bài giảng truyền động điện

Đặc tính cơ của động cơ CHƯƠNG II: ĐIỀU KHIỂN VÒNG HỞ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU I.. Điều khiển động cơ DC dùng bộ biến đổi xung áp Chopper CHƯƠNG III: ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ M

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

BÀI GIẢNGTRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

ĐỀ CƯƠNG MÔN HỌC

CHƯƠNG I: ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ - TẢI CƠ

I Đặc tính cơ của tải

II Đặc tính cơ của động cơ

CHƯƠNG II: ĐIỀU KHIỂN VÒNG HỞ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

I Động cơ điện một chiều (động cơ DC)

II Điều khiển động cơ DC dùng bộ chỉnh lưu

III Điều khiển động cơ DC dùng bộ biến đổi xung áp (Chopper)

CHƯƠNG III: ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

I Mô hình động động cơ DC

II Bộ điều khiển PID

III Điều khiển vòng kín động cơ DC

CHƯƠNG IV: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

I Động cơ không đồng bộ ba pha

II Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

CHƯƠNG V: ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

I Bộ nghịch lưu ba pha và vector không gian

II Hệ quy chiếu quay

III Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ tọa độ từ thông rotor

IV Điều khiển định hướng từ thông (FOC) động cơ không đồng bộ ba pha

V Bộ biến tần

CHƯƠNG I: ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ - TẢI CƠ

I.1 Đặc tính cơ của tải:

I.1.1 Đơn vị của các đại lượng cơ học:

I.1.2 Phương trình moment cơ bản:

dt

d J M

Mc: là moment cản

Mco: là moment cơ

J: là moment quán tính cơ

Khi: Mco > Mc tải cơ tăng tốc

Mco < Mc tải cơ giảm tốc

Mco = Mc tải cơ chạy với tốc độ ổn định, xác lập, trạng thái tĩnh

I.1.3 Các thành phần cơ bản của moment cản:

2

B M

I.1.4 Một số dạng đặc tính tải thường gặp:

I.1.5 Moment quán tính:







 +

j

j j n

i

i i m

v m J

J

J

1 2

1

2

2 2

ω

Trong đó: Jm: là moment quán tính trục động cơ

Ji, ωi: là moment quán tính, tốc độ của phần tử quay thứ i

mj, vj: là khối lượng, tốc độ của phần tử chuyển động tịnh tiến thứ j

Mt

ωđm

ω

Mđm

I.1.6 Chế độ làm việc:

a Hãm tái sinh: có lợi nhất Công suất điện cung cấp năng lượng cho nguồn,

công suất cơ chuyển thành nhiệt

- Pđiện < 0: trả năng lượng về nguồn

- Pcơ < 0: nhận năng lượng từ tải

b Hãm ngược: tốn năng lượng nhất Công suất điện và công suất cơ chuyển

thành nhiệt

- P điện > 0: tiêu thụ công suất về nguồn

- Pcơ < 0: nhận năng lượng từ tải

c Hãm động năng: công suất cơ chuyển thành nhiệt Có tác dụng động cơ

dừng nhanh Khi cắt nguồn thì động cơ vẫn quay khi đó động cơ đóng vai trò là máy phát,sinh ra suất điện động E, để tiêu thụ suất điện động này thì khi cắt nguồn thì ta nối vớiđiện trở làm cho động cơ dùng nhanh hơn

Động cơ theo chiều nghịch

I.1.8 Thông số của hệ thống điện cơ:

I.2 Đặc tính cơ của động cơ:

I.2.1 Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập

Kích từ độc lập:

( )u M co

k

R k

U

*

2Φ

−Φ

ωđm

O

I0 Iđm

kt

nt u co

R R M kk

=

u kt

co kk I

I.2.3 Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ hỗn hợp

I.2.4 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha

Mạch tương đương của động cơ không đồng bộ ba pha

Shunt

SeriesCompound

( ')2

2 '

' 2 3 1

r s

r s

r s

s

co

X X s

R R

s

R U M

+ +

' ,

( ')2

2

'

r s s

r p

X X

R

R

s

+ +

=

( ')2 2

2

3 1

r s s s

s

U T

+ + +

=

ω

( ') (2 ')2

' 2 3 1

r s s

s

r s s

st

X X R

R

R U T

+ + +

+

max

Đặc tính các loại động cơ cơ bản

1: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ đồng bộ

2: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ DC kích từ độc lập.3: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ DC kích từ hỗn hợp.4: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ DC kích từ nối tiếp.5: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ

W

dm

W dm

Bài tập:

Câu 1: Một động cơ DC kích từ độc lập, 230V điện trở phần ứng 0,2Ω, tốc độc không tải lý tưởng là 1000 vòng/phút Ở chế độ định mức dòng điện phần ứng là 40A Biết từ thông kích từ không đổi bằng định mức

a Tính tốc độ và moment điện từ (moment cơ) định mức của động cơ?

b Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ?

Câu 2: Một động cơ DC kích từ độc lập có các thông số định mức là 500V, 100A,

1000v/p Điện trở phần ứng 1Ω Biết từ thông kích từ không đổi bằng định mức

a Tính moment và công suất định mức của động cơ?

b Tính hiệu suất của động cơ ở định mức nếu biết công suất tổn hao của cuộn kích từ là 5kw

c Động cơ mang tải và có dòng điện phần ứng là 40A Tính tốc độ, moment

và hiệu suất của động cơ khi đó?

d Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ?

e Vẽ đặc tuyến moment – tốc độ và chỉ ra các điểm đã tính trên

Câu 3: Một động cơ DC kích từ độc lập có các thông số định mức 400V, 100A,

1500v/p

a Tính công suất động cơ

b Tính hiệu suất của động cơ ở định mức nếu công suất tổn hao của cuộn kích từ là 3kW

c Động cơ mang tải và dòng điện phần ứng là 20A Tính tốc độ moment

và hiệu suất của động cơ khi đó

d Tính dòng khởi động và moment khởi động của động cơ

Biết điện trở phần ứng là 0,5Ω và từ thông kích từ không đổi và bằng định mức

Câu 4: Một động cơ DC kích từ nối tiếp, có điện trở phần ứng là 0,2 và điện trở

cuộn kích từ là 0,1Ω Thông số định mức của động cơ là 450V, 40A, 1000v/p Khi động

cơ vận hành ở định mức:

a Tính tốc độ, moment của động cơ?

b Tính công suất và hiệu suất của động cơ?

c Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ

Câu 5: một động cơ DC kích từ nối tiếp, vận hành ở chế độ định mức 161,2Nm,

1000v/p, 41A, 420V Tổng điện trở phần ứng và cuộn kích từ là 0,2Ω Tính tốc độ và dòng điện của động cơ khi moment điện 87Nm

Câu 6: Một động cơ DC kích từ độc lập, 400V điện trở phần ứng 0,2Ω, tốc độ không tải lý tưởng là 1500 vòng/phút Ở chế độ định mức dòng điện phần ứng là 50A Biết từ thông kích từ không đổi bằng định mức

a Tính tốc độ và moment điện từ (moment cơ) định mức của động cơ?

b Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ?

c Vẽ đường đặc tính của động cơ

CHƯƠNG II: ĐIỀU KHIỂN VÒNG HỞ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

II.1 Động cơ một chiều

II.1.1 Cấu tạo động cơ một chiều (động cơ DC)

http://www.sch.vn/jquery-swfupload/uploads/07f9fcc650528527db9d7e823e279488.swf

Cấu tạo động cơ điện DC: Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiềucặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện Rotor có các cuộn dây quấn và được nối vớinguồn điện một chiều Một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phậnchỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor làliên tục Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúcvới cổ góp

II.1.2 Nguyên lý làm việc

Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non, cạnhphía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bịtác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming Các lực này

gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay Để làm cho rotor quay liên tục vàđúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2chu kỳ Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường.Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90o so với phương ban đầu của

nó, khi đó Rô to sẽ quay theo quán tính

Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiếngóp khác nhau trên cổ góp Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu nhưkhông bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của Rô to

II.2.1 Đặc tính cơ của động cơ DC

II.2.1.1.Đặc tính động cơ DC kích từ độc lập:

Φ

−

=Φ

=

k

I R U k

U

2Φ

−Φ

R R M kk

=

u kt

II.2 Điều khiển tốc độ động cơ DC

II.2.1 Điều khiển điện áp phần ứng

( )u M co

k

R k

U

2Φ

−Φ

U

2Φ

−Φ

II.2.3 Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông

Điều khiển thay đổi tốc độ ω thông qua:

Điều khiển điện áp phần ứng khi: ω < ωđm

Điều khiển từ thông kích từ Φ khi: ω > ωđm

II.2.4 Điều khiển điện trở phần ứng

( )u M co

k

R k

U

2Φ

−Φ

II.3 Các trạng thái hãm của động cơ DC kích từ độc lập:

Hãm tái sinh: Pđiện < 0 trả năng lượng về nguồn

Pco < 0 nhận năng lượng từ tải

n

RV =0

I0

Hãm động năng: Pđiện = 0 trả năng lượng về nguồn

Pco < 0 nhận năng lượng từ tải

Hãm ngược: Pđiện > 0 trả năng lượng về nguồn

Pco < 0 nhận năng lượng từ tải

II.4 Điều khiển động cơ DC dùng bộ chỉnh lưu

Sử dụng bộ chỉnh lưu 1 pha và 3 pha để chingr lưu điện áp xoay chiều AC thànhđiện ap một chiều DC để cấp cho động cơ Đồng thời sử dụng bổ chỉnh lưu bán điềukhiển và điều khiển toàn phần để điều chỉnh điện áp DC để điều chỉnh các thông số làmviệc uẩ động cơ như tốc độ, moment…

II.4.1 Bộ chỉnh lưu một pha

Bộ chỉnh lưu hình tia một pha:

π

RMS pha DC

U

Bộ chỉnh lưu hình tia một pha có điều khiển:

( α)

π 1 cos2

Tín hiệu ra: http://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%ADp_tin:Regulated_rectifier.gif

Bộ chỉnh lưu cầu một pha:

π

RMS pha DC

Bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển toàn phần:

( α)

22

+

DC

U U

II.4.2 Bộ chỉnh lưu 3 pha

Bộ chỉnh lưu tia 3 pha:

π2

23

RMS pha DC

Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần:

II.5 Điều khiển động cơ DC dùng bộ biến đổi xung áp (Chopper)

Bộ biển đổi DC/DC:

Các bộ biến đổi DC – DC chia làm 3 loại: Bộ tăng áp U0 > U1 (Boost converter),

bộ hạ áp U0 < U1 (Buck converter), bộ tăng giảm áp(Boost – Buck converter)

II.5.1 Bộ chopper giảm áp (lớp A)

DC

DC

T U

u u u

DC = + +

II.5.2 Bộ tăng áp chopper (lớp B)

OFF ON

T U

Hãm tái sinh dùng bộ chopper tăng áp

II.5.3 Bộ chopper kiểu đảo dòng (lớp C)

T

T U

dc

tb

d− =

II.5.4 Bộ chopper kiểu đảo áp (lớp D)

Cách 1: S1 và S2 được kích đồng thời thì giống lớp C:

T

T U

dc tb d

II.5.5 Mạch chopper kiểu tổng quát (lớp E)

Dạng mạch cầu H điều khiển động cơ DC làm việc ở 4 góc phần tư

Điều khiển cách 1 kiểu đảo dòng:

T

T U

dc tb d

Bài tập:

Câu 1: Cho động cơ DC 500V, 9A, 1000v/p, điện trở phần ứng 4Ω động cơ kích từđộc lập từ thông luôn đạt định mức Phần ứng của động cơ được cấp nguồn từ bộ chỉnhlưu cầu ba pha điều khiển toàn phần Bộ chỉnh lưu được cấp nguồn 380VRMS 50Hz Tính:

Câu 2: cho động cơ DC có

nhãn mác như hình bên: có điện trở

phần ứng 3Ω Kích từ độc lập không

đổi

được cấp từ bộ chỉnh lưu cầu 3 pha

điều khiển toàn phần, nguồn

380VRMS, 50Hz Tính góc kích để

động cơ vận hành ở 1/2 điện áp định

mức

f Với điện áp như

câu a, khi động cơ mang tải và có dòng điện phần ứng là 17A Tính tốc độ vòng/phút

g Tính điện áp để động cơ đạt được 500 vòng/phút ở 17A Tính góckích lúc đó?

h Tính tốc độ lớn nhất mà động cơ có thể đạt được khi có tải 17A với

k Tính thời hằng điện biết Lư = 30mH

l Tính thời hằng cơ, biết J = 0,1kgm2 B = 0,01

a Tốc độ động cơ khi đặc tính cơ là tự nhiên

b Ta phải thêm vào mạch phàn ứng điện trở bao nhiêu để với điện áp Uđm thì động cơ

có tốc độ ω1

Pđm = 8 kW, Uđm = 220V, Iđm = 43 A, nđm =1400 rpm, Ru = 0,41 Ω, MP = 0,6 MN, ω1= 100 rad/s

Câu 4: Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp với các thông số : Pđm = 14,7 kW, Uđm = 220V, Iđm = 78,5 A, nđm = 585 rpm, Ru = 0.208, Rkt =0,104Ω, Hãy xác định:

- Tốc độ động cơ điện ứng điện áp bằng nửa điện áp định mức

- Tốc độ động cơ điện ứng điện áp định mức, tải định mức và điện trở mắc nối tiếp vào phần ứng r =1,2Ω

Câu 3: Cho động cơ DC có 220V, 1A, 2000v/p có điện trở phần ứng là

mạch điều khiển như hình vẽ: Bộ

chỉnh lưu được cấp nguồn 220V,

50Hz Tụ lọc C đủ lớn để lọc

phẳng điện áp, chu kỳ điều rộng

a Tính điện áp 1 chiều trên tụ

C.

c Động cơ mang tải với dòng điện phần ứng là 0,5A và chạy với tốc

d Biết động cơ có dòng khởi động 2A Tính điện áp khởi động của

Câu 4: Cho động cơ DC có 400V, 5A,

2000v/p có điện trở phần ứng là 3Ω

Động cơ cấp nguồn qua mạch điều

khiển như hình vẽ: Bộ chỉnh lưu được

cấp nguồn 380V-RMS, 50Hz Tụ lọc C

đủ lớn để lọc phẳng điện áp, chu kỳ

điều rộng xung không đổi: T = 100µs

a Tính điện áp ra của bộ chỉnh lưu

d Biết động cơ có dòng khởi động 20A Tính điện áp khởi động của động cơ và TON

tương ứng

Câu 4: Cho động cơ DC 450V, 90A, 2000v/p, có điện trở phần ứng là 0,2Ω động cơ kích

từ độc lập, từ thong không đổi và luôn đạt định mức phần ứng của động cơ được cấpnguồn từ bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển toàn phần Bộ chỉnh lưu được nói vào nguồn

ba pha 380VRMS, 50Hz.

a Tính moment định mức của động cơ? Tính góc kích của bộ chỉnh lưu để động cơ vận hành ở điện áp định mức?

b Để động cơ khởi đông với dòng điện 200A, tính điện áp khởi động mag

bộ chỉnh lưu cấp cho động cơ và góc kích tương ứng?

c Khi động cơ mang tải bàng 1/2 Mđm và chạy ổn định ở tốc độ 1000v/p tính điện áp mà bộ chỉnh lưu cấp cho động cơ và góc kích tương ứng?

d Động cơ kéo cần cẩu với tải 0,5 Mđm và đang hạ xuống với tốc độ ổn định 1000v/p, Tính điện áp mà bộ chỉnh lưu cấp cho động cơ và góc kích tương ứng.

CHƯƠNG III: ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

III.1 Mô hình của động cơ DC

Mạch tương đương của động cơ DC:

Phương trình mạch vòng điện áp cho phần ứng của động cơ:

dt

di L i R E

u u u

Trong đó: Mco = kφiu

J là moment quán tính của hệ thống quy đổi về trục động cơ

B là hệ số ma sát

Mc là moment cản quy đổi về trục động cơ

Áp dụng biến đổi Laplace từ các phương trình trên ta có mô hình động cơ DC:U(s) = E(s) + RuIu(s) +LusIu(s)

E(s) = Kφω(s)

Mco = Mc(s) + Bω(s) + Jsω (s)

Mco = kφIu(s)

u u

u

R s L

s E s U s

s M s

Sơ đồ khối của động cơ DC kích từ độc lập:

Mô hình động cơ DC trong matlab simulink

III.2 Bộ điều khiển PID

Phương trình vi phân mô tả bộ điều khiển:

Trong đó: KP là hệ số khâu tỷ lệ

KI là hệ số khâu tích phân

KD là hệ số khâu vi phânSau khi biến đổi Laplace:

+-

Đối tượng điều khiển

s T

K s e

s u s

I P

11)

(

)()

( Trong đó: TI = KP / KI và TD = KD / KP

Chức năng các khâu:

Khi KP tăng: sai số xác lập giảm, vọt lố tăng, thời gian lên nhanh

Khi KI tăng: sai lệch tĩnh giảm, thời gian đáp ứng chậm nhanh

Khi KD tăng: độ vọt lố giảm, thời gian đáp ứng nhanh, bớt nhấp nhô

III.3 Điều khiển vòng kín động cơ DC

Điều khiển tốc độ vòng hở động cơ DC

Sơ đồ tương đương động DC cơ kích từ độc lập:

Xây dựng mô hình động cơ DC kích từ độc lập trong Matlab:

CHƯƠNG IV: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

IV.1 Động cơ không đồng bộ ba pha

IV.1.1.Đặc tính cơ tĩnh động cơ không đồng bộ ba pha

Mạch tương đương của động cơ không đồng bộ:

Mạch stator sau khi biến đổi Thevenin

Mạch tương đương đơn giản của động cơ không đồng bộ

( ' )2

2 '

' 2

31

r s

r S

r s co

X X s

R R

s

R U M

++

2

'

r s s

r p

X X R

R s

++

r s s

s

s

U M

+++

=

ω

' 231

r s r

s

r s s

kđ

X X R

R

R U M

+++

=

ω

s

s s

s

M

M

p p

r s

p

' '2

1

π

( + ) 

=

f

U L L

r s

2 ' max

1905.0

05.01

- Khởi động động cơ rotor dây quấn bằng điện trở mở máy:

Mắc nối tiếp thêm điện trở vào dây quấn rotor sao cho sp = 1 làm cho moment khởiđộng bằng moment cực đại trong khi dòng điện khởi động giảm

2

' '

=+

+

+

=

r s s

kđ r

p

X X R

R R

r s s s

s s

kđ

X X R R

U M

M

+++

−

- Khởi động bằng cách giảm điện áp stator:

Khởi động mềm bằng cách giảm điện áp thì moment khởi động tăng từ từ, dòng khởiđộng nhỏ

Khởi động dùng biến áp tự ngẫu để giảm điện áp khởi động vào stator động cơ:Khởi động dùng cuộn cảm để giảm điện áp khởi động vào stator động cơ:

Khởi động dùng phương pháp sao tam giác để giảm dòng và moment khởi động 3lần:

- Khởi động dùng bộ khởi động mềm (Thyristor) để giảm điện áp khởi động:

Dùng bộ khởi động mềm Thyristor có thể khởi động mềm, dùng mềm và hạn dòng

để giảm tổn hao Nhưng bộ này có nhược điểm đó là làm xuất hiện sóng hài trên lưới điệnlàm méo dạng sin của tín hiệu điện

IV.2 Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

IV.2.1.Điều khiển khởi động bằng cách thay đổi điện trở rotor

Nối tiếp thêm điện trở rotor để thay đổi đặc tuyến tải và thay đổi điểm làm việc củađộng cơ làm thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi độ trượt

2

' '

r s s

nt r

p

X X R

R R

s

++

r s s

s

s

U M

+++

=

ω