Bài giảng truyền động điện full (pgs ts lê tiến dũng)

lOMoARcPSD|12484561

GIỚI THIỆU MƠN HỌC
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Khóa 2020 TĐHCLC
Ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa
Khoa Điện
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

1

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

1. Số tín chỉ:
2. Phân bố thời gian:
- Lý thuyết:

02 TC
02 TC (số tiết: )

- Thí nghiệm:

0.5 TC (số tiết: )

3. Các giảng viên phụ trách học phần:
- Giảng viên phụ trách chính:
- Giảng viên cùng giảng dạy:
4. Điều kiện tham gia học phần:
- Học phần học trước:
- Học phần song hành:

PGS. TS. Lê Tiến Dũng
PGS. TS. Đoàn Quang Vinh, TS. Giáp Quang Huy
Máy điện
Điện tử công suất, PBL2 Thiết kế hệ thống Truyền
động điện
2

2

1
Downloaded by EBOOKBKMT ()


lOMoARcPSD|12484561

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Mơ tả tóm tắt học phần:
Môn học cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về truyền động điện: Cấu trúc cơ
bản của các hệ thống truyền động điện một chiều, xoay chiều ba pha không đồng bộ, xoay
chiều đồng bộ. Các phương trình đặc tính cơ và các trạng thái làm việc của hệ thống truyền
động điện, các nguyên lý biến đổi năng lượng điện – cơ trong hệ thống truyền động điện,
các trạng thái hãm của động cơ và các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ. Phương
pháp tính chọn công suất động cơ và các thành phần trong hệ truyền động điện.

3

3

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Chuẩn đầu ra của học phần:
 Nhận dạng, phân tích được các thành phần trong một hệ thống truyền động điện.
 Hiểu và trình bày được nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền động điện, viết được
phương trình đặc tính cơ của các loại động cơ.
 Hiểu và phân tích được các trạng thái làm việc của hệ thống truyền động điện, các
nguyên lý biến đổi năng lượng điện - cơ trong hệ thống truyền động điện, các trạng thái
hãm của động cơ, các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ.
 Tính tốn được một số bài tốn cơ bản về chọn các thành phần của hệ thống truyền
động điện.
4

4

2
Downloaded by EBOOKBKMT ()


lOMoARcPSD|12484561

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

NỘI DUNG CHI TIẾT
Chương 1. KHÁI NIỆM CHUNG
1.1. Khái niệm
1.2. Cấu trúc và phân loại hệ truyền động điện

1.3. Nguyên lý phần cơ của hệ truyền động điện
1.4. Nguyên lý biến đổi năng lượng điện - cơ
1.5. Khái niệm đặc tính cơ (Torque – Speed characteristic)
1.6. Đặc tính cơ - điện (Current – Speed characteristic)
1.7. Các trạng thái làm việc của truyền động điện
1.8. Các loại tải của hệ truyền động điện
1.9. Ứng dụng của truyền động điện

5

5

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Chương 2. HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
3.1. Khái niệm chung
3.2. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống
3.3. Mơ hình tốn học của động cơ một chiều kích từ độc lập
3.4. Phương trình đặc tính cơ ở chế độ xác lập và ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ
3.4 Vấn đề khởi động và đảo chiều
3.5 Hãm dừng động cơ
3.7 Các phương pháp điều khiển tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Bài tập Chương 2

6

6

3

Downloaded by EBOOKBKMT ()


lOMoARcPSD|12484561

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Chương 4. HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 PHA KĐB
4.1. Khái niệm chung
4.2. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống
4.3. Phương trình đặc tính cơ ở chế độ xác lập và ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ
4.4. Vấn đề khởi động và đảo chiều
4.5. Hãm dừng động cơ
4.6. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ
4.7. Biến tần bán dẫn làm việc với động cơ không đồng bộ

7

7

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Chương 5. HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ,
ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN
5.1. Khái niệm chung
5.2 Phân loại hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ.
5.3 Hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu
5.4. Giới thiệu hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ 1 chiều không chổi than

8

8

4
Downloaded by EBOOKBKMT ()


lOMoARcPSD|12484561

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Chương 6. TÍNH CHỌN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
6.1. Những vấn đề chung
6.2.Các chế độ làm việc của truyền động điện
6.3. Hướng dẫn lập biểu đồ phụ tải của hệ thống truyền động điện
6.4. Hướng dẫn tính chọn cơng suất động cơ hệ thống truyền động điện
6.5. Kiểm nghiệm công suất động cơ
6.6. Chọn phương án truyền động
6.7. Những thơng số cơ bản để tính chọn bộ biến đổi cho hệ truyền động điện
6.8. Mạch bảo vệ hệ truyền động điện
9

9

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

SÁCH, BÀI GIẢNG, GIÁO TRÌNH CHÍNH
Sách, bài giảng, giáo trình chính:
[1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật, 2007.
[2] Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển vector truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất bản Bách khoa
Hà Nội, 2016
[3] Weidauer, Jens, and Richard Messer, Electrical Drives: Principles, Planning, Applications, Solutions,
John Wiley & Sons, 2014.
Sách, tài liệu tham khảo:
[4] Ned-Mohan, Electric drives – An integrative approach, MNPERE, 2003.
[5] Chee-Mun Ong, Dynamic simulation of electric machinary using Matlab/Simulink, Prentice Hall, 1998.
[6] Ned-Mohan, Power electronics – Converters, application, and design, John Wiley & Sons, 2003.
[7] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich, Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học và kỹ thuật 2002.
10

10

5
Downloaded by EBOOKBKMT ()


lOMoARcPSD|12484561

22:16

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

CHƯƠNG 1

KHÁI NIỆM CHUNG
Khóa 2018 TĐH CLC

Ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa
Khoa Điện
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

1

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Chương 1. KHÁI NIỆM CHUNG
1.1. Khái niệm
1.2. Cấu trúc và phân loại hệ truyền động điện
1.3. Nguyên lý phần cơ của hệ truyền động điện
1.4. Nguyên lý biến đổi năng lượng điện - cơ
1.5. Khái niệm đặc tính cơ (Torque – Speed characteristic)
1.6. Đặc tính cơ - điện (Current – Speed characteristic)
1.7. Các trạng thái làm việc của truyền động điện
1.8. Các loại tải của hệ truyền động điện
1.9. Ứng dụng của điều khiển truyền động điện
2

2

1
Downloaded by EBOOKBKMT ()


lOMoARcPSD|12484561

22:16

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

1.1. Khái niệm
Truyền động điện là sử dụng các loại động cơ điện để biến đổi điện năng thành cơ năng
truyền động cho các tải/máy sản xuất, đồng thời có khả năng điều khiển quá trình biến đổi
năng lượng điện - cơ này.
Hệ truyền động điện là một tập hợp các phần tử, thiết bị phục vụ cho việc biến đổi năng
lượng điện - cơ cũng như truyền tín hiệu thơng tin và xử lý các dữ liệu để điều khiển quá
trình biến đổi năng lượng đó.

3

3

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

4

4

2
Downloaded by EBOOKBKMT ()


lOMoARcPSD|12484561

22:16

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Hệ truyền động điện đơn giản
• Nguồn điện AC với tần số khơng đổi –> Máy bơm chạy với tốc độ là hằng số
• Khơng hiệu quả: Tỏa nhiệt trong động cơ và bắt buộc phải sử dụng van tiết lưu để điều chỉnh lưu
lượng.
• Khó tự động hóa, khơng có điều chỉnh tự động.

5

5

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Hệ truyền động có khả năng điều chỉnh tốc độ
Adjustable Speed Drives (ASDs)

•
•

Truyền động ở tốc độ phù hợp với tải.
Hiệu quả cao, không cần sử dụng van tiết lưu.
6

6

3

Downloaded by EBOOKBKMT ()


lOMoARcPSD|12484561

22:16

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

valve
NGUỒN

NGUỒN
ĐỘNG
CƠ

Power
In

BƠM

Power out

Power loss

BỘ
BIẾN
ĐỔI

Power
In

ĐỘNG
CƠ

BƠM

Power out

Power loss
7

Mainly in valve

7

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Hệ truyền động điện có vai trị quan trọng trong sản xuất cơng nghiệp, nó thực hiện
nhiệm vụ: Biến đổi điện năng thành cơ năng quay máy sản xuất đồng thời điều khiển sự
biến đổi dịng năng lượng này theo u cầu cơng nghệ của máy và dây chuyền sản xuất.
Khi nghiên cứu truyền động điện người ta cần quan tâm giải quyết hai vấn đề:
+ Vấn đề thứ nhất là nghiên cứu sự biến đổi năng lượng của các hệ truyền động điện và
phương pháp điều khiển dịng năng lượng đó, ta gọi đó là phần “Cơ sở truyền động
điện”.
+ Vấn đề thứ hai là nghiên cứu điều khiển các hệ truyền động trong đó cần phải xây
dựng cấu trúc điều khiển các hệ truyền động và thiết kế các thuật toán điều khiển, phần này
được gọi là “Điều khiển truyền động điện”.

8

8

4
Downloaded by EBOOKBKMT ()


lOMoARcPSD|12484561

22:16

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

1.2. Cấu trúc và phân loại hệ truyền động điện

9

9

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

PHẦN ĐIỆN

U0, f0
BỘ BIẾN ĐỔI
CÔNG SUẤT

PHẦN CƠ

U, f
TẢI

NGUỒN ĐIỆN

𝝎, 𝒊

U*, f*
BỘ ĐIỀU
KHIỂN

10

CẢM BIẾN

𝝎, ̂
𝜔∗

Giá trị
phản hồi

Giá trị đặt/mong muốn

Động lực
Điều khiển

10

5
Downloaded by EBOOKBKMT ()


lOMoARcPSD|12484561

22:16

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Hệ truyền động điện có 2 phần chính: Phần động lực và Phần điều khiển
PHẦN ĐỘNG LỰC bao gồm:
+ Bộ biến đổi công suất: Các bộ biến đổi thường dùng trong các hệ truyền động điện hiện đại
là các bộ biến đổi điện tử công suất như bộ chỉnh lưu, bộ băm điện áp, bộ điều áp xoay chiều, bộ
biến tần, … trong đó các linh kiện điện tử công suất được sử dụng. Bên cạnh đó, các hệ truyền
động điện truyền thống cịn sử dụng bộ biến đổi máy điện (máy phát một chiều, xoay chiều), bộ
biến đổi từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bão hịa).
+ Động cơ điện có các loại: Động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiều không đồng
bộ, động cơ điện xoay chiều đồng bộ và các loại động cơ đặc biệt khác v.v...

11

11

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

PHẦN ĐIỀU KHIỂN gồm:
+ Các cảm biến để đo phản hồi tốc độ/dòng điện của động cơ. Đối với các hệ truyền động điện

điều khiển kín (closed-loop), các thơng tin tín hiệu phản hồi được đưa vào bộ điều khiển.
+ Bộ điều khiển sử dụng vi xử lý, vi điều khiển, máy tính cơng nghiệp, PLC,… được lập trình
các thuật tốn điều khiển truyền động và điều chỉnh q trình cơng nghệ. Từ các thơng tin phản
hồi tốc độ/dịng điện cùng với giá trị đặt/mong muốn ở đầu vào, các thuật tốn điều khiển thực
hiện tính tốn ra các giá trị đầu vào U*, f* của động cơ cần thiết để điều khiển tốc độ thực của
động cơ bám theo giá trị đặt/mong muốn.
+ Ngồi ra cịn có các thiết bị điều khiển, đóng cắt phục vụ cơng nghệ và cho người vận hành.
Đồng thời một số hệ truyền động có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác trong một dây
chuyền sản xuất, ghép nối với các thiết bị điều khiển cấp trên.
12

12

6
Downloaded by EBOOKBKMT ()


lOMoARcPSD|12484561

22:16

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Ví dụ minh
họa: hệ truyền
động điện sử
dụng động cơ
xoay chiều 3
pha không

đồng bộ để
truyền động
cho xe điện

Source: Gasbaoui, Brahim, et al. "The efficiency of direct torque control for electric vehicle behavior
improvement." Serbian Journal of Electrical Engineering 8.2 (2011): 127-146.

13

13

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Sensors

Ví dụ minh họa: hệ
truyền động điện sử
dụng động cơ xoay chiều
3 pha không đồng bộ để
truyền động cho xe điện
Source: Gasbaoui, Brahim, et al. "The efficiency of direct torque control for electric vehicle behavior
improvement." Serbian Journal of Electrical Engineering 8.2 (2011): 127-146.

14

14

7
Downloaded by EBOOKBKMT ()

lOMoARcPSD|12484561

22:16

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Ví dụ minh họa: hệ
truyền động điện sử
dụng động cơ xoay chiều
3 pha không đồng bộ để
truyền động cho xe điện
(tiếp theo)
Source:
Gasbaoui, Brahim, et al.
"The efficiency of direct
torque control for electric
vehicle behavior
improvement." Serbian
Journal of Electrical
Engineering 8.2 (2011):
127-146.

15

15

KHOA ĐIỆN

PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Ví dụ minh
họa: hệ truyền
động điện sử
dụng động cơ
xoay chiều 3
pha không
đồng bộ để
truyền động
cho xe điện
(tiếp theo)

Source: Gasbaoui, Brahim, et al. "The efficiency of direct torque control for electric vehicle behavior
improvement." Serbian Journal of Electrical Engineering 8.2 (2011): 127-146.

16

16

8
Downloaded by EBOOKBKMT ()


lOMoARcPSD|12484561

22:16

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Hệ truyền động điện trong thực tế rất đa dạng và nhiều loại thiết kế cho các mục đích, ứng dụng truyền
động khác nhau. Vì vậy khá khó khăn để phân loại các hệ truyền động điện theo các tiêu chí cụ thể. Việc
phân loại cũng tùy theo quan điểm. Trong bài này giới thiệu việc phân loại các hệ thống truyền động điện
theo các nhóm tiêu chí sau:
I.

Phân loại theo khả năng điều chỉnh tốc độ (adjustability of the speed)

II. Phân loại theo loại động cơ sử dụng và loại điều khiển (motor type and drive controller)
III. Phân loại theo thông số kỹ thuật (technical data)

17

17

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

I.

Phân loại theo khả năng điều chỉnh tốc độ (adjustability of the speed)

18

18

9
Downloaded by EBOOKBKMT ()

lOMoARcPSD|12484561

22:16

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Phân loại theo khả năng điều chỉnh tốc độ, có 3 loại hệ truyền động điện:
1) Hệ truyền động điện không điều chỉnh tốc độ, hay hoạt động với một tốc độ cố định (fixed-speed drives)
Động cơ chỉ chạy với một tốc độc cố định, khi đó phần điều khiển cho hệ này chỉ điều khiển đóng hoặc cắt
nguồn cấp cho động cơ, cùng với các chức năng hạn chế dòng điện lúc khởi động, bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ
quá tải,.. Ứng dụng của hệ truyền động này thường là các máy bơm, quạt thơng gió, quạt thổi,… Loại động cơ
thường sử dụng cho hệ này là động cơ xoay chiều không đồng bộ.
2) Hệ truyền động điện có điều chỉnh tốc độ (Variable-speed drives)
Động cơ điều chỉnh được tốc độ để hoạt động với ít nhất 2 cấp tốc độ. Phần điều khiển của hệ truyền động
loại này có 3 loại tùy theo yêu cầu về dải điều chỉnh, độ chính xác, độ trơn điều chỉnh và số cấp điều chỉnh của
tải: Thay đổi tốc độ bằng chuyển mạch (Switchable-speed drives), Điều chỉnh tốc độ với cấu trúc vòng hở
(Open-loop variable-speed drives), Điều chỉnh tốc độ với cấu trúc vịng kín (Closed-loop variable-speed drives).
3) Hệ truyền động điện servo
Đây là loại hệ truyền động điện chất lượng cao. Được sử dụng cho các loại tải yêu cầu chuyển động với tốc
độ nhanh, quán tính bé, độ chính xác cao, độ trơn điều chỉnh tốt, đáp ứng các tác vụ phức tạp … Các ứng dụng
của hệ truyền động điện servo ví dụ như truyền động cho tay máy robot công nghiệp, máy CNC, máy cắt may
tự động,…
19

19

KHOA ĐIỆN

PGS. TS. Lê Tiến Dũng

II. Phân loại theo loại động cơ
sử dụng và loại bộ điều khiển
(motor type and drive controller)

20

20

10
Downloaded by EBOOKBKMT ()


lOMoARcPSD|12484561

22:16

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

21

21

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

22

22

11
Downloaded by EBOOKBKMT ()


lOMoARcPSD|12484561

22:16

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

III. Phân loại theo thông số kỹ thuật (technical data)
Động cơ điện là phần tử trung tâm của hệ truyền động điện. Các thông số kỹ thuật của động cơ là cơ sở và
tiêu chí quan trọng để lựa chọn các thành phần của hệ truyền động điện khi thực hiện việc thiết kế, xây dựng
hệ. Vì vậy, thơng số kỹ thuật của động cơ cũng là một tiêu chí quan trọng để phân loại hệ truyền động điện.

23

23

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

1.3. Nguyên lý phần cơ của hệ truyền động điện

Mc

M

𝑴−𝑴 =𝑱

a) 𝑴 − 𝑴 > 0 thì
b) 𝑴 − 𝑴 < 0 thì
24

c) 𝑴 − 𝑴 = 0 thì

𝑑𝜔
𝑑𝑡

• M : Mơ-men điện từ do
động cơ sinh ra, ra đến
trục động cơ.
• Mc : Mơ-men cản của tải
đặt lên trục động cơ
•  : Tốc độ quay của động
cơ
• J : Hằng số mơ-men qn
tính

> 0, tốc độ của động cơ tăng lên
< 0, tốc độ của động cơ giảm xuống

= 0, tốc độ của động cơ ổn định là hằng số

24

12
Downloaded by EBOOKBKMT ()

lOMoARcPSD|12484561

22:16

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Các đại lượng và phương trình của chuyển động tịnh tiến

25

25

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Các đại lượng và phương trình của chuyển động quay

26

26

13
Downloaded by EBOOKBKMT ()


lOMoARcPSD|12484561

22:16

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Các đại lượng và phương trình của chuyển động quay (Tiếp theo)

27

27

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

1.4. Nguyên lý biến đổi năng lượng điện - cơ
Chế độ động cơ (Motoring mode)

Chế độ máy phát (Generating mode)

28

28

14
Downloaded by EBOOKBKMT ()


lOMoARcPSD|12484561

22:16

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Các loại máy điện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ:
 Từ trường tác dụng từ lực lên thanh dẫn mang dòng điện đặt trong nó => Lực làm cho
thanh dẫn chuyển động: Điện năng  Cơ năng
 Khi thanh dẫn chuyển động trong từ trường => Giữa 2 đầu thanh dẫn xuất hiện suất điện
động cảm ứng, nếu trường hợp mạch kín sẽ tạo ra dịng điện : Cơ năng  Điện năng.
Cấu trúc của máy điện:

29

29

KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng

Fleming’s Left Hand Rule

M ~ .i
30

30

15
Downloaded by EBOOKBKMT ()