BÁO cáo công nghệ kĩ thuật và điều khiển tự động hóa CHUYÊN NGÀNH tự động hóa và điều khiển thiết bị công nghiệp điều chỉnh tự động truyền động điện một chiều

b Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện khi có tính đến sức điện động của động cơ,coi Mc = 0.. Phần II.Điều chỉnh tự động hệ truyền động điện xoay chiều không đồng bộ ba pha 2.1.Mô tả ĐKB tro

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ

NGÀNH: Công nghệ kĩ thuật và điều khiển tự động hóa CHUYÊN NGÀNH: Tự động hóa và điều khiển thiết bị công

nghiệp HỌC PHẦN: Truyền động điện 2

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Điệp

Nhóm sinh viên/ sinh viên thực hiện: NHÓM 3

Nguyễn Đức Mạnh – 18810410195

Nguyễn Đức Mạnh – 18810430083

Vũ Hoàng Minh – 1881

Phạm Hồng Nguyên – 18810430099

Lớp: D13TDH&DKTBCN3

HÀ NỘI, … /2021

Nhóm 3

Phần I Điều chỉnh tự động truyền động điện một chiều

1.1.Lý thuyết

1.1.1.Thành lập sơ đồ khối cấu trúc tổng quát của động cơ một chiều

1.1.2 Bài tập

Dạng 2:Cho hệ truyền động chỉnh lưu thyristor- động cơ một chiều có các thông số như sau:

Động cơ một chiều kích từ độc lập có các thông số định mức: 150hp; 220V; 1500v/ph;

R = 0,05 + 0,001 (Ω) L = 0,002H; J = 16kgm2; KΦ = 1,6V/rad/s Tải mô men có tính chất thế năng: Mc = Mđm

Bộ chỉnh lưu cấp cho phần ứng là chỉnh lưu tia ba pha dùng thyristor (nguồn lưới cấp cho chỉnh lưu 3x380V, 50Hz) Điện áp điều khiển Uđk.max = 10V

Thông số của sensor đo dòng điện: Ki = 0,011V/A;

Thông số của sensor đo tốc độ: Kω = 0,063V/rad/s; Tω = 0,002s

Yêu cầu:

a) Hãy phân tích sơ đồ khối cấu trúc tổng quát 2 mạch vòng hệ truyền động T-Đ b) Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện khi có tính đến sức điện động của động cơ,coi Mc = 0

c) Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ

Phần II.Điều chỉnh tự động hệ truyền động điện xoay chiều không đồng bộ ba pha

2.1.Mô tả ĐKB trong không gian vector

2.1.1.Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ cực

2.2.Hệ truyền động biến tần nguồn áp – động cơ không đồng bộ.

2.2.1.Định nghĩa và nêu đặc điểm, biểu diễn không gian của các vector điện áp chuẩn trong hệ truyền động biến tần nguồn áp –ĐKB

2.2.2.Trong phương pháp điều chế vector điện áp không gian: phân tích giải pháp tăng

số lần chuyển mạch nếu vector điện áp yêu cầu U* nằm trong góc phần sáu thứ IV

2.3.Điều khiển vector động cơ không đồng bộ.

2.3.1.Nêu cơ sở của phương pháp điều khiển trực tiếp mô men động cơ không đồng bộ 2.3.2.Phân tích về việc lựa chọn các vector điện áp trong trường hợp vector từ thông stator nằm trong góc phần sáu thứ IV

MỤC LỤC

PHẦN I ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU 5

1.1.Lý thuyết 5

1.1.1.Thành lập sơ đồ khối cấu trúc tổng quát của động cơ một chiều 5

1.1.1.1.Sơ đồ khối cấu trúc tổng quát của ĐC một chiều 6

1.1.1.2.Sơ đồ khối cấu trúc của ĐC một chiều kích từ độc lập khi từ thông không đổi: 7

1.1.1.3.Sơ đồ khôi cấu trúc của động cơ một chiều kích từ độc lập khi từ thông kích từ không đổi: 7

1.2.Bài tập 8

1.2.1 Phân tích sơ đồ khối cấu trúc tổng quát 2 mạch vòng hệ truyền động T-Đ8 1.2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện khi có sức điện động của động cơ (coi Mc = 0) 9

1.2.3.Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ 11

PHẦN II.ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ 13

BA PHA 13

2.1.Mô tả ĐKB trong không gian vector 13

2.2.Hệ truyền động biến tần nguồn áp – động cơ không đồng bộ 15

2.2.1.Định nghĩa và đặc điểm, biểu diễn không gian của các vector điện áp chuẩn trong hệ truyền động biến tần nguồn áp –ĐKB 15

2.2.2.Trong phương pháp điều chế vector điện áp không gian: phân tích giải pháp tăng số lần chuyển mạch nếu vector điện áp yêu cầu U* nằm trong góc phần sáu thứ IV 17

2.3.Điều khiển vector động cơ không đồng bộ 19

2.3.1.Cơ sở phương pháp điều khiển trực tiếp mô men động cơ không đồng bộ 19

2.3.2.Xét trường hợp φs nằm trong góc phần 6 thứ IV 19

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ thay thế tổng quát

Hình 1.2 Họ đặc tính của động cơ một chiều

Hình 1.3 Sơ đồ khối cấu trúc tổng quát của ĐC một chiều

Hình 1.4 Sơ đồ khối cấu trúc từ thông kích từ không đổi

Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hai mạch vòng hệ truyền động T–D

Hình 1.6 Sơ đồ thay thế mạch vòng dòng điện

Hình 1.7 Sơ đồ thay thế mạch vòng tốc độ ( Mc = 0 )

Hình 2.1 Mô hình máy điện trong hệ cực tọa độ

Hình 2.2 Đồ thị vector

Hình 2.3 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ 3 pha Hình 2.4 Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha Hình 2.5 Đồ thị điện áp các pha của tải

Hình 2.6 Các vector chuyển mạch trong không gian Hình 2.7 Điều chế vector U*

Hình 2.8 Quỹ đạo của vector từ thông

Phần I Điều chỉnh tự động truyền động điện một chiều

1.1.Lý thuyết

1.1.1.Thành lập sơ đồ khối cấu trúc tổng quát của động cơ một chiều

Hình 1.1 Sơ đồ thay thế tổng quát CKĐ: cuộn kích từ độc lập

CKN: cuộn kích từ nối tiếp

CP: cuộn phụ

CB: cuộn bù

Các thông số

Uk , Ik : điệp áp/ dòng điện kích từ

U , I : điện áp/ dòng điện phần ứng

ω : tốc độ góc

M : momen điện từ

Mc : momen tải

E : s.đ.đ phần ứng

P’ : số đôi cực từ

a : số đôi mạch nhánh song song

Rư , Lư : điện trở, điện cảm phần ứng

 Momen điện từ:

K : hệ số cấu tạo máy

ϕ : từ thông

 Sức điện động phần ứng:

 Phương trình đặc tính cơ:

Hình 1.2 Họ đặc tính của động cơ một chiều

 Phần kích từ:

u k (t )=R k i k (t )+L k d i k (t)

dt

Phương trình cân bằng áp:

u k(t)=R k i k(t)+N k d ∅(t) dt

Biến đổi laplace

U k(s)=R k I k(s)+N k s∅(s)

⇒ ∅= U k (s)−R N k I k (s)

Nk : số vòng dây cuộn CKĐ

Rk : điện trở của cuộn dây CKĐ

 Phần ứng:

Phương trình cân bằng áp:

u(t)=R ư i(t)+L ư di(t) dt +e(t )± N N d ∅(t) dt

Biến đổi laplace

u(s)=R ư I(s)+L ư sI (s)+E(s)± N N s ∅(s)

I(s)=1+T 1/R ư

NN : số vòng dây của cuộn kích từ nốt tiếp

Tư : là hằng số thời gian phần ứng T ư=L ư

R ư

 Phương trình động học hệ truyền động:

M(s)−M c(s)=J dω(t)

dt

Biến đổi laplace

J: là momen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ

1.1.1.1.Sơ đồ khối cấu trúc tổng quát của ĐC một chiều

Hình 1.3 Sơ đồ khối cấu trúc tổng quát của ĐC một chiều

M= pN

∅=U k (s)−R N k I k (s)

I(s)= 1/R ư

1+T ư s (U(s)−E(s)± N N s ∅(s)) (5)

1.1.1.2.Sơ đồ khối cấu trúc của ĐC một chiều kích từ độc lập khi từ thông không đổi:

M=kϕI

E=kϕω

ϕ=const

I(s)= 1/R ư

1+T ư s (U(s)−E(s))

M(s)−M c(s)=Jω(s)

Hình 1.4 Sơ đồ khối cấu trúc từ thông kích từ không đổi

1.1.1.3.Sơ đồ khôi cấu trúc của động cơ một chiều kích từ độc lập khi từ thông kích từ không đổi:

Rút gọn sơ đồ khối:

 Theo đầu ra là tốc độ:

 Theo đầu ra là dòng điện:

Các thông số:

Hệ số khuếch đại động cơ Kđ = 1/Cu ; Cu = Kϕ

Hằng số thời gian cơ học Tc = RưJ/( Kϕ)2

Hằng số thời gian phần ứng Tư = Lư/Rư

1.2.Bài tập

1.2.1 Phân tích sơ đồ khối cấu trúc tổng quát 2 mạch vòng hệ truyền động T-Đ

Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hai mạch vòng hệ truyền động T–D

Trong đó :

 Mạch vòng dòng điện :

- Thông số điều chỉnh : Dòng điện Pư : I

- Tín hiệu đặt : Uid

- Tín hiệu đo : Đo dòng điện thực : Ui

 Mạch vòng tốc độ :

- Thông số điều chỉnh ; tốc độ : ω

- Tín hiệu đặt : Tốc độ đặt : Uωd

- Tín hiệu đo ( phản hồi ) : Tốc độ đo Uω

 Sensor dòng : Ki = 0,011 ( V/A)

 Sensor tốc độ : 1+T ωS K ω = 1+0,002S0,063

 Mạch chỉnh lưu : Chỉnh lưu tia 3 pha ( 3 x 380V, 50Hz )

b/Phân tích

Đặc điểm :

 Hệ thống gồm hai mạch vòng nối tiếp theo cấp : mạch vòng bên trong là mạch vòng dòng điện, mạch vòng bên ngoài là mạch vòng tốc độ

 Rw, Ri là các bộ điều khiển tốc độ, dòng điện

 Hệ thống sử dụng các sensor đo dòng điện, tốc độ

 Uwd, Uw là điện áp tương ứng với tốc độ đặt và tốc độ thực

 Uid, Ui là điện áp tương ứng với dòng điện đặt và dòng điện thực

⇒Tổng hợp hệ thống :

 Tổng hợp mạch vòng dòng điện

 tổng hợp mạch vòng tốc độ

Tổng hợp mạch vòng dòng điện :

 Là mạch vòng cơ bản

 Chức năng :

- Trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mômen kéo của động cơ

- Bảo vệ, điều chỉnh gia tốc

Tổng hợp mạch vòng tốc độ:

 Được tiến hành sau khi đã thực hiện tổng hợp mạch vòng dòng điện.

1.2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện khi có sức điện động của động cơ (coi Mc

= 0)

Sơ đồ thay thế :

Hình 1.6 Sơ đồ thay thế mạch vòng dòng điện

Ta có :

T CL =T r= 12fm=2∗50∗31 =0,0033(s)

K CL =K r=U U d0

S CL= K CL

1+T CL s= 25,741+0,0033 s

T ư=L ư

R ư= 0,0020,051=0,0392

T C= R ư J

(K ∅)2 = 0,0051∗16

s oI 2(s)= K CL

1+T CL s

sT c¿R ư 1+T c s+T ư T c s2K I= 25,74

1+0,0033 s

0,3187 0,051 s

1+0,3187 s+(0,0392∗0,3187)s2 0,011= 25,74

1+0,0033 s

0,3187 0,051 s

1+0,31875 s+0,0125 s2 0,011

Giả sử: 1+0,3187 s+0,0125 s2 = 1 + (T1 + T2)s + T1T2s2

{T1+T2=0,31875

T1T2=0,0125 ⇒{T2=0,045

T2=0,273⇒{T1=0,27375

T1=0,04575

T1 < TCL < T2⇒ chọn τ σ = T1 = 0,004575 ; và T2 = 0,273

RI(s) =

1

2τσS(1+τσS)S o2(s)=

(1+T CL s)(1+T2s)

2T1K I K CL T c

=(1+0,0033 s)∗(1+0,273 s)

¿¿

Bộ điều chỉnh có dạng là 2 khâu PI nối tiếp nhau

Thực hiện 2 khâu PI1 và PI2 bằng mạch điện tử

{K p1=R2

R1=

T CL

a = 0,00330,1619=0,02

T I 1 =R2C1=a=0,1619

{K p2=R4

R3=T2 =0,273

T I 2 =R4C2 =1

Chọn R2 = 5Ω ; R4 = 10Ω

⇒ R1 = 250Ω ; R3 = 36,63Ω

⇒ C1 = 0,0323F ; C2 = 0,1F

1.2.3.Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ

Sơ đồ thay thế :

Hình 1.7 Sơ đồ thay thế mạch vòng tốc độ ( Mc = 0 ) Rω(s) =

1

2τσS(1+τσS)

1

K i 1+2T i s Kɸ 1 Js (1+TωS) K ω

Thông thường Ti và Tω đều nhỏ

( 1 + 2Tis ) ( 1 + Tωs ) = 1 + (2Ti + Tω )s + 2Ti Tω s2

≈ 1 + (2Ti + Tω )s = 1 + T’sS

Với T’s = 2Ti + Tω

Ti = 2¿K cl ∗K i ∗T cl

R ư = 2∗25,74∗0,011∗0,00330,051 = 0,0366 (s)

T’s = 2 * 0,0366 + 0,002 = 0,0752 (s)

Với : Rω(s) =

1

2τσS(1+τσS)Kɸ∗K ω /K i

1+T ' sS

1

Js

Chọn τσ = T’s

Rω(s) = 2T ' s∗Kɸ J∗K i¿K ω = 2∗0,0752∗1,6∗0,06316∗0,011 = 11,6556

Vậy bộ điều khiển dạng khâu khuếch đại :

Kp = R 2 R 1 = 11,6556

Chọn R1 = 10 (Ω) => R2 = 116,556 (Ω)

Phần II.Điều chỉnh tự động hệ truyền động điện xoay chiều không đồng bộ

ba pha

2.1.Mô tả ĐKB trong không gian vector

Hình 2.1 Mô hình máy điện trong hệ cực tọa độ

 Trên cuộn dây quấn s đặt một véc tơ điện áp u s :

- Các véc tơ điện từ không gian còn lại được sinh ra tương tự như chúng được sinh ra bởi các đại lượng ba pha trong thời gian

- Mô hình máy điện này được gọi là mô hình máy điện trong tọa độ cực

Hình 2.2 Đồ thị vector Cuộn s : đứng yên

Cuộn r : quay

ω s :tốc độ quay của từ trường

ω :tốc độ quay của cuộn

Vs :góc quay của tu,

Vm : góc lệch giữa trục as và an

ψ s :vector từ thông stator

ψ r : vector từ thông rotor

Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ 3 pha ( mô hình trong hệ tọa độ cực ) khi quy đổi các đại lượng rotor về stato

Hình 2.3 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ 3 pha Phương trình điện áp:

Phương trình từ thông:

Phương trình momen:

M= 3 p

2 ψ s i s

Các ma trận thông số:

σs= Lσs L =L s

1−1: hệ số tản từ stator

σr= Lσr

L

N r2

N s2 =L r

1 −1: hệ số tản từ rotor

2.2.Hệ truyền động biến tần nguồn áp – động cơ không đồng bộ

2.2.1.Định nghĩa và đặc điểm, biểu diễn không gian của các vector điện áp chuẩn trong hệ truyền động biến tần nguồn áp –ĐKB

Đặc điểm:

 Các hệ thông điều chỉnh tốc độ động cơ xoáy chiều: Yêu cầu cao về dải điều chỉnh và tính chất động học

- Chỉ có thể thực hiện được với các bộ biến tần

 Biến tần sử dụng với ĐKB roto lồng sóc:

- Kết cấu đơn giản, vững chắc

- Giá thanh rẻ, có thể làm việc trong mọi môi trường

 Biến tần có nghịch lưu đọc lập nguồn dòng:

- Thích hợp cho truyền động đảo chiều

- Công suất truyền động lớn

Xét sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha

Hình 2.4 Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha

Hình 2.5 Đồ thị điện áp các pha của tải Định nghĩa các vector chuyển mạch:

 Vector U1 ứng với các tổ hợp van 6,1,2

 Vector U2 ứng với các tổ hợp van 1,2,3

 Vector U3 ứng với các tổ hợp van 2,3,4

 Vector U4 ứng với các tổ hợp van 3,4,5

 Vector U5 ứng với các tổ hợp van 4,5,6

 Vector U6 ứng với các tổ hợp van 5,6,1

Nhận xét:

 Trong mỗi chu kỳ điện áp ra có 6 lần chuyển mạch

 6 vector U1 , U2 , U3 , U4 , U5 , U6 mô tả điện áp 3 pha đối xứng

 Vị trí và giá trị của các vector này xác định:

- Giá trị điện áp tức thời của các pha

- Luật đóng mở các van

Hình 2.6 Các vector chuyển mạch trong không gian

 Mỗi trạng thái dẫn của van cho biết vị trí của mỗi vector

 Khi chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác thì các vector chuyển mạch cũng thay đổi vị trí 1 góc bằng 60 0

 Các đại lượng U1 , U2 , U3 , U4 , U5 , U6 có 6 hướng thay đổi trong không gian, nên được gọi là các vector trạng thái

Đặc điểm của vector chuyển mạch:

 Để mô tả điện áp 3 pha đối xứng chỉ cần 6 vector U1 đến U6

 Ngoài ra, trong nghịch lưu còn 2 trạng thái khác:

- Khi van 1,3,5 nối vào cực + của ngồn , vector U7

- Khi van 1,3,5 nối vào cực − ¿ của ngồn , vector U8

- Khi |U7| = |U8| = 0

 2 vector này cần thiết để thực hiện luật điều chế PWM trong nghịch lưu

 Để giảm các sóng bậc cao ta cần tăng tần số chuyển mạch

2.2.2.Trong phương pháp điều chế vector điện áp không gian: phân tích giải pháp tăng số lần chuyển mạch nếu vector điện áp yêu cầu U* nằm trong góc phần sáu thứ IV

Giải pháp tăng số lần chuyển mạch:

 Chia chu kỳ điện áp T thành các chu kỳ chuyển mạch đủ nhỏ (Ts) sao cho dòng tải gần như không thay đổi trong thời gian Ts

 Bằng cách đóng mở các trạng thái làm việc (U1÷U8) trong một chu kỳ Ts:

- Thay đổi được điện áp ra của nghịch lưu

- Giảm được các sóng hài

 Việc đóng mở các vector với tần số fs sẽ tạo ra các vector trung gian dịch chuyển trong mặt phẳng pha với góc bằng 60 0/n (n = T/6Ts)

Hình 2.7 Điều chế vector U*

Giả sử, nghịch lưu cần phải tạo ra một giá trị điện áp nào đó trong các pha ứng với vector U*

U¿=U4' +U5'

Vector U* được phân tích thành U4’ với U5’ chia chu kỳ Ts thành:

Ts = t4 + t5 + t0

 t0 : thời gian mà điện áp ra của nghịch lưu = 0 (U7 , U8)

 t4 : thời gian làm việc của vector U4

 t5 : thời gian làm việc của vector U5

U4' =U4 t4

T s

U5' =U5 t5

T s

Tần số điện áp ra tải: f = 50Hz

Uphm = 310V

Tạo ra U* = 190V; vector U* tạo với U4 góc 30 0

U4' =U5'= 190 sin 300

sin 120 0 =109,7 V

Ts = 6∗501 =0,0033(s)=3,3(ms)

t4=T s U4'

U4= 109,7310 0,0033=0,00116(s)=1,16 (ms)

Tương tự ta có t5 = 1,16(ms)

t0 = Ts - t4 - t5 = 3,3 – 1,16 – 1,16 = 0,98(ms)

Thực hiện:

 Đóng cắt biến tần theo vector U4 (đóng van 345) trong khoảng thời gian 1,16ms

 Đóng cắt biến tần theo vector U7 hoặc U8 trong khoảng thời gian 0,98ms

 Đóng cắt biến tần theo vector U5 (đóng van 456) trong khoảng thời gian 1,16ms Thực hiện U* bằng cách:

Góc IV: U¿ =U4' ∗t4

U5' ∗t5

T s +t0 Nhận xét:

 Giống như vector điện áp không gian (Us), vector chuyển mạch U* cũng quay trong mặt phẳng

 Giá trị và vị trí cảu nó sẽ xác định giá trị của điện áp ra

 Vector chuyển mạch quay với một góc gián đoạn

 Vector chuyển mạch cho biết trạng thái dẫn điện cảu các van lực cơ bản quy đổi

về 6 trạng thái cơ bản

2.3.Điều khiển vector động cơ không đồng bộ

2.3.1.Cơ sở phương pháp điều khiển trực tiếp mô men động cơ không đồng bộ

Xuất phát từ biểu thức tính mô men của động cơ trong hệ trục tọa độ xy:

M = 3P2P L L m

s L r −L m2 ∨φ s∨ ¿φ r ∨sin γ = K m|φ s|∨φ r ∨sin γ

Hình 2.8 Quỹ đạo của vector từ thông (γlà góc lệch giữa vector từ thông giữa stato và rotor)

Đặc điểm :

 Do Tr >> Ts nên φ rbiến thiên chậm hơn φ s

 Nếu xét trong một khoảng thời gian đủ nhỏ,coi φ r=const

=>Mômen chỉ phụ thuộc vào: |φ s| và góc γ

Xuất phát từ phương trình cân bằng áp stato:

U s =R s I s+d φ dt s

 Nếu bỏ qua sụt áp trên điện trở Rs:

U s=d φ s

dt →U s=∆ φ s

∆t → ∆ φ s =U s ∆ t

→Có thể điều chỉnh được độ lớn của vecto từ thông stato thông qua việc lựa chọn vecto điện áp U s

→ Các vecto điện áp cơ bản : U1÷ U8

2.3.2.Xét trường hợp φ s nằm trong góc phần 6 thứ IV

∆ φ s = U s ∆t

Đường phân giác của cá góc tạo bởi 2 vecto kề nhau sẽ chia mặt phẳng ra thành

6 sector:

S4 : 150÷ 250

M = Km|φ s|∨φ r ∨sin γ

Khi γ=0÷ 90° thì sin γ >γ

→ Có thể điều khiển từ thông và mômen độc lập thông qua việc lựa chọn vecto điện áp.

Bảng vecto điện áp tương ứng với trạng thái đóng cắt van pha a,b,c:

Pha U4

Bảng chọn vecto điện áp khi điều khiển trực tiếp mômen: