Đề tài : Các phương pháp điều khiển động cơ điện bằng ứng dụng điều khiển công suất

Với sự phát triển không ngừng của tự động hoá, việc truyền động bằng động cơ điện là chủ yếu ở trong mọi lĩnh vực của các ngành công nghiệp Do yêu cầu của từng hệ thống truyền động điện,

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

CÔNG TY CƠ KHÍ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU THUỶ

-o0o -

BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU

“CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ ĐIỆN BẰNG ỨNG DỤNG

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT”

Thuộc đề tài cấp nhà nước

“NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO MÁY MÓC VÀ

CÁC THIẾT BỊ TÀU THUỶ”

(Ứng dụng điện tử công suất lớn)

Mục lục

Lời Mở đầu 3

I Động cơ công suất lớn và các phương pháp điều khiển: 4

1.1 Động cơ 1 chiều 4

1.1.1 Mô hình toán học 4

1.1.1.1 Động cơ điện 1 chiều ở chế độ xác lập 4

1.1.1.2 Động cơ điện 1 chiều ở chế độ quá độ: 5

1.1.2 Các phương pháp điều khiển động cơ 1 chiều 7

1.1.2.1 Sử dụng bộ điều chỉnh tốc độ tỷ lệ: 8

1.1.2.2 Sử dụng bộ điều chỉnh tốc độ tích phân tỷ lệ PI: 9

1.1.2.3 Hệ thống điều chỉnh tốc độ khi không có mạch vòng dòng điện: 9

1.1.2.4 Hệ thống điều chỉnh tốc độ điều chỉnh 2 thông số: 10

1.1.3 ứng dụng trong truyền động kéo 12

1.2 Động cơ đồng bộ 13

1.2.1 Mô hình toán học động cơ đồng bộ 13

1.2.2 Động cơ đồng bộ trong chế độ xác lập 15

1.2.3 Phân loại hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 17

1.2.4 Hệ truyền động động cơ đồng bộ với bộ biến đổi tần số nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên 17

1.2.4.1 Quá trình chuyển mạch 18

1.2.4.2 Mômen của động cơ 20

1.2.4.3 Giới hạn của chuyển mạch tự nhiên và vấn đề khởi động 21

a) Khởi động dùng chuyển mạch cưỡng bức 21

b) Khởi động dùng phương pháp dòng gián đoạn 21

c) Khởi động bằng phương pháp khởi động không đồng bộ 21

1.2.5 Cấu trúc mạch điều chỉnh tốc độ truyền động động cơ đồng bộ dùng biến tần nguồn dòng 22

1.3 Động cơ không đồng bộ rô to ruột quấn 23

1.3.1 Mô tả toán học động cơ không đồng bộ rô to ruột quấn 23

1.3.2 Vec tơ không gian và các hệ toạ độ biểu diễn ĐCKĐB rô to ruột quấn 26

1.3.3 Mô hình trạng thái ĐCKĐB rô to ruột quấn trên các hệ toạ độ 27

1.3.4 Điều khiển động cơ KĐB rô to dây quấn 30

1.3.4.1 Phương pháp điều chỉnh điện áp stator động cơ bằng bộ điều áp xoay chiều 30

1.3.4.2 Điều chỉnh điện trở mạch rotor 32

1.3.4.3 Điều chỉnh công suất trượt 34

1.3.4.4 Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ 37

1.4 Động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc 37

1.4.1 Vector không gian và hệ toạ độ từ thông 37

1.4.2 Mô hình toán học động cơ KĐB – rotor lồng sóc 39

1.4.3 Các phương pháp điều khiển động cơ KĐB rô to lồng sóc 42

II Phương pháp điều khiển động cơ KĐB rôto lồng sóc bằng các thiết bị điện tử công suất lớn 42

2.1 Nhắc lại mô hình toán học 42

2.1.1 Xây dựng vector không gian 45

2.1.2 Chuyển vị tuyến tính các hệ toạ độ 46

2.1.3 Mô hình động cơ trong hệ toạ độ cố định gắn với stator (αβ ) 48

2.1.4.Mô hình động cơ trong hệ toạ độ gắn với từ thông rotor 51

2.1.5 Mô hình động cơ trong hệ toạ độ gắn với trục rôtor xy 54

2.2 Các phương pháp điều khiển 56

2.2.1 Phương pháp điều khiển vô hướng (điều chỉnh tần số - điện áp) 56

2.2.1.1 Luật điều chỉnh tần số điện áp theo khả năng quá tải không đổi 56

2.2.1.2 Luật điều chỉnh từ thông không đổi 58

2.2.1.3 Luật điều chỉnh tần số trượt không đổi 59

2 2.2 Phương pháp điều khiển vector (điều khiển tựa theo từ trường) 59

2.2.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC) 64

2.2.3.1 Nguyên lý điều khiển trực tiếp mômen 64

2.2.3.2 Điều khiển trực tiếp mômen theo bảng chọn 66

a Sơ đồ nguyên lý : 66

b Ước lượng từ thông stator và mômen sử dụng tốc độ và dòng điện : 67

c Ước lượng từ thông stator và mômen sử dụng điện áp và dòng điện : 68

d Xây dựng bảng chọn : 68

2.3 Mô phỏng bằng Matlab – Simulink phương pháp điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ 70

2.3.1 Mô hình mô phỏng: 70

2.3.1.1 Mô hình tổng thể: 70

2.3.1.2 Mô hình bảng chọn : 70

2.3.1.3 Mô hình khối tính dòng điện: 72

2.3.1.4 Mô hình khối tính điện áp: 73

2.3.1.5 Mô hình khối ước lượng từ thông stator: 73

2.3.1.6 Mô hình khối ước lượng mômen: 74

2.3.2 Kết quả mô phỏng: 74

2.3.3 Nhận xét, đánh giá 77

Lời Mở đầu

Trong công nghiệp nói chung và trên tàu thuỷ nói riêng, hầu như mọi máy móc thiết bị đều được dẫn động bởi động cơ điện Với sự phát triển không ngừng của tự động hoá, việc truyền động bằng động cơ điện là chủ yếu ở trong mọi lĩnh vực của các ngành công nghiệp

Do yêu cầu của từng hệ thống truyền động điện, việc điều khiển động cơ, điều khiển truyền động được thực hiện với nhiều phương pháp khác nhau Tuy nhiên, việc

điều khiển các động cơ công suất lớn luôn là vấn đề quan tâm hàng đầu

Trên tàu thuỷ với nguồn điện là các trạm phát điện có công suất hữu hạn phù hợp với các không gian, tích chất hoạt động của tàu, việc khởi động, điều khiển các thiết bị công suất lớn, động cơ công suất lớn càng đòi hỏi cấp thiết vì chức năng điều khiển, không gian, trọng lượng, độ bền và độ tin cậy của thiết bị điều khiển

Ngày nay, việc ngày càng nghiên cứu cải tiến các phương pháp điều khiển tối ưu cho các thiết bị, động cơ, máy móc tàu thuỷ ứng dụng các phần tử điện tử công suất lớn

là nhằm giải quyết các yêu cầu đó

I Động cơ công suất lớn và các phương pháp điều khiển:

1.1 Động cơ 1 chiều

1.1.1 Mô hình toán học

Hiện nay, động cơ 1 chiều (Đ) vẫn được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, do có dải công suất rộng Hình 1.1 là sơ đồ kết cấu chung của Đ, phần ứng được biểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E, ở phần stato có thể có dây quấn kích từ: dây quấn kích từ độc lập, dây quấn kích từ nối tiếp, dây quấn cực từ phụ và dây quấn bù Hệ thống phương trình mô tả Đ thường là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thường là điện áp phần ứng

U, điện áp kích thích Uk, tín hiệu ra thường là tốc độ góc của động cơ w, mô men quay

M, dòng điện phần ứng I, hoặc trong 1 số trường hợp là vị trí của rô to ϕ Mô men tải Mc

là mô men do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mô men tải là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ truyền động điện tự động

1.1.1.1 Động cơ điện 1 chiều ở chế độ xác lập

Khi đặt lên dây quấn kích từ 1 điện áp uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông φ Đặt 1 giá trị U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mô men điện từ, giá trị của mô men điện từ được tính theo công thức:

I k I a

N p

trong đó: p’ – số đôi cực của động cơ

N – số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng

K = pN/2πa – hệ số kết cấu của máy

Mô men điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức điện động:

ωω

π Φ = Φ

a

N p E

trong đó: Rư - điện trở mạch phần ứng của động cơ

1.1.1.2 Động cơ điện 1 chiều ở chế độ quá độ:

Giữ nguyên các thông số của động cơ, mạch kích từ có 2 biến dòng điện kích từ ik

và từ thông máy Φ là phụ thuộc phi tuyến của bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:

U k (p) = R k I k (p) + N k P.Φ(p) (1.4);

trong đó: Nk – số vòng dây cuộn kích từ

Rk - điện trở cuộn dây kích từ Mạch phần ứng :

U(p) = R ư I(p) + L ư I(p) ± N N p I(p) + E(p) (1.5)

Hoặc dạng dòng điện:

)]

( ) ( )

( [ 1

/ 1 )

pT

R p

trong đó J là mô men quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ

Thông qua các phương trình, thành lập sơ đồ cấu trúc của động cơ 1 chiều

/ 1

K

N

N N

-M

MC

Hình 1.1- Sơ đồ cấu trúc của động cơ 1 chiều

Đối với động cơ 1 chiều kích từ độc lập (NN = 0) thì có thể viết các phương trình:

Mạch phần ứng:

)]

( )].[

( [

)]

( [

)]

( [

)

U = ∆ = u + ∆ + u + ∆ + Φ + ∆Φ ωB + ∆ω (1.8) Mạch kích từ:

)]

( [

)]

( [

)

U k + ∆ k = k k + ∆ k + k k + ∆ k (1.9) Phương trình chuyển động cơ học:

)]

( [

)]

( [

)]

( )][

(

K Φo+ ∆Φ + ∆ ư B + ∆ c = p ωB + ∆ω (1.10) Trường hợp khi từ thông kích từ không đổi

Khi dòng điện kích từ động cơ không đổi hoặc khi động cơ được kích thích bằng nam châm vĩnh cứu thì từ thông kích từ là hằng số

u

C const

) ( )

1 )(

( ) (p R I p pT C p

) ( )

( ) (p M p Jp p I

Điều chỉnh hai thông số: từ thông và suất điện động cấp cho mạch kích từ động cơ

Dưới đây ta sẽ lần lượt xét từng phương pháp điều khiển

1.1.2.1 Sử dụng bộ điều chỉnh tốc độ tỷ lệ:

Bỏ qua ảnh hưởng của suất điện động của động cơ

) 1 ( 2 1

1

1 ) (

) (

p T p T K

p U

p I

s s

i

Thay thế biểu thức trên bằng tính gần đúng hàm truyền của mạch vòng dòng điện

p T K

p U

p I

s i

1

1 ) (

) (

+

Nếu mạch vòng dòng điện được tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng:

p T K

p U

p I

s i

1

1 ) (

) (

+

Với Sw là sen sơ tốc độ có hàm truyền là khâu quán tính với hệ số truyền Kw và hằng số thời gian (lọc) Tw Thường Tw có giá trị nhỏ, khi đó đặt 2Ts’ = 2Ts + Tw, đối tượng điều chỉnh có hàm truyền:

) 1 ' 2 (

1

) (

02 = K KΦT P T p+

K R p S

s c

' 2

1

s u

c

a T K R

T K K

p T K

s

i

2 1

/ 1 +

ω

R

p T K R

UWđ

-IC

MC

EHCD

-UW

SW

1.1.2.2 Sử dụng bộ điều chỉnh tốc độ tích phân tỷ lệ PI:

Trong nhiều thiết bị công nghệ thường có yêu cầu hệ thống điều hỉnh vô sai cấp cao, khi này cơ thể sử dụng phương pháp tối ưu đối xứng để tổng hợp các bộ điều chỉnh Với mạch vòng điều chỉnh tốc độ hàm truyền của bộ điều chỉnh có dạng:

p KT

p T p

R

0 0

1 ) ( = +

Và hàm truyền mạch hở sẽ là:

) 1 ' 2 (

1

1 ) (

K R p KT

p T p

F

s c

8

) ' 2 ( 8

c i u s

s c

i

T K K

K R T

T T K K

K R K

Φ

= Φ

) ' 8

1 1 ( ' 4

1

)

(

p T T

K R

T K K p R

s s

Hàm truyền mạch kín của hệ thống:

1 ] 1 ) ' 2 1 ( ' 4 [ ' 8

' 8 1 )

(

) ( ) (

+ + +

+

=

=

p T p T p T

p T p

U

p U p F

s s

s

s d

' 8 1 )

(

) ( ) (

+ + +

p T p

I

p I p F

s s

s

s c

và tính được sai số tương ứng khi nhiễu tải có dạng hằng số:

1 ] 1 ) ' 2 1 ( ' 4 [ ' 8

) ' 2 1 ( ' 8

' 4

.

)]

( )

+ Φ

ư

= Φ

ư

=

∆

p T p T p T

p T P T T

K

I R T R

p T K

p I p

I

p

s s

s

s s

c

c u s u

c

c

1.1.2.3 Hệ thống điều chỉnh tốc độ khi không có mạch vòng dòng điện:

Khi cả bộ biến đổi và động cơ đều có khả năng quá dòng lớn lại không có yêu cầu cao về điều chỉnh gia tốc, hoặc khi sử dụng các truyền động công suất nhỏ dùng bộ băm xung áp có tần số làm việc lớn đến mức không xuất hiện vùng dòng điện gián đoạn thì

có thể không cần xây dựng mạch vòng điều chỉnh dòng điện

Trong trường hợp Tc > 4Tư thì hàm truyền của đối tượng sẽ là:

) 1 )(

1 )(

1 )(

1 ( ) (

2 1

02

pT pT

pT pT

K p

S

b

s

+ +

+ +

c u c

u u

T T p pT

pT K

c u c

D

T T p pT

pT pT

p R

s

s 2

) 1 )(

1 ( )

1 )

(

) (

+ +

=

p T p T p U

p U

s s

)(

1 (

1

1 ) (

) (

sk k

v k

k

k

pT pT

pT R

p U

p I

+ +

+

trong đó: Uk – giá trị trung bình điện áp ra của bộ biến đổi;

Rk, Tk – thông số dây quấn kích từ;

Tv – hằng số thời gian dòng xoáy

Tsk – tổng các hằng số thời gian nhỏ trong mạch kích từ

Các hằng số thời gian Tk, Tv phụ thuộc vào điểm làm việc trên đặc tính từ hoá, do

đó chúng là phi tuyến, tuy nhiên tỷ số giữa chúng là không đổi Trong trường hợp điều chỉnh từ thông thì cần có sen sơ từ thông:

v v

K p

) (

(1.33) Trong đó Kv là hệ số khuếch đại vi phân, tức là độ nghiêng của đặc tính từ hoá tại

điểm làm việc

Việc tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện kích từ để điều chỉnh tốc độ động cơ gặp nhiều khó khăn do các thông số của mạch kích từ thay đổi rất mạnh khi điều chỉnh Giải pháp chính xác hơn cả là sử dụng các bộ điều chỉnh thích nghi hoặc các bộ

điều chỉnh phi tuyến

Điều chỉnh dòng điện kích từ đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống truyền

động công suất không đổi hoặc khi cần điều khiển đồng bộ tốc độ nhiều động cơ trên một dây truyền công nghệ

Điều chỉnh sức điện động:

Để giữ được giá trị sức điện động là hằng số cần phân phối hợp điều chỉnh tốc độ

và từ thông Do sức điện động là hàm của hai biến (E = KΦω) nên chắc chắn trong hệ thống điều chỉnh phải chứa các khâu chức năng phi tuyến

Để thực hiện sen sơ sức điện động thì đơn giản hơn cả là dùng mạch đo điện áp và dòng điện phần ứng:

) ( ).

1 ( ) ( ) (p U p R pT I p

Khi tốc độ thay đổi, qua sen sơ tốc độ và khối trị tuyệt đối N2 sẽ đưa tín hiệu điều chỉnh độ dốc của phần tuyến tính của khối N1, do:

dm dm

K K p

p E

ω

ωω

ω=

=

Φ ) (

) (

)(

1 (

1 1

) (

sk k

v k

ok

pT pT

pT R

p S

+ +

Từ (2-1) ta thấy điều chỉnh tần số nguồn cung cấp sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ Do vậy cấu trúc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ bao giờ cũng có

bộ biến đổi tần số

Với giả thiết mạch từ động cơ chưa bão hoà, các cuộn dây stato ba pha đối xứng, các tham số của động cơ không thay đổi, ta có thể dùng phép biến đổi tuyến tính Park Tất cả quá trình điện từ cơ của động cơ được biểu diễn trên hệ trục toạ độ d, q (stato) và

D, Q (rôto) (xem hình 1-8b)

Đối với mạch stato:

' '

d q

q s q

q d

d s d

dt

d i R U

dt

d i R U

ωψψ

ωψψ

+ +

=

ư +

kt kt kt

dt

d i R U

D D

D D

Q Q

Q Q

d j

M = ω +

(2.6) Phương trình từ thông

,

i L

=

trong đó:

Q Qp

D Dk D

KD kt kd

pQ q

d dk d

Q D kt q d

L L L

L L L

L L

L L L

L

i i i i i

i

0 0 0

0 0

0 0

0 0 0

0 0

d d s

θθ

2

Im

sin 1

cos

cos sin

q

q d d

s d

d q

x

x X X

U X

E

I I

I

(2.12)

Đồ thị vectơ đ−ợc vẽ trên H.1-10, trong đó góc θ là góc lệch giữa điện áp và sức

điện động, còn gọi là phụ tải, góc ϕ là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp, ψ là góc lệch pha giữa dòng điện và sức điện động (Đối với máy cực ẩn Xd = Xq)

1.2.3 Phân loại hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ

Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ rất phong phú, có cấu trúc và

đặc tính điều chỉnh khác nhau tuỳ thuộc vào công suất, tải và phạm vi điều chỉnh

Trong thực tế, động cơ đồng bộ được chế tạo ở các dải công suất:

Rất nhỏ: vài trăm W đến vài kW

ở dải công suất nhỏ, động cơ đồng bộ cho phụ tải yêu cầu vùng điều chỉnh không rộng lắm, lúc đó bộ biến đổi được dùng là biến tần tiristo, nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên

ở dải công suất vừa và lớn, động cơ đồng bộ thường dùng cho các máy bơm, nén khí, máy nghiền và kéo tàu v.v với vùng điều chỉnh cỡ 10:1 trong các trường hợp này

bộ biến đổi được dùng có hai loại: Biến tần tiristo nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên và biến tần trực tiếp tiristo (cycloconvertor)

Trong phạm vi chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu kỹ hai loại truyền động động cơ đồng bộ: dùng biến tần nguồn áp và biến tần nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên

1.2.4 Hệ truyền động động cơ đồng bộ với bộ biến đổi tần số nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên

Mạch lực của hệ truyền động được trình bày trên H 1.11 bao gồm: chỉnh lưu tiristo (CL), cuộn cảm lọc (Ld) và nghịch lưu tiristo (NL) Để đảm bảo NL làm việc được trong chế độ chuyển mạch tự nhiên, động cơ phải ở chế độ quá kích từ Lúc đó NL thực chất là chỉnh lưu làm việc trong chế độ nghịch lưu bị động với điện áp động cơ, vì vậy trong mạch nghịch lưu không có các phần tử chuyển mạch

PWM R I R w

Vi xử lý

Mạch ghép nối I/O

Hình 1.11 – Sơ đồ nguyên lý truyền động động cơ đồng bộ dùng biến tần tranzito PWM

1.2.4.1 Quá trình chuyển mạch

Trên Hình 1.12 mô tả nguyên lý làm việc của nghịch lưu NL có hai nhóm van: nhóm anốt chung (T1 – T3 – T5) nhóm ca tốt chung (T4 – T6 – T2) Góc dẫn mỗi van 1200

điện, thứ tự dẫn các van theo từng cặp (T1 – T2; T2 – T3; T3 – T4; T4 – T5; T5 – T6; T6 –

T1) Trong một chu kỳ điện áp của động cơ có 6 lần chuyển mạch Do dòng điện vượt trước điện áp, nên khi chuyển mạch: đối với tiristo được mở điện áp có chiều thuận ( (+) anốt; (-) catốt); tiristo bị khoá, điện áp có chiều ngược ((+) catốt; (-) anốt) Vì vậy cần phải có tín hiệu đồng bộ với sức điện động hoặc điện áp động cơ Từ đó mạch phát xung

sẽ phát xung mở sớm một góc so với điện áp của động cơ Việc tạo tín hiệu đồng bộ có thể dùng mạch đo vị trí rôto hoặc đo trực tiếp điện áp động cơ

Hình 1.12 : a) Nguyên lý làm việc của nghịch luu, b) Thứ tự dẫn các tiristo

Trên Hình 1.13 khảo sát quá trình chuyển mạch từ T5 sang T1 Tại thời điểm trước chuyển mạch cặp tiristo T5 – T6 đang dẫn dòng Id, lúc đó

Cuối quá trình dẫn T5 – T6, cho xung mở T1, điện áp UcA > 0, Ua < 0 nên T1 mở, lúc

đó tạo thành mạch vòng ngắn mạch: T1 – pha a – pha c – T5 – T1 Dòng điện i của mạch vòng cùng chiều với dòng qua T1 và ngược chiều với dòng qua T5 (do UcA > 0) Dòng qua T1 thuận lợi hơn nên có trị số tăng dần đến Id, dòng qua T5 khó khăn hơn nên giảm dần về 0, như vậy dòng qua T5 sẽ chuyển sang T1; đồng thời T5 bị điện áp ngược (UC > 0)

đặt lên, nên nó bị khoá Góc β được gọi là góc mở tiristo:

,δ

χ

β = +

trong đó γ là góc trùng dẫn, δ là góc phục hồi đặc tính khoá, δ được tính δ≥ t q

(tq là thời gian khoá tiristo)

Nếu góc δ không đủ lớn, T5 không kịp khoá dẫn đến lật chế độ nghịch lưu

Phương trình dòng điện và điện áp khi chuyển mạch

dt

di dt

di

dt

di L U dt

di L

u

i I

c c

a a

d

c

d b

L ωβ

'' ''

q

d X X

, sinβ1

s r

K

trong đó: β1 là góc lệch giữa Φr và Φs; K là hệ số tỷ lệ

3 / 0

3 / 2

ϕ là góc lệch giữa dòng điện stato và sức điện động E

Giá trị trung bình của mômen được tính:

( t )d t K

3 /

tb K

2 / 0

2 / 0

; 2 / 0

0

πϕ

πϕππ

khi

M

tb

tb tb

1.2.4.3 Giới hạn của chuyển mạch tự nhiên và vấn đề khởi động

Thực chất chuyển mạch tự nhiên của nghịch lưu là chuyển mạch theo điện áp tải Nhờ điện áp của mạch vòng chuyển mạch để mở và khoá các tiristo Khi ở tốc độ thấp,

điện áp động cơ nhỏ, điện trở mạch stato lúc này có thể so sánh với điện cảm, nên gây sụt áp lớn Do vậy ở tốc độ thấp việc chuyển mạch tự nhiên khó khăn hơn, đến một giá trị nào đó thì chuyển mạch tự nhiên sẽ không thực hiện được, đó là giới hạn của chuyển mạch tự nhiên Thực tế giới hạn chuyển mạch tự nhiên ở khoảng tốc độ 5 + 10% tốc độ

định mức động cơ Điều này dẫn đến vấn đề khởi động động cơ từ tốc độ 0 đến (5 410%) tốc độ định mức

Tuỳ theo loại phụ tải, cấu tạo của động cơ và công suất động cơ, ta có các biện pháp khởi động thích hợp

a) Khởi động dùng chuyển mạch cưỡng bức

Làm việc của nghịch lưu chuyểnmạch cưỡng bức giống như trong truyền động điều khiển tần số động cơ không đồng bộ Biện pháp khởi động này dùng cho mọi loại động cơ, ở các giải công suất khác nhau

b) Khởi động dùng phương pháp dòng gián đoạn

Nội dung của phương pháp này là: Dựa vào tín hiệu đồng bộ (vị trí rôto), ta xác định

được điểm chuyển mạch Tại thời điểm đo góc mở chỉnh lưu CL được tăng α1 > 900, dòng Id giảm về giá trị 0 lúc này ta cho xung mở tiristo nghịch lưu để tiến hành chuyển mạch Mặc dù lúc đó điện áp thấp nhưng dòng Id đã giảm về 0, nên chuyển mạch đã thực hiện được, phương pháp khởi động này thường thực hiện ở công suất lớn, tải nhẹ

c) Khởi động bằng phương pháp khởi động không đồng bộ

Phương pháp này giống như khởi động động cơ đồng bộ ta thường gặp Nhưng nó chỉ ứng dụng với động cơ có cuộn dây khởi động (hoặc rôto có lồng sóc khởi động) và

động cơ vận hành với lưới điện áp xoay chiều

6-7.4 Quy luật điều khiển

Việc nghiên cứu quy luật điều khiển ở đây, tương tự như trong truyền động điều khiển tần số động cơ không đồng bộ Tức là cần phải lập luật điều khiển như thế nào đó

để trong suốt giải điều chỉnh động cơ sinh ra mô men khắc phục mômen phụ tải và tổn

thất là nhỏ nhất Đối với truyền động động cơ đồng bộ dùng bộ biến đổi dòng điện chuyển mạch tự nhiên, mômen động cơ phụ thuộc vào ba đại lượng:

- Góc lệch giữa dòng điện và sức điện động ψ được giữ không đổi

Như vậy theo (2-25) ta có M = CId (2-26) trong đó: C là hằng số

Điều chỉnh mômen theo quan hệ (2-26), truyền động động cơ đồng bộ tương đương với truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập

1.2.5 Cấu trúc mạch điều chỉnh tốc độ truyền động động cơ đồng bộ dùng biến tần nguồn dòng

Cấu trúc hệ truyền động động cơ đồng bộ – biến tần nguồn dòng rất đa dạng Mạch lực gồm có bộ chỉnh lưu tiristo CL I cuộn cảm lọc một chiều Ld, nghịch lưu tiristo

NL II, mạch kích từ dùng chỉnh lưu tiristo CL II

đầu đo O1, O2, O3 sẽ đo vị trí rôto cho ta ba tín hiệu PA, PB, PC đồng pha với EA, EB,

EC Đầu đo O4 đo tốc độ động cơ SP Số xung ra ứng với số nhịp trong chu kỳ sức điện

động là 128 xung

- Từ bốn tín hiệu PA, PB, PC và SP đưa vào mạch dịch pha, mạch này có cấu tạo

đơn giản là mạch đếm chương trình 6 bít, bằng việc đặt trước dung lượng đồng bộ đếm ban đầu b0, b1, b2, b3, b4, b5, tương ứng với góc vượt trước ψ

- Mạch phân phối xung và khuyếch đại xung có cấu tạo tương tự như mạch điều khiển nghịch lưu trong điều khiển tần số động cơ không đồng bộ Mômen động cơ có thể viết dưới dạng:

ly mạch lực bằng biến áp hay các phần tử optron) Lúc đó tín hiệu đồng pha không phải

là sức điện động mà là điện áp stato Ua, Ub, Uc và góc lệch pha cần điều khiển là góc ϕ

Ví dụ ϕ = 300 thì αII =1500 ở chế độ động cơ, ϕ = 1500, αII =300 trong chế độ hãm tái sinh

1.3.1 Mô tả toán học động cơ không đồng bộ rô to ruột quấn

Động cơ không đồng bộ rô to ruột quấn là máy điện quay có nhiều dây quấn trên rô to và stato, phương trình cân bằng điện áp của mỗi dây quấn như sau:

dt

d i R

k k k

ψ

+

Từ thông móc vòng của mỗi dây quấn là:

∑

=

k kj

k k

dt

dϑ

Nếu coi động cơ có 1 đôi cực (Zp = 1) thì từ thông các cuộn dây sẽ tính đ−ợc Ví

dụ từ thông dây quấn pha ở stator:

C aC B aB A aA c ac b ab a aa

Trong (3.5) Rs, Rr, Ls1, Lr1, Ms, Mr là các đại l−ợng không đổi

Hỗ cảm giữa các dây quấn rooto và stato là các đại l−ợng phụ thuộc vào góc quay của rô to và xác định theo công thức:

ϑ

cos

M L L L L

L

L aA = Aa = bB = Bb = cC = Cc =

) 3

2 cos(ϑ + π

2 cos(ϑ − π

i i

u u

s

s

R R

0 0

R R

R R

0 0

0 0

0 0

1

s s s

s s

s

s s

s

s

L M M

M L

M

M M

1

r r r

r r

r

r r

r r

L M M

M L

M

M M

+

−

− +

=

ϑπ

ϑπ

ϑ

πϑϑ

πϑ

πϑπ

ϑϑ

ϑ

cos )

3 / 2 cos(

) 3 / 2 cos(

) 3 / 2 cos(

cos )

3 / 2 cos(

) 3 / 2 cos(

) 3 / 2 cos(

cos )

m

m s r

s

i

i L L

L L

) (

) (

ϑ

ϑψ

dt d

L dt

d dt

d L R u

u

r r T

m

m s

s

r

s

) (

) (

d i

ϑ

1.3.2 Vec tơ không gian và các hệ toạ độ biểu diễn ĐCKĐB rô to ruột quấn

Ba dòng pha hình sin phía stato ia, ib, ic của ĐCKĐB không có điểm trung tính có giá trị bằng 0 theo Kirhoff:

0 ) ( ) ( ) (t +i t +i t =

có thể được mô tả dưới dạng vec tơ quay is(t) trong không gian với tần số fs

) ) ( )

( ) ( ( 3

2 )

c j b a

= Ψ

Ψ + Ψ

= Ψ

rq rd r

sq sd s

sq sd s

i i i

ju u u

(3.13)

Nếu chọn trục d (trục thực) của hệ toạ độ mới trùng với trục thực của vec tơ từ thông rô to hoặc từ thông cực từ của ψp thì ta sẽ được các phương trình quan hệ giữa mô men quay với từ thông rô to và các thành phần dòng như sau:

Đối với động cơ KĐB:

sd r

m

sT

L s

+

= Ψ

1 )

Dựa vào (3.14) ta thấy rằng từ thông rôto là hằng số thì dòng isq sẽ đặc trưng cho mô men quay vì vậy có thể sử dụng đại lượng đầu ra không điều chỉnh tốc độ quay là giá trị chỉ đạo cho thành phần dòng trục q

Nếu hình dung hệ toạ độ đứng yên tại một vị trí sao cho trục thực d trùng với trục của một trong ba cuộn dây pha và người ta gọi hệ trục toạ độ ấy là hệ trục toạ độ β hay còn gọi là hệ toạ độ tĩnh Như vậy có thể sử dụng hệ thống hai cuộn dây α và β biểu diễn thay thế cho hệ thống ba cuộn dây của động cơ Dòng điện trong hai cuộn dây mới được xác định như sau:

) 2 ( 3

1 su sv

s

su s

i i i

i i

Để biển diễn cho mối quan hệ giữa các công thức biểu diễn dòng điện trong các

hệ trục toạ độ khác nhau ta mô tả hai hệ toạ độ có điểm gốc chung, trong đó hệ có các trục α và β đứng yên, hệ có các trục d, q là hệ quay với tốc độ góc ωs = dϑ/dt

s s s s

ji i i

ji i

s s s s sd

i i

i

i i

i

ϑϑ

ϑϑ

β α

β α

cos sin

sin cos

suy ra

s j s s s s

s s s s s s s s s

u = ư ϑ ; trong đó: u: là vec tơ bất kỳ

chỉ số trên s vec tơ trong hệ toạ độ stato chỉ số trên f vec tơ trong hệ toạ độ rô to

1.3.3 Mô hình trạng thái ĐCKĐB rô to ruột quấn trên các hệ toạ độ

Để đơn giản trong việc trình bày nội dung này ta sử dụng quy ước sau khi ký hiệu các đại lượng điện và từ thông

Chỉ số trên cao:

f: đại lượng mô tả toạ độ dựa theo từ thông (hệ toạ độ d, q) quay đồng bộ với vec tơ từ thông

s: đại lượng mô tả trên hệ toạ độ α, β cố định với stato

r: đại lượng mô tả trên hệ toạ độ cố định với rô to Chỉ số bên phải phía dưới:

Chữ cái thứ nhất: s đại lượng mạch stato

r đại lượng mạch rô to Chữ cái thứ hai: d,q các thành phần thuộc hệ toạ độ dq

α, β các thành phần thuộc hệ toạ độ α, β của ĐCKĐB biểu diễn lại như sau:

Phương trình điện áp stato:

dt

d i R u

s s s s s s

Ψ +

Phương trình điện áp rô to với hệ thống dây quấn rô to được nối ngắn mạch

dt

d i R

r r r

Ψ +

=

r

n m s

s

s

i L

i

L

i L

m s s

L L L

L L L

3 ) (sin 2

3

r r

r p i

s s p

3

s m p s

s m p

J m m

p C M

Một cách tổng quát ta biểu diễn các đại lượng vật lý của động cơ trên một hệ toạ

độ quay với tốc độ góc ωk bất kỳ Khi đó áp dụng các công thức chuyển hệ toạ độ như ở (3.18) ta được:

k

j k

k s s

dt

d dt

r = Ψ eϑ

k k

j k

j k k r

r

e j dt

e d dt

Phương trình điện áp stato:

k s k

k s k s k

dt

d i R

Phương trình điện áp rô to:

k r k

k r k

dt

d i

f s f s f

dt

d i R

Phương trình điện áp rôto (ωk = ωs - ω = ωr)

k r r

f r f r f

dt

d i R

s s s s s s

Ψ +

Phương trình điện áp rôto (ωk = - ω)

s r

s r s r s

dt

d i R

+

= Ψ

Ψ

ư

Ψ +

=

Ψ +

=

s r s s m s r

s r m s s s s

s r

s s s r

s s s s s s

i L i L

i L i L

j dt

d i R

dt

d i R u

ω

0

Từ hai phương trình từ thông ta rút ra được:

) (

s m s r r

m s s s

L

L i

ư +

=

Ψ + +

=

dt

d j

T

i i T

L

dt

d L

L dt

di L i R u

s r r r

s s r

m

s r r m s s s s s s

s

) (

σ

(3.35)

) (

T = / ; T r = L r/R r: hằng số thời gian stato, rô to

Biến đổi (3.31) ta thu được hệ phương trình:

= Ψ

Ψ

ư Ψ

ư

= Ψ

+ Ψ

ư

ư Ψ

ư +

ư + Ψ

ư +

β

β α α

α

β α

β β

β

α β

α α

α

ωω

σ

ωσ

σσ

σσ

σσ

σ

ωσ

σσ

σσ

σσ

r r r s r r

r r

r s r r

s s r r

r s

r s

s

s s r r

r s

r s

s

T

i T dt d

T

i T dt d

u L T

i T T

dt

di

u L T

i T T

dt

di

' 1 1

'

' '

1 1

'

1 ' 1

' 1 1

1

1 ' 1

' 1 1

1

(3.37)

Kết hợp với phương trình mô men của ĐCKĐB

1.3.4 Điều khiển động cơ KĐB rô to dây quấn

Dưới đây là các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ rô to ruột quấn hay được ứng dụng trong thực tế

1.3.4.1 Phương pháp điều chỉnh điện áp stator động cơ bằng bộ điều áp xoay chiều

Động cơ không đồng bộ khi hoạt động với tần số không đổi thì mômen tỉ lệ với bình phương điện áp stator Do vậy ta có thể điều chỉnh được mômen và tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp cấp vào cuộn dây stator

Có nhiều phương pháp để thay đổi điện áp động cơ như dùng biến áp tự ngẫu,

điện kháng hoặc bộ bán dẫn làm điều áp xoay chiều Tuy nhiên bộ điều áp xoay chiều có nhiều ưu điểm và được sử dụng nhiều hơn trong thực tế

Từ công thức tính mômen tới hạn :

)XR(R

2ω

3UM

2 nm

2 1 1

1

2 1 th

++

thu

U

UM

nm 2

' 2 1 1

' 2

2 1++

Khi tốc độ quay của động cơ là không đổi :

2

* b

M

Trong đó : Uđm - điện áp định mức của động cơ

Ub - điện áp đầu ra của điều áp xoay chiều

Mthđm - mômen tới hạn khi điện áp là định mức

Mu - mômen động cơ ứng với điện áp điện áp điều chỉnh

Mgh - mômen khi điện áp là định mức và có điện trở phụ Rf

Vì đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ có độ trượt tới hạn sth bé, nên khi sử dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp động cơ thì dải điều chỉnh nhỏ nên phương pháp này không áp dụng cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc Để tăng dải điều chỉnh người ta thường nối thêm điện trở phụ mạch rotor đối với

động cơ rotor lồng sóc để làm tăng sth

Trên đồ thị hình 1.14

Đường 1 là đường đặc tính cơ tự nhiên với Uđm , Rf = 0

Đường 2 là đường đặc tính cơ giới hạn với U=Uđm, Rf ≠ 0

Đường 3 là đường đặc tính giảm điện áp với Ub1 < Uđm

Đường 4 là đường đặc tính giảm điện áp với Ub2 < Ub1

Ri Rw

isu

iru

fR

Ub 2,

Mth2

1 2 3 4

Từ đặc tính điều chỉnh ta thấy phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ như quạt gió, bơm ly tâm

1.3.4.2 Điều chỉnh điện trở mạch rotor

Như ta đã biết ảnh hưởng của điện trở rotor đến đặc tính cơ của động cơ không

đồng bộ là khi Rr tăng, Sth giảm, Mth không đổi Do vậy người ta cũng có thể sử dụng

phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch rotor để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng

bộ

Khi đó điện trở trong mạch rotor : Rr= Rrd+Rf

Trong đó : Rrd - điện trở dây quấn rotor

Rf - điện trở ngoài mắc thêm vào mạch rotor

Và độ trượt

rd

r iR

R.s

s= , M = const

si - độ trượt khi điện trở mạch rotor là Rrd

suy ra

i rd

2 r 1

r

2 r

ω.s

R3Isω

R3I

Từ công thức (2- 49) ta thấy nếu giữ dòng điện rotor không đổi thì mômen cũng không đổi và không phụ thuộc vào tốc độ động cơ Vì vậy mà có thể ứng dụng phương pháp điều chỉnh điện trở mạch rotor cho truyền động có mômen tải không đổi

Hình 1.15 là sơ đồ nguyên lý của điều chỉnh trơn điện trở mạch rotor bằng phương pháp xung và đặc tính điều chỉnh

Trên sơ đồ nguyên lý điện áp phía rotor ur được chỉnh lưu bởi cầu diode qua điện kháng lọc L cấp cho điện trở R1

Việc đóng cắt điện trở R1 vào mạch rotor được thực hiện bởi bộ điều chỉnh xung (BDX) Bộ này gồm 1 thyristor Tc nối song song với R1, thyristor phụ Tf và tụ C có tác dụng khoá cưỡng bức Tc

Khi Tc thông, điện trở R1 được ngắn mạch , dòng điện rotor tăng

Khi Tc không thông, điện trở R1 được đưa vào mạch, dòng điện rotor giảm, điện cảm L có tác dụng ổn định dòng điện rotor Và với tần số đóng ngắt điện trở R1 một cách chu kỳ ta có 1 giá trị điện trở tương đương Re đưa vào mạch rotor Thời gian đóng điện trở R1 là t1 và thời gian ngắt là t2 Chu kỳ đóng ngắt là T = t1+t2 khi đó:

1

1 1 2

(

2

e rd

d R R I

+ Tổn hao trong mạch rotor đối với mạch xoay chiều 3 pha :

) (

3 2

f rd

r R R I

Vì tổn hao công suất là như nhau nên ta có :

) 2

( ) (

e rd d f rd

r R R I R R

đối với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha thì I d2=1,5I r2 nên :

2

1 R1R

M Mth

t

t

0R4

0R41

1.3.4.3 Điều chỉnh công suất trượt

Về nguyên tắc điều khiển thì phương pháp điều chỉnh công suất trượt hay còn gọi

là sơ đồ nối tầng tương đương với phương pháp điều chỉnh điện trở rotor Bản chất của 2 phương pháp này là điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh tổn hao năng lượng phía rotor

Đối với phương pháp điều chỉnh điện trở rotor thì năng lượng đó được toả nhiệt thông qua điện trở rotor Còn với phương pháp điều chỉnh công suất trượt thì năng lượng này lại được trả về lưới Tuy nhiên phương pháp điều chỉnh công suất trượt chỉ có ý

nghĩa đối với những hệ truyền động công suất lớn, lúc này năng lượng trả về lưới mới

đáng kể

Sơ đồ khối hệ nối tầng như hình vẽ 1.16

ĐKB

Ri Rw

d

u

idu

dNu

dI

Độ lớn dòng điện rotor chỉ phụ thuộc vào mômen tải của động cơ mà không phụ thuộc vào góc điều khiển nghịch lưu Cụm mạch chỉnh lưu- nghịch lưu phụ thuộc chỉ

làm thay đổi được góc pha của dòng điện ở phía xoay chiều của nghịch lưu khi điều chỉnh góc mở α

- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu và nghịch lưu là tương đương: Udr=Udn=Ud

sai lệch về giá trị tức thời giữa điện áp chỉnh lưu và nghịch lưu là điện áp trên điện kháng lọc L

Với giả thiết bỏ qua điện trở, điện kháng tản của mạch stator đồng thời coi động cơ có số vòng dây stator và rotor là như nhau thì giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu khi Id = 0 là :

1

0 1

33

ω

ω

ω π

d r d r s

e m

ω

ω

Trong đó ω2 =ωe ưω : tần số trượt của rotor

Khi đó dòng điện chỉnh lưu trung bình:

)(

.)

(

, ,

σ

σ σ

ω

π ω

ω ω ω

ω

ω ω

r

r r

m

r

r r

e m

d

X

R s

s X

s U L

R L

U I

323

323

0 1

1 1

1 1

0 1

++

=+

1 1

0 1 0

3

π ω

1m.Iω

Up'

1m dr

s

s')s

s'(1X

U

x

3X

2ππs's

Mômen hệ thông nối tầng :

x x rσ

s'.(1L

1.ω

Up'

1.4 Động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc

1.4.1 Vector không gian và hệ toạ độ từ thông

Khi cấp vào các cuộn dây động cơ xoay chiều ba pha điện áp hình sin, trong cuộn dây stator sinh ra dòng xoay chiều tương ứng Tại thời điểm tức thời, nếu điểm trung tính

bỏ ngỏ, tổng giá trị dòng bằng zero:

Isu(t) + isv(t) +isw(t) = 0

Dòng các pha có biên độ giống nhau, vận số góc ωs nhưng lệch pha nhau 1200 về thời gian Điều này gợi ý cho ta rằng có thể biểu diễn cả ba dòng điện bằng một vector quay với cùng vận tốc góc, và hình chiếu của nó lên ba trục không gian lệch nhau 1200

chính là trị số tức thời của dòng điện pha Vector đó được đặt tên là vector dòng is:

2 j π

sv t e i

3

2

) ( 3

2 j π

sv t e i

) ( 3