Cách điều khiển động cơ bằng biến tần

Biến tần là công nghệ cần nắm vững khi làm công việc điện. Sử dụng biến tần để điều khiển động cơ là phương pháp phổ biến trong điều khiển điện; một số cũng yêu cầu thành thạo trong việc sử dụng.

1. Trước hết, tại sao lại sử dụng biến tần để điều khiển động cơ?

Động cơ là tải cảm ứng, cản trở sự thay đổi dòng điện và sẽ tạo ra sự thay đổi dòng điện lớn khi khởi động.

Biến tần là thiết bị điều khiển năng lượng điện sử dụng chức năng bật tắt của thiết bị bán dẫn công suất để chuyển đổi nguồn điện tần số công nghiệp thành tần số khác. Nó chủ yếu bao gồm hai mạch, một là mạch chính (mô-đun chỉnh lưu, tụ điện phân và mô-đun biến tần), và mạch còn lại là mạch điều khiển (bảng nguồn điện chuyển mạch, bảng mạch điều khiển).

Để giảm dòng điện khởi động của động cơ, đặc biệt là động cơ có công suất cao, công suất càng lớn thì dòng điện khởi động càng lớn. Dòng điện khởi động quá mức sẽ mang lại gánh nặng lớn hơn cho mạng lưới cung cấp và phân phối điện. Bộ biến tần có thể giải quyết vấn đề khởi động này và cho phép động cơ khởi động trơn tru mà không gây ra dòng điện khởi động quá mức.

Một chức năng khác của việc sử dụng bộ biến tần là điều chỉnh tốc độ của động cơ. Trong nhiều trường hợp, cần phải kiểm soát tốc độ của động cơ để có được hiệu quả sản xuất tốt hơn và điều chỉnh tốc độ của bộ biến tần luôn là điểm nổi bật nhất của nó. Bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số của nguồn điện.

2. Phương pháp điều khiển biến tần là gì?

Năm phương pháp điều khiển động cơ biến tần được sử dụng phổ biến nhất như sau:

A. Phương pháp điều khiển điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM)

Đặc điểm của nó là cấu trúc mạch điều khiển đơn giản, giá thành thấp, độ cứng cơ học tốt, có thể đáp ứng yêu cầu điều chỉnh tốc độ trơn tru của truyền động nói chung. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của ngành công nghiệp.

Tuy nhiên, ở tần số thấp, do điện áp đầu ra thấp nên mô-men xoắn bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự sụt áp điện trở stato, làm giảm mô-men xoắn đầu ra cực đại.

Ngoài ra, đặc tính cơ học của nó không mạnh bằng động cơ DC, khả năng mô men động và hiệu suất điều chỉnh tốc độ tĩnh không đạt yêu cầu. Ngoài ra, hiệu suất hệ thống không cao, đường cong điều khiển thay đổi theo tải, phản ứng mô men chậm, tỷ lệ sử dụng mô men động cơ không cao, hiệu suất giảm ở tốc độ thấp do sự tồn tại của điện trở stato và hiệu ứng vùng chết của biến tần, độ ổn định giảm. Do đó, người ta đã nghiên cứu điều chỉnh tốc độ tần số biến đổi điều khiển vectơ.

B. Phương pháp điều khiển vector không gian điện áp (SVPWM)

Nó dựa trên hiệu ứng tạo ra tổng thể của dạng sóng ba pha, với mục đích tiếp cận quỹ đạo từ trường quay tròn lý tưởng của khe hở không khí động cơ, tạo ra dạng sóng điều chế ba pha tại một thời điểm và điều khiển nó theo cách của đa giác nội tiếp xấp xỉ hình tròn.

Sau khi sử dụng thực tế, đã được cải thiện, tức là đưa vào bù tần số để loại bỏ lỗi điều khiển tốc độ; ước tính biên độ từ thông thông qua phản hồi để loại bỏ ảnh hưởng của điện trở stato ở tốc độ thấp; đóng vòng lặp điện áp và dòng điện đầu ra để cải thiện độ chính xác và độ ổn định động. Tuy nhiên, có nhiều liên kết mạch điều khiển và không đưa vào điều chỉnh mô-men xoắn, do đó hiệu suất hệ thống chưa được cải thiện cơ bản.

C. Phương pháp kiểm soát vector (VC)

Bản chất là làm cho động cơ AC tương đương với động cơ DC, và điều khiển độc lập tốc độ và từ trường. Bằng cách điều khiển từ thông rotor, dòng điện stato được phân tích để thu được các thành phần mô men xoắn và từ trường, và phép biến đổi tọa độ được sử dụng để đạt được điều khiển trực giao hoặc tách rời. Việc giới thiệu phương pháp điều khiển vectơ có ý nghĩa mang tính thời đại. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thực tế, vì từ thông rotor khó quan sát chính xác, các đặc tính của hệ thống bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các thông số của động cơ và phép biến đổi quay vectơ được sử dụng trong quá trình điều khiển động cơ DC tương đương tương đối phức tạp, khiến hiệu ứng điều khiển thực tế khó đạt được kết quả phân tích lý tưởng.

D. Phương pháp điều khiển mô-men xoắn trực tiếp (DTC)

Năm 1985, Giáo sư DePenbrock của Đại học Ruhr ở Đức lần đầu tiên đề xuất công nghệ chuyển đổi tần số điều khiển mô-men xoắn trực tiếp. Công nghệ này đã giải quyết phần lớn những thiếu sót của điều khiển vectơ nói trên và đã được phát triển nhanh chóng với những ý tưởng điều khiển mới lạ, cấu trúc hệ thống ngắn gọn và rõ ràng, hiệu suất động và tĩnh tuyệt vời.

Hiện nay, công nghệ này đã được ứng dụng thành công vào hệ thống truyền động AC công suất lớn của đầu máy xe lửa điện. Điều khiển mô men trực tiếp phân tích trực tiếp mô hình toán học của động cơ AC trong hệ tọa độ stato và điều khiển từ thông và mô men của động cơ. Không cần phải so sánh động cơ AC với động cơ DC, do đó loại bỏ được nhiều phép tính phức tạp trong phép biến đổi vectơ quay; không cần phải bắt chước điều khiển động cơ DC, cũng không cần phải đơn giản hóa mô hình toán học của động cơ AC để tách rời.

E. Phương pháp điều khiển ma trận AC-AC

Biến tần VVVF, biến tần điều khiển vector và biến tần điều khiển mô men trực tiếp đều là các loại biến tần AC-DC-AC. Nhược điểm chung của chúng là hệ số công suất đầu vào thấp, dòng điện hài lớn, tụ điện lưu trữ năng lượng lớn cần thiết cho mạch DC và năng lượng tái tạo không thể đưa trở lại lưới điện, tức là không thể hoạt động ở bốn góc phần tư.

Vì lý do này, chuyển đổi tần số ma trận AC-AC đã ra đời. Vì chuyển đổi tần số ma trận AC-AC loại bỏ liên kết DC trung gian, nó loại bỏ tụ điện phân lớn và đắt tiền. Nó có thể đạt được hệ số công suất là 1, dòng điện đầu vào hình sin và có thể hoạt động ở bốn góc phần tư và hệ thống có mật độ công suất cao. Mặc dù công nghệ này vẫn chưa hoàn thiện, nhưng nó vẫn thu hút nhiều học giả tiến hành nghiên cứu chuyên sâu. Bản chất của nó không phải là gián tiếp kiểm soát dòng điện, từ thông và các đại lượng khác, mà là trực tiếp sử dụng mô-men xoắn làm đại lượng được kiểm soát để đạt được nó.

3. Bộ biến tần điều khiển động cơ như thế nào? Hai bộ biến tần được kết nối với nhau như thế nào?

Việc đấu dây biến tần để điều khiển động cơ tương đối đơn giản, tương tự như đấu dây tiếp điểm, có ba đường dây điện chính đi vào và đi ra động cơ, nhưng cài đặt phức tạp hơn và cách điều khiển biến tần cũng khác nhau.

Đầu tiên, đối với đầu cực biến tần, mặc dù có nhiều thương hiệu và phương pháp đấu dây khác nhau, nhưng đầu cực đấu dây của hầu hết các biến tần không khác nhau nhiều. Nói chung được chia thành đầu vào công tắc thuận và nghịch, dùng để điều khiển khởi động thuận và nghịch của động cơ. Đầu cực phản hồi được dùng để phản hồi trạng thái hoạt động của động cơ,bao gồm tần suất hoạt động, tốc độ, trạng thái lỗi, v.v.

Để điều khiển cài đặt tốc độ, một số bộ biến tần sử dụng biến trở, một số sử dụng trực tiếp các nút, tất cả đều được điều khiển thông qua hệ thống dây vật lý. Một cách khác là sử dụng mạng truyền thông. Nhiều bộ biến tần hiện nay hỗ trợ điều khiển truyền thông. Đường truyền thông có thể được sử dụng để điều khiển khởi động và dừng, quay tới và quay lui, điều chỉnh tốc độ, v.v. của động cơ. Đồng thời, thông tin phản hồi cũng được truyền qua truyền thông.

4. Mô-men xoắn đầu ra của động cơ sẽ thế nào khi tốc độ quay (tần số) của nó thay đổi?

Mô-men xoắn khởi động và mô-men xoắn cực đại khi được truyền động bằng biến tần sẽ nhỏ hơn so với khi được truyền động trực tiếp bằng nguồn điện.

Động cơ có tác động khởi động và gia tốc lớn khi được cấp nguồn bằng nguồn điện, nhưng những tác động này yếu hơn khi được cấp nguồn bằng bộ biến tần. Khởi động trực tiếp bằng nguồn điện sẽ tạo ra dòng điện khởi động lớn. Khi sử dụng bộ biến tần, điện áp đầu ra và tần số của bộ biến tần được thêm dần vào động cơ, do đó dòng điện khởi động và tác động của động cơ nhỏ hơn. Thông thường, mô-men xoắn do động cơ tạo ra giảm khi tần số giảm (tốc độ giảm). Dữ liệu thực tế về mức giảm sẽ được giải thích trong một số hướng dẫn sử dụng bộ biến tần.

Động cơ thông thường được thiết kế và sản xuất cho điện áp 50Hz và mô men xoắn định mức của nó cũng được đưa ra trong phạm vi điện áp này. Do đó, điều chỉnh tốc độ dưới tần số định mức được gọi là điều chỉnh tốc độ mô men xoắn không đổi. (T=Te, P<=Pe)

Khi tần số đầu ra của bộ biến tần lớn hơn 50Hz, mô-men xoắn do động cơ tạo ra giảm theo mối quan hệ tuyến tính tỉ lệ nghịch với tần số.

Khi động cơ chạy ở tần số lớn hơn 50Hz, cần phải xem xét đến kích thước tải của động cơ để tránh mô-men xoắn đầu ra của động cơ không đủ.

Ví dụ, mô-men xoắn do động cơ tạo ra ở tần số 100Hz giảm xuống còn khoảng 1/2 so với mô-men xoắn tạo ra ở tần số 50Hz.

Do đó, việc điều chỉnh tốc độ trên tần số định mức được gọi là điều chỉnh tốc độ công suất không đổi. (P=Ue*Ie).

5. Ứng dụng của bộ biến tần trên 50Hz

Đối với một động cơ cụ thể, điện áp định mức và dòng điện định mức của nó là không đổi.

Ví dụ, nếu giá trị định mức của biến tần và động cơ đều là: 15kW/380V/30A, động cơ có thể hoạt động ở tần số trên 50Hz.

Khi tốc độ là 50Hz, điện áp đầu ra của biến tần là 380V và dòng điện là 30A. Lúc này, nếu tần số đầu ra tăng lên 60Hz, điện áp và dòng điện đầu ra tối đa của biến tần chỉ có thể là 380V/30A. Rõ ràng, công suất đầu ra không đổi, vì vậy chúng ta gọi là điều chỉnh tốc độ công suất không đổi.

Mô-men xoắn lúc này như thế nào?

Vì P=wT(w; vận tốc góc, T: mô men xoắn), vì P không đổi và w tăng nên mô men xoắn sẽ giảm tương ứng.

Chúng ta cũng có thể xem xét nó ở một góc độ khác:

Điện áp stato của động cơ là U=E+I*R (I là dòng điện, R là điện trở và E là điện thế cảm ứng).

Ta thấy rằng khi U và I không thay đổi thì E cũng không thay đổi.

Và E=k*f*X (k: hằng số; f: tần số; X: từ thông), do đó khi f thay đổi từ 50–>60Hz, X sẽ giảm tương ứng.

Đối với động cơ, T=K*I*X (K: hằng số; I: dòng điện; X: từ thông), do đó mô-men xoắn T sẽ giảm khi từ thông X giảm.

Đồng thời, khi nhỏ hơn 50Hz, vì I*R rất nhỏ, khi U/f=E/f không thay đổi, từ thông (X) là hằng số. Mô men xoắn T tỷ lệ thuận với dòng điện. Đây là lý do tại sao khả năng quá dòng của biến tần thường được sử dụng để mô tả khả năng quá tải (mô men xoắn) của nó và nó được gọi là điều chỉnh tốc độ mô men xoắn không đổi (dòng điện định mức không đổi–>mô men xoắn cực đại không đổi)

Kết luận: Khi tần số đầu ra của biến tần tăng từ trên 50Hz thì mô-men xoắn đầu ra của động cơ sẽ giảm.

6. Các yếu tố khác liên quan đến mô-men xoắn đầu ra

Khả năng sinh nhiệt và tản nhiệt quyết định công suất dòng điện đầu ra của biến tần, do đó ảnh hưởng đến công suất mô-men xoắn đầu ra của biến tần.

1. Tần số sóng mang: Dòng điện định mức được ghi trên biến tần thường là giá trị có thể đảm bảo đầu ra liên tục ở tần số sóng mang cao nhất và nhiệt độ môi trường cao nhất. Giảm tần số sóng mang sẽ không ảnh hưởng đến dòng điện của động cơ. Tuy nhiên, nhiệt lượng tỏa ra của các thành phần sẽ giảm.

2. Nhiệt độ môi trường: Cũng giống như giá trị dòng điện bảo vệ biến tần sẽ không tăng khi phát hiện nhiệt độ môi trường tương đối thấp.

3. Độ cao: Độ cao tăng lên có ảnh hưởng đến hiệu suất tản nhiệt và cách nhiệt. Nhìn chung, dưới 1000m có thể bỏ qua, trên mỗi 1000m thì công suất giảm 5%.

7. Tần số thích hợp của bộ biến tần để điều khiển động cơ là bao nhiêu?

Trong phần tóm tắt ở trên, chúng ta đã biết lý do tại sao biến tần được sử dụng để điều khiển động cơ và cũng hiểu cách biến tần điều khiển động cơ. Biến tần điều khiển động cơ, có thể tóm tắt như sau:

Đầu tiên, biến tần điều khiển điện áp khởi động và tần số của động cơ để khởi động và dừng êm ái;

Thứ hai, biến tần được sử dụng để điều chỉnh tốc độ của động cơ và tốc độ động cơ được điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số.

Động cơ nam châm vĩnh cửu của Anhui Mingtengsản phẩm được điều khiển bằng biến tần. Trong phạm vi tải 25%-120%, chúng có hiệu suất cao hơn và phạm vi hoạt động rộng hơn so với động cơ không đồng bộ có cùng thông số kỹ thuật và có hiệu quả tiết kiệm năng lượng đáng kể.

Đội ngũ kỹ thuật viên chuyên nghiệp của chúng tôi sẽ lựa chọn biến tần phù hợp hơn theo điều kiện làm việc cụ thể và nhu cầu thực tế của khách hàng để đạt được khả năng kiểm soát động cơ tốt hơn và tối đa hóa hiệu suất của động cơ. Ngoài ra, bộ phận dịch vụ kỹ thuật của chúng tôi có thể hướng dẫn khách hàng lắp đặt và gỡ lỗi biến tần từ xa, đồng thời thực hiện dịch vụ theo dõi và bảo dưỡng toàn diện trước và sau bán hàng.

Bản quyền: Bài viết này là bản in lại của số công khai WeChat “Đào tạo kỹ thuật”, liên kết gốc https://mp.weixin.qq.com/s/eLgSvyLFTtslLF-m6wXMtA

Bài viết này không đại diện cho quan điểm của công ty chúng tôi. Nếu bạn có ý kiến ​​hoặc quan điểm khác, vui lòng chỉnh sửa cho chúng tôi!