BÁO CÁO TÌM HIỂU ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU NGUỒN áp MỘT PHA CHỈNH LƯU KHÔNG đảo CHIỀU

Điều kiện xảy ra hãm tái sinh Động cơ điện làm việc ở trạng thái hãm tái sinh khi thỏa mãn các điềukiện sau: - Tốc độ làm việc lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng, hay sức điệnđộng phần ứn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Đức Anh 20181323 Nguyễn Huy Bằng 20181338 Chu Quang Biện 20181342

Vũ Tuấn Chiến 20181335

Nguyễn Đăng Cương 20181367

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA R A ,V A , Φ ĐẾN ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ 7

CHƯƠNG III KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ 13 3.1 Các vấn đề khi khởi động động cơ trực tiếp 13

CHƯƠNG IV CÁC QUÁ TRÌNH HÃM CỦA ĐỘNG CƠ 16

4.2.5 Nhận xét chung về hãm tái sinh 19

CHƯƠNG V.CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 26

5.1.2 Khối điều khiển phản hồi dòng điện (PI current controller) 27

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG

CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG NGUỒN MỘT PHA CHỈNH LƯU KHÔNG ĐẢO CHIỀU

1.1 Giới thiệu chung

- Khối động cơ DC một pha chỉnh lưu hai góc phần tư (DC1) đại diệncho bộ truyền động hai góc phần tư, một pha sử dụng hệ thyristor đối xứng

- Bộ này có tính năng kiểm soát tốc độ vòng kín với hoạt động hai gócphần tư I và IV

Mô hình MATLAB

1.2 Thông số động cơ

Các thông số dưới đây được lấy từ mô hình MATLAB

Thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị

Bảng giá trị các thông số ban đầu

1.3 Mô hình mạch và mô hình toán

▪ 𝑇 𝑒 = 𝐾 𝑒 𝜙 𝑓 𝑖 𝑎

⇒ 𝑇 𝑒 (𝑠) = 𝐾 𝑒 𝜙 𝑓 𝐼 𝑎 (𝑠)

𝑅 𝑓 +𝑠𝐿 𝑓 𝑓

▪ 𝜙𝑓= 𝐿𝑓𝑖𝑓

▪ 𝜙𝑓= 𝐿𝑓𝐼𝑓(𝑠)

1.3.3 Sơ đồ khối

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA RA,VA, Φ ĐẾN ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ

2.1 Ảnh hưởng của R tới đặc tính cơ

2.1.1 Tính toán lý thuyết

- Tác động của R phụ đến các thông số động cơ kích từ độc lập

1 Giảm dòng mở máy

2 Giảm mô men mở máy

3 Tốc độ không tải không đổi

4 Độ cứng đường đặc tính cơ mềm hơn

5 Ảnh hưởng tốc độ định mức của động cơ

+ Ra= 0.78 (ohm)

1 I mở máy: Va/ Ra= 307.7 (A)

3 Tốc độ không tải: Va/ KΦ= 195.12 (rad/s)

4 Độ cứng đặc tính cơ: -( KΦ)*( KΦ)/Ra= -1.939

5 Tốc độ định mức: (Va – Ia*Ra)/ KΦ= 183.7 (rad/s)+ Rp= 1.2 (ohm):

1 I mở máy: Va/(Ra+Rp)= 121.21 (A)

3 Tốc độ không tải: Va/ KΦ= 195.12 (rad/s)

4 Độ cứng đặc tính cơ: -( KΦ)*( KΦ)/(Ra+Rp)= -0.764

5 Tốc độ làm việc: (Va – Ia*(Ra+Rp))/ KΦ= 166.14 (rad/s)

+ Rp= 2.4 (ohm):

1 I mở máy: Va/(Ra+Rp)= 75.47 (A)

3 Tốc độ không tải: Va/ KΦ= 195.12 (rad/s)

4 Độ cứng đặc tính cơ: -( KΦ)*( KΦ)/(Ra+Rp)= -0.476

5 Tốc độ làm việc: (Va – Ia*(Ra+Rp))/ KΦ= 148.58 (rad/s)

+ Rp= 3.6 (ohm):

1 I mở máy: Va/(Ra+Rp)= 54.79 (A)

3 Tốc độ không tải: Va/ KΦ= 195.12 (rad/s)

4 Độ cứng đặc tính cơ: -( KΦ)*( KΦ)/(Ra+Rp)= -0.345

5 Tốc độ làm việc: (Va – Ia*(Ra+Rp))/ KΦ= 131.02 (rad/s)

+ Rp= 4.8 (ohm):

1 I mở máy: Va/(Ra+Rp)= 43.01 (A)

3 Tốc độ không tải: Va/ KΦ= 195.12 (rad/s)

3 Đặc tính cơ càng mềm thì mô men khởi động và I khởi động càng nhỏ

4 Mômen mở máy khi Rp= 4,8 ohm là 53, xấp xỉ 2,3 lần mômen địnhmức giúp động cơ làm việc an toàn, ổn định

2.1.2 Mô phỏng

Dùng matlab mô phỏng lại động cơ và workspace để lấy dữ liệu và vẽ đồthị

Kết quả thu được rất gần với lý thuyết, chứng tỏ các kết luận thu được

- Mô men khởi động:

Giả thiết rằng R và KՓ không đổi, ta thay đổi điện áp phần ứng Va Từ nhữngcông thức trên ta suy ra được:

+) Độ cứng đặc tính cơ không thay đổi

+) Tốc độ của động cơ thay đổi, trong đó tốc độ không tải lí tưởng sẽ tỉ lệ vớiVa

+) Mô men và dòng động khởi động tỉ lệ với Va

Thay đổi Va dưới mức định mức ta có đồ thị:

Ảnh hưởng Va tới đặc tính cơ lý thuyết

2.2.2 Mô phỏng bằng Matlab simulink:

- Sử dụng matlab để mô phỏng lại động cơ

- Thay đổi Va nhận các giá trị lần lượt là 200V, 150V, 100V

- Lấy thông số sang workspace để vẽ đồ thị

Nhận xét kết quả mô phỏng:

- Kết quả gần với lý thuyết, đúng với những kết quả đã suy ra ở trên

- Đường đặc tính cơ mềm hơn so với đặc tính cơ tự nhiên

2.3.Ảnh hưởng từ thông ϕ tới đặc tính cơ

Nếu giữ điện áp phần ứng không đổi Uư=Uđm=const, không nối thêmđiện trở phụ vào mạch phần ứng thứ Rf=0,Rư=const.Bằng cách thay đổi dòngkích từ ta sẽ làm thay đổi từ thông

- Tốc độ không tải lí tưởng tỉ lệ nghịch với từ thông:

Ảnh hưởng từ thông tới đặc tính cơ lý thuyết

- Dùng matlab mô phỏng động cơ và vẽ đồ thị:

CHƯƠNG III KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ

3.1 Các vấn đề khi khởi động động cơ trực tiếp

- Các vấn đề khi khởi động trực tiếp :

hại cho động cơ

- Độ giật lớn gây ảnh hưởng đến kết cấu cơ khí, nguy hiểm với cácphụ tải nâng hạ như cầu trục,thang máy

- Do đó cần phải hạ dòng khởi động bằng cách :+ Dùng thêm điện trở phụ

- Tương tự như trên, sẽ tính ra các giá trị R1=3 Ω, R2=1.5 Ω, R3=0.72 Ω

- Thời điểm cắt 3 điện trở tại Ia=I2=20A

Do đó ta lấy được 3 thời điểm cắt điện trở lần lượt là :2.05s, 3.13s, 3.73s

Ia(A)

3.3.3 Mô phỏng quá trìnhkhởi động với 3 cấp điệntrở

t(s)

W(rpm)

Tốc độ động cơ

CHƯƠNG IV CÁC QUÁ TRÌNH HÃM CỦA ĐỘNG CƠ

4.1 Khái niệm về trạng thái hãm động cơ

Khi nói về máy điện quay, cụ thể là động cơ điện, khái niệm hãm dùng

để chỉ quá trình thay đổi tốc độ động cơ, trong trường hợp này là giảm tốc

Mặt khác, trạng thái hãm được dùng để chỉ những trạng thái làm việccủa động cơ mà ở đó moment điện từ cấp cho động cơ đóng vai trò momentcản, có chiều tác dụng ngược so với chiều quay của động cơ (vai trò nàytương đồng với tác dụng của memont điện từ của máy phát điện, nên đặc biệtvới động cơ một chiều, các trạng thái hãm được coi như chế độ máy phát)

Các trạng thái hãm thường được chia thành ba loại lớn: hãm tái sinh,hãm động năng và hãm ngược

4.2 Hãm tái sinh

4.2.1 Khái niệm hãm tái sinh

Hãm tái sinh là một trong các trạng thái hãm của động cơ điện, trong đómột phần năng lượng (động năng) được đưa từ phía động cơ trả về nguồnđiện, thay vì thải ra môi trường dưới dạng hao phí (chủ yếu là hao phí nhiệt)

4.2.2 Điều kiện xảy ra hãm tái sinh

Động cơ điện làm việc ở trạng thái hãm tái sinh khi thỏa mãn các điềukiện sau:

- Tốc độ làm việc lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng, hay sức điệnđộng phần ứng (Ea) lớn hơn điện áp phần ứng (Va)

- Sử dụng bộ biến đổi công suất có khả năng đưa năng lượng dướidạng điện năng trở lại nguồn cung cấp (acquy hoặc lưới điện)

a) b) Minh họa động cơ điện một chiều với điểm làm việc trạng thái động cơ B, B’

và điểm làm việc trạng thái hãm tái sinh A, A1, A2, A3

4.2.3 Phương pháp hãm tái sinh

Điều kiện bắt buộc để động cơ điện có thể làm việc ở chế độ hãm táisinh là sử dụng bộ biến đổi công suất có khả năng đưa năng lượng dưới dạngđiện năng trở lại nguồn

Ngược lại, để tốc độ làm việc lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng, ngoàilợi dụng các quá trình tự nhiên như hạ tải, xuông dốc,…người ta có thể sửdụng nhiều phương pháp

Đối với động cơ điện một chiều có thể làm việc ở 4 góc phần tư Quadrant DC motor), ta có thể giảm đột ngột điện áp phần ứng (hình a), hoặckết hợp với hãm ngược, để động cơ khởi động theo chiều quay ngược và đi tớiđiểm làm việc ở trạng thái hãm tái sinh (hình b)

(4-Đối với động cơ điện một chiều chỉ làm việc ở 2 góc phần tư(2-Quadrant DC motor), việc giảm điện áp để điểm làm việc rời sang gócphần tư II là không thực được, nhưng ta có thể làm điều đó để di chuyển điểmlàm việc sang góc phần tư IV

Cụ thể, tại điểm làm việc ban đầu (điểm B), ta giảm liên tục điện áp phần ứng(bằng cách tăng góc mở α của các thyristor) Khi điểm làm việc được rời tớitrên đường đặc tính Vi (điểm C), điện áp phần ứng Vađổi dấu với góc mở α =

900, bộ chỉnh lưu bắt đầu làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc Từ đây trở

đi, động cơ hoạt động trong trạng thái hãm tái sinh, với tốc quay lớn hơn tốc

độ quay không tải lý tưởng (|ω‘| > |ω0‘|, ω‘ < 0, ω0‘ <0) và dòng điện trongmạch không đổi chiều đưa năng lượng trở về nguồn xoay chiều Ngoài ra,trạng thái này thể hiện rõ đặc trưng của trạng thái hãm, khi mà moment tảiđóng vai trò

Quá trình tăng góc mở α kết thúc khi động cơ đạt được tốc độ quay yêucầu (động cơ sẽ quay ngược chiều so với trạng thái ban đầu) tại điểm A.

4.2.4 Mô phỏng quá trình

- Khảo sát quá trình: động làm việc ổn định ở tốc độ 1750 rpm vớitải thế năng TL = 20,35 Nm; tại thời điểm t = 7,5s, bắt đầu quá trình hãm vớitốc độ đặt -1400rpm (hay 1400 rpm theo chiều ngược chiều quay ban đầu)

- Nhận xét:

+ Trong và sau quá trình hãm tái sinh, dòng điện phần ứng khôngđổi chiều (không đổi dấu) trong khi điện áp phần ứng đã đổi dấu Điều nàychứng tỏ hãm tái sinh ở động cơ hoạt động trên 2 góc phần tư xảy ra khi bộchỉnh lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc

+ Dòng điện phần ứng được giữ ổn định trong suốt quá trìnhhãm, khi tốc độ được điều khiển bằng thay đổi điện áp phần ứng Điều này cóđược là do tác dụng của bộ điều khiển phản hồi dòng điện

+ Thời gian hãm dài (lên đến thãm≈ 13s)

4.2.5 Nhận xét chung về hãm tái sinh

*/ Ưu điểm

- Hãm tái sinh cho phép trả một phần động năng về nguồn dưới dạngđiện năng, giúp tiết kiệm năng lượng và hạn chế nhiệt hao phí ra môi trường

tưởng, điều này có thể gây hại tới độ bền và tuổi thọ động cơ

- Thời gian tính từ khi bắt đầu hãm tới khi đạt tốc độ mong muốn lâuhơn hẳn các phương pháp hãm khác

để dừng hoàn toàn hoặc đổi chiều động cơ

Khi động cơ đang quay muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập

ta cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều, và đóng vào một điện trở

hãm, còn mạch kích từ vẫn nối với nguồn như cũ Mạch điện động cơ khi hãm

động năng được trình bày trên Hình 2.14a

- Tại thời điểm ban đầu, tốc độ động cơ vẫn có giá trị ωanên:

- Khi Φ = const thì độ cứng của đặc tính cơ hãm phụ thuộc Rh Khi

Rhcàng nhỏ, đặc tính cơ càng cứng, mômen hãm càng lớn, hãm càngnhanh

4.3.3 Mô phỏng bằng Simulink matlab

h= 10Ω , t step=3s

4.3.4 Nhận xét, đánh giá

Đồ thi mô phỏng khớp với lý thuyết, kết quả mô phỏng có sai lệch nhỏ

so với kết quả tính theo lý thuyết

Dòng điện hãm I h và U hngược chiều với tốc độ ban đầu của động cơ khihãm động năng

U u= 0 Khi φ= const

thì độ cứng củađặc tính cơ hãmphụ thuộc

nhỏ, đặc tính cơ càng cứng, mômen hãm càng lớn, hãm càng nhanh

Ưu điểm của hãm động năng: Đơn giản, dễ thực hiện

Nhược điểm của hãm động năng:

+ Tốn điện (không tận dụng được điện trả về)

cơ khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất

4.4.2.Các phương pháp hãm ngược

- Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng

Giả sử động cơ đang làm việc nâng tải với tốc độ xác lập ứng với điểm

a ta đưa một điện trở phụ đủ lớn vào mạch phần ứng, động cơ chuyển sanglàm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở

Tại điểm b mômen do động cơ sinh ra nhỏ hơn mômen cản nên động

cơ giảm tốc độ nhưng tải vẫn theo chiều nâng lên Đến điểm c, tốc độ bằng 0nhưng vì mômen động cơ nhỏ hơn mômen tải nên dưới tác động của tải trọng,động cơ quay theo chiều ngược lại Tải trọng được hạ xuống với tốc độ tăng

bằng với mômen cản nên hệ ổn định với tốc độ hạ không đổi, cd là đoạn đặctính hãm ngược Khi hãm nguợc vì tốc độ đổi chiều, sức điện động đổi dấunên:

= 15.14

𝑇𝑏= K𝜙 𝐼𝑏= 1,23 15.14= 18.62

- Đảo chiều điện áp mạch phần ứngGiả sử động cơ đang làm việc tại điểm a trên đặc tính tự nhiên với tải

Mc, ta biến đổi chiều điện áp phần ứng và đưa thêm vào điện trở phụ Rf trong

mạch Động cơ chuyển sang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở, tại b

mômen đã đổi chiều chống lại chiều quay của động cơ nên tốc độ giảm theo

đoạn bc Tại c tốc độ bằng không, nếu ta cắt phần ứng khỏi điện áp nguồn thì

động cơ sẽ dừng lại, còn nếu vẫn giữ điện nguồn đặt vào động cơ và tại điểm

c mômen động cơ lớn hơn mômen cản Mc thì động cơ sẽ quay ngược lại và

làm việc ổn định tại điểm d

Đoạn bd trên hình là đặc tính hãm ngược

Dòng điện hãmđược tính:

− 𝑉

𝑎

− 𝐸

Hãm ngược bằng cách đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng

Hãm ngược bằng cách đảo điện áp phần ứng

4.2.4 Nhận xét, đánh giá

- Đồ thi mô phỏng khớp với lý thuyết, kết quả mô phỏng cósai lệch nhỏ so với kết quả tính theo lý thuyết

- Ưu điểm của hãm ngược : Đơn giản, dễ thực hiện

- Nhược điểm của hãm ngược :+ Mômen sinh ra bởi động cơ khi hãm chống lại sự chuyển động của cơcấu sản xuất

+ Dòng khi hãm lớn nên chỉ phù hợp với động cơ công suất nhỏ

CHƯƠNG V.CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

5.1 Các khối điều khiển chính

5.1.1 Chỉnh lưu Thyristor

Sử dụng chỉnh lưu cầu 1 pha, đầu vào điện áp (A+, A-) và xung điều khiển

thyristor (đầu vào g).

Khối thyristor trong MATLAB Sơ đồ thyristor thực tế

5.1.2 Khối điều khiển phản hồi dòng điện (PI current controller)

Bộ điều khiển nhận giá trị set point (dưới dạng moment T) và tín hiệu phảnhồi dòng điện phần ứng từ cảm biến, so sánh và đưa ra tín hiệu điều khiểndưới dạng góc mở (firing angle α)

5.1.3 Khối phát xung (Bridge Firing Unit)

Tín hiệu điện áp được tiến hành đồng bộ tại khối này, sau đó góc dẫn αnhận được từ khối điều khiển phản hồi dòng điện sẽ được chuyển thành xung

mở thyristor (firing pulse), từ đó thay đổi điện áp phần ứng Va

5.1.4 Các khối khác

Khối Regulation switch chỉ đóng vai trò như khâu tỉ lệ trong từng giaiđoạn hoạt động của động cơ, và tác dụng chủ yếu là thay đổi tín hiệu đầu vàocủa bộ điều khiển dòng điện

Khối điều khiển phản hồi tốc độ sẽ được phân tích ở phần sau

5.2 Các vòng điều khiển

5.2.1 Vòng điều khiển phản hồi dòng điện

- Mục đích: do đặc tính cơ làm việc (hoặc đặc tính cơ tự nhiên)thường có dòng điện khởi động rất lớn, ta thường sử dụng bộ biến đổi côngsuất để điều

chỉnh điện áp phần ứng Va(giảm điện áp phần ứng), và tăng dần điện áp trongquá trình khởi động, bộ điều khiển phản hồi dòng điện được sử dụng để kiểmsoát dòng phần ứng Ia trong khoảng cho phép, thường là khi khởi động độngcơ

(Ia= 2÷2,5 Ia_rated)

- Hoạt động:

+ Bộ điều khiển dòng điện PI nhận giá trị set point (dưới dạng moment T)

và tín hiệu phản hồi dòng điện phần ứng từ cảm biến, so sánh và đưa ra tínhiệu điều khiển dưới dạng góc mở (firing angle)

+ Góc dẫn α qua bộ phát xung (Bridge Firing Unit) sẽ được chuyển thànhxung mở thyristor, từ đó thay đổi điện áp phần ứng Va

5.2.2 Vòng điều khiển tốc độ

xung quanh vận tốc đặt; được sử dụng khi động cơ đã hoàn thành khởi động,bắt đầu quay ổn định hoặc có sự thay đổi về tải

- Cấu trúc: gồm 2 vòng điều khiển thành phần

+ Vòng điều khiển phản hồi dòng điện (vòng bên trong) có tốc độ phảnhồi và điều khiển cao hơn nhiều so với vòng điều khiển phản hồi tốc độ (vòngngoài).

+ Vòng điều khiển phản hồi tốc độ (vòng ngoài): sử dụng khối điềukhiển phản hồi tốc độ (PI speed controller), dầu vào là giá trị tốc độ đặt, tốc

độ phản hồi từ động cơ, đầu ra giá trị dòng điện đặt cho bộ PI currentcontroller;

bộ điều khiển phản hồi thuần túy tốn nhiều thời gian trong việc đưa ra điều chỉnh

(chỉ khi nào tốc độ ω thay đổi so với set point thì nó mới phát tín hiệu điềuchỉnh), cũng như tác động sau khi điều chỉnh phải mất thời gian mới phát huy tác

dụng (thay đổi điện áp phần ứng Vacũng mất thời gian để ω thay đổi).Tất cả các nhược điểm của vòng điều khiển tốc độ đơn thuần đều doquán tính cơ rất lớn của động cơ (so với quán tính điện)

- Hoạt động:

+ Để khắc phục cũng như tận dụng nhược điểm của vòng điều khiểnphản hồi tốc độ (PI speed controller), một vòng điều khiển dòng điện (PIcurrent controller) được thêm vào bên trong

+ Bây giờ, bộ điều khiển phản hồi dòng điện nhận giá trị set point làđầu ra của bộ điều khiển phản hồi tốc độ và tín hiệu phản hồi dòng điện phầnứng từ cảm biến (I2) , so sánh và đưa ra tín hiệu điều khiển (các bước sautương tự bộ điều khiển phản hồi dòng điện cơ bản)

+ Đầu ra của bộ điều khiển phản hồi tốc độ, hay set point của bộ điềukhiển dòng điện, có thể coi là không thay đổi so với giá trị dòng điện I2 thuđược từ cảm biến - do quán tính cơ rất lớn của động cơ; nên set point nàymang

thông tin đặc trưng cho tốc độ quay ứng với set point của bộ điều khiển phảnhồi tốc độ (chính là tốc độ ta mong muốn).

Đồ thị MATLAB thu được sau quá trình, bao gồm đồ thị các đại lượngđiện áp phần ứng (Armature voltage), dòng điện và dòng điện trung bình phầnứng (Armature current và Mean current), tốc độ quay động cơ và tốc độ đặt(Actual speed và Set speed).

5.3.4 Nhận xét

Quá trình khởi động: từ t = 0 tới t = 7s

Đồ thị cho thấy tốc độ tăng dần từ 0 tới mức đặt (1750 rpm), dòng điện phànứng được khống chế Istart= 22÷24A (với dòng điện hoạt động Ia= 18÷22A).Trong khi điện trở phần ứng rất nhỏ (Ra = 0.78Ω) và điện áp phần ứngtrong vùng hoạt động ổn định ở mức cao (Va= 240V), bộ điều khiển phản hồidòng điện đã phát huy tác dụng: giảm điện áp phần ứng khi bắt đầu khởiđộng, sau đó tăng dần điện áp và kết thúc khởi động ở mức 240V

Giai đoạn hoạt động ổn định:

Khi động cơ chạy ở tốc độ định mức (1750 rpm) và mang tải định mức(20N.m), từ đồ thị ta nhận thấy điện áp phần ứng Vavà dòng điện phần ứng Iađều ở giá trị định mức là 240V và 18A