Hệ Truyền động động cơ dị bộ nuôi bởi nguồn dòng

Các đại lượng điện từ trong quá trình chuyển mạch 12 Chương 3: Xây dựng mô hình hệ truyền động điện của động cơ không đồng bộ được nuôi bởi nghịch lưu nguồn dòng 15 3.1.. Cấu tạo của độn

MỤC LỤC

Lời mở đầu Trang

Chương 1: Tổng quan về động cơ không đồng bộ 3

1.1.Cấu tạo của động cơ không đồng bộ 3

1.2 Nguyên lý làm việc 4

1.3 Đặc tính cơ của động cơ KĐB 4

1.4 Các đại lượng đặc trưng và phương trình mô tả 5

Chương 2: Tổng quan về nghịch lưu nguồn dòng 9

2.1 Giới thiệu sơ đồ nghịch lưu nguồn dòng 9

2.2 Các đại lượng điện từ trong quá trình chuyển mạch 12

Chương 3: Xây dựng mô hình hệ truyền động điện của động cơ không đồng bộ được nuôi bởi nghịch lưu nguồn dòng 15

3.1 Khái quát nguyên lý mô hình hóa nghịch lưu nguồn dòng 15

3.2 Giới thiệu sơ đồ mạch nghịch lưu nguồn dòng sử dụng thyritor 15

3.3 Xây dựng và mô phỏng 18

Tài liệu tham khảo 30

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật đã đưalại những ứng dụng lớn lao vào trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hoá củamỗi đất nước Bên cạnh những thành tựu về mặt thực tiễn thì những lý thuyết vềđiều khiển cũng lần lượt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xây dựng cácnguyên lý điều khiển tối ưu các hệ thống truyền động trong công nghiệp Là mộtnước đang trong quá trình xây dựng nền kinh tế công nghiệp hiện đại với nhiệm

vụ hiện nay là thực hiện thành công quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá, đấtnước ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụng mạnh mẽ các thànhtựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lại năng suất lao độngcao hơn, cạnh tranh được với các nước trong khu vực và thế giới .Tự động hoátrong sản xuất với việc áp dụng những thành tựu công nghệ mới nhằm nâng caonăng xuất, hạ giá thành sản phẩm không những là yêu cầu bắt buộc mà hơn nữacòn được xem như một chiến lược đối với các nhà máy, xí nghiệp cũng như toàn

bộ nền sản xuất công nghiệp của mỗi quốc gia

Từ yêu cầu thực tiễn đó em đã thực hiện một đề tài : “Xây dựng hệ

truyền động máy điện dị bộ được nuôi bởi nghịch lưu nguồn dòng ”.

Trong thời gian thực hiện, được sự hướng dẫn và giúp đỡ của thầy giáo

Ths Phạm Tâm Thành em đã hoàn thành đồ án này Nhưng do trình độ còn

hạn chế nên bản đồ án không thể tránh khỏi nhưng thiếu sót Mọi sự góp ý củathầy cô và các bạn sẽ là nguồn động viên vô giá để em tiếp tục hoàn thiện bản

đồ án của mình hơn

Chương 1: Tổng quan về động cơ không đồng bộ

1.1 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ

Hình 1.1 : Cấu tạo động cơ không đồng bộ

*Phần tĩnh - Stator:

- Lõi thép stator được ghép bằng các lá thép kỹ thỵât điện hình vành khăn

có xẻ rãnh ở bên trong để đặt dây quấn stator Lõi thép được ép vào phía trong

- Lõi thép là các lá thép kỹ thuật điện được ghép lại với nhau, mặt ngoài

có xẻ rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có đục lỗ để lắp trục

- Dây quấn roto gồm hai loại: roto kiểu dây quấn và roto kiểu lồng sócLoại roto kiểu dây quấn: cũng giống như dây quấn ba pha stator, cuộn dâyroto được đấu hình sao còn ba đầu được nối đến ba vành trượt gắn vào trục

Vỏ máy

quay của roto cà cách điện với trục Ba chổi than tiếp xúc với ba vành trượtđược nối ra ngoài với các điện trở phụ để khởi động hoăc điều chỉnh tốc độ.

Loại roto kiểu lồng sóc: Loại dây quấn này khác với dây quấn stator Mỗirãnh của lõi sắt được đặt một thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm và được nối tắt lại

ở đầu bằng hai vòng ngắn mạch bằng đồng hoặc nhôm Dây quấn roto kiểu lồngsóc không cần cách điện với lõi sắt

1.2 Nguyên lý làm việc

Khi nối dây quấn stator vào lưới điện xoay chiều ba pha, trong động cơ sẽsinh ra một từ trường quay Từ trường quay này quét qua các thanh dẫn roto,làm cảm ứng trên dây quấn roto một sức điện động E sẽ sinh ra dòng điện I chạytrong dây quấn Dòng điện I tác động tương hỗ với từ trường stator tạo ra lựcđiện từ trên dây dẫn roto và momen quay làm cho roto quay với tốc độ n theochiều quay của từ trường

Tốc độ quay của roto n luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay stator n1

vì thế gọi là động cơ không đồng bộ

1.3 Đặc tính cơ của động cơ KĐB

Đặc tính cơ của đông cơ điện chính là quan hệ n=f(M2) hoặc M2 = f(n)

Mà ta có M=M0+M2, ở đây ta xem M0=0 hoặc chuyển về Momen cản tĩnh Mc

Vì vậy M2=M=f(n)

Hình 1.2: Quan hệ M=f(s)

Từ hình 1.4 ta xét chế độ động cơ nghĩa là s=0÷1 hình 1.5a Nếu thays=(n-n)/n1 ta sẽ có quan hệ n =f(M2) chính là đặc tính cơ của động cơ khôngđồng bộ (hình 1.5b)

Hình 1.3: Đặc tính động cơ không đồng bộ(a) Quan hệ momen theo hệ số trượt (b) Đặc tính cơ của động cơ

+ Đoạn 0a (0 < s < sth) Động cơ làm việc ổn định Đặc tính cơ cứng + Đoạn ab (sth < s < 1) Động cơ làm việc không ổn định

1.4 Các đại lượng đặc trưng và phương trình mô tả

s

s s

s m

m

K K K

U L z m





1 2

3

;

s s

r K

L

R s







Trong đó:

mK : momen lật Rr : điện trở roto

sK : hệ số trượt khi mM = mK Ls : điện cảm stator

mM : momen động cơ zp : số đôi cực

Us : điện áp stator  : hệ số tản

s : tần số stator (vận tốc góc của các vector phía stator)

Công thức trên là gần đúng xuất phát từ giả thiết điện trở stator Rs = 0.Giả thiết này có thể coi là đúng đối với máy điện công suất lớn và rất lớn

Mô hình toán động cơ dị bộ xoay chiều ba pha :

+ Phương trình điện áp stator

( )

(

) ( )

( )

(

) ( )

( )

(

t i

R dt

t d

t u

t i R

d t t d

t u

t i

R

d t t d

t u

sw s sw

sw

sv s sv

sv

su s su

s

s R i dt

d

u   + Vectơ điện áp viết cho roto của động cơ

dt

d i

r r





 0+ Phương trình từ thông

r r s m r

r m s s s

i L i L

i L i L

3 ) ( 2

3

r r c s

s c

j m m

c T M

Rs : điện trở stator us : vector điện áp stator

Rr : điện trở roto quy đổi về stator is : vector dòng stator

Ls : điện cảm stator ir : véc tơ dòng roto

Lr : điện cảm roto s: vector từ thông stator

Lm : hỗ cảm giữa hai cuộn dây r: vector từ thông roto

T  : hằng số thời gian roto

r s

m

L L

1



 : hệ số tiêu tán tổng

* Mô hình toán trên hệ stator (hệ  )

Các phương trình mô tả động cơ không đồng bộ roto lồng sóc ở trên hệtoạ độ cố định so với stator, viết lại dưới dạng thành phần ta thu được mô hìnhsau:

i T T

dt

'

1 ' 1 1

i T T

dt

'

1 ' 1

1 1

1 1

1 1

*Mô hình toán trên hệ dq

Nếu chuyển mô hình sang biểu diễn trên hệ toạ độ dq, là hệ toạ độ có trụcthực d trùng với trục của véc tơ từ thông roto r Nghĩa là hệ toạ độ dq quayđồng bộ với vectorr và còn được gọi là hệ toạ độ từ thông Mô hình có dạng :

sd s rq rd

r sq s s r s

L T

i i

T T

' 1 1

rq r rd sq

r s sd

s

L T

i T T

1 1

rd r

' 1 1

+ Phương trình momen như sau

sq rd c r

Chương 2: Tổng quan về nghịch lưu nguồn dòng

2.1 Giới thiệu sơ đồ nghịch lưu nguồn dòng

Trong thực tế nghịch lưu dòng ba pha được sử dụng rộng rãi vì công suấtcủa nó lớn và đáp ứng được sử dụng trong công nghiệp, trong đó các van bándẫn là các van điều khiển hoàn toàn

Hình 2.1: Nghịch lưu dòng ba phaNghịch lưu dòng có sử dụng thyristor do đó để có thể khoá được cácthyristor cần phải có tụ chuyển mạch Vì là nghịch lưu nguồn dòng nên đầu vào

phải là nguồn dòng do đó Ld là vô cùng Để đảm nảo khóa được các thyristor vàtạo hệ thống dòng điện ba pha đối xứng thì luật dẫn điện của thyristor phải tuântheo hình sau :

Hình 2.2: Biểu đồ xungQua đồ thị ta thấy mỗi van động lực chỉ dẫn trong khoảng thời gian

Xét khoảng thời gian 0t1 lúc này T1 và T6 dẫn Dòng điện sẽ chạy qua

T1, ZA, ZB, T6 Đồng thời sẽ có dòng nạp vào tụ C1 qua T1, C1, T6 Khi tụ C1 đượcnạp đầy thì dòng qua tụ bằng 0 Tụ C1 được nạp với dấu điện áp để chuẩn bị choquá trình chuyển mạch khoá T1 Tại thời điểm t = t2, khi mở T3, điện áp đượcnạp vào tụ C1 đặt lên T1 làm cho T1 bị khoá lại Tương tự như vậy khi T2 và T3

dẫn (t2 t3) thì tụ C3 được nạp với dấu điện áp để chuẩn bị khoá T3

Đối với nhóm catot chung T2, T3 và T6 quá trình chuyển mạch cũng diễn

ra như vậy Ví dụ tụ C5 được nạp trong khoảng thời gian t1t2 (khi T1 và T2 dẫn)với dấu đảm bảo để khoá T4 khi mở T2 tại thời điểm t3

Giá trị hiệu dụng của dòng điện tải:

3 d  s s  

cos 6

Trong thực tế kỹ thuật thường sử dụng các van điều khiển không hoàntoàn, vì vậy cần có các mạch khoá cưỡng bức các van đang dẫn, bảo đảmchuyển mạch dòng điện giữa các pha một cách chắc chắn trong phạm vi điềuchỉnh tần số và dòng điện đủ rộng

Hình 2.4 : Nghịch lưu nguồn dòng ba pha có diode cách ly

Trong hình trên ngoài các thyristor lực T1T6 còn sử dụng các diode cách

ly D1D6 nhằm cách ly giữa các tụ điện chuyển mạch và dây quấn các pha củađộng cơ không đồng bộ điều khiển đẻ chúng không tạo thành mạch cộng hưởnglàm ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch

Trên hình 2.2, các van T1, T2 đang dẫn , dòng điện chảy liên tục vào pha a

và ra pha c của tải, tụ C1 nạp đầy điện áp Quá trình chuyển mạch bắt đầu xảy rakhi phát xung mở cho T3, khi T3 dẫn thì điện áp trên C1 đặt ngược lên T1 làm vannày khoá lại Diode D3 chưa dẫn dòng vì tổng điện áp C1 và điện áp dây giữa a

và b còn đặt ngược lên diode này Dòng điện Id khép mạch qua T3 - C1- D1 - a - c

- D2 - T2, tụ C1 được phóng và nạp ngược với dòng điện không đổi và bằng dòngđiện Id Khi điện áp trên C1 đạt đến giá trị điện áp dây Uab thì D3 bắt đầu dẫn,dòng điện pha a bắt đầu giảm và dòng điện pha b bắt đầu tăng lên, sao cho tổnggiá trị hai dòng điện này đúng bằng Id Khi C1 đạt được giá trị điện áp đúng bằnggiá trị trước khi xảy ra chuyển mạch với cực tính ngược lại thì D1 khoá hoàntoàn và dòng qua pha b đạt giá trị dòng cung cấp, quá trình chuyển mạch kếtthúc

2.2 Các đại lượng điện từ trong quá trình chuyển mạch

r

m r c s r

m s

s

L

L j

dt

di L

L L L R i

U   (   ' )   

2 1

Trong đó: Us, is - điện áp và dòng điện một pha

Rs - điện trở dây quấn một pha

L m Dựa vào (2.5) có thể coi động cơ không đồng bộ là mạch điện bao gồmcác phần tử nối tiếp: điện trở (số hạng đầu), điện cảm (số hạng thứ hai) và sức

điện động (só hạng thứ ba) Từ thông roto coa thể được tính từ phương trình cânbằng điện áp cho mạch roto:

r

s m s r r

T

i L j

Ls1 thành phần sóng cơ bản của dòng điện

Nếu đạt các giá trị điện cảm tương đương Le, sức điện động tương đương

m o e

L

L j

Bỏ qua điện trở day quấn stator thì ta có mạch thay thế động cơ không đồng bộnhư là điện cảm Le nối tiếp với sức điện động Ee

1 2

1

1

s r s r

m e

T j L

L E

) (

1 2

i L

L

e r

s

s r

2

1

r r

i s  d nên ta có:

} 6 exp{

3 2 } 6 exp{

exp{

) ( 1

1 3

2

1 2

L I

r s r

m e d

và điện áp dây:

2 1 2

1

) ( 1

sin 6

r s r

m e d e

T L

L I

)}

6 (

exp{   1 



E e s s e (2.13)

Chương 3: Xây dựng mô hình hệ truyền động điện của động cơ không đồng bộ được nuôi bởi nghịch

lưu nguồn dòng

3.1 Khái quát nguyên lý mô hình hóa nghịch lưu nguồn dòng

Hình 3.1: Khái quát mô hình hóa nghịch lưu nguồn dòng

- Khối tạo hàm nhận tín hiệu từ đầu ra của khâu điểu chỉnh tốc độ quay

- Khâu điều chỉnh dòng nhận dòng từ khâu tạo hàm để điều chỉnh cho phùhợp trước khi đư vào đối tượng điều chỉnh dòng

- Đối tượng điều chỉnh dòng nhận tín hiệu từ khâu điều chỉnh dòng phảnhồi lại để khâu điều chỉnh dòng hiệu chỉnh dòng cấp vào cho phù hợp với trạngthái làm việc, đồng thời tín hiệu từ khâu hiệu chỉnh cũng được đưa tới khâulogic điều khiển

- Logic điều khiển xuất các thành phần dòng để điều khiển

3.2 Giới thiệu sơ đồ mạch nghịch lưu nguồn dòng sử dụng thyritor

Kỹ thuật điều khiển nghịch lưu theo phương pháp băm xung sử dụngnghịch lưu nguồn áp là bước phát triển cao trong điều khiển máy điện xoaychiều ba pha Kỹ thuật đó xuất hiện đồng thời với sự ra đời của các linh kiện bándẫn công suất loại IGBT hoặc GTO Trong các ứng dụng đòi hỏi chất lượngthấp, rẻ mà công suất lại lớn, thường người ta sử dụng giải pháp nghịch lưunguồn dòng Các mạch nghịch lưu nguồn dòng kể từ giai đoạn mới phát triểnchủ yếu sử dụng thyristor là loại linh kiện có tốc độ đóng ngắt chậm

Hình 3.2: Sơ đồ nghịch lưu nguồn dòng sử dụng thyristor

Khó khăn chủ yếu khi sử dụng van thyristor là đặc điểm có thể chủ động

mở van (kích hoạt dẫn dòng), nhưng lai không chủ động ngắt van được (ngừnghoạt động dẫn dòng) Mạch hoạt động độc lập như nghịch lưu nguồn dòng phải

sử dụng một mạch dập để chuyển mạch

Thiết bị nghịch lưu nguồn dòng bao giờ cũng có ba thành phần:

+ Phần chỉnh lưu đầu vào với nhiệm vụ điều chỉnh ổn định dòng iDC củamạch một chiều trung gian Giá trị iDC quyết định biên độ của dòng máy điện (cótác dụng điều khiển momen quay) Chỉnh lưu sử dụng điện áp lưới để điều chỉnhdòng iDC (điều chỉnh momen)

+ Phần mạch một chiều trung gian sử dụng cuộn kháng lọc với nhiệm vụhạn chế hài dòng của iDC

+ Phần nghịch lưu nuôi máy điện dị bộ chỉ có nhiệm vụ chuyển mạchdòng, tức là tạo tần số của trường quay và qua đó điều khiển tốc độ quay củamáy điện

Thông qua các lý giải ngắn gọn trên về nguyên lý của nghịch lưu nguồndòng ta có thể đưa ra một số yêu cầu khi mô hình hoá

+ Mô hình phải có một vòng điều chỉnh dòng với nhiệm vụ điều khiểndòng chảy qua mạch một chiều trung gian Giá trị dòng được tính theo:

2 2

Vị trí góc của hệ toạ độ dq được tính theo công thức dưới đây :

Hình 3.3 : Sơ đồ thay thế máy điện dị bộ

Từ sơ đồ thay thế trên ta có phương trình mô tả máy điện không đồng bộ:+ Phương trình điện áp stator

dt

d i

r r







0 (3.2)+ Phương trình từ thông

r r s m r

r m s s s

i L i L

i L i L

i T T

dt

' 1

' 1 1

i T T

dt

' 1 ' 1

1 1

1 1

1 1

Rr : điện trở roto quy đổi về stator is : vector dòng stator

Ls : điện cảm stator ir : véc tơ dòng roto

Lr : điện cảm roto s: vector từ thông stator

Lm : hỗ cảm giữa hai cuộn dây r: vector từ thông roto

s

s s R

L

T  : hằng số thời gian stator

r

r r R

L

T  : hằng số thời gian roto

r s

m

L L

r r r m

+ Hệ chưa xét tới hiện tượng bão hoà vật liệu từ Tuy nhiên có thể sửdụng hàm xấp xỉ để bổ xung đặc tính bão hoà một cách rất dễ dàng

+ Chưa xét tới tổn hao dòng quẩn và tổn hao sắt từ

+ Chưa xét tới hiện tượng dãn dòng (xuất hiện đối với hài dòng bậc cao,làm tăng giá trị hiệu dụng của điên trở)

+ Stator và roto có kết cấu tròn đều đối xứng Hệ thống stator có chứa zp

cuộn dây ba pha Việc đặt điện áp roto bằng 0 xuất phát từ kết cấu ngắn mạchcủa mạch điện phía roto Đối với mô hình của máy điện dị bộ roto dây quấn sẽphải bổ xung thêm phương trình cho hệ

+ Tham số của mô hình là hằng

+ Bỏ qua tổn hao ma sát

Khi sử dụng khối nghịch lưu nguồn dòng theo nguyên tắc mô tả ở hình3.1, khối nghịch lưu nguồn dòng sẽ trao cho mô hình máy điện dị bộ dòng điện

nên mô hình sẽ chỉ còn bao gồm hai phương trình thứ 3 và thứ 4 của hệ (3.4), tức là hạn chế về chỉ còn hai phương trình từ thông, dòng stator đã được nghịch lưu nguồn dòng

Trong chương trình mô phòng ta phải xây dựng hai Sfunction khối tạo hàm (tính góc) và logic điều khiển (đưa dòng tới đầu ra theo góc đã tính) Để hoàn thiện ta còn thêm khâu điều chỉnh với đặc tính PI và khâu PT2 thay cho mô hình đối tượng điều chỉnh dòng Ta có mô hình mô phỏng như sau :

+ Chương trình viết cho khối CSI:

/**********************************************

* CSI.C : C-MEX-File to simulate the current-source *

* inverter feeding a 3-phase induction motor in alpha- *

* beta-coordinates *

* Syntax : [sys , x0] = csi(t,x,u,flag,p) *

* Parameter p[ Rr, Lr] *

* Rr Rotor resistance *

* Lr Rotor inductance *

***********************************************/

#define S_FUNCTION_NAME csi