TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DC & AC. ThS. Trần Công Binh

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DC & AC Chương I: Động học hệ thống động cơ - tải cơ I.1: Đặc tính cơ của tải I.2: Đặc tính cơ của động cơ Chương II : Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ một chiều

ĐẠI HỌC NHA TRANG

Bài giảng

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

DC & AC

THÁNG 8 NĂM 2010

ThiNganHang.com

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN (DC & AC)

Chương I: Động học hệ thống động cơ - tải cơ

I.1: Đặc tính cơ của tải

I.2: Đặc tính cơ của động cơ

Chương II : Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ một chiều

II.1: Động cơ một chiều (động cơ DC)

ƒ Đặc tính cơ tĩnh động cơ DC

ƒ Điều khiển tốc độ động cơ DC

ƒ Các trạng thái hãm II.2: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ chỉnh lưu

ƒ Giới thiệu

ƒ Bộ chỉnh lưu 1 pha

ƒ Bộ chỉnh lưu 3 pha II.3: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ biến đổi xung áp (Chopper)

ƒ Bộ chopper giảm áp

ƒ Bộ chopper tăng áp

ƒ Hãm tài sinh dùng bộ chopper tăng áp

ƒ Mạch cầu H điều khiển động cơ DC làm việc ở 4 góc phần tư

Chương III : Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ một chiều

III.1: Mô hình động của động cơ DC

III.2: Bộ điều khiển PID

III.1: Điều khiển vòng kín động cơ DC

ƒ Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ DC

ƒ Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ DC

ƒ Điều khiển moment động cơ DC

ƒ Điều khiển vị trí động cơ DC

ƒ Bộ điều khiển động cơ DC (DC Drive)

Chương IV : Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

IV.1: Động cơ không đồng bộ ba pha (ĐCKĐB)

ƒ Đặc tính cơ tĩnh ĐCKĐB ba pha

ƒ Khởi động mềm ĐCKĐB ba pha IV.1: Điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha

ƒ Điều khiển khởi động bằng cách thay đổi điện trở rotor

ƒ Điều khiển điện áp phần ứng

ƒ Điều khiển tần số bằng phương pháp V/f

Chương V : Điều khiển vector động cơ không đồng bộ ba pha

V.1: Bộ nghịch lưu ba pha và Vector không gian

ƒ Bộ nghịch lưu ba pha

ƒ Vector không gian và hệ toạ độ satator (αβ)

V.2: Hệ qui chiếu quay

ƒ Hệ toạ độ từ thông rotor (dq)

ƒ Chuyển đổi hệ toạ độ αβ ↔ dq

V.3: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong hệt toạ độ từ thông rotor

ƒ Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu

ƒ Mô hình động cơ trong HTĐ từ thông rotor (Ψr)

V.4: Điều khiển định hướng từ thông (FOC) động cơ không đồng bộ ba pha

ƒ Điều khiển PID

ƒ Điều khiển FOC động cơ không đồng bộ ba pha

V.5: Bộ biến tần

Chương VI : Điều khiển động cơ đồng bộ ba pha

ThiNganHang.com

Chương I: Động học hệ thống động cơ - tải cơ

I.1: Đặc tính cơ của tải

I.1.1: Đơn vị của các đại lượng cơ học:

I.1.2: Phương trình moment cơ bản

dt

d J M

Mco− c = ω

Mcơ > Mc tải cơ tăng tốc

Mcơ < Mc tải cơ giảm tốc

Mcơ = Mc tải cơ chạy với tốc độ ổn định – xác lập – trạng thái tĩnh

I.1.3: Các thành phần của moment cản M c :

2 mst

msk t

Mt Moment tải

B.ω Moment ma sát nhớt

Mmsk Moment ma sát khô

Mmst Moment ma sát tĩnh

C.ω2 Moment cản của quạt gió làm mát

Thông thường, các đại lượng khác khá nhỏ, nên khi bỏ qua: Mc =Mt+B.ω

I.1.4: Một số dạng đặc tính tải thường gặp:

ThiNganHang.com

Tải moment hằng số Tải moment thay đổi theo tốc độ

(Thang máy, cần cẩu, băng chuyền,…) (Bơm, quạt,…)

I.1.5: Moment quán tính:

∑

∑

=

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛ +

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ ω +

1 j

2 j j n

1 i

2 i i m

2

v m 2

J J

J

Jm moment quán tính của trục động cơ

Ji , ωi moment quán tính, tốc độ của phần tử quay thứ i

mj , vj khối lượng, tốc độ của phần tử chuyển động tịnh tiến thứ j

I.1.6: Các chế độ làm việc:

ω

Mt

ωđm

Mđm

ω

Mt

ωđm m

ThiNganHang.com

a) Hãm tái sinh:

_ Pđiện < 0: trả năng lượng về nguồn

_ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải

b) Hãm ngược:

_ Pđiện > 0: tiêu thụ công suất từ nguồn

_ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải

Công suất điện + cơ chuyển thành nhiệt

c) Hãm động năng:

_ Pđiện = 0: cách ly với nguồn

_ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải

Công suất cơ chuyển thành nhiệt

I.1.7: Điều kiện ổn định tĩnh:

ω

>

dM d

dMc co

I.1.8: Thông số của hệ thống điện cơ:

_ Độ cứng đặc tính cơ: β= dω

dM

_ Công suất định mức

…

I.2: Đặc tính cơ của động cơ

I.2.1: Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập, NCVC:

I, Mcơ

0

ωolt

ωo

ωđm

Iđm, Mđm

ω

ThiNganHang.com

Kích từ độc lập: ( )u 2 Mco

k

R k

U

Φ

− Φ

=

I.2.2: Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp:

Kích từ nối tiếp:

kt

nt u

co

kt k k

R R

M k

k

−

=

u kt

co k k I

I.2.3: Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ hỗn hợp:

U

Rư

Iu

E

Int

Rnt

I, Mcơ

ω

0

ωolt

ωo

ωđm

Iđm

I0

U

Rư

Iu

E

Ikt

Rkt

Ukt

ω

Φkt

U

Rư

Iu

E

Int

Rnt

Ikt

Rkt

ThiNganHang.com

Ví dụ 1: Một động cơ DC kích từ độc lập, 230V, điện trở phần ứng 0,2Ω, tốc độ không tải lý

tưởng là 1000 vòng/phút Ở chế độ định mức dòng điện phần ứng là 40A Biết từ thông kích từ không đổi và bằng định mức

Tính tốc độ và momen điện từ (moment cơ) định mức của động cơ?

Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ?

Ví dụ 2: Một động cơ DC kích từ độc lập có các thông số định mức 500V, 100A, 1000 vòng/phút Điện trở phần ứng 1Ω Từ thông kích từ không đổi và bằng định mức

Tính momen và công suất định mức của động cơ?

Tính hiệu suất của động cơ ở định mức nếu công suất tổn hao của cuộn kích từ là 5kW

Động cơ mang tải và có dòng điện phần ứng là 40A Tính tốc độ, momen và hiệu suất của động

cơ khi đó?

Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ?

Vẽ đặc tuyến momen - tốc độ và chỉ ra các điểm đã tính trên

KPhi = 3.8197

E = 400

Pout = 40000

w = 104.7198

M = 381.9719

HS = 0.7273

Ec = 460

nc = 1150

Poutc = 18400

wc = 120.4277

Mc = 152.7887

HSc = 0.7360

Ikd = 500

Mkd = 1.9099e+003

Ví dụ 3: Một động cơ DC kích từ nối tiếp, có điện trở phần ứng là 0, 2Ω và điện trở cuộn kích từ

là 0,1Ω Thông số định mức của động cơ là 450V, 40A, 1000 vòng/phút Khi động cơ vận hành ở định mức :

Tính tốc độ và momen của động cơ?

Tính công suất và hiệu suất của động cơ?

Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ?

KPhi = 4.1826

E = 438

Pout = 17520

w = 104.7198

M = 167.3037

Pout = 17520

Pin = 18000

HS = 0.9733

Ikd = 1.5000e+003

Mkd = 2.3527e+005

Ví dụ 4: Một động cơ DC kích từ nối tiếp vận hành ở chế độ định mức 161,2 Nm, 1000 vòng/phút, 41A, 420V Tổng điện trở phần ứng và cuộn kích từ là 0,2Ω Tính tốc độ và dòng điện của động cơ khi momen điện 87 Nm?

ThiNganHang.com

I.2.4: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha:

Mạch tương đương của động cơ không đồng bộ ba pha

Giả sử Rm << Xm (hay RFE >> Xm):

( s m) s

m s

t

X X j R

X j U

U

+ +

= &

s

m s s t t

X j X j R X j R Z

+ +

+

= +

=

Mạch tương đương ĐCKĐB ba pha khi bỏ qua nhánh từ hoá:

( ')2

r s

2 ' r s

' r 2 s s

co

X X s

R R

s

R U 3 1

M

+ +

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ ω

=

Rs

s

I& jXs

s

U&

' r

I& R 'r jX’r

Mạch tương đương động cơ KĐB

' r

R s

s 1−

RFe jXm

m

I&

Fe

I&

Rs

s

I& jXs

Rm

m

I&

s

U&

jXm

' r

I& R 'r jX’r

Mạch tương đương của động cơ KĐB

' r

R s

s

1−

Rt jXt

t

U&

t

I&

s

R' r

jX’r

Sử dụng biến đổi Thevenin cho mạch stator

Rs jXs

s

U&

' r

I&

s

R' r

jX’r

Mạch tương đương đơn giản của động cơ KĐB

ThiNganHang.com

Độ trượt tới hạn: s p ứng với T max 0

ds

dT = , hay 0

dn

dT =

( ')2

r s

2 s

' r p

X X R

R s

+ +

=

( ')2

r s

2 s s

2 s s

max

X X R R

U 2

3 1

T

+ + +

=

ω

r s 2 ' r s

' r

2 s s

st

X X R

R

R U 3 1

T

+ + +

=

ω

s

s s s

2 T

T

p p

=

Mkđ

Mmax

Mcơ

ωs

ωp

Mđm

TL

A

T

ThiNganHang.com

Chương II: Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ một chiều II.1: Động cơ một chiều (động cơ DC)

II.1.1: Đặc tính cơ tĩnh động cơ DC

a) Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập, NCVC:

Kích từ độc lập: Φ

−

= Φ

=

ω

k

I R U k

⇒ E ~ ω ~ n

k

R k

U

Φ

− Φ

=

ω

u

co k I

Φđm

Ikt

Φ

0

I, Mcơ

ω

0

ωolt

ωo

ωđm

Iđm

I0

U

Rư

Iu

E

Ikt

Rkt

Ukt

ω

Φkt

ThiNganHang.com

b) Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp:

Kích từ nối tiếp:

kt

nt u

co

kt k k

R R

M k

k

−

=

u kt

co k k I

II.1.2: Điều khiển tốc độ động cơ DC kích từ độc lập

a) Điều khiển điện áp phần ứng:

k

R k

U

Φ

−

Φ

=

b) Điều khiển từ thông kích từ:

u M k

R k

U

Φ

−

Φ

=

U

Rư

Iu

E

Ikt

Rkt

Ukt

ω

ω

0

ωolt

ωđm

Mđm

U giảm

I, Mcơ

0

ωolt

ωo

ωđm

Iđm, Mđm

ω

U

Rư

Iu

E

Int

Rnt

ThiNganHang.com

™ Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông

Điều khiển thay đổi tốc độ ω thông qua:

_ điều khiển điện áp phần ứng U khi: ω < ωđm

_ điều khiển từ thông kích từ Φ khi: ω > ωđm

ω

Mcơ

0

Mđm

ωđm

I ưđm

M đm

ωmax

Điều khiển U Điều khiển Φ

U

Rư

Iu

E

Ikt

Rkt

Ukt

ω

Φkt

VR

Mcơ

ω

0

ωolt

ωđm

Mđm

Φ giảm

ωmax

ThiNganHang.com

c) Điều khiển điện trở phần ứng:

u M k

R k

U

Φ

−

Φ

=

d) Khởi động đông cơ DC kích từ độc lập:

Dòng điện khởi động không lớn hơn khả năng chịu dòng của chổi than (thường là 3I đm ) Moment khởi động không lớn hơn khả năng chịu đựng của tải (thường là 3M đm )

II.1.3:Các trạng thái hãm của động cơ DC kích từ độc lập:

a) Hãm tái sinh:

_ Pđiện < 0: trả năng lượng về nguồn

_ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải

Iư, Mcơ

ω

0

ωolt

ωđm

Iưđm, Mđm

VR tăng U

Rư

Iu

E

Ikt

Rkt

Ukt

ω

Φkt

VR

ThiNganHang.com

b) Hãm ngược:

_ Pđiện > 0: tiêu thụ công suất từ nguồn

_ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải

U

Rư

Iu

E

Ikt

Rkt

Ukt

ω

Φkt

Mcơ

Mđm

ω

0

ωolt

ωđm

Φ giảm

U giảm

I

II

ThiNganHang.com

Công suất điện + cơ chuyển thành nhiệt

c) Hãm động năng:

_ Pđiện = 0: cách ly với nguồn

_ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải

Công suất cơ chuyển thành nhiệt

Rư

Iu

E

Ikt

Rkt

Ukt

ω

Φkt

Rph

U

Rư

Iu

E

Ikt

Rkt

Ukt

ω

Φkt

Rph

ThiNganHang.com

d) Hệ động cơ - máy phát (Ward-Leonard):

II.2: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ chỉnh lưu

II.2.1: Giới thiệu

Phần này trình bày bộ chỉnh lưu 1 pha và 3 pha, biến điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp một chiều (DC) để cấp cho động cơ Đồng thời bộ chỉnh lưu có điều khiển sẽ điều khiển được độ lớn điện áp DC để điều khiển thay đổi các đại lượng làm việc của động cơ như tốc độ,

moment,…

Mcơ

U giảm

Mđm

ω

0

ωolt

ωđm

Φ giảm

I

II

I III

ThiNganHang.com

Bộ chỉnh lưu biến điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp một chiều (DC) dạng gợn sóng Bộ chỉnh lưu thường làm méo dạng điện áp nguồn Khi phân tích sòng hài sẽ tồn tại sóng hài cơ bản (hài bậc 1, 50Hz) và sóng hài hoạ tần bậc cao Độ méo dạng được định nghĩa:

1

2 1 2

I

I I

=

II.2.2: Bộ chỉnh lưu 1 pha

a) Bộ chỉnh lưu tia 1 pha:

π

tb _

dc

U 2

ThiNganHang.com

b) Bộ chỉnh lưu tia 1 pha có điều khiển:

π

2

U 2

tb _

c) Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha:

π

tb

_

dc

U 2 2

ThiNganHang.com

d) Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển bán phần:

π

tb _

d) Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần:

α π

ThiNganHang.com

II.2.3: Bộ chỉnh lưu 3 pha

a) Bộ chỉnh lưu tia 3 pha:

b) Bộ chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển:

π

2

U 2 3 3

tb

_

c) Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha:

π

RMS phase tb

dc

U

_

2 3 3

d) Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển bán phần:

ThiNganHang.com