điều khiển động cơ điện

Biến tần bán dẫn làm việc với động cơ không đồng bộ 10.Khái quát chung về điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ 11.Điều khiển vô hướng hệ thống truyền động biến tần động cơ không đồng

Chương 3

ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN

XOAY CHIỀU 3 PHA KHÔNG

ĐỒNG BỘ

Giảng viên: TS Lê Tiến Dũng

Khoa Điện, trường Đại học Bách khoa

ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN

1

2

NỘI DUNG CHƯƠNG 3

1 Phương trình đặc tính cơ

2 Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ.

3 Cách vẽ đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ biến trở

4 Khởi động và cách xác định điện trở khởi động

5 Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm

6 Khái quát chung về điều chỉnh tốc độ máy điện điện xoay chiều ba pha không đồng bộ

7 Điều chỉnh điện trở rôto động cơ không đồng bộ

8 Điều khiển công suất trượt

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

10.Khái quát chung về điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ

11.Điều khiển vô hướng hệ thống truyền động biến tần động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc

12.Giới thiệu phương pháp điều khiển vector cho động cơ KĐB

13 Chế độ hãm trong hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ

Động cơ điện không đồng bộ (KĐB) được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế

sản xuất Ưu điểm nổi bật của loại động cơ này là: Cấu tạo đơn giản, đặc biệt là

động cơ rôto lồng sóc; so với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có giá

thành hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn Ngoài ra động cơ không đồng bộ có thể

dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết

bị biến đổi kèm theo

Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế

các quá trình quá độ khó khăn; riêng với động cơ rôto lồng sóc có các chỉ tiêu

khởi động xấu hơn so với động cơ điện một chiều

4

Động cơ rôto lồng sóc Động cơ rôto dây quấn

Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta sử dụng sơ đồ thay

thế Trên vẽ là sơ đồ thay thế gần đúng một pha của động cơ không đồng bộ.

I 1

I 2

R 1

U1– trị số hiệu dụng của điện áp pha stato

Iμ, I1, I’2– các dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện rôto đã quy đổi về stato.

Xμ,X1σ, X’2σ – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng tản stato và điện kháng tản rôto đã quy

đổi về stato.

Rμ ,R1,R’2– các điện trở tác dụng của mạch từ hóa của cuộn dây stato và của mạch rôto đã

quy đổi về stato.

p

f p

Ta cũng tính được dòng điện rôto quy đổi về stato:

1 2

2 '

2 2

1

'

nm

U I

f nm

Để tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng

công suất trong động cơ: công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto:

12 ®t 1

Mđtlà mômen điện từ của động cơ

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ học thì Mđt= Mcơ= M

Công suất điện từ chia thành 2 phần:

Pcơ: công suất cơ đưa ra trên trục động cơ (nếu bỏ qua tổn thất cơ khí)

ΔP2: công suất tổn hao đồng trong rôto

2 2

nm

U R M

0

dM

ds 

' 2

3 2

f th

nm

U M

Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thể biểu diễn thuận

tiện hơn bằng cách lập tỉ số giữa sthvà Mthvà biến đổi sẽ được phương trình:

M M

s s



14

Đối với các động cơ công suất lớn thường R1rất nhỏ sơ với Xnm, lúc này có thể

bỏ qua R1, nghĩa là coi R1= 0, asth= 0 và ta có:

th th

M M

s s

th

nm

R s

X

1

3 2

f th

nm

U M

X



 

Motor C = 0

Nn = Nominal

Stator Rotor

Motor C = Nominal

Resistive C = nominal

Stator Rotor

Stator Rotor

3

ĐỘNG CƠ

ĐỘNG CƠ MÁY PHÁT

MÁY PHÁT

Truyền động – các góc phần tư

19 2 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ ĐẾN ĐẶC TÍNH CƠ

Từ phương trình đặc tính cơ động cơ không đồng bộ, ta thấy các thông số

ảnh hưởng đặc tính cơ bao gồm:

- Ảnh hưởng của điện áp stato

- Ảnh hưởng điện trở, điện kháng mạch stato (nối thêm điện trở phụ Rf1 và

X1fvào mạch stato)

- Ảnh hưởng điện trở mạch rôto (nối thêm điện trở phụ R2f vào mạch rôto

đối với động cơ rôto quấn dây )

- Ảnh hưởng của thay đổi tần số lưới cấp cho động cơ f1

20 a) Ảnh hưởng của suy giảm điện áp lưới cấp cho động cơ

Khi điện áp lưới suy giảm,

mômen tới hạn sẽ giảm bình

phương lần độ suy giảm của

điện áp Trong khi đó tốc độ

đồng bộ giữ nguyên và độ trượt

tới hạn sthkhông thay đổi

p

f p

a) Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng bộ, M th =const;

b) Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực động cơ KĐB, công suất P =const.

d) Ảnh hưởng của điện trở mạch rôto

Đối với động cơ không đồng bộ rôto dây quấn người ta thường mắc thêm điện

trở phụ vào mạch rôto để hạn chế dòng điện khởi động hoặc để điều chỉnh tốc độ

ta thấy rằng thay đổi tần số sẽ làm tốc độ từ

trường quay và tốc độ động cơ thay đổi

biến đổi ta có:

2 1

1

3 8

f th

nm

U M

3 CÁCH VẼ ĐẶC TÍNH CƠ TỰ NHIÊN VÀ ĐẶC TÍNH CƠ BIẾN TRỞ

4 KHỞI ĐỘNG VÀ CÁCH XÁC ĐỊNH ĐIỆN TRỞ KHỞI ĐỘNG

Đối với động cơ rôto dây quấn để hạn chế dòng khởi động, tăng mômen khởi động người ta đưa

điện trở phụ vào mạch rôto trong quá trình khởi động sau đó loại dần các điện trở phụ này theo

Symbol

Vành trượt &

chổi than

Mạch ngoài

D.O.L (Khởi động trực tiếp)

Sao / Tam giác

Điện trở (hoặc điện kháng) mở máy

 Dòng khởi động lớn, gây sụt áp lưới

 Gây sốc và hao mòn cơ khí động cơ

Ứng dụng:

 Với động cơ công suất nhỏ

 Yêu cầu mômen khởi động lớn (đầy tải)

Không điều chỉnh được tham số khởi động

Khởi động trực tiếp

30

I  I  I 

M 3~

Q1

- KM1

L1 L2 L3

Áptômát cách ly

L1

N

- KM1

on off

- KM1

L1 L2 L3 Q1.2

N

- KM1

on off

I  I  I 

Q1

M 3~

I  I  I 

M 3~

Dùng rơle thời gian đóng trễ LADS2

Thực hành

34

Thời gian khởi động

8 tới 20 giây Chuyển

đổi 40ms

Q1

- KM2

L1 L2

TOR

- KM1

- KM3

Nối dây với công tắc tơ F

Thêm một công tắc tơ công suất thấp để đảm bảo chuyển đồi sao/tam giác

 Tạo thêm thời gian trễ 10ms

 Bảo vệ tiếp điểm của rơle thời gian

L1

TOR

- KM2 Off

36 Xung dòng điện khi đổi nối

sao / tam giác

Cho động cơ bơm 15 kW

 Thích hợp cho tải mômen quán tính lớn

Điều chỉnh được điện áp khởi động

38

 Thiết kế để khởi động và hãm động cơ – tải có thời gian khởi động lớn, mômen quán tính lớn:

quạt, máy ném.

 ATS48: điều khiển mômen

Khởi động mềm – Soft-starter

40

Cấu tạo – nguyên lý

 Cấu tạo từ 3 cặp thyristor mắc

song song ngược.

 Nguyên lý: khống chế điện áp,

hạn chế dòng điện và điều khiển

mômen giúp khởi động êm.

Khi đang làm việc ở trạng thái động cơ thì từ trường quay cắt qua các thanh dẫn của cuộn dây stato và

Dòng điện trong cuộn dây rôto được tính:

Ta thấy rằng khi chuyển sang hãm tái sinh s < 0, như vậy chỉ có thành phần tác dụng của dòng điện rôto

đổi chiều, do đó mômen đổi chiều, còn thành phần phản kháng vẫn giữ chiều cũ.

42

Ở trạng thái hãm tái sinh động cơ làm việc như một máy phát điện không đồng bộ song song với lưới, trả

công suất tác dụng về lưới còn vẫn tiêu thụ công suất phản kháng để duy trì từ trường quay.

M

0

a a

Những động cơ không đồng bộ điều chỉnh tốc độ

bằng phương pháp tần số hoặc số đôi cực khi giảm

tốc độ có thể thực hiện hãm tái sinh.

Với những động cơ không đồng bộ được

sử dụng trong hệ truyền động có tải là thế năng, có thể thực hiện hãm tái sinh hạ tải trọng

b

a

M Mc

0

b) Hãm ngược

Tương tự như với động cơ một chiều kích từ độc lập, trạng thái hãm ngược của động cơ không đồng bộ

có hai trường hợp:

việc, ta đóng vào mạch rôto điện trở phụ

đủ lớn, với tải thế năng động cơ sẽ làm

việc ổn định tại điểm d Đoạn cd là đoạn

đặc tính hãm ngược.

M

M c

a b

d d

- Hãm ngược xảy ra khi

động cơ đang làm việc, ta

đổi thứ tự 2 trong 3 pha

điện áp đặt vào stato; động

cơ chuyển sang làm việc

trên đặc tính hãm ngược bc

hoặc b’c’.

b) Hãm động năng

Trạng thái hãm động năng xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt stato động cơ khỏi nguồn điện xoay chiều,

rồi đóng vào nguồn một chiều Người ta chia hãm động năng của động cơ không đồng bộ thành hai dạng:

Hãm động năng kích từ độc lập và tự kích.

~

K K K

H H

+ -

a)

~

K K K

b)

C C C

~

c)

Hình 3-18 Sơ đồ nguyên lý hãm động năng của động cơ không đồng bộ.

Hãm động năng kích từ độc lập; b) Hãm động năng tự kích từ dùng tụ điện; c) Hãm động năng tự kích từ

6 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY

CHIỀU BA PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ

Động cơ không đồng bộ làm việc theo nguyên lý cảm ứng, từ thông động cơ và mômen là các

hàm phi tuyến của nhiều biến Chính vì vậy mà trong định hướng xây dựng các hệ truyền động điện

không đồng bộ người ta thường có xu hướng tiếp cận với các đặc tính điều chỉnh của động cơ điện

Như vậy với một mômen tải xác định (M = Mc), muốn điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng

bộ, chủ yếu chỉ có hai hướng:

+ Điều chỉnh tốc độ đồng bộ

+ Điều chỉnh công suất tổn hao PS.

Phương pháp thứ nhất liên quan đến các hệ thống điều chỉnh tần số, phương pháp thứ hai liên

quan đến điều chỉnh điện trở mạch rôto hoặc điều chỉnh công suất trượt.

Các phương pháp điều chỉnh được thể hiện trong bảng ở slide tiếp theo Trong bảng ta thấy có

bốn phương pháp, nếu đứng về phương diện tổn thất khi điều chỉnh ta có hai phương pháp: Điều

chỉnh tổn thất và điều chỉnh kinh tế Còn phân loại theo sơ đồ bố trí mạch lực ta có mạch tác

động lên stato và mạch tác động vào rôto.

§iÒu chØnh tæn thÊt §iÒu chØnh kinh tÕ

§iÖn ¸p stato §iÒu chØnh tÇn sè

§iÒu chØnh xung ®iÖn trë R« to

- Phương pháp điều chỉnh điện áp stato dùng tiristo có phạm vi điều chỉnh

tốc độ và mômen hẹp Đường 1 là giới hạn góc mở max, đường 2 hạn chế do

đưa điện trở phụ, đường 3 hạn chế do quá dòng điện Vì vậy ngày nay người

ta ít dùng, chủ yếu dùng để khởi động động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc

phụ tải bơm và quạt gió

- Phương pháp điều chỉnh điện trở phụ nối vào rotor của động cơ không

đồng bộ rôto quấn dây Thực chất là phương pháp tổn thất, hiệu suất truyền

động suy giảm khi điều chỉnh sâu tốc độ Tuy vậy phương pháp này có hiệu

quả tốt là mômen khởi động lớn, thích hợp với truyền động cơ cấu nâng hạ

của cầu trục và cần trục, nên nó vẫn được sử dụng ở dải công suất nhỏ và

trung bình

51 Phương pháp điều chỉnh công suất trượt thực hiện đối với động cơ rôto quấn dây Thực chất

của phương pháp này là công suất điện được cấp 100% cho động cơ ở phía stato, với phụ tải

định trước, để điều chỉnh giảm tốc độ (giảm công suất đầu ra trục động cơ), ta lấy bớt công

suất ở phía roto (gọi là công suất trượt) được biến đổi trả lại lưới Như vậy công suất điện tiêu

thụ của động cơ gần tương ứng với công suất cơ, nên phương pháp này gọi là phương pháp

điều chỉnh kinh tế Tuy vậy nó dùng ở dải công suất lớn (> 400 kw) thì mới có hiệu quả kinh

tế.

- Phương pháp điều chỉnh tần số nguồn cung cấp được sử dụng cho động cơ không đồng bộ cho đến nay

vẫn là phương pháp tốt nhất, vì nó điều chỉnh trực tiếp công suất điện đầu vào động cơ, đặc tính cơ có độ

cứng không thay đổi trong dải điều chỉnh rộng Với sự phát triển công nghiệp điện tử công suất, giá thành

các bộ biến đổi ngày càng hạ, tính năng kỹ thuật ngày càng nâng cao, nên hệ truyền động điều khiển tần

số được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.

52

Sơ đồ khối của một hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ truyền

động điện

Nguồn điện (DC/AC)

BỘ BIẾN ĐỔI

BỘ ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ

CCSX

Tốc độ mong muốn

Vị trí/ Tốc độ/ Gia tốc

Điện áp

Tốc độ

Điện áp/Dòng điện

- Phương pháp này chỉ cho phép điều

chỉnh tốc độ về phía giảm.

- Tốc độ càng giảm, đặc tính cơ càng

mềm, tốc độ động cơ càng kém ổn định

trước sự tăng giảm của mômen tải.

- Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số mômen

tải Mômen tải càng nhỏ, dải điều chỉnh càng

hẹp.

- Khi điều chỉnh sâu (tốc độ nhỏ) thì độ trượt động cơ tăng và tổn hao năng lượng khi điều

chỉnh càng lớn.

- Phương pháp này có thể điều chỉnh trơn nhờ biến trở nhưng do dòng phần ứng lớn nên

thường được điều chỉnh theo cấp.

3.7 ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN TRỞ RÔTO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

A B C

57 3.9 BIẾN TẦN BÁN DẪN LÀM VIỆC VỚI ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

~

N

Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)

Phương pháp điều chế PWM kinh điển còn tồn tại các nhược điểm sau:

Để giải quyết các vấn đề này thường sử dụng các thuật toán điều chế biến thể, quá điều chế hoặc điều

chế vectơ điện áp không gian.

s3

63 Ba dòng điện pha hình sin phía stator của động cơ xoay chiều 3 pha KĐB không

nối điểm trung tính:

Ba dòng điện pha sẽ là

xuống trục của các cuộn dây tương ứng.

64

Biểu diễn các đại lượng 3 pha khác như điện áp stator, điện áp rotor, từ thông

Bước tiếp theo: hình dung một hệ tọa độ với 2 trục d và q, quay đồng bộ với

Nếu trục d (trục thực) của hệ

tọa độ mới trùng với trục của

 Thành phần trục q của từ

thông sẽ mất đi.

 Mối quan hệ giữa mômen

quay, từ thông rotor và

các thành phần dòng điện như sau:

chuyển đổi, thay thế hệ thống

3 cuộn dây pha U, V, W bởi hệ

thống 2 cuộn dây  và .

Dòng điện chảy qua hai cuộn dây mới là i svà i s:

Công thức chuyển đổi Clarke uvw -> 

đổi Park:

 -> dq

Điều kiện để chuyển đổi: Phải biết góc







Chỉ số viết bên phải trên cao:

Chương 4

ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN

XOAY CHIỀU 3 PHA ĐỒNG

BỘ

Giảng viên: TS Lê Tiến Dũng

Khoa Điện, trường Đại học Bách khoa

ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN

1

1 Khái quát chung

2 Máy điện đồng bộ trong chế độ xác lập

3 Phân loại hệ thống điều khiển tốc độ máy điện đồng bộ

4 Truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ kích từ quấn dây dùng biến tần

nguồn áp

5 Hệ truyền động động cơ đồng bộ với bộ biến đổi tần số nguồn dòng chuyển mạch tự

nhiên

6 Động cơ xoay chiều đồng bộ ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu

7 Giới thiệu điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ (SPM) cực ẩn kích từ nam châm vĩnh

1 KHÁI QUÁT CHUNG

Động cơ đồng bộ ba pha, trước đây thường dùng cho loại truyền động không điều chỉnh

tốc độ, công suất lớn hàng trăm kW đến hàng MW ( truyền động cho các máy nén khí, quạt

gió, bơm nước, máy nghiền v.v…) Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện

tử và công nghệ vật liệu, động cơ đồng bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công

nghiệp, ở mọi loại dải công suất từ vài trăm W ( truyền động cho cơ cấu ăn dao máy cắt gọt

kim loại, cơ cấu chuyển động của tay máy, người máy), đến hàng MW ( cho các truyền động

kéo tàu tốc độ cao TGV, máy nghiền, máy cán v.v…).

Có thể phân loại động cơ xoay chiều đồng bộ ba pha ra làm hai loại chính:

- Loại rôto có kích từ bằng điện với dải công suất lớn từ vài trăm tới vài MW Cuộn kích từ

được cuốn theo cực ẩn hoặc cực lồi.

- Loại rôto là nam châm vĩnh cửu với dải công suất nhỏ.

trong đó: fs là tần số nguồn cung cấp; pplà số đôi cực của động cơ.

Từ công thức trên ta thấy điều chỉnh tần số nguồn cung cấp sẽ điều chỉnh được tốc độ động

cơ Do vậy cấu trúc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ bao giờ cũng có bộ

biến đổi tần số.

2 MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ TRONG CHẾ ĐỘ XÁC LẬP

Stato Trôc as

N

S

bs

R«to Trôc d

c’s R«t o

Trôc q as

Stato b’s cs

a’s R«t o

Với giả thiết mạch từ động cơ chưa bão hoà,

các cuộn dây stato ba pha đối xứng, các tham

số của động cơ không thay đổi Dây quấn rôto

mang dòng điện một chiều, ta có thể coi rằng

nam châm điện rôto tạo ra từ thông khe hở

không khí, từ thông này tác động với dòng

điện stato tạo mômen kéo rôto quay Vì rôto

luôn quay đồng bộ vởi từ trường stato (độ

trượt bằng không) nên có thể gắn một hệ trục

quay đồng bộ vào rôto, hệ trực giao này gọi là

hệ d, q, trong đó trục d trùng với “cực bắc”

của nam châm rôto.

6

Trong chế độ xác lập một máy điện đồng bộ cực ẩn có sơ đồ thay thế gần giống với sơ đồ thay thế máy

chảy trong dây quấn kích thích tạo nam châm rôto, khi quay nam châm này sinh ra sức điện động trong

dây quấn stato E Như vậy ta có thể dựng được sơ đồ thay thế cho một pha như trên hình vẽ.

Với giả thiết mạch từ động cơ chưa bão hòa, các cuộn dây stato ba pha đối xứng, các tham số

động cơ không thay đổi, ta có thể dùng phương pháp biến đổi tuyến tính mô tả quá trình điện

từ của động cơ trên hệ tọa độ d,q hoặc ,  tương tự như động cơ không Mô tả toán học động

cơ đồng bộ đơn giản hơn vì rôto quay cùng tốc độ với từ trường quay stato Cụ thể trên hệ tọa

độ d, q ta có 5 phương trình cân bằng điện áp: hai phương trình cho điện áp stato, hai phương

trình cho điện áp một cuộn khởi động và một phương trình cho cuộn kích từ Trong đó ufrIfrRfr

và LLfrđược quy đổi về stato.đồng bộ.