Nghiên cứu tìm hiểu các hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều

Đề tài: Nghiên cứu tìm hiểu các hệ điều chỉnh
tốc độ động cơ điện xoay chiều
1
Lời nói đầu
Trong những năm gần đây có sự ra đời và ngày càng hoàn thiện của các bộ biến
đổi điện tử công suất, với kích thước gon nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễ dàng
ghép nối với các thiết bị vi sử lý các hệ thuyền động ngày nay thường sử dụng
nguyên tắc sử dụng véc tơ cho các động cơ xoay chiều. Phần lớn các điều khiển
này thương dùng kĩ thuật số với chương trình phần mền linh hoạt, dễ dàng thay
đổi cấu trúc tham số hoặc luật điều khiển. Vì vậy tăng độ chính xác và tác động
nhanh cho hệ truyền động
2 . Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp tần số:
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi tần nguồn áp,
cho phép mở rộng phạm vi sử dụng động cơ KĐB trong nhiều ngành công
nghiệp. Nó cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của
hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơ KĐB nói
riêng. Trước hết chúng ta ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều
động cơ cùng một lúc như các truyền động của nhóm máy dệt, băng tải, bánh
lăn phương pháp này còn được ứng dụng cho cả các thiết bị đơn lẻ nhất là
những cơ cấu có yêu cầu tốc tốc độ cao như máy ly tâm , máy mài . Đặc biệt là
hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử dụng
cho động cơ KĐB rôto lồng sóc sẽ có kết cấu đơn giản vững chắc giá thành hạ
có thể làm việc trong nhiều môi trường
Nhược điểm cơ bản của hệ thống này là mạch điều khiển rất phức tạp
Đối với hệ thống này động cơ không nhận điện từ lưới chung mà từ một bộ biến
tần. Bộ biến tần này có khả năng biến đổi tần số và điện áp ra một cách độc lập
với nhau . Trong phần này đề cập đến hai nội dung : Nguyên lý điều chỉnh tốc
độ động cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số và các loại biến tần dùng trong hệ
truyền động biến tần - động cơ KĐB
2
a . Nguyên lý điều chỉnh tần số:

Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số fi của điện
áp stato được rút ra từ biểu thức xác định động cơ KĐB
ωs = 2.π.fs
Vậy sức điện động của dây quấn stato của động cơ tỷ lệ với tần số ra và từ
thông Es = C.φ.fs
fsCEsUs
X
s
R
s
IsUs
φ
=≈⇒≈+=∆ 0
22
Mặt khác nếu bỏ qua độ sụt áp trên tổng trở
dây quấn stato tức coi
Vậy đồng thời với việc điều chỉnh tần số ta phải điều chỉnh cả điện áp nguồn
cung cấp. Từ công thức trên ta thấy khi điều chỉnh tần số mà giữ nguyên điện áp
nguồn Us không đổi thì từ thông động cơ sẽ biến thiên
*Khi ƒs giảm từ thông φ của động cơ lớn lên làm cho mạch từ bão hoà và dòng
điện từ hoá lớn lên. Do các chỉ tiêu năng lượng xấu đi và đôi khi nhiều động cơ
còn phát năng lượng quá mức cho phép.
*Khi ƒs tăng từ thông φ của động cơ giảm xuống và nếu mômen phụ tải không
đổi thì theo biểu thức M = k.φ.I.n.cosφ ta thấy dòng điện rôto Ir phải tăng
lên.Vậy trong trường hợp này dây quấn động cơ chịu quá tải còn lõi thép thì
phải non tải. Ngoài ra cũng vì lý do trên mômen cho phép và khả năng quá tải
của động cơ giảm xuống.
Vì vậy để tận dụng khả năng động cơ một cách tốt nhất là khi điều chỉnh tốc độ
bằng phương pháp biến đổi tần số người ta còn phải điều chỉnh cả điện áp và
dòng điện theo hàm của tần số và phụ tải

Việc điều chỉnh này chỉ theo hàm của tần số có đặc máy sản xuất có thể được
thực hiện trong hệ kín . Khi đó nhờ các mạch hồi tiếp điện áp ứng với một tần
cho trước nào đó sẽ biến đổi theo phụ tải
3
Yêu cầu chính đối với đặc tính của truyền động điều chỉnh tần số đảm bảo độ
cứng đặc tính cơ và khả năng quá tải trong toàn bộ dải điều chỉnh tần số và phụ
tải ngoài ra còn có thể có vài yêu cầu về điều chỉnh tối ưu trong chế độ tĩnh
b. Các loại biến tần :
gồm hai loại: Biến tần trực tiếp
Biến tần gián tiếp
I.Biến tần trực tiếp:
BT
U
1
,f
1
U
2
,f
2
Điện áp vào BT có điện áp U
1
và tần số f
1
chỉ qua một mạch van là ra ngay tải
với tần số f
2
,U
2
.

Đặc điểm:
Hiệu suất biến đổi năng lượng cao do chỉ có một lần biến đổi điện năng .Thực
hiện hãm tái sinh năng lượng mà không cần mạch điện phụ.
Hệ số công suất thấp,tần số đIều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số nguồn cung
cấp.Thường dùng cho hệ truyền động công suất lớn,tốc độ làm việc thấp.
II.Biến tần gián tiếp:
 Biến tần nguồn áp:
U
2
,f
2
U
1
,f
1
L
C
CL
NL
4
Đặc điểm là điện áp ra trên tải được định hình sẵn còn dạng dòng điện tải lại ít
phụ thuộc vào tính chất tải .Việc điều chỉnh tần số điện áp ra trên tải được thực
hiện dễ dàng bằng điều khiển qui luật mở van của phần nghịch lưu .Phương
pháp điều khiển này thay đổi dễ dàng tần số mà không phụ thuộc vào lưới
L
CL
NL
U
1
,f

1
U
2
,f
2
 Biến tần nguồn dòng :
Sơ đồ đơn giản, làm việc tin cậy, đã từng được sử dụng rộng rãi để điều
khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha, rôto lồng sóc .Sơ đồ gồm một cầu chỉnh
lưu và một cầu biến tần, mỗi tiristor được nối tiếp thêm một một điôt gọi là điôt
chặn.
MTKb 512.8 380/220V 50Hz TĐ 25%
5
P
đm
= 37 kW
dm
th
M
M
= 3,6
dm
kd
M
M
=3,3
U
đm
=380 V;n
đm
= 720v/p

Ω
Ω
Ω
Ω
I
stdm
= 104 A ; R
s
=0,08 ;X
s
=0,17 ;R
r
=0,19 ;X
r
=0,16
J = 1,32 kgm
2
1. Tính toán các phần tử mạch nghịch lưu
V
U
U
U
U
A
I
III
s
d
d
s

s
dds
370
cos63
cos
63
7,116
6
.
6
1
1
1
1
1
==⇒=
==⇒=
π
ϕ
ϕ
π
π
π
* Dòng chảy qua các van T
1

→
T
6
và D

1
→
D
6
chính bằng dòng chảy qua các
pha của stato động cơ I = 91A.
* Điện áp ngược mở van phải chịu = U
d
= 370 V
* Chọn hệ số dự trữ về dòng và áp k = 2




=×=
=×=
VVU
AI
c
c
7403702
182912
Dùng để chọn cả T và D
⇒
Chọn Diôt loại B - 200 có các thông số sau:
LoạI I
tb
(A) U
im
(V)

∆U(V)
Tốc độ quạt(m/s)
B-200 200 100-1000 0.7 12
6
⇒
Chọn Tiristor loại TL - 250 có các thông số sau:
Loại I(A) U
im
(V)
∆U(V) T
off
(µs)
I
g
(V) U
g
(V)
du/dt(V/µs)
TL.250 250 300-1000 0,82 70-250 0,4 8 20-200
* Tụ chuyển mạch C1 - C6 được tính theo công thức
2
mn
m
maxm
1m
max
L
If
U
202,0L

fU
fI
91,0666,0C








−+=
Trong đó:
- f
n
: tần số định mức = 50Hz
- f
max
: tần số cực đại = 100Hz
- I
m
: dòng từ hoá
A5,63)(cos191I
2
m
=ϕ−=
- I
n
: dòng định mức = 91A
- L: điện cảm một pha (rôto+stato) = 2x7,3.10

-3
H
- U
m
: biên độ cực đại điện áp dây = 380V
2
33
max
10.6,14
50.5,63
380
202,010.6,14
100.380
50.5,63
91,0666,0C






−+=⇒
−−
=212
µ
F
Chọn C = 200
µ
F
* Quận kháng L

d
d
d
I
U
L
∆
×
=
.
3
134,0
ω
π
Trong đó ∆I
d
=(0,05 - 0,1) I
d

7
)(028,0
7,11605,0314
5,370
3
134,0
HL =
××
××
=⇒
π

2. Tính toán các phần tử mạch chỉnh lưu
* Theo tính toán phần trên ta có:
I
d
= 116,7 (A); U
d
= 370 (V)
* Khi lấy điện áp cung cấp từ trước ~380V
⇒
có thể không cần sử dụng
MBA.
Ta có:
41,0
63
coscos
63
2
2
=
×
=⇒=
U
U
U
U
d
d
π
αα
π

⇒
α=65,3
0
- Dòng trung bình chảy qua T
1
-T
0
)A(9,38
3
7,116
3
I
I
d
tb
===
- Điện áp ngược đặt lên mỗi van:
)V(8,930U6U
2ng
==
- Chọn K
I
=2; K
U
=1,6
I
C
=2x38,9=78,9≈80 (A)
U
C

=1,6x930,8≈1500 (V)
⇒
Chọn Tiristor Loại T-250 có các thông số sau:
Loại I(A) U
im
(V)
∆U(V) T
off
(µs)
I
g
(V) U
g
(V)
du/dt(V/µs)
T.250 250 100-2200 1 150-250 0,3 5 20-500
3. Tính toán các tham số cần thiết cho tổng hợp.
8
s
R
s
L
σ
I
sd
L
m
U
s

sq
I

r
s
r
R
ω
ω
U
N
=220V P
N
=37kW n=720v/p
I
N
=91A f=50Hz cosϕ=0,78
1. Tính dòng kích từ danh định.
)(1,6872,01912cos12 AII
NsdN
=−×=−=
ϕ
2.Tính dòng danh định tạo mômen quay I
sqN
.
)(2,1092
22
AIII
sdNNsqN
=−≈

3. Hằng số thời gian roto T
r
ở chế độ danh định.
s
I
I
T
sdNrN
sqN
r
01822,0
1,689,87
7,113
=
×
==
ω
srad
n
f
NrN
/9,87
60
3
2
=







−=
πω
9
4. Tính điện kháng phức tiêu tán toàn phần X
σ
ở chế độ danh định.
N
N
s qN
s dN
I3
U
I
I
cossinX








ϕ−ϕ=
σ

Ω=















−= 342,0
91.3
220
2,109
1,68
72,062,0
5.Tính điện kháng phức X
h
.
Ω=−=−= 296,2342,0
1,68.3
220.2
3
2
σ
X
I

U
X
sdN
N
h
)(022,0
3/314
7,2
. H
X
LLX
s
h
mmsh
===⇒=
ω
ω
6. Tính hệ số tiêu tán tổng
σ
và T
s
.
s
R
L
T
If
XI
RR
H

f
X
L
X
X
s
s
s
sqNN
nsdNrN
rs
N
n
s
n
09125,0
08,0
0073,0
)(08,0
2,109314
296,21,689,87
2
)(0073,0
2
149,0
296,2
342,0
===
Ω=
×

××
==≈
==
===
π
ω
π
σ
σ
7.Điện cảm tản stato động cơ
)(00054,0
314
17,0
H
X
L
e
s
s
===
ϖ
σ
4 . Tính các thiết bị đo:
a, Máy phát tốc:
Máy phát tốc là thiết bị đo tốc độ trong hệ truyền động . Mạch nguyên lý
đo tốc độ bằng máy phát tốc một chiều.
10
R
C
RT

W
ω=
ω
ω
.
K
U
Khi từ thông máy phát tốc không đổi điện áp đầu ra máy phát tốc
Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền máy phát tốc
( )
( )
Pj
K
P
P
P
fF
U
F
ωτ
ω
ω
ω
+
==
1
Kω hệ số tỷ lệ Kω = Uω/ω
Uω = 10V
1326,0
4,75

10
/4,75
60
.2
≈=→==
ω
π
ω
Ksrad
ndm
dm
τfω là hằng số thời
gian của bộ lọc và <5ms
11
Chọn τfω = 0,001s = 1ms
Hàm truyền máy phát tốc:
( )
P
p
F
ft
001,01
1326,0
+
=
b.Phản hồi dòng:
_
+
r2
r1

75mV
10v
r
sun
i
d
12
Sử dụng mạch phản hồi dòng một chiều có cấu tạo được trình bày trên hình vẽ
1
2
133
075.0
10
R
R
Uv
Ur
K ====
Nguyên lý hoạt động:Dòng Id sau mạch chỉnh lưu được cho qua đIện trở
Rsun sẽ tạo ra một đIện áp vi sai có độ lớn trong khoảng từ 0-75mV.ĐIện áp vi
sai này được đưa vào đầu vào của khuyếch đạI thuật toán để khuyếch đạI tạo ra
đIện áp ra tỉ lệ với dòng Id.
Chọn đIện áp vào vi sai bằng 75mV.
điện áp ra sau khuyếch đại thuật toán bằng 10V
=>hệ số khuyếch đại của OA bằng:
Chọn R1=1kΩ => R2=133kΩ
13
CHƯƠNG V: TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU KHIỂN
I. Luật điều chỉnh từ thông không đổi.
I

s
/I
s®m
w
sth
O
w
s
Từ các quan hệ tính mômen có thể kết luận rằng nếu giữ từ thông máy
Ψ
hoặc từ thông stator
s
Ψ
không đổi thì mômen sẽ không phụ thuộc vào tần số và
mômen tới hạn sẽ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh. Nếu coi R
S
= 0 thì:
const
UU
dm0
s dm
0
S
S
=
ω
=
ω
=Ψ
14

Tuy nhiên ở vùng tần số làm việc thấp khi mà sụt áp trên điện trở stator
có thể so sánh được sụt áp trên điện cảm mạch stator khi đồng thời từ thông
cũng giảm đi và do đó mômen tới hạn cũng giảm đi.
Có thể thiết lập được chiến lược điều chỉnh để giữ biên độ từ thông rotor
không đổi:
const
r
=Ψ
. Ở phần mô tả động cơ không đồng bộ, hoặc dựa vào sơ
đồ thay thế ta có thể tính được từ thông rotor và phương trình cân bằng mạch
rotor ở dạng các thành phần vector trên các trục toạ độ ox và oy:







Ψω+Ψ+=
Ψω+Ψ+=
+=Ψ
+=Ψ
δ
δ
rxsryryr
rysrxrxr
ryrsymry
rxrsxmrx
pi.R0
pi.R0

i.LiL
i.LiL
Nếu giữ được biên độ vector từ thông
const
r
=Ψ
thì
r
p
Ψ
=0 và
,0pp
ryrx
=Ψ=Ψ
và ta có phương trình cân bằng mạc rotor:







Ψω−−Ψ=
Ψω+−Ψ=
rxssymry
r
ryss xmix
r
)iL(
T

1
0
)iL(
T
1
0
trong đó:
r
r
r
R
L
T
δ
δ
=
Tách các số hạng dòng điện sang một vế, sau đó bình phương 2 vế của
từng phương trình và cộng hai phương trình với nhau, đồng thời để ý rằng:
15





Ψ=Ψ+Ψ
=+
2
p
2
ry

2
rx
2
1
2
s y
2
sx
Iii
Ta có thể rút ra biểu thức cuối cùng:
2
sr
m
rdm
s
).T(1
L
I ω+
Ψ
=
δ
Vậy khi giữ biên độ từ thông rotor không đổi thì vector từ thông rotor
luôn vuông pha với vector dòng điện rotor và do đó momen điện từ của động cơ
hoàn toàn tỷ lệ với biên độ dòng điện rotor.
Điều chỉnh từ thông là trường hợp giữ từ thông luôn không đổi và bằng
giá trị từ thông định mức, như vậy có thể khai thác hết công suất mạch từ của
động cơ KĐB.
* Trong thiết kế môn học này chọn phương pháp điều khiển tần số thông qua từ
thông động cơ cụ thể là điều chỉnh từ thông không đổi qua quan hệ dòng chính
lưu I

d
và tần số trượt f
2
.
- Bản chất của phương pháp này là thông qua việc duy trì quan hệ giữa dòng
điện stato I
1
và tần số trượt f
2
sao cho từ thông của máy điện được giữ không
đổi.
• Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tần số động cơ KĐB qua quan hệ I
1
(f
2
).
16
17
- Sơ đồ cấu trúc điều khiển gồm hai kênh điều khiển:
* Kênh điều khiển biên độ bao gồm hai mạch vòng điều chỉnh: mạch vòng điều
chỉnh tốc độ và mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Tín hiệu đầu ra của bộ điều
khiển tốc độ R
ω
là tín hiệu đặt của mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Tín hiệu ra
của bộ điều chỉnh dòng điện là tín hiệu điều khiển biên độ a dòng I
d
.
* Kênh điều khiển tần số thực hiện quan hệ:
m21
fff +±=

Trongđó f
m
: tần số quay ω
r
f
2
: tần số trượt
Tín hiệu tỉ lệ với dòng điện lấy ra từ đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ R
ω
được đưa
qua khâu đạo hàm phi tuyến
( )
22d
fffI →=
Ta có quan hệ:
2*
2
2
2
2
22
1
f1
*f1
I
ϕσ+
ϕ+
=
trong đó
21

2
m
2
2dm1
2
LL
L
1
R
L.
−=σ
ω
=ϕ
- Để đơn giản trong việc tổng hợp các bộ điều chỉnh dòng điện R
i
và tốc độ R
ω
ta giả thiết rằng:
Kênh điều chỉnh tần số do phần cứng đảm nhiệm sẽ được đề cập đến ở
chương 5. Vì vậy ta sẽ tiến hành tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện R
i
và bộ điều
chỉnh tốc độ R
ω
theo kênh 1.
Căn cứ vào biểu thức tính toán mômen và dòng điện ta có thể thành lập
được sơ đồ cấu trúc của hệ thống:
18
)(FT1
L

I
si
2
s
2
r
m
rdm
S
ω=ω+
Ψ
=
2
SsMM
2
r
2
s
2
ss
r
2
m
I).(F.K
T1
I.
R
L
2
3

M ω=
ω+
ω
=
II. Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng dòng điện.
19
Irđ
Ud
Uđk
CL+ĐK
Ri
Ld Rd 2L1t 2R1 2L2t
2R2/ S0
Id
Iđo
- Để tiện
cho việc tính toán, thiết kế được bộ điều chỉnh dòng điện R
1
, người ta dùng sơ
đồ đơn giản sau:
20
Trong đó L
d
, R
d
: điện cảm, điện trở cuộn kháng lọc
L
1t
, R
1

: điện cảm tản, điện trở 1 pha stato
L
2t
, R
2
: điện cảm tản, điện trở 1 pha roto quy đổi về stato
s: hệ số trượt
* Ta có hàm truyền đạt bộ chính lưu
CL
CL
dk
d
dkcr
pT1
K
U
U
W
+
==
+
U
d
: điện áp đầu ra CL
U
dk
: điện ạp điều khiển chính lưu
K
CL
, T

CL
: hệ số điều khiển và hằng số t
- Việc tổng hợp chính xác mạch vòng dòng điện rất phức tạp vì thành phần điện
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 tán.
Ta được:
21
Uud
Uuđk
Uir
Uiđ +
∑
∑
+ pT1
R/1
-
Uiđo
Uid
i
R
CL
CL
pT1
K
+
Kđo
IS2
+
-
MC

IS
-U
Uiđ
Id
S
Uđ
RiR
( )
( )
∑
∑
++ pT1pT1
R/K
CL
CL
π
32
FM
X
X
r
2
m
R
L
2
3
Jp
1
ω

ω
+ pT1
K
Kdo
t1d
d
L2LL
R2RR
+=
+=
∑
∑
Ta có:
d
d
r
U.
pT1
R/1
pLR
U
I
∑
∑
∑∑
+
=
+
=
trong đó

∑
∑
∑
=
R
L
T
=> Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển mạch vòng dòng điện.
III. Thành lập sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ.
* Mômen điện từ ở chế độ tĩnh có dạng
2
r
2
s
2
ss
2
2
m
T1
I
.
R
L
'p
2
3
M
ω+
ω

=
ω
s
: tốc độ truyền của động cơ
T
r
: hằng số thời gian mạch roto
=> Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng điện, tốc độ
22
Trong đó:
2
ssMM
2
r
2
s
2
ss
r
2
m
I)(F.K
T1
I
R
L
2
3
M ω=
ω+

ω
=
- Khâu phi tuyến I
d
(f
2
) hay I
d
(w
s
) có thể được tuyến tính hoá thành khâu khuếch
đại đơn giản
sdm
sdm
F
I
K
ω
=
23
-
-
+
-
+ +
IS
Id
MC
S
Uđt

Kdo
RIR
( )( )
Σ
++ pT1pT1
R/K
CL
ICL
π
32
B
Fi
A
ω+
ω
pT1
K
Jp
1
- Tuyến tính hoá biểu thức tính mômen động cơ (tại điểm định mức)
s
s
s
s
I
I
MM
M ∆
∂
∂

+ω∆
ω∂
∂
=∆
tại (M
đm
, w
sđm
, I
1đm
) ta có
B
T1
I2
R
Lm
2
3
I
M
A
)T1(
T1
I
R
Lm
2
3M
2
r

2
s dm
s dms dm
r
2
s
22
r
2
s dm
2
r
2
s dm
2
s dm
r
2
s
=
ω+
ω
=
∂
∂
=
ω+
ω−
=
ω∂

∂
* Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng điện và tốc độ sau khi đã
tuyến tính hoá (bỏ qua hệ số thời gian điện từ)
_
+
r2
r1
75mV
10v
r
sun
i
d
24
IV. Tính toán các tham số trong sơ đồ tuyến tính hoá.
1. Hệ số máy biến dòng điện (đo dòng một chiều)
08569,0
7,116
10
===
ddm
i
do
I
U
K
5,37
10
5,370
===

cCL
CL
U
Ud
K
2. Máy phát tốc.
ppT
K
pF
tt
01,01
1326,0
1
)(
+
=
+
=
ω
ω
3. Khâu khuếch đại tuyến tính F
i
s dm
sdm
F
I
K
i
ω
=

I
sdm
: dòng điện định mức I
dđm
= 117 A (khi I
s
= đm = 91A)
25