tần số cao.
Để nhận được tần số 50 Hz ở cửa ra của bộ biến tần khoá điện tử này
thì tần số điện áp của khâu trung gian dòng điện xoay chiều không được nhỏ
hơn 450 Hz. Bộ biến tần với khâu trung gian dòng điện một pha có chuyển
mạch hỗn hợp. Bộ biến tần loại này dẫn dòng cả hai phía, đảm bảo trao đổi
19

21. năng lượng phản kháng giữa nguồn và phụ tải. Khi động cơ làm việc ở chế độ
máy phát, có thể trả lại năng lượng tác dụng về lưới cung cấp. Giá trị cực đại
của tần số ra của bộ biến tần khoá điện tử này được giới hạn bởi giá trị tần số
điện áp ở khâu trung gian dòng điện một pha và thường vào khoảng 50 – 60
Hz, 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 tần
số cao sử dụng nhiều sơ đồ phức tạp, được xây dựng trên cơ sở các bộ chỉnh
lưu hình tia ba pha và chỉnh lưu đảo chiều dùng sơ đồ cầu ba pha. Ở đây việc
biến 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 dùng
chuyển mạch tự nhiên. Những bộ biến đổi loại này không mang lại ứng dụng
thực tiễn trong truyền động điện vì sơ đồ mạch lực và hệ thống điều khiển khá
phức tạp.
Các nguyên tắc biến đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều trong
các 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 trung
gian 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 chiều
nhờ các khóa điều khiển (thyristor hay transitor).
Thiết bị thực hiện quá trình này được gọi là nghịch lưu. Các bộ nghịch
lưu thường được chia ra theo loại phụ tải và theo tương quan công suất
chuyển 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 không
chứa sẵn nguồn năng lượng tác dụng, có cùng điện áp và tần số với đầu ra
nghịch lưu. Vì vậy tần số, dạng điện áp được xác định do chế độ làm việc đó
đến các thông số ở đầu ra nghịch lưu.
20

22. Nghịch lưu phụ thuộc là nghịch lưu trả lại năng lượng cho lưới điện
xoay chiều có điện áp, tần số cố định và công suất tác dụng lớn hơn đáng kể
so với công suất mà nghịch lưu trả lại. Khi này những thông số về điện áp, tần
số ở đầu ra của nghịch lưu phụ thuộc không ảnh hưởng đến chế độ làm việc
của nó, những thông số này hoàn toàn được xác định bởi các thông số của
lưới 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 của
các khoá điện tử, hệ thống điều khiển các khóa điện tử của bộ nghịch lưu này
thường là phụ thuộc (được đồng bộ hoá) như ở bộ chỉnh lưu.
Nghịch lưu độc lập được đặc trưng bằng chuyển mạch cưỡng bức và
việc điều khiển các thysistor hay transitor đều từ bên ngoài (không phụ thuộc
cả mạng cung cấp lẫn tải tiêu thụ). Nhưng nghịch lưu độc lập có thể có chế độ
làm việc với chuyển mạch tự nhiên cho các khoá điện tử (khi làm việc với
động cơ đồng bộ quá bù, phụ tải điện dung v.v…). Chẳng hạn, ở chế độ máy
điện một chiều, việc chuyển mạch của các khoá điện tử trong nghịch lưu phụ
thuộc vào vị trí góc và tốc độ góc của roto động cơ, nghĩa là hệ thống điều
khiển nghịch lưu đó cần phải được đồng bộ hoá và bị phụ thuộc vào vị trí
roto. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là biến nghịch lưu độc lập thành
nghịch lưu phụ thuộc, bởi vì việc xác định nghịch lưu độc lập dựa trên cơ sở
tần số, biên độ điện áp, dạng điện áp ở đầu ra và chế độ làm việc của nghịch
lưu này có phụ thuộc vào năng lượng tác dụng cũng như tần số của nguồn
cung cấp hay không.
Do tính độc lập về chế độ làm việc của nguồn điện một chiều và sự duy trì
nghiêm ngặt các quá trình điện từ trong nghịch lưu độc lập, người ta chia ra
21

23. thành nghịch lưu độc lập nguồn điện áp và nghịch lưu độc lập nguồn dòng
điện.
Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện là nghịch lưu mà dạng dòng điện ở
dầu ra của nó được xác định chỉ bằng sự chuyển mạch dòng điện giữa các
khoá điện tử của nghịch lưu, còn dạng điện áp thì phụ thuộc vào tính chất của
phụ tải. Việc đưa bộ chỉnh lưu điều khiển vào chế độ nguồn dòng điện điều
chỉnh được khi làm việc với nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện được thực
hiện bằng cách đấu thêm điện kháng san bằng có điện cảm rất lớn ở đầu vào
hoặc dùng khâu phản hồi âm dòng điện trong chỉnh lưu điều khiển và sử dụng
cuộn kháng san bằng có giá trị điện cảm đủ để san bằng sự đập mạch của
dòng điện chỉnh lưu.
Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện không thể làm việc với tải cảm
kháng, vì khi dòng điện đột biến ở đầu ra (thời điểm thay đổi cực tính điện áp
trên tải làm hở mạch nguồn dòng điện) sẽ làm xuất hiện quá điện áp lớn hơn
giới hạn cho phép. Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện sẽ gần đạt đến nghịch
lưu 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 tính
chất cảm kháng hay động cơ điện xoay chiều nhưng trong trường hợp này cần
phải hạn chế quá điện áp chuyển mạch và tốc độ tăng trưởng của dòng điện
khi thay đổi cực tính và phải có biện pháp đặc biệt để dập tắt hoặc trả lại năng
lượng phản kháng đã tĩch luỹ trên tải cho nguồn cung cấp. Khả năng làm việc
với tải có hệ số công suất vượt góc trước làm cho nghịch lưu độc lập nguồn
dòng điện có ưu việt hơn cả nhờ việc sử dụng tính chất chuyển mạch tự nhiên.
2.1.3 Các luật điều khiển tần số
a) 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 trở
kháng, từ thông, dòng điện...của động cơ thay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu
22

24. điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện
áp. Đối với hệ thống biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ cho khả năng
quá tải về mô men là không đổi trong bằng hệ số quá tải về mô men λM.
M th
λM =
M
Nếu 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
ω0
với ω0 là tốc độ không tải
Điều kiện để giữ hệ số quá tải không đổi là:
M th M thdm
λM = = (2.2)
M M dm
Thay (2.3) vào (2.2) ta được:
U s U sdm M
= (2.3)
ω0 ω0dm M dm
Đặc 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 chỉnh
tần 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. Us*=(fs*)2 suy ra Us/fs2=const
b) Luật điều chỉnh giữ từ thông không đổi
Chế độ định mức là chế độ làm việc tối ưu về tuổi thọ của động cơ
không đồng bộ. Trong chế độ này từ thông là định mức và mạch từ có công
suất tối đa. Luật điều chỉnh điện áp tần số mà ta đã trình bày ở trên là luật gần
đúng giữ từ thông không đổi trên phạm vi toàn dải điều chỉnh. Tuy nhiên từ
thông động cơ trên mỗi đặc tính còn phụ thuộc rất nhiều vào độ trượt s, tức là
phụ thuộc mô men tải trên trục động cơ. Vì thế, trong các hệ điều chỉnh yêu
cầu 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 thì
mô men sẽ không phụ thuộc vào tần số và mô men tới hạn sẽ không đổi trong
toàn 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 mạch
stator đáng kể so với sụt áp trên điện cảm stator. Do đó từ thông cũng giảm đi
và 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 điện
rotor và vec tơ từ thông rotor phải luôn vuông góc với nhau trong không gian. Mặt
khác, do mô men điện từ là tích vec tơ của hai vec tơ này nên khi chúng vuông góc
với nhau thì mô men trở thành tích của hai đại lượng. Do đó, từ biểu thức (2.5) ta
thấy để điều chỉnh cho từ thông không đổi ta chỉ cần điều chỉnh dòng điện stator và
tần số fs sao cho thoả mãn biểu thức trên.
c) Luật điều khiển tần số trượt không đổi
24

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 )2
trong đó: ωr=ωs-ω
Vì vậy nếu giữ ωr=const thì M=f(Is2). Lấy đạo hàm của mô men M theo tốc độ
ωr 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 rσ
Như vậy nếu giữ ωr=ωth=Rr/Lr=1/Tr thì mô men điện từ của động cơ sinh ra
bằng mô men tới hạn của động cơ. Trường hợp này ta gọi là luật điều chỉnh
sao cho động cơ sinh ra mô men tối đa ứng với một giá trị cho trước của dòng
điện stator. Mặt khác vì ωr=2пfr nên luật này còn gọi là luật điều chỉnh giữ tần
số 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 không
đồng bộ nêu trên ta thấy, hầu hết các phương pháp đó đều có đặc điểm là
không sử dụng các thiết bị phản hồi nên mặc dù đạt được sự tối ưu về giá
thành song mục tiêu quan trọng là chất lượng điều khiển lại chưa đạt được độ
chính xác cao. Sự định hướng của trường rotor không được sử dụng, trạng
thái của động cơ bị bỏ qua, mô men không được điều khiển... Kỹ thuật điều
khiển này gọi là điều khiển vô hướng. Mặt khác chúng ta đều đã biết động cơ
không đồng bộ là thiết bị mang tính chất phi tuyến, mặc dù đã bỏ qua ảnh
hưởng của bão hoà từ, tổn thất trong lõi thép và các thành phần sóng hài bậc
cao nhưng chúng ta vẫn gặp rất nhiều khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ
động 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. muốn làm sao chế ngự được hoàn toàn động cơ không đồng bộ đạt được chất
lượng truyền động như động cơ một chiều, người ta đã đưa ra một phương
pháp điều khiển đó là phương pháp điều chế véc tơ không gian. Nội dung của
phương pháp này là người ta biến các đại lượng véc tơ dòng điện, điện áp và
từ thông từ hệ toạ độ ba pha về hệ toạ độ hai pha (dq), hệ toạ độ này quay
đồng bộ với từ trường quay. Tiến hành điều khiển và khảo sát trên hệ toạ độ
dq và khi có kết quả ta quy đổi ngược trở về hệ toạ độ ba pha để tạo ra các tín
hiệu 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 phương
pháp không gian vec tơ cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ trong phạm vi
rộng, có khả năng sinh mô men quay ở tốc độ thấp (thậm chí ở tốc độ 0) và
điều chỉnh trơn một cách tuỳ ý. Tốc độ đạt được độ chính xác cao, đáp ứng
mô men tốt.
Xuất phát từ cơ sở đó hiện nay các nhà khoa học đã và đang đi sâu
nghiên cứu để tìm ra một phương pháp điều khiển tối ưu nhất cho động cơ
không đồng bộ. Trong đó, phương pháp điều khiển tần số tựa theo từ thông
rotor sẽ là một trong những hướng phát triển chính của hệ truyền động xoay
chiều trong những năm tới. Với sự phát triển của công nghệ điện tử và bán
dẫn công suất, việc tính toán, đo các giá trị thực đã được gói trọn trên một bản
mạch. Vấn đề chủ chốt của một hệ điều khiển vào lúc đó chỉ còn là thuật toán
điều khiển. Như vậy nếu giải quyết được vấn đề trên thì hệ truyền động động
cơ không đồng bộ sẽ dần thay thế hệ truyền động động cơ một chiều trong
hầu hết các lĩnh vực, kể cả công nghệ cao như hệ điều khiển chương trình
người máy. Cũng từ đó ta dễ dàng phân lập các hệ truyền động để nâng cao
chất lượng công nghệ. Như vậy ta đã góp phần vào vấn đề mấu chốt là kinh tế
và 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. biến tần áp.
Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp là nghịch lưu mà ở dạng điện áp ở
đầu ra của nó được xác định chỉ bằng việc đóng, ngắt các khoá điện tử trong
nghịch lưu, còn dạng dòng điện thì phụ thuộc vào tính chất của phụ tải. Khi
nghịch lưu độc lập nguồn điện áp làm việc với tải phản kháng cần phải đảm
bảo khả năng trao đổi năng lượng phản kháng giữa tải và nguồn điện áp một
chiều. Tụ điện có dung lượng đủ lớn đấu song song ở đầu vào nghịch lưu độc
lập nguồn điện áp, còn sơ đồ đấu song song ngược với nghịch lưu độc lập
nguồn điện áp được gọi là chỉnh lưu ngược. Điều này cho phép dòng điện
chảy 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. 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). Khi
t = 0, cho xung điều khiển mở T1 và T3 , T2 và T4 bị khoá lại (do thiết bị chuyển
mạch thực hiện). Dòng tải i = - Im không thể đảo chiều một cách đột ngột. Nó tiếp
tục 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 điều
khiển 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 tải
i 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 theo
theo quy luật hàm mũ giữa hai giá trị Im và - Im.
Biểu thức của dòng tải i
28

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 mạch
tải liên quan đến bậc của sóng hài như sau:
Zn = R 2 + ( nωL )
2
29

31. Trong đó n = 1, 3, 5, 7… Vì Z5 > Z3 > Z1 nên biên độ sóng hài của
dòng 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 của
số hạng thứ nhất của nó.
Như vậy đối với tải cảm kháng, ta chỉ cần lấy 3 số hạng đầu trong khai
triển 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 xoay
chiều chữ nhật, hoặc gần chữ nhật, chứa nhiều sóng hài. Muốn giảm nhỏ ảnh
hưởng của sóng hài, người ta dùng các bộ lọc, và như vậy, trọng lượng và giá
thành của thiết bị biến tần sẽ cao.
Điều mong muốn là làm thế nào để vừa điều chỉnh được điện áp mà vẫn
giảm nhỏ được ảnh hưởng của các sóng hài bậc thấp. Biện pháp điều biến độ
rộng 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 tần
số 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 xác
định 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 chuỗi
xung, 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. Vì biên độ xung ra là E, một đại lượng cố định, nên bằng cách điều
chỉnh 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, một
pha, 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 dương
của 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 2
transitor.
Trong khoảng u và i khác dấu, dòng tải chạy về nguồn E qua 2 điot.
31

33. Trong khoảng u = 0, dòng tải chạy qua một transitor của nhánh này và
một 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 4
U3m= ⎢ ∫ 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 chứa
các sóng hài bậc 3,5 và 7 cần phải có:
32

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 với
tải 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 và
T2, 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 những
khoảng u = 0.
Sóng hài trong điện áp tải
33

35. Nếu chuyển gốc toạ độ sang O’, dễ thấy rằng điện áp tải có dạng hàm
chu 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 xung
lưỡng 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 cần
phải 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. Như
vậy, điện áp ra chỉ chứa sóng cơ bản và các sóng hài bậc cao 7, 9, 11… Có
thể xem:
4E
u= sinω t
π
Nghịch lưu điện áp khi làm việc với tải có tính chất dung kháng, điện
áp tăng vọt ở đầu ra của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp (lúc thay đổi cực
34

36. tính điện áp trên tải) làm xuất hiện dòng điện xung rất lớn (về lý thuyết là vô
cùng). Khi làm việc với tải có tính chất cảm kháng hay động cơ điện xoay
chiều, 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 làm
việc với phụ tải dung kháng (dòng điện vượt pha trước điện áp), chẳng hạn ở
động cơ điện một chiều không vành góp. Trong trường hợp này, khi có sự
tăng vọt của dòng điện thì việc chuyển mạch dòng điện giữa các van giới hạn
bởi các thông số của phụ tải và tuỳ theo tốc độ tăng trưởng của dòng điện
trong khoá điện tử. Sự làm việc tin cậy này của nghịch lưu độc lập nguồn điện
áp 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 phụ
thuộc của điện áp đầu ra vào điện áp đầu vào và thực sự không phụ thuộc vào
sự thay đổi của phụ tải và hệ số công suất của nó. Đó là ưu điểm nổi bật của
nghịch lưu độc lập nguồn điện áp khi làm việc với động cơ điện xoay chiều và
làm cho việc sử dụng bộ biến tần khoá điện tử dùng nghịch lưu độc lập nguồn
điện áp tốt hơn trong các hệ thống hở điều khiển tốc độ động cơ điện xoay
chiều và khi cung cấp cho nhóm động cơ.
Khi chuyển động cơ được cấp từ bộ biến tần khoá điện tử dùng nghịch
lưu độc lập nguồn điện áp sang chế độ máy phát, chiều dòng điện ở đầu vào
của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp thay đổi (nếu đầu ra của bộ chỉnh lưu
ngược được nối với đầu vào của nghịch lưu độc lập nguồn điện áp), nhưng
không làm thay đổi cực tính của điện áp của khâu dòng điện một chiều. Tuy
nhiên dòng điện qua chỉnh lưu cấp cho nghịch lưu không biến đổi chiều. Do
vậy không thể thực hiện việc truyền năng lượng đã có vào mạng, và năng
lượng được tạo ra bởi máy điện xoay chiều sẽ được tích luỹ vào khâu dòng
điện 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 tần
động cơ được biểu diễn trên Hình 2.4.
35

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 phía
sơ 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 C
có tác dụng lọc nhằm giảm độ đập mạch của điện áp sau khi chỉnh lưu. Sau đó
dòng điện một chiều được đưa qua bộ nghịch lưu, tại đây dòng điện một chiều
được biến thành dòng điện xoay chiều có tần số f2. Tần số f2 thay đổi phụ thuộc
vào quá trình đóng, mở của các transitor của mạch nghịch lưu. Việc đóng, mở của
các transitor được thực hiện bởi mạch điều khiển. Mạch điều khiển này nhận tín
hiệu 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 cặp
Transitor trong mạch nghịch lưu. Quá trình đóng mở hai cặp transitor này được
thực hiện nhờ mạch điều khiển. Mạch điều khiển này và mạch lực của bộ biến tần
tạo thành bộ điều chỉnh của hệ ổn định tốc độ động cơ. Việc tổng hợp hệ thống
điều chỉnh sẽ được trình bày ở trong chương 3.
36

38. CHƯƠNG 3
XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY BẰNG
BIẾN TẦN ÁP MỘT PHA
Khi nói đến hệ thống điều chỉnh tự động, người ta thường quan tâm đến
ba vấn đề: Đối tượng điều khiển, phương pháp điều khiển và thiết bị điều
khiển. Đối tượng điều khiển là động cơ không đồng bộ một pha, phương pháp
điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn
cung cấp là phương pháp điều khiển. Còn các bộ biến tần và các thiết bị phụ
khác 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 dân
dụng cũng như trong công nghiệp. Trong dân dụng chúng ta gặp các hệ thống
ổn định nhiệt độ bàn là, tủ lạnh… Trong kỹ thuật chúng là những hệ thống ổn
địnhnhiệt độ trong các lò nung, lưu lượng trong các đường ống dẫn, điện áp ra
của máy phát điện…Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển mạch vòng kín
ổn 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. Tốc độ làm việc do công nghệ yêu cầu và được gọi là tốc độ đặt, hay
tốc độ mong muốn. Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị
thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ
thực so với tốc độ đặt.
Khi có tín hiệu đầu vào u đặt ở đầu vào thì ở đầu ra sẽ có tín hiệu đầu
ra là y, nhờ có cảm biến đo tốc độ mà tín hiệu đầu ra được phản hồi trở lại và
nhờ có khâu so sánh ta biết được đầu ra có thoả mãn được yêu cầu của đầu
vào không. Khi có sự sai lệch thì khâu so sánh sẽ đưa ra tín hiệu sai lệch và
thiết bị điều khiển sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển uđk để điều khiển đối tượng
điều 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 đo
được các thông số của hệ thống. Việc đo này được tiến hành bởi các cảm
biến. 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 pháp
khác 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 dΦ
trong 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 trí
theo góc quay.
Mọi sự thay đổi giữa nguồn từ thông ( phần cảm) và mạch có từ thông
đi qua (phần ứng) sẽ làm suất hiện trong mạch một suất điện động có biên độ
38

40. tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển. Suất điện động này chứa đựng tín hiệu trong nó
tín 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 độ
kế 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 đĩa
được chia thành p phần bằng nhau (chia theo góc ở tâm), mỗi phần mang một dấu
hiệu đặc trưng như lỗ, đường vát, răng, điểm sáng (mặt phản xạ)…
39

41. Một cảm biến thích hợp đặt đối diện với vật trung gian để ghi nhận một
cách ngắt quãng mỗi khi có một dấu hiệu đi qua và mỗi lần như vậy nó cấp
một tín hiệu xung. Biểu thức của tấn số f của các tín hiệu xung này được viết
dưới 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 vòng
quay của đĩa trong một giây.
Việc lựa chọn loại cảm biến thích hợp để ghi nhận tín hiệu liên quan
đến 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 vật
quay là một hay nhiều nam châm, hoặc vật quay tạo thành màn chắn từ một
cách tuần hoàn giữa một nam châm bất động và một cảm biến.
- Cảm biến quang cùng một nguồn sáng được dùng khi trên vật trung
gian 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 tạo
của động cơ (quạt) và tín hiệu cần lấy ra. Hơn thế nữa việc xử lý tín hiệu ra
của cảm biến được thực hiện bằng vi điều khiển. Vì vậy mà chúng tôi đã lựa
chọn 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 trên
hình 3.4.
- Khối tạo nguồn tạo nguồn nuôi cho toàn mạch gồm có cầu chỉnh lưu
D1 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 trên
hệ thống. Nhiệm vụ của của cặp thu phát này là cảm nhận được vị trí thay đổi
của điểm sáng.
40

42. - Một LM234 là IC khuyếch đại thuật toán trong nó bao gồm 4 mạch so
sánh như Hình vẽ 3.3.
Sử dụng để so sánh với giữa tín hiệu đặt ở đầu vào không đảo và tín
hiệu đo được từ cảm biến đặt vào đầu đảo.
Hình 3.3 IC khuyếch đại thuật toán LM234
41

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 thêm
cổng NOT vào để tăng tính ổn định đồng thời thuận lợi cho việc đưa tín hiệu
vào vi xử lí.
Ngoài ra còn sử dụng một số các linh kiện khác như các biến trở dùng
để đặt các giá trị. Các điện trở dùng để hạn chế dòng và các đèn LED để báo
hiệu có tín hiệu hay không.
42

44. Trên sơ đồ Hình 3.4 có đưa ra ba đầu ra ứng với ba cảm biến. Do trong
mô hình hệ thống thí nghiệm sấy có ba vị trí dùng quạt. Mỗi quạt có một cảm
biến 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 tấm
phản xạ có độ phản xạ tốt. Do tốc độ của quạt là tương đối cao vì thế mà ta
chỉ dán một tấm phản xạ. Đặt các đầu thu phát cách tấm phản xạ khoảng 5mm
và 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 vào
đảo (U-) và không đảo (U+) của mạch so sánh. Nếu U+>U- Thì đầu ra Ura sẽ có
mức 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 quạt
quay sẽ kéo theo tấm phản xạ đó quay theo. Khi tấm phản xạ quay đến đối
diện phần phát thì tia hồng ngoại sẽ được phản xạ từ tấm phản xạ đến phần
thu. Lúc này do tính chất cấu tạo của phần thu khi có ánh sáng hồng ngoại
chiếu vào điện trở của nó giảm xuống rất nhanh và sự giảm này phụ thuộc vào
cường độ phản xạ của phần phát. Khi đó điểm nối đầu đảo của mạch so sánh
sẽ gần như được nối đất U- ≈ 0V. Điện áp này sẽ được so sánh với điện áp đặt
vào đầu không đảo của bộ so sánh đó. Giá trị điện áp đầu vào không đảo của
mạch 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 phát
lúc này tia phản xạ lệch khỏi phần thu nên giá trị điện trở của phần thu gần
như bằng vô cùng. Vì vậy điện áp đặt vào đầu đảo của bộ so sánh sẽ xấp xỉ
bằng 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. Như vậy mỗi lần có tia phản xạ đi qua thì ở đầu ra mạch so sánh sẽ cho
ra một xung điện áp có biên độ xấp xỉ 5V và tần số phụ thuộc vào tần số quạt
được 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 đo
tốc độ động cơ bây giờ trở thành việc đếm số xung phát ra từ bộ cảm biến
theo quan hệ như công thức (3.5)
Mặt khác số xung này sẽ được đếm bằng vi điều khiển mà hầu hết các
vi điều khiển khi hoạt động đều tích cực ở mức thấp. Nên ở đầu ra của các
con 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 tần
trong đó gồm có mạch lực của bộ biến tần, mạch điều khiển và thiết bị cảm
biến. Mạch lực có tác dụng tạo ra được nguồn điện có các thông số như điện
áp và dòng điện thoả mãn với các thông số của động cơ và đặc biệt là có tần
số thay đổi. Mạch điều khiển trong đó có bộ vi điều khiển và các thiết bị phụ
trợ có tác dụng tạo ra tín hiệu điều khiển để đóng mở các Transitor theo một
44

46. luật điều khiển đã được lập trình trong chương trình của vi điều khiển. Mô
hình toán học của bộ điều khiển này là cơ sở quan trọng để đi tới bài toán điều
khiển. 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 thuyết
phải tính toán rất phức tạp, trên cơ sở đã có mô hình của hệ thống ta tiến hành
xây 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 ống
dẫn 1 nhờ quạt I và được gia nhiệt và tạo ẩm đến một giá trị quy định sẵn. Sau
đó không khí trong buồng trộn được thổi vào hai ống sấy II và III với một tốc
độ đặt trước nhờ điều khiển tốc độ của quạt gió.
3.3.1 Hàm truyền của đối tượng điều khiển
a) Phương pháp xây dựng hàm truyền cho đối tượng điều khiển
45

47. Để tổng hợp được bộ điều khiển, trước tiên chúng ta cần phải biết về đối
tượng 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 thực
tế, các phương pháp mô hình hoá được chia làm hai loại: phương pháp lý
thuyết và phương pháp thực nghiệm.
Phương pháp lý thuyết là phương pháp thiết lập mô hình dựa trên các
định luật có sẵn về quan hệ vật lý bên trong và quan hệ giao tiếp với môi
trường bên ngoài của đối tượng. Các quan hệ này được mô tả dưới dạng
những phương trình toán học.
Trong trường hợp sự hiểu biết về đối tượng không được đầy đủ để có
thể xây dựng được một mô hình hoàn chỉnh, nhưng ta biết các thông tin ban
đầu về dạng mô hình thì chúng ta phải áp dụng phương pháp thực nghiệm để
hoàn thiện nốt việc xây dựng mô hình đối tượng trên cơ sở quan sát tín hiệu
vào ra của đối tượng sao cho mô hình thu được bằng phương pháp thực
nghiệm thoả mãn các yêu cầu của phương pháp lý thuyết đề ra. Phương pháp
thực 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 đơn
giản, ít chi phí, các tham số xác định dễ dàng, không tốn nhiều thời gian, mô
hình cho phép dễ dàng theo dõi được kết quả điều khiển đối tượng và chỉnh
định lại mô hình cho phù hợp, … Mô hình tuyến tính là loại mô hình được
chúng tôi lựa chọn cho đối tượng. Với lớp mô hình thích hợp là mô hình liên
tục có tham số.
Mô hình liên tục có tham số có dạng hàm truyền là:
46

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 khi
tiến hành thí nghiệm là phương pháp nhận dạng chủ động, tức là ta chủ động
kích đối tượng bằng hàm Heaviside 1(t) ở đầu vào và thu được tín hiệu dưới
dạng 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, trước
hết chúng ta cần xem qua những kết luận có tính chất đặt cơ sở cho sự suy
luận 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
b0
nối 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. (1 + T'1 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 ta
giả thiết: T1 ≤ T2 ≤ … ≤ Tn và T1’ ≤ T2’ ≤ … ≤ Tm’.
Kết luận 2: Nếu h(t) không lượn sóng và không giảm, tức là h(t) không
chứa 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 sau
đó 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 trên
đường h(∞) = k và điểm cực tiểu nằm dưới đường h(t) = k thì những tham số
Ti, Ti’ của mô hình (3.7) tương ứng là những số thực và phải tồn tại p chỉ số
trong khoảng {1, 2, … , m} để có p bất đẳng thức trong (3.8) không được thoả
mãn.
Kết luận 5: Nếu h(t) có vô số điểm cực trị cách đều nhau, trong đó điểm
cực đại nằm trên đường h(∞) = k và điểm cực tiểu nằm dưới đường h(∞) = k
thì mô hình (3.6) của nó phải có các điểm cực là những giá trị phức.
Sau khi đã có hàm h(t) từ thực nghiệm, dựa vào những kết luận trên ta
có thể xác định được các tham số cho mô hình của đối tượng điều khiển.
Trong thực tế, người ta thường cố gắng đưa dạng mô hình của đối tượng điều
khiển về các khâu cơ bản như: khâu quán tính bậc nhất (PT1), khâu quán tính
- tích phân bậc nhất (IT1), khâu quán tính – tích phân bậc n (ITn), khâu quán
tính bậc hai (PT2), khâu quán tính bậc n (PTn), khâu Lead/Lag, khâu dao động
48