Khảo sát năng lượng trong quá trình quá độ của động cơ không đồng bộ khi cấp điện từ biến tần

Nội dung text: Khảo sát năng lượng trong quá trình quá độ của động cơ không đồng bộ khi cấp điện từ biến tần

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 71 - 2009 KHẢO SÁT NĂNG LƢỢNG TRONG QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ KHI CẤP ĐIỆN TỪ BIẾN TẦN POWER ANALYSIS OF TRANSIENT STATE OF INDUCTION MOTOR FED BY AN INVERTER Nguyễn Vũ Thanh, Bùi Đình Tiếu, Trần Văn Thịnh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TÓM TẮT Bài báo đưa ra mô hình khảo sát sự thay đổi năng lượng trong quá trình quá độ của động cơ không đồng bộ khi nguồn điện cấp vào lấy từ bộ biến tần. Khảo sát mô hình động cơ có tính đến hiệu ứng bề mặt và bão hòa mạch từ, trong tổng thể hệ thống thiết bị điều chỉnh - Động cơ - Phụ tải (những mô hình trước đây thường bỏ quá yếu tố này). Sử dụng một số nguồn điện áp PWM khác nhau (PWM 0 hình sin, PWM hài bậc 3, PWM 60 ) đưa vào động cơ với các dạng phụ tải phổ biến (MC = const, 2 MC = k, MC = k ). Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng điện áp không sin có những tác động nhất định tới năng lượng của động cơ. Tùy theo kiểu điện áp PWM sử dụng mà năng lượng trong động cơ có những biến đổi tương ứng. Ngoài ra trong quá trình quá độ còn phát sinh thêm một phần năng lượng đáng kể khác. Thành phần năng lượng này có thể xem là một yếu tố cần thiết trong quá trình quá độ để động cơ chuyển từ trạng thái làm việc này sang trạng thái làm việc khác. ABSTRACT The article analyses concentration on the power variation of transient state of induction motor fed by a inverter. First of all, modelling the induction motor with the skin effect and saturation is analysed (these effects are ignored in the previous model) in the Controller-Motor-Load system. After that, some types of different PWM voltage of inverter, for example, sine PWM, third harmonic PWM, 0 2 60 PWM, is supllied to the motor with the various load (MC = const, MC = k, MC = k ). The research results prove that the sineless voltage has a specific effect on the power of motor. Depending on the used PWM voltage, the power of motor will have corresponding variations. In addition, there is a particular part of power occurs in the transient state. In the state, this particular power can be seemed as an essential part that helps the motor change from one state to another state. I. MỞ ĐẦU Hơn nữa ĐCKĐB được ứng dụng rất Để khảo sát các hiện tượng điện từ xảy ra rộng rãi, đặc biệt là trong các hệ thống truyền trong động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB), thì động của các máy sản xuất. Ở đó, khi có những việc mô hình hóa ĐCKĐB là hết sức quan ĐCKĐB lớn khởi động hoặc khi làm việc ở chế trọng. Đặc biệt là xem xét mô hình động cơ độ ngắn hạn lặp lại thì việc khảo sát phần công trong tổng thế hệ thống Thiết bị điều chỉnh – suất cung cấp và điện năng tiêu thụ trong các Động cơ – Phụ tải. Trong nhiều năm gần đây, quá trình quá độ là một bài toán hết sức quan bài toán này vẫn được các tác giả tiếp tục trọng, đặt ra yêu cầu cần phải nghiên cứu chi nghiên cứu và hoàn thiện. Tuy nhiên, phần lớn tiết. các tác giả mới chỉ dừng lại ở việc mô hình hóa II. XÂY DỰNG PHƢƠNG TRÌNH CÔNG không xét đến hiện tượng bão hòa mạch từ và SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG CỦA ĐCKĐB CÓ hiệu ứng bề mặt trong động cơ. Với sự phát XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG MẶT NGOÀI VÀ triển mạnh của linh kiện bán dẫn, một số tác giả BÃO HÕA MẠCH TỪ. xem xét ĐCKĐB như một đối tượng điều khiển trên mô hình động học, tuy nhiên mục tiêu Trước tiên tiến hành mô hình hóa nghiên cứu không phải là đi sâu vào những biến ĐCKĐB trên hệ trục  có xét đến hiệu ứng đổi điện từ trong động cơ mà xem xét động cơ mặt ngoài và bão hòa mạch từ [2,3,4]. như một đối tượng điều khiển và mô phỏng động cơ trên cơ sở tuyến tính hệ số hằng [1]. 35
2. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 71 - 2009 Sau đó tiến hành mô phỏng khởi động Như vậy ta có phương trình cân bằng động cơ (14kW-1480v/ph) khi không tải, để công suất như sau: khẳng định tính đúng đắn của mô hình ta tiến hành so sánh với đường cong thực nghiệm. Kết P1 pd1 pd 2 pdg1 pdg2 pst Pco quả cho thấy đường cong thực nghiệm và Từ đó ta xác định được mức điện năng đường cong lý thuyết khá gần nhau (hình 1). tiêu thụ qua biểu thức dưới đây: t t t t A p dt p dt p dt p dt 1 d1 d 2 dg1 dg 2 0 0 0 0 t t p dt P dt st co 0 0 Trong đó: t là thời điểm động cơ đạt 95%nđm III. BIẾN TẦN VỚI KĨ THUẬT PWM (ĐIỀU BIẾN ĐỘ RỘNG XUNG) Hình 1. Kết quả mô phỏng ĐCKĐB 3 pha Trong điều khiển ĐCKĐB dùng biến tần 14kW-1480v/ph với kĩ thuật PWM, thì tín hiệu PWM luôn được cập nhật, điều này tạo ra song xoay chiều tại Từ đó, xác định được công suất tức thời các pha của động cơ. Phương pháp dùng để cập và điện năng trong ĐC KĐB khi khởi động nhật tín hiệu PWM gọi là kĩ thuật điều biến. thông qua các phương trinh sau: Một số kĩ thuật điều biến cơ bản là PWM hình 0 a/ Tổn hao trong dây quấn stato khi khởi động: sin, PWM hài bậc 3, PWM 60 và điều biến véctơ không gian. Tuy nhiên các kĩ thuật điều 2 2 pd1 r1 i1 i1 biến khác cũng ngày càng trở nên thông dụng do chúng tận dụng được nguồn DC tốt hơn b/ Tổn hao trong dây quấn roto khi khởi động: [1,5]. Trong đó ba kĩ thuật điều biến PWM hình sin, PWM hài bậc 3, PWM 600 có chung kiểu p r i 2 i 2 d1 2 2 2 sơ đồ tổng quát. c/ Tổn hao phát sinh trong roto khi khởi động: di di2 2 PWM trên p X i i So Sánh dg 2 2td 2 2 dt dt Nghịch đảo và thời gian an toàn d/ Tổn hao phát sinh trong stato khi khởi động: di di 1 1 pdg1 X1td i1 i1 Hình 2. Nguyên lí chung của ba kĩ thuật điều dt dt biến e/ Tổn hao từ hóa: Nguyên lí chung được mô tả như sau: - Tạo ra sóng điều biến fr (điều biến có thể d m d m pst im im dưới dạng hình sin, có thể thêm các thành dt dt phần hài bậc cao) có tần số điều biến bằng f/ Công suất cơ trên trục: tần số mong muốn (tần số cấp vào động cơ) - Tạo ra sóng mang fC dạng tam giác, có biên Pco   2 i2  2 i2 độ cố định, có tần số sóng mang lớn hơn g/ Công suất điện đưa vào: nhiều tần số điều biến P1 u1 i1 u1 i1 36
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 71 - 2009 - So sánh hai tín hiệu sóng điều biến và sóng Acu: Điện năng do tổn hao đồng stato và roto mang, giao điểm của hai tín hiệu này xác A : Điện năng do tổng tổn hao trong động cơ định thời điểm kích mở van IGBT.  A /A : Tỷ lệ phần trăm A so với A Ta được dạng sóng điện áp pha ứng với đg 1 động 1 từng kĩ thuật điều biến [5]. Ađg/A: Tỷ lệ phần trăm Ađộng so với A Đặc điểm PWM hình sin 4.1 Ảnh hƣởng của thay đổi tần số khi điện áp là sin chuẩn lên động cơ KĐB lúc khởi - Trung tính ĐC = 0,5V DC động - Điện áp dây U = 0,866V L-L DC Khảo sát trong điều kiện: Đặc điểm PWM hài bậc ba - Điện áp là sin chuẩn - Cộng thêm vào thành phần hình sin - U = 220V, f = 50, 45, 35, 30, 25Hz sóng điều biến một thành phần sóng hài 2 bậc ba - Ba dạng phụ tải (MC = Mđm, MC ~  , - Trung tính ĐC dao động theo thành MC ~ ) phần hài bậc 3 Một số nhận định (bảng 1, 2, 3): 2 - Điện áp dây UL-L = VDC Với phụ tải MC ~  năng lượng là nhỏ nhất, Đặc điểm PWM 600 tiếp đến là dạng phụ tải MC ~  và lớn nhất là dạng phụ tải MC = Mđm. Điều này rất phù hợp - Đỉnh sóng điện áp được san phẳng với lí thuyết kinh điển về truyền động điện: trong khoảng 600 đến 1200, 2400 đến 3000 (tính theo độ điện) - Với MC = Mđm, động cơ (ĐC) luôn phải chịu phụ tải tĩnh. Do vậy tại thời điểm khởi - Điện áp dây UL-L = VDC d động nhỏ làm quá trình tăng tốc của động IV. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ CÁC dt NHẬN XÉT cơ chậm, gặp nhiều khó khăn. Mặt khác số Chương trình tính áp dụng trên động cơ lượng đỉnh xung trong quá trình khởi động lớn, với các số liệu sau: do đó ĐC cần dùng một năng lượng lớn để tạo ra mômen đủ để thắng được mômen cản tĩnh. r1 r21 r20 2 - Với phụ tải MC ~  , lúc bắt đầu khởi kW-v/ph () () () động M- MC lớn. Điều này khiến ĐC tăng tốc 14-1480 0.4 0.376 0.235 dễ dàng do đạt được lớn. ĐC lúc này khởi x x x x động gần như chỉ chịu mômen quán tính của tải 11 10 20 2s và một lượng nhỏ mômen tĩnh do ma sát tạo ra. () () () () Nên ĐC chỉ cần một năng lượng nhỏ đủ để thắng mômen cản tĩnh ban đầu. 0.81 0.98 0.92 0.81 - Với dạng phụ tải MC ~ , ĐC không x2bh x0 JR p cần mômen mở máy lớn. Điều này khiến cho 2 năng lượng cung cấp cho ĐC nhỏ. Hơn nữa do () () kgm đôi cực biên độ đỉnh xung mômen khi khởi động lớn 2 0.755 22 0.125 2 hơn trường hợp tải MC ~  , nên năng lượng đưa vào ĐC cần nhiều hơn so trường hợp tải 2 Một số kí hiệu sử dụng trong các bảng: MC ~  . TG: Thời gian tốc độ động cơ đạt 95%nđm Khi khảo sát tương quan giữa các thành phần năng lượng xảy ra trong ĐC, nhận thấy A : Tổng điện năng đưa vào động cơ 1 thành phần năng lượng phát sinh khi khởi động 37
4. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 71 - 2009 chiếm một tỉ lệ khá cao so với tổng năng lượng thì kĩ thuật PWM 600 thường cho ta năng lượng đưa vào. cung cấp thấp hơn. Ví dụ: f = 50Hz, Ađg/A1 = 14,86% Bảng 1. Điện áp sin chuẩn f = 30Hz, Ađg/A1 = 8,43% U const, M C M đm Thành phần năng lượng này có thể xem f là một yếu tố cần thiết trong quá trình khởi động để ĐC chuyển từ trạng thái nghỉ sang f A1 TG Ađg/A1 A trạng thái làm việc. 50 10776 .43 14,86 8777,7 4.2 Năng lƣợng ĐC với các quy luật fr khác nhau, ứng với từng loại phụ tải. 45 7794,2 .33 13,03 6262,6 Khảo sát trong điều kiện: 40 5670,6 .26 11,37 4508,1 - Kĩ thuật PWM (hình sin, hài bậc 3, 600) 35 4137,5 .21 9,7 3252 - fC = 750Hz, fr = 50, 45, 40, 35, 30, 25Hz 30 2959,6 .17 8,43 2322,8 2 - Ba dạng phụ tải (MC = Mđm, MC ~  , MC 25 2098,4 .15 7,15 1643,2 ~ ) Một số nhận định (tham khảo bảng 4 đến 12): Bảng 2. Điện áp sin chuẩn U const, M k 2  Với dạng tải MC = M đm năng lượng f 2 C cấp vào vẫn là lớn nhất, tiếp theo là trường hợp MC ~  và nhỏ nhất là trường hợp f A1 TG Ađg/A1 A M ~ 2. Điều này phù hợp với những nhận C 50 4143,5 .17 12,11 3085,2 định ở mục a. Tuy nhiên nếu xét kĩ hơn, cùng một mốc thời gian ĐC đạt trạng thái xác lập 45 3299,3 .17 10,9 2437,8 (lấy mốc thời gian của điện áp sin chuẩn). Nhận 40 2563,5 .18 9,6 1884,4 thấy năng lượng cung cấp khi điện áp sin chuẩn là nhỏ nhất đối với cả ba dạng phụ tải, đứng thứ 35 1925,8 .20 8,3 1413,1 hai là trường hợp điện áp điều biến dùng kĩ 30 1395,9 .24 7,05 1019,2 thuật PWM hình sin. Điều này có thể giải thích 25 956,04 .29 5,81 695,47 thông qua phổ sóng hài, những thành phần sóng hai phát sinh làm cho đỉnh xung mômen lớn Bảng 3. Điện áp sin chuẩn hơn, đường mômen tổng xuất hiện nhiều gai tại U const, M C k đỉnh xung do các mômen phụ sinh ra. Chính f 3 các gai đỉnh xung này làm cho đường cong công suất tức thời xấu đi, tổng năng lượng cung f A1 TG Ađg/A1 A cấp tăng lên. Đối với hai kĩ thuật PWM hài bậc 50 4795,1 .19 11,99 3533,1 ba và PWM 600 có nhiều điểm tương đồng. Thông qua phổ sóng hài, nhận thấy ở hai kĩ 45 3811,2 .18 10,77 2806,7 thuật này thứ tự bậc sóng hài xuất hiện giống 40 2972,5 .17 9,54 2184,9 nhau, chỉ khác nhau ở biến độ sóng (trường hợp PWM hài bậc 3 biến độ sóng hài lớn hơn 35 2248,3 .17 8,35 1652,1 trường hợp PWM 600). Điều này giải thích tại 30 1652,9 .17 6,98 1210,3 sao trong các vùng làm việc tần số khác nhau 25 1140,6 .17 5,98 838,23 38
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 71 - 2009 Bảng 4. Điện áp PWM hình sin Bảng 7. Điện áp PWM 600 U const, M M f C đm f A1 Ađg/A1 Ađg/ A A f A1 Ađg/A1 Ađg/ A A 50 10654 13,59 17,65 8205,9 50 10880 14,1 17,86 8605,8 45 7874,5 12,42 15,9 6150,9 45 8036,5 13,1 16,25 6481,4 40 5734,6 10,75 13,9 4433,3 40 5748,1 10,97 14,09 4473,7 35 4158,4 9,37 12,17 3202,5 35 4173,4 9,39 12,13 3232,1 30 2963,3 8,4 10,79 2308,9 30 2972,4 8,41 10,76 2322,9 25 2124,8 7,02 8,96 1665,6 25 2126,4 7,07 9,02 1666,1 Bảng 5. Điện áp PWM hình sin Bảng 8. Điện áp PWM 600 U 2 const, M C k f 2 f A1 Ađg/A1 Ađg/ A A f A1 Ađg/A1 Ađg/ A A 50 4368,9 10,89 15,56 3056,6 50 4381,1 11,23 15,84 3106,7 45 3309,8 10,47 14,49 2390,9 45 3324,8 10,63 14,61 2418,8 40 2566,2 9,41 13,03 1853,1 40 2571,7 9,38 12,93 1865,5 35 1935,6 8,18 11,3 1401 35 1937,8 8,30 11,40 1410,9 30 1455,1 6,49 9,03 1046,2 30 1446,2 6,56 9,12 1039,6 25 1064,2 5,85 7,86 791,55 25 1035,1 5,75 7,79 764,25 Bảng 6. Điện áp PWM hình sin Bảng 9. Điện áp PWM 600 U const, M C k f 3 f A1 Ađg/A1 Ađg/ A A f A1 Ađg/A1 Ađg/ A A 50 4949,7 11,02 15,67 3481,6 50 4943,3 11,35 15,86 3535,6 45 3874,5 10,09 14,17 2760,4 45 3893,3 10,25 14,27 2796 40 2984,3 9,03 12,6 2140,1 40 2995,6 9,11 12,63 2161,5 35 2296,7 7,75 10,9 1632,7 35 2305,9 7,92 11,08 1648,6 30 1684,1 6,58 9,2 1204,6 30 1684,6 6,66 9,27 1211,5 25 1194,4 6,30 8,60 875,15 25 1181,3 6,14 8,40 863,97 39
6. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 71 - 2009 Bảng 10. Điện áp PWM hài bậc ba Bảng 12. Điện áp PWM hài bậc ba U const, M k 2 U 2 C const, M C k f f 3 f A1 Ađg/A1 Ađg/ A A f A1 Ađg/A1 Ađg/ A A 50 10801 13,81 17,78 8390,1 50 4991,3 11,18 15,76 3538,6 45 7975,4 12,71 16,05 6312,2 40 5764,4 11,07 14,13 4514 45 3894,5 10,28 14,29 2802,7 35 4178,5 9,41 12,12 3245,7 40 2995,7 9,14 12,63 2166,4 30 2975,2 8,4 10,81 2329,5 35 2306,5 7,97 11,11 1653,6 25 2128,6 7,03 8,96 1670 30 1685,1 6,67 9,27 1211,9 Bảng 11. Điện áp PWM hài bậc ba 25 1182,7 6,17 8,40 866,05 f A1 Ađg/A1 Ađg/ A A 50 4429,5 11,11 15,76 3121,8 45 3325,5 10,70 14,66 2426,1 40 2573,1 9,45 12,99 1871,9 35 1937,2 8,35 11,45 1411,9 30 1447,7 6,57 9,12 1042,5 25 1035,5 5,79 7,83 765,11 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Marian P.K, Mariusz M. (Warsaw Univ. of Techno., Poland), Micheal B. (Aalborg Univ., Denmark); Pulse Width Modulation Techniques for Three-Phase Voltage Source Converters. Control in Power Electronics- Selected Problems, pp. 88-160, Academic Press 2003. 2. Bernard Adkins; The general theory of electrical machines; London Chapmen & Hall Ltd 1962. 3. Bùi Đức Hùng, Trần Khánh Hà; Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài và bão hòa mạch từ khi khởi động động cơ không đồng bộ bằng phương pháp mô phỏng trên Simulink-Matlab; Tạp chí công nghiệp số 20, tháng 10-1998. 4. Bùi Đức Hùng; Nghiên cứu quá trình động khởi động động cơ không đồng bộ; Luận án Tiến sĩ khoa học kĩ thuật, ĐHBK-Hà Nội 1998 5. Richard Valentine; Motor control electronic handbook. Mc Graw – Hill, NewYork 1998 Địa chỉ liên hệ: Nguyễn Vũ Thanh - Tel: 0912.353.376, Email: thanhbkhn@mail.hut.edu.vn B/m: Thiết bị điện - Điện Tử, Khoa Điện, Trường ĐHBK Hà Nội 40