Nghiên cứu xây dựng hệ thực nghiệm biến tần – động cơ điện xoay chiều, phục vụ cho công tác đào tạo nghề điện công nghiệp của khoa điện, trường cao đẳng nghề yên bái

MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết cua đề tài.
Hiện nay hệ thống truyền động điện xoay chiều đang trở nên
phổ biến và được rất nhiều người quan tâm. Là một giáo viên
dạy nghề điện tôi rất quan tâm đến hệ truyên động điện xoay
chiều nói trên với mục đích nâng cao kiến thức về lĩnh vực này
đồng thời góp phần nâng cao chất lượng đào tạo của nhà
trường.Vì vậy tôi chọn đề tài : “Nghiên cứu xây dựng hệ thực
nghiệm Biến tần – Động cơ điện xoay chiều, phục vụ cho công
tác đào tạo nghề Điện công nghiệp của khoa Điện, trường Cao
đẳng nghề Yên Bái”.
2. Mục tiêu của luận văn
Xây dựng hệ thí nghiệm biến tần động cơ xoay chiều
phục vụ cho công tác đào tào nghề điện của trường Cao đẳng
nghề Yên Bái.
3. Đối tượng nghiên cứu
- Biến tần 3 pha, Động cơ xoay chiều 3 pha, Điều khiển
hệ Biến tần - động cơ xoay chiều
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nâng cao được chất lượng đào tạo nghề của nhà trường
Đáp ứng được yêu cầu của thực tế sản xuất
5. Kết cấu của luận văn của luận văn
Chương 1: Thực trạng và yêu cầu đào tạo nghề Điện của
trường Cao đẳng nghề Yên Bái
Chương 2: Nghiên cứu điều khiển hệ truyền động biến
tần - động cơ không đồng bộ ba pha.
Chương 3: đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng
và thực nghiệm.
1
Chương 4: Xây dựng hệ thực nghiệm biến tần - động cơ
xoay chiều ba pha

Kết luận và kiến nghị
CHƯƠNG 1
THỰC TRẠNG VÀ YÊU CẦU ĐÀO TẠO NGHỀ
ĐIỆN
CỦA TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ YÊN BÁI
1.1.1. Quá trình phát triển trường Cao đẳng nghề Yên Bái
Trường Cao đẳng nghề Yên Bái được thành lập theo
Quyết định số 670/QĐ-LĐTBXH ngày 27/5/2009 của Bộ Lao
động - Thương binh và Xã hội.
- là trường cao đẳng nghề công lập duy nhất của tỉnh Yên
Bái.
- Có nhiệm vụ tổ chức đào tạo nghề theo 3 cấp trình độ :
Cao đẳng nghề, trung cấp nghề và sơ cấp nghề với các nghề:
Điện công nghiệp, điện dân dụng, điện tử công nghệ thông tin,
cơ khí, công nghệ ô tô, sư phạm kỹ thuật, xây dựng, giao thông,
kế toán doanh nghiệp.
1.3. Chương trình đào tạo nghề điện công nghiệp.
Chương trình đào tạo được kết hợp giữa lý thuyết và thực
hành
Gồm 36 mô đun trong đó mô đun 26 Truyền động điện
Thời gian mô đun: 150giờ; (Lý thuyết: 60 giờ; Thực
hành: 90 giờ)
Bài 8 : Bộ biến tần (Thời gian: 20 giờ)
1.5. Kết luận chương 1
2
Phần thực hành về điều khiển động cơ xoay chiều trong
hệ : biến tần - động cơ xoay chiều là rất cần thiết vì trong thực
tế đang sử dụng rất nhiều.
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ
TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG

BỘ BA PHA
2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha
Điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều KĐB ba pha
(ASM) có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau :
Điều chỉnh điện áp đặt vào dây cuốn stato;
Điều chỉnh số đôi cực từ;
Điều chỉnh điện trở phụ mạch rotor đối với loại động cơ
rotor dây cuốn;
Điều chỉnh tần số f của nguồn cung cấp cho động cơ.
Trong thực tế việc điều chỉnh tần số nguồn cung cấp được
thực hiện bởi bộ biến đổi tần số.
2.2 Điều khiển hệ BĐTS – ĐCKĐB
Điều khiển hệ BĐTS - ĐCKĐB có 3 phương pháp chủ
yếu sau
- Điều khiển vô hướng (SFC: Scalar Frequency Control).
- Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC: Field
Oriented Control)
- Điều khiển trực tiếp momen (DTC: Direct Toque
Control)
2.3 Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC)
2.3.1 Vectơ không gian và hệ tọa độ từ thông
3
Ba dòng pha hình sin phía stator
* * *
su sv sw
i , i , i
của động cơ
xoay chiều ba pha không nối điểm trung tính:
su sv sw
i (t ) i (t ) i (t ) 0

+ + =
(2.1)
Có thể được mô tả dưới dạng vectơ i
s
(t) quay trên không
gian với tần số stator f
s
(Hình 2.4):
j j2
s su sv sw
2 2
i i (t ) i ( t )e i (t )e ;
3 3
γ γ
π
γ
 
= + + =
 
Tương tự
ta có thể biểu diễn các đại lượng ba pha
s s r
u , ,
ψ ψ
dưới dạng
thành phần sau:
4
Hình 2.4 Mô tả vector dòng điện stator
s sd sq
s sd sq

s sd sq
r rd rq
u u ju
i i ji
j
j
ψ ψ ψ
ψ ψ ψ
= +


= +


= +


= +

(2.3)
Chuyển sang hệ tọa độ αβ mới là i
sα
và i
sβ
:
( )
s su
s su sv
i i
1

i i 2i
3
α
β
=



= +


(2.6)
s
s s s
i i ji
α β
= +
- Hệ tọa độ dq:
f
s sd sq
i i ji
= +
Từ hình 2.5 thu được :
sd s s s s
sq s s s s
i i cos i sin
i i sin i cos
α β
α β
ϑ ϑ

ϑ ϑ
= +



= − +


(2.7)
5
Hình 2.5:Vetor dòng stator trên hệ tọa độ cố định
αβ và hệ tọa độ quay dq
Từ đó ta có:
[ ]
s
f
s s s s s s s s s
f s
s s s s s s
i i cos i sin i sin i cos
i i ji cos j sin i e
α β β α
ϑ
α β
ϑ ϑ ϑ ϑ
ϑ ϑ
−
   
= + + −
   

 
= + + − =
 
⇒
s s
j j
s f f s
u u e u u e
ϑ ϑ
−
= ⇔ =
(2.8)
2.3.2. Cấu trúc của hệ điều khiển tựa theo từ thông
rotor
6
Động cơ
KĐB
Đo tốc độ
quay
Hình 2.7 Cấu trúc kinh điển của hệ TĐĐXCBP điều khiển
kiểu T
4
R
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ
THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
3.2 Sơ đồ công nghệ hệ thống truyền động BĐTS- ĐCKĐB
3.3 Kiểm tra chất lượng bằng mô phỏng
3.3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng.
3.3.1.1. Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống:
Sơ đồ mô phỏng hệ thống Biến tần – Động cơ xoay chiều

ba pha như hình 3.2
7
Hình 3.1: Sơ đồ công nghệ hệ thống BĐTS- CKĐB
3.3.1.2. Khối động cơ không đồng bộ:
Hình 3.3: Khối động cơ xoay chiều ba pha
8
Three-pha s e
inverter
Three-pha s e
thyristor rectifier
Ctrl
Conv
Motor
Is_a
N
Tem
Vdc
dem ux1

Torque reference

Speed reference
VBus_f
N*
V_Bus*
S_sp
Bctrl
Gates
Six step gene rator
g

A
B
C
+
-
g
A
B
C
+
-
Tm
m
A
B
C
Induction
ma chine
Do thi
VBus
Bctrl
VBus*
P_chop
Alpha
VBus_f
Ctrl
DC bus Voltage Controller
Alpha
Bctrl
pulse_outA

B
C
Bridge firing unit
P_chop
Bctrl
Meas.
V_bridge+
V_bridge-
V_bus+
V_bus-
Brakin g chopp er
A
B
C
220V 60Hz
Hình 3.2: Cấu trúc mô phỏng hệ thống BĐTS - ĐCKĐB
Tm
m
A
B
C
Induction
machine
1
m
3
C
2
B
1

A
v
thr,wr
i
m
Te
Source
m_e
m_m
Out1
Measurement list
tp371343
Goto
[tp371345]
From
Tm
Te
m
thr,wr
ASM_mechanics
powersysdomain
ASM
1
Tm
3.3.1.3. Khối điều khiển vectơ (vector control)
3.3.1.4. Khối điều khiển tốc độ (Speed control):
9
Three-phas e
inverter
Three-phase

thyristor rectifier
3
Ctrl
2
Conv.
1
Motor
3
C
2
B
1
A
VBus_f
N*
V_Bus*
S_sp
Bctrl
Gates
Six step generator
g
A
B
C
+
-
g
A
B
C

+
-
Tm
m
A
B
C
Induction
machine
VBus
Bctrl
VBus*
P_chop
Alpha
VBus_f
Ctrl
DC bus Voltage Controller
Alpha
Bctrl
pulse_outA
B
C
Bridge firing unit
P_chop
Bctrl
Meas.
V_bridge+
V_bridge-
V_bus+
V_bus-

Braking chopper
2
Mec_T
1
SP
Vo ltag e C trl
Hình 3.4: Cấu trúc khối điều khiển vectơ (vector control)
4
ctrl
3
dir
2
Volts*
1
Freq*
-K-
rpm2hz
-K-
rpm2hz
num(z)
den(z)
lowpass s peed filter
-K-
ctrl_sat
N* Ramp N*
Sign
kp
Proportional gain
ki
Integral gain

K Ts (z+1)
2(z-1)
|u|
|u|
2
N*
1
N
S p e e d re f e r e n c e ( r p m )
E r r o r ( rp m )
E r r o r ( r p m )
V o lt a g e r e f e r e n c e ( V )
F r e q u e n c y r e f e r e n c e ( H z )
Hình 3.5: Cấu trúc khối điều khiển tốc độ (speed control)
3.3.2. Kết quả mô phỏng
3.3.2.1. Động cơ làm việc không tải ở tần số khác nhau
- Tần số 50 Hz
10
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
t(s)

n(v/ph)
n
ndat
Hình 3.7: Tốc độ động cơ ở tần số 50HZ
1 1.005 1.01 1.015 1.02 1.025 1.03 1.035 1.04 1.045 1.05
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Hình 3.6: Điện áp tức thời của biến tần ở tần số 50HZ
Hình 3.8 : Mô men điện từ ở tần số 50HZ
Hình 3.9: Điện áp ra của biến tần không tải ở tần số 15HZ
11
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30

35
0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0
100
200
300
400
500
600
t(s)
n(v/ph)
Hình 3.10: Tốc độ động cơ ở tần số 15HZ
Hình 3.11: Mômen điện từ của động cơ ở tần số 15HZ
3.3.2.2. Động cơ làm việc có tải:
12
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
-100
-80

-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
t(s)
m(Nm)
- Tần số 50 Hz
Hình 3.12: Điện áp đặt vào động cơ ở tần số 50HZ có tải
13
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
t(s)
n(v/ph)
Hình 3.13: Tốc độ của động cơ ở tần số 50HZ có tải
1 1.005 1.01 1.015 1.02 1.025 1.03 1.035 1.04 1.045 1.05
-15

-10
-5
0
5
10
15
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2
-15
-10
-5
0
5
10
15
Hình 3.14: Mômen tải của động cơ ở tần số 50HZ
Hình 3.15: Điện áp đặt vào động cơ ở tần số 15HZ có tải
14
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
-100

0
100
200
300
400
500
t(s)
n(v/ph)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Hình 3.16: Tốc độ của động cơ ở tần số 15HZ có tải
Hình 3.17: Mô men của động cơ ở tần số 15HZ
3.3.3. Nhận xét:
- Ở chế độ làm việc không tải, khi tần số càng giảm thì hệ
thống làm việc càng kém ổn định.
15
- Ở chế độ làm việc có tải, hệ thống làm việc ổn định
trong toàn bộ dải công suất từ 50Hz trở xuống.
- Khi mô men phụ tải thay đổi tốc độ của đông cơ ít thay
đổi thể hiện sai lệch tĩnh nhỏ
Kết luận : Chỉ tiêu chất lượng động và chất lượng tĩnh của hệ

thống tốt, đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh chất lượng cao.
3.4. Đánh giá bằng kết quả thực nghiệm:
tiến hành các thí nghiệm về điều chỉnh tốc độ động cơ
bằng tần số trên mô hình điều chỉnh lưu lượng bằng bơm cấp
nước cho bình chứa với điều khiển mức, nhiệt độ và lưu lượng
tại phòng thí nghiệm của Khoa Điện - trường đại học KTCN.
3.4.1. Cấu hình thực nghiệm về điều khiển tại trung
tâm thí nghiệm
Hình 3.18: Mô hình thí nghiệm điều khiển mức, nhiệt độ và lưu
lượng
16
17
Hình 3.20: Giao diện trong thí nghiệm điều khiển
Hình 3.21 Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển
3.4.2. Giới thiệu về các thiết bị của mô hình thực nghiệm:
Các thiết bị thí nghiệm được lấy từ danh mục các thiết bị
thí nghiệm của khoa điện trường ĐHKTCN.
3.4.3. Kết quả thí nghiệm
3.4.2.1. Kết quả 01
Thực hiện thí nghiệm tần số thay đổi từ 50 Hz xuống 25
Hz (có tải) khi bộ điều khiển PID có các tham số : Kp = 2; K
I
=
20; K
D
= 0,1.
Thực hiện thí nghiệm với tần số thay đổi từ 50Hz xuống
25 Hz khi hệ thống có tải và bộ điều khiển PID có các tham số
điều khiển đặt như sau :
Kp = 2; K

I
= 3; K
D
= 0,1.
18
Hình 3.22: Kết quả thí nghiệm thí nghiệm tần số 25Hz
3.4.2.2 Kết quả 02
Thay đổi tham số bộ điều khiển PIDTham số của bộ điều
khiển: Kp = 2; K
I
= 3; K
D
= 0,1 và tần số làm việc 25 Hz, phụ
tải thay đổi.


Hình 3.23: Kết quả thí nghiệm Kp = 2; K
I
= 3; K
D
= 0,1
3.5. Kết luận chương 3.
mô phỏng trên Matlab – Simulink và thực nghiệm tại
trung tâm thí nghiệm của trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp.
Hệ thống truyền động BĐTS- ĐCKĐB có chất lượng tĩnh
và động tốt, đáp ứng được yêu cầu của các máy sản xuất đòi
hỏi cao về chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ.
19
CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG BÀI THỰC NGHIỆM BIẾN
TẦN – ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA

4.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý bài thí nghiệm
Sơ đồ nguyên lý của mạch thí nghiệm như hình H4.2
Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý hệ BĐTS - ĐCKĐB
4.3 Chọn thiết bị và bố trí thiết bị của bài thí nghiệm
20
A
CL
NL
C
ĐTS
XL
THĐ
×
Đặt tần số ra NL
BĐD
f
i
a
i
b
U
ĐCA
U
dc
Driver
NL
PWM
-
β
I

S
a
,S
b
,S
c
B C
TG
SI
ASM
BĐTS
21
Sơ đồ nguyên lý
Hình 4.4 Sơ đồ lắp ráp thiết bị của bài thực nghiệm
Tên và các thông số của thiết bị trong bảng danh mục
thiết bị thí nghiệm).
4.3. Nội dung các bài thí nghiệm
4.3.1. Bài số 1 : Điều khiển tốc độ động cơ bằng thay
đổi tần số
Phương pháp này sử dụng các đầu vào số (Digital) để
khởi động và điều khiển bộ biến tần.
Các bước thực hiện phương pháp này như sau:
(1). Kiểm tra các đầu nối cấp nguồn cho biến tần và các
đầu nối ra động cơ, các thiết bị điện.
(2). Nối đầu nối điều khiển số 9 tới đầu nối 5 thông qua
công tắc thứ nhất ( gọi là DIN 1).Công tắc này sẽ có chức năng
chạy / dừng động cơ.
(3). Nối đầu nối điều khiển số 9 tới đầu nối 6 thông qua
công tắc thứ hai ( gọi là DIN 2). Công tắc này sẽ có chức năng
tăng/giảm tốc độ động cơ một tẩn số cố định ( gọi là tần số cố

định 2).
(4). Nối đầu nối điều khiển số 9 tới đầu nối 7 thông qua
công tắc thứ ba ( gọi là DIN 3). Công tắc này sẽ có chức năng
tăng/giảm tốc độ động cơ một tẩn số cố định .( gọi là tần số cố
định 3).
(5). Nối đầu nối điều khiển số 9 tới đầu nối 8 thông qua
công tắc thứ tư (gọi là DIN 4). Công tắc này sẽ có chức năng
tăng/giảm tốc độ động cơ một tẩn số cố định ( gọi là tần số cố
định 4).
(6). Lắp vỏ biến tần và đóng nguồn cấp điện cho biến tần.
(7). Đặt thông số P00304 đúng như bảng công suất trên
động cơ.
22
(8). Đặt P0010 = 0 để cài đặt các thông số của đầu vào
DIN.
(9). Đặt P0700 = 2 để xác định các tần số làm việc
( DIN2, DIN3, DIN4).
(10). Đặt P1000 = 3 để chọn điểm đặt tần số cố định.
(11). Đặt P0701 = 1 để xác định chức năng của DIN1 là
điều khiển động cơ quay theo chiều kim đồng hồ
(12). Đặt P0702 = 15 xác định chức năng của DIN2 là tần
số cố định 2.
(13). Đặt P0703 = 15 xác định chức năng của DIN3 là
tần số cố định 3.
(14). Đặt P0704 = 15 xác định chức năng của DIN4 là
tần số cố định 4.
(15). Đặt P1002 một giá trị tuỳ chọn (5Hz) cho tần số cố
định 2 (DIN2).
(16). Đặt P1003 một giá trị tuỳ chọn (10Hz) cho tần số cố
định 3 (DIN3).

(17). Đặt P1004 một giá trị tuỳ chọn (15Hz) cho tần số cố
định 4 (DIN4).
(18). Đặt thông số P1300 = 0 để chọn phương pháp điều
khiển
(19). Bật công tắc DIN1. Bộ biến tần sẽ ra lệnh cho động
cơ quay.
(20). Bật công tắc DIN2. Động cơ sẽ quay ở tần số cố
định 2 (5Hz).
(21). Bật công tắc DIN3. Động cơ sẽ quay ở tần số cố
định 3 (10Hz)
(22). Bật công tắc DIN4. Động cơ sẽ thêm vào tần số cố
định 4 (15Hz)
23
Ứng với mỗi tần số cố định ta sẽ nhận được tốc độ tương
ứng, Khi phụ tải thay đổi ta sẽ xác định được đặc tính của hệ
thống.
4.4.2 Bài số 2 : Điều khiển hệ thống ở chế độ điều
khiển vector
Hình 4.6: Mô hình điều khiển động cơ
Cài đặt chế độ điều khiển vector
(1). Kiểm tra các đầu nối cấp nguồn cho biến tần và các
đầu nối ra động cơ, các thiết bị điện.
(2). Bật Aptomat trên bàn thí nghiệm. Ấn nút START để
cấp điện cho bộ biến tần
(3). Đặt thông số P0003 = 3 để cho tất cả các thông số
của bộ biến tần có thể điều chỉnh được.
(4). Đặt các thông số P0304-P0311 theo đúng bảng công
suất động cơ.
(5). Lựa chọn chế độ điều khiển vector (P1300 = 20)
(6). Đảm bảo động cơ đang mát và lệnh RUN. Việc xác

định tự động chỉ xẩy ra trong lần đầu khởi động khi P1300 đạt
tới 20. Việc ngắt quá trình tự động kiểm tra bằng cách ngắt
nguồn hoặc hủy lệnh RUN có thể gây ra lỗi và kiểm tra tự động
sẽ được lặp lại. Nếu các thông số động cơ thay đổi thì việc
kiểm tra tự động cũng được thực hiện lại.
24
D
A
Enconder
AC
Inventer
AC
Motor
Position Feedback
(7). Giống như mọi hệ thống điều khiển, điều khiển
vector cũng cần được ổn định nhờ việc đặt thông số giới hạn
khuếch đại tỷ lệ (P1470) và khuếch đại tích phân (P1472). Các
giá trị thực và giá trị đặt được xác định bằng cách kiểm tra, tuy
nhiên thường cài đặt như sau:
(8). Đặt P1452 = 4ms, hằng số thời gian của bộ lọc PT1
dùng để cản dịu sai số của khâu điều khiển tốc độ khi làm việc
ở chế độ vectơ không sensor (SLVC). Việc giảm giá trị này làm
tăng chất lượng động của quá trình điều chỉnh tốc độ. Nếu đặt ở
giá trị thấp hoặc giá trị cao thì sẽ gây ra mất ổn định.
(9). Đặt P1470 = 3, hệ số khuếch đại của khâu điều khiển
tốc độ trong chế độ điều khiển Vector.
(10). Đặt P1472 = 400ms, hằng số thời gian tích phân của
khâu điều khiển tốc độ trong chế độ điều khiển Vector không
sensor.
(11). Đặt P1755 = 5Hz, tần số khởi động của chế độ điều

khiển vectơ không sensor (SLVC), do đó chế độ điều khiển véc
tơ không sensor chuyển từ vòng hở sang vòng kín tại tần số đó.
4.6. Kết luận chương 4
Thông qua thực nghiệm sinh viên sẽ hiểu nguyên lý làm
việc, làm quen với các thiết bị trong thực tế. Biết cách điều
chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc.
Kêt quả thực nghiệm góp phần nâng cao chất lượng đào
tạo nghề ở trường Cao đẳng. Vì vậy việc xây dựng bài thực
nghiệm về hệ thống BĐTS- ĐCKĐB trong trường dạy nghề
Yên Bái là cần thiết và cần được quan tâm thực hiện ./.
25