Chương I: Động học hệ thống động cơ - tải cơ
I.1: Đặc tính cơ của tải
I.2: Đặc tính cơ của động cơ
Chương II: Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ một chiều
II.1: Động cơ một chiều (động cơ DC)
Đặc tính cơ tĩnh động cơ DC
Điều khiển tốc độ động cơ DC
Các trạng thái hãm
II.2: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ chỉnh lưu
Giới thiệu
Bộ chỉnh lưu 1 pha
Bộ chỉnh lưu 3 pha
II.3: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ biến đổi xung áp (Chopper)
Bộ chopper giảm áp
Bộ chopper tăng áp
Hãm tài sinh dùng bộ chopper tăng áp
Mạch cầu H điều khiển động cơ DC làm việc ở 4 góc phần tư
Chương III: Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ một chiều
III.1: Mô hình động của động cơ DC
III.2: Bộ điều khiển PID
III.1: Điều khiển vòng kín động cơ DC
Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ DC
Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ DC
Điều khiển moment động cơ DC
Điều khiển vị trí động cơ DC
Bộ điều khiển động cơ DC (DC Drive)
Chương IV: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha
IV.1: Động cơ không đồng bộ ba pha (ĐCKĐB)
Đặc tính cơ tĩnh ĐCKĐB ba pha
Khởi động mềm ĐCKĐB ba pha
IV.1: Điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha
Điều khiển khởi động bằng cách thay đổi điện trở rotor
Điều khiển điện áp phần ứng
Điều khiển tần số bằng phương pháp V/f
Chương V: Điều khiển vector động cơ không đồng bộ ba pha
V.1: Bộ nghịch lưu ba pha và Vector không gian
Bộ nghịch lưu ba pha.
Vector không gian và hệ toạ độ satator (αβ).
V.2: Hệ qui chiếu quay
Hệ toạ độ từ thông rotor (dq).
Chuyển đổi hệ toạ độ αβ ↔ dq.
V.3: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong hệt toạ độ từ thông rotor
Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu.
Mô hình động cơ trong HTĐ từ thông rotor (Ψr).
V.4: Điều khiển định hướng từ thông (FOC) động cơ không đồng bộ ba pha
Điều khiển PID
Điều khiển FOC động cơ không đồng bộ ba pha.
V.5: Bộ biến tần
Chương VI: Điều khiển động cơ đồng bộ ba pha
85 trang |
Chia sẻ: trungkhoi17 | Lượt xem: 435 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Giáo trình Truyền động điện DC và AC - Trần Công Binh, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ộng Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 12
c) Điều khiển điện trở phần ứng:
( ) co2u Mk
R
k
U
Φ−Φ=ω Rư tăng ⇒ ω giảm
d) Khởi động đông cơ DC kích từ độc lập:
Dòng điện khởi động không lớn hơn khả năng chịu dòng của chổi than (thường là 3Iđm).
Moment khởi động không lớn hơn khả năng chịu đựng của tải (thường là 3Mđm).
II.1.3:Các trạng thái hãm của động cơ DC kích từ độc lập:
a) Hãm tái sinh:
_ Pđiện < 0: trả năng lượng về nguồn.
_ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải.
Iư, Mcơ
ω
0
ωolt
ωđm
Iưđm, Mđm
VR tăng
U
Rư
Iu
E
Ikt
Rkt
Ukt
ω
Φkt
VR
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 13
b) Hãm ngược:
_ Pđiện > 0: tiêu thụ công suất từ nguồn.
_ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải.
U
Rư
Iu
E
Ikt
Rkt
Ukt
ω
Φkt
Mcơ Mđm
ω
0
ωolt
ωđm
Φ giảm
U giảm
I
II
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 14
Công suất điện + cơ chuyển thành nhiệt.
c) Hãm động năng:
_ Pđiện = 0: cách ly với nguồn.
_ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải.
Công suất cơ chuyển thành nhiệt.
Rư
Iu
E
Ikt
Rkt
Ukt
ω
Φkt
Rph
U
Rư
Iu
E
Ikt
Rkt
Ukt
ω
Φkt
Rph
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 15
d) Hệ động cơ - máy phát (Ward-Leonard):
II.2: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ chỉnh lưu
II.2.1: Giới thiệu
Phần này trình bày bộ chỉnh lưu 1 pha và 3 pha, biến điện áp xoay chiều (AC) thành
điện áp một chiều (DC) để cấp cho động cơ. Đồng thời bộ chỉnh lưu có điều khiển sẽ điều khiển
được độ lớn điện áp DC để điều khiển thay đổi các đại lượng làm việc của động cơ như tốc độ,
moment,
Mcơ
U giảm
Mđm
ω
0
ωolt
ωđm
Φ giảm
I
II
IIII
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 16
Bộ chỉnh lưu biến điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp một chiều (DC) dạng gợn
sóng. Bộ chỉnh lưu thường làm méo dạng điện áp nguồn. Khi phân tích sòng hài sẽ tồn tại sóng
hài cơ bản (hài bậc 1, 50Hz) và sóng hài hoạ tần bậc cao. Độ méo dạng được định nghĩa:
1
2
1
2
I
II
THD
−=
II.2.2: Bộ chỉnh lưu 1 pha
a) Bộ chỉnh lưu tia 1 pha:
π=
RMS_phase
tb_dc
U2
U
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 17
b) Bộ chỉnh lưu tia 1 pha có điều khiển:
( )α+π= cos12
U2
U RMS_phasetb_dc
c) Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha:
π=
RMS_phase
tb_dc
U22
U
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 18
d) Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển bán phần:
( )α+π= cos1
U2
U RMS_phasetb_dc
d) Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần:
απ= cos
U22
U RMS_phasetb_dc
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 19
II.2.3: Bộ chỉnh lưu 3 pha
a) Bộ chỉnh lưu tia 3 pha:
b) Bộ chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển:
απ= cos2
U233
U RMS_phasetb_dc
c) Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha:
π
RMSphase
tbdc
U
U __
233=
d) Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển bán phần:
( )α+π= cos12
U233
U RMS_phasetb_dc
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 20
d) Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần:
απ= cos
U233
U RMS_phasetb_dc
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 21
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 22
Dạng dòng điện ngõ vào:
e) Bộ chỉnh lưu kép 1 pha:
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 23
f) Bộ chỉnh lưu kép 3 pha:
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 24
II.3: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ biến đổi xung áp (Chopper)
Bộ biến đổi DC/DC:
Các bộ biến đổi DC-DC có thể chia làm ba loại:
+ Bộ tăng áp Uo > Ui (Boost converter).
+ Bộ hạ áp Uo < Ui (Buck converter).
+ Bộ tăng - giảm áp (Buck- Boost converter).
II.3.1: Bộ chopper giảm áp (lớp A)
T
T
U
U ON
DC
tb_d =
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 25
E
-
+
MOTOR 24VDC
D1
FC307
R1
10K
MOSFET
IRF540
R2
0.1/2W
D2
FC307
24V
KICH MOSFET
220
10W
GND_100V
J1
AC24V
1
2
GND_100V
L1
Q1
IRF460/TO
D6
- +
D1
50A 10W
3
2
1
4
GND_12V
+C1
400V 4700uF
+ C10 D4
30A
CB
1
3
2
4
Fast DIODEA
-
+
D
C
M
O
T
O
R
1
2
C9
103 2KV
GND_100V
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 26
II.3.2: Bộ chopper tăng áp (lớp B)
T
T1
1
U
U
ONDC
tb_d
−
=
II.3.3: Hãm tài sinh dùng bộ chopper tăng áp
II.3.4: Bộ chopper kiểu đảo dòng (lớp C)
T
T
U
U ON
DC
tb_d =
TON
T
DCM
L
N C
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 27
II.3.5: Bộ chopper kiểu đảo áp (lớp D)
Cách 1 (S1 và S2 được kích đồng thời, giống lớp C): T
T
U
U ON
DC
tb_d =
Cách 2 (kiểu đảo áp 1 – S1 và S2 đóng ngắt lệch pha): 1T
T2
U
U ON
DC
tb_d −=
II.3.6: Mạch chopper kiểu tổng quát (lớp E)
Dạng mạch cầu H, điều khiển động cơ DC làm việc ở 4 góc phần tư.
Điều khiển cách 1 (kiểu đảo dòng): T
T
U
U ON
DC
tb_d =
Điều khiển cách 2 (kiểu đảo áp 1&2): 1T
T2
U
U ON
DC
tb_d −=
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 28
Bài tập:
Cho động cơ DC như trên, có điện trở phần ứng 3Ω. Kích từ độc lập không đổi.
a) Điện áp phần ứng được cấp từ bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần, nguồn 380Vrms,
50Hz. Tính góc kích để động cơ vận hành ở 1/2 điện áp định mức?
b) Với điện áp như câu a, khi động cơ mang tải và có dòng điện phần ứng là 17A: Tính tốc độ
(vòng/phút)?
c) Tính điện áp để động cơ đạt 500 vòng/phút ở 17A. Tính góc kích khi đó?
d) Tính tốc độ lớn nhất mà động cơ có thể đạt được khi có tải 17A với bộ chỉnh lưu trên.
e) Tính điện áp để dòng điện khởi động bằng dòng 2 lần định mức. Tính góc kích tương ứng?
f) Tính điện áp để MOMENT khởi động bằng dòng 3 lần định mức. Tính góc kích tương ứng?
g) Tính thời hằng điện, biết Lư = 30mH?
h) Tính thời hằng cơ, biết J = 0,1 kgm2, B = 0,01?
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 29
i) Tính lại câu a, b với điện áp định mức.
j) Tính lại câu c, d với dòng điện 10A.
k) Tính lại các câu trên nếu dùng bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần?
l) Tính lại các câu trên nếu dùng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển bán phần?
m) Tính lại toàn bộ các cấu trên với động cơ sau:
Udm = 160 %V
Kphi = .432692 % Wb
Ru = 1.35216 % Ohm
Lu= 0.003272 % H
J = 0.15 % kg.m^2
B = 0.01
a)
V250cos
220.63cos
U233
U RMS_phasetb_dc =απ=απ=
Ua = 250
alfa = 1.0635
alfa_do = 60.9342
b)
Ib = 17
E = 449
Eb = 199
nb = 522.9844
Wb = 54.7668
c)
nc = 500
Wc = 52.3599
Ic = 17
Ec = 190.2542
Uc = 241.2542
alfa_c = 1.0828
alfa_c_do = 62.0423
d)
Umax = 514.5999
Ed = 463.5999
nd = 1218.4
Wd = 127.5873
Các bộ điều khiển điện áp chỉnh lưu hay chopper cho phép điều khiển vòng hở động cơ
một chiều. Chương sau sẽ tình bày phương pháp điều khiển vòng kín tốc độ động cơ một
chiều.
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 30
Chương III: Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ một chiều
III.1: Mô hình động của động cơ DC
Mạch tương đương của động cơ DC kích từ độc lập:
Phương trình mạch vòng điện áp cho phần ứng của động cơ.
U = E + Ruiu + Lu u
di
dt
Trong đó : E = k.φ.ω
φkt ≈ kkt.ikt
Phương trình cân bằng moment trên trục động cơ :
Mcơ = Mc + J
d
dt
ω + Bω
Trong đó : Mcơ = k.φ.iu
J - Moment quán tính của hệ thống quy đổi về trục động cơ.
B - Hệ số ma sát
Mc - Moment cản quy đổi về trục động cơ.
Áp dụng biến đổi laplace, từ các phương trình trên, có mô hình động cơ DC: ( ) ( ) ( ) ( )ssILsIRsEsV uuuu ++= ( ) ( )sKsE φω=
( ) ( ) ( ) ( )s.s.Js.BsMsM cco ω+ω+= ( ) ( )sIksM uco φ=
⇒ ( ) ( ) ( )
uu
u
RsL
sEsVsI +
−=
⇒ ( ) ( ) ( )
BJs
sMsMs cco +
−=ω
Sơ đồ khối mô hình động cơ DC kích từ độc lập:
Ikt
U
Rư
Iư
E = kE.Φkt.ω ≈ k.Ikt.ω
Rkt
Ukt
Φkt
ω Lư
uu RsL
1
+
φ.K
φ.K
BJs
1
+
( )sω Mco (s)
( )sMc
( )V s I (s)
E (s)
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 31
Mô hình động cơ DC trong Matlab/Simulink:
III.2: Bộ điều khiển PID
Phương trình vi phân mô tả hiệu chỉnh PID:
u(t) = KP e(t) + KI ∫ dt)t(e + KD dt )t(de
KP: hệ số khâu tỉ lệ.
KI: hệ số khâu tích phân.
KD:hệ số khâu vi phân.
Biến đổi Laplace:
e(t) u(t)
PID
Đối tượng
điều khiển
c(t) r(t)
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 32
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ ++== s.T
s.T
11K
)s(e
)s(u)s(G D
I
p trong đó:
P
D
D
I
P
I K
KT,
K
KT ==
Vấn đề thiết kế là cần hiệu chỉnh các giá trị K p , K i và K D sao cho hệ thỏa đạt được chất
lượng tối ưu.
Tóm tắt Vai trò của mỗi khâu hiệu chỉnh (adjustment) trong bộ điều khiển PID:
Khâu khuếch đại tỉ lệ Kp (Proportional gain):
Khi Kp tăng
Sai số xác lập giảm
Vọt lố tăng
Thời gian lên nhanh
Khâu tích phân tỉ lệ Ki (Integral gain):
Khi Ki tăng
Sai lệch tĩnh giảm (triệt tiêu - vô sai với hàm nấc)
Thời gian đáp ứng chậm
Khâu vi phân tỉ lệ Kd (Derivative gain):
Khi Kd tăng
Vọt lố giảm
Thời gian đáp ứng nhanh
Bớt nhấp nhô (dao động)
Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID
Đáp ứng bước Vọt lố Dao động
Đáp ứng bước hàm bước 1(t)
III.1: Điều khiển vòng kín động cơ DC
III.1.1: Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ DC
Sơ đồ khối mô hình động cơ DC kích từ độc lập:
Ikt
U
Rư
Iư
E = kE.Φkt.ω ≈ k.Ikt.ω
Rkt
Ukt
Φkt
ω
Lư
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 33
Ví dụ:
% Thong so dong co DC
Udm = 160 %V
Kphi = .432692 % Wb
Ru = 1.35216 % Ohm
Lu=.003272 % H
J = 0.15 % kg.m^2
%B = 0.01
B = 0
Đáp ứng vòng hở của động cơ DC
uu RsL
1
+
φ.K
φ.K
BJs
1
+
( )sω Mco (s)
( )sMc
( )V s I (s)
E (s)
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 34
III.1.2: Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ DC
Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ DC dùng PID:
• Nếu n > ndat thì e < 0. PID sẽ điều khiển GIẢM u để n giảm bớt.
• Nếu n 0. PID sẽ điều khiển TĂNG u để n tăng thêm.
• Nếu n ≈ ndat thì e ≈ 0. PID sẽ GIỮ NGUYÊN u để n ỔN ĐỊNH.
Một hệ thống có hàm truyền bậc hai ( ) 22
2
2 nn
n
ss
KsH ωξω
ω
++= ,
thì K là độ lợi, ξ là độ giảm chấn,
nω là tần số dao động riêng.
Khi ξ <1, thì hệ thống có
ndat
Động cơ
+
u
_
n
n
PIDtốc độ e
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 35
_ thời gian đáp ứng 2
n
p
1
2T ξω
π
−= , và
_ độ vọt lố ∞
∞ξ−
ξπ− −==Δ
k
kke max1
2
.
Đáp ứng vòng kín tốc độ của động cơ DC
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 36
Đáp ứng vòng hở Đáp ứng vòng kín
III.1.3: Điều khiển moment động cơ DC
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 37
III.1.4: Điều khiển vị trí động cơ DC
ωdat Động cơ +
PIDdòng điện
u
_
ω
ω
PIDtốc độ +
_
i
ωdat Động cơ +
PIDdòng điện
u
_
ω
ω
PIDtốc độ +
_
i
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 38
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-20
0
20
40
60
80
100
120
Time (s)
vi
tr
i(v
on
g)
vi tri dat
vi tri dong co
Đáp ứng vị trí theo mô hình mô phỏng trên
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Time (s)
to
c
do
(v
on
g/
ph
ut
)
toc do dong co
toc do dat
Đáp ứng tốc độ theo mô hình mô phỏng trên
III.1.5: Bộ điều khiển động cơ DC (DC Drive)
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 39
Khởi
động mềm Dừng mềm
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 40
Chương IV: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha
IV.1: Động cơ không đồng bộ ba pha (ĐCKĐB)
IV.1.1: Đặc tính cơ tĩnh ĐCKĐB ba pha
Rs sI& jXs
Rm
mI&
sU&
jXm
'
rI&
'
rR jX’r
Mạch tương đương của động cơ KĐB
'
rRs
s1−
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 41
( )2'rs2'rs
'
r2
s
s
co
XX
s
RR
s
RU3
1M
++⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ +
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
ω=
Độ trượt tới hạn: sp ứng với Tmax 0ds
dT = , hay 0
dn
dT =
( )2'rs2s
'
r
p
XXR
Rs
++
=
( )2'rs2ss
2
s
s
max
XXRR
U2
31M
+++ω
=
( ) ( )2'rs2'rs
'
r
2
s
s
st
XXRR
RU31M +++ω=
s
s
s
s
2
M
M
p
p
max +
=
Rt jXt
tU&
tI&
s
R 'r
jX’r
Sử dụng biến đổi Thevenin cho mạch stator
Rs jXs
sU&
'
rI&
s
R 'r
jX’r
Mạch tương đương đơn giản của động cơ KĐB
0 ω ωđm
Mkđ
Mmax
Mcơ
ωs ωp
Mđm
TL
A
T
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 42
Ở tần số cao, bỏ qua Rs khi tính moment cực đại và từ thông làm việc
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
π=Ψ f
U
k2
1
dq
( ) ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
+π= f
R
LL2
1s
'
r
'
rs
p
( )
2
s
'
rs
max f
U
LL2
2
3
M ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
+π=
Ở tần số thấp, phải xét đến Rs:
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 43
IV.1.2: Khởi động mềm ĐCKĐB ba pha
Không dùng khởi động mềm, moment khởi động tăng đột ngột, dòng khởi động lớn.
Khởi động đông cơ rotor dây quấn bằng điện trở mở máy:
Nối tiếp thêm điện trở rotor sao cho sp = 1, moment khởi động bằng moment cực đại trong khi
dòng điện khởi động giảm.
( ) 1XXR
RRs
2'
rs
2
s
'
kd
'
r
p =++
+=
( )2'rs2ss
2
s
s
maxkd
XXRR
U2
31MM
+++ω
==
Rs sI& jXs
Rm
mI&
sU&
jXm
'
rR
jX’r
Khởi động: n = 0: s = 1: Is = Ist
'
rI&
0 ω ωđm
Mkđ
Mmax
Mcơ
ωs ωp
Mđm
TL
A
T
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 44
Khởi động động cơ bằng cách giảm điện áp stator:
Giảm điện áp để khởi động mềm, moment khởi động tăng từ từ, dòng khởi động nhỏ.
0 n
T
ns np
A1
A2
A3
Us giảm
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 45
Khởi động dùng biến áp tự ngẫu để giảm điện áp khởi động:
Khởi động dùng cuộn cảm để giảm điện áp khởi động:
Khởi động Y→Δ giảm dòng và mometn khởi động 3 lần:
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 46
Khởi động dùng Bộ khởi động mềm (Thyristor) để giảm điện áp khởi động:
Tăng tốc
Giảm tốc
Hạn dòng
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 47
IV.1: Điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha
IV.2.1: Điều khiển khởi động bằng cách thay đổi điện trở rotor
Nối tiếp thêm điện trở rotor để thay đổi đặc tuyến tải và thay đổi điểm làm việc của
động cơ ⇒ thay đổi tốc độ (bằng cách thay đổi độ trượt).
( )2'rs2s
'
nt
'
r
p
XXR
RRs
++
+=
( )2'rs2ss
2
s
s
max
XXRR
U2
31M
+++ω
=
U, I
UN
Ust Ustop=0,85Ust
0,9UN
IB
I
U
tR tB
t tAus
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 48
IV.2.2: Điều khiển điện áp phần ứng
Điều khiển giảm điện áp stator để thay đổi đặc tuyến tải và thay đổi điểm làm việc của
động cơ ⇒ thay đổi tốc độ (bằng cách thay đổi độ trượt).
IV.2.3: Điều khiển tần số bằng phương pháp V/f
Điều khiển thay đổi tốc độ thông qua thay đổi tần số nguồn điện cấp cho động cơ:
( )s1
P
f60n −= . Tuy nhiên phải đảm bảo dm
dq f
U
k2
1 Ψ≤⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
π=Ψ để mạch từ không bảo hòa.
0 n
M
ns
A1
A2
'
rR tăng Mmax
0 n
M
ns np
A1
A2
A3
Us giảm
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 49
Khi tần số lớn hơn định mức, điện áp không tăng hơn địn mức được nên từ
thông động cơ suy giảm:
Tải moment hằng số Tải moment thay đổi theo tốc độ
(Thang máy, cần cẩu, băng chuyền) (Bơm, quạt,)
f
V, T
Te
Rs*Ilim
TL
fđm
V/f=const Vđm
Tđm
V/f=const
f
V, T
Te
Rs*Ilim
TL
fđm
Tđm
Vđm
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 50
Chương V: Điều khiển vector động cơ không đồng bộ ba pha
V.1: Bộ nghịch lưu ba pha và Vector không gian
V.1.1: Bộ nghịch lưu ba pha.
Biến tần ngõ vào 1 pha, nếu tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là:
π
RMSphase
tbdc
U
U __
22=
Biến tần ngõ vào 3 pha, nếu tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là:
π
RMSphase
tbdc
U
U __
233=
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 51
Nếu tụ lọc đủ lớn (hay khi không tải), điện áp DC sẽ được lọc phẳng. Trị điện áp DC trung bình
là trị đỉnh:
_ Biến tần ngõ vào 1 pha : RMS_phaseU2
_ Biến tần ngõ vào 3 pha : RMS_phaseRMS_line U32U2 = .
Hình 1.1: Sơ đồ bộ nghịch lưu ba pha cân bằng gồm 6 khoá S1→S6.
Phương pháp tính mạch điện:
Ví dụ 1.1: Tính điện áp các pha ở trạng thái S1, S3, S6 ON và S2, S4, S5 OFF?
A B
C
Udc
n
N
UAN UBN
UCN
A
B C
Udc
S4
S3
S6
S5
S2
S1
S7
R
n n
motor
N
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 52
Hình 1.2: Trạng thái các khoá S1, S3, S6 ON, và S2, S4, S5 OFF (trạng thái 110).
II.2. Vector không gian điện áp
Đơn vị (Udc)
Va Vb Vc usa usb usc uab ubc uca U Deg us
k S1 S3 S5 UAN UBN UCN UAB UBC UCA usα usβ
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 U0 U000
1 1 0 0 2/3 -1/3 -1/3 1 0 -1 U1 0o
2 1 1 0 1/3 1/3 -2/3 0 1 -1 U2 60 o
3 0 1 0 -1/3 2/3 -1/3 -1 1 0 U3 120 o
4 0 1 1 -2/3 1/3 1/3 -1 0 1 U4 180 o
5 0 0 1 -1/3 -1/3 2/3 0 -1 1 U5 240 o
6 1 0 1 1/3 -2/3 1/3 1 -1 0 U6 300 o
7 1 1 1 0 0 0 0 0 0 U7 U111
Bảng 1.1: Các điện áp thành phần tương ứng với 8 trạng thái của bộ nghịch lưu.
Ví dụ 1.2: Tính các điện áp thành phần usα và usβ tương ứng với 8 trạng thái trong bảng 1.1?
Điều chế vector không gian điện áp sử dụng bộ nghịch lưu ba pha
Ví dụ 1.3: Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 110:
Khi đó các điện áp pha usa=1/3Udc, usb= 1/3Udc, usc=-2/3Udc.
Phương pháp hình học: có hình vẽ
Hình 1.3: Vector không gian điện áp stator su
r
ứng với trạng thái (110).
Ở trạng thái (110), vector không gian điện áp stator pha 1_phaseu
r có độ lớn bằng 2/3Udc và
có góc pha là 60o.
Ví dụ 1.4: Tìm (độ lớn và góc của) vector không gian điện áp stator )t(us
r
ứng với trạng thái
(101)? (Giải theo phương pháp đại số như trên hay theo phương pháp hình học)
A
su
rB
C
scu
r
Udc
sau
r
sbu
r
scsbsa uuu
rrr ++
U2(110)
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 53
¾ Xét tương tự cho các trang thái còn lại, rút ra được công thức tổng quát
3
)1k(j
dck eU3
2U
π−= với k = 1, 2, 3, 4, 5, 6.
Hình 1.4: 8 vector không gian điện áp stator tương ứng với 8 trạng thái.
3
)1k(j
dck eU3
2U
π−= k = 1, 2, 3, 4, 5, 6. U0 và U7 là vector 0.
Các trường hợp xét ở trên là vector không gian điện áp pha stator.
Hình 1.5: Các vector không gian điện áp pha stator.
3
)1k(j
dck_phase eU3
2U
π−= k = 1, 2, 3, 4, 5, 6
Bằng cách điều khiển chuyển đổi trạng thái đóng cắt các khóa của bộ nghịch lưu dễ dàng
điều khiển vector không gian điện áp “quay” thuận nghịch, nhanh chậm. Khi đó dạng điện áp ngõ
ra bộ nghịch lưu có dạng 6 bước (six step).
U1 (100)
U2 (110) U3 (010)
U6 (101) U5 (001)
U4 (011)
CCW
CW
U0 (000)
U7 (111)
Up1
Up2 Up3
Up6 Up5
Up4
Up0
Up7
Trục usa
a
b
c
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 54
Hình 1.6: Các điện áp thành phần tương ứng với 6 trạng thái.
Điều chế biên độ và góc vector không gian điện áp dùng bộ nghịch lưu ba pha
Hình 1.7: Điều chế biên độ và góc vector không gian điện
áp.
Để không quá điều chế, biên độ điện áp phải nằm trong vòng
tròn nội tuyến của lục giác:
3
dc
s
Uu ≤
U1 (100)
us
T1
T2
U2 (110) U3 (010)
U6 (101) U5 (001)
U4 (011)
CCW
CW
U0 (000)
U7 (111)
α
su
r
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 55
V.1.2: Vector không gian và hệ toạ độ stator (αβ).
a) Vector không gian:
Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha có ba (hay bội số của ba) cuộn dây stator bố trí trong
không gian như hình vẽ sau:
Hình 1.8: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCKĐB ba pha.
(Ba trục của ba cuộn dây lệch nhau một góc 1200 trong không gian)
rotor
stator
Pha A
Pha B
Pha C usc
usa
usb
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 56
Ba điện áp cấp cho ba đầu dây của động cơ từ lưới ba pha hay từ bộ nghịch lưu, biến tần;
ba điện áp này thỏa mãn phương trình:
usa(t) + usb(t) + usc(t) = 0
Trong đó:
Với ωs = 2πfs; fs là tần số của mạch stator; |us| là biên độ của điện áp pha, có thể thay đổi.
(điện áp pha là các số thực)
Vector không gian của điện áp stator được định nghĩa như sau:
[ ]00 240120 )()()(32)( jscjsbsas etuetututu ++=r (1.4)
A
B
C
N
A
B
C
N
usa(t) = |us| cos(ωst)
usb(t) = |us| cos(ωst – 1200)
usc(t) = |us| cos(ωst + 1200)
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 57
b) Hệ toạn độ satator (αβ).
Hình 1.9: Vector không gian điện áp stator su
r và các điện áp pha.
suy ra
V.2: Hệ qui chiếu quay
V.2.1: Hệ toạ độ từ thông rotor (dq).
Với
dt
d r
r
φ=ω (tốc độ quay của từ thông rotor so với stator đứng yên), với φr là góc hợp bởi trục
từ thông rotor (trục d) với trục chuẩn stator (trục α) (là trục cuộn dây pha A).
0
jβ
α
su
r
usa = usα
usβ
usc
usb Cuộn dây
pha A
Cuộn dây
pha B
Cuộn dây
pha C
usa = usα
usb = βα ss u2
3u
2
1 +−
usα = usa
usβ = ( )sbsa u2u3
1 +
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 58
Hình 1.10: Biểu diễn vector không gian si
r
trên hệ toạ độ từ thông rotor, còn gọi là hệ
toạ độ dq.
V.2.2: Chuyển đổi hệ toạ độ αβ ↔ dq.
V.3: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ toạ độ từ thông rotor
V.3.1: Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu.
si
r
isβ
Cuộn dây
pha A
Cuộn dây
pha B
Cuộn
dây pha C
0
α
isα
d
jq
isd
isq θ
rψr
ωr =ωa
ω
φr
Trục từ
thông rotor
Truïc rotor
jβ
∫ dt
d r
r
φ=ω
fsd = fsαcosφr + fsβsinφr
fsq = - fsαsinφr + fsβcosφr
fsα = fsdcosφr - fsqsinφr
fsβ = fsdsinφr + fsqcosφr
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 59
Hình 2.1: Mô hình đơn giản của động cơ KĐB ba pha
mL
s
Rr
rLσsLσsR
sv
si ri
mi
Hình 2.2: Mạch tương đương của động cơ KĐB ba pha
Các thông số của ĐCKĐB ba pha:
Rs điện trở cuộn dây pha của stator (Ω).
Rr điện trở rotor đã qui đổi về stator (Ω).
Lm hỗ cảm giữa stator và rotor (H).
Lσs điện cảm tản của cuộn dây stator (H).
Lσr điện cảm tản của cuộn dây rotor đã qui đổi về stator (H).
P số đôi cực của động cơ.
J momen quán tính cơ (Kg.m2).
Các thông số định nghĩa thêm:
Ls = Lm + Lσs điện cảm stator.
Lr = Lm + Lσr điện cảm rotor.
Ts =
s
s
R
L
hằng số thời gian stator.
Tr =
r
r
R
L hằng số thời gian rotor.
σ = 1 –
rs
2
m
LL
L hệ số từ tản tổng.
stator
Cuộn dây
pha A
isa
usa
irA
isc
usc
isb
usb
Cuộn dây
pha C
Cuộn dây
pha B
rotor
irC
irB
stator
ω
θ
Trục chuẩn
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 60
V.3.2: Mô hình động cơ trong HTĐ từ thông rotor (Ψr).
Trong hệ tọa độ dq, ψrq=0 do vuông góc với vector frψr nên frψr =ψrd .
dt
disd = ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
σ
σ−+σ− rs T
1
T
1 isd + ωsisq + rd
mrLT
1 Ψσ
σ− + sd
s
u
L
1
σ
dt
disq = ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
σ
σ−+σ− rs T
1
T
1 isq−ωsisd− rd
mL
1 Ψωσ
σ− + sq
s
u
L
1
σ
rd
r
sd
r
mrd
T
1i
T
L
dt
d Ψ−=Ψ Khi ψrd = const: sdmrdr iL=ψ=ψ
dt
d rqΨ = 0
và rdslsq
r
m i
T
L Ψ= ω Khi ψrd = const
sd
sq
r
sl i
i
T
1=ω
sqrd
r
m
co iL
LP
2
3M ψ=
dt
dJ
dt
d
P
JMM codiencco
ω=ω=−
sqrd
r
m
co iL
LP
2
3M ψ=
r
sq
r
m
sl
i
T
L
ψω =
Ưu điểm của mô hình ĐCKĐB trong HTĐ dq so với HTĐ αβ:
1. Các đại lượng không biến thiên dạng sin theo thời gian.
2. Hệ phương trình đơn giản hơn (ψrq=0).
3. Phân ly điều khiển từ thông rotor rψr và momen Te (tốc độ ω).
4. Gần giống với điều khiển động cơ một chiều.
sd
r
m
rdr isT1
L
+=ψ=ψ
dt
dJ
dt
d
P
JMM codiencco
ω=ω=−
isd → rψr
isq → Mcơ → ω
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 61
V.4: Điều khiển định hướng từ thông (FOC) động cơ không đồng bộ ba pha
V.4.1: Điều khiển PID
Xem phần trước.
V.4.2: Điều khiển FOC động cơ không đồng bộ ba pha.
ĐC KĐB
==
3~
Udc
Điều
khiển
M
3~
a b c
Nghịch
lưu
2=
3
isa
isb
isα
isβ
rje φ−
isd
isq
φr
αβ → dq abc→ αβ
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 62
ψr , Te , φr=???
K1 , K2 =??? ω, ωmech =???
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 63
Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B
26/09/2010 64
Hình : Hệ thống điều khiển ĐCKĐB ba pha dùng phương pháp FOC.
0 1 2 3 4 5 6 7 8
-10
0
10
M
T
M
e
(N
m
) momen tai
momen dien
i
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
0.5
1
F
i r
(W
b)
tu thong dat
tu thong dap ung
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
500
1000
time (s)
n
(R
P
M
)
toc do dat
toc do dap ung
0 1 2 3 4 5 6 7 8
-200
0
200
time (s)
U
A
U
B
(
V
ol
t)
0 1 2 3 4 5 6 7 8
-10
0
10
I A
I B
(
A
m
pe
re
)
dong dien pha A
dong dien pha B
dien ap pha A
dien ap pha B
Hình : Đáp ứng của hệ thống điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha
khi dùng phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC)
Ví dụ 1: Một động cơ 3 pha, 4 cực, nối Y, 380V, 50Hz, 2,1A, 5,07Nm, J = 0,1kgm2.
Rs = 10Ω, Rr = 6,3Ω, Xσs = 13,5Ω, Xσr = 12,6Ω
Các file đính kèm theo tài liệu này:
giao_trinh_truyen_dong_dien_dc_va_ac_tran_cong_binh.pdf