đồ án điều khiển động cơ không đồng bộ dùng psoc

Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp Luận Văn Tốt Nghiệp Đề Tài: Điều khiển động cơ không đồng bộ dùng PSoc SVTH: Vũ Quang Trình 1 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp Mục lục SVTH: Vũ Quang Trình 1 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp LỜI NÓI ĐẦU Nội dung đồ án này là tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U/f = const và điều chế SPWM. Từ cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều khiển bằng tần số và qua tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũng như đánh giá các phương pháp điều khiển, nội dung của đồ án đã đề xuất ra mô hình biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng trong các hệ truyền động với giá thành thấp, đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của thực tế. Do hạn chế về mặt thời gian nên trong phạm vi đồ án này chỉ dừng lại ở điều khiển vòng hở động cơ không đồng bộ ba pha và hi vọng đề tài sẽ được tiếp tục phát triển trong tương lai. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô trong bộ môn Trang thiết bị Điện - Điện Tử trong công nghiệp và giao thông vận tải cùng các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử đã tận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Văn Nghĩa, đã tận tình chỉ bảo, gợi ý, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành đề tài này. Hà nội, ngày 16 tháng 5 năm2009 SVTH: Vũ Quang Trình 1 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG I Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ ba pha 1. Nguyên lý hoạt động Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau 120 o trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ trường quay. Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn. Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay. Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua. Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây quấn phần cảm nữa nên sdd cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, momen quay cũng không còn. Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường. SVTH: Vũ Quang Trình 2 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp Đồng cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KDB) hay động cơ xoay chiều. Hình 1-1: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ω o (rad/s) hay n o (vòng/phút) thì tốc độ quay của roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ω o ; n < n o ). Sai lệch tương tối giữa hai tốc độ gọi là độ trượt s: o o s ω − ω = ω (1-1) Từ đó ta có: ω = ω o (1 – s) (1-2) hay n = n o (1 – s) (1-3) SVTH: Vũ Quang Trình 3 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp Với: 2 n 60 ω = π (1-4) o 1 o 2 n 2 f 60 p ω = π π = (1-5) f 1 - tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato. Tốc độ ω o là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu không có lực cản nào. Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ. Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1. Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay: o 2 1 np(n f 6 ) s 0 f − = = (1-6) 2. Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha 2.1. Phương trình đặc tính cơ Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ 1-2 SVTH: Vũ Quang Trình 4 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp Hình 1-2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ Trong đó: U 1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V) I µ , I 1 , I ’ 2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã quy đổi về stato (A) X µ , X 1 , X ’ 2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đã quy đổi về stato (Ω) R µ , R 1 , R ’ 2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch roto đã quy đổi về stato (Ω) Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng: ' ' 2 1 2 2 2 o 1 nm 3U M R s R X s R ,[Nm]=     ω +    ÷       + (1-7) Trong đó: X nm – điện kháng ngắn mạch, X nm = X 1 + X ’ 2 2.2. Đường đặc tính cơ SVTH: Vũ Quang Trình 5 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá trị của M. Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1-4, đó là đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha. Hình 1-3: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó: dM 0 ds = (1-8) Giải phương trình ta có: 2 th 2 2 1 nm ' R R s X+ ±= (1-9) Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có: SVTH: Vũ Quang Trình 6 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp 2 1 th 2 2 o 1 1 nm 3U M 2 (R R X )+ω ± = (1-10) Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị s th và M th của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+). Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KDB là một đường cong phức tạp có hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định. Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 ( s = 1 ) và momen mở máy: 2 1 2 mm 2 2 o 1 2 ' nm ' R R ) 3U X M (R =   ω +  +  (1-11) Điểm A ứng với momen cản bằng 0 ( M c = 0 ) và tốc độ đồng bộ: 1 o 2 f p ω = π (1-12) 3. Ảnh hưởng của tần số nguồn f 1 đến đặc tính cơ: Khi thay đổi f 1 thì theo (1-5) tốc độ đồng bộ ω o thay đổi, đồng thời X 1 , X 2 cũng bị thay đổi ( vì X = 2πfL ), kéo theo sự thay đổi của cả độ trượt tới hạn s th và momen tới hạn M th . SVTH: Vũ Quang Trình 7 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số s th = f(f 1 ) và momen tới hạn theo tần số M th = f(f 1 ) là phức tạp nhưng vì ω o và X 1 phụ thuộc tỷ lệ với tần số f 1 nên có thể từ các biểu thức của s th và M th rút ra: th 1 th 2 1 s 1 1 f M f        : : (1-13) Khi tần số f giảm, độ trượt tới hạn s th và momen tới hạn M th đều tăng nhưng M th tăng nhanh hơn. Khi giảm tần số f 1 xuống dưới tần số định mức f 1dm thì tổng trở của các cuộn dây giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện động cơ tăng mạnh. Vì vậy khi giảm tần số nguồn xuống dưới giá trị định mức cần phải đồng thời giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ: 1 1 u const f = (1-14) Như vậy M th sẽ giữ không đổi ở vùng f 1 < f 1dm . Ở vùng f 1 > f 1dm thì không thể tăng điện áp nguồn mà giữ U 1 = U 1dm nên ở vùng này M th sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật f c/ tU ons= để giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất. SVTH: Vũ Quang Trình 8 [...]... Quang Trình 14 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt phần ứng Ngày nay các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển Sau đây xin trình bày phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn f1 3 Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số... những bộ vi xử lý có tốc độ xử lý ngày càng nhanh và sự phát triển của kỹ thuật tính toán đã dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể đạt được chất lượng cao 2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như: - Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch roto Rf - Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato - Điều. .. hàng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, trong máy điều hòa… Tóm lại cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ không động bộ là so với máy điện một chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều... của động cơ Momen sinh ra bởi động cơ bị gợn sóng Các thành phần điều hòa bậc cao có thể loại bỏ khi hoạt động ở tần số cao bởi tính chất cảm của động cơ Nhưng ở tần số thấp động cơ chạy sẽ bị rung, làm ảnh hưởng đến các vòng đồng của roto Động cơ làm việc ở lưới nguồn không ổn định nếu không được bảo vệ sẽ làm giảm tuổi thọ của động cơ Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều khiển. .. nên động cơ không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kW Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ… Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm Trong đời sống hàng ngày, động cơ không. .. dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này Khảo sát cho thấy: • Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment SVTH: Vũ Quang Trình 20 Trường ĐHGTVT nghiệp • Đồ án tốt Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm),... của roto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công thức: ω = ωo (1 − s) (2-2) Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f 1 hoặc thay đổi số đôi cực từ có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ Khi động cơ đã được chế tạo thì số đôi cực từ không thể thay đổi được do đó chỉ có thể thay đổi tần số nguồn f 1 Bằng cách thay đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ Nhưng khi... thuyết điều khiển trực tiếp momen lực ( Direct Torque Control hay viết tắt là DTC ) do giáo sư Noguchi Takahashi đưa ra vào cuối năm 80 Tuy nhiên kỹ thuật DTC vẫn chưa hoàn hảo và cần được nghiên cứu thêm CHƯƠNG 2 CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1 Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ SVTH: Vũ Quang Trình 12 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt Những động cơ. .. toán cho thấy việc giảm 20% tốc SVTH: Vũ Quang Trình 13 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt độ động cơ có thể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào Mà điều này là không thể thực hiện được đối với những động cơ sử dụng trực tiếp điện áp lưới Khi lưới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ hơn đơn vị, dòng điện trong động cơ chứa nhiều thành phần điều hòa bậc cao Điều này làm tăng tổn thất trong động cơ. .. xác và tăng khả năng điều khiển phức tạp Vì vậy, những hệ truyền động với động cơ điện một chiều đang dần bị thay thế bởi những hệ truyền động với động cơ xoay chiều sử dụng điều khiển vector Lý do chính để sử dụng rộng rãi động cơ một chiều trước kia là khả năng điều khiển độc lập từ thông và momen cũng như cấu trúc hệ truyền động khá đơn giản Tuy nhiên chi phí mua và bảo trì động cơ cao, đặc biệt là . đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha. Hình 1-3: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha Đường đặc tính cơ có điểm. truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển. Sau đây xin trình bày phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ