Đồ Án môn học Điều khiển tự Động Đề tài Điều khiển Động cơ ba pha không Đồng bộ sử dụng biến tần

Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phương pháp điều chỉnh tần sốnguồn cấp cho ta thấy đặc tính điều chỉnh phù hợp với nhiều loại tải.. Đặc biệt, hệ thống điềuchỉnh t

BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 3

1.1 Động cơ không đồng bộ ba pha: 4

1.1.1 Cấu tạo: 4

1.1.2 Stato: 4

1.1.3 Roto: 5

1.1.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ ba pha: 7

1.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp cho ĐCKĐB 8

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN 10

2.1 Khái quát về biến tần 10

2.2 Biến tần LS IG5A 10

2.3 Phương thức điều khiển độ rộng xung (PWM) 11

2.4 Điều chế theo phương pháp sin PWM (SPWM) 11

CHƯƠNG II: LỰA CHỌN BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 15

3.1 Tính toán thông số bộ nghịch lưu 15

3.2 Tính toán thông số bộ chỉnh lưu 17

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 19

4.1 Mô phỏng điều khiển tốc độ ĐCKĐB 3 pha 19

4.2 Đánh giá 22

4.2.1 Ưu điểm: 22

4.2.2 Nhược điểm: 22

4.3 Nhận xét chung 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

LỜI NÓI ĐẦU

 LỜI CẢM ƠN:

Xin chân thành cảm ơn sứ giúp đỡ, hướng dẫn và giải đáp thắc mắc các vấn đề tậntình của thầy Nguyễn Vinh Quan và sự giúp đỡ nhiệt tình của các bạn trong khoaĐiện-Điện tử trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh đã hỗ trợ emtrong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu này, Do còn hạn chế về mặt kiếnthức nên không tránh khỏi những sai sót, mong nhận được những đóng góp thêm

từ thầy và các bạn

 LÝ DO CHỌN NỘI DUNG:

Hiện nay, nước ta đang trong giai đoạn phát triển mạnh về công nghiệp hóa, tựđộng hóa Trong các nhà máy sản xuất tự động, không thể thiếu được các động cơđóng vai trò là cơ cấu chấp hành Các hệ thống truyền động điện được sử dụng rấtrộng rãi trong các thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp, giao thông vậntải, các thiết bị điện dân dụng

Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phương pháp điều chỉnh tần sốnguồn cấp cho ta thấy đặc tính điều chỉnh phù hợp với nhiều loại tải Đồng thờidùng phươngpháp này cũng cho ta kết quả điều chỉnh vô cấp khi sử dụng các bộbiến tần thích hợp, ta có thể điều chỉnh được tốc độ tuỳ ý Bằng phương pháp này,

ta nhận được đặc tính cơ cứng, khi đó tổn thất không lớn Đặc biệt, hệ thống điềuchỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi tần số nguồn cấp sử dụng cho động cơkhông đồng bộ Điều này cho phép sử dụng biến tần trong nhiều ngành côngnghiệp từ sẳn xuất, năng lượng tái tạo đến điện tử gia dụng và hệ thống điều hòakhông khí

Biết được tầm quan trọng của biến tần trong các ngành công nghiệp nói chung thìnhóm em quyết định chọn đề tài: “Thiết kế tính toán sử dụng động cơ không đồng

bộ ba pha bằng biến tần” Cho đồ án có thể nghiên cứu cũng như tìm hiểu sâu hơn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ PHƯƠNG

PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ 1.1 Động cơ không đồng bộ ba pha:

Hình 1.1 Động cơ không đồng bộ ba pha

1.1.1 Cấu tạo:

Hình 1.2: Mặt cắt ngang hai bộ phận chính của động cơ không đồng bộ ba phaCấu tạo của máy điện không đồng bộ ba pha gồm hai bộ phận chính là roto vàstato, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy

Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong, ghéplại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục Lõi thép được ép và bên trong vỏmáy

b Dây quấn:

Hình 1.4: Sơ đồ triển khai dây quấn ba pha đặt trong 12 rãnh

Dây quấn stato làm bằng dây quấn bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong cácrãnh lõi thép Hình dưới là sơ đồ triển khai dây quấn ba pha đặt trong 12 rãnh củastato, dây quấn pha A trong các rãnh 1, 4, 7, 10, pha B đặt trong các rãnh 3, 6, 9,

12, pha C đặt trong các rãnh 2, 5, 8, 11

Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba dây quấn stato sẽ tạo ra từ trườngquay

b Dây quấn:

Hình 1.6: Roto lồng sóc công suất lớn

Hình 1.7: Roto lồng sóc công suất nhỏ

Dây quấn roto có hai kiểu: roto ngắn mạch (còn gọi là roto KĐB lồng sóc) và rotodây quấn

Roto lồng sóc:

Động cơ điện có roto lồng sóc gọi là động cơ KĐB lồng sốc Loại roto lồng sóccông suất trên 100kW, trong các rãnh của õi thép roto đặt các thanh đồng, hai đầunối ngắn mạch hai vòng đồng tạo thành các lồng sóc

Ở động cơ roto lồng sóc công suất nhỏ được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào cácrãnh lõi thép roto, tạo thành thanh nhôm, hai đầu đúc ngắn mạch và cánh quạt làmmát

Roto dây quấn:

Hình 1.8: Roto dây quấnLoại động cơ có roto dây quấn gọi là động cơ không đồng bộ ba pha roto dâyquấn Trong rãnh lõi thép roto người ra đặt dây quấn ba pha Dây quấn roto thườngnối sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố đinh trên trục roto vàđược cách điện với trục

Động cơ lồng sốc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc đảm bảo Động

cơ roto dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt

và vận hành kém tin cậy hơn động cơ lồng sóc, nên chỉ được dùng khi động cơlồng sóc không đáp ứng được các yêu cầu về truyền động.

1.1.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ ba pha:

Khi cho dòng điện ba pha vào cuộn dây đặt lệch nhau 120o trong không gian thì từtrường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ trường quay Nếu trong từtrường quay này có đặt các thành dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua cácthanh dẫn điện và làm xuất hiện một xuất điện động cảm ứng trong các thành dẫn.Nỗi các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thành dẫn sẽ códòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quay tắc bàn tay phải Từ trườngquay lại tác dụng và chình dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác địnhtheo quy tắc bàn tay trái và tạo momen làm quay roto theo chiều quay của từtrường quay

Tốc dộ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường Nếu roto quay vớitốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây quấn phầncảm nữa nên suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, momenquay cũng không còn Do momen cần roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và cácdây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đólại có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luônnhỏ hơn tốc độ từ trường

Động cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ hay động cơxoay chiều

Hình 1.10: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha

Nếu gọi tốc độ từ trường quay là (rad/s) hay (vòng/ phút) thì tốc độ quay của roto là (hay n) luôn nhỏ hơn ( ) Sai lệch tương dối của haitốc độ gọi là độ trượt s:

1.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp cho

ĐCKĐB.

Như đã biết tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc và tần số nguồn và số đôi cực

từ theo công thức:

Mà ta lại có, tốc độ roto của động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công thức:

Do đó bằng việc thay đỏi tần số nguồn f1, hoặc thay đổi số đổi cực từ có thể điềuchỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ Khi động cơ đã được chế tạo thì số

đôi cực từ không thể thay đổi được do đó chỉ có thể thay đổi tần số nguồn f1 Bằngcách thay đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ Nhưng khitần số giảm, trở kháng của động cơ giảm theo Kết quả là làm chodòng điện và từ thông của động cơ tăng lên Nếu điện áp nguồn không giảm sẽlàm cho mạch từ bị bão hòa và động cơ không làm việc ở chế độ tối ưu, khôngphát huy được hết công suất Vì vậy người ta đặt ra vấn đề là khi thay đổi tần sốcần có một luật điều khiển nào đó sao cho từ thông của động cơ không đổi Từthông này có thể là từ thông stato u, từ thông của roto hoặc từ thông tổngcủa mạch từ hóa

Vì momen động cơ tỉ lệ với từ thông trong khe hở từ trường nên việc giữ cho từthông không đổi cũng làm giữ cho momen không đổi Có thể kể ra các luật điềukhiển như sau:

 U/f không đổi: U/f=const

 Hệ số quá tải không đổi: =const

 Dòng điện không tải không đổi: Io=const

 Điều khiển các dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I1=f

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN 2.1 Khái quát về biến tần

Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử thực hiện chức năng biến đổi tần số

và điện áp một chiều hay xoay chiều nhất định thành dòng điện xoay chiều có tầnsố điều khiển

Việc sử dụng biển tần là cần thiết trong hệ thống của động cơ, giúp bảo vệ băng tải

và thiết bị cơ khí bằng cách kiểm soát chính xác tốc độ và moment động cơ, kéodài thời gian hoạt động và giảm thiểu các hỏng hóc khác

Biến tần giúp bảo vệ động cơ và thiết bị cơ khí bằng cách kiểm soát chính xác vậntốc và momen động cơ, kéo dài thời gian hoạt động của động cơ và giảm chi phívận hành, bảo dưỡng

Cấu trúc cơ bản của một bộ biển tần như hình

2.2 Biến tần LS IG5A

Đặc điểm biến tần IG5A:

 Hiệu suất cao: IG5A cung cấp điều khiển vector không cảm biến, điềukhiển PID và bảo vệ sự cố chạm đất thông qua các chức năng tích hợpmạnh mẽ

 Khả năng chịu quá tải 150% trong 60s

 Tích hợp bàn phím, điện trở thắng, truyền thông RS485 (LS Bus / ModbusRTU)

 Giao diện thân thiện với người dùng: Việc cài đặt thông số trở nên dễ dànghơn bằng cách sử dụng phím 4 hướng

 Bảo trì dễ dàng: Cấu trúc quạt của IG5A dễ dàng tháo rời để thay thế hoặcbảo trì

2.3 Phương thức điều khiển độ rộng xung (PWM)

Nội dung của phương pháp điều chế độ rộng xung là tạo ra một tín hiệu sin chuẩn

có tần số bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện ra nghịch lưu Tín hiệunày sẽ được so sánh với một tín hiệu rằng sau có tần số lớn hơn rất nhiều tần sốcủa tín hiệu sin chuẩn Giao điểm của hai tín hiệu này xác định thời điểm đóng mởvạn công suất Điện áp ra có dụng , với độ rộng thay đổi theo từng chu kỳ

Hình 2.1: Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung

Vol:thành phần sin cơ bản

Vi: điện một chiều vào bộ nghịch lưu

Vo:điện áp ra

Trong quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực, điều biếntheo độ rộng xung đơn cực và điều biến theo độ rộng xung lưỡng cực Trong để tàinày em sử dụng phương điều chế độ rộng xung đơn cực

Điều chế theo phương pháp sin PWM (SPWM)

Điều chế vecto

2.4 Điều chế theo phương pháp sin PWM (SPWM)

Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, ta sử dụng một tín hiệuxung tam giác V (gọi là sóng mang) đem so sánh với một tín hiệu sin chuẩn vị (gọi

là tin hiệu điều khiển) Nếu đem xung điều khiển này cấp cho bộ nghịch lưu mộtpha thị ở ngõ va sẽ thu được dạng xung điện áp mà thành phần điều hòa cơ bản cótần số bằng tần số tín hiệu điều Khiển vị và biên độ phụ thuộc vào nguồn điện mộtchiều cấp cho bộ nghịch lưu và tỷ số giữa biên độ sóng sin mẫu và biên độ sóngmang Tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều tần số tín hiệu điều khiển Hình 3.3miêu tả nguyên lý của của phương pháp điều chế SPWM một pha

Hình 2.2: Nguyên lý điều chế SPWM một phaKhi Vc > Vtri ,VA0= Vdc/2, Vc= Ttri, VA0=-Vdc/2

Đối với nghịch lưu áp ba pha có sơ đồ như hình 3.5 Để tạo ra điện áp sin ba pha

Hình 2.3:Nghịch lưu áp ba pha

Hình 2.4 : Nguyên lý điều chế SPWM ba pha

Hệ số điều chế biên độ Ma, được định nghĩa là tỷ số giữa biên độ của tín hiệu điềukhiển với biên độ của sóng mang

 Ma = Vc/ Vtri

 Ma: hệ số điều biến

 Vc : biên độ sóng điều khiển

 Vtrị: biên độ sóng mang

Trong vùng tuyến tính (0<Ma<1), biên độ của thành phần sin cơ bản Vao1 (điệnáp pha) trong dạng sóng đầu ra tỷ lệ với hệ số điều biến theo công thức:



Đối với điện áp dây là:

 Mr là hệ số điều chế tần số

 fc là tần số tín hiệu điều khiển

 ftri là tần số sóng mang

Giá trị của Mỹ được chọn sao cho nên có giá trị dương và lẻ Nếu Mf là một giá trịkhông nguyên thì trong dạng sóng đầu ra sẽ có các thành phần điều hòa phụ(subharmonic) Nếu Mf không phải là một số lẻ, trong dạng sóng đầu ra sẽ tồn tạidành phần một chiều và các hài bậc chẵn Giá trị của Mf nên là bội số của 3 đốinghịch là lưu áp ba pha vì trong điện áp dây đầu ra sẽ triệt tiêu các hài bật chẵn vàhài là bội số của ba

Như vậy, nếu điện áp một chiều đầu vào không đổi, để điều chỉnh biên độ số củađiện áp đầu ra ta chi việc điều chỉnh biên độ và tần số của tín hiệu sin chuẩn Đặctrưng cơ bản của phương pháp này là thành phần sóng điều hòa của điện áp ra.Muốn giảm các sóng điều hòa bậc cao cần phải tăng tần số sóng mang hay tần sốPWM Tuy nhiên càng tăng tần số PWM thi tổn hao chuyên mạch lại tăng lên

CHƯƠNG II: LỰA CHỌN BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 3.1 Tính toán thông số bộ nghịch lưu

Hình 3.1 sơ đồ mạch điều khiển động cơ không đồng bộ sử dụng biến tần

Hình 3.2: Sơ đồ bộ nghịch lưu SinPWM

Bề rộng xung ba pha là phải có ba sóng sin chuẩn có biên độ chính xác bằng nhau

và lệch pha nhau trong toàn bộ giải điều chỉnh Cần phải đảm bảo dạng xungđiều khiển ra đối xứng và khoảng dẫn của mỗi khóa bán dẫn được xác định chínhxác

Giản đồ kích đóng khóa bán dẫn của bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tínhiệu cơ bản:

Sóng mang URC (Carrier Signal) có tần số cao

Sóng điều khiển Udk (Reference Signal) hoặc sóng điều chế dạng Sin

Sóng mang có thể ở dạng tam giác Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hàibậc cao bị khử càng nhiều Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm tổn hao phát sinh

do quá trình đóng ngắt tăng

Sóng điều khiển Udk mang thông tin về độ lớn, trị số hiệu dụng và tần số sóng hài

cơ bản của điện áp ngõ ra

Hình 3.3: Đồ thị dạng sóng DC-AC SinPWM

Hình 3.4: Đồ thị dạng sóng điện áp dây và điện áp pha ngõ ra

Ta sử dụng động cơ KĐB 3 pha có điện áp cần cung cấp cho động cơ là 220/380V.Vậy áp dụng công thức (4.5), khi ma = 0.86 thì ta tính được nguồn điện DC cungcấp cho bộ nghịch lưu là:

Vậy nguồn DC cung cấp cho bộ nghịch lưu là 510V

3.2 Tính toán thông số bộ chỉnh lưu

Hình 3.5: Sơ đồ bộ chỉnh lưu cầu 3 pha

Hình 3.6: Đồ thị dạng sóng điện áp bộ chỉnh lưu tải R

* Áp dụng tính toán mô phỏng

Do ta đã tính được điện áp trung bình qua tải trong 1 chu kỳ là Ud = E = 510V Từ

đó, áp dụng công thức (4.7) xét trường hợp có điện áp rơi trên diode là 0.7V

Vậy giá trị điện áp ban đầu cài đặt cho bộ chỉnh lưu là: 220 V

Hình 3.7: Bảng tính toán cài đặt thông số biến tần

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 4.1 Mô phỏng điều khiển tốc độ ĐCKĐB 3 pha

Hình 4.1 Mô phỏng động cơ không đồng bộ 3pha điều khiển bằng biến tần

Hình 4.2: Thông số động cơ

Hình 4.3: Thông số động cơ và tải Thông số cài đặt tải động cơ ( = )

Động cơ 5.4HP(4KW) 400v 1430 RPM nên dặt tải ở mức 26

Hình 4.4: Tốc độ đặt của động cơ

Về tốc độ yêu cầu, ta sử dụng khối Signal Builder có dạng tín hiệu sau: trong đoạn[0;1,5] là 0.8, [1.5;5] là 1.2, [5;10] là 1.43

Hình 4.5: Hình giá trị tốc độ và Momen của động cơ

Ta nhận thấy tốc độ và Momen của động cơ bám sát với tốc độ mẫu và Momentải, tuy nhiên độ vọt lố của Momen động cơ quá cao so với đường Momen tải ở giađoạn đầu.

Hình 4.6: Hình giá trị điện áp và dòng điện của động cơTrong giai đoạn từ 5 đến 10 giây, tốc độ mẫu có giá trị là 1430 RPM bằng với giátrị tốc độ định mức

Giá trị dòng điện: tỉ lệ thuận với Momen tải, và sẽ tạo ra sóng hài khi tốc độ động

cơ thay đổi Biên độ dòng điện ở khoảng thời gian đầu có giá trị lớn

4.2 Đánh giá

4.2.1 Ưu điểm:

 Cách tiếp cận vấn đề đơn giản, dễ hiểu, hình ảnh minh họa rõ ràng

 Máy biến tần tiết kiệm được tối đa năng lượng

 Có thể điều khiển trực tiếp momen động cơ

 Có khả năng đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác

 Có khả năng điều chỉnh tần số theo tốc độ mong muốn và ngược lại

 Có đầy đủ các chức năng bảo vệ động cơ