Đồ án điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ mô phỏng đặc tính trên matlab

Đặc biệt là hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử dụng cho động cơ KĐB rôto lồng sóc sẽ có kết cấu đơn giản vữngchắc giá thành hạ có thể làm việc trong

đồ án môn hoc Tổng hợp hệ điện cơ

Lời nói đầuTrong những năm gần đây có sự ra đời và ngày cànghoàn thiện của các bộ biến đổi điện tử công suất, với kíchthớc gon nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễ dàng ghép nối vớicác thiết bị vi sử lý các hệ thuyền động ngày nay thờng

sử dụng nguyên tắc sử dụng véc tơ cho các động cơ xoaychiều Phần lớn các điều khiển này thơng dùng kĩ thuật sốvới chơng trình phần mền linh hoạt, dễ dàng thay đổi cấutrúc tham số hoặc luật điều khiển Vì vậy tăng độ chínhxác và tác động nhanh cho hệ truyền động

2 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng ph ơng pháp tần số:

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến

đổi tần nguồn áp, cho phép mở rộng phạm vi sử dụng độngcơ KĐB trong nhiều ngành công nghiệp Nó cho phép mởrộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của

hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung

và động cơ KĐB nói riêng Trớc hết chúng ta ứng dụng cho cácthiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc

nh các truyền động của nhóm máy dệt, băng tải, bánh lăn phơng pháp này còn đợc ứng dụng cho cả các thiết bị đơn lẻnhất là những cơ cấu có yêu cầu tốc tốc độ cao nh máy lytâm , máy mài Đặc biệt là hệ thống điều chỉnh tốc độ

động cơ bằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử dụng cho

động cơ KĐB rôto lồng sóc sẽ có kết cấu đơn giản vữngchắc giá thành hạ có thể làm việc trong nhiều môi trờng

Nhợc điểm cơ bản của hệ thống này là mạch điều khiển rấtphức tạp

Đối với hệ thống này động cơ không nhận điện từ lới chung

mà từ một bộ biến tần Bộ biến tần này có khả năng biến

đổi tần số và điện áp ra một cách độc lập với nhau Trongphần này đề cập đến hai nội dung : Nguyên lý điều chỉnh

tốc độ động cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số và các loạibiến tần dùng trong hệ truyền động biến tần - động cơ KĐB

a Nguyên lý điều chỉnh tần số:

Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách biến

đổi tần số fi của điện áp stato đợc rút ra từ biểu thức xác

*Khi s giảm từ thông  của động cơ lớn lên làm cho mạch từbão hoà và dòng điện từ hoá lớn lên Do các chỉ tiêu năng lợngxấu đi và đôi khi nhiều động cơ còn phát năng lợng quá mứccho phép

*Khi s tăng từ thông  của động cơ giảm xuống và nếumômen phụ tải không đổi thì theo biểu thức M =k..I.n.cos ta thấy dòng điện rôto Ir phải tăng lên.Vậy trongtrờng hợp này dây quấn động cơ chịu quá tải còn lõi thépthì phải non tải Ngoài ra cũng vì lý do trên mômen chophép và khả năng quá tải của động cơ giảm xuống

Vì vậy để tận dụng khả năng động cơ một cách tốt nhất làkhi điều chỉnh tốc độ bằng phơng pháp biến đổi tần sốngời ta còn phải điều chỉnh cả điện áp và dòng điện theohàm của tần số và phụ tải

Việc điều chỉnh này chỉ theo hàm của tần số có đặc máysản xuất có thể đợc thực hiện trong hệ kín Khi đó nhờ cácmạch hồi tiếp điện áp ứng với một tần cho trớc nào đó sẽ biến

đổi theo phụ tải

Yêu cầu chính đối với đặc tính của truyền động điềuchỉnh tần số đảm bảo độ cứng đặc tính cơ và khả năngquá tải trong toàn bộ dải điều chỉnh tần số và phụ tải ngoài

ra còn có thể có vài yêu cầu về điều chỉnh tối u trong chế

độ tĩnh

b Các loại biến tần :

gồm hai loại: Biến tần trực tiếp

Biến tần gián tiếp

I.Biến tần trực tiếp:

Điện áp vào BT có điện áp U1 và tần số f1 chỉ qua một mạchvan là ra ngay tải với tần số f2,U2.

Đặc điểm:

Hiệu suất biến đổi năng lợng cao do chỉ có một lần biến

đổi điện năng Thực hiện hãm tái sinh năng lợng mà khôngcần mạch điện phụ

Hệ số công suất thấp,tần số đIều chỉnh bị giới hạn trên bởitần số nguồn cung cấp.Thờng dùng cho hệ truyền động côngsuất lớn,tốc độ làm việc thấp

II.Biến tần gián tiếp:

 Biến tần nguồn dòng :

Sơ đồ đơn giản, làm việc tin cậy, đã từng đợc sử dụngrộng rãi để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha,rôto lồng sóc Sơ đồ gồm một cầu chỉnh lu và một cầu biếntần, mỗi tiristor đợc nối tiếp thêm một một điôt gọi là điôtchặn

MTKb 512.8 380/220V 50Hz TĐ 25%

Pđm = 37 kW

Chọn Diôt loại B - 200 có các thông số sau:

LoạI Itb(A) Uim(V) U(V) Tốc độ

quạt(m/s)B-

Chọn Tiristor loại TL - 250 có các thông số sau:

Loại I(A) Uim(V) U(V) Toff(s) Ig(V) Ug(V) du/

dt(V/s)TL.25

0 250 300-1000 0,82 70-250 0,4 8 20-200

* Tụ chuyển mạch C1 - C6 đợc tính theo công thức

Trong đó:

- fn: tần số định mức = 50Hz

- fmax: tần số cực đại = 100Hz

- Im: dòng từ hoá

- In: dòng định mức = 91A

- L: điện cảm một pha (rôto+stato) = 2x7,3.10-3H

- Um: biên độ cực đại điện áp dây = 380V

=212 F Chọn C = 200 F

- Dòng trung bình chảy qua T1-T0

- Điện áp ngợc đặt lên mỗi van:

- Chọn KI=2; KU=1,6

IC=2x38,9=78,980 (A)

UC=1,6x930,81500 (V)

Chọn Tiristor Loại T-250 có các thông số sau:

Loại I(A) Uim(V) U(V) Toff(s) Ig(V) Ug(V) du/

dt(V/s)T.250 250 100-

2200 1 150-250 0,3 5 20-500

3 Tính toán các tham số cần thiết cho tổng hợp.

UN=220V PN=37kW n=720v/p

IN=91A f=50Hz cos=0,78

1 Tính dòng kích từ danh định.

2.Tính dòng danh định tạo mômen quay I sqN

3 Hằng số thời gian roto T r ở chế độ danh định.

4 Tính điện kháng phức tiêu tán toàn phần X ở chế độ danh định.

Máy phát tốc là thiết bị đo tốc độ trong hệ truyền

động Mạch nguyên lý đo tốc độ bằng máy phát tốc mộtchiều

Khi từ thông máy phát tốc không đổi điện áp đầu ramáy phát tốc

Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền máy phát tốcK hệ số tỷ lệ K = U/ U = 10V

f là hằng số thời gian của bộ lọc và <5ms

Chọn f = 0,001s = 1ms

Hàm truyền máy phát tốc:

b.Phản hồi dòng:

Sử dụng mạch phản hồi dòng một chiều có cấu tạo đợc trìnhbày trên hình vẽ

Nguyên lý hoạt động:Dòng Id sau mạch chỉnh lu đợc choqua đIện trở Rsun sẽ tạo ra một đIện áp vi sai có độ lớn trongkhoảng từ 0-75mV.ĐIện áp vi sai này đợc đa vào đầu vàocủa khuyếch đạI thuật toán để khuyếch đạI tạo ra đIện áp

ra tỉ lệ với dòng Id.

Chọn đIện áp vào vi sai bằng 75mV

điện áp ra sau khuyếch đại thuật toán bằng 10V

=>hệ số khuyếch đại của OA bằng:

Chọn R1=1k => R2=133k

Chơng V: Tổng hợp hệ điều khiển

I Luật điều chỉnh từ thông không đổi

Từ các quan hệ tính mômen có thể kết luận rằng nếugiữ từ thông máy hoặc từ thông stator không đổi thìmômen sẽ không phụ thuộc vào tần số và mômen tới hạn sẽkhông đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh Nếu coi RS = 0thì:

Tuy nhiên ở vùng tần số làm việc thấp khi mà sụt áp trên

điện trở stator có thể so sánh đợc sụt áp trên điện cảmmạch stator khi đồng thời từ thông cũng giảm đi và do đómômen tới hạn cũng giảm đi

Có thể thiết lập đợc chiến lợc điều chỉnh để giữ biên

độ từ thông rotor không đổi: ở phần mô tả độngcơ không đồng bộ, hoặc dựa vào sơ đồ thay thế ta có thểtính đợc từ thông rotor và phơng trình cân bằng mạch rotor

ở dạng các thành phần vector trên các trục toạ độ ox và oy:

Nếu giữ đợc biên độ vector từ thông thì =0

và và ta có phơng trình cân bằng mạc rotor:

trong đó:

Tách các số hạng dòng điện sang một vế, sau đó bìnhphơng 2 vế của từng phơng trình và cộng hai phơng trìnhvới nhau, đồng thời để ý rằng:

Ta có thể rút ra biểu thức cuối cùng:

Vậy khi giữ biên độ từ thông rotor không đổi thìvector từ thông rotor luôn vuông pha với vector dòng điệnrotor và do đó momen điện từ của động cơ hoàn toàn tỷ lệvới biên độ dòng điện rotor

Điều chỉnh từ thông là trờng hợp giữ từ thông luônkhông đổi và bằng giá trị từ thông định mức, nh vậy có thểkhai thác hết công suất mạch từ của động cơ KĐB

* Trong thiết kế môn học này chọn phơng pháp điều khiểntần số thông qua từ thông động cơ cụ thể là điều chỉnh từthông không đổi qua quan hệ dòng chính lu Id và tần số trợt

f2

- Bản chất của phơng pháp này là thông qua việc duy trìquan hệ giữa dòng điện stato I1 và tần số trợt f2 sao cho từthông của máy điện đợc giữ không đổi

 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tần số động cơ KĐB quaquan hệ I1 (f2)

- Sơ đồ cấu trúc điều khiển gồm hai kênh điều khiển:

* Kênh điều khiển biên độ bao gồm hai mạch vòng điềuchỉnh: mạch vòng điều chỉnh tốc độ và mạch vòng điềuchỉnh dòng điện Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển tốc

độ R là tín hiệu đặt của mạch vòng điều chỉnh dòng

điện Tín hiệu ra của bộ điều chỉnh dòng điện là tín hiệu

điều khiển biên độ a dòng Id

* Kênh điều khiển tần số thực hiện quan hệ:

Trongđó fm: tần số quay r

f2: tần số trợt

Tín hiệu tỉ lệ với dòng điện lấy ra từ đầu ra bộ điềuchỉnh tốc độ R đợc đa qua khâu đạo hàm phi tuyến

Ta có quan hệ:

trong đó

- Để đơn giản trong việc tổng hợp các bộ điều chỉnh dòng

điện Ri và tốc độ R ta giả thiết rằng:

- Để tiện cho việc tính toán, thiết kế đợc bộ điều chỉnhdòng điện R1, ngời ta dùng sơ đồ đơn giản sau:

Trong đó Ld, Rd: điện cảm, điện trở cuộn kháng lọc

L1t, R1: điện cảm tản, điện trở 1 pha stato

L2t, R2: điện cảm tản, điện trở 1 pha roto quy đổi vềstato

R/1

K



K đo

III Thành lập sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ.

* Mômen điện từ ở chế độ tĩnh có dạng

s: tốc độ truyền của động cơ

Tr: hằng số thời gian mạch roto

=> Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng

R/K

CL

CL



32

R

L 2

3

Jp1





 pT1

K

K do

* Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng điện

và tốc độ sau khi đã tuyến tính hoá (bỏ qua hệ số thời gian

điện từ)

IV Tính toán các tham số trong sơ đồ tuyến tính hoá

1 Hệ số máy biến dòng điện (đo dòng một chiều)

CL

I CL



32

Isdm: dòng điện định mức Idđm = 117 A (khi Is

= đm = 91A)

4 Khâu chỉnh lu

trong đó

pT 1 (

Với

=> Hàm truyền của đối tợng điều chỉnh:

* áp dụng tiêu chuẩn môdun tối u với hàm truyền:

=> Hàm truyền đạt bộ điều chỉnh dòng điện Ri là khâu tỉ

lệ tích phân (PI):

Vậy hàm truyền

=> Hàm truyền của mạch vòng dòng điện:

*kiểm nghiệm bộ điều chỉnh dòng Ri bằng Matlab-Simulink:

Đặc tính quá độ của dòng điện:

trong đó

 Ta có mạch vòng tốc độ sau khi đã tổng hợp mạch vòngdòng điện

- Khi bỏ qua MC ta có sơ đồ tơng đơng sau:

K F

* Hàm truyền của đối tợng cần điều khiển:

* áp dụng tiêu chuẩn môdun tối u đối xứng với hàm truyền:

Ta thấy thời gian trễ nhỏ có thể bỏ qua.

Để giảm độ quá điều chỉnh

Đặc tính quá độ của mômen động cơ với tảI định mức vàkhông định mức

6.25 0.18175s+1 Transfer Fcn6

1

0.044s+1

Transfer Fcn5

0.1326 0.001s+1 Transfer Fcn4

1 1.8s Transfer Fcn3

37.5 0.005s+1 Transfer Fcn2

0.18175*0.8702s+0.8702 0.18175s Transfer Fcn1

0.044s+1 0.04619s Transfer Fcn Step

Scope2

Scope

K Matrix Gain3

K Matrix Gain2

K Matrix Gain1

K

Matrix Gain

0 Constant

- Xung điện áp dùng đờng đa vào cực phải đủ lớn về biên độ

và độ rộng

- Có điện áp dơng đặt lên thyristor từ A->K

Để thay đổi điện áp, dòng điện => phải thay đổi góc mở nghĩa là thay đổi thời điểm phát xung hay góc  Ta áp dụngphơng pháp điều khiển số

1 Sơ đồ mạch điều khiển (một kênh).

- Điện áp các pha A, B, C đợc đa qua bộ đồng bộ với lới đợc 6 tínhiệu đồng bộ +A, +B, +C, và -A, -B, -C tạo ra các xung tơngứng với góc mở =0 của 6 thyristor

- Mỗi xung ra từ bộ đồng bộ với lới đợc đặt vào trigơ RS để tạo

- Tần số bộ phát xung có thể thay đổi do đó thời gian đếm 16xung có thể thay đổi hay có thể thay đổi góc mở 

- Thời gian đếm 16 xung:

- Ta thấy trong khoảng nếu tần số fx càng lớn và số bit bộ

đếm càng lớn thì độ chính xác càng cao nhng tuy nhiên nó bịhạn chế bởi mặt công nghệ và giá trị kinh tế Vì vậy ở đâychọn bộ đếm môdun 16

- Khi tần số tăng thì thời gian đếm hết 16 giảm do đó  bé vàngợc lại Khi góc  biến thiên từ 0-180 với tần số ??? f=50Hz =>thời gian t tơng ứng từ 0->0,01s

đa về khoá không cho bộ đếm hoạt động

- Xung ra từ (D) đợc đa tới cổng AMD cùng với xung tần số cao

đợc phát ra từ mạch tự dao động 555 để tạo ra xung (E) đa

đến biến áp xung để tạo xung điều khiển mở thyristor tại thời

điểm (góc ) đã định

 Sơ đồ điều khiển một kênh và biểu đồ dạng xung đợctrình bày nh hình vẽ

Sơ đồ mạch điều khiển một kênh chỉnh l

B Mạch điều khiển nghịch lu

- Chức năng của mạch điều khiển là tạo ra những xung có biên

độ, độ rộng và thời điểm thích hợp để điều khiển mở cácTiristor của mạch động lực sao cho các Tirisitor của bộ nghịc ludòng 3 pha đợc đóng mở thứ tự từ T1-T6 lẹch nhau /3

1 Sơ đồ khối chức năng

FX: Bộ phát chủ đạo, phát xung có tần số thích hợp với yêu cầucủa tần số bộ biến tần

FFX: Phân phối xung từ FX đến các Tiristor

TX: Trộn giữa xung của FFX với xung của DĐ để tạo xung chùm.DĐ: Bộ tạo xung dao động có tần số không đổi

KĐ: Khuyếch đại xung có biên độ thích hợp để mở Tiristor

2 Yêu cầu đối với mạch điều khiển

a Bộ FX: Tự động phát ra xung có tần số thay đổi đợc

Chu kỳ dòng điện ra của bộ biến tần nguồn dòng:

f: tần số ra của BBT 3 pha

Chu kỳ bộ FX:

b Bộ DĐ: Phát ra xung có tần số không đổi cung cấp cho TX

Thay đổi R trong mạch sẽ đợc tần số ra thay đổi

- Để thực hiện đợc yêu cầu trên, ta thấy: Bộ FFX là sử dụngthanh ghi dịch 6 bit Thời gian để 1 bit của thanh ghi trở vềtrạng thái ban đầu phải bằng chu kỳ của

dòng điện ra Thực hiện mạch này bằng 3 D-FF đợc mắc nhhình vẽ

=> Tạo ra 3 xung A, B, C lệch nhau 120o Dịch các xung này đi

60o ta đợc các xung A’, B’, C’ tơng ứng Để tạo đợc xung phát T1,

T2, T3, T4, T5, T6 ta chỉ việc đa các xung ban đầu và các xung

đã dịch đi 60 của nó vào mạch AND => Thoả mãn dạng xungcần có

Từ nhận xét trên và qua bảng trạng thái ngõ ra của thanh ghidịch 6 bit ta thấy:

- Các tín hiệu A, B, C lần lợt đợc lấy từ các đầu ra Q1, Q3 và

- Các tín hiệu A’, B’, C’ lần lợt đợc lấy ra từ các đầu ra Q2, và

- Giả sử giản đồ phát xung đã trình bày ở trên là dùng để phátcho BBĐ cung cấp dòng cho Động cơ làm việc ở chế độ chạythuận Để động cơ quay ngợc ta chỉ cần đổi thứ tự phát xungvào các Tiristor bằng cách đổi pha B cho pha C Việc này đợcthực hiện dễ dàng bằng MUX 74157 đợc trình bày nh trênhình vẽ

- Để hãm tái sinh năng lợng, phải ??? (trang 28) chậm các Tiristorcủa bộ nghịch lu do đó làm giảm tần số của bộ nghịch lu saocho động cơ quay quá tốc độ đồng bộ và trở thành máy phát.Trong chế độ hãm tái sinh ta chỉ cần đảo các xung A’, B’, C’.Việc này cũng đợc thực hiện bằng vi mạch ??? kênh MUX 74157

- Bộ KĐX làm nhiệm vụ khuếch đại xung điều khiển có biên

độ, độ rộng thích hợp cho việc điều khiển mở Tiristor

- Mạch KĐX đợc thực hiện bằng BAX

C Các mạch bảo vệ:

1 Mạch hạn chế dòng:

Trong thực tế, hệ thống thờng mất ổn định do dòng

điện vợt quá giới hạn cho phép Nguyên nhân của hiện tợng này

là do nhiễu loạn động của hệ thống gây ra Đây là nhiễu loạnkhông khắc phục đợc Để hạn chế nhiễu loại này ta dùng khâuhạn chế lợng đặt đầu vào của mạch vòng dòng điện không v-

ọt quá giới hạn

Khi U1>0, nếu U1>U+ thì D+ mở, U2=U+

Khi U1<0, nếu thì D- mở, U2=U

-2 Mạch hạn chế gia tốc và giảm tốc:

Trong các hệ truyền động điện dùng bộ biến đổi điện

tử công suất, do độ tác động nhanh của bộ biến đổi nên cầnhạn chế tốc độ tăng lợng đặt đầu vào của mạch vòng tốc độ.Cấu tạo của bộ này gồm: khâu so sánh, khâu tích phân, khâuhạn chế

Tín hiệu đầu vào khâu so sánh là

Trong đó:

Umax: điện áp bão hoà đầu ra khâu so sánh

Trong đó:

UHCmax: điện áp hạn chế

: hằng số tích phân

Uw: điện áp đầu vào (khâu tín hiệu)

: điện áp dầu ra (tín hiệu đặt sau khi đã đi qua khâuhạn chế)

Vậy lợng tăng tốc độ đặt: