Đồ án môn học tổng hợp hệ điện cơ: Cho một hệ truyền động động cơ – xe xây dựng bộ điều khiển tốc độ xe bám theo tín hiệu đặt sử dụng động cơ dị bộ xoay chiều ba pha

Động cơ không đồng bộ là loại động cơ điện xoay chiều mà tốc độ quay của rotor khác với tốc độ quay của từ trường quay trong máy.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN NGHÀNH : ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÔN : TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ

ĐỀ BÀI : ĐỀ 36: Cho một hệ truyền động động cơ – xe Xây dựng bộ điều khiển tốc độ xe bám theo tín hiệu đặt sử dụng động cơ dị bộ xoay chiều ba pha

Giáo viên hướng dẫn : TRẦN TIẾN LƯƠNG

Sinh viên : LÊ HOÀNG ANH

Msv : 39147

Nhóm : NO1

Hải phòng,năm 2013

Mục lục Chương I: Tổng quan và phân tích yêu cầu công nghệ

1.1.Giới thiệu chung

1.2.Sơ lược về động cơ không đồng bộ ba pha

1.2.3 Nguyên lý làm việc

1.3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

Chương 2: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

2.1.Cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha

2.2.Mô hình toán động cơ dị bộ xoay chiều 3 pha

2.3.Tổng hợp các bộ điều khiển

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG TRÊN SIMULINK

3.1.Mô phỏng trên Simulink

Chương I: Tổng quan và phân tích yêu cầu công nghệ

1.1.Giới thiệu chung

Các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vựckhác nhau, chúng được dùng để cung cấp động lực cho phần lớn các cơ cấu sảnxuất Trong thế kỷ XIX đã lần lượt xuất hiện truyền động điện động cơ một chiều

và động cơ xoay chiều Trong nhiều năm của thế kỷ XX, khoảng 80% các hệthống truyền động điện không yêu cầu điều chỉnh tốc độ đều dùng động cơ xoaychiều, còn khoảng 20% truyền động điện có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độdùng động cơ một chiều Điều này hầu như đã được thế giới coi như là một quyluật phân bổ hiển nhiên Phương án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều mặc dù

đã được phát minh và đưa vào ứng dụng khá sớm, nhưng chất lượng của nó lại khó

bề sánh kịp với hệ thống truyền động điện một chiều Mãi tận tới thập kỷ 70 củathế kỷ XX, khi thế giới bị cuốn hút vào nguy cơ khan hiếm dầu mỏ, các nước côngnghiệp tiên tiến mới tập trung vào việc nghiên cứu hệ thống điều chỉnh tốc độđộng cơ xoay chiều hiệu suất cao, hy vọng coi đó là con đường tiết kiệm nguồnnăng lượng Qua hơn 10 năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ 80 hướng nghiên cứu ấy

đã đạt được thành tựu lớn, và đã được coi là bước đột phá thần kỳ trong truyềnđộng điện xoay chiều, và từ đó tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơđiện xoay chiều ngày một tăng lên Trong các ngành công nghiệp đã có trào lưuthay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng hệ thống điều chỉnhtốc độ động cơ xoay chiều

1.2.Sơ lược về động cơ không đồng bộ ba pha

1.2.1 Định nghĩa

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

H1.1: Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

*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 stator

b) Phần quay (roto): Gồm có : Lõi thép, trục máy và dây quấn

*Lõi thép: Được dập từ các lá thép kỹ thuật điện có dạng hình tròn và mặt

ngoài được dập thành rãnh để đặt cuộn dây, ở giữ được dập lỗ tròn để lồng trụcmáy

*Trục máy: làm bằng thép tốt, được lồng cứng với lõi thép.Trục được đỡ

bởi hai ổ bi trên hai nắp máy

*Dây quấn: có hai loại

+ Loại lồng sóc: dây quấn rotor là các thanh dẫn bằng đồng thau hoặc bằng nhômđặt trong các rãnh của rotor, hai đầu được nối với hai vòng ngắn mạch cũng bằngđồng thau hoặc bằng nhôm

+Loại dây quấn: dây quấn giống như dây quấn stator và thường được đấu hìnhsao.Ba đầu được đưa ra 3 vành trượt bằng đồng trên trục máy, vành trượt này cáchđiện với nhau và cách điện với trục máy

*Đặc điểm

-Cấu tạo đơn giản

-Đấu trực tiếp với điện lưới xoay chiều 3 pha

-Tốc độ quay của rô to nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay của stato n < n1 Trong đó :

n : tốc độ quay của rô to

n1 : tốc độ quay của từ trường quay

1.2.3 Nguyên lý làm việc

Khi nối dây quấn stator vào lưới điện xoay chiều 3 pha, trong động cơ sẽsinh ra một từ trường quay Từ trường này quét qua các thanh dẫn rotor làm cảmứng trên dây quấn rotor một sức điện động e2, từ đó sinh ra dòng điện i2 chạy trongdây quấn rotor

Dòng điện i2 tác động tương hỗ với từ trường stator tạo ra lực điện từ trêndây dẫn rotor và mômen quay làm cho rotor quay với tốc độ n theo chiều quay của

từ trường

Tốc độ quay của rotor n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay Statorn1.Vì tốc độ của rotor khác với tốc độ của từ trường quay stator nên gọi là động cơkhông đồng bộ

Các đại lượng đặc trưng và phương trình cơ bản

*Hệ số trượt : để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của rôto n và

tốc độ quay của từ trường quay n1

Tổn hao do dây quân rô to : 2

P P

U I

U I

2 1

nm

nm nm

+Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ:

+ Ảnh hưởng của điện áp lưới:

Khi điện áp thay đổi thì tốc độ không tải lý tưởng và độ trượt tới hạnkhông đổi còn mô men tới hạn thay đổi tỉ lệ với bình phương điện áp lưới.Nếu điện

áp đặt vào động cơ giảm thấp quá có thể làm cho mô men khởi động của động cơgiảm thấp và động cơ không khởi động được

+ Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato:

Khi thay đổi điện trở hoặc điện kháng mạch stato thì tốc độ không tải lý tưởngkhông thay đổi còn độ trượt tới hạn và mô men tới hạn đều thay đổi

+ Ảnh hưởng của số đôi cực p:

Khi thay đổi số đôi cực P thì tốc độ không tải lý tưởng thay đổi còn độ trượttới hạn và mô men tới hạn đều thay đổi.

+ Ảnh hưởng tần số

Quy tắc điều chỉnh giữ cho khả năng quá tải không đổi

' 2

1.3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

a) Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số f1

Xuất phát từ biểu thức ω= ω0 (1-s) = 2Πf1 (1-s) /p, ta nhận thấy khi thay đổitần số f1 ta cũng có thể thay đổi được tốc độ động cơ không đồng bộ.Do máy điệnđược thiết kế để làm việc với tần số nhất định nên việc thay đổi tần số làm ảnhhưởng đến chế độ công tác của máy.

Vì U1=E1 = 4,444.f1.Ktp1.W1.Ф.10-8 = KФ.f1

Nếu điện áp U1 = Const thì khi f1 tăng thì từ thông Ф giảm do đó sẽ dẫn đến hiệntượng giảm mô men trong máy.Để giữ cho mô men không đổi thì phải tăng dòngđiện.Như vậy động cơ sẽ bị quá tải về điện.Còn nếu ta giảm f1 thì từ thông Ф sẽtăng lên,điều này làm đốt nóng lõi thép và làm cho hiện tượng bão hòa từ tăng.Như vậy khi thay đổi tần số thì đồng thời ta phải thay đổi U1 cho phù hợp nhằmgiữ cho Ф là không đổi

*Qui luật thay đổi tần số:

Khi điều chỉnh nếu ta giữ cho hệ số quá tải là hằng số thì chế độ làm việccủa máy điện sẽ luôn được duy trì ở mức tối ưu như làm việc với tải định mức.Như vậy khi điều chỉnh phải luôn thỏa mãn điều kiện :

Kqt = Mth /Mc=const

Nếu coi r1≈ 0 từ biểu thức của Mth ta có :

2 1

' 2 1

2 1 1

' 2 1 1 0

2 1 th

)f X (X P 4π

3U )

f x f (x

2ω

3U M

+

= +

=

) (

)

( 4

3 M

M

2 1

2 1 2

1

' 2 1

2 1 th

ω π

λ

c

U A f X X P

U

= +

=

=

Thay thế Mc = f(ω) bằng phương trình đặc tính cơ dạng gần đúng của máy sản xuất

và coi ω ≈ ω0 =

( ) ( ) x

x

x dm c

p M

M p

f

1

A

+

2 1

2 1

.

Do đó để thỏa mãn điều kiện λ =const ta có:

( ) ( x)

dm

x

dm f

f U

U

+

+

= 1222

1

2 1

Từ đó suy ra quy luật biến đổi của điện áp:

( ) ( x)

dm

x

dm f

f U

U

+

+

= 1221

Vậy điện áp stato phải thay đổi phụ thuộc vào tải:

- Kiểu máy tiện x=-1

- Kiểu máy nâng x=0

- Ma sát nhớt x=1

- Quạt gió x=2

b) Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nạp

Khi thay đổi điện áp nạp cũng gây nên thay đổi đặc tính cơ

Ta có:Mmax≈ C1.U1 2

Khi U1 giảm nhỏ hơn U1dm → Mth giảm còn Sth=const

Dựa vào đặc tính tới hạn Mgh(s) ta suy ra được đặc tính điều chỉnh ứng với giá trị Ucho trước nhờ quan hệ Mu= Mgh.U*2

*Nhược điểm của phương pháp:

- Khoảng điều chỉnh chỉ đến nth

- Máy có thể ngừng quay nếu như giảm quá điện áp

-Khi U1 giảm trong khi đó Mc , Pdt vẫn không thay đổi dẫn tới I2 tăng vì vậy nó ítđược sử dụng trong thực tế

Để thực hiện việc giảm điện áp đặt vào stato người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu,điện kháng hay điện trở phụ mắc vào mạch stato

c) Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực

Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ không đồng bộ roto lồng sócKhi thay đổi số đôi cực, tốc độ từ trường quay thay đổi dẫn tới tốc độ của roto thayđổi theo

ω = ω0(1-S)

) 1 (

2 1

S p

Thông thường những động cơ có từ 3 cấp tốc độ trở lên đều có 2 hoặc nhiều tổ dâyquấn stato.Mỗi tổ lại có thể phân đoạn để thay đổi số đôi cực theo cách hỗn hợp

*Trên thực tế người ta giải quyết như sau:

-Đổi nối tam giác-sao kép: ∆ → YY

-Đổi nối sao -sao kép: Y → YY

Khi đó: SthYY=S∆

cpYY c

M M

Mc.cp=Mc.cpYY

Ưu khuyết điểm:

- Ưu điểm : phạm vi điều chỉnh rộng , không cồng kềnh

- Khuyết điểm : Độ điều chỉnh là nhảy bậc vì p là số nguyên

e) Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ mắc vào mạch roto:

-Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ dây quấn

-Khi thay đổi điện trở thì tốc độ không tải lý tưởng không đổi, momen tới hạnkhông đổi còn độ cứng của đặc tính cơ thay đổi

Ưu nhược điểm:

-Ưu điểm: +có thể điều chỉnh tốc độ láng nếu R có nhiều nấc

-Nhược điểm:+ chỉ điều chỉ theo chiều tốc độ giảm

+Tổn hao công suất lớn +Không điều chỉnh được khi động cơ không tải

Chương 2: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

2.1.Cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha

2.1.1.Giới thiệu chung

Động cơ xoay chiều 3 pha được dùng trong các hệ truyền động điện xoaychiều 3 pha nó cùng với sự phát triển và các thiết bị công suất bán dẫn đã càngngày càng trở nên phở biến trong các trở nên phổ biến trong các hệ thống và thaythế dần động cơ 1 chiều

Xét trong 1 hệ truyền động điện vấn đề cần điều khiển là dòng ,moment tốcđộ

-Với nhưng hệ truyền động cũ hay những hệ truyền động của thế kỷ XIX và đầu

XX thì độngcơ 1 chiều đướcử dụng phổ biên điều này có 2 nguyên nhân

*Động cơ 1 chiều với moment tỷ lệ với từ thông và tốc độ tỷ lệ dòngđiệncho phép điều khiển đồng thời vì độc lập 2 giá trị này thế nên có chất lươngđiều khiển tốt và điều khiển trơn láng

*Moment khởi động lớn

-Tuy nhiên nhược điểm của nó là phát sinh tia lửu điệntrong quá trình hoat jđộng và việc bảo dưỡng tốn kém

-Ban đầu hệ truyền động điện xoay chiều 3 pha gặp nhiều khó khăn trong việc điềukhiển tốc độ và moment động cơ 1 cach đồng thời Tuy nhiên việc phát triển kỹthuật và mô tả ĐCXCBP trên các hệ αβ hay dq đã làm đơn giản hóa được mô hìnhtoán của động cơ

*Khi được mô tả trên hệ dq Động xoay chiều 3 pha sẽ có pt mô tả tương đươngvới động cơ 1 chiều và cũng có một mối quan hê

-Cùng với việc mô tả ĐCXCBP trên hệ dq Sự phát triển của biến tần ,bán dẫn đãcho phép thực hiện lý thuyết này chính vì vậy để điều khiển dòng Isq Để điềukhiển từ thông người ta điều khiển Isd Như vậy động cơ dị bộ tiến gần tới lợi thếđiều khiển như động cơ 1 chiều và với ưu thế hơn là bảo dưỡng đơn giản hơn và cókích thước nhỏ hơn so với động cơ 1 chiều nên nó dần thay thế trong các hệ truyềnđộng điện

Để thực hiện phương pháp điều khiển vector ,mô hình DCKDB phải được miêu tả

ở hệ tọa độ từ thông roto (hệ dq) để có đặc tính giống động cơ 1 chiều Tuy nhiêntrong hệ thống thực ,nguồn điện cung cấp cho động cơ là nguồn hình sin ba pha.Do

đố phải thực hiện phép biến đổi giữa các hệ tọa độ

2.1.2.Ta có cấu trúc điều khiển động cơ dị bộ rôto lồng sóc

2.1.3.Chuyển đổi giũa các hệ tọa độ

a,Chuyển đổi giữa hệ tọa độ u,v,w và hệ tọa độ αβ

Isα = Isu

Isβ = 3

1

( Isu + Isv)

c,Chuyển đổi giữa hệ tọa độ αβ và hệ tọa độ dq

Isd = Isαcos θs - Isβsin θs

Isq = - Isαcos θs + Isβsin θs

d,Chuyên đổi giữa hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ αβ

Isα = Isdcos θs - Isqsin θs

Isβ = Isdsin θs + Isqcos θs

2.2.Mô hình toán động cơ dị bộ xoay chiều 3 pha

Với sự phát triển vượt bậc của vi điều khiển ,hệ thống truyền động xoaychiều 3 pha đang ngày càng trở nên phổ biến và thay thế cho các hệ truyền độngcủa động cơ 1 chiều trước đây do có khả năng điều khiển trơn về cả tốc độ vàmoomen động cơ

Trong một thời gian dài động cơ một chiều ưu thế là cho phếp điều khiểntrực tiếp từ thông và momen thông qua hai dòng kích từ và dòng phần ứng Còntrong mô hình động cơ dị bộ xoay chiều 3 pha, không tồn tại các tương quan minhbạch (dòng-từ thông, dòng- momen) như ở động cơ một chiều Tuy nhiên ,bằngvieecj mô tả động cơ dị bộ roto lồng sóc trên hệ tọa độ từ thông roto đã cho phépmôt ả dẫn tới tương quan giống như với ĐCMC , đạt được các đặc tính điềukhiển ,điều chỉnh tương tự như ĐCMC

Để xây dựng ,thiết kế bộ điều khiển cần phải có mô hình mô tả chính xác đốitượng điều khiển Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện được rõ các đặctính thời gian của đối tượng điều chỉnh Để phục vụ mục đích xây dựng bộ điềukhiển ta có thể đưa ra một số giả thiết sau:

-Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng về mặt không gian

-Các tổn hao sắt từ và sự bão hào từ có thể bỏ qua

-Dòng từ hóa và từ trương được phân bố hình sin trên bề mặt khe khí

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

Hệ phương trình cơ bản của ĐCXCBP được mô tả như sau;

+Phương trình điện áp stator:

d sv t Usv t RsIsv t

dt

d sw t Usw t RsIsw t

dt

ψ ψ ψ

Rs:điện trở cuộn dây stator

ψsu, ψsv, ψsw : Từ thông cuộn dây pha u, v, w

Khi đó điện áp stator được biểu diễn dưới dạng sau:

Do các cuon dây rotor và stator có cấu tạo đối xứng nên tất cả các giá trị điện cảm

là nhue nhau trên mọi hệ tọa độ quan sát.Để hoàn thiện hệ thống mô tả ĐCXCBP

ta bổ xung them 2 phương trình sau:

Lm: Hỗ cảm giữa rotor và stator

Lσs: Điện cảm tiêu tán trên cuộn dây stator

Lσr: Điện cảm tiêu tán trên cuộn dây rotor

*Các hệ tọa độ quan sát động cơ

Việc quan sát mô hình toán của động cơ dị bộ xoay chiều bap ha được thựchiện trên các hệ tọa độ khác nhau bao gồm: hệ tọa độ stator (hệ tọa độ αβ), hệ tọa

độ từ thông rotor( hệ tọa độ dq) Như đă nói ở trên hệ tọa độ dq là hết sức quantrọng đối với việc tổng hợp bộ điều khiển cho động cơ dị bộ điều khiển bởi biếntần

Ta quy ước một số ký hiêu:

f:đại lượng quan sát trên hẹ tọa độ từ thông rotor (hệ dq)

Ss: đại lượng quan sát trên hệ tọa độ staor (hệ αβ)

r:đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor

*Mô hình toán ĐCXCBP trên hệ staor(hệ αβ)

Hệ tọa độ này có tên gọi là hệ (αβ) được gắn với stato trong đó trục α chọntrùng với trục dây quấn pha u của stato Từ các phương trình cơ vector của động

cơ dị bộ,chiếu lên hệ tọa độ αβ ta được hệ phương trình :

Kết quả mô phỏng đối với I_sα:

Kết quả mô phỏng đối với I_sβ:

-Mô hình toán ĐCXCBP trên hẹ dq

Trên hình biểu diễn một hệ trục thực trùng với trục của từ thông rotor (hệdq), hệ tọa độ này có gốc trùng với gốc trùng với gốc của hệ αβ nhưng nó quaynhanh hơn hệ αβ với tốc độ

Từ các phương trình vector của ĐCXCBP ta xây dựng được phương trình toán mô

tả trên hệ tọa độ dq như sau:

Từ đây ta dễ dàng xây dựng cấu trúc mô hình ĐCDXCBP trên hệ tọa độ dq:

Kết quả mô phỏng đối với I_sd:

Kết quả mô phỏng đối với I_sq:

Kết quả mô phỏng đối với đáp ứng tốc độ động cơ trên hệ dq:

*Kết luận:

Như vậy, việc mô tả động cơ dị bộ roto lồng sóc trên các hệ trục αβ và dqgiúp cho chúng ta có cái nhìn tổng quát về mô hình động cơ quan sát trên các hệtrục khác nhau Đây cũng là cơ sở cho việc xay dựng các bộ điều khiển cũng nhưdòn ,bộ điều khiển tốc độ

Mô hình động cơ mô tả trên hệ trên hệ tọa đọ tương ứng, và kết quả cho trên hai hệtọa độ là như nhau.Đảm bảo tính chính xác cuarmoo hình toán và việc chuyển đổigiũa các trục quan sát với mô hình động cơ

2.3.Tổng hợp các bộ điều khiển

Hệ phương trình (c) mô tả động cơ hết sức phức tạp và có độ phi tuyến caodẫn đến khó tổng hợp các bộ điều khiển cho động cơ theo phương pháp thôngthường Do đó trước hết ta phải tiến hành tuyến tính hóa hệ thống quanh điểm làmviệc Đây là một phương pháp đơn giản, dễ thực hiện và đạt hiệu quả trong việctổng hợp tham số hệ thống Trước hết, ta chuyển về miền Laplace và thay ψrd = 0

và d(ψ’ rd)/dt = 0 vào hệ phương trình (c) ta dược: