Xây dựng bộ điều khiểm ổn định tốc độ cho động cơ dị bộ rotor lồng sóc với mạch động lực sử dụng bộ điều áp xoay chiều ba pha

Trước hết phải kể đến sự ra đời và ngày càng hoàn thiện các bộ biến đổi điện tử công suất, với kíchthước gọn nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễ dàng ghép nối với các mạch điều khiểndùng vi

MỤC LỤC

Trang Lời nói đầu

Chương I Những lí thuyết cần tìm hiểu

1.1 Vài nét về động cơ không đồng bộ ba pha

1.2 Nguyên lí hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha

rotor lồng sóc

1.3 Đặc tính cơ và các thông số ảnh hưởng tới đặc tính cơ

1.4 Bộ điều áp 3 pha

Chương II Cấu trúc điều khiển hệ thống

2.1 Đề xuất cấu trúc điều khiển

2.2 Xây dựng mô hình động cơ KĐB rotor lồng sóc

2.3 Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện Isq

2.4 Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện Isd

2.5 Cấu trúc điều khiển mạch vòng tốc độ

Chương III.Tổng hợp bộ điều khiển và mô phỏng trên Simulink

717

2021262626

27323540

Lời mở đầu

Nước ta đang trong quá trình xây dựng nền kinh tế công nghiệp hoá hiện đạihoá Đất nước ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụng mạnh mẽ cácthành tựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lại năng suất laođộng cao hơn, cạnh tranh được với các nước trong khu vực và thế giới.Tự động hoátrong sản xuất với việc áp dụng những thành tựu công nghệ mới nhằm nâng caonăng xuất, hạ giá thành sản phẩm, không những là yêu cầu bắt buộc mà hơn nữacòn được xem như một chiến lược đối với các nhà máy, xí nghiệp cũng như toàn bộnền sản xuất công nghiệp của mỗi quốc gia.Những lý thuyết về điều khiển cũng lầnlượt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xây dựng các nguyên lý điều khiển tối

ưu các hệ thống truyền động trong công nghiệp Sự bùng nổ tiến bộ kĩ thuật tronglĩnh vực điện-điện tử -tin học những năm gần đây đã dẫn đến những thay đổi sâusắc cả về mặt thuyết lẫn thực tế lĩnh vực truyền động điện tự động Trước hết phải

kể đến sự ra đời và ngày càng hoàn thiện các bộ biến đổi điện tử công suất, với kíchthước gọn nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễ dàng ghép nối với các mạch điều khiểndùng vi điện tử, vi xử lí Phần lớn các mạch điều khiển này dùng kĩ thuật số vớichương trình phần mềm linh hoạt, dễ dàng thay đổi cấu trúc tham số hoặc điềukhiển, vì vậy tăng độ tác động nhanh và độ chính xác cao cho hệ truyền động Điềunày dẫn đến việc chuẩn hóa chế tạo các hệ truyền động hiện đại có nhiều đặc tínhlàm việc khác nhau, dễ dàng ứng dụng theo yêu cầu công nghệ sản xuất

Dựa vào thực tế đó em đã thực hiện đề tài “Xây dựng bộ điều khiểm ổn định

tốc độ cho động cơ dị bộ rotor lồng sóc với mạch động lực sử dụng bộ điều áp

xoay chiều ba pha” dưới sự hướng dẫn của thầy Trần Tiến Lương.Trong một thời

gian tương đối ngắn do vậy bài tập lớn này chắc chắn không khỏi những thiếu sót,với sự nỗ lực của bản thân , em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy

cô giáo cùng toàn thể các bạn để bài tập lớn này hoàn thiện hơn !

CHƯƠNG I NHỮNG LÍ THUYẾT CẦN TÌM HIỂU

1.1 Vài nét về động cơ không đồng bộ ba pha

1.1.1 Khái niệm

Động cơ điện dị bộ (không đồng bộ) là loại động cơ điện xoay chiều mà tốc độ quay của roto khác với tốc độ quay của từ trường quay trong máy

Cấu tạo động cơ không đồng bộ:

Động cơ không đồng bộ gồm hai phần chính : Phần tĩnh và phần động

Hình 1.1.Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn

- Phần tĩnh: Gồm lõi thép , dây quấn và vỏ máy

+ Lõi thép stato: Do nhiều lá thép kĩ thuật điện đã dập sẵn , ghép cách điện với nhau

chiều dày các lá thép thường từ 0.35 mm đến 0.5mm phía trong có các rãnh đặt dây quấn Mỗi lá thép kĩ thuật được sơn cách điện với nhau để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây lên Nếu lá thép ngắn thì có thể ghép lại thành một khối Nếu lá thép quá dài thì ghép lại thành các thếp , mỗi thếp dài từ 6 cm đến 8 cm, cách nhau 1 cm để thông gió.

stato

Hình1.2: A mặt cắt ngang stato,B lá thép kĩ thuật điện ,C stato của động cơ KĐB

+ Dây quấn: Được quấn thành từng các mô bin, mà các cạnh của các mô bin

đó được đặt vào các rãnh của lõi thép stato

+ Vỏ máy: Để bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stato ,vỏ có dạng trụ

rỗng,làm bằng nhôm (máy công suất nhỏ) hoặc bằng gang , thép đối với (máy côngsuất lớn) Vỏ máy có chân đế cố định máy trên bệ , hai đầu có nắp máy để đỡ trụcrôto và bảo vệ dây quấn

- Phần quay: Gồm lõi thép , trục, và dây quấn

+Lõi thép rôto: cũng được dập từ các lá thép kĩ thuật điện có dạng hình

tròn và mặt ngoài của các lá thép đó được dập rãnh để đặt cuộn dây, còn ở giữađược dập lỗ tròn để lồng trục máy

+Trục máy: Được làm bắng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép rôto.

Trục được đỡ trên nắp máy nhờ ổ lăn hay ổ trượt

+Dây quấn: Tuỳ theo động cơ không đồng bộ mà ta chia ra rôto dây quấn

hay rôto lồng sóc:

~ Rôto kiểu dây quấn : Rôto dây quấn có kiểu giống như dây quấn stato

và có số cực bằng số cực ở stato Trong động cơ trung bình và lớn dây quấn đượcquấn theo kiểu sóng hai lớp để bớt được các đầu nối, kết cấu dây quấn chặt chẽ.Trong động cơ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp Dây quấn ba pha củađộng cơ thường đấu hình sao, ba đầu ra của nó nối với ba vòng trượt bằng đồngthau gắn trên trục của rôto Ba vòng trượt này cách điện với nhau và với trục, tỳtrên ba vòng trượt là ba chổi than Thông qua chổi than có thể đưa điện trở phụ vàomạch rôto, có tác dụng cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ, hệ số côngsuất được thay đổi

~ Rôto lồng sóc: Kết cấu rất khác với dây quấn stato các dây quấn là

các thanh đồng hay thanh nhôm đặt trên các rãnh lõi thép rôto Hai đầu các thanhdẫn nối với các vòng đồng hay nhôm gọi là vòng ngắn mạch Như vậy dây quấnrôto hình thành một cái lồng quen gọi là lồng sóc

Hình1.3 Dây quấn rôto kiểu lồng sóc

Ngoài ra dây quấn lống sóc không cần cách điện với lõi thép rãnh rôto có thể làmthành dạng rãnh sâu hoặc thành hai rãnh gọi là lồng sóc kép dùng cho máy có côngsuất lớn để cải thiện tính năng mở máy Với động cơ công suất nhỏ rãnh rôtothường đi chéo môt góc so tâm trục

+ Khe hở

Giữa phần tĩnh và phần quay là khe hở không khí , khe hở rất ít thường là ( 0,2 0

mm đến 1.mm), do rôto là khối tròn nên rôto rất đều Mạch từ động cơ không đồng

bộ khép kín từ stato sang rôto qua khe hở không khí Khe hở không khí càng lớn thìdòng từ hoá gây ra từ thông cho máy càng lớn hệ số công suất càng lớn

1.1.2 Những đại lượng ghi trên động cơ không đồng bộ

- Công suất định mức Pđm là công suất cơ hay công suất điện máy đưa ra

- Điện áp định mức Uđm

- Dòng điện định mức Iđm

- Hệ số công suất định mức : cosđm

- Tốc độ quay định mức nđm (vòng/ phút )

- Tần số định mức fđm (hz)

Vd: Trên nhãn máy có ghi /Y 220v/380v_ 7.5/4.3A ta sẽ hiểu như sau khi điện

áp lưới điện là 220v thì ta nối dây quấn stato theo hình  Và dòng điện định mức

là 7.5 A Khi điện áp lưới điện là 380v thì ta đấu dây quấn stato theo hình Y ,dòngđiện định mức là 4.3 A

1.2 Nguyên lí hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha rotor lồng sóc.

Động cơ không đồng bộ làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Khi đặtđiện áp ba pha vào 3 pha dây quấn , 3 pha đạt đối xứng trong lõi thép stator, khi đótrong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay mà thành phần bậc 1 của từtrường này quay với tốc độ góc là :

ϖ1=2Πff

p (1.1)

Trong đó : f là tần số dòng điện cáp cho stator

p là số đôi cực của dây quấn stator

Đồng thời từ trường Stator này làm cảm ứng ra các dòng điện vòng trong cácthanh dẫn roto (đối với loại roto lồng sóc) hoặc các cuộn dây Roto (đối với loại rotodây quấn) Các dòng điện Roto này đặt trong từ trường stator quay nên sinh ra lựcđiện từ (lực Lorentz) Tổng các lực này tạo ra momen quay Rotor , Rotor quaycùng hướng với từ trường Stator quay

Lúc đầu khi từ trường stator đã sinh ra thì Rotor tăng tốc nhanh để cố gắng bắtkịp từ trường quay đó, đồng thời từ trường quay quét qua Rotor càng giảm nên sứcđiện động cảm ứng phái Rotor sẽ giảm dần và dòng điện Rotor cũng giảm theo Nếu tốc độ Rotor bằng tốc độ từ trường quay thì lúc đó sẽ không có lực điện

từ được sinh ra và Rotor quay chậm lại Do đó tốc độ Rotor không thể bằng tốc độđồng bộ, tốc độ đồng bộ phụ thuộc vào tần số nguồn điện cấp và số đôi cực củađộng cơ, sai khác giữa 2 tốc độ gọi là tốc độ trượt

* Ứng dụng, ưu và nhược điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc

Ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình.Chiếm tỉ lệ lớn so với động cơ khác, nhờ những ưu điểm :

 Động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn dễ chế tạo,vận hành an toàn, tin cậy, giá thành rẻ, hiệu suất cao và gần như không bảo trì

Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha, không cần tốn kém các thiết bị biến đổi Nhược điểm: tốc độ của động cơ không đồng bộ phụ thuộc vào tần số và biên độ điện áp nguồn cấp mà trong thực tế nhiều lúc năng lượng cơ lại yêu cầu các tốc độ có thể thay đổi được Chúng có thể chạy ở tốc độ gần như bằng hằng số đối với tải và từ không tải tới đầy tải Điều này không giống như các động cơ một chiều, các độngc cơ đồng bộ gặp khó khăn để điều khiển tách bạch các thành phần dòng điện sinh momen và từ thông.

Để nâng cao hiệu suất sử dụng thì hệ truyền động động cơ không đồng bộ thay đổi tốc độ

có khả năng cấp cho động cơ điện ba pha có tần số và biên độ có thể thay đổi được, nên

bộ điều khiển phức tạp hơn so với loại một chiều.

1.3 Đặc tính cơ và các thông số ảnh hưởng tới đặc tính cơ

1.3.1 Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ

Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta sử dụng sơ đồ thay thế một pha của động cơ Tuy nhiên có các điều kiện sau thoả mãn để xây dựng phương trình đặc tính cơ.

- 3 pha của động cơ là đối xứng

- Các thông số của động cơ không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở không phụ thuộc vào tần số dòng điện rôto , mạch từ không bão hoà điện kháng X 1 , X 2

không đổi.

- Bỏ qua các tổn thất trong lõi thép các tổn thất của ma sát.

- Điện áp hoàn toàn sin và đối xứng ba pha.

Với những giả tưởng trên ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ.

Hình 1.4 Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ

Trong đó U1 : trị số hiệu dụng của điện áp ba pha stato

+ Rth , R1 , R2’ là điện trở tác dụng từ hoá , điện trở stato và điện trở rôto

đã quy đổi về phía stato

+ Xth, X1 , X2’, là điện kháng mạch từ hoá điện kháng tản stato và điệnkháng rôto đã quy đổi về phía stato

+Ith ,I1, I2’ là các dòng điện từ hoá,dòng điện stato, dòng điện rôto đãquy đổi về stato

Với hệ số quy đổi như sau:

X’

2 = Ku2.X2 ; I’

2 = Ki I2 ; R2’ = Ku2 R2Trong đó :

Kdq1,Kdq2: hệ số dây quấn stao và rôto

U1 : điện áp định mức đặt vào dây quấn stato

Ew : sức điện động định mức của rôto

Dòng khởi động phía rôto của động cơ :

Hình 1.5 Đặc tính dòng điện rôtoThông thường ta có I2’ max = (4  7)Iđm Vì thế khi khởi động động cơ cần chúý giảm dòng mở máy phía rôto bằng cách mắc thêm điện trở phụ phía rôto

Ta có dòng điện phía stato là:

Khi S = 0 I1 = Ith (dòng phía stato bằng dòng từ hoá )

S = 1  I1 = [ √R th1+X th+

1

√ (R1+R2)2+X nm]U1

Hình 1.6 Đặc tính dòng điện stato của động cơ không đồng bộ

Để xây dựng phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta dựa vàođiều kiện cân bằng công suất trong động cơ

Ta có công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto là:

Pđt = M.1 (1.2) với M : Là mômen điện từ của động cơ

Giả sử bỏ qua tổn thất phụ thì : M = M cơ

Công suất Pđt chia làm hai phần:

Pcơ :Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ : Pcơ = Mcơ (1.3)

P2 : Công suất tổn hao đồng trong rôto : P2 = 3.I2’2 R2’ (1.4)

sω )2+X nm2 ]

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ.

Để vẽ đường dặc tính cơ của động cơ cần phải tìm ra các điểm tới hạn thông qua

việc giải phương trình:

dM

Ta tìm được trị số của M và S ở điểm cực trị : kí hiệu là Mtới hạn (Mth) và giá trị

Stới hạn ( Sth) Cụ thể là :

Với những động cơ công suất lớn lớn thường R1 rất nhỏ so với Xnm nên lúc này

Trong thực tế khi nghiên cứu các hệ truyền động cho động cơ không đồng bộthường lựa chọn vùng làm việc là đường thẳng tuyến tính từ 0 đ D.

1.3.1 Các thông số ảnh hưởng đến đặc tính cơ

Từ phương trình đặc tính cơ không đồng bộ:

M =

3 U12R2' sωω1[ (R1+R2'

* Ảnh hưởng của điện áp nguồn cấp cho động cơ

Điện áp nguồn U1: Thay đổi bằng cách sử dụng bộ điện áp xoay chiều

Các tham số còn lại là hằng số, khi U1 giảm ( Mth ) Mômen tới hạn sẽ giảmbình phương lần độ suy giảm của điện áp Mth giảm  U12 giảm

Hình 1.8.Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi giảm điện áp cấp cho động

cơ

Vậy khi giảm điện áp cấp cho động cơ làm cho Mth giảm nhanh.Tuy nhiên Sthkhông đổi vì vậy phương án giảm điện áp thường thích hợp cho dạng phụ tải khôngđổi : quạt gió , máy bơm ly tâm Không thích hợp với phụ tải thay đổi

* Ảnh hưởng của điện trở mạch rôto ( R 2 + R 2f ).

Chỉ dùng cho động cơ không đồng bộ rôto dây quấn ,sử dụng bộ điều chỉnh

xung điện trở người ta thực hiện bằng cách mắc thêm R2f vào mạch rôto Ta có:

Hình 1.9 a Sơ đồ đấu dây , b Đặc tính cơ

Vậy R1 càng tăng,dòng điện khởi động càng giảm,Mkđ tăng lên.Sau đó mômenkhởi động sẽ giảm Do đó căn cứ vào điều kiện khởi động và đặc điểm của phụ tải

mà chọn điện trở cho thích hợp

* Ảnh hưởng của tần số lưới điện f 1 cấp cho động cơ:

Thay đổi bằng cách sử dụng bộ biến tần dùng cho cả động cơ dây quấn và lồngsóc

Xuất phát từ biểu thức :1 =

2π.f 1

P ta thay đổi tần số f1 làm cho tốc độ từ

trường quay thay đổi  tốc độ động cơ thay đổi theo

Thực tế khi f1 tăng để đảm bảo đủ Mmm cho động cơ và tốc độ làm việc của động

cơ không vượt quá giá trị cực đại cho phép

max bị hạn chế bởi độ bền cơ khí của động cơ

Khi f1 < f1đm tức là khi f1 giảm ta có:

Khi f1 giảm t giảm  Sth tăng  Mth tăng Xnm giảm

Ta có đặc tính cơ trong 2 trường hợp:

Hình 1.10 Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f 1 cấp cho động cơ

Trong trường hợp khi tần số nguồn cấp cho động cơ giảm dẫn đến tổng trởcủa mạch giảm ( vì tổng trở của mạch tỉ lệ thuận theo tần số ) với giá trị điện áp giữkhông đổi thì dòng điện khởi động tăng rất nhanh do vậy khi giảm tần số cần giảmđiện áp theo một quy luật nhất định để giữ mômen theo chế độ định mức

Qua đồ thị đặc tính cơ ta thấy rằng:

- Khi f1< f1đm với điều kiện

f1 = const thì Mth giữ ở không đổi

- Khi f1> f1đm thì Mth tỉ lệ ngịch với bình phương tần số

Khi tăng giảm tần số f1 cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ động cơtrường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng riêng

* Ảnh hưởng của số đôi cực P

Để thay đổi số đôi cực ở stato ngưới ta thường thay đổi cách đấu dây:

trường hợp sẽ ảnh hưởng khác nhau đến mômen tới hạn Mth của động cơ .

a) b)

Hình1.11Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng bộ

a) Thay đổi số đôi cực với P 2 = P 1/2 và M th = const

b) Thay đổi số đôi cực với P 2 = P 1/2 và P 1 = const

* Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato

Được thực hiện bằng cách mắc thêm điện trở (R1f ) hoặc điện kháng (X1f) nốitiếp vào phía stato của động cơ Tốc độ từ trường không đổi: 1= const , Sth giảm

Do đó đặc tính cơ có dạng:

a b c

Hình1.12 Động cơ không đồng bộ với R f và X f trong mạch stato

a) Sơ đồ với R 1f ; b) Sơ đồ với X 1f ; c) Đặc tính cơ

Ta thấy rằng khi cần tạo ra đặc tính có mômen khởi động là Mmm thì đặc tính cơứng với X1f trong mạch cứng hơn đặc tính cơ với R1f

Dựa vào tam giác tổng trở ngắn mạch có thể xác định được X1f , hoặc R1ftrong mạch stato khi khởi động.

1.4 Bộ điều áp 3 pha

1.4.1.Bộ điều áp ba pha

Hiện nay thường sử dụng các sơ đò điều áp bap ha như sơ đò tải đấu sao không dây trung tính(hình a); sở đồ tải đấu sao có dây trung tính(hình b); Sơ đồ tải đấu tam giác(hình c)

Hình 1.13: Một số sơ đồ điều áp bap ha

Đối với sơ đò tải đấu sao có dây trung tính, thực chất đây là 3 sơ đồ điều áp 1phadịch 120o, không có dòng điện chạy giauwx cái pha với nhau Sơ đồ này chỉ phù hợp với tải có 4 đầu dây ra

Hai sơ đồ tải đấu sao không có dây trung tính và sơ đồ tải đấu sao thì dòng điện saẽ là dòng chạy giữa các pha với nhau, tùy từng thời điểm mà có thể có dòng trong

cả 2 pha hoặc 2 pha Đối với hau sơ đồ này thì tùy thuộc vào loại tải đấu sao hay tam gíc mà chọn phù hợp

Trong trường hợp tải là động cơ, 3 cuộn dây stato đấu sao, ta chon sơ đồ tải đấu sao không cơ dây trung tính và tiến hành với tíanh toán các thông số cần thiết với

sơ đồ này

1.4.2 Hoạt động của bộ điều áp 3pha

Xép sơ đồ 3pha tải đấu sao hông có dây trung tính

Hình 1.14: Sơ đồ điều áp 3 pha tải đấu sao không có dây trung tính

Đối với điều áp 3 pha, điện áp ra không đơn giản như điều áp 1 pha, không thể xác định một dạng chung nhất naof của điện áp ra ví nó phụ thuộc nhiều vào tính chất của tải (•) và góc mở α Xét điện áp ra của một pha, ví dụ pha A, điện áp ra sẽ theo nguyên tắc sau:

- Nếu cả 3 pha cùng có van dẫn, trung tính giả sẽ thành trung tính thật, điện áp ra

UA1 = UA

- Khi chỉ hai pha có van dẫn, trong đó có van của pha A, điện áp ra UA1 = 1/2UAB

= 1/2UAC

- Khi chỉ có hai van dẫn, trong đó pha dang xét không dẫn (pha A), điện áp ra UA1

CHƯƠNG II.CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

2.1 Đề xuất cấu trúc điều khiển

Thành phần của cấu trúc bao gồm:

+ĐCKĐB được nuôi bởi biến tần nguồn áp

+Điều chỉnh dòng isd, isq bằng 2 khối điều chỉnh dòng riêng biệt kiểu PI

+Khối CTĐu ( chuyển hệ toạ độ điện áp) để chuyển toạ độ u sang  trước khi đưavào khối ĐCVTKG và khối chuyển toạ độ uvw sang  ,  sang d,q

+Khối MTu để tính điện áp usd , usq từ đầu ra của khối điều chỉnh dòng

Hình 2.1 Cấu trúc kinh điển của hệ truyền động dùng ĐCKĐB điều khiển tựa theo từ thông rotor.

+Khối MTi để tính isd , isq từ giá trị  và rd mM

+Khối ĐC ω để điều chỉnh tốc độ động cơ

2.2 Xây dựng mô hình động cơ KĐB rotor lồng sóc

2.2.1 Hệ phương trình cơ bản của động cơ

Vì cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về không gian, vì cá mạch từ móc vòng ta giả thiết các điều kiện sau đây trong khi mô hình hóa động cơ:

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

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

- Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ.

- Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không.

Ta có phương trình điện áp stator :