Tìm hiểu về hệ truyền động động cơ đồng bộ

Tìm hiểu về hệ truyền động động cơ đồng bộ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG

ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Đề tài:Tìm hiểu về hệ truyền động động cơ đồng bộ

LỜI MỞ ĐẦU

Điều khiển truyền động điện động cơ điện xoay chiều ba pha là lĩnh vực đượcnghiên cứu từ nhiều thập kỷ, từ các lý thuyết điều khiển kinh điển cho đến các kỹ thuậthiện đại Ngày nay, điều khiển động cơ điện xoay chiều đã đạt được những tiến bộ vượtbậc, chủ yếu nhờ sự phát triển của công nghệ bán dẫn, công nghệ vi xử lý và kỹ thuật điềukhiển Các bộ biến tần được thiết kế ngày càng hoàn thiện, đáp ứng được những đòi hỏikhắt khe trong điều chỉnh tự động, dải công suất cũng như tốc độ cho phép điều chỉnhngày càng mở rộng, nhiều tính năng mới được thêm vào biến tần để đáp ứng các nhu cầuđiều khiển đa dạng trong thực tế Cấu trúc điều khiển động cơ xoay chiều ba pha nóichung và động cơ đồng bộ nói riêng được sử dụng trong robot, quá trình sản xuất, ô tôđiện, cần trục, cầu trục ở các cảng biển…

Ở Việt Nam và quốc gia khác, đề tài nghiên cứu điều khiển động cơ xoay chiều bapha đã được nhiều nhà khoa học quan tâm Các cấu trúc điều khiển cho động cơ xoaychiều ba pha rất đa dạng, phong phú Cấu trúc điều khiển động cơ xoay chiều ba pha cóthể là tuyến tính, phi tuyến

Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của thầy TS Nguyễn Ngọc Khoát cùng với

sự cố gắng nỗ lực của các thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành xong đồ áncủa mình Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếusót khi thực hiện đồ án này Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánhgiá, góp ý của thầy cô giáo, cùng bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn

Em chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 7 năm 2017

Sinh viên

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài mặc dù gặp phải rất nhiều những vấn đề khó khăn

song với sự hướng dẫn của thầy TS Nguyễn Ngọc Khoát cùng với sự chỉ bảo của các

thầy cô giáo Khoa Công Nghệ Tự Động và sự lỗ lực không ngừng của cả nhóm, đến naychúng em đã hoàn thành đề tài Tuy nhiên, do kiến thức của chúng em còn hạn chế, nênkhông thể tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy chúng em rất mong nhận được những ý kiến

đóng góp chân thành từ phía thầy TS Nguyễn Ngọc Khoát cùng với sự chỉ bảo của các

thầy cô giáo Khoa Công Nghệ Tự Động và các bạn đọc để đề tài này của chúng em ngàycàng hoàn thiện và phát triển lên mức cao hơn trong thời gian gần nhất

Những lời nhận xét góp ý và hướng dẫn của cô đã giúp chúng em có định hướngđúng đắn trong quá trình thực hiện đồ án, giúp chúng em nhìn ra được ưu khuyết điểmcủa đồ án và từng bước khắc phục để có được kết quả tốt nhất Chúng em cũng xin cảm

ơn thầy cô trong khoa Công Nghệ Tự Động, bộ môn Truyền động điện tận tình chỉ bảo,truyền đạt cho chúng em các kiến thức chuyên ngành, những công nghệ mới cũng nhưcách làm việc nhóm đề hoàn thành tốt đồ án môn học này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Đánh giá và nhận xét của GV hướng dẫn

Giáo viên hướng dẫn

TS Nguyễn Ngọc Khoát

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH 1

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3

1.1 Cấu tạo 3

1.1.1 Stator: 3

1.1.2 Rotor: 3

1.2 Phạm vi ứng dụng 3

1.3 So sánh ĐCKĐB và ĐCĐB 4

1.3.1 Nhưng điểm giống nhau 4

1.3.2 Những điểm khác nhau 4

1.4 Nguyên lý làm việc và phương trình cân bằng của động cơ điện đồng bộ 6

1.5 Đặc tính của động cơ đồng bộ 7

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ 10

2.1 Mô tả toán học động cơ đồng bộ 10

2.2 Động cơ đồng bộ trong chế độ xác lập 11

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BẰNG MATLAB & SIMULINK 13

3.1 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 13

3.1.1 Giới thiệu 13

3.1.2 Sơ đồ mô phỏng 13

3.1.3 Các kết quả mô phỏng 15

3.2 PM SYNCHRONOUS MOTOR DRIVE 17

3.2.1 Bộ điều khiển tốc độ 17

3.2.2 Bộ điều khiển vector 17

3.2.4 Các thông số kỹ thuật 18

3.2.5 Sơ đồ và kết quả mô phỏng bằng Simulink 18

3.3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU TỰA THEO VÉC TƠ TỪ THÔNG ROTOR 21

3.3.1 Mở đầu 21

3.3.2 Cơ sở lý luận của phương pháp điều khiển 21

3.3.3 Áp dụng phương pháp để thiết kế bộ điều khiển 23

3.3.4 Sơ đồ và kết quả mô phỏng bằng Matlab – Simulink 26

3.3.5 Kết luận 27

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 28

4.1 Kết luận 28

4.2 Phương hướng phát triển 28

DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH

HÌNH:

Hình 1.1: Cấu tạo Rotor cực ẩn và Rotor cực lồi

Hình 1.2: Đồ thị vectơ phương trình cân bằng điện áp

Hình 1.3:Sơ đồ nối dây và đặc tính cơ của động cơ đồng bộ (ĐĐB)

Hình 1.4: Đồ thị vecto của mạch Stator động cơ đồng bộ

Hình 1.5: Đặc tính góc của động cơ đồng bộ

Hình 2.1 Đồ thị véc tơ đơn giản của máy đồng bộ.

Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng máy điện đồng bộ trong chế độ động cơ

Hình 3.10: Bộ điều khiển vector

Hình 3.11: Sơ đồ mô phỏng chi tiết

Hình 3.12:Sơ đồ mô phỏng tối giản

Hình 3.13: Đáp ứng dòng điện Stator

Hình 3.14: Các đáp ứng khác

Hình 3.15 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống truyền động cho ĐCĐBNCVC điều chỉnh tự theo từ thông Rotor

Hình 3.16: Mô hình ĐCĐBNCVC ba pha trên hệ tọa độ d

Hình 3.17: Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động điện

Hình 3.18 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện i sd

Hình 3.19: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện trong thực tế

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền ( 2004 ), Truyền động điện,

NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

[2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi ( 2004 ),

Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.

[3] Trần Khánh Hà, (1997), Máy điện I, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.

[4] Nguyễn Phùng Quang, ( 2004 ), MATLAB và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.

[5] Đỗ Đức Tuấn, Vector control of a permanent magnet synchronous motor, Trường Đại

học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

1.1 Cấu tạo

Cũng như các loại động cơ điện khác, động cơ đồng bộ gồm hai phần chính làStator và Rotor

1.1.1 Stator:

Stator của động cơ đồng bộ gồm lõi thép và dây quấn

a Lõi thép: làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày khoảng 0,35 - 0,5mm, phủ cáchđiện, mặt trong xẻ rãnh để đặt dây quấn, ép lại thành hình trụ và được ép vào vỏ bảovệ

b, Dây quấn: dây quấn Stator còn được gọi là dây quấn phần ứng, làm bằng dây đồngbọc cách điện đặt trong các rãnh của lõi thép

1.1.2 Rotor:

Rotor của động cơ đồng bộ có các cực từ và dây quấn, gồm hai loại Rotor cực ẩn

và Rotor cực lồi

Hình 1.1 Cấu tạo Rotor cực ẩn và Rotor cực lồi

1.2 Phạm vi ứng dụng

- ĐCĐB công suất rất nhỏ thường dùng Rotor nam châm vĩnh cửu, được ứng dụng khiyêu cầu vùng điều chỉnh rộng, độ chính xác cao và Mc = Const, đi kèm với biến tầntransitor nguồn áp điều biến độ rộng xung PWM.

- ĐCĐB công suất nhỏ và vừa có cuộn dây kích từ được dùng khi yêu cầu điều chỉnhtốc độ không rộng, đi kèm với bộ biến tần tiristor nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên

- ĐCĐB công suất vừa và lớn được dùng với vùng điều chỉnh tốc độ cỡ 10:1, đi kèmvới bộ biến tần nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên, hoặc biến tần trực tiếp tiristor.Cũng cần lưu ý về khả năng sử dụng rộng rãi ĐCĐB Rotor nam châm vĩnh cửu bởicác ưu điểm sau:

+ Vì không có tổn hao trong Rotor, nên nó có hiệu suất cao;

+ Vì p mạnh nên cho phép giảm dòng không tải;

+ Đặc tính điều chỉnh ít nhạy (ít phụ thuộc) với sự biến thiên của các thông số trongđộng cơ Nguyên lý điều chỉnh tốc độ của ĐCĐB dựa theo công thức: s = 2fs / pc trong

đó fs -tần số nguồn cấp, pc - số đôi cực Như vậy nếu điều chỉnh được fs thì sẽ thay đổiđược tốc độgóc của ĐCĐB

1.3 So sánh ĐCKĐB và ĐCĐB

1.3.1 Nhưng điểm giống nhau

Hai loại động cơ này chỉ giống nhau ở cấu tạo phần Stator

1.3.2 Những điểm khác nhau

Những điểm khác nhau giữa hai loại động cơ này là ở chỗ:

- Cấu trúc Rotor của chúng hoàn toàn khác nhau Từ điểm sai khác về cấutạo dẫn đếnkhác nhau về nguyên tắc, phương thức tạo ra từ thông Rotor r Cụ thể như sau: Trongđộng cơ đồng bộ r được tạo ra bởi nam châm vĩnh cữu hoặc dòng điện một chiều điqua cuộn dây kích từ, do vậy thành phần dọc trục của dòng điện Stator isd (tạo ra từthông r) không tồn tại, mà nó chỉ chứa thành phần isq (tạo ra mômen) Trong khi đó iscủa ĐCKĐB nhất thiết phải chứa thành phần isd để tạo ra từ thông r

- Trong ĐCĐB vector từ thông cực p có biên độ không đổi và luôn trùng hướng vớivector r, tức là trùng với trục d của hệ dq.

- Trong mọi trường hợp tốc độ góc của Rotor luôn bằng với tốc độ góc của từ trườngquay Stator Vì vậy trong các phương trình mô tả ĐCĐB ta sử dụng tương quan

= s

- ĐCKĐB luôn có điện cảm Stator Ls luôn không đổi do kết cấu tròn đều của Rotor.Nhưng đối với ĐCĐB thì Lsd> Lsq, kể cả đối với Rotor cực ẩn (do số lượng hữu hạncác phiếm nam châm)

Các động cơ điện xoay chiều dùng nhiều trong sản xuất thường là những động cơđiện không đồng bộ, vì loại động cơ điện này có những đặc điểm như cấu tạo đơngiản, làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng, giá thành thấp Tuy nhiên các động cơđiện đồng bộ có những ưu điểm nhất định nên trong thời gian gần đây đã được sửdụng rộng rãi hơn và có thể so sánh được với động cơ không đồng bộ trong lĩnh vựctruyền động điện

Về ưu điểm: phải nói là động cơ điện đồng bộ do được kích thích bằng dòng mộtchiều nên có thể làm việc với cos = 1 và không cần lấy công suất phản kháng từ lướiđiện, kết quả là hệ số công suất của lưới điện được nâng cao, làm giảm được điện áprơi và tổn hao công suất trên đường dây Ngoài ưu điểm chính đó, động cơ điện đồng

bộ còn ít chịu ảnh hưởng đối với sự thay đổi điện áp của lưới điện do momen củađộng cơ điện đồng bộ tỷ lệ với U trong khi momen của động cơ không đồng bộ tỷ lệvới U2 Vì vậy khi điện áp của lưới sụt thấp do sự cố, khả năng giữ tải của động cơđồng bộ lớn hơn, trong trường hợp đó nếu tăng kích thích, động cơ điện đồng bộ cóthể làm việc an toàn và cải thiện được điều kiện làm việc của lưới điện Cũng phải nóithêm rằng hiệu suất động cơ điện đồng bộ thường cao hơn hiệu suất của động cơkhông đồng bộ vì động cơ không đồng bộ có khe hở tương đối lớn, khiến cho tổn haosắt phụ nhỏ hơn

Nhược điểm của động cơ điện đồng bộ so với động cơ không đồng bộ là ở chỗ cấutạo phức tạp, đòi hỏi phải có máy kích từ hoặc nguồn cung cấp dòng một chiều khiến

cho giá thành cao Hơn nữa việc mở máy động cơ điện đồng bộ cũng phức tạp hơn vàviệc điều chỉnh tốc độ của nó chỉ có thể thực hiện được bằng cách thay đổi tần số củanguồn điện.

Việc so sánh động cơ điện đồng bộ với động cơ không đồng bộ có phối hợp với tụđiện cải thiện cos về giá thành và tổn hao năng lượng dẫn đến kết luận là khi Pdm >200÷300kW, nên dùng động cơ điện đồng bộ ở những nơi nào không cần thườngxuyên mở máy và điều chỉnh tốc độ Khi Pdm > 300kW dùng động cơ điện đồng bộ vớicosdm = 0,9 và khi Pdm > 1000kW dùng động cơ điện đồng bộ với cosdm = 0,8 là có lợihơn dùng động cơ không đồng bộ

1.4 Nguyên lý làm việc và phương trình cân bằng của động cơ điện đồng bộ

Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ như sau:

Khi cho dòng điện ba pha iA, iB, iC vào ba dây quấn Stator, dòng điện ba pha ởStator sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ quay n1 = Đồng thời, cho dòng điện mộtchiều vào dây quấn Rotor, Rotor biến thành một nam châm điện

Tác dụng tương hỗ giữa từ trường Stator và từ trường Rotor tạo ra lực tác dụng lênRotor

Phương trình điện áp và đồ thị véc tơ của động cơ điện đồng bộ:

Khi máy điện đồng bộ làm việc như động cơ điện đồng bộ máy phát ra công suất

âm đưa vào mạng điện hay nói khác đi tiêu thụ công suất điện lấy từ mạng để biếnthành cơ năng Động cơ đồng bộ thường có cấu tạo cực lồi nên nếu gọi điện áp lưới là

U, ta có phương trình cân bằng điện áp:

= +(ru + j) = 0+ud+uq+(ru + j) (1.1)

= 0+j+ jqxq +

Đồ thị vectơ tương ứng với phương trình (1.1) được trình bày như hình vẽ (1.2)

Từ đồ thị ta thấy công suất do động cơ tiêu thụ từ mạng điện P = mUIcos< 0

Hình 1.2 Đồ thị vectơ phương trình cân bằng điện áp

Hình 1.3 Sơ đồ nối dây và đặc tính cơ của động cơ đồng bộ (ĐĐB)

Tuy nhiên khi mômen vượt quá trị số cực đại cho phép M > Mmax thì tốc độ động

cơ sẽ lệch khỏi tốc độ đồng bộ

Trong hệ truyền động điện dùng động cơ đồng bộ người ta còn sử dụng đặc tínhgóc M = f(θ) Đặc tính góc biểu diễn mối quan hệ giữa momen của động cơ với góclệch của vector điện áp lưới điện và vector sức điện động cảm ứng trong dây quấnStator do từ trường một chiều Rotor sinh ra.

Đặc tính M = f(θ) được xây dựng bằng cách sử dụng đồ thị vector của mạch Stator

vẽ trên hình (1.3), với giả thiết bỏ qua điện trở tác dụng của cuộn dây Stator

Hình 1.4 Đồ thị vector của mạch Stator động cơ đồng bộ

Trên đồ thị vectơ hình 1.4:

Ul - điện áp pha của lưới (V)

E - sức điện động pha Stator (V)

I - dòng điện Stator (A)

θ - góc lệch giữa Ul và E Xs = Xμ + Xl - điện kháng pha của Stator là tổng của điệnkháng mạch từ hóa Xμ và điện kháng cuộn dây 1 pha của Stator Xl

θ - góc lệch giữa vectơ điện áp Ul và dòng điện Il

U1I1cos là công suất một pha của động cơ

P = sin (1.6)Momen động cơ:

Đây là phương trình đặc tính góc của động cơ đồng bộ

Một cách gần đúng ta thấy đặc tính góc có dạng hình sin biểu diễn trên hình (1.5)Khi θ = π/2 ta có biểu đồ cực đại:

do sự phân bố khe hở không khí không đều giữa rotor và Stator nên trong máy xuấthiện mômen phản kháng phụ Do đó đặc tính góc có biến dạng ít nhiều, như đường nétđứt trên hình (1.5)

Hình 1.5 Đặc tính góc của động cơ đồng bộ

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ

Với giả thiết mạch từ động cơ chưa bão hoà, các cuộn dây Stator ba pha đối xứng,các tham số của động cơ không thay đổi, ta có thể dùng phép biến đổi tuyến tính Park.Tất cả quá trình điện từ cơ của động cơ được biểu diễn trên hệ trục toạ độ d,q (Stator)

Từ hệ phương trình mô tả toán học 2.1 đến 2.6, thay toán tử đạo hàm = 0, đồngthời gần đúng, bỏ qua điện trở Stator (RS = 0), ta nhận được các phương trình chế độxác lập:

< 0, động cơ vận hành có tính chất tải dung kháng (xem H2.1b) lúc đó dòng điện sẽvượt trước điện áp và sức điện động

Hình 2.1 Đồ thị véc tơ đơn giản của máy đồng bộ.

a) Thiếu kích từ, b) Quá kích từ

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BẰNG MATLAB & SIMULINK 3.1 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

3.1.1 Giới thiệu

Sơ đồ mô phỏng động cơ đồng bộ power_syncmachine minh họa ứng dụng của

máy điện đồng bộ trong chế độ động cơ Hệ thống mô phỏng bao gồm một động cơ côngsuất lớn ( 150 HP (112 kVA), 762 V) kết nối với một mạch điện 10 MVA Động cơ đượcđặt một giá trị đầu ra công suất điện là -50 kW, tương ứng với giá trị công suất cơ 48.9

kW Giá trị tương ứng của công suất cơ và điện áp được tự động nhập vào khối Pm Step

và trong khối Vf Constant Khối Pm Step được xây dựng để cho phép sự gia tăng đột ngộtcủa công suất cơ từ -48.9 kW đến -60 kW ở thời điểm t = 0.1s

Hình 3.2 Khối Pm step

 Khối động cơ đồng bộ

Hình 3.3 Thông số động cơ đồng bộ

 Khối nguồn xoay chiều

Hình 3.4 Khối nguồn 3 pha

3.1.3 Các kết quả mô phỏng

Chạy mô phỏng ta thu được các đáp ứng của các thông số RMS current, RMSvoltage, speed, load angle , và công suất điện của động cơ.

Tốc độ đặt ban đầu là 1800 vòng / phút, sau khi tải gia tăng từ 48.9 kW đến 100

kW tại thời điểm t = 0.1s, tốc độ động cơ dao động trước khi ổn định ở 1800 vòng/ phút.Góc tải tăng từ -210 đến -530

Hình 3.5 Đặc tính tốc độ của động cơ

Hình 3.6 Đặc tính góc tải