Mô phỏng hệ điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc khi thay đổi tần số điện áp cấp vào stator

Là sinh viên khoa Điện – Điện tử được thầy giáo giao cho bài tập lớn với đề tài “Mô phỏng hệ điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc khi thay đổi tần số điện áp cấp và

- Mô men quán tính J = 0.015 Kg.m2

- Điện cảm dò phía stator Lσs = 0.004342 H

- Điện cảm dò phía rotor Lσr = 0.004342 H

 Yêu cầu nội dung:

- Cấu trúc điều khiển của hệ thống

- Xây dựng mô hình các thành phần trong hệ thống

- Tính toán bộ điều khiển

- Mô phỏng đáp ứng của hệ với bộ điều khiển đã tính

Mục Lục

Lời nói đầu……… 4

Chương 1 Động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc……….5

1.1 Khái niệm, cấu tạo và nguyên lý làm việc 5

1 Khái niệm……….5

2 Cấu tạo……… 5

3 Nguyên lý làm việc……… 6

1.2 Điều chỉnh tốc độ quay động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc 6

1 Sơ đồ nguyên lý……… 6

2 Các quy luật điều khiển biến tần……… 8

a Giữ cho biện độ từ trường quay không đổi……….…8

b Giữ cho hệ số quá tải không đổi……….…9

3 Các đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh tần số……… 10

4 Biến tần bán dẫn làm việc với động cơ KĐB 3 pha……… 11

Chương 2 Xây dựng cấu trúc điều khiển……….14

2.1 Đề xuất cấu trúc điều khiển………14

2.2 Xây dựng hàm truyền của hệ……… 18

2.3 Tổng hợp mạch điều khiển dòng điện……….19

2.4 Tổng hợp mạch điều khiển tốc độ………19

Chương 3 Xây dựng bộ điều khiển và mô phỏng……….…22

3.1 Bộ điều khiển……… 22

1 Các thông số……… 22

2 Bộ điều khiển dòng điện………26

3 Bộ điều khiển tốc độ……….26

3.2 Mô phỏng……… 28

Kết luận………31

Tài liệu tham khảo……… 32

Lời nói đầu

Ngày nay, trên tất cả các nước trên thế giới nói chung và nước ta nói riêng ở

đó các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp, nôngnghiệp và cả trong lĩnh vực sinh hoạt Các nhà máy, xí nghiệp đã ứng dụng ngàycàng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện tử công suất Ứng dụng Điện tửcông suất trong truyền động điện – điều khiển tốc độ động cơ điện là lĩnh vực quantrọng và ngày càng phát triển Các nhà sản xuất không ngừng cho ra đời các sảnphẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất và các thiết bị điều khiển

đi kèm Là sinh viên khoa Điện – Điện tử được thầy giáo giao cho bài tập lớn với

đề tài “Mô phỏng hệ điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc khi thay đổi tần số điện áp cấp vào stator”, em đã cố gắng gắng tìm hiểu kĩ

về các phương pháp sao cho bài tập đảm bảo đúng yêu cầu được giao Với hy vọngbài tập lớn này là một bản thiết kế kĩ thuật có thể áp dụng được trong thực tế nênchúng em đã cố gắng mô tả và tính toán cụ thể các thông số Mặc dù em đã rất nỗlực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi và quyết tâm cao nhất tuy nhiên kiếnthức còn hạn chế nên em không thể tránh khỏi những sai sót Em mong nhận được

sự phê bình góp ý của các thầy để giúp em hiểu rõ hơn các vấn đề trong bài tập lớncũng như những ứng dụng thực tế của nó để em được hoàn thiện hơn Trong quátrình làm bài tập, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của thầy Trần Tiến Lương

Em xin chân thành cảm ơn thầy và hi vọng thầy sẽ giúp đỡ em và các bạn sinh viênkhác có được nhiều kiến thức bổ ích hơn trong các môn học

Sinh viên thực hiện Nguyễn Ngọc Sơn

Chương 1 Động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc

1.1 Khái niệm, cấu tạo và nguyên lý làm việc

Stator gồm: vỏ máy, lõi thép, dây quấn và các bộ phần khác

- Vỏ máy: Nhiệm vụ là bảo vệ, giá lắp lõi thép Vỏ máy thường được chế tạobằng gang đúc, hay hợp kim Bên ngoài có các cánh tản nhiệt

- Lõi thép: Chức năng là mạch từ, nhiệm vụ là dẫn từ trường và dùng để quấndây trên lõi thép Lõi thép được chế tạo từ các là thép kĩ thuật điện, ghépcách điện với nhau Mặt trong lõi thép được đục các rãnh để đặt dây quấn

- Dây quấn: Chức năng là mạch điện, nhiệm vụ là dẫn điện Dây quấn là dâyđồng có bóc cách điện và được rải đều chu vi mặt trong của lõi thép Cáccuộn dây được đặt lệch nhau 120˚ trong không gian

- Các bộ phận khác như: 2 nắp máy ở 2 đầu trục, trụ đấy dây, đê máy, biểnmáy…

b) Phần quay – Rotor

Rotor gồm: trục máy, lõi thép, dây quấn và các bộ phần khác

- Trục máy: Nhiệm vụ là đỡ Rotor, được làm bằng thép, hay hợp kim của thép

có độ bền cơ khí cao, 2 đầu trục là 2 vòng bi Đầu trục máy có lắp quạt làmmát

- Lõi thép: Được làm từ các là thép kĩ thuật điện ghép lại với nhau thành hìnhtrụ đặc và chu vi mặt ngoài được xẻ các rãnh đều đặn để đặt dây quấn Rotor,

ở giữa các là thép được đục một lỗ tròn để đặt trục máy

- Dây quấn: Là các thanh nhôm, hoặc các thanh đồng đặt trong các rãnh củalõi thép Rotor, dây quấn Rotor lồng sóc không cách điện với lõi thép Haiđầu của các thanh nhôm hoặc thanh đồng được hàn vào hai vòng ngắn mạch

3 Nguyên lý làm việc:

- Khi cho dòng ba pha vào ba dây quấn stato của động cơ, trong Stator sẽ có từtrường quay Từ trường quay này quét qua các dây quấn của Rotor, làm xuấthiện các suất điện động và dòng điện cảm ứng Lực tương tác điện từ giữa từtrường quay và các dòng điện cảm ứng này tạo ra momen quay tác động lênRotor, kéo Rotor quay theo chiều quay của từ trường với tốc độ n < n1 (n1 làtốc độ của từ trường quay)

- Tốc độ từ trường quay được tính bằng công thức:

- BBT: Bộ biến tần có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện có tần số cố định thànhnguồn điện có tần số thay đổi cấp cho động cơ điều chỉnh tốc độ quay độngcơ

+ Biến tần điện cơ

+ Biến tần bằng bán dẫn: • Biến tần trực tiếp

• Biến tần gián tiếp

- Đ: Động cơ không đồng bộ 3 pha Rotor lồng sóc

 Khi động cơ không động bộ 3 pha làm việc với tần số thay đổi:

- Tốc độ từ trường quay: ω 1= 2 πf 1

p f1: tần số p: số đôi cực

+ Khi f1 thay đổi => ω1 thay đổi => ω = (1 – s)ω1 thay đổi

- Từ phương trình cân bằng điện áp pha dây quấn Stator

U1 = -E1 + I1.Z1 ; Z1 = R1 + JX1

+ Nếu bỏ qua sụt áp: I1.Z1 ≈ 0

=>U1 = -E1 => U1 = E1 ; E1 = 4,44.ω1kdq1f1ØT

Với U1 = U1đm = E1 = k.ØT.f1 = const => ØTổng = C U 1 đm f 1 đm = const

+ Khi thay đổi: f1 > f1đm => ØTổng < ØTổng đm => Động cơ bị quả tải về mômen + Khi thay đổi: f1 < f1đm => ØTổng > ØTổng đm => Động cơ bị quá nhiệt do dòng từ

 Động cơ bị quá tải.

 Nhận xét:

- Để đảm bảo cho đông cơ làm việc an toàn và hiệu quả thì khi điều chỉnh tần

số phải kết hợp điều chỉnh điện áp sao cho đông cơ không bị quá tải

- Để đảm bảo cho động cơ làm việc an toàn chúng ta phải tìm ra các quy luậtsao cho thỏa mãn:

+ Biên độ từ trường quay không đổi

+ Hệ số quá tải của động cơ không thay đổi

2 Các quy luật điều khiển biến tần

 Sơ đồ khối biến tần gián tiếp:

- Bộ chỉnh lưu: biến đổi nguồn điện 3 pha thành nguồn 1 chiều có điều khiểnđược Ura, đây là cơ sở để điều khiển Ura biến tần

- Khối nghịch lưu: khối tạo tần số cơ bản cung cấp cho đông cơ Như vậytrong biến tần gián tiếp điều chỉnh tần số ở khối nghịch lưu còn điều chỉnhđiện áp ở khối chỉnh lưu

a) Giữ cho biên độ từ trường quay không đổi:

ØTổng = C U 1 đm f 1 đm = C U 1 f 1 = const

=> U 1 đm U 1 = f 1 đm f 1 <=> U1= f1

=> Tỷ lệ điều chỉnh điện áp bằng tỷ lệ điều chỉnh tần số

M = kM.ØT.I2.cosφ2

Nếu trên 1 giá trị tải: I2 = const ; cosφ2 = const

=> Phương pháp này chỉ phù hợp khi tải dạng thế năng phản kháng

b) Quy luật điều khiển giữ cho hệ số quá tải không đổi

λM ¿ Mmax

Mcmax=

Mthđm Mđm =

Giả thiết: Mco = 0, Mc đm với tải bất kì và tốc độ quay của đông cơ tỉ lệ với tần số

=> Quy luật điều chỉnh điện áp: U 1˙ = √f 1˙ (2 +X )

3 Các đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh tần số

Coi đoạn công tác của động cơ không đồng bộ 3 pha là đường thẳng: Khi U1 và f1thay đổi

- Khi điều chỉnh tần số kết hợp điều chỉnh điện áp thì Mth thay đổi phụ thuộcvào dạng phụ tải, còn độ trượt tới hạn khi tần số tăng hơn định mức đặc tính

cơ cứng và ngược lại đặc tính cơ mềm

- Khi X = 0 => Mth = Mth đm = const

- Khi X = 2 => Mth = Mth đm f 1˙ 2

- Khi X = -1 => Mth = Mthđm f 1˙

4 Biến tần bán dẫn làm việc với động cơ không đồng bộ 3 pha (Biến tần giántiếp)

 Sơ đồ nguyên lý:

 Quy luật điều khiển khóa S:

 Nhận xét:

- Khi phân tích quá trình chuyển mạch trong biến tần nguồn áp, ta nhận thấyđiện áp đặt trên các cuộn dây của động cơ có dạng bậc thang Do vậy cần cóbiện pháp điều khiển sao cho điện áp đặt vào động cơ có dạng gần sin

- Để kết hợp điều chỉnh tần số và điện áp thì điện áp được điều chỉnh ở phíachỉnh lưu Uđ, còn tần số điều chỉnh chu kỳ của các khóa S

Chương 2 Xây dựng cấu trúc điều khiển

2.1 Đề xuất cấu trúc điều khiển

 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tần số động cơ KĐB qua quan hệ I1(f2)

- A/D – D/A: bộ chuyển đổi dòng xoay chiều thành một chiều và một chiều thành xoay chiều

- D: động cơ không đồng bộ 3 pha roto lông sóc

- Ft: máy phát tốc

- : Bộ điều khiển dòng điện

 Sơ đồ cấu trúc trên gồm 2 khâu điều khiển:

- Khâu điều khiển biên độ gồm 2 mạch vòng điều chỉnh: mạch vòng điều chỉnh tốc độ và mạch vòng điều chỉnh dòng điện Tín hiệu đầu ra của bộ điềukhiển tốc độ là Rω là tín hiệu đặt của mạch vòng điều chỉnh dòng điện Tín hiệu ra của bộ điều khiển dòng điện RI là tín hiệu điều khiển biên độ a dòng Id

- Khâu điều khiển tần số thực hiện quan hệ:

- Để tiện cho việc tính toán, thiết kế được bộ điều chỉnh dòng điện Ri, người tadung sơ đồ đơn giản sau:

Trong đó: Ld, Rd: điện cảm, điện trở của cuộn kháng lọc

L1t, R1: điện cảm tản, điện trở 1 pha stato

L2t, R2: điện cảm tản, điện trở 1 pha roto quy đổi về stato

s: hệ số trượt

Ta có hàm truyền đạt bộ chỉnh lưu:

Ud: điện áp đầu ra chỉnh lưu

Uđk: điện áp điều khiển chỉnh lưu

KCL, TCL: hệ số điều khiển và hằng số thời gian

- Việc tổng hợp chính xác mạch vòng dòng điện rất phức tạp vì thành phầnđiện trở của mạch vòng dòng điện phụ thuộc vào s => Một cách gần đúng ta

bỏ qua các thành phần điện trở và điện kháng tản

Ta được:

RΣ = Rd + 2R

LΣ = Ld + 2L1t

Ta có:

=> Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển mạch vòng dòng điện

- Tuyến tính hóa biểu thức tính momen động cơ (tại điểm định mức)

Lm 2

R r I2sdm

1−ω sdm2 T r2 (1+ω sdm2 T r2)2=A

∂M

∂I s =

3 2

Lm 2

R r

2 I sdm ω sdm 1+ω sdm2 T r2 =B

=> Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển mạch vòng dòng điện và tốc độ sau khi đã tuyếntính hóa (bỏ qua hệ số thời gian điện từ):

2.2 Xây dựng hàm truyền của hệ

 Hàm truyền đạt của bộ điều chỉnh dòng điện:

- Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh

- Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện là khâu tỷ lệ tích phân (PI):

- Do tổng hợp theo tiêu chuân module tối ưu nên hàm truyền kín của mạchvòng dòng điện có dạng:

 Hàm truyền đạt của bộ điều chỉnh tốc độ

- Khi tiến hành tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta coi gần đúng hàm truyền hệ kínmạch vòng điều chỉnh tốc độ là khâu quán tính bậc nhất

W Ki=

K i 1+ pT i

- Ở trên, ta dùng tiêu chuẩn module tối ưu để tổng hợp mạch vòng dòng điện:

 Ta có sơ đồ tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện Ri:

- Theo phần 2.2 ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện Ri là:

Và hàm truyền của mạch vòng dòng điện là:

2.4 Tổng hợp mạch vòng tốc độ

 Ta có sơ đồ mạch vòng tốc độ sau khi đã tổng hợp mạch vòng dòng điện:

- Khi bỏ qua Mc ta có sơ đồ tương đương sau:

 Hàm truyền của đối tượng cần điều khiển:

S oω=[11+T i p C K F+A]1Jp.

Kω 1+ pT ω

Chương 3 Xây dựng bộ điều khiển và mô phỏng

Hằng số thời gian stator: Ts = Ls / Rs = 0,165142 / 0,877 = 0,1883

Hằng số thời gian rotor: Tr = Lr / Rr = 0,165142 / 1,47 = 0,1123

Iđm = Pđm / Uđm = 2200 / 380 = 5,789 (A)

Điện áp ngược van phải chịu = Ud = 370,5V

=> Chọn Diot loại B-200 có các thông số sau:

qu¹t(m/s)B-

200

Theo tính toán phẩn trên ta có: Id = 116,7(A) và Ud = 370(V)

Khi lấy điện áp cung cấp từ trước ~380V => Có thể không cần sử dụng máy biến áp

Điện áp ngược trên mỗi van: U ng=√6U2=930,8(V )

=> Chọn Thyristor loại T-250 có các thông số sau:

Lo¹i I(A) Uim(V) U(V) Toff(s) Ig(V) Ug(V) du/dt(V/

s)T.250 250 100-

b) Tính toán thiết bị đo:

 Máy phát tốc là thiết bị đo tốc độ trong hệ truyền động điện Mạch nguyên lý

đo tốc độ bằng máy phát tốc 1 chiều

Ta có: Uω = Kω ω là điện áp đầu ra của máy phát tốc khi từ thông không đổi

=> Kω = Uω / ω Với Uω = 10V

Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền của máy phát tốc là

=> Từ các thông số trên, ta chọn máy phát tốc GTB 9 có các thông số sau:

- Dung sai tuyến tính: ≤ 0.15 %

- Sử dụng mạch phản hồi dòng 1 chiều có cấu tạo như hình trên

- Nguyên lý hoạt động: dòng Id sau chỉnh lưu được cho qua điện trở Sun sẽ tạo

ra 1 điện áp vi sai có độ lớn khoảng từ 0 ÷ 75mV Điện áp vi sai này được đưa vào đầu vào của khuếch đại thuật toán để khuếch đại tạo ra điện áp tỷ lệ với dòng Id

- Chọn điện áp vào vi sai là 75mV

- Điện áp ra sau khuếch đại thuật toán bằng 10V

=> hệ số khuếch đại của OA bằng:

Chọn R1 = 1 (kΩ) => R2 = 133 ( kΩ)

c) Tính toán các tham số trong sơ đồ tuyến tính hóa

 Hệ số máy biến dòng ( đo dòng 1 chiều)

Kđo = Ui / Iđm = 10 / 116,7 = 0.08569

KCL = Ud / UCL = 370,5 / 10 = 37,05

 Khâu khuếch đại tuyến tính Fi

KFi = Isđm / ωsđm Isđm = 91 (A)

ωsđm = ω – ωđm với ω = 2πf = 314,159 (rad/s)

_ +

r2 r1

Wir = 0,6583. 1+0,0209 p

0,0209 p

Vậy hàm truyền: Ri(p) = 0,6583. 1+0,0209 p

 Kiểm nghiệm bộ điều chỉnh dòng điện Ri bằng Matlab – Simulink:

- Đặc tính quá độ của dòng điện:

- Nhận xét:

+ Ta thấy sai lệch tĩnh e của hệ thống rất nhỏ, điều đó cho thấy đây là 1 hệ thốngtốt

+ Thời gian đáp ứng τ nhỏ (=0,05) => hệ đi vào trạng thái ổn định nhanh+ Độ quá điều chỉnh nhỏ δ ≈ 5,2%

+ Số lần dao động trước khi đi vào ổn định cũng nhỏ

 Kiểm nghiệm bộ điều chỉnh tốc độ Rω bằng Matlab – Simulink:

Đồ thị quá độ khi có bộ lọc:

Đồ thị quá độ khi không có bộ lọc:

Dưới sự dẫn dắt của thầy Trần Tiến Lương cùng với quyết tâm và nỗ lục

của bản thân, em đã hoàn thành nhiệm vụ được giao

Qua bài tập lớn này, nó đã giúp em bước đầu tập sự đồng thời cũng đã cho

em biết được cách thiết kế, mô phỏng hệ điều khiển tốc độ đông cơ điện Tuy nhiên

do kiến thức còn hạn chế nên bài tập lớn này còn nhiều sai sót, mong nhận được sựphê bình của thầy

Sau cùng để kết thúc những trang cuối của bài tập lớn này em xin gửi đến

thầy Trần Tiến Lương lời cảm ơn chân thành vì đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành

bài tập lớn này đúng thời gian

Hải Phòng, ngày 9 tháng 5 năm 2016 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Sơn

Tài liệu tham khảo

 Điều chỉnh tự động truyền động điện – Tác giả: Bùi Quốc Khánh, Nguyễn

Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi

 Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha – Tác giả: Tiến sĩ

Nguyễn Phùng Quang