đồ án tổng hợp điện cơ

đồ án

Chương I: Tổng quan và phân tích yêu cầu công nghệ

Các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, chúng được dùng để cung cấp động lực cho phần lớn các cơ cấu sản xuất Trong thế kỷ XIX đã lần lượt xuất hiện truyền động điện động cơ một chiều và động cơ xoay chiều Trong nhiều năm của thế kỷ XX, khoảng 80% các hệ thống truyền động điện không yêu cầu điều chỉnh tốc độ đều dùng động cơ xoay chiều, còn khoảng 20% truyền động điện có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ dùng động cơ một chiều Điều này hầu như đã được thế giới coi như là một quy luật phân

bổ hiển nhiên Phương án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều mặc dù

đã được phát minh và đưa vào ứng dụng khá sớm, nhưng chất lượng của

nó lại khó bề sánh kịp với hệ thống truyền động điện một chiều Mãi tận tới thập kỷ 70 của thế kỷ XX, khi thế giới bị cuốn hút vào nguy cơ khan hiếm dầu mỏ, các nước công nghiệp tiên tiến mới tập trung vào việc nghiên cứu hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều hiệu suất

cao, hy vọng coi đó là con đường tiết kiệm nguồn năng lượng Qua hơn

10 năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ 80 hướng nghiên cứu ấy đã đạt được thành tựu lớn, và đã được coi là bước đột phá thần kỳ trong truyền động điện xoay chiều, và từ đó tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc

độ động cơ điện xoay chiều ngày một tăng lên Trong các ngành công nghiệp đã có trào lưu thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều

1.2.2 Cấu tạo

a)Phần tĩnh (Stato)

Stato có cấu tạo gồm vỏ máy,lõi sắt và dây quấn

Vỏ máy làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép

Stator,vỏ có dạng trụ rỗng, có chân để cố định máy trên bệ và có hai nắp máy ở hai đầu để đỡ trục máy và bảo vệ phần đầu dây

quấn.Các máy có công suất nhỏ thì vỏ làm bằng nhôm, máy có

công suất trung bình và lớn vỏ làm bằng gang

Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện

ép lại Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm tròn

ép lại Khi đường kính ngoài lớn hơn thì dùng những tấm hình rẻ quạt (hình 2) ghép lại

• Dây quấn: Được quấn thành từng các mô bin, mà các cạnh của các

mô bin đó được đặt vào các rãnh của lõi thép stator

b) Phần quay (roto): Gồm có : Lõi thép, trục máy và dây quấn

và mặt ngoài được dập thành rãnh để đặt cuộn dây, ở giữ được dập

lỗ tròn để lồng trục máy

được đỡ bởi hai ổ bi trên hai nắp máy

+ Loại lồng sóc: dây quấn rotor là các thanh dẫn bằng đồng thau hoặc bằng nhôm đặt trong các rãnh của rotor, hai đầu được nối với hai vòng ngắn mạch cũng bằng đồng thau hoặc bằng nhôm

+Loại dây quấn: dây quấn giống như dây quấn stator và thường được đấu hình sao.Ba đầu được đưa ra 3 vành trượt bằng đồng trên trục máy, vành trượt này cách điện với nhau và cách điện với trục máy

c) Khe hở không khí

Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn

-Cấu tạo đơn giản

-Đấu trực tiếp với điện lưới xoay chiều 3 pha

-Tốc độ quay của rô to nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay của stato

n < n1

Trong đó :

n : tốc độ quay của rô to

n1 : tốc độ quay của từ trường quay

1.2.3 Nguyên lý làm việc

Khi nối dây quấn stator vào lưới điện xoay chiều 3 pha, trong động cơ

sẽ sinh ra một từ trường quay Từ trường này quét qua các thanh dẫn rotor làm cảm ứng trên dây quấn rotor một sức điện động e2, từ đó sinh

ra dòng điện i2 chạy trong dây quấn rotor

Dòng điện i2 tác động tương hỗ với từ trường stator tạo ra lực điện từ trên dây dẫn rotor và mômen quay làm cho rotor quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường

Tốc độ quay của rotor n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay

Stator n1.Vì tốc độ của rotor khác với tốc độ của từ trường quay stator nên gọi là động cơ không đồng bộ

1.2.4 Các đại lượng đặc trưng và phương trình cơ bản

• Hệ số trượt : để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của rôto

n và tốc độ quay của từ trường quay n1

1 1

s n

Tổn hao do dây quân rô to : ∆P2

Công suất cơ ở trục : P'2=M*ω = P dt-∆P2

Tổn hao do ma sát : ∆P ms

Công suất cơ đưa ra : P2 = P’2 - ∆P ms

P2 = P1-∆P dt -∆P st-∆P2-∆P2-∆P msHiệu suất :

1 2

P P

U I

U I

Với : Xµ =X1σ +X2σ

+Phương trình đặc tính cơ

'2 '

1 2 '

2

2 1

2 1

2

2 2 1

nm

nm nm

• Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ:

+ Ảnh hưởng của điện áp lưới:

Khi điện áp thay đổi thì tốc độ không tải lý tưởng và độ trượt tới hạn không đổi còn mô men tới hạn thay đổi tỉ lệ với bình phương điện áp

lưới.Nếu điện áp đặt vào động cơ giảm thấp quá có thể làm cho mô men

khởi động của động cơ giảm thấp và động cơ không khởi động được

+ Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato:

Khi thay đổi điện trở hoặc điện kháng mạch stato thì tốc độ không tải

lý tưởng không thay đổi còn độ trượt tới hạn và mô men tới hạn đều thay

đổi

+ Ảnh hưởng của số đôi cực p:

Khi thay đổi số đôi cực P thì tốc độ không tải lý tưởng thay đổi còn độ

trượt tới hạn và mô men tới hạn đều thay đổi

+ Ảnh hưởng tần số.

Quy tắc điều chỉnh giữ cho khả năng quá tải không đổi

' 2

max max 1

1 ' ' 2 2 '

max 1 1

2 '2 max 1 1

U const f

=

=

Luật điều khiển giữ cho công suất không đổi :P=const

1 1

a) Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số f 1

Xuất phát từ biểu thức ω= ω0 (1-s) = 2Πf1 (1-s) /p, ta nhận thấy khi thay đổi tần số f1 ta cũng có thể thay đổi được tốc độ động cơ không đồng bộ.Do máy điện được thiết kế để làm việc với tần số nhất định nên

việc thay đổi tần số làm ảnh hưởng đến chế độ công tác của máy

Vì U1=E1 = 4,444.f1.Ktp1.W1.Ф.10-8 = KФ.f1

Nếu điện áp U1 = Const thì khi f1 tăng thì từ thông Ф giảm do đó sẽ dẫn đến hiện tượng giảm mô men trong máy.Để giữ cho mô men không đổi thì phải tăng dòng điện.Như vậy động cơ sẽ bị quá tải về điện.Còn

nếu ta giảm f1 thì từ thông Ф sẽ tăng lên,điều này làm đốt nóng lõi thép

và làm cho hiện tượng bão hòa từ tăng

Như vậy khi thay đổi tần số thì đồng thời ta phải thay đổi U1

cho phù hợp nhằm giữ cho Ф là không đổi

*Qui luật thay đổi tần số:

Khi điều chỉnh nếu ta giữ cho hệ số quá tải là hằng số thì chế độ làm việc của máy điện sẽ luôn được duy trì ở mức tối ưu như làm việc với tải

' 2 1

2 1 1

' 2 1 1 0

2 1 th

)f X (X P 4π

3U )

f x f (x 2ω

3U M

+

= +

=

) (

)

( 4

3 M

M

2 1

2 1 2

1

' 2 1

2 1 th

ω π

λ

c

U A f X X P

U

= +

=

=

Thay thế Mc = f(ω) bằng phương trình đặc tính cơ dạng gần đúng của

máy sản xuất và coi ω ≈ ω0 =

( ) ( ) x

x

x dm c

p M

M p

f

1

A

+

2 1

2 1

Do đó để thỏa mãn điều kiện λ =const ta có:

( ) ( x)

dm

x

dm f

f U

U

+

+

= 1222

1

2 1

Từ đó suy ra quy luật biến đổi của điện áp:

( ) ( x)

dm

x

dm f

f U

U

+

+

= 1221

Vậy điện áp stato phải thay đổi phụ thuộc vào tải:

- Kiểu máy tiện x=-1

- Kiểu máy nâng x=0

- Ma sát nhớt x=1

- Quạt gió x=2

b) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nạp

Khi thay đổi điện áp nạp cũng gây nên thay đổi đặc tính cơ

Ta có:Mmax≈ C1.U1 2

Khi U1 giảm nhỏ hơn U1dm → Mth giảm còn Sth=const

Dựa vào đặc tính tới hạn Mgh(s) ta suy ra được đặc tính điều chỉnh ứng với giá trị U cho trước nhờ quan hệ Mu= Mgh.U*2

• Nhược điểm của phương pháp:

- Khoảng điều chỉnh chỉ đến nth

- Máy có thể ngừng quay nếu như giảm quá điện áp

-Khi U1 giảm trong khi đó Mc , Pdt vẫn không thay đổi dẫn tới I2 tăng

vì vậy nó ít được sử dụng trong thực tế

Để thực hiện việc giảm điện áp đặt vào stato người ta có thể

dùng biến áp tự ngẫu, điện kháng hay điện trở phụ mắc vào mạch stato

c) Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực

Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ không đồng bộ roto

2 1

S p

-Cách 2: Dùng một tổ dây quấn stato nhưng mỗi pha được chia làm hai

đoạn,thay đổi cách nối dây giữa 2 đoạn đó sẽ thay đổi được số đôi cực.Thông thường những động cơ có từ 3 cấp tốc độ trở lên đều có 2 hoặc nhiều tổ dây quấn stato.Mỗi tổ lại có thể phân đoạn để thay đổi số đôi

cực theo cách hỗn hợp

• Trên thực tế người ta giải quyết như sau:

-Đổi nối tam giác-sao kép: ∆ → YY

-Đổi nối sao -sao kép: Y → YY

2

1

∆

cp c

cpYY c M M

M c.cp =M c.cpYY

• Ưu khuyết điểm:

- Ưu điểm : phạm vi điều chỉnh rộng , khụng cồng kềnh

- Khuyết điểm : Độ điều chỉnh là nhảy bậc vỡ p là số nguyờn

e) Điều chỉnh bằng cỏch thay đổi điện trở phụ mắc vào mạch roto:

-Phương phỏp này chỉ ỏp dụng cho động cơ dõy quấn

-Khi thay đổi điện trở thỡ tốc độ khụng tải lý tưởng khụng đổi, momen

tới hạn khụng đổi cũn độ cứng của đặc tớnh cơ thay đổi

• Ưu nhược điểm:

-Ưu điểm: +cú thể điều chỉnh tốc độ lỏng nếu R cú nhiều nấc

-Nhược điểm : + chỉ điều chỉ theo chiều tốc độ giảm

+Tổn hao cụng suất lớn +Khụng điều chỉnh được khi động cơ khụng tải

2)Mụ tả toỏn học động cơ khụng đồng bộ ba pha

Đối với các hệ truyền động điện đã đợc số hoá hoàn toàn, để điều khiển biến tần ngời ta sử dụng phơng pháp điều chế vectơ không gian Khâu điều khiển biến tần là khâu nghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển/ điều chỉnh bằng số với khâu chấp hành Nh vậy cần mô tả động cơ thành các phơng trình toán học

Quy ớc : A,B,C chỉ thứ tự pha các cuộn dây rotor và a,b,c chỉ thứ tự pha các cuộn dây stator.

Giả thiết : - Cuộn dây stato, roto đối xứng 3 pha, rôto vợt góc θ

k k k

Ψ +

=

Phơng trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn dây k nhsau:

Trong đó :k là thứ tự cuộn dây A,B,C rotor và a,b,c stator

:ψk là từ thông cuộn dây thứ k ψk=ΣLkjij Nếu i=k: tự cảm, j≠k: hỗ cảm

Ví dụ:ψa =L a ai a+L abi b+L aci c+L aAi A+L aBi B+L aCi C

Vì ba pha đối xứng nên :

Ra =Rb =Rc = Rs , RA =RB =RC =Rr

( L dt d

( L dt

d dt

d L R

r

t m

m S

S

+

+

)

)

ϑ

ϑ

= x

} ) (

Trong m¸y ®iÖn ba pha thêng dïng c¸ch chuyÓn c¸c gi¸ trÞ tøc thêi cña ®iÖn ¸p thµnh c¸c vÐc t¬ kh«ng gian LÊy mét mÆt ph¼ng c¾t m«t¬ theo híng vu«ng gãc víi trôc vµ biÓu diÔn tõ kh«ng gian thµnh mÆt ph¼ng Chän trôc thùc cña mÆt ph¼ng phøc trïng víi trôc pha a

+1( α )

Hình2-1: Tơng quan giữa hệ toạ độ αβ và toạ độ ba pha a,b,c

Ba véc tơ dòng điện stator ia, ib, ic tổng hợp lại và đại diện bởi một véc tơ quay tròn is Véc tơ không gian của dòng điện stator:

) (

) 2

( 3

1 } Re{

) (

3

3 } Im{

isβ = i s = i b −i c

Hình 2-2: Cuộn dây 3 pha nhìn trên αβ

Theo cách thức trên có thể chuyển vị từ 6 phơng trình (3 rôto, 3 stato) thành nghiên cứu 4 phơng trình

Phép biến đổi từ 3 pha (a,b,c) thành 2 pha (α, β) đợc gọi là phép biến

đổi thuận Còn phép biến đổi từ 2 pha thành 3 pha đợc gọi là phép biến

đổi ngợc

Đơn giản hơn, khi chiếu is lên một hệ trục xy bất kỳ quay với tốc độ

ωk:

θk =θ0 + ωkt

+ Nếu ωk=0, θ0=0 :đó là phép biến đổi với hệ trục α, β (biến đổi tĩnh)

+ Nếu ωk=ω1, θ0 tự chọn bất kỳ (để đơn giản một phơng trình cho x trùng ψr để ψry=0): phép biến đổi d,q

+ Nếu ωk= ω1 - ω =ωr : hệ toạ độ cố định α,β đối với rôto (ít dùng) Các hệ toạ độ đợc mô tả nh sau:

Các phơng trình chuyển đổi hệ toạ độ:a,b,c  αβ:

) 2 ( 3

1

b a s

a s

i i i

i i

+

=

=

β α

2 1

) 3 (

2 1

β α

β α

α

s s

c

s s

b

s a

i i

i

i i

i

i i

4) Hệ phương trình cơ bản của động cơ trong không gian vecto

s s

s r

m

s r s

s s

s s

s r

s r s

r r

s s s

s s

s s

L i L i

L i L i

j dt d i R

dt d i R u

.

+

= Ψ

+

= Ψ

Ψ

−

Ψ +

=

Ψ +

=

ω

Từ các phương trình véc tơ của động ĐCXCBP ta xây dựng được

phương trình toán mô tả trên hệ tọa độ

β α

β β

β α

α α

β β

α β

β

α β

α α

α

ψ ωψ

ψ

ωψ ψ

ψ

σ

ψ σ

σ ωψ

σ

σ σ

σ σ

σ

ψ σ

σ ωψ

σ

σ σ

σ σ

r r r s

r

m r

r r

r

s r

m r

s s

r m r

r m

s r s

s

s s

r m

r m r

s r s

s

T

i T

L

dt

d

u L L

T L

i T T

dt

di

u L L

L T

i T T

dt

di

1 1

1 1

1 ) 1 1 (

1 1

1 )

1 1 (

− +

−

−

− +

−

=

+

− +

− +

− +

−

=

Ngoài ra ta còn có phương trình momen như sau:

) i i

( L

L p

σ

− +

1

α β

β

β α

α

β β

α β

σ

α β

α α

σ

ωψ ψ

ωψ ψ

σ

ψ σ

σ ωψ

σ σ

σ

ψ σ

σ ωψ

σ σ

r r s m r r

r r s m r r

s s

r r m

r m s

s s

r m

r m r s

T i L p

T

T i L p

T

u L T

L L

i

T

p

u L L

L T

−

= +

+

− +

−

−

= +

+

− +

−

= +

1 )

1

(

1 1

1 )

1

(

u s α

u s β

i s

i s β

Hình 2-5: Mô hình động cơ trên hệ toạ độ cố định αβ

4.2) Phơng trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq

Tơng tự nh trên, khi chiếu trên hệ toạ độ này thì các phơng trình từ thông vẫn không đổi, chỉ có các phơng trình điện áp thay đổi nh sau:

- Toạ độ từ thông rôto quay tốc độ ωs so với stato

- Hệ toạ độ chuyển động vợt trớc so với rôto một tốc độ góc ωr = ωs -ω

Từ đó ta thu đợc hệ phơng trình :

r

f r m

f s

f

r

m

f r s

f s

f

r

f r r

f r f

r r

f r s

f r f

s s

f

s

L i L i

L i L i

j dt

d i R

j dt

d i R u

=

+ +

=

ψ

ψ

ψ ω ψ

ψ ω ψ

) (

f r r

m s

f s

f

s

m

f s

f r r

f

r

L i L

L L i

L i L

i

− +

=

−

=

ψ ψ

ψ

Thế trở lại phơng trình thứ 3 và 4 của (2-14) ta đợc phơng trình :

rq r rd r sq r

m

rq

rq r rd r

sd r

m

rd

sq s

rq r m

rd m

sq r s

sd s sq

sd s

rq m

rd r m sq

s sd r s

sd

T

i T

L

dt

d

u L T

L L

i T T

i dt

di

u L L

T L i

i T T

dt

di

ψ ψ

ω ψ

ψ ω ψ ψ

σ

ψ σ

σ ωψ

σ

σ σ

σ σ

ω

σ

ωψ σ

σ ψ

σ

σ ω

σ

σ σ

1 1

1 1

1 ) 1 1 (

1 1

1 )

1 1 (

−

−

− +

− + +

− +

−

=

Biến đổi tiếp hệ (2-16) với điều kiện chọn trục d trùng với vectơ ψr , tức là ψrq = 0:

sq s

rd m

sd s sq

sd s

rd m sq

s sd

i

T

L

i L p

T

u L L

i i

p

T

u L L

i i

σ ω

σ

ψ σ

σ ω

σ

σ

=

= +

+

− +

= +

)

1

(

1 1

)

1

(

1 1

σ

− +

2

s

f r r

m c

L

L p

Thay đại lợng vectơ bằng các phần tử của nó : isf = isd+jisq và ψsf =

ψsd+jψrq ta có:

sq rd r

m c

L

L p

4.3) Cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ

Trớc đây ta đã đề cập đến vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ

theo công thức (2-18) : M m rd sq

i K

để có thể điều khiển đợc chính xác tơng tự nh động cơ một chiều (điều khiển độc lập thành phần kích từ ψr

và thành phần dòng phần ứng is)

R ω

Ri sq

Ri sd

ω *

Nhng trong hệ thống thực, nguồn cung cấp cho động cơ là ba pha abc

và các đại lợng dòng phản hồi đo về đợc cũng là trên toạ độ abc, vậy giữa hai hệ toạ độ đó phải có các bộ chuyển đổi toạ độ, cụ thể là từ bộ

điều chỉnh lợng đặt để thành tín hiệu đa vào biến tần nuôi động cơ phải

có một bộ chuyển đổi dq/abc từ các đại lợng dòng đo đợc đem phản hồi

có một bộ chuyển đổi ngợc từ abc/dq

Vấn đề nảy sinh là khi chuyển đổi giữa hai toạ độ cần phải có góc lệch giữa chúng (θs) Từ đây có hai giải pháp:

- Lấy θs bằng cách tích phân tốc độ quay ωs của dòng, áp stato hoặc của từ thông rôto.

- Vì hệ toạ độ quay dq có trục thực gắn với ψr nên góc θs có thể xác

định bằng cách tính góc của ψr trên hệ toạ độ αβ

Hình 2-11: Sơ đồ hệ thống điều chỉnh dòng điện và tốc độ của động cơ

trên dq.

Góc θs dùng để chuyển toạ độ từ tĩnh sang quay theo chiều thuận hoặc ngợc (αβdq hoặc dqαβ) θs có thể đợc tính trực tiếp θs = arctg(ψr) hoặc gián tiếp : θs = ωs.t + α0

Tuỳ theo cách xác định góc quay từ trờng θs mà ta có hai phơng pháp

điều khiển vectơ: phơng pháp điều khiển trực tiếp và phơng pháp điều khiển gián tiếp

4.4)Tổng hợp cỏc bộ điều khiển

Hệ phương trỡnh mụ tả động cơ hết sức phức tạp và cú độ phi tuyến cao dẫn đến khú tổng hợp cỏc bộ điều khiển cho động cơ theo phương phỏp thụng thường Do đú, trước hết ta tiến hành tuyến tớnh húa hệ thống

quanh điểm làm việc Đõy là một phương phỏp đơn giản, dễ thực hiện và đạt hiệu quả trong việc tổng hợp tham số hệ thống Trước hết, ta chuyển

về miền Laplace và thay ψrq = 0 và

rd

sq r m

sd m rd r

sq s

rd m

sd s sq

sd s

rd m sq

s sd

i T

L

i L p

T

u L

r L i

i p T

u L L

i i

p T

ψ ω

ψ

σ ψ ω σ

σ ω

σ

ψ σ

σ ω

σ

σ

=

= +

+

− +

= +

) 1

(

1 1

)

1

(

1 1

T

.

1 1 1

σ

σ σ

σ = + −

Isq là thành phần liên quan đến moment của động cơ

Thay vào phương trình ta thu được thành phần dòng Isq như sau: