Điều khiển động cơ đồng bộ 3 pha

8/20/2014

Nội dung
Giới thiệu
Điều khiển động cơ một chiều
Điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha
Điều khiển động cơ đồng bộ 3 pha

Giới thiệu
Truyền động điện là gì?

Truyền động điện (điều khiển động cơ điện), là một nhánh trong nhóm chuyên môn
về điện tử công suất và điều khiển tự động
Mục tiêu khoá của truyền động điện là điều khiển (moment, tốc độ và vị trí) của động
cơ điện
Trang web tham khảo
www.siemens.com/motioncontrol
www.abb.com/drives
www.emersonindustrial.com

1


8/20/2014

Giới thiệu
Các lĩnh vực liên quan đến truyền động điện
 Máy điện
 Điện tử công suất
 Lý thuyết điều khiển tự động

Giới thiệu

2


8/20/2014

Giới thiệu

Giới thiệu
Phương trình chuyển động của một động cơ điện (bỏ qua tổn hao)
𝑑
𝑀 = 𝑀𝑐 + 𝐽
𝑑𝑡

trong đó
◦ M: mômen điện từ;
◦ Mc: mômen tải;
◦ J: mômen quán tính;
◦ : vận tốc của động cơ.
Nhận xét:

3


8/20/2014

Giới thiệu
iư = +; M = +
vư = -;  = -

iư = +; M = +
vư = +;  = +

iư = -; M = vư = -;  = -

iư = -; M = vư = +;  = +

Hình Bốn miền làm việc

Giới thiệu
Để thiết kế tốt một bộ
truyền động điện chúng
ta phải biết đặc tính tải
(công suất, mômen, tốc
độ).
Bảng chỉ ra các đặc tính
tải khác nhau.

4


8/20/2014

Giới thiệu
VD 1: Một động cơ điện có đáp ứng tải như vẽ. Biết mômen quán tính có giá trị 0.001
kg.m2.
a) Bỏ qua các tổn hao, tìm mômen điện từ của động cơ.
b) Vẽ đồ thị của mômen điện từ động cơ (trục tung là mômen và trục hoành là thời
gian)

TL (N.m)

ω (rad/s)
150

20

100
50
0

4

16

t (s)

0

16

4

t (s)

a. Đáp ứng vận tốc
b. Đáp ứng mômen tải
Đáp ứng tải

Giới thiệu

VD 2: Một động cơ điện có đáp ứng tải như vẽ. Biết mômen quán tính có giá trị 0.001
kg.m2.
a) Bỏ qua các tổn hao, tìm mômen điện từ của động cơ.
b) Vẽ đồ thị của mômen điện từ động cơ (trục tung là mômen và trục hoành là thời
gian)
MC (N.m)

ω (rad/s)
20

50

0

4

16

a. Đáp ứng vận tốc

20

t (s)

0

4

16

20

t (s)

b. Đáp ứng mômen tải
Đáp ứng tải

5


8/20/2014

Điều khiển vận tốc động cơ một
chiều (vòng hở)
Các phương trình cơ bản của động cơ một chiều
𝐸 = 𝐾∅𝜔 = 𝐾𝑣𝜔 với 𝐾𝑣 = 𝐾∅
𝑉 = 𝐸 + 𝑅ư𝐼ư
𝑀 = 𝐾𝑣𝐼ư

Từ 3 phương trình trên suy ra
𝜔=

𝑉
𝐾𝑣

−

𝜔=

𝑉

𝐾𝑣

−

𝑅ư
𝐼
𝐾𝑣 ư
𝑅ư
𝑀
𝐾𝑣 2

Vận tốc của động cơ một chiều phụ thuộc vào: điện áp phần ứng, từ thông, điện trở
phần ứng và mômen (dòng điện phần ứng).

Điều khiển vận tốc động cơ một
chiều (vòng hở)
VD 3: Một động cơ một chiều có Vđm = 240 V, Rư =0.6 , hệ số Kv = 1,8 V.s/rad. Tính vận
tốc của động cơ khi điện áp cấp vào động cơ có giá trị 120 V, mômen đông cơ là 10 N.m
VD 4: Một động cơ một chiều có Vđm = 240 V, Rư =0.6 , hệ số Kv = 1,8 V.s/rad. Tính điện
áp cấp vào động cơ khi động cơ đang quay với vận tốc 2000 vòng/phút, mômen đông cơ là
10 N.m
VD 5: Một động cơ một chiều có Vđm = 240 V, Rư =0.6 , hệ số Kv = 1,8 V.s/rad. Tính vận
tốc của động cơ, sức điện động phần ứng và dòng điện phần ứng biết mômen của động có
giá trị M=5 N.m và điện áp cấp vào động cơ thay đổi từ 0 đến định mức (tức là áp mỗi lần
thay đổi 20 V)
VD 6: Một động cơ một chiều có Vđm = 240 V, Rư =0.6 , hệ số Kv = 1,8 V.s/rad. Vẽ đặc tính
cơ (vận tốc là hàm số của mômen). Vẽ đồ thị vận tốc theo dòng điện phần ứng (vận tốc là
trục tung, dòng điện phần ứng là trục hoành)
Trong thực tế để điều khiển vận tốc của động cơ một chiều, người ta điều khiển điện áp
phần ứng (tức là điều khiển V). Điều khiển V sử dụng điện tử công suất là giải pháp

hiệu quả nhất.

6


8/20/2014

Điều khiển vận tốc động cơ một
chiều (vòng hở)
1 pha

3 pha

Chỉnh lưu bán kỳ 1 pha điều khiển

Chỉnh lưu hình tia 3 pha điều khiển

𝑉𝑑 =

2𝑉𝑠
(1
2𝜋

+ 𝑐𝑜𝑠𝛼)

𝑉𝑑 =

3 6𝑉𝑠
𝑐𝑜𝑠𝛼
2𝜋

Chỉnh lưu 1 pha cầu điều khiển toàn phần Chỉnh lưu 3 pha cầu điều khiển toàn phần
𝑉𝑑 =

2 2𝑉𝑠
𝑐𝑜𝑠𝛼
𝜋

𝑉𝑑 =

3 6𝑉𝑠
𝑐𝑜𝑠𝛼
𝜋

với Vs: điện áp pha hiệu dụng; Vd: điện áp chỉnh lưu

Điều khiển vận tốc động cơ một
chiều (vòng hở)

Chỉnh lưu 3 pha cầu điều khiển toàn phần

7


8/20/2014

Điều khiển vận tốc động cơ một
chiều (vòng hở)

Điều khiển vận tốc động cơ một

chiều (vòng hở)
VD 7: Một động cơ một chiều có điện áp định mức Vđm = 240 V, Rư =0.6 , hệ số Kv =
1,8 V.s/rad, mômen đông cơ là M = 20 N.m. Tính vận tốc của động cơ, sức điện động
phần ứng và dòng điện phần ứng trong hai trường hợp sau:
i) Điện áp cấp vào mạch điện phần ứng là một điện áp chỉnh lưu 1 pha cầu điều khiển
toàn phần có điện áp pha hiệu dụng Vs = 110V, góc kích α = 300
ii) Điện áp cấp vào mạch điện phần ứng là một điện áp chỉnh lưu 3 pha cầu điều
khiển toàn phần có điện áp pha hiệu dụng Vs = 110V, góc kích α = 300
VD 8: Một động cơ một chiều có điện áp định mức Vđm = 240 V, Rư =0.6 , hệ số Kv =
1,8 V.s/rad, mômen đông cơ là M = 20 N.m. Tính vận tốc của động cơ, sức điện động
phần ứng và dòng điện phần ứng biết điện áp cấp vào mạch điện phần ứng là một
điện áp chỉnh lưu 1 pha cầu điều khiển toàn phần có điện áp pha hiệu dụng Vs =
110V, góc kích α =0 đến 900 mỗi bước thay đổi góc kích là 100

8


8/20/2014

Điều khiển vận tốc động cơ một
chiều (vòng hở)
VD 9: Một động cơ một chiều có điện áp định mức Vđm = 240 V, Rư =0.6 , hệ số Kv =
1,8 V.s/rad, mômen đông cơ là M = 15 N.m. Biết điện áp cấp vào mạch điện phần ứng
là một điện áp chỉnh lưu 1 pha cầu điều khiển toàn phần có điện áp pha hiệu dụng Vs
= 110V, góc kích α = 0 đến 90 mỗi bước thay đổi góc kích là 100.
a) Tính vận tốc của động cơ.

b) Tính sức điện động phần ứng
c) Tính dòng điện phần ứng
d) Vẽ đồ thị vận tốc theo góc kích (vận tốc là trục tung, góc kích là trục hoành)

e) Vẽ đồ thị vận tốc theo dòng điện phần ứng (vận tốc là trục tung, dòng điện phần
ứng là trục hoành)

Điều khiển vận tốc động cơ một
chiều (vòng hở)
VD 10: Một động cơ một chiều có Rư =0.6 , hệ số Kv = 1,8 V.s/rad. Biết điện áp cấp
vào mạch điện phần ứng là một điện áp chỉnh lưu 1 pha cầu điều khiển toàn phần có
điện áp pha hiệu dụng Vs = 110V.
a) Vẽ đặc tính cơ.
b) Vẽ đồ thị vận tốc theo dòng điện phần ứng (vận tốc là trục tung, dòng điện phần
ứng là trục hoành)

9


8/20/2014

Điều khiển vận tốc động cơ một
chiều (vòng hở)
Nhắc lại bộ biến đổi DC/DC
Bộ chopper kiểu giảm áp
𝑉𝑑 = 𝑉
Bộ chopper kiểu tăng áp
𝑉𝑑 =

𝑉
1−

trong đó
◦ : hệ số điều chỉnh

Điều khiển vận tốc động cơ một
chiều (vòng hở)
VD 11: Một động cơ một chiều có điện áp định mức Vđm = 240 V, Rư =0.6 , hệ số Kv
= 1,8 V.s/rad, mômen đông cơ là M = 30 N.m. Điện áp cấp vào mạch điện phần ứng là
bộ biến đổi công suất gồm một điện áp chỉnh lưu 1 pha cầu điều khiển toàn phần có
điện áp pha hiệu dụng Vs = 220V, góc kích α = 450 và một bộ chopper kiểu giảm áp 
=0,5.
a) Tính vận tốc của động cơ.
b) Tính sức điện động phần ứng.
c) Tính dòng điện phần ứng.
VD 12: Một động cơ một chiều có điện áp định mức Vđm = 240 V, Rư =0.6 , hệ số Kv
= 1,8 V.s/rad, mômen đông cơ là M = 25 N.m. Bộ chopper kiểu tăng áp  =0,75, V = 48
V. Tính vận tốc của động cơ, sức điện động phần ứng và dòng điện phần ứng

10


8/20/2014

Điều khiển động cơ một chiều
(vòng kín)
Các phương trình toán học mô tả động cơ một chiều
trong miền thời gian

trong miền tần số

Mạch điện phần ứng

Mạch điện phần ứng

𝑣 𝑡 = 𝑒 𝑡 + 𝑅ư𝑖ư (𝑡) + 𝐿ư

𝑑𝑖ư(𝑡)
𝑑𝑡

Mạch điện kích từ
𝑣𝑘𝑡 𝑡 = 𝑅𝑘𝑡𝑖𝑘𝑡 t + 𝐿𝑘𝑡

𝑉 (𝑠) = 𝐸 𝑠 + 𝑅ư𝐼ư (s) + 𝑠𝐿ư𝐼ư(𝑠)
Mạch điện kích từ

𝑑𝑖𝑘𝑡 (𝑡)
𝑑𝑡

𝑉𝑘𝑡 (𝑠) = 𝑅𝑘𝑡𝐼𝑘𝑡(s) + 𝑠𝐿𝑘𝑡𝐼𝑘𝑡 (𝑠)

Cấu tạo động cơ

Cấu tạo động cơ

𝑒 𝑡 = 𝐾𝑣𝜔 𝑡

𝐸 𝑠 = 𝐾𝑣𝜔 𝑠

Điều khiển động cơ một chiều
(vòng kín)
𝑚(𝑡) = 𝐾𝑣𝑖ư(𝑡)

𝑀(𝑠) = 𝐾𝑣𝐼ư(𝑠)

Chuyển hoá năng lượng

Chuyển hoá năng lượng

𝑒 𝑡 𝑖ư 𝑡 = 𝑚 𝑡 𝜔 𝑡

𝐸 𝑠 𝐼ư 𝑠 = 𝑀 𝑠 𝜔(𝑠)

Phương trình mômen tải

Phương trình mômen tải

𝑚 𝑡 = 𝑚𝑐 𝑡 + 𝐽

𝑑𝜔 𝑡
𝑑𝑡

𝑀 𝑠 = 𝑀𝑐 𝑠 + 𝑠𝐽𝜔 𝑠

trong đó
◦ J: mômen quán tính;
◦ mc: mômen cản

11


8/20/2014

Điều khiển động cơ một chiều

(vòng kín)
VD 13: Từ các phương trình động cơ trong miền tần số, tìm công thức
a) Dòng điện kích từ
b) Dòng điện phần ứng
c) Vận tốc
VD 14: Xây dựng mô hình động cơ (gợi ý áp dụng các phương trình VD 13)

Điều khiển động cơ một chiều
(vòng kín)

12


8/20/2014

Điều khiển động cơ một chiều
(vòng kín)
Thiết lập giải thuật điều khiển dựa vào các phương trình toán học của động cơ một
chiều
𝑣 𝑡 = 𝑒 𝑡 + 𝑅ư𝑖ư (𝑡) + 𝐿ư
𝑚 𝑡 = 𝑚𝑐 𝑡 + 𝐽

𝑑𝑖ư(𝑡)
𝑑𝑡

chỉ ra điều khiển dòng điện

𝑑𝜔 𝑡
𝑑𝑡

chỉ ra điều khiển vận tốc

𝑚 𝑡 = 𝐾𝑣𝑖ư (t)
𝑑 𝑡
 𝑡 =

dòng điện tỉ lệ với mômen
chỉ ra điều khiển vị trí

𝑑𝑡

VD 15: Vẽ sơ đồ điều khiển mômen động cơ một chiều
VD 16: Vẽ sơ đồ điều khiển vận tốc động cơ một chiều
VD 17: Vẽ sơ đồ điều khiển vị trí động cơ một chiều

Điều khiển động cơ một chiều
(vòng kín)
Thực thi giải thuật điều khiển trong thực tế

VD 18: Viết công thức toán học của bộ điều khiển PI trong
P

a) Miền thời gian
b) Miền s (thực thi analog)

Tín hiệu sai số

1
𝑠

c) Miền z (thực thi digital) với =

𝑇𝑠 (𝑧+1)
2(𝑧−1)

Tham khảo



I

d
dt

D

Σ

Đầu ra

Siemens DC Drive (SIMOREG 6RA70)

13


8/20/2014

Điều khiển động cơ một chiều
(vòng kín)

Điều khiển động cơ một chiều
(vòng kín)

14