nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Luận văn, khóa luận tốt nghiệp, báo cáo là sản phẩm kiến thức, là công trình khoa học đầu tay của sinh viên, đúc kết những kiến thức của cả quá trình nghiên cứu và học tập một chuyên đề, chuyên ngành cụ thể. Tổng hợp các đồ án, khóa luận, tiểu luận, chuyên đề và luận văn tốt nghiệp đại học về các chuyên ngành: Kinh tế, Tài Chính Ngân Hàng, Công nghệ thông tin, Khoa học kỹ thuật, Khoa học xã hội, Y dược, Nông Lâm Ngữ... dành cho sinh viên tham khảo. Kho đề tài hay và mới lạ giúp sinh viên chuyên ngành định hướng và lựa chọn cho mình một đề tài phù hợp, thực hiện viết báo cáo luận văn và bảo vệ thành công đồ án của mình

Nội dung trang

1.1 Cấu tạo và nguyờn lý làm việc của động cơ khụng đồng bộ 4

1.1.3 Cỏc đại lượng và phương trỡnh cơ bản của động cơ 5

1.1.3.2 Cỏc phương trỡnh cơ bản của động cơ 61.1.4 Ưu nhược điểm của động cơ khụng đồng bộ ba pha 10

1.2.1 Giới thiệu về hai hệ tọa độ và vộc tơ khụng gian 12

1.2.2 Mụ hỡnh liờn tục động cơ khụng đồng bộ ba pha 171.2.2.1 Hệ phương trỡnh cơ bản của động cơ 17

1.2.2.2 Mụ hỡnh trạng thỏi của động cơ trờn hệ tọa độ (αβ) 201.2.2.3 Mụ hỡnh trạng thỏi của động cơ trờn hệ tọa độ (dq) 241.3 Nguyờn lý điều chỉnh tốc độ động cơ khụng đồng bộ ba pha 281.3.1 Giới thiệu một số phương phỏp điều chỉnh tốc độ động cơ

KĐB

28

1.3.1.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cỏch thay đổi Rp trong mạch roto 281.3.1.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cỏch thay đổi điờn cảm mạch stato 291.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cỏch thay đổi tần số 32

1.3.2.4 Luật điều chỉnh tần số trợt không đổi 38

1.3.2.5 Điều chỉnh tần số bằng phương phỏp vộc tơ khụng gian: 41Chương II

2.1.2 Chọn bộ chỉnh lưu: 482.1.3 Tính chọn khâu trung gian một chiều.

2.1.3.1 Tính chọn tụ C:

48482.1.3.2 Chọn điện trờ hạn chế dòng nạp tụ 49

2.1.5.1 Nguyên nhân gây sự tăng vọt điện áp 52

Chương III: Thiết kế hệ thống điều khiển mạch chỉnh lưu 56

3.2.1 Nguyên lý phương pháp điều biến độ rộng xung: 593.2.2 PWM cho hệ thống điện áp ba pha theo phương pháp kinh điển:

60

3.2.3 PWM cho phương pháp số tựa tương tự: 633.2.4 Điều chế PWM bằng phương pháp véc tơ chuyển mạch: 65

3.3.1 Tính thời gian đóng ngắt các van bán dẫn: 733.3.2 Chuyển đổi giá trị tính toán bằng xung: 78

3.4.1.1 Đặc điểm chung của họ vi điều khiển (µC) SAB 80C537 82

3.4.3 Xây dựng cấu trúc mạch tạo xung:

3.4.3.1 Sử dụng khối CCU của SAB 80C537trong ứng dụng PWM:

Phụ lục

Động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng dãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỷ lệ lớn so với các động cơ khác Sở dĩ như vậy là do động cơ không đồng bộ ba pha có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn Sử dụng nguồn cấp trực tiếp

từ lưới điện xoay chiều 3 pha Tuy nhiên trước đây, các hệ truyền động động cơ không đồng bộ có điều chỉnh tốc độ lại chiếm một tỷ lệ rất nhỏ, đó

là do việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ có khó khăn hơn động

cơ một chiều Trong thời gian gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học, động cơ không đồng bộ mới được khai thác các ưu thế của mình Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động động cơ điện một chiều

Khác với động cơ điện một chiều, động cơ không đồng bộ ba pha được cấu tạo phần cảm và phần ứng không tách biệt Từ thông động cơ cũng như mô men động cơ sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham số Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện động cơ không đồng bộ là hệ điều

các đặc tính của động cơ điện một chiều.

Trước khi nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ta sẽ nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý của động cơ không đồng

bộ ba pha xoay chiều ba pha

1.1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.1.1 cấu tạo:

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha

Động cơ không đồng bộ có cấu tạo gồm hai phần chính là stato và roto Phần cảm (stato) có dây quấn được được đặt vào các rãnh của lõi thép

và được đặt cách điện với lõi thép Dây quần 3 pha được đặt lệch nhau một góc 1200 trong không gian Phần ứng roto được chia làm hai loại chính là: roto lồng sóc và roto dây quấn Loại roto dây quấn có kết cấu giống như

A

B

C

X Y

Z

độ Còn lại roto lồng sóc có kết cấu khác với dây quấn stato, trong mỗi rãnh thép của roto người ta đặt vào các thanh dẫn bằng nhôm, hai đầu của các thanh dẫn này được nối ngắn mạch làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc, các thanh dẫn này không cần cách điện với lõi thép

Để cải thiện tính năng mở máy, trong các máy có công suất lớn, rãnh roto được cấu tạo đặc biệt (rãnh sâu hoặc rãnh kép) Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh roto thường được làm chéo đi một góc so với tâm trục để mô men phân bố đều trên roto Loại động cơ xoay chiều 3 pha roto lồng sóc này chiếm ưu thế trên thị trường

từ và tạo ra mô men quay làm quay roto

1.1.3 Các đại lượng và phương trình cơ bản của động cơ:

1.1.3.1 Các đại lượng cơ bản

S = −

(1-2)

Xét về mặt lý thuyết giá trị S sẽ biến thiên từ 0 đến 1 hoặc từ 0 đến 100%

Trong đó: n1 = 60f1/pc (1-4)

* Sức điện động của mạch Roto lúc đứng yên:

Trong đó E20 = 4,44K2f2W2Фm (1-6)

Фm: Trị số cựcnddaij của từ thông mạch từ

K2 : Là hệ số dây quấn Roto của động cơ

f2: Tần số xác định ở tốc độ biến đổi của từ thông quay qua cuộn dây,

vì roto đứng yên lên

60

1 02

n p

F02: bằng tần số dòng điện đưa vào f1

* Khi roto quay:

Tần số trong dây quấn roto là

60 ) ( 60

)

1

1 1

p n n

n n p n n

* Sơ đồ đẳng trị một pha

U1 điện áp pha đặt lên cuôn dây stato

X1, r1, I1, là điện kháng, điện trở, dòng điện của mạch từ hóa

2

1

= v (1-12)

Trong đó:

U1dm Là điện áp định mức đặt lên Stato

E2dm: Là sức điện động định mức của roto

Quy đổi giá trị roto về phía stato:

s= −

) (

)

2 1

'

2

1

1 '

2

x x s

r

r

U I

+ + +

=

(1-15)

Khi tốc độ động cơ n = 0, theo (1-14) ta có s = 1

Nếu điện áp đặt lên cuộn stato U1 = costan thì biểu thức (1-15) chính là quan hệ giữa dòng điện roto và dòng điện stato I’

2 với độ trượt s hay với tốc

p dt ' 2 2'

2 3

' 2 2 ' 2

n s

r I

Mđt : Là mô men điện từ gồm hai thành phần:

+ Phần nhỏ tổn thất trên cuộn dây và tổn thất cơ do ma sát ở các ổ bi, ký hiệu là ΔM;

+ Phần lớn biến thành mô men quay của động cơ;

' 2 2 ' 2

n s

r I M

Thay I’

2 từ biểu thức (1-15) vào (1-20) ta được:

biểu thức (1-21) chính là phwong trình đặc tính cơ Được biểu diễn bằng quan hệ M = f(n) như hình 1.3:

- Giá trị s sẽ biến thiên từ - ∞ đến + ∞ và mô men quay sẽ có giá trị tới hạn (Mt) Lấy đạo hàm của mô men theo hệ số trượt và cho = 0

ds dM

- Ta có hệ số trượt tương ứng với mô men tới hạn Mt gọi là hệ số trượt tới hạn

2 2 1

' 2 2

' 2 1

2

1

' 2 )

t

x r

r x

n

U M

+ +

nm

x r

Mc

n1

Sth

0

Hình 1.3: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

1.2 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Như chúng ta đã biết động cơ không đồng bộ ba pha là một đối tượng phi tuyến chứa rất nhiều các tham số, để điều khiển được động cơ không đồng bộ trước hết phải có mô tả toán học của nó chính xác đén mức tối đa Trong thực tiễn kỹ thuạt còn có các phương pháp không cần đến mô hình,

ví dụ như phương pháp điều chỉnh trên cơ sở công nghệ tập mờ, tuy nhiên việc áp dụng cho trường hợp động cơ xoay chiều ba pha vẫn còn chưa chín muồi Với mục đích chính là nhằm xây dựng các thuật toán điều khiển chứ không phải nhằm mô tả chính xác về mặt toán học của động cơ, điều đó dẫn đến các điều kiện giả thiết trong khi lập mô hình Các điều kiện đó một mặt đơn giản hóa mô hình có lợi cho việc thiết kế sau này, mặt khác cũng gây nên những sai lệch nhất định, sai lệch trong phạm vi cho phép giữa đối tượng và mô hình Sau này các sai lệch đó phải được loại trừ bằng các biện pháp thuộc về kỹ thuật điều chỉnh Về phwong diện động, động cơ không đồng bộ ba pha được mô tả bằng hệ phương trình vi phân bậc cao Cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian, các mạch từ móc vòng

vì vậy để đơn giản trong việc xây dựng mô hình ta giả thiết

- Các cuộn dây stato được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian

- Các tổn hao sắt từ và bão hoà từ có thể bỏ qua

ba pha Trong khuôn khổ luận văn này tôi xây dựng mô hình động cơ KĐB trên cơ sở của phwong pháp véc tơ không gian.

1.2.1 Giới thiệu về hệ tọa độ véc tơ không gian

1.2.1.1 Hệ tọa độ Stato cố định (hệ tọa độ α, β)

Khi cấp dòng xoay chiều ba pha cho động cơ, ba dòng điện đó thỏa mãn phương trình:

0)()

()

)(

)120cos(

)(

)cos(

)(

0

0

t i

t

i

t i

t

i

t i

t

i

s s

sc

s s

sb

s s

sa

ωω

ω

(1.37)

Trên mặt phẳng cắt ngang ba cuộn dây đặt lệch nhau một góc 120 0,

ta thiết lập một hệ toạ độ phức với trục thực đi qua trục cuộn dây A của động cơ, ta có thể xây dựng không gian véctơ như sau:

s

j sw

j sv su

i = ( )+ ( ) 120 0 + ( ) 240 0 =

3

2)

(

(1.38)

Trong công thức (1.12), véc tơ i s (t) là một véctơ có mođun không

đổi quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc ωs = 2πf s và tạo với trục

thực (đi qua cuộn dây pha A ) một góc γ = ωs(t ) Việc xây dựng véctơ

i s (t) được thể hiện như hình 1.4 hình 1.4

véctơ mới i s (t) thu được lên trục của cuộn dây tương ứng

Ta đặt lên trục thực của mặt phẳng phức nói trên là trục α và trục ảo

là β, hình chiếu của véc tơ dòng i s (t) ở trên hai trục đó là hai dòng i sα và i sβ

Đối với các đại lượng khác của động cơ như điện áp, dòng r«to, từ thông stato, từ thông r«to đều có thể xây dựng véc tơ không gian trên hệ

tọa độ (α,β) cố định có các đại lượng là Xα và Xβ

1.2.1.2 Hệ tọa độ từ thông rô to (hệ tọa độ d,q):

Giả thiết động cơ xoay chiều ba pha đang quay với tốc độ góc

quay với tốc độ góc ω = s 2 . π . f s.

Nếu ta xây dựng một hệ tọa độ mới với trục thực có hướng trùng với hướng của véc tơ Ψr và gốc trùng với gốc của hệ tọa độ (α,β) và đặt tên cho các trục của hệ mới là d và q, ta thấy rằng hệ tọa độ mới là hệ hệ tọa độ quay

xung quanh điểm gốc chung với tốc độ góc ωs và véc tơ is có các phần tử mới là isd và isq như hình 1.6

Hình 1.6 Biểu diễn VTKG trên hệ toạ từ thông roto còn gọi là hệ tọa độ dq

mới là Xd và Xq.

Một ưu điểm của hệ tọa độ mới là ở chỗ, do các véc tơ dòng điện Stato is và từ thông roto Ψr cũng như bản thân hệ tọa độ (dq) quay đồng bộ với nhau với tốc độ ω s xung quanh gốc tọa độ, nên các phần tử của các véctơ là các đại lượng một chiều Trong chế độ vận hành xác lập, các phần

tử đó thậm chí có thể là không đổi Trong quá trình quá độ, chúng có thể biến thiên theo một thuật toán điều khiển đã định trước Từ đó ta thấy việc

mô tả động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha trên hệ tọa độ từ thông roto là phép mô tả dẫn tới các tương quan giống như đối với động cơ điện một chiều, nhằm đạt được các tính năng điều khiển, điều chỉnh giống như động cơ điện một chiều

1.2.1.3 Chuyển hệ tọa độ của véc tơ không gian

Quan sát một hệ véc tơ bất kỳ V trên hai hệ tọa độ xy và x*y*

Trên hệ tọa độ xy: Vxy = x + jy

) sin )(cos

e V jy

ω = , trong trường hợp ấy hệ tọa

độ x*y* là hệ tọa độ quay tròn với tốc độ góc ω* xung quanh điểm gốc của

hệ tọa độ xy

1.2.2 Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ

1.2.2.1 Hệ phương trình cơ bản của động cơ

u

dt

t d i R t

u

dt

t d i R t

u

sC sC

s sC

sB sB

s sB

sA sA

s sA

) ( )

(

) ( )

(

) ( )

(

ψ ψ

ψ

(1.14)

Với Rs là điện trở của cuộn dây Stato;

ΨSA, ΨSB, ΨSC là từ thông Stato các cuộn dấy pha A, B, C;

Từ ba phương trình trên xây dựng được véc tơ không gian điện áp;

Us(t) = [ ( ) 120 0 240 0]

3

2 )

SC

j SB sA

s t u t u e u e

Thay điện áp pha trong (1.41) vào (1.42) ta có phương trình điện áp Stato dưới dạng véc tơ quan sát trên hệ thống ba cuộn dây stato như sau:

Tiến hành tương tự như đối với cuộn dây stato ta thu được phương trình điện áp của mạch roto quan sát trên hệ thống roto (xét trường hợp đọng cơ roto lồng sóc nên roto ngắn mạch)

Ta ký hiệu:

L m: Điện cảm r«to và hỗ cảm giữa stato và r«to

Lσs: điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stato

Lσs: điện cảm tiêu tán phía cuộn dây roto đã quy đổi về stato, từ các tham số

đó ta định nghĩa them các tham số sau:

Ls = Lm + Lσs: Điện cảm stato

Lr = Lm + Lσr: Điện cảm roto;

Ts = Ls/Rs : hằng số thời gian mạch stato;

Tr = Lr/Rr : hằng số thời gian mạch roto;

m

s

r

m r

s

s

s

L i

L

i

L i

3 )

* (

2

i P i

= (1.47)

Với: mT là mô men tải;

J là mô men quán tính

ω là tốc độ quay roto

a) Phương trình điện áp stato:

s j e k s k j s j e k s d

s

s

→

Trong đó υk là góc giữa trục thực của hệ tọa độ k bất kỳ và trục α của hệ tọa

độ cố định stato υk thỏa mãn phương trình sau đây ωk = dυk/dt Thay các phương trình trên vào biểu thức (1.43) ta thu được phương trình tổng quát

k s k

j dt

k s d k s i s R

góc là hệ tọa độ cố định stato (α,β) và hệ tọa độ từ thông roto (d,q) vì với

việc mô tả trên hai hệ tọa độ này nó sẽ dẫn đến các lợi thế cho việc thiết kế

s

s

Hệ tọa độ từ thông roto (d,q): trường hợp này sảy ra khi ωk = ωs Phương

trình điện áp stato trên hệ tọa độ (d,q) có dạng :

b) Phương trình điện áp r«to:

Áp dụng công thức chuyển tọa độ sau đó thay vào phương trình điện áp roto ta thu được phương trình tổng quát điện áp roto:

f s s

j dt

f s d f

* Hệ tọa độ cố định (hệ α,β): hệ tọa độ α,β nằm cố định trên stato chuyển

động tương đối so với roto bởi tốc độ góc – ω, tức là ωk = – ω suy ra dạng phwong trình điện áp như sau:

2.2.2.2 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ (α,β)của động cơ trên hệ tọa độ (

Hệ phương trình biểu diễn trên hệ tọa độ (α,β):

=

+

=

r i r L s i m L r

r i m L s i s L s

s r r

j dt

s r d s r i r R

dt

s s d s s i s R

s

s

u

=

++

=

dt

s r d s r

j r T

s s

i r T m L

dt

s r d r L m

L dt

s s

di s L

s s i s R

s

s

u

ψψ

ω

ψσ

1

0

ảo của phương trình ta thu được hệ phương trình mô tả động cơ không

đồng bộ trên hệ tọa độ (α,β)

− +

1 /

/ /

1

1 /

1 /

1 /

1 1 1

β ψ α

ψ ω β β

ψ

β ψ ω α ψ α

α

ψ

β σ β

ψ σ

σ α

ψ ω σ

σ β

σ

σ σ

β

r r T r s

i r T dt

r

d

r r

r T s

i r T dt

r

d

s

u s L r

r T r

s

i r T s T dt

s

di

(1.52)

Hệ phương trình mô tả đầy đủ phần điện của động cơ không đồng

bộ Các đại lượng mới định nghĩa ψrα, ψrβ là các đại lượng của véc tơ dòng

từ hóa cũng có đơn vị là Ampe (A) như dòng điện

Phương trình mô men của động cơ:

)

* ( 2

3 )

* ( 2

i P i

P

m M = cψs = − c ψr

Thay các véc tơ từ thông roto và dòng điện stato vào phwong trình mô men

ta được phương trình cuối sau đây:

) (

2

3

α β β

Hệ phương trình (1.52) và (1.53) là mô hình điện đầy đủ của động cơ

không đồng bộ trên hệ tọa độ (α,β):

σ

− +

1

s: Véctơ đại lượng đầu vào

x s: Véctơ trạng thái với các phần tử là số thực

T

r T r

T

r T r

T s T o

r T r

T s T s

A

1 0

1 0

0 1

0 1

.

1

1

1 1

.

1

1 0

.

1 1

σ

σ ω

σ

σ σ

σ σ

ω σ

σ σ

σ σ

σ σ

0 0

.

1 0

0

1

s L

s L s

B

σ σ

Ta có mô hình tổng quan của động cơ không đồng bộ trong không gian trạng thái:

Nếu biển diễn mô hình dưới dạng các ma trận con ta có mô hình sau

N

s

ω

2.2.2.3 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ (dq)

Xét trên hệ tọa đô dq ta có hệ phương trình mô tả động cơ không đồng bộ

=

++

=

f r i r L

f s i m L r

f r i m L

f s i s L s

s r r

j dt

s r d s r i r R

f s s

j dt

f s d f s i s R

f

s

u

0

ψ

ψ

ψωψ

ψωψ

Tiến hành tương tự như trên hệ tọa độ (α,β) rút hai đại lượng dòng điện roto

và từ thông stato từ hai phương trình cuối thay vào hai phương trình đầu đồng thời ta định nghĩa them các đại lượng mới

−

=

+

− +

− +

− +

− + +

− +

−

=

/ 1 /

1

/

/ /

.

1

1

/

1 /

1 /

1 1 1

1 / 1 /

1

1 1

rq r T r s

rd r T sd

rq r T rd sq

i r T s T sq i

r T sq i s sd

i r T s T

dt

sd

di

ψ α

ψ ω ω ψ

ψ ω ω ψ

ψ

σ

ψ σ

σ ψ

ω σ

σ σ

σ σ

ω

σ ψ ω σ

σ ψ

σ

σ ω

σ

σ σ

(1.56)

Phương trình mô men của động cơ:

q rd

sq i rd s L p

z sq

i rd r L m

L p z M

2

3

/

2 2

3

ψσ

f s u

f B

f x

f A dt

f

dx

ω

=

rq rd

sq i sd i

fT

fT s

A f , B f , : ma trận hệ thống, ma trận đầu vào N: ma trận tương tác phi tuyến.

x f : Véctơ trạng thái trên hệ tọa độ (α,β).

u f

f : Véctơ đầu trên hệ tọa độ (α,β).

r T r

T

r T r

T s

T o

r T r

T s

T

f

A

11

0

10

1

1

1

1.1

1

10

1.1

σσ

σσ

σσ

00

10

0

1

s L

s

L f

B

σσ

1000

0001

0010

N

s

ω

2.3 nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha được sử dụng rộng rãitrong công nghiệp từ dải công suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm

tỷ lệ lớn so với các loại động cơ khác Trước đây các hệ truyền động động

cơ không đồng bộ chiếm tỷ lệ nhỏ, đó là việc điều chỉnh tốc độ gặp nhiều khó khăn so với động cơ điện một chiều Trong những năm gần đây nhờ có

sự phát triển vũ bão của công nghệ chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuậtđiện tử tin học, động cơ không đồng bộ mới được khai thác có ghiệu quả và trở thành hệ truyền động cạnh tranh chiếm ưu thế so với động cơ điện mộtchiều

Để điều khiển được tốc độ quay của động cơ, người ta dựa trênphương trình đặc tính cơ của động cơ có ω = f(M) trong đó ω là tốc độquay của roto; M là mô men quay trên trục động cơ

=

2

2 ' 2 1 0

' 2

2 1

.

3

nm

f

X S

R R S

R U M

ω

Xuất phát điểm từ phwong trình đặc tính cơ cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử công suất đã hình thành nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ khác nhau như (điều chỉnh điện áp cấp cho mạch stato, điều chỉnh điện trở mạch roto, điều chỉnh công suất trượt, điều chỉnh số đôi cực và điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho cuộn dây stato bằng bộ biến tần)

2.3.1 Giới thiệu một số phương pháp điều chỉnh tốc độ KĐB:

2.3.1.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng roto

Phwong pháp điều chỉnh này chỉ áp dụng cho động cơ roto dây quấn

và được ứng dụng rộng rãi do tính đơn giản của phương pháp Sơ đồ

nguyên lý và các đường đặc tính cơ như hình vẽ

Hình 1.13: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng roto

a: Sơ đồ nguyên lý

b: Các đường đặc tính cơ

Nhận xét:

Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ về phía giảm

Tốc độ động cơ càng giảm, đặc tiinhs cơ càng mềm, tốc độ đông cơcàng kém ổn định trước sự lên xuống của tải

Dải điều chỉnh phụ thuộc vào vị trí của mô men tải Mô men tảicazngf nhỏ, dải điều chỉnh càng hẹp

Khi điều chỉnh sâu (tốc độ nhỏ) thì độ trượt tốc độ động cơ tăng vàtổn hao năng lượng khi điều chỉnh càng lớn

Phương pháp này có thể điều chỉnh trơn nhờ biến trở nhưng dòng điện phần ứng lớn lên thường được điều chỉnh theo cấp

1.3.1.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phầncảm (stato)

Thực hiện phương pháp điều chionhr tốc độ này với điều kiện giữtần số không đổi Điện áp cấp cho động cơ lấy từ bộ biến đổi điện áp xoaychiều bộ biến đổi điện áp xoay chiều có thể là một biến áp tự ngẫu hoặc bộbiến đổi điện áp bán dẫn Sơ đồ nguyên lý và các đặc tính cơ của phwongpháp này như hình vẽ 1.16

Hình 1.14: Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách

thay đổi điện áp đặt vào phần cảm (stato)a: Sơ đồ nguyên lý

áp thường được thực hiệ cùng với việc tăng điện trở phụ mạch roto để tăng

đọ trượt tới hạn do đó tăng được dải điều chỉnh lớn hơn

Khi điện áp đặth vào động cơ giảm, mô men tới hạn của các đặc tính

cơ giảm, trong khi tốc độ không tải lý tưởng (tốc độ đồng bộ) giữ nguyênnên khi giảm tốc độ thì độ cứng đặc tính cơ giảm, độ ổn định tốc độ kémđi

1.3.1.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực động cơ.Đây là cách điều chỉnh tốc độ có cấp Đặc tính cơ thay đổi vì tốc độđồng bộ thay đổi theo số đôi cực

Động cơ thay đổi được số đôi cực là động cơ được chế tạo đặc biệt

để cuộn dây stato có thể thay đổi được bằng cách nối tương ứng với các số

0

đôi cực khác nhau Các đầu dây để nối được chia ra các hộp nối dây ở vỏđộng cơ Số đôi cực của cuộn dây roto cũng phải thay đổi như cuộn dâystato Điều này khó thực hiện với động cơ roto dây quấn, còn đối với động

cơ roto lồng sóc thì lại có khả năng tự thay đổi số đôi cực tương ứng vớistato Do vậy phương pháp này được sử dụng chủ yếu cho động cơ rotolồng sóc

1.3.1.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn xoay chiều

Với mục đích mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao chất lượng độngheej thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơ không đồng bộ nói riêng, phương pháp điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ cho phép mở rộng phạm vi sử dụng động cơ không đồng bộ trongnhiều ngành công nghiệp Trước hết đó là ứng dụng cho những thiết bị cầnthay đổi nhiều tốc độ động cơ trong cùng một lúc như các hệ truyền độngcủa nhóm máy dệt, băng tải, tanmg lăn….phương này còn được áp dụng trong các thiết bị đơn lẻ nhất là các thiết bị có công nghệ yêu cầu tốc độ làm việc cao như máy ly tâm, máy mài, máy đánh bong… Đặc biệt các hệthống điều n\chỉnh tốc độ động cơ bằng các bộ biến đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc sẽ có cấu tạo đơngiản, vững chắc, giá thành hạ và làm việc trong những môi trường nặng nề, tin cậy Đó là những yêu cầu cần thiết trong hệ thống công nghiệp ngày càng phát triển

Thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ là thay đổi tốc đoojkhông tải lý tưởng nên thay đổi được đặc tính cơ Tần số càng cao, tốc độ động cơ càng lớn

Khi điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ thì các thông sốđiện lien quan đếntafnm số như cảm kháng, do đó dòng điện, từ thông….của động cơ đều bị thay đổi theo và cuối cùng các đại lượng nhưđoo trượt tới hạn, mô men tới hạn cũng thay đổi Chính vì vậy điều chỉnhtốc độ động cơ không đồng bộ băng phương pháp thay đổi tần số thwongf kéo theo điều chỉnh điện áp, dòng điện hay từ thong mạch stato

Khi tần số giảm xuống dưới tần số định mức, cảm kkhangs của động

cơ cũng giảm, dòng điện càng lớn, mô men tới hạn càng lớn Để tránh chođọng cơ khỏi bị quá dòng, phải đồng thời tiến hành giảm điện áp sao choU/f=constant Đó là luật điều chỉnh tần số điện áp

Ưu điểm nổi bật của phương pháp này mà các phương pháp trên không có được là ta có thể điều khiển động cơ phù hợp với mọi loại tải vàphát huy đượch dải điều chỉnh ở cả hai vùng tốc độ dưới và trên định mức,phù hơepj với các hệ truyền động yêu cầu tốc đooj cao Song phương phápnày có nhược điểm là hệ thống điều khiển phức tạp Tuy nhiên với sự thâmnhập như vũ bão của kỹ thuật vi sử lý tín hiệu đã cho phép giải quyết các thuật toán phức tạp điều khiển động cơ trong thời gian thực với chất lượngđiều khiển cao Chính vì vậy phương pháp này ngày càng được quan tâm

và ứng dụng mạnh mẽ trong các hệ thống công nghiệp

2.3.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phương pháp tần số

Trên cơ sở biểu thức tốc độ của động cơ

) 1 (

60 ) 1

p

f s

r

Trong đó: fs là tần số nguồn cung cấp

s là hệ số trượt của động cơ

Khi hệ số trượt thay đổi thì tốc độ động cơ tỷ lệ thuận với tần số nguồn fs Vì vậy ta có thể điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần sốnguồn Riêng đối với động cơ roto lồng sóc chỉ có thể điều chỉnh tần sốmới thực hiệ được điều chỉnh trơn tốc độ trong phạm vi rộng

Đối với động cơ không đồng bộ nếu bỏ qua điện áp rơi trên điện trở

và điện cảm dây quấn stato ta có:

Nếu tăng fs thỡ từ thụng của động cơ giảm xuống và nếu động cơ cú tải với mụ men khụng đổi thỡ dũng điện roto tăng lờn dõy quấn roto bị quỏnúng, cũn mạch từ stato non tải Do vậy mà mụ men cho phộp và khả năngquỏ tải của động cơ giảm.

Vỡ vậy để phỏt huy tối đa mọi khả năng của động cơ khi điều chỉnh tốc độ bằng biến tần, người ta phải điều chỉnh cả điện ỏp theo một tương quan hàm số phự hợp với phụ tải Việc điều khiển này cú thể được thụng qua cỏc mạch vũng phản hồi điện ỏp ứng với một tần số cho trước nài đú sẽbiến đổi theo phụ tải

1.3.2.1 Khỏi quỏt về biến tần

Biến tần là thiết bị biến đổi năng lượng điện một chiều hoặc xoay chiều với tần số cố định thành dũng điện xoay chiều cú tần sốp khỏc tần sốban đầu cú thể điều chỉnh được> tựy theo cấu trỳc của biến tần người tachia thành 2 loại chớnh

- Biến tần trực tiếp:

Loại thiết bị biến tần này biến đổi trực tiếp điện ỏp xoay chiều cú tần

số f1 thành điện ỏp xoay chiều cú tần số f2 cung cấp cho tải Loại thiết bị biến tần này cú phạm vi điều chỉnh tần số f2<f1, thường dựng cho truyền động cụng suất lớn, tốc độ làm việc thấp

- Biến tần giỏn tiếp:

f 1

NL L

Hỡnh 1.16: Sơ đồ biến tần giỏn tiếp

Cỏc biến tần loại này làm việc theo nguyờn tắc: Điện ỏp xoay chiều được điều chỉnh thành điện ỏp một chiều, sau đú qua mạch lọc rồi mạch nghịch lưu biến đổi thành điện ỏp xioay chiều cú tần số f2 Quỏ trỡnh biến đổi năng lượng qua haio lần lờn hiệu suất của biến tần giảm, song bự lạiloại biến tần này cho phộp thay đổi dễ dàng tần số f2 mà khụng phụ thuộc vào tần số f1 trong một dải rộng cả trờn và dưới tần số f1 vỡ tần số ra chỉ phụn thuộc vào mạch điều khiển Hơn nữa với sự ứng dụng của hệ điềukhiển số nhờ kỹ thuật vi xử lý đó cho phộp phỏt huy tối đa ưu điểm củabiến tần loại này Vỡ vậy hiện nay đa số biến tần này đều phải tuõn theo cỏcluật điờuif khiển nhất định.

1.3.2.2

1.3.2.2 Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi.

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato thì có thể tính đợc mômen tới hạn

nh sau:

2

2

2 2

2

2 =  

=

o

s m o

s r s

m th

U k

U L L

L M

ω ω

M =

(1.63)

Từ đó ta có:

thdm odm

sdm o

s

M

M U

U

ω

ω = (1.64)

Hình 1.18 Đặc tính có điều chỉnh tần số theo luật giữ khả năng quá

tải không đổi.

1.3.2.3

1.3.2.3 Luật điều chỉnh từ thông không đổi.

Từ quan hệ tính mômen có thể kết luận rằng nếu giữ từ thông máy ϕ

hoặc từ thông stato ϕs không đổi thì mômen sẽ không phụ thuộc vào tần số

và mômen ới hạn sẽ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh Nếu coi Rs = 0 thì:

const U

U

odm

sdm o

s

ω ω

ϕ

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

có thể so sánh đợc điện áp trên điện cảm tản mạch stato khi đồng thời từ thông cũng giảm đi và do đó mômen tới hạn cũng giảm (hình 1.19)

Hình 1.19 Quan hệ I s (ωs ) khi từ thông ϕs = const

1.3.2.4

1.3.2.4 Luật điều chỉnh tần số trợt không đổi.

ở chế độ xác lập của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc sau khi biến

đổi các hệ phơng trình ta có:

2

2 2

) ( 1 2

3

r s

s s r

M

T

I R

L M

ω

ω +

s r

M th

L R

I L

L M

=

= ω

σ

2 2 4

3

(1.25)

Nh vậy nếu giữ tần số trợt ωs = ωsth = 1/Tr thì mômen luôn bằng mômen tới hạn của đặc tính Trong trờng hợp này ta gọi là luật điều chỉnh sao cho

động cơ sinh ra mômen tối đa ứng với giá trị cho trớc của dòng điện stato

Hình 1.20 Đặc tính có điều khiển tần số theo luật f 2 = const với bộ

biến đổi tần số nguồn dòng.

1.3.2.5 Điều chỉnh tần số bằng phương phỏp vộc tơ khụng gian:

Qua sự phõn tớch một số phương phỏp điều chỉnh tốc độ động cơ khụng đồng bộ trờn ta thầy, hầu hết cỏc phương phỏp đú đều cú đặc điểm

là khụng sử dụng cỏc mạch vũng phản hồi, chỉ diờudf chỉnh tốc độ ở một vựng dưới tốc độ cơ bản , dải điều chỉnh hẹp, điều chỉnh cú cấp, tốc độ kộm

ổn định Mặt khỏc như chunhs ta đó biết động cơ khụng đồng bộ mang tớnhchất phi tuyến mạnh, mặc dự đó bỏ qua ảnh hưởng của bóo hũa từ , tổn thấttrong lừi thộp và cỏc thành phần súng hài bậc cao Song chỳng ta vẫn cũn

gặp nhiều khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ vì quá trình điện

từ trong động cơ hết sức phức tạp, phần cảm và phàn ứng của động cơ cóliên quan chặt chẽ với nhau Với mong muốn nâng cao chất lượng điều chỉnh động sơ không đồng bộ như điều chỉnh tốc độ ở cả hai vùng, dải điều chỉnh rộng, độ trơn điều chỉnh lớn, động cơ làm việc ổn định chất lượngđiều chỉnh như động cơ một chiều, người ta đã đưa ra phương pháp điềuchỉnh mới là: Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp trên cơ sở phương phápđiều chế véc tơ không gian Nội dung của phương phgaps này là người ta biến đổi các đại lượng véc tơ dòng điện, véc tơ điện áp, từ thông từ hệ tọa

độ ba pha về hệ tọa độ hai pha (dq) ta thu đượck các quan hệ mô men quay,

từ thông và các phần tử của véc tơ dòng stato như sau:

sd rd

i P Lr

Lm m

i pTr Lm

2 3

1

isd; isq : Phần tử d và q của véc tơ dòng stato

mM: mo men quay của động cơ

Lr Lm: Điện cảm của roto và hỗ cảm giữa stato và roto

Pc: Số đôi cực của động cơ

Tr: Hằng số thời gian của roto

P: Toán tử Laplace

Từ các phương trình 1.43 cho ta thấy từ thông roto có thể được tăng giảm gián tiếp thông qua tăng giảm isd, quan hệ giữa hai đại lượng từ thông roto và dòng điện isd là quan hệ trễ bậc nhất với hằng số thời gian Tr Nếuthành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng isd, ta có thể coi isd

là đại lượng điều khiển của từ thông roto, vai trò của isd tương tự như dòng

ik trong điều khiển động cơ một chiều Phwong pháp này đã đưa tới cácquan hệ tỷ lệ giữa mô men quay, từ thông và các thành phần của véc tơdòng stato, cho phép xây dựng hệ thống điều chỉnh truyền động điện tương

tự như trường hợp sử dụng động cơ điện một chiều

Hệ truyền động động cơ không đồng bộ điều khiển tần số bằng thayđổi độ rộng xung (PWM) theo phương pháp điều chế véc tơ không giancho phép điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng, có khả năng sinh mô men quay ngay cả ở tốc độ thấp và điều chỉnh trơn một cách tùy ý Tốc độ ổnđịnh, đạt độ chính xác cao, đáp ứng mo men tốt Vì vậy trong khuôn khổcủa luận văn này chỉ nghiên cứu phần PWM dựa trên cơ sở phwong pháp điều chế véc tơ không gian.

Q = 70 kg

2.1 THIẾT KẾ MẠCH LỰC

Mạch lực giữ vai trò rất quan trọng trong truyền động điện Động cơ

có làm việc tin cậy hay không, phụ thuộc vào tính chọn các phần tử trong mạch lực Trong hệ thống biến tần mạch lực biến đổi trực tiếp nguồn điện

áp một chiều thành nguồn điện áp xoay chiều 3 pha có biên độ và tần số mong muốn, đáp ứng được yêu cầu điếu khiển của động cơ

Sơ đồ mạch lực của bộ biến tần như hình vẽ