Bài giảng TRUYỀN ĐỘNG điện DC & AC

Bài giảng TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DC & AC Chương I: Động học hệ thống động cơ - tải cơ: Đặc tính cơ của tải, Đặc tính cơ của động cơ. Chương II: Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ một chiều: Động cơ một chiều (động cơ DC): Đặc tính cơ tĩnh động cơ DC, Điều khiển tốc độ động cơ DC, Các trạng thái hãm. Điều khiển động cơ DC dùng Bộ chỉnh lưu: Giới thiệu, Bộ chỉnh lưu 1 pha, Bộ chỉnh lưu 3 pha...

ĐẠI HỌC NHA TRANG

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN (DC & AC)

Chương I: Động học hệ thống động cơ - tải cơ

I.1: Đặc tính cơ của tải

I.2: Đặc tính cơ của động cơ

Chương II : Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ một chiều

II.1: Động cơ một chiều (động cơ DC)

ƒ Đặc tính cơ tĩnh động cơ DC

ƒ Điều khiển tốc độ động cơ DC

ƒ Các trạng thái hãm II.2: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ chỉnh lưu

ƒ Giới thiệu

ƒ Bộ chỉnh lưu 1 pha

ƒ Bộ chỉnh lưu 3 pha II.3: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ biến đổi xung áp (Chopper)

ƒ Bộ chopper giảm áp

ƒ Bộ chopper tăng áp

ƒ Hãm tài sinh dùng bộ chopper tăng áp

ƒ Mạch cầu H điều khiển động cơ DC làm việc ở 4 góc phần tư

Chương III : Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ một chiều

III.1: Mô hình động của động cơ DC

III.2: Bộ điều khiển PID

III.1: Điều khiển vòng kín động cơ DC

ƒ Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ DC

ƒ Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ DC

ƒ Điều khiển moment động cơ DC

ƒ Điều khiển vị trí động cơ DC

ƒ Bộ điều khiển động cơ DC (DC Drive)

Chương IV : Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

IV.1: Động cơ không đồng bộ ba pha (ĐCKĐB)

ƒ Đặc tính cơ tĩnh ĐCKĐB ba pha

ƒ Khởi động mềm ĐCKĐB ba pha IV.1: Điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha

ƒ Điều khiển khởi động bằng cách thay đổi điện trở rotor

ƒ Điều khiển điện áp phần ứng

ƒ Điều khiển tần số bằng phương pháp V/f

Chương V : Điều khiển vector động cơ không đồng bộ ba pha

V.1: Bộ nghịch lưu ba pha và Vector không gian

ƒ Bộ nghịch lưu ba pha

ƒ Vector không gian và hệ toạn độ satator (αβ)

V.2: Hệ qui chiếu quay

ƒ Hệ toạ độ từ thông rotor (dq)

ƒ Chuyển đổi hệ toạ độ αβ ↔ dq

V.3: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong hệt toạ độ từ thông rotor

ƒ Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu

ƒ Mô hình động cơ trong HTĐ từ thông rotor (Ψr)

V.4: Điều khiển định hướng từ thông (FOC) động cơ không đồng bộ ba pha

ƒ Điều khiển PID

ƒ Điều khiển FOC động cơ không đồng bộ ba pha

V.5: Bộ biến tần

Chương VI : Điều khiển động cơ đồng bộ ba pha

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

dJM

Mco− c = ω

Mcơ > Mc tải cơ tăng tốc

Mcơ < Mc tải cơ giảm tốc

Mcơ = Mc tải cơ chạy với tốc độ ổn định – xác lập – trạng thái tĩnh

I.1.3: Các thành phần của moment cản M c :

2 mst msk t

C.ω2 Moment cản của quạt gió làm mát

Thông thường, các đại lượng khác khá nhỏ, nên khi bỏ qua: Mc =Mt+B.ω

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

Tải moment hằng số Tải moment thay đổi theo tốc độ

(Thang máy, cần cẩu, băng chuyền,…) (Bơm, quạt,…)

I.1.5: Moment quán tính:

∑

∑

=

= ⎜⎜⎝⎛ ω ⎟⎟⎠⎞+ ⎜⎜⎝⎛ ⎟⎟⎠⎞+

1 j

2 j j n

1 i

2 i i

vm2

JJ

J

Jm moment quán tính của trục động cơ

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

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

a) Hãm tái sinh:

_ Pđiện < 0: trả năng lượng về nguồn

_ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải

b) Hãm ngược:

_ Pđiện > 0: tiêu thụ công suất từ nguồn

_ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải

Công suất điện + cơ chuyển thành nhiệt c) Hãm động năng:

_ Pđiện = 0: cách ly với nguồn

_ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải

Công suất cơ chuyển thành nhiệt

I.1.7: Điều kiện ổn định tĩnh:

ω

>

dMd

I.2: Đặc tính cơ của động cơ

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

Kích từ độc lập: ( )u 2 Mco

k

R k

U

Φ

− Φ

co

kt k k

R R M

k k

=

u kt

Ví dụ 1: Một động cơ DC kích từ độc lập, 230V, điện trở phần ứng 0,2 Ω, tốc độ 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 và bằng định mức

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

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

Ví dụ 2: Một động cơ DC kích từ độc lập có các thông số định mức 500V, 100A, 1000

vòng/phút Điện trở phần ứng 1Ω Từ thông kích từ không đổi và bằng định mức

Tính momen và công suất định mức của động cơ?

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

Động cơ mang tải và có dòng điện phần ứng là 40A Tính tốc độ, momen và hiệu suất của động

cơ khi đó?

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

Vẽ đặc tuyến momen - tốc độ và chỉ ra các điểm đã tính trên

Ví dụ 3: Một động cơ DC kích từ nối tiếp, có điện trở phần ứng là 0, 2Ω và điện trở cuộn kích từ

là 0,1Ω Thông số định mức của động cơ là 450V, 40A, 1000 vòng/phút Khi động cơ vận hành ở định mức :

Tính tốc độ và momen của động cơ?

Tính công suất và hiệu suất của động cơ?

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

Ví dụ 4: Một động cơ DC kích từ nối tiếp vận hành ở chế độ định mức 161,2 Nm, 1000

vòng/phút, 41A, 420V Tổng điện trở phần ứng và cuộn kích từ là 0,2Ω Tính tốc độ và dòng

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

Giả sử Rm << Xm (hay RFE >> Xm):

s

m s

t

XXjR

X.jU

U

++

X.jX.jRX.jRZ

++

+

=+

=

Mạch tương đương ĐCKĐB ba pha khi bỏ qua nhánh từ hoá:

( ')2

r s

2 ' r s

' r 2 s

s

co

XXs

RR

s

RU31

M

++

=

Rs s

I& jXs

s

U&

' r

I& R 'r jX’r

Mạch tương đương động cơ KĐB

' r

Rs

I& R 'r jX’r

Mạch tương đương của động cơ KĐB

' r

Rs

I&

s

R' r

jX’r

Mạch tương đương đơn giản của động cơ KĐB

Độ trượt tới hạn: s p ứng với T max 0

2 s

' r p

XXR

Rs

++

=

( ')2

r s

2 s s

2 s s

max

XXRR

U2

31

T

+++

=

ω

r s 2 ' r s

' r

2 s s

st

XXR

R

RU31

T

+++

=

ω

s

sss

2T

T

p p

Chương II: Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ một chiều

II.1: Động cơ một chiều (động cơ DC)

II.1.1: Đặc tính cơ tĩnh động cơ DC

a) Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập, NCVC:

Kích từ độc lập: Φ

−

= Φ

= ω

k

I R U k

U

Φ

− Φ

b) Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp:

Kích từ nối tiếp:

kt

nt u

co

kt k k

R R M

k k

=

u kt

co k k I

II.1.2: Điều khiển tốc độ động cơ DC kích từ độc lập

a) Điều khiển điện áp phần ứng:

( )u 2 Mco

k

R k

™ 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 U khi: ω < ωđm

_ điều khiển từ thông kích từ Φ khi: ω > ωđm

c) Điều khiển điện trở phần ứng:

( )u 2 Mco

k

R k

Dòng điện khởi động không lớn hơn khả năng chịu dòng của chổi than (thường là 3I đm ) Moment khởi động không lớn hơn khả năng chịu đựng của tải (thường là 3M đm )

II.1.3:Các trạng thái hãm của động cơ DC kích từ độc lập:

a) Hãm tái sinh:

_ Pđiện < 0: trả năng lượng về nguồn

_ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải

b) Hãm ngược:

_ Pđiện > 0: tiêu thụ công suất từ nguồn

_ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải

II

Công suất điện + cơ chuyển thành nhiệt

c) Hãm động năng:

_ Pđiện = 0: cách ly với nguồn

_ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải

Công suất cơ chuyển thành nhiệt

d) Hệ động cơ - máy phát (Ward-Leonard):

II.2: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ chỉnh lưu

II.2.1: Giới thiệu

Phần này trình bày bộ chỉnh lưu 1 pha và 3 pha, biến điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp một chiều (DC) để cấp cho động cơ Đồng thời bộ chỉnh lưu có điều khiển sẽ điều khiển được độ lớn điện áp DC để điều khiển thay đổi các đại lượng làm việc của động cơ như tốc độ,

Bộ chỉnh lưu biến điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp một chiều (DC) dạng gợn sóng Bộ chỉnh lưu thường làm méo dạng điện áp nguồn Khi phân tích sòng hài sẽ tồn tại sóng hài cơ bản (hài bậc 1, 50Hz) và sóng hài hoạ tần bậc cao Độ méo dạng được định nghĩa:

1

2 1 2

I

II

II.2.2: Bộ chỉnh lưu 1 pha

a) Bộ chỉnh lưu tia 1 pha:

π

tb _

dc

U2

b) Bộ chỉnh lưu tia 1 pha có điều khiển:

( + α)π

2

U2

d) Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển bán phần:

( + α)π

d) Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần:

απ

= 2 2U cos

tb _

II.2.3: Bộ chỉnh lưu 3 pha

a) Bộ chỉnh lưu tia 3 pha:

b) Bộ chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển:

c) Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha:

π

RMS phase tb

d) Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển bán phần:

( + α)π

2

U233

tb

_

d) Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần:

απ

Dạng dòng điện ngõ vào:

e) Bộ chỉnh lưu kép 1 pha:

f) Bộ chỉnh lưu kép 3 pha:

II.3: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ biến đổi xung áp (Chopper)

Bộ biến đổi DC/DC:

Các bộ biến đổi DC-DC có thể chia làm ba loại:

+ Bộ tăng áp Uo > Ui (Boost converter)

+ Bộ hạ áp Uo < Ui (Buck converter)

+ Bộ tăng - giảm áp (Buck- Boost converter)

II.3.1: Bộ chopper giảm áp (lớp A)

T

TU

E-

+

MOTOR 24VDC

D1

FC307 R1

30A CB

Fast DIODE

A- +

II.3.2: Bộ chopper tăng áp (lớp B)

T

T1

1U

U

ON DC

tb _

II.3.5: Bộ chopper kiểu đảo áp (lớp D)

Cách 1 (S1 và S2 được kích đồng thời, giống lớp C):

T

TU

II.3.6: 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

TU

DC tb

Bài tập:

Cho động cơ DC như trên, có điện trở phần ứng 3Ω Kích từ độc lập không đổi

a) Điện áp phần ứng 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?

b) Với điện áp như câu a, khi động cơ mang tải và có dòng điện phần ứng là 17A: Tính tốc độ (vòng/phút)?

c) Tính điện áp để động cơ đạt 500 vòng/phút ở 17A Tính góc kích khi đó?

d) Tính tốc độ lớn nhất mà động cơ có thể đạt được khi có tải 17A với bộ chỉnh lưu trên

e) Tính điện áp để dòng điện khởi động bằng dòng 2 lần định mức Tính góc kích tương ứng? f) Tính điện áp để MOMENT khởi động bằng dòng 3 lần định mức Tính góc kích tương ứng? g) Tính thời hằng điện, biết Lư = 30mH?

i) Tính lại câu a, b với điện áp định mức

j) Tính lại câu c, d với dòng điện 10A

k) Tính lại các câu trên nếu dùng bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần?

l) Tính lại các câu trên nếu dùng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần?

m) Tính lại toàn bộ với động cơ sau:

220.63cosU

233

™ Chương III: Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ một chiều

III.1: Mô hình động của động cơ DC

Mạch tương đương của động cơ DC kích từ độc lập:

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

Trong đó : Mcơ = k.φ.iu

J - Moment quán tính của hệ thống quy đổi về trục động cơ

B - Hệ số ma sát

Mc - Moment cản quy đổi về trục động cơ

Áp dụng biến đổi laplace, từ các phương trình trên, có mô hình động cơ DC:

u

RsL

sEsVsI

sMsM

1

φ

K

BJs

1+

Mô hình động cơ DC trong Matlab/Simulink:

III.2: Bộ điều khiển PID

Phương trình vi phân mô tả hiệu chỉnh PID:

u(t) = KP e(t) + KI∫e(t)dt + KD

dt

)t(de

=

s.T

11K)s(e

)s(u)

P I

K

KT,K

K

Vấn đề thiết kế là cần hiệu chỉnh các giá trị Kp, Ki và KD sao cho hệ thỏa đạt được chất lượng tối ưu

Tóm tắt Vai trò của mỗi khâu hiệu chỉnh (adjustment) trong bộ điều khiển PID:

Khâu khuếch đại tỉ lệ Kp (Proportional gain):

Khi Kp tăng

Sai số xác lập giảm

Vọt lố tăng

Thời gian lên nhanh

Khâu tích phân tỉ lệ Ki (Integral gain):

III.1: Điều khiển vòng kín động cơ DC

III.1.1: Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ DC

Sơ đồ khối mô hình động cơ DC kích từ độc lập:

1+

J = 0.15 % kg.m^2

%B = 0.01

B = 0

Đáp ứng vòng hở của động cơ DC

III.1.2: Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ DC

Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ DC dùng PID:

• Nếu n > ndat thì e < 0 PID sẽ điều khiển GIẢM u để n giảm bớt

• Nếu n < ndat thì e > 0 PID sẽ điều khiển TĂNG u để n tăng thêm

• Nếu n ≈ ndat thì e ≈ 0 PID sẽ GIỮ NGUYÊN u để n ỔN ĐỊNH

Một hệ thống có hàm truyền bậc hai ( ) 2 2 2

n

s s

K s H

ω ξω

ω

+ +

ξ ω

−

ξπ

Đáp ứng vòng kín tốc độ của động cơ DC

Đáp ứng vòng hở Đáp ứng vòng kín

III.1.3: Điều khiển moment động cơ DC

III.1.4: Điều khiển vị trí động cơ DC

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -20

0 20 40 60 80 100 120

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Đáp ứng tốc độ theo mô hình mô phỏng trên

III.1.5: Bộ điều khiển động cơ DC (DC Drive)

Khởi

Chương IV: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

IV.1: Động cơ không đồng bộ ba pha (ĐCKĐB)

IV.1.1: Đặc tính cơ tĩnh ĐCKĐB ba pha

Rs s

I& jXs

Rm m

I&

sU&

jXm

' r

I& R 'r jX’r

Mạch tương đương của động cơ KĐB

' r

Rss

1−

( ')2

r s

2 ' r s

' r 2 s

s co

XXs

RR

s

RU31

M

++

2 s

' r p

XXR

Rs

++

=

( ')2

r s

2 s s

2 s s

max

XXRR

U2

31

M

+++ω

=

r s 2 ' r s

' r

2 s s

st

XXR

R

RU31

M

+++ω

=

s

sss

2M

M

p p

I&

s

R' r

f

Uk2

1

dq

( + )⎜⎜⎝⎛ ⎟⎟⎠⎞π

=

f

RLL2

1s

' r ' r s p

2 s ' r s

ULL22

3

M = π + ⎜⎜⎝⎛ ⎟⎟⎠⎞

Ở tần số thấp, phải xét đến R s :

IV.1.2: Khởi động mềm ĐCKĐB ba pha

Không dùng khởi động mềm, moment khởi động tăng đột ngột, dòng khởi động lớn

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

Nối tiếp thêm điện trở rotor sao cho sp = 1, moment khởi động bằng moment cực đại trong khi dòng điện khởi động giảm

(X X ) 1

R

RRs

2 ' r s

2 s

' kd

' r

++

+

=

( ')2

r s

2 s s

2 s s

max kd

XXRR

U2

31

MM

+++ω

=

=

Rs s

I& jXs

Rm m

R

jX’r

Khởi động: n = 0: s = 1: Is = Ist

' r

Khởi động dùng biến áp tự ngẫu để giảm điện áp khởi động:

Khởi động dùng cuộn cảm để giảm điện áp khởi động:

Khởi động Y→Δ giảm dòng và mometn khởi động 3 lần:

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

Tăng tốc

Giảm tốc

Hạn dòng

IV.1: Điều khiển tốc độ ĐCKĐB 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 của động cơ ⇒ thay đổi tốc độ (bằng cách thay đổi độ trượt)

( ')2

r s

2 s

' nt

' r p

XXR

RRs

++

+

=

( ')2

r s

2 s s

2 s s

max

XXRR

U2

31

M

+++ω

IV.2.2: Điều khiển điện áp phần ứng

Điều khiển giảm điện áp stator để thay đổi đặc tuyến tải và thay đổi điểm làm việc của động cơ ⇒ thay đổi tốc độ (bằng cách thay đổi độ trượt)

IV.2.3: Điều khiển tần số bằng phương pháp V/f

Điều khiển thay đổi tốc độ thông qua thay đổi tần số nguồn điện cấp cho động cơ: ( )1 s

Khi tần số lớn hơn định mức, điện áp không tăng hơn địn mức được nên từ thông động cơ suy giảm:

Tải moment hằng số Tải moment thay đổi theo tốc độ

(Thang máy, cần cẩu, băng chuyền) (Bơm, quạt,…)

Chương V: Điều khiển vector động cơ không đồng bộ ba pha

V.1: Bộ nghịch lưu ba pha và Vector không gian

V.1.1: Bộ nghịch lưu ba pha

Biến tần ngõ vào 1 pha, nếu tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là:

π

RMS phase tb

23

3

=

Nếu tụ lọc đủ lớn (hay khi không tải), điện áp DC sẽ được lọc phẳng Trị điện áp DC trung bình

là trị đỉnh:

_ Biến tần ngõ vào 1 pha : 2Uphase _ RMS

_ Biến tần ngõ vào 3 pha : 2Uline _ RMS = 2 3Uphase _ RMS

Hình 1.1: Sơ đồ bộ nghịch lưu ba pha cân bằng gồm 6 khoá S1→S6

Hình 1.2: Trạng thái các khoá S1, S3, S6 ON, và S2, S4, S5 OFF (trạng thái 110) II.2 Vector không gian điện áp

Bảng 1.1: Các điện áp thành phần tương ứng với 8 trạng thái của bộ nghịch lưu

Ví dụ 1.2: Tính các điện áp thành phần usα và usβ tương ứng với 8 trạng thái trong bảng 1.1?

™ Điều chế vector không gian điện áp sử dụng bộ nghịch lưu ba pha

Ví dụ 1.3: Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 110:

Khi đó các điện áp pha usa=1/3Udc, usb= 1/3Udc, usc=-2/3Udc

Phương pháp hình học: có hình vẽ

Hình 1.3: Vector không gian điện áp stator ur ứng với trạng thái (110) s

Ở trạng thái (110), vector không gian điện áp stator pha urphase 1 có độ lớn bằng 2/3Udc và

Udc

sa ur

sb ur

sc sb

sa u u

u r r

r + +

U2(110)