Chương 5 Điều chỉnh tự động truyền động điện động cơ không đồng bộ

THIẾT BỊ ĐIỀU
KHIỂN VÀ MÁY ĐIỆN
Chương 5: Điều chỉnh tự
động truyền động điện
động cơ không đồng bộ
Trao đổi trực tuyến tại:
/>Nội dung chính:
1.
Mô tả chung
2.
Các đặc tính của động cơ không đồng bộ
3.
Mạch vòng dòng điện stato
4.
Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ
5.
Điều chỉnh điện trở roto động cơ không đồng bộ
6.
Điều chỉnh công suất trượt băng hệ nối tầng điện dưới đồng bộ
7.
Điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ
5.1 Mô tả chung

Động cơ không đồng bộ 3 pha (ĐK) được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất
nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỷ lệ rất lớn so với động cơ khác. có kết cấu đơn
giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều 3
pha.

Tuy nhiên, trước đây các hệ truyền động ĐK có điều chỉnh tốc độ lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ,
đó là do việc điều chỉnh tốc độ ĐK có khó khăn hơn động cơ một chiều.
5.1 Mô tả chung


Trong thời gian gần đây, do phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật
điện tử tin học, ĐK mới được khai thác các ưu điểm của mình. Nó trở thành hệ truyền động
cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động Thyristor - Động cơ một chiều.

Khác với động cơ một chiều, ĐK được cấu tạo phần cảm và phần ứng không tách biệt. Từ
thông động cơ cũng như mômen động cơ sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham số.

Có ĐK roto dây quấn và ĐK roto lồng sóc
5.1 Mô tả chung

Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện ĐK là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính
phi tuyến mạnh. Trong định hướng xây dựng hệ truyền động ĐK, người ta có xu hướng
tiếp cận với các đặc tính điều chỉnh của truyền động động cơ 1 chiều.

Phương trình đặc tính cơ của ĐK có dạng:

5.1 Mô tả chung

U
1
: Điện áp pha nguồn đặt vào dây quấn stato

ω
o
: Tốc độ đồng bộ R
1
: đtrở stato R
2
’ là đtrở rôto, X

nm
là điện kháng ngắn mạch X
nm
= X
1
+ X
2
’ với X
1
, X
2
’ là điện kháng stato và roto

s : Hệ số trượt của động cơ.
với f
1
là tần số đ.áp nguồn đặt vào stato; p
là số đôi cực của ĐK
ω là tốc độ góc của roto ĐK
-
Tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ ta đi từ pt cân bằng công suất: P
12
= M
đt
. ω
0
-
Với P
12
: công suất điện chuyển từ roto sang stato; M

đt
là momen điện từ của ĐK
p
f
1
0
2
π
ω
=
0
0
ω
ωω
−
=s
5.1 Mô tả chung

Nếu bỏ qua tổn thất thì M
đt
= M
cơ
= M

P
12
= P
cơ
+ ∆P
2

với P
cơ
là công suất cơ trên trục ĐK: P
cơ
= M.ω; ∆P
2
= 3I
2
’2.R
2
’ là tổn
hao công suất trong roto với I
2
’ là dòng Roto quy đổi về stato

Vậy ta có M.ω
0
= M.(ω
0
- ω) = M ω
0
.s

Suy ra pt đặc tính cơ điện

Độ trượt tới hạn

M tới hạn
0
'

2
2'
2
/ 3
ω
sRI
M =
22
110
2
1
.(2
nm
f
th
XRR
U
M
+±
±=
ω
22
1
'
2
nm
th
XR
R
s

+
±=
5.1 Mô tả chung

Với động cơ công suất lớn có thể bỏ qua R
1
vì nó rất nhỏ so với X
nm
và coi a= R
1
/R
2
’ =0

Khi đó ta có các gần đúng bỏ qua R
1
0
0
n
nn
s
đm
−
=
nm
f
th
nm
th
th

th
th
X
U
M
X
R
s
s
s
s
s
M
M
0
2
1
'
2
2
3
;
2
ω
±=
±=
+
=
5.1 Mô tả chung


Trong công nghiệp thường sử dụng bốn hệ truyền động điều chỉnh tốc độ ĐK :

- Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ
dùng bộ biến đổi Thyristor.

- Điều chỉnh điện trở Rôto bằng bộ biến
đổi xung Thyristor.

- Điều chỉnh công suất trượt P
s
.

- Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho
động cơ bằng các bộ biến đổi tần số
Thyristor hay Tranzistor.
5.1 Mô tả chung

Ví dụ: cho ĐK có P
đm
= 500KW; n
0
= 600V/p; n
đm
=588v/p; λ=2,15; E
2đm
=1200V;
I
2đm
=450A tính đặc tính cơ cho đk:
LG:với ĐK công suất lớn ta dùng ct gần đúng

- Độ trượt s=(n
0
-n
đm
)/n
0
=
-
Momen định mức
-
Momen tới hạn: M
th
= M
đm
. λ
-
Điện trở định mức
-
Điện trở roto: R
2
’ = s
đm
. R
đm
-
Độ trượt tới hạn:
ω
đm
đm
p

M =
đmđmđm
IER
22
3=
)1( −+=
λλ
đmth
ss
5.1 Mô tả chung

Pt đặc tính cơ tự nhiên

Momen ngắn mạch
với s=1
s
s
s
s
Mhoăo
s
s
s
s
M
M
th
th
th
th

th
+
=
+
=
λ
2
;
2
*
;
2
s
s
s
s
M
M
th
th
th
nm
+
=
5.1.1 Mô tả ĐK trong điều khiển

ĐK là máy điện có nhiều dây quấn trên cả roto và stato

Pt cân bằng điện áp trên mỗi dây:
Với k là chỉ số tên dây quấn pha


Từ thông móc vòng
Với j là tên dây quấn pha. J=k thì là điện cảm tự cảm, j≠k thì là điện cảm tương hỗ

K,j = a,b,c; A,B,C: dây quấn stato; roto

Momen điện từ ĐK:
dt
d
iRU
k
kkk
ψ
+=
∑
=
jkjk
iL .
ψ
dt
ik
k
k
ψ
∂
=
∑
2
1
M

5.1.1 Mô tả ĐK trong điều khiển

Gọi v là góc lệch trục dây quấn pha roto và stato thì tốc độ quay roto là ω = dv/dt

Để tiện ta viết các đại lượng ở dạng vecto

L
s1,
L
r1
: điện cảm tự cảm cuộn dây

M
s
, M
r
: hỗ cảm










=











=










=











=










=










=
C
B
A
r
C
B
A

r
C
B
A
r
c
b
a
s
c
b
a
s
c
b
a
s
u
u
u
u
i
i
i
i
u
u
u
u
i

i
i
i ;;;;;
ψ
ψ
ψ
ψ
ψ
ψ
ψ
ψ










−+
+−
−+
=











−−
−−
−−
=










−−
−−
−−
=











=










=
vvv
vvv
vvv
vL
LMM
MLM
MML
L
LMM
MLM
MML
L
R
R
R

R
R
R
R
R
m
rrr
rrr
rrr
r
sss
sss
sss
s
r
r
r
r
s
s
s
s
cos)3/2cos()3/2cos(
)3/2cos(cos)3/2cos(
)3/2cos()3/2cos(cos
)(;
;
00
00
00

;
00
00
00
1
1
1
1
1
1
ππ
ππ
ππ
5.1.1 Mô tả ĐK trong điều khiển

Ta viết lại

Đây là hệ vi phân tuyến tính có hệ số biến thiên theo thời gian vì góc quay
;
)]([
)(
;
)]([
)(

















+
+
=



















=






r
s
rr
T
m
mss
r
s
r
s
r
T
m
ms
r
s
i
i
dt
d
LRvL
dt

d
vL
dt
d
dt
d
LR
u
u
i
i
LvL
vLL
U
U
}).(.{)( M
rms
ivL
dv
d
ti=
∫
= dttvv )(
0
ω
5.1.2 Chuyển vị tuyến tính các phương trình

Nhằm mục đích loại trừ các hệ số phụ thuộc góc quay v

Thường dùng cách chuyển các giá trị tức thời của đáp(dòng điện)thành các vecto không gian


Vecto không gian của dòng stato

Phép chuyển này có thể thực hiện cho các đại lượng khác của ĐK

Gọi hệ trục tọa độ mới là ω(u,v,o) thì vị trí góc của vận tốc là v
k
= v
ok
+ ω
k.
t
3
2
2
);.(
3
2
π
j
cbas
eaiaiaii =++=
)(
3
3
)2(
2
1
}Im{}Re{
cbcbasssss

iiiiiiiiii −+−−=+=+=
βα
5.1.2 Chuyển vị tuyến tính các phương trình

Vecto không gian của dòng trong hệ tọa độ ω là: i
sω
= i
s
e-jωk các thành phần của vecto này:
(**)

Thay vào pt trước ta đc

(*)
3
2
;
)]
3
2
sin()
3
2
sin(sin.[
)]
3
2
cos()
3
2

cos(cos.[
==







+−−+−=
++−+=
KqKd
viviviKqi
viviviKdi
kckbkasv
kckbkasu
ππ
ππ
)(
.
vvj
rr
k
eii
−−
=
ω




+=
+=



+=
+=
svmsvrrv
sumrurru
rvmsvssv
rumsussu
iLiL
iLiL
iLiL
iLiL




ψ
ψ
ψ
ψ
;
)(()]([
)()(













−++−−
+++
=






rw
sw
krrkm
kmkss
rw
sw
i
i
jpLRjpL
jpLjpLR
U
U
ωωωω

ωω
5.1.2 Chuyển vị tuyến tính các phương trình

Momen
M=(3/2)I
m
{ i
sω
. i
rω
}
5.1.3 Mô hình dòng điện

Dạng mô hình này đc xác định từ (**) bằng cách tách hệ ptrình này ra thành các phương
trình chiếu trên các trục u,v

M=(3/2)L
m
.(i
ru
– i
sv
– i
su
.i
rv
)

























+−−
−−+−−
+
−−+
=













rv
ru
sv
su
rrrkmmk
rkrrmkm
mmksssk
mkmskss
rv
ru
sv
su
i
i
i
i
pLRLpLL
LpLRLpL
pLLpLRL
LpLLpLR
U
U

U
U
)()(
)()(
ωωωω
ωωωω
ωω
ωω
5.1.4Mô hình từ thông theo phương trình trạng thái

Nếu rút dòng điện từ pt (*) rồi thay vào pt (**) ta thu được mô hình mới có dạng

Từ 2 phương trình của mô hình trước ta có thể tính ra d điện stato và roto rồi thay vào chính nó
ta thu đc phương trình trạng thái mới












−+
+
+













=






rw
sw
k
r
s
s
s
rw
sw
jp
jp
i

i
R
R
U
U
ψ
ψ
ωω
ω
ω
ω
)(0
0

























−−−
−
−−
−
=












0
0
)(0
0
0
0

sv
su
rksr
krsr
rssk
rsks
rv
ru
sv
su
u
u
aka
aka
kaa
kaa
p
ωω
ωω
ω
ω
ψ
ψ
ψ
ψ
5.1.4Mô hình từ thông theo phương trình trạng thái

Trong đó

ω

eđm
: tần số góc định mức của dòng điện

σ: Hệ số tản từ.
m
r
s
M
sr
m
sr
m
m
r
m
r
s
m
s
međr
r
r
međs
s
s
LM
N
N
L
LL

L
LL
L
k
L
L
k
L
L
k
SL
R
a
L
R
a
2
3
1;;
;;
2
==
−===
===
σ
σ
ωωσ
5.1.5Mô hình ĐK khi bỏ qua quá trình quá độ điện từ

Nếu quá trình quá độ điện từ rất nhỏ so với quá trình quá độ điện cơ thì có thể bỏ qua quá trình

quá độ điện từ khi khảo sát ĐK

Trong từng trường hợp cụ thể momen là hàm của ít nhất 2 biến là biến tốc độ ra và 1 biến vào
nào đó gọi là biến y: M = M(y,ω)

ĐK có đặc tính phi tuyến mạnh nên thường dùng p2 tuyến tính hóa quanh điểm làm việc
M = M
B
+ ∆M; y = y
0
+ ∆y
M
c
= M
cb
+ ∆M; ω = ω
b
+

∆y
Gia số momen:
ω
ω
ω
ω
∆
∂
∂
=∆∆
∂

∂
+∆
∂
∂
=∆
c
c
M
M
M
y
y
M
M ;
5.1.5Mô hình ĐK khi bỏ qua quá trình quá độ điện từ

Sơ đồ cấu trúc

Hàm truyền của ĐK
T
m
– hằng số tg điện cơ
-BS
th
M
M
th
ωω
0
0

∆y ∆ω
y
M
∂
∂
ω
∂
∂
c
M
Jp
1
ω
∂
∂M
pT
K
pY
p
F
m
my
p
+
=
∆
∆
=
1)(
)(

ω
ωω
∂
∂
−
∂
∂
=
MM
J
T
c
m
5.1.5Mô hình ĐK khi bỏ qua quá trình quá độ điện từ

K
my
là hệ số khuếch đại của ĐK với biến vào y
ωω
∂
∂
−
∂
∂
∂
∂
=
MM
y
M

K
c
my
5.2 Các đặc tính của động cơ không đồng bộ

Ở chế độ xác lập ta có các phương trình mô tả quan hệ giữa các thông số:

Trong đó ω
s
= ω
e
- ω gọi là tốc độ trượt
L
s
= L
m
+ L
sσ
; L
r
= L
m
+ L
rσ

ω
s
= sω
e


Một vài thông số:
- Biên độ dòng điện roto:
;












+
+
=






r
s
rsrms
mksks
r
s

I
I
LjRLj
LjLjR
U
U




ωω
ωω
)( sF
LU
I
m
e
s
r
ωω
=