Trước hết, tại sao phải sử dụng bộ biến tần để điều khiển động cơ?

Trước tiên chúng ta hãy hiểu ngắn gọn về hai thiết bị này.

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

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

Để giảm dòng khởi động của động cơ, đặc biệt đối với động cơ có công suất càng cao thì công suất càng lớn thì dòng khởi động càng lớn. Dòng khởi động quá mức sẽ mang lại gánh nặng lớn hơn cho mạng lưới phân phối và cung cấp điện, đồng thời bộ biến tần có thể giải quyết vấn đề khởi động này để động cơ khởi động trơn tru mà không gây ra dòng 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 đạt hiệu quả sản xuất tốt hơn và việc điều chỉnh tốc độ của bộ biến tần luôn là điểm nhấn lớn nhất của nó. Bộ biến tần có thể thay đổi tần số nguồn điện để đạt được mục đích kiểm soát tốc độ động cơ.

Các phương pháp điều khiển biến tần là gì?

Năm cách phổ biến nhất để biến tần điều khiển động cơ như sau:

Điện áp đầu ra của chuyển đổi tần số phổ điện áp thấp là 380-650V, công suất đầu ra là 0.75-400kW và tần số làm việc là 0-400Hz. Mạch chính của nó sử dụng mạch AC-DC-AC. Phương pháp điều khiển của nó đã trải qua bốn thế hệ sau.

Phương pháp điều khiển độ rộng xung hình sin (SPWM) 1U/f=C

Nó được đặc trưng bởi cấu trúc mạch điều khiển đơn giản, chi phí thấp, tính chất cơ học và độ cứng tốt, có thể đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh tốc độ trơn tru của truyền dẫn chung và đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau.

Tuy nhiên, khi phương pháp điều khiển này ở tần số thấp, do điện áp đầu ra thấp nên mô men xoắn bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự sụt giảm điện áp của điện trở stato, làm giảm mômen đầu ra cực đại.

Ngoài ra, đặc tính cơ học của nó không cứng như động cơ DC sau này, khả năng mô-men động và hiệu suất điều chỉnh tốc độ tĩnh không đạt yêu cầu, hiệu suất hệ thống không cao, đường cong điều khiển sẽ thay đổi khi tải thay đổi và phản ứng mô-men xoắn chậm và động cơ quay Tốc độ sử dụng mô-men xoắn không cao và hiệu suất giảm do tồn tại điện trở stato và hiệu ứng vùng chết của biến tần ở tốc độ thấp và độ ổn định trở nên kém. Vì vậy, người ta đã phát triển quy định tốc độ chuyển đổi tần số điều khiển véc tơ.

Chế độ điều khiển vector không gian điện áp (SVPWM)

Nó dựa trên tiền đề về hiệu ứng tạo tổng thể của dạng sóng ba pha và nhằm mục đích tiếp cận quỹ đạo từ trường quay tròn lý tưởng của khe hở không khí của động cơ. Nó tạo ra dạng sóng điều chế ba pha cùng một lúc và điều khiển nó theo cách mà một đa giác nội tiếp gần giống một vòng tròn.

Sau khi sử dụng thực tế, nó đã được cải tiến, nghĩa là việc áp dụng bù tần số có thể loại bỏ lỗi kiểm soát tốc độ; độ lớn của liên kết từ thông có thể được ước tính thông qua phản hồi để loại bỏ ảnh hưởng của điện trở stato ở tốc độ thấp; điện áp và dòng điện đầu ra là vòng kín để cải thiện độ chính xác và độ ổn định động. Tuy nhiên, có nhiều liên kết trong mạch điều khiển và không đưa ra điều chỉnh mô-men xoắn nên hiệu suất hệ thống về cơ bản chưa được cải thiện.

Chế độ điều khiển véc tơ (VC)

Thực hành điều chỉnh tốc độ chuyển đổi tần số điều khiển véc tơ là chuyển đổi dòng điện stato Ia, Ib và Ic của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ ba pha thành dòng điện xoay chiều tương đương Ia1Ib1 trong hệ tọa độ tĩnh hai pha qua ba pha -chuyển đổi hai pha, rồi qua Theo phép biến đổi quay định hướng của từ trường rôto, nó tương đương với dòng điện một chiều Im1 và It1 trong hệ tọa độ quay đồng bộ (Im1 tương đương với dòng điện kích thích của động cơ DC; It1 tương đương với dòng điện phần ứng tỷ lệ với mô-men xoắn) và sau đó mô phỏng động cơ DC. Trong phương pháp điều khiển, thu được đại lượng điều khiển của động cơ DC và việc điều khiển động cơ không đồng bộ được thực hiện thông qua phép biến đổi nghịch đảo tọa độ tương ứng.

Bản chất của nó là động cơ AC tương đương với động cơ DC và hai thành phần tốc độ và từ trường được điều khiển độc lập. Bằng cách điều khiển liên kết từ thông rôto, sau đó phân tách dòng điện stato để thu được hai thành phần mômen xoắn và từ trường, phép biến đổi tọa độ có thể thực hiện điều khiển cầu phương hoặc tách rời. Đề xuất phương pháp kiểm soát véc tơ có ý nghĩa mang tính thời đại. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thực tế, do khó quan sát chính xác liên kết từ thông rôto, các đặc tính của hệ thống bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các thông số động cơ và phép biến đổi vectơ quay được sử dụng trong quy trình điều khiển động cơ DC tương đương phức tạp hơn, gây khó khăn cho việc điều khiển động cơ DC. hiệu quả kiểm soát thực tế để đạt được phân tích lý tưởng. kết quả.

Chế độ 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 mômen trực tiếp. Công nghệ này phần lớn giải quyết được những thiếu sót nêu trên của điều khiển véc tơ và đã phát triển nhanh chóng với những ý tưởng điều khiển mới, cấu trúc hệ thống đơn giản và rõ ràng cũng như hiệu suất động và tĩnh tuyệt vời.

Hiện nay, công nghệ này đã được áp dụng thành công vào bộ truyền động xoay chiều công suất lớn của lực kéo đầu máy điện. Điều khiển mômen trực tiếp phân tích trực tiếp mô hình toán học của động cơ xoay chiều trong hệ tọa độ stato và điều khiển liên kết từ thông và mômen của động cơ. Không cần đánh đồng động cơ AC với động cơ DC, do đó tiết kiệm được nhiều phép tính phức tạp trong phép biến đổi vectơ quay; nó không cần mô phỏng việc điều khiển động cơ DC, cũng không cần đơn giản hóa mô hình toán học của động cơ AC để tách.

Chế độ điều khiển ma trận AC-AC

Chuyển đổi tần số VVVF, chuyển đổi tần số điều khiển vectơ và chuyển đổi tần số điều khiển mô-men xoắn trực tiếp đều là các chuyển đổi tần số 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 cho mạch DC và năng lượng tái tạo không thể đưa trở lại lưới, nghĩa là không thể thực hiện được hoạt động bốn góc phần tư.

Vì lý do này, việc chuyển đổi tần số ma trận AC-AC ra đời. Do việc chuyển đổi tần số AC-AC ma trận loại bỏ liên kết DC trung gian nên các tụ điện cồng kềnh và đắt tiền bị bỏ qua. Nó có thể nhận ra hệ số công suất là l, dòng điện đầu vào có dạng hình sin và có thể chạy theo bốn góc phần tư và mật độ công suất của hệ thống cao. Mặc dù công nghệ chưa trưởng thành nhưng nó vẫn thu hút nhiều học giả nghiên cứu chuyên sâu. Bản chất của nó không phải là điều khiển gián tiếp dòng điện, liên kết từ thông, v.v. mà là nhận ra mô-men xoắn trực tiếp như một đại lượng được điều khiển.

Phương pháp cụ thể là:

Kiểm soát liên kết từ thông stato và giới thiệu bộ quan sát liên kết từ thông stato để nhận ra chế độ không cảm biến tốc độ;

Nhận dạng tự động (ID) dựa trên mô hình toán học chính xác của động cơ để tự động xác định các thông số động cơ;

Tính toán giá trị thực tế tương ứng với trở kháng stato, độ tự cảm lẫn nhau, hệ số bão hòa từ, quán tính, v.v. Tính mômen xoắn thực tế, liên kết từ thông stato và tốc độ rôto để điều khiển thời gian thực;

Thực hiện điều khiển băng tần Theo điều khiển băng tần của liên kết từ thông và mô-men xoắn, tín hiệuPWM được tạo ra để điều khiển trạng thái chuyển mạch của biến tần.

Bộ chuyển đổi tần số AC-AC ma trận có đáp ứng mô-men xoắn nhanh (<2ms), độ chính xác tốc độ cao (±2%, không có phản hồi PG) và độ chính xác mô-men xoắn cao (<+3%); nó cũng có mô-men xoắn tốc độ khởi động cao và độ chính xác mô-men xoắn cao, đặc biệt ở tốc độ thấp (bao gồm cả tốc độ 0), nó có thể tạo ra mô-men xoắn 150% đến 200%.

Biến tần điều khiển động cơ như thế nào? Hai dây nối như thế nào?

Cách đấu dây của biến tần để điều khiển động cơ tương đối đơn giản, tương tự như cách đấu dây của contactor. Ba đường cấp điện chính đi vào rồi đi ra động cơ.

Trước hết, chúng ta hãy xem xét các thiết bị đầu cuối của biến tần. Mặc dù có nhiều hãng và phương pháp đấu dây khác nhau nhưng hầu hết các đầu nối của biến tần đều không quá khác nhau. Nó thường được chia thành đầu vào chuyển đổi thuận và ngược, được sử dụng để điều khiển chuyển động quay thuận và ngược của nhiều động cơ. Thiết bị đầu cuối phản hồi được sử dụng để phản hồi về trạng thái chạy của động cơ, bao gồm tần số chạy, tốc độ, trạng thái lỗi, v.v. Để điều khiển tham chiếu tốc độ, một số bộ biến tần sử dụng chiết áp, trong khi một số khác sử dụng phím trực tiếp.

Nó được điều khiển bằng hệ thống dây dẫn vật lý và một cách khác là đi qua mạng truyền thông. Nhiều bộ biến tần hiện nay hỗ trợ điều khiển truyền thông. Thông qua đường truyền thông này, động cơ có thể được điều khiển để khởi động và dừng, tiến và lùi, điều chỉnh tốc độ, v.v., đồng thời thông tin phản hồi cũng được truyền qua đường truyền thông.

Điều gì xảy ra với mômen đầu ra của động cơ khi tốc độ quay (tần số) của nó thay đổi?

Mô-men xoắn khởi động và mô-men xoắn cực đại khi được điều khiển bởi bộ biến tần nhỏ hơn so với mô-men xoắn được điều khiển trực tiếp bởi nguồn điện tần số thương mại.

Khi động cơ được cấp nguồn bằng nguồn điện tần số thương mại, những cú sốc khi khởi động và tăng tốc là rất lớn, nhưng khi động cơ được cấp nguồn bằng bộ biến tần thì những cú sốc này sẽ yếu hơn. Khởi động trực tiếp tần số nguồn sẽ tạo ra dòng 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 nên dòng khởi động và tác động của động cơ nhỏ hơn.

Nói chung, mô-men xoắn do động cơ tạo ra giảm khi tần số giảm (tốc độ giảm). Dữ liệu thực tế bị giảm sẽ được giải thích trong một số hướng dẫn sử dụng biến tần.

Bằng cách sử dụng bộ biến tần được điều khiển bởi vectơ từ thông, tình trạng thiếu mô-men xoắn ở tốc độ thấp của động cơ sẽ được cải thiện và động cơ có thể tạo ra đủ mô-men xoắn ngay cả ở vùng tốc độ thấp.

Khi bộ biến tần được điều chỉnh đến tần số lớn hơn 50Hz, mômen đầu ra của động cơ sẽ giảm.

Động cơ thông thường được thiết kế và sản xuất theo điện áp 50Hz và mô-men xoắn định mức của nó cũng được cho trong dải điện áp này. Do đó, việc 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 sẽ giảm theo mối quan hệ tuyến tính tỷ lệ nghịch với tần số.

Khi động cơ chạy ở tần số lớn hơn 50Hz, tải của động cơ phải được xem xét 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 sẽ giảm xuống còn khoảng 1/2 mô-men xoắn được 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)

Ứng dụng bộ biến tần trên 50Hz

Như chúng ta đã biết, đối với một động cơ cụ thể, điện áp định mức và dòng điện định mức của nó là không đổi.

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

Khi tốc độ quay là 50Hz thì điện áp ra của biến tần là 380V và dòng điện là 30A. Lúc này, nếu tăng tần số đầu ra lên 60Hz thì 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 thay đổi nên chúng tôi gọi đó là điều chỉnh tốc độ công suất không đổi.

Tình hình mô-men xoắn tại thời điểm này là gì?

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

Chúng ta cũng có thể nhìn nó từ một góc độ khác:

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

Có thể 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) nên khi f thay đổi từ 50–>60Hz thì X sẽ giảm tương ứng

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

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

Kết luận: Khi tần số đầu ra của biến tần tăng từ trên 50Hz thì mômen đầu ra của động cơ sẽ giảm

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

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

Tần số sóng mang: Nói chung, dòng điện định mức của biến tần dựa trên tần số sóng mang cao nhất, có thể đảm bảo đầu ra liên tục ở nhiệt độ môi trường cao nhất. Nếu tần số sóng mang giảm thì dòng điện động cơ sẽ không bị ảnh hưởng. Nhưng độ nóng của các bộ phận sẽ giảm đi.

Nhiệt độ môi trường xung quanh: Chỉ vì phát hiện nhiệt độ môi trường xung quanh tương đối thấp nên nó sẽ không làm tăng giá trị dòng điện bảo vệ biến tần.

Độ cao: Khi độ cao tăng lên, nó ảnh hưởng đến cả khả năng tản nhiệt và hiệu suất cách nhiệt. Nói chung, dưới 1000m có thể bỏ qua, chỉ cần giảm công suất 5% sau mỗi 1000m ở trên là đủ.

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

Trong cách sắp xếp trên, chúng ta đã tìm hiểu lý do tại sao biến tần được sử dụng để điều khiển động cơ và cách biến tần điều khiển động cơ. Bộ biến tần điều khiển động cơ, có thể tóm tắt thành hai điểm: thứ nhất, bộ biến tần điều khiển điện áp khởi động và tần số của động cơ; đạt được khởi đầu suôn sẻ và dừng trơn tru; thứ hai, sử dụng bộ biến tần để điều chỉnh tốc độ của động cơ và điều chỉnh tốc độ của động cơ bằng cách thay đổi tần số.