Bài giảng truyền động điện full (pgs ts lê tiến dũng)

Chương 1. KHÁI NIỆM CHUNG 1.1. Khái niệm 1.2. Cấu trúc và phân loại hệ truyền động điện 1.3. Nguyên lý phần cơ của hệ truyền động điện 1.4. Nguyên lý biến đổi năng lượng điện cơ 1.5. Khái niệm đặc tính cơ (Torque – Speed characteristic) 1.6. Đặc tính cơ điện (Current – Speed characteristic) 1.7. Các trạng thái làm việc của truyền động điện 1.8. Các loại tải của hệ truyền động điện 1.9. Ứng dụng của truyền động điện 6 KHOA ĐIỆN PGS. TS. Lê Tiến Dũng Chương 2. HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 3.1. Khái niệm chung 3.2. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống 3.3. Mô hình toán học của động cơ một chiều kích từ độc lập 3.4. Phương trình đặc tính cơ ở chế độ xác lập và ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ 3.4 Vấn đề khởi động và đảo chiều 3.5 Hãm dừng động cơ 3.7 Các phương pháp điều khiển tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Bài tập Chương 2 5 6 Downloaded by EBOOKBKMT (ebook.infogate.vngmail.com) lOMoARcPSD|12484561 4 7 KHOA ĐIỆN PGS. TS. Lê Tiến Dũng Chương 4. HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ XOAYCHIỀU 3 PHA KĐB 4.1. Khái niệm chung 4.2. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống 4.3. Phương trình đặc tính cơ ở chế độ xác lập và ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ 4.4. Vấn đề khởi động và đảo chiều 4.5. Hãm dừng động cơ 4.6. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ 4.7. Biến tần bán dẫn làm việc với động cơ không đồng bộ 8 KHOA ĐIỆN PGS. TS. Lê Tiến Dũng Chương 5. HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ, ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 5.1. Khái niệm chung 5.2 Phân loại hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ. 5.3 Hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu 5.4. Giới thiệu hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ 1 chiều không chổi than 7 8 Downloaded by EBOOKBKMT (ebook.infogate.vngmail.com) lOMoARcPSD|12484561 5 9 KHOA ĐIỆN PGS. TS. Lê Tiến Dũng Chương 6. TÍNH CHỌN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 6.1. Những vấn đề chung 6.2.Các chế độ làm việc của truyền động điện 6.3. Hướng dẫn lập biểu đồ phụ tải của hệ thống truyền động điện 6.4. Hướng dẫn tính chọn công suất động cơ hệ thống truyền động điện 6.5. Kiểm nghiệm công suất động cơ 6.6. Chọn phương án truyền động 6.7. Những thông số cơ bản để tính chọn bộ biến đổi cho hệ truyền động điện 6.8. Mạch bảo vệ hệ truyền động điện

- Giảng viên phụ trách chính: PGS TS Lê Tiến Dũng

- Giảng viên cùng giảng dạy:

PGS TS Đoàn Quang Vinh, TS Giáp Quang Huy

4 Điều kiện tham gia học phần:

- Học phần học trước: Máy điện

- Học phần song hành: Điện tử công suất, PBL2 Thiết kế hệ thống Truyền

động điện

1

2

PGS TS Lê Tiến Dũng

Mô tả tóm tắt học phần:

Môn học cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về truyền động điện: Cấu trúc cơ

bản của các hệ thống truyền động điện một chiều, xoay chiều ba pha không đồng bộ, xoay

chiều đồng bộ Các phương trình đặc tính cơ và các trạng thái làm việc của hệ thống truyền

động điện, các nguyên lý biến đổi năng lượng điện – cơ trong hệ thống truyền động điện,

các trạng thái hãm của động cơ và các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ Phương

pháp tính chọn công suất động cơ và các thành phần trong hệ truyền động điện.

4

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến DũngChuẩn đầu ra của học phần:

 Nhận dạng, phân tích được các thành phần trong một hệ thống truyền động điện.

 Hiểu và trình bày được nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền động điện, viết được

phương trình đặc tính cơ của các loại động cơ.

 Hiểu và phân tích được các trạng thái làm việc của hệ thống truyền động điện, các

nguyên lý biến đổi năng lượng điện - cơ trong hệ thống truyền động điện, các trạng thái

hãm của động cơ, các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

 Tính toán được một số bài toán cơ bản về chọn các thành phần của hệ thống truyền

động điện

3

PGS TS Lê Tiến DũngNỘI DUNG CHI TIẾT

Chương 1 KHÁI NIỆM CHUNG

1.1 Khái niệm

1.2 Cấu trúc và phân loại hệ truyền động điện

1.3 Nguyên lý phần cơ của hệ truyền động điện

1.4 Nguyên lý biến đổi năng lượng điện - cơ

1.5 Khái niệm đặc tính cơ (Torque – Speed characteristic)

1.6 Đặc tính cơ - điện (Current – Speed characteristic)

1.7 Các trạng thái làm việc của truyền động điện

1.8 Các loại tải của hệ truyền động điện

1.9 Ứng dụng của truyền động điện

6

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

Chương 2 HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

3.1 Khái niệm chung

3.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống

3.3 Mô hình toán học của động cơ một chiều kích từ độc lập

3.4 Phương trình đặc tính cơ ở chế độ xác lập và ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ

3.4 Vấn đề khởi động và đảo chiều

PGS TS Lê Tiến Dũng

Chương 4 HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 PHA KĐB

4.1 Khái niệm chung

4.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống

4.3 Phương trình đặc tính cơ ở chế độ xác lập và ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ

4.4 Vấn đề khởi động và đảo chiều

4.5 Hãm dừng động cơ

4.6 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ

4.7 Biến tần bán dẫn làm việc với động cơ không đồng bộ

8

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

Chương 5 HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ,

ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

5.1 Khái niệm chung

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

5.3 Hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu

5.4 Giới thiệu hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ 1 chiều không chổi than

7

PGS TS Lê Tiến Dũng

Chương 6 TÍNH CHỌN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

6.1 Những vấn đề chung

6.2.Các chế độ làm việc của truyền động điện

6.3 Hướng dẫn lập biểu đồ phụ tải của hệ thống truyền động điện

6.4 Hướng dẫn tính chọn công suất động cơ hệ thống truyền động điện

6.5 Kiểm nghiệm công suất động cơ

6.6 Chọn phương án truyền động

6.7 Những thông số cơ bản để tính chọn bộ biến đổi cho hệ truyền động điện

6.8 Mạch bảo vệ hệ truyền động điện

10

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến DũngSÁCH, BÀI GIẢNG, GIÁO TRÌNH CHÍNH

Sách, bài giảng, giáo trình chính:

[1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật, 2007

[2] Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển vector truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất bản Bách khoa

Hà Nội, 2016

[3] Weidauer, Jens, and Richard Messer, Electrical Drives: Principles, Planning, Applications, Solutions,

John Wiley & Sons, 2014

Sách, tài liệu tham khảo:

[4] Ned-Mohan, Electric drives – An integrative approach, MNPERE, 2003

[5] Chee-Mun Ong, Dynamic simulation of electric machinary using Matlab/Simulink, Prentice Hall, 1998

[6] Ned-Mohan, Power electronics – Converters, application, and design, John Wiley & Sons, 2003

[7] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich, Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học và kỹ thuật 2002

9

10

1.2 Cấu trúc và phân loại hệ truyền động điện

1.3 Nguyên lý phần cơ của hệ truyền động điện

1.4 Nguyên lý biến đổi năng lượng điện - cơ

1.5 Khái niệm đặc tính cơ (Torque – Speed characteristic)

1.6 Đặc tính cơ - điện (Current – Speed characteristic)

1.7 Các trạng thái làm việc của truyền động điện

1.8 Các loại tải của hệ truyền động điện

1.9 Ứng dụng của điều khiển truyền động điện

1

1.1 Khái niệm

Truyền động điện là sử dụng các loại động cơ điện để biến đổi điện năng thành cơ năng

truyền động cho các tải/máy sản xuất, đồng thời có khả năng điều khiển quá trình biến đổi

năng lượng điện - cơ này.

Hệ truyền động điện là một tập hợp các phần tử, thiết bị phục vụ cho việc biến đổi năng

lượng điện - cơ cũng như truyền tín hiệu thông tin và xử lý các dữ liệu để điều khiển quá

trình biến đổi năng lượng đó.

4

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

3

Hệ truyền động điện đơn giản

• Nguồn điện AC với tần số không đổi –> Máy bơm chạy với tốc độ là hằng số

• Không hiệu quả: Tỏa nhiệt trong động cơ và bắt buộc phải sử dụng van tiết lưu để điều chỉnh lưu

lượng.

• Khó tự động hóa, không có điều chỉnh tự động.

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

Hệ truyền động có khả năng điều chỉnh tốc độ

Adjustable Speed Drives (ASDs)

• Truyền động ở tốc độ phù hợp với tải.

• Hiệu quả cao, không cần sử dụng van tiết lưu.

5

ĐỘNG CƠ

8

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

Hệ truyền động điện có vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp, nó thực hiện

nhiệm vụ: Biến đổi điện năng thành cơ năng quay máy sản xuất đồng thời điều khiển sự

biến đổi dòng năng lượng này theo yêu cầu công nghệ của máy và dây chuyền sản xuất.

Khi nghiên cứu truyền động điện người ta cần quan tâm giải quyết hai vấn đề:

+ Vấn đề thứ nhất là nghiên cứu sự biến đổi năng lượng của các hệ truyền động điện và

phương pháp điều khiển dòng năng lượng đó, ta gọi đó là phần “Cơ sở truyền động

điện”

+ Vấn đề thứ hai là nghiên cứu điều khiển các hệ truyền động trong đó cần phải xây

dựng cấu trúc điều khiển các hệ truyền động và thiết kế các thuật toán điều khiển, phần này

được gọi là “Điều khiển truyền động điện”.

7

9

PHẦN ĐỘNG LỰC bao gồm:

+ Bộ biến đổi công suất: Các bộ biến đổi thường dùng trong các hệ truyền động điện hiện đại

là các bộ biến đổi điện tử công suất như bộ chỉnh lưu, bộ băm điện áp, bộ điều áp xoay chiều, bộ

biến tần, … trong đó các linh kiện điện tử công suất được sử dụng Bên cạnh đó, các hệ truyền

động điện truyền thống còn sử dụng bộ biến đổi máy điện (máy phát một chiều, xoay chiều), bộ

biến đổi từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bão hòa).

+ Động cơ điện có các loại: Động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiều không đồng

bộ, động cơ điện xoay chiều đồng bộ và các loại động cơ đặc biệt khác v.v

Hệ truyền động điện có 2 phần chính: Phần động lực và Phần điều khiển

12

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

PHẦN ĐIỀU KHIỂN gồm:

+ Các cảm biến để đo phản hồi tốc độ/dòng điện của động cơ Đối với các hệ truyền động điện

điều khiển kín (closed-loop), các thông tin tín hiệu phản hồi được đưa vào bộ điều khiển.

+ Bộ điều khiển sử dụng vi xử lý, vi điều khiển, máy tính công nghiệp, PLC,… được lập trình

các thuật toán điều khiển truyền động và điều chỉnh quá trình công nghệ Từ các thông tin phản

hồi tốc độ/dòng điện cùng với giá trị đặt/mong muốn ở đầu vào, các thuật toán điều khiển thực

hiện tính toán ra các giá trị đầu vào U*, f* của động cơ cần thiết để điều khiển tốc độ thực của

động cơ bám theo giá trị đặt/mong muốn.

+ Ngoài ra còn có các thiết bị điều khiển, đóng cắt phục vụ công nghệ và cho người vận hành.

Đồng thời một số hệ truyền động có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác trong một dây

chuyền sản xuất, ghép nối với các thiết bị điều khiển cấp trên.

11

Source: Gasbaoui, Brahim, et al "The efficiency of direct torque control for electric vehicle behavior

improvement." Serbian Journal of Electrical Engineering 8.2 (2011): 127-146.

Gasbaoui, Brahim, et al

"The efficiency of direct

torque control for electric

Source: Gasbaoui, Brahim, et al "The efficiency of direct torque control for electric vehicle behavior

improvement." Serbian Journal of Electrical Engineering 8.2 (2011): 127-146.

15

PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

I Phân loại theo khả năng điều chỉnh tốc độ (adjustability of the speed)

II Phân loại theo loại động cơ sử dụng và loại điều khiển (motor type and drive controller)

III Phân loại theo thông số kỹ thuật (technical data)

Hệ truyền động điện trong thực tế rất đa dạng và nhiều loại thiết kế cho các mục đích, ứng dụng truyền

động khác nhau Vì vậy khá khó khăn để phân loại các hệ truyền động điện theo các tiêu chí cụ thể Việc

phân loại cũng tùy theo quan điểm Trong bài này giới thiệu việc phân loại các hệ thống truyền động điện

theo các nhóm tiêu chí sau:

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

I Phân loại theo khả năng điều chỉnh tốc độ (adjustability of the speed)

17

Phân loại theo khả năng điều chỉnh tốc độ, có 3 loại hệ truyền động điện:

1) Hệ truyền động điện không điều chỉnh tốc độ, hay hoạt động với một tốc độ cố định (fixed-speed drives)

Động cơ chỉ chạy với một tốc độc cố định, khi đó phần điều khiển cho hệ này chỉ điều khiển đóng hoặc cắt

nguồn cấp cho động cơ, cùng với các chức năng hạn chế dòng điện lúc khởi động, bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ

quá tải, Ứng dụng của hệ truyền động này thường là các máy bơm, quạt thông gió, quạt thổi,… Loại động cơ

thường sử dụng cho hệ này là động cơ xoay chiều không đồng bộ

2) Hệ truyền động điện có điều chỉnh tốc độ (Variable-speed drives)

Động cơ điều chỉnh được tốc độ để hoạt động với ít nhất 2 cấp tốc độ Phần điều khiển của hệ truyền động

loại này có 3 loại tùy theo yêu cầu về dải điều chỉnh, độ chính xác, độ trơn điều chỉnh và số cấp điều chỉnh của

tải: Thay đổi tốc độ bằng chuyển mạch (Switchable-speed drives), Điều chỉnh tốc độ với cấu trúc vòng hở

(Open-loop variable-speed drives), Điều chỉnh tốc độ với cấu trúc vòng kín (Closed-loop variable-speed drives)

3) Hệ truyền động điện servo

Đây là loại hệ truyền động điện chất lượng cao Được sử dụng cho các loại tải yêu cầu chuyển động với tốc

độ nhanh, quán tính bé, độ chính xác cao, độ trơn điều chỉnh tốt, đáp ứng các tác vụ phức tạp … Các ứng dụng

của hệ truyền động điện servo ví dụ như truyền động cho tay máy robot công nghiệp, máy CNC, máy cắt may

tự động,…

20

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

II Phân loại theo loại động cơ

sử dụng và loại bộ điều khiển (motor type and drive controller)

19

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

21

III Phân loại theo thông số kỹ thuật (technical data)Động cơ điện là phần tử trung tâm của hệ truyền động điện Các thông số kỹ thuật của động cơ là cơ sở và

tiêu chí quan trọng để lựa chọn các thành phần của hệ truyền động điện khi thực hiện việc thiết kế, xây dựng

hệ Vì vậy, thông số kỹ thuật của động cơ cũng là một tiêu chí quan trọng để phân loại hệ truyền động điện

a) 𝑴 − 𝑴 > 0 thì > 0, tốc độ của động cơ tăng lên

b) 𝑴 − 𝑴 < 0 thì < 0, tốc độ của động cơ giảm xuống

c) 𝑴 − 𝑴 = 0 thì = 0, tốc độ của động cơ ổn định là hằng số

• M : Mô-men điện từ do động cơ sinh ra, ra đến trục động cơ.

• Mc : Mô-men cản của tải đặt lên trục động cơ

•  : Tốc độ quay của động cơ

• J : Hằng số mô-men quán tính

23

Các đại lượng và phương trình của chuyển động tịnh tiến

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến DũngCác đại lượng và phương trình của chuyển động quay

25

1.4 Nguyên lý biến đổi năng lượng điện - cơ

Chế độ động cơ (Motoring mode)

Chế độ máy phát (Generating mode)

27

Các loại máy điện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ:

Cấu trúc của máy điện:

Generating braking Mode Energy conversion

31

1.5 Khái niệm đặc tính cơ (Torque – Speed characteristic)

Công suất của hệ truyền động điện ra đến trên trục động cơ cấp cho tải được tính qua hai

đại lượng mômen M và tốc độ  :

𝑃 = 𝑀.

Tuy vậy ở cùng một giá trị công suất, mỗi loại hệ truyền động điện khác nhau ta có quan

hệ và giá trị mômen, tốc độ khác nhau Vì vậy ta cần nghiên cứu quan hệ mômen và tốc độ ở

mỗi loại hệ truyền động điện.

Đặc tính cơ biểu diễn mối quan hệ giữa mô-men và tốc độ quay của động cơ:

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

Với mỗi loại động cơ cụ thể, mối quan hệ M() hoặc (𝑀) được biểu diễn bằng một

phương trình cụ thể phụ thuộc vào các biến như điện áp đặt vào động cơ, từ thông, tần số,…

và phụ thuộc vào các tham số của động cơ như điện trở rotor, điện trở stator, điện trở phụ,

điện cảm, hệ số cấu tạo,…

Bên cạnh việc biểu diễn đặc tính cơ bằng phương trình, chúng ta cũng biểu diễn đặc tính

1.6 Đặc tính cơ - điện (Current – Speed characteristic)

Đặc tính cơ - điện biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện và tốc độ quay của động cơ:

i = ℎ(฀) hoặc  = 𝑙(𝑖)

Với mỗi loại động cơ cụ thể, mối quan hệ i() hoặc (𝑖) được biểu diễn bằng một

phương trình cụ thể phụ thuộc vào các biến như điện áp đặt vào động cơ, từ thông, tần số,…

và phụ thuộc vào các tham số của động cơ như điện trở rotor, điện trở stator, điện trở phụ,

điện cảm, hệ số cấu tạo,…

Bên cạnh việc biểu diễn đặc tính cơ bằng phương trình, chúng ta cũng biểu diễn đặc tính

cơ bằng đồ thị trên hệ trục i𝑂.

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

1.8 Các loại tải của hệ truyền động điện

Phân loại theo dấu của mô-men cản của tải đặt lên trục động cơ có 2 loại tải cơ bản:

+ Tải chủ động: Active load torques

+ Tải thụ động: Passsive load torques

Tải chủ động (Active load torques) là những loại tải mà mô-men cản có xu hướng truyền động kéo trục

động cơ và xu hướng làm hệ bật ra ra khỏi trạng thái cân bằng Những tải thuộc loại này thường giữ nguyên

dấu của mô-men cản khi chiều quay của động cơ thay đổi

Những trường hợp tải chủ động:

+ Mô-men tải sinh ra do trọng lực

+ Mô-men tải sinh ra do lực kéo

+ Mô-men tải sinh ra do nén (compression) hoặc xoắn (torsion)

Tải thụ động (Passive load torques) là những loại tải mà mô-men cản luôn có hướng ngược lại với chiều

chuyển động và dấu (sign) của nó ngược dấu với chuyển động Những trường hợp tải thụ động là mô-men tải

37

Khi đảo chiều quay

sau đây:

+ Tải yêu cầu mô-men là hằng số: M = const

Tải thuộc loại này là các cơ cấu nâng hạ, cầu trục, băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt

kim loại,…

+ Tải yêu cầu mô-men tỷ lệ thuận với bậc nhất của tốc độ: M ~ 

Tải thuộc loại này là như máy phát điện với tải thuần trở, máy nén khí,…

+ Tải yêu cầu mô-men tỷ lệ thuận với bình phương của tốc độ: M ~ 2

Tải thuộc loại này là máy bơm, quạt gió, tải thủy khí, chân vịt tàu thủy,…

+ Tải yêu cầu mô-men tỷ lệ nghịch với tốc độ: M ~ -1

Tải thuộc loại này là các cơ cấu máy ly tâm, cơ cấu dịch chuyển, máy cuộn, các truyền

động quay trục chính máy cắt gọt kim loại,

39

Constant power loads

Winder

41

1.9 Ứng dụng của truyền động điện

• Process Industry - agitators, pumps, fans, compressors

• Machining - planers, winches, calendars, chippers, drill presses, sanders, extruders,

grinders, mills, presses

• Heating and Air Conditioning - blowers, compressors

• Paper and Steel Industry - hoists, rollers

• Transportation - elevators, trains, automobiles

• Textile - looms

• Packaging - shears

• Food - conveyors, fans

• Oil, Gas , Mining - compressors, pumps, cranes, shovels

• Residential - heat pumps, freezers, washing machines

44

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

43

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

45

48

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

Global Electric Drives Market Research Report 2020 (https://www.themarketreports.com)

Global Electric Drives Market 2017-2021 ( TechNavio (Infiniti Research Ltd.)

Electric Motors Market 2020 Analysis and Review: Electric Motors Market (Future Market Insights)

The use of electric motors in industrial applications account for ~70% of all industrial electricity consumption

47

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

49

Globally, WWT, F&B and O&G are expected to be the fastest growing segments forAC motors in 2020

Pumps, compressors, mixers and aerators are expected to remain the most common applications forAC motors

Sales to OEMs manufacturing industrial robots, fans, pumps and medical devices are expected to remain the

largest applications forEC motors in 2020 Continued growth in the sales of industrial robots, growth in the

adoption of more energy-efficient pumps and a preference for noiseless operation will drive the adoption ofEC

motors (electronically commutated motors)

Investments into mining and metal processing are expected to aid the sales of DC motors; however, the

sales volume of these motors is expected to be lower than the 2019 level

52

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến DũngElectric Motors Market Analysis – Modern Designs Bring Forth Energy Savings

Electric motors play a pivotal role in a wide range of industrial applications The right type of electric motor is necessary

for smoothness of operations and also prevents damage to equipment due to sudden voltage and power fluctuations

The use of electric motors helps in accruing energy savings to the tune of 4%-5% When combined with robust

electromechanical solutions, these can further incur cost savings up to 20% and reduce overall electricity demand by

another 10%-15% This process can be expedited by the use of adjustable speed drives and energy efficient motors of the

correct size

Small is Effective

Source: Electric Motors Market 2020 Analysis and Review: Electric Motors Market (ttps://www.futuremarketinsights.com)

appliances, fans and pumps

0.75 Kw – 375 Kw Mostly these are asynchronous AC electric motors with shorter delivery lead times and account for

around 10% of motors that are used in industrial processing, fans, pumps and conveyors

These are nuanced, tailor-made, and synchronous and assembled on site These are manufactured in lesser quantities as

per demand from various end users

51

Electric Motors Market Trends – Continued Innovations to Ramp up Performance and Connectivity in Electric Motors

Source: Electric Motors Market 2020 Analysis and Review: Electric Motors Market (ttps://www.futuremarketinsights.com)

The electric motors landscape is witnessing a plethora of innovations with the advent of new applications in stepper motors,

brushless motors and torque motors

hoists and hub drives in AGVs

and AGVs for sorting and picking are using frameless motors in a big way They are also the first choice for

engineers using them in several military applications

extreme and harsh weather conditions

gearboxes and a wheel assembly that helps it to be successfully mounted to a vehicle

motors With their use the weight of any system used for actuating the armoured door is reduced and also helps to enhance

efficiency

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

Electric Motors Market Consumption – Preference for AC Motors Remains Highly Intact

AC motors are garnering significant attention in various end use industries on back of their higher torque By

type, AC motors are set to capture a significant chunk of the market share AC motors offer several advantages

such as:

 Better durability and a longer life span

 High capability for configurations that have multi-phasing

 Lower power demand at the time of start-up that eventually protects components at the receiving end

 Some use variable frequency drive add-ons that exercise control on torque and speed at different stages of

use

53

Source: Electric Motors Market 2020 Analysis and Review: Electric Motors Market (ttps://www.futuremarketinsights.com)

Electric Motors Market Future Outlook – How Material Advancements and Industry 4.0 are Boosting Motor

Performance and Efficiency

IoT: The future outlook looks bright for the electric motor market landscape with the proliferation of Industry

4.0 technologies The use of smart electric motors has gained rapid traction as they are helping to considerably

reduce downtime while boosting efficiency levels

IoT-enabled smart electric motors are coming fully equipped with sensors that monitor each functionality of

the electric motor throughout its lifecycle

For instance, in cases of motor heating, the sensors send out an alarm to the concerned person as a warning

Some also track time and give alerts for scheduled maintenance

Excessive vibrations within electric motors is one of the primary reasons for reduced lifespan of equipment

The use of IoT enabled technology monitors electric motors and equipment in real time and checks it for

vibrations, temperature changes and energy usage

Further, sensor technology also alerts technicians for safety and overall condition of electric motors thus

preventing unwanted injuries to staff through manual inspections

56

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

Material Advancements: Advancements are also being made in materials used in electric motors For instance,

steel lamination and powder metallurgy are some of the prime materials that are traditionally being used in

electric motors Lately soft magnetic composite (SMC) material is gaining traction to be used along with rotor

for maximum efficiency

 Hybrid materials offer myriad benefits For instance the use of soft magnetic composite in conjunction with

steel laminates This gives prolific advantages of lower manufacturing costs (in case of steel) while giving

good structural shape to the material with the use of SMC

 Magnets in the rotor too are using a sintered magnetic powder material along with SMC This helps the

electric motor to harness the power of powder metallurgy

 Engineers are also innovating to use high quality performance magnets in the motor for better torque and tire

performance Similarly, smaller metal components are utilizing iron which has been shrunk to very low

densities so that the same can be doused in lubricating oil

Electric Motors Market Future Outlook – How Material Advancements and Industry 4.0 are Boosting Motor

Performance and Efficiency

Source: Electric Motors Market 2020 Analysis and Review: Electric Motors Market (ttps://www.futuremarketinsights.com)

55

Khoa Điện

PGS TS Lê Tiến Dũng

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN

ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

Ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa

ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

Chương 2 MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU

2.1 Khái niệm chung

2.2 Mô hình toán học của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

2.3 Tổng hợp hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập

2.4 Tổng hợp hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập hoạt động

ở 4 góc phần tư cấp nguồn từ bộ băm điện áp một chiều (hệ XA – Đ 4 góc phần tư)

2.5 Mô phỏng hệ thống XA - Đ sử dụng Matlab-Simulink

2.6 Tổng hợp hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập hoạt động

ở 2 góc phần tư cấp nguồn từ chỉnh lưu 3 pha (Hệ T-Đ 2 góc phần tư)

2.7 Mô phỏng hệ thống T - Đ sử dụng Matlab-Simulink

1

2.1 Khái niệm chung

Hệ truyền động hoạt động với dòng điện một chiều, trung tâm của hệ là động cơ điện

một chiều (DC motor) vì vậy tên gọi của hệ còn được gọi là hệ truyền động điện một chiều

(DC drives – Direct current drives) Ngày nay, hệ truyền động điện một chiều vẫn có thể

được tìm thấy rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp, mặc dù truyền động điện xoay

chiều (AC drives - alternating current drives ) đã và đang ngày càng thay thế chúng.

Trong dải công suất thấp hơn 500W, khi sử dụng hệ TĐĐ một chiều sẽ có lợi thế từ sự

sẵn có của nguồn điện 24VDC trong hầu hết các máy móc và thiết bị công nghiệp Trong đó,

việc sử dụng động cơ một chiều kích từ vĩnh cữu có bộ điều khiển rất đơn giản, có thể thực

hiện các truyền động công suất nhỏ rất hiệu quả về chi phí.

4

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

Ở dải công suất lớn hơn 100 kW, các hệ TĐĐ một chiều có điều khiển vẫn rất đáng xem xét sử dụng khi

so sánh về mặt chi phí và kích thước với hệ TĐĐ xoay chiều có điều khiển Do đó, các hệ TĐĐ một chiều

ngày nay vẫn được lựa chọn sử dụng cho các máy cán, cần trục và thang máy Các hệ TĐĐ này có tiêu chuẩn

cao về chức năng điều khiển và giám sát Trong dải công suất trung bình và lớn, động cơ một chiều kích từ

độc lập được sử dụng

Một lý do khác cần tiếp tục nghiên cứu về hệ TĐĐ một chiều đó là hệ TĐĐ một chiều vẫn còn được sử

dụng trong nhiều máy móc cũ và các nhà máy công nghiệp Vì những máy móc và nhà máy công nghiệp này

phải được bảo dưỡng và bảo trì, nên vẫn cần phải hiểu rõ về hệ TĐĐ một chiều trong môi trường công nghiệp

Cuối cùng, về mặt cấu trúc của hệ và thuật toán điều khiển, hệ TĐĐ một chiều có ưu điểm lớn là nguyên

lý đơn giản, dễ hiểu và dễ điều khiển tách biệt phần cảm với phần ứng Vì vậy, các cấu trúc và thuật toán điều

khiển hệ TĐĐ xoay chiều cũng được phát triển dựa trên nguyên lý của hệ TĐĐ một chiều Đó là lý do quan

trọng để chúng ta cần hiểu rõ hệ TĐĐ một chiều trước khi nghiên cứu về hệ TĐĐ xoay chiều

3

Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động điện một chiều

BỘ CHỈNH LƯU

TẢINguồn AC

CẢM BIẾN

𝝎, 𝒊

𝝎, ̂

𝜔∗ Giá trị đặt/mong muốn

Giá trịphảnhồi

Mạch điều khiểnphát xung

Giá trị phản hồi

u*(t)

u(t)

Động lực Điều khiển

Mạch điều khiểnphát xung

1.2 Mô hình toán học của động cơ một chiều kích từ độc lập

Nhắc lại về cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Phần cảm:

Tạo ra từ trường

dòng điện đặt trong từ trường của phần cảm

8

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

7

Phương trình điện áp của mạch phần ứng:

Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một

chiều kích từ độc lập

Sơ đồ thay thế của mạch phần ứng động

cơ điện một chiều kích từ độc lập

Bài tập 1:

Mô phỏng động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng mô hình hàm truyền đạt sử dụng Simulink với các số liệu sau:

Ra = 0.5, La = 0.003H, 𝐾  = 𝐾  = 0.8, J = 0.0167kg.m2

Mômen tải đặt lên động cơ: Mc = 100Nm

Điện áp phần ứng đặt lên động cơ: 220V Từ thông kích từ bằng định mức và giữ không đổi

Thay đổi điện áp phần ứng để thấy sự thay đổi tốc độ của động cơ Nhận xét kết quả mô phỏng?

12

KHOA ĐIỆN

PGS TS Lê Tiến Dũng

11