Bài giảng an g co m ĐẠI HỌC NHA TRANG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DC & AC Th iN ga nH Biên soạn: ThS Trần Công Binh THÁNG NĂM 2010 ThiNganHang.com Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN (DC & AC) Động học hệ thống động - tải I.1: Đặc tính tải I.2: Đặc tính động Chương II: Điều khiển vòng hở tốc độ động chiều II.1: Động chiều (động DC) Đặc tính tĩnh động DC Điều khiển tốc độ động DC Các trạng thái hãm II.2: Điều khiển động DC dùng Bộ chỉnh lưu Giới thiệu Bộ chỉnh lưu pha Bộ chỉnh lưu pha II.3: Điều khiển động DC dùng Bộ biến đổi xung áp (Chopper) Bộ chopper giảm áp Bộ chopper tăng áp Hãm tài sinh dùng chopper tăng áp Mạch cầu H điều khiển động DC làm việc góc phần tư Chương III: Điều khiển vịng kín tốc độ động chiều III.1: Mơ hình động động DC III.2: Bộ điều khiển PID III.1: Điều khiển vịng kín động DC Điều khiển vịng hở tốc độ động DC Điều khiển vịng kín tốc độ động DC Điều khiển moment động DC Điều khiển vị trí động DC Bộ điều khiển động DC (DC Drive) Chương IV: Điều khiển tốc độ động không đồng ba pha IV.1: Động không đồng ba pha (ĐCKĐB) Đặc tính tĩnh ĐCKĐB ba pha Khởi động mềm ĐCKĐB ba pha IV.1: Điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha Điều khiển khởi động cách thay đổi điện trở rotor Điều khiển điện áp phần ứng Điều khiển tần số phương pháp V/f Chương V: Điều khiển vector động không đồng ba pha V.1: Bộ nghịch lưu ba pha Vector không gian Bộ nghịch lưu ba pha Vector không gian 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: Mơ hình động khơng đồng ba pha hệt toạ độ từ thông rotor Sơ đồ tương đương động số ký hiệu Mơ hình động HTĐ từ thông rotor (Ψr) V.4: Điều khiển định hướng từ thông (FOC) động không đồng ba pha Điều khiển PID Điều khiển FOC động không đồng ba pha V.5: Bộ biến tần Chương VI: Điều khiển động đồng ba pha Th iN ga nH an g co m Chương I: 26/09/2010 ThiNganHang.com Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) Chương I: T©B Động học hệ thống động - tải an g co m I.1: Đặc tính tải I.1.1: Đơn vị đại lượng học: I.1.2: Phương trình moment M co − M c = J tải tăng tốc tải giảm tốc tải chạy với tốc độ ổn định – xác lập – trạng thái tĩnh ga nH Mcơ > Mc Mcơ < Mc Mcơ = Mc dω dt I.1.3: Các thành phần moment cản Mc: M c = M t + B.ω + M msk + M mst + C.ω2 iN Moment tải Mt B.ω Moment ma sát nhớt Mmsk Moment ma sát khô Mmst Moment ma sát tĩnh Moment cản quạt gió làm mát C.ω2 Thơng thường, đại lượng khác nhỏ, nên bỏ qua: M c = M t + B.ω Th I.1.4: Một số dạng đặc tính tải thường gặp: 26/09/2010 ThiNganHang.com Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) Mt T©B Mt Mđm m ω ω ωđm ωđm Tải moment thay đổi theo tốc độ (Bơm, quạt,…) I.1.5: Moment quán tính: an g co m Tải moment số (Thang máy, cần cẩu, băng chuyền,…) ⎛ ωi2 ⎞ k ⎛ v j ⎞ ⎟ + ∑⎜ mj ⎟ J = J m + ∑ ⎜⎜ J i ⎟⎠ j=1 ⎜⎝ ⎟⎠ i =1 ⎝ n Jm Ji , ωi mj , vj moment quán tính trục động moment quán tính, tốc độ phần tử quay thứ i khối lượng, tốc độ phần tử chuyển động tịnh tiến thứ j Th iN ga nH I.1.6: Các chế độ làm việc: 26/09/2010 ThiNganHang.com Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B a) Hãm tái sinh: _ Pđiện < 0: trả lượng nguồn _ Pcơ < 0: nhận luợng từ tải b) Hãm ngược: _ Pđiện > 0: tiêu thụ công suất từ nguồn _ Pcơ < 0: nhận luợng từ tải Công suất điện + chuyển thành nhiệt an g co m c) Hãm động năng: _ Pđiện = 0: cách ly với nguồn _ Pcơ < 0: nhận luợng từ tải Công suất chuyển thành nhiệt I.1.7: Điều kiện ổn định tĩnh: ga nH dM c dM co > dω dω iN I.1.8: Thông số hệ thống điện cơ: dM _ Độ cứng đặc tính cơ: β = dω _ Công suất định mức … Th I.2: Đặc tính động I.2.1: Đặc tính động DC kích từ độc lập, NCVC: ω ωolt ωo ωđm I, Mcơ I0 26/09/2010 Iđm, Mđm Ikđ, Mkđ ThiNganHang.com Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) Kích từ độc lập: ω= T©B Ru U − M co kΦ (kΦ )2 M co = kΦI u E = kΦ ω ω ωolt ωo ωđm Iu Rư Ikt E U Ukt an g co m Rkt Φkt ω I, Mcơ I0 Iđm I.2.2: Đặc tính động DC kích từ nối tiếp: Kích từ nối tiếp: U k.k kt M co Iu − R u + R nt k.k kt M co = k.k kt I 2u ga nH Rư ω= Int E U Rnt Th iN I.2.3: Đặc tính động DC kích từ hỗn hợp: Rư Iu Ikt Int U E Rkt 26/09/2010 Rnt ThiNganHang.com Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B Ví dụ 1: Một động DC kích từ độc lập, 230V, điện trở phần ứng 0,2Ω, tốc độ không tải lý tưởng 1000 vòng/phút Ở chế độ định mức dòng điện phần ứng 40A Biết từ thơng kích từ khơng đổi định mức Tính tốc độ momen điện từ (moment cơ) định mức động cơ? Tính dịng điện khởi động moment khởi động động cơ? ga nH KPhi = 3.8197 E = 400 Pout = 40000 w = 104.7198 M = 381.9719 HS = 0.7273 Ec = 460 nc = 1150 Poutc = 18400 wc = 120.4277 Mc = 152.7887 HSc = 0.7360 Ikd = 500 Mkd = 1.9099e+003 an g co m Ví dụ 2: Một động DC kích từ độc lập có thơng số định mức 500V, 100A, 1000 vịng/phút Điện trở phần ứng 1Ω Từ thơng kích từ khơng đổi định mức Tính momen cơng suất định mức động cơ? Tính hiệu suất động định mức công suất tổn hao cuộn kích từ 5kW Động mang tải có dịng điện phần ứng 40A Tính tốc độ, momen hiệu suất động đó? Tính dịng điện khởi động moment khởi động động cơ? Vẽ đặc tuyến momen - tốc độ điểm tính iN Ví dụ 3: Một động DC kích từ nối tiếp, có điện trở phần ứng 0, 2Ω điện trở cuộn kích từ 0,1Ω Thơng số định mức động 450V, 40A, 1000 vòng/phút Khi động vận hành định mức : Tính tốc độ momen động cơ? Tính cơng suất hiệu suất động cơ? Tính dịng điện khởi động moment khởi động động cơ? Th KPhi = 4.1826 E = 438 Pout = 17520 w = 104.7198 M = 167.3037 Pout = 17520 Pin = 18000 HS = 0.9733 Ikd = 1.5000e+003 Mkd = 2.3527e+005 Ví dụ 4: Một động DC kích từ nối tiếp vận hành chế độ định mức 161,2 Nm, 1000 vòng/phút, 41A, 420V Tổng điện trở phần ứng cuộn kích từ 0,2Ω Tính tốc độ dịng điện động momen điện 87 Nm? 26/09/2010 ThiNganHang.com Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B I.2.4: Đặc tính động không đồng ba pha: Mạch tương đương động không đồng ba pha Rs jX’r &I &I ' R 'r jXs r s &I Fe RFe jXm Mạch tương đương động KĐB &I s Rs jXs jX’r R 'r &I' r Rm & U s 1− s ' Rr s &I m an g co m & U s &I m 1− s ' Rr s jXm Mạch tương đương động KĐB Rt jXt jX’r &I t R 'r s ga nH & U t Sử dụng biến đổi Thevenin cho mạch stator Giả sử Rm > Xm): j.X m & =U & U t s R s + j(X s + X m ) Z t = R t + j.X t = (R s + j.X s ) j.X m R s + j(X s + X m ) Mạch tương đương ĐCKĐB ba pha bỏ qua nhánh từ hoá: jX’r Rs &I ' jXs Th & U s iN r R 'r s Mạch tương đương đơn giản động KĐB ⎛ R 'r ⎞ 3U ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ s ⎠ M co = ωs ⎛ R' ⎞ ⎜⎜ R s + r ⎟⎟ + X s + X 'r s ⎠ ⎝ s ( 26/09/2010 ) ThiNganHang.com T©B Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) Mcơ Mmax T Mđm Mkđ A TL dT dT = , hay =0 ds dn Độ trượt tới hạn: sp ứng với Tmax sp = Tmax Tst = ω an g co m ωp ωđm ωs R 'r R s2 + (X s + X 'r ) U2 s = ω s R + R + (X + X ' )2 s s s r 3U s2 R 'r ω s (R s + R 'r )2 + (X s + X 'r )2 Th iN ga nH T = Tmax s sp + sp s 26/09/2010 ThiNganHang.com T©B Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) Chương II: Điều khiển vòng hở tốc độ động chiều Φ Φđm ga nH Ikt an g co m II.1: Động chiều (động DC) II.1.1: Đặc tính tĩnh động DC a) Đặc tính động DC kích từ độc lập, NCVC: E~ω ~n ⇒ M co = kΦI u Th iN Kích từ độc lập: E U − R u Iu = kΦ kΦ U Ru ω= − M co kΦ (kΦ )2 ω= ωolt ωo ωđm Iu Rư Ikt Rkt E ω Ukt U Φkt ω 26/09/2010 I, Mcơ I0 Iđm ThiNganHang.com T©B Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) ω ωolt ωo ωđm I, Mcơ I0 Iđm, Mđm Ikđ, Mkđ b) Đặc tính động DC kích từ nối tiếp: Kích từ nối tiếp: U k.k kt M co Iu Rư Int R u + R nt k.k kt an g co m ω= − M co = k.k kt I 2u U E ga nH Rnt II.1.2: Điều khiển tốc độ động DC kích từ độc lập a) Điều khiển điện áp phần ứng: Ru U − M co kΦ (kΦ )2 U giảm ⇒ ω giảm iN ω= Th U giảm Ikt Rkt E ωolt ωđm Iu Rư ω Ukt U Φkt ω Mđm Mcơ b) Điều khiển từ thơng kích từ: ω= Ru U − M co kΦ (kΦ )2 26/09/2010 Φ giảm ⇒ ω tăng 10 ThiNganHang.com T©B Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) ω ωmax Pmax Φ giảm ωolt Iu VR Ikt Rkt E ωđm U Ukt Φkt ω Mmax an g co m Rư Mđm Mcơ Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng từ thông Điều khiển thay đổi tốc độ ω thông qua: _ điều khiển điện áp phần ứng U khi: ω < ωđm _ điều khiển từ thơng kích từ Φ khi: ω > ωđm Mcơ Điều khiển Φ ga nH Điều khiển U iN Mđm Pđm Iưđm ω ωđm ωmax Th Mđm 26/09/2010 11 ThiNganHang.com T©B Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) c) Điều khiển điện trở phần ứng: Ru U − M co kΦ (kΦ )2 ω= Rư tăng ⇒ ω giảm ω ωolt VR ωđm Iu VR tăng Ikt Rkt E Ukt an g co m Rư U Φkt ω Iưđm, Mđm Iư, Mcơ d) Khởi động đông DC kích từ độc lập: Th iN ga nH Dịng điện khởi động khơng lớn khả chịu dịng chổi than (thường 3Iđm) Moment khởi động không lớn khả chịu đựng tải (thường 3Mđm) II.1.3:Các trạng thái hãm động DC kích từ độc lập: a) Hãm tái sinh: _ Pđiện < 0: trả lượng nguồn _ Pcơ < 0: nhận luợng từ tải 26/09/2010 12 ThiNganHang.com T©B Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) Iu Rư Ikt U Rkt E Ukt Φkt ω ω II an g co m I Φ giảm ωolt ωđm U giảm Th iN ga nH Mđm Mcơ b) Hãm ngược: _ Pđiện > 0: tiêu thụ công suất từ nguồn _ Pcơ < 0: nhận luợng từ tải 26/09/2010 13 ThiNganHang.com T©B Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) Công suất điện + chuyển thành nhiệt Iu Rư Rph Ikt U Rkt E Ukt Φkt Th iN ga nH an g co m ω c) Hãm động năng: _ Pđiện = 0: cách ly với nguồn _ Pcơ < 0: nhận luợng từ tải Công suất chuyển thành nhiệt Iu Ikt Rư Rph Rkt E Ukt Φkt ω 26/09/2010 14 ThiNganHang.com T©B an g co m Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) d) Hệ động - máy phát (Ward-Leonard): ω II I Φ giảm ωolt ga nH ωđm U giảm III Mđm Mcơ I Th iN II.2: Điều khiển động DC dùng Bộ chỉnh lưu II.2.1: Giới thiệu Phần trình bày chỉnh lưu pha pha, biến điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp chiều (DC) để cấp cho động Đồng thời chỉnh lưu có điều khiển điều khiển độ lớn điện áp DC để điều khiển thay đổi đại lượng làm việc động tốc độ, moment,… 26/09/2010 15 ThiNganHang.com T©B an g co m Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) Bộ chỉnh lưu biến điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp chiều (DC) dạng gợn sóng Bộ chỉnh lưu thường làm méo dạng điện áp nguồn Khi phân tích sịng hài tồn sóng hài (hài bậc 1, 50Hz) sóng hài hoạ tần bậc cao Độ méo dạng định nghĩa: iN ga nH I − I12 THD = I1 Th II.2.2: Bộ chỉnh lưu pha a) Bộ chỉnh lưu tia pha: U dc _ tb = 26/09/2010 U phase _ RMS π 16 ThiNganHang.com T©B Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) b) Bộ chỉnh lưu tia pha có điều khiển: U phase _ RMS 2π (1 + cos α ) Th iN ga nH an g co m U dc _ tb = U dc _ tb = 26/09/2010 c) Bộ chỉnh lưu cầu pha: 2 U phase _ RMS π 17 ThiNganHang.com T©B Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) d) Bộ chỉnh lưu cầu pha điều khiển bán phần: U phase _ RMS π (1 + cos α ) an g co m U dc _ tb = ga nH d) Bộ chỉnh lưu cầu pha điều khiển toàn phần: 2 U phase _ RMS π cos α Th iN U dc _ tb = 26/09/2010 18 ThiNganHang.com T©B Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) U dc _ tb = 3 U phase _ RMS 2π an g co m II.2.3: Bộ chỉnh lưu pha a) Bộ chỉnh lưu tia pha: b) Bộ chỉnh lưu tia pha có điều khiển: cos α iN ga nH c) Bộ chỉnh lưu cầu pha: Th U dc _ tb = U dc _ tb = 26/09/2010 3 2U phase _ RMS π d) Bộ chỉnh lưu cầu pha điều khiển bán phần: 3 U phase _ RMS 2π (1 + cos α ) 19 ThiNganHang.com ... Điều khiển động đồng ba pha Th iN ga nH an g co m Chương I: 26/09/2010 ThiNganHang.com Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) Chương I: T©B Động học hệ thống động - tải an g co m I.1: Đặc tính... M t + B.ω Th I.1.4: Một số dạng đặc tính tải thường gặp: 26/09/2010 ThiNganHang.com Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) Mt T©B Mt Mđm m ω ω ωđm ωđm Tải moment thay đổi theo tốc độ (Bơm,... tịnh tiến thứ j Th iN ga nH I.1.6: Các chế độ làm việc: 26/09/2010 ThiNganHang.com Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B a) Hãm tái sinh: _ Pđiện < 0: trả lượng nguồn _ Pcơ < 0: nhận