đồ án điện cơ_điều chỉnh tốc độ động cơ kđb bằng phương pháp tần số

Đặcbiệt là hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử dụng cho động cơ KĐB rôto lồng sóc sẽ có kết cấu đơn giản vững chắc giáthành hạ có thể làm việc trong n

đồ án môn hoc Tổng hợp hệ điện cơ

Lời nói đầuTrong những năm gần đây có sự ra đời và ngày càng hoàn thiện của các

bộ biến đổi điện tử công suất, với kích thớc gon nhẹ, độ tác động nhanh cao,

dễ dàng ghép nối với các thiết bị vi sử lý các hệ thuyền động ngày nay ờng sử dụng nguyên tắc sử dụng véc tơ cho các động cơ xoay chiều Phầnlớn các điều khiển này thơng dùng kĩ thuật số với chơng trình phần mền linhhoạt, dễ dàng thay đổi cấu trúc tham số hoặc luật điều khiển Vì vậy tăng độchính xác và tác động nhanh cho hệ truyền động

th-2 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng ph ơng pháp tần số:

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi tần nguồn áp,cho phép mở rộng phạm vi sử dụng động cơ KĐB trong nhiều ngành côngnghiệp Nó cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động họccủa hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơKĐB nói riêng Trớc hết chúng ta ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc

độ nhiều động cơ cùng một lúc nh các truyền động của nhóm máy dệt, băngtải, bánh lăn phơng pháp này còn đợc ứng dụng cho cả các thiết bị đơn lẻnhất là những cơ cấu có yêu cầu tốc tốc độ cao nh máy ly tâm , máy mài Đặcbiệt là hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi nguồn cung cấp

sử dụng cho động cơ KĐB rôto lồng sóc sẽ có kết cấu đơn giản vững chắc giáthành hạ có thể làm việc trong nhiều môi trờng

Nhợc điểm cơ bản của hệ thống này là mạch điều khiển rất phức tạp

Đối với hệ thống này động cơ không nhận điện từ lới chung mà từ một bộ biếntần Bộ biến tần này có khả năng biến đổi tần số và điện áp ra một cách độclập với nhau Trong phần này đề cập đến hai nội dung : Nguyên lý điều chỉnhtốc độ động cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số và các loại biến tần dùng trong

hệ truyền động biến tần - động cơ KĐB

a Nguyên lý điều chỉnh tần số:

Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số fi của

điện áp stato đợc rút ra từ biểu thức xác định động cơ KĐB

s = 2..fs

Vậy sức điện động của dây quấn stato của động cơ tỷ lệ với tần số ra và từthông Es = C..fs

Mặt khác nếu bỏ qua độ sụt áp trên tổng trở dây quấn stato tức coi

Vậy đồng thời với việc điều chỉnh tần số ta phải điều chỉnh cả điện áp nguồncung cấp Từ công thức trên ta thấy khi điều chỉnh tần số mà giữ nguyên điện

áp nguồn Us không đổi thì từ thông động cơ sẽ biến thiên

*Khi s giảm từ thông  của động cơ lớn lên làm cho mạch từ bão hoà vàdòng điện từ hoá lớn lên Do các chỉ tiêu năng lợng xấu đi và đôi khi nhiều

động cơ còn phát năng lợng quá mức cho phép

*Khi s tăng từ thông  của động cơ giảm xuống và nếu mômen phụ tải không

đổi thì theo biểu thức M = k..I.n.cos ta thấy dòng điện rôto Ir phải tănglên.Vậy trong trờng hợp này dây quấn động cơ chịu quá tải còn lõi thép thìphải non tải Ngoài ra cũng vì lý do trên mômen cho phép và khả năng quá tảicủa động cơ giảm xuống

1

fs C Es Us

X s Rs Is

Us      

Vì vậy để tận dụng khả năng động cơ một cách tốt nhất là khi điều chỉnh tốc

độ bằng phơng pháp biến đổi tần số ngời ta còn phải điều chỉnh cả điện áp vàdòng điện theo hàm của tần số và phụ tải

Việc điều chỉnh này chỉ theo hàm của tần số có đặc máy sản xuất có thể đợcthực hiện trong hệ kín Khi đó nhờ các mạch hồi tiếp điện áp ứng với một tầncho trớc nào đó sẽ biến đổi theo phụ tải

Yêu cầu chính đối với đặc tính của truyền động điều chỉnh tần số đảm bảo độcứng đặc tính cơ và khả năng quá tải trong toàn bộ dải điều chỉnh tần số vàphụ tải ngoài ra còn có thể có vài yêu cầu về điều chỉnh tối u trong chế độ tĩnh

b Các loại biến tần :

gồm hai loại: Biến tần trực tiếp

Biến tần gián tiếp

điều khiển này thay đổi dễ dàng tần số mà không phụ thuộc vào lới

 Biến tần nguồn dòng :

Sơ đồ đơn giản, làm việc tin cậy, đã từng đợc sử dụng rộng rãi để điềukhiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha, rôto lồng sóc Sơ đồ gồm một cầuchỉnh lu và một cầu biến tần, mỗi tiristor đợc nối tiếp thêm một một điôt gọi

U U

A

I I I

I

s d d

s

s d d

s

370 cos

6 3 cos

6 3

7 , 116 6

6

1 1

1

1 1

U

A I

c

c

740 370

2

182 91 2

Dùng để chọn cả T và D

 Chọn Diôt loại B - 200 có các thông số sau:

LoạI Itb(A) Uim(V) U(V) Tốc độ quạt(m/s)

 Chọn Tiristor loại TL - 250 có các thông số sau:

Loại I(A) Uim(V) U(V) Toff(s) Ig(V) Ug(V) du/dt(V/s)

* Tụ chuyển mạch C1 - C6 đợc tính theo công thức

2

m n

m max

m

1 m

I f

U 202 , 0 L f U

f I 91 , 0 666

- L: điện cảm một pha (rôto+stato) = 2x7,3.10-3H

- Um: biên độ cực đại điện áp dây = 380V

2 3 3

50 5 , 63

380 202 , 0 10 6 , 14 100 380

50 5 , 63 91 , 0 666

I

U L







3 134 , 0

) ( 028 , 0 7 , 116 05 , 0 314

5 , 370 3 134 , 0

6 3

7 , 116 3

 Chọn Tiristor Loại T-250 có các thông số sau:

Loại I(A) Uim(V) U(V) Toff(s) Ig(V) Ug(V) du/dt(V/s)

2I2 I2 A

I sqN  N  sdN 

3 Hằng số thời gian roto Tr ở chế độ danh định.

s I

I T

sdN rN

sqN

1 , 68 9 , 87

7 , 113

sdN

I 3

U I

I cos sin

220 2

, 109

1 , 68 72 , 0 62 , 0

220 2 3

2



X I

7 , 2

X

s

h m m

L T

I f

X I R

R

H f

X L X X

s

s s

sqN N

n sdN rN r

s

N

n s

n

09125 , 0 08 , 0

0073 , 0

) ( 08 , 0 2

, 109 314

296 , 2 1 , 68 9 , 87 2

) ( 0073 , 0 2

149 , 0 296 , 2

342 , 0

17 , 0

Máy phát tốc là thiết bị đo tốc độ trong hệ truyền động Mạch nguyên

lý đo tốc độ bằng máy phát tốc một chiều

Khi từ thông máy phát tốc không đổi điện áp đầu ra máy phát tốc

Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền máy phát tốc

K

P P

P fF

10 /

4 , 75 60

2

F

ft 1 0,001

1326 , 0

b.Phản hồi dòng:

Sử dụng mạch phản hồi dòng một chiều có cấu tạo đợc trình bày trên hình vẽ

Nguyên lý hoạt động:Dòng Id sau mạch chỉnh lu đợc cho qua đIện trởRsun sẽ tạo ra một đIện áp vi sai có độ lớn trong khoảng từ 0-75mV.ĐIện áp

vi sai này đợc đa vào đầu vào của khuyếch đạI thuật toán để khuyếch đạI tạo

ra đIện áp ra tỉ lệ với dòng Id.

Chọn đIện áp vào vi sai bằng 75mV

điện áp ra sau khuyếch đại thuật toán bằng 10V

=>hệ số khuyếch đại của OA bằng:

10

R

R Uv

Ur

w s

Từ các quan hệ tính mômen có thể kết luận rằng nếu giữ từ thông máy

hoặc từ thông stator  s không đổi thì mômen sẽ không phụ thuộc vào tần

số và mômen tới hạn sẽ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh Nếu coi RS =

0 thì:

const U

U

dm 0

sdm 0

Tuy nhiên ở vùng tần số làm việc thấp khi mà sụt áp trên điện trở stator

có thể so sánh đợc sụt áp trên điện cảm mạch stator khi đồng thời từ thôngcũng giảm đi và do đó mômen tới hạn cũng giảm đi

Có thể thiết lập đợc chiến lợc điều chỉnh để giữ biên độ từ thông rotorkhông đổi: r  const ở phần mô tả động cơ không đồng bộ, hoặc dựa vào sơ

đồ thay thế ta có thể tính đợc từ thông rotor và phơng trình cân bằng mạchrotor ở dạng các thành phần vector trên các trục toạ độ ox và oy:

ry

r y r

ry s

rx

r x r

ry r

sy m ry

rx r

sx m rx

p i

R 0

p i

R 0

i L i

L

i L i

L

Nếu giữ đợc biên độ vector từ thông r  constthì p  r =0 và

, 0 p

ry s sx m ix r

) i L (

T 1 0

) i L (

T 1 0

trong đó:

r

r r

2 2 sy 2

i

Ta có thể rút ra biểu thức cuối cùng:

2 s r m

rdm

L

I    Vậy khi giữ biên độ từ thông rotor không đổi thì vector từ thông rotorluôn vuông pha với vector dòng điện rotor và do đó momen điện từ của độngcơ hoàn toàn tỷ lệ với biên độ dòng điện rotor

Điều chỉnh từ thông là trờng hợp giữ từ thông luôn không đổi và bằnggiá trị từ thông định mức, nh vậy có thể khai thác hết công suất mạch từ của

động cơ KĐB

* Trong thiết kế môn học này chọn phơng pháp điều khiển tần số thông qua từthông động cơ cụ thể là điều chỉnh từ thông không đổi qua quan hệ dòngchính lu Id và tần số trợt f2

- Bản chất của phơng pháp này là thông qua việc duy trì quan hệ giữa dòng

điện stato I1 và tần số trợt f2 sao cho từ thông của máy điện đợc giữ không đổi

 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tần số động cơ KĐB qua quan hệ I1 (f2)

7

- Sơ đồ cấu trúc điều khiển gồm hai kênh điều khiển:

* Kênh điều khiển biên độ bao gồm hai mạch vòng điều chỉnh: mạch vòng

điều chỉnh tốc độ và mạch vòng điều chỉnh dòng điện Tín hiệu đầu ra của bộ

điều khiển tốc độ R là tín hiệu đặt của mạch vòng điều chỉnh dòng điện Tínhiệu ra của bộ điều chỉnh dòng điện là tín hiệu điều khiển biên độ a dòng Id

* Kênh điều khiển tần số thực hiện quan hệ:

m 2

1 f f

f    Trongđó fm: tần số quay r

2 2

2 2 2 2 2 1

f 1

* f 1

2 m 2

2 dm 1 2

L L

L 1 R

L

điều chỉnh tốc độ R theo kênh 1

Căn cứ vào biểu thức tính toán mômen và dòng điện ta có thể thành lập

đợc sơ đồ cấu trúc của hệ thống:

) ( F T

1 L

s

2 r m

rdm

2 S s M M 2 r

2 s

2 s s r

2

T 1

I.

R

L 2

II Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng dòng điện

- Để tiện cho việc tính toán, thiết kế đợc bộ điều chỉnh dòng điện R1, ngời tadùng sơ đồ đơn giản sau:

Trong đó Ld, Rd: điện cảm, điện trở cuộn kháng lọc

L1t, R1: điện cảm tản, điện trở 1 pha stato

L2t, R2: điện cảm tản, điện trở 1 pha roto quy đổi về stato

s: hệ số trợt

* Ta có hàm truyền đạt bộ chính lu

CL

CL dk

d dk

K U

U W

- Việc tổng hợp chính xác mạch vòng dòng điện rất phức tạp vì thành phần

điện trở của mạch vòng dòng điện phụ thuộc vào S => Một cách gần đúng ta

bỏ qua các thành phần điện trở và điện kháng tán

Ta đợc:

t 1 d

d

L 2 L

L

R 2 R

R /

1 pL

R

U I

=> Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển mạch vòng dòng điện

R/1

-U

iđo

Uidi

R

CL

CL

pT1

K



K

đo

2 r

2 s

2 s s 2

2 m

T 1

I R

L ' p 2

3 M







 s: tốc độ truyền của động cơ

Tr: hằng số thời gian mạch roto

=> Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng điện, tốc độ

Trong đó:

2 s s M M 2 r

2 s

2 s s r

2

T 1

I R

L 2

I K





- Tuyến tính hoá biểu thức tính mômen động cơ (tại điểm định mức)

s s

s s

I I

M M

I 2 R

Lm 2

3 I M

A ) T 1

(

T 1

I R

Lm 2

3 M

2 r

2 sdm

sdm sdm r

2

s

2 2 r

2 sdm

2 r

2 sdm 2

sdm r

MC

IS-U

R/K

CL

CL



32

L 2

3

Jp1





pT1

K

Kdo

_ +

IV Tính toán các tham số trong sơ đồ tuyến tính hoá.

1 Hệ số máy biến dòng điện (đo dòng một chiều)

08569 , 0 7 , 116

I

U K

5 , 37 10

5 , 370

2 Máy phát tốc

p pT

K p

F tt

01 , 0 1

1326 , 0 1

I K

i  Isdm: dòng điện định mức Idđm = 117 A (khi Is = đm = 91A)

s / rad 4 , 75 55 , 9

720 55

, 9

n

s / rad 7 , 104 3

f 2

S

e

e dm

e sdm

/ 3 , 29 4 , 75 7 , 104



4 Khâu chỉnh lu

CL

CL CL

pT 1

K W

R / 1

1 d

L 2 L L

R 2 R R



1pT 1pT

R/K

CL

I CL



32

1 1

2 2 0, 08 0,16

2 0, 028 2 0, 00054 0, 02908 0,18175

CL

R R

L L L

L T

R

R K

, 0

022 , 0 2

3 1

2 2

3

*

86 , 13 01822

, 0 1 , 29 1

01822 , 0 1 , 29 1 91 19 , 0

022 , 0 2

3

1

1 2

3

*

2 2

2 2

2 2

2 2 2

2 2

2 2

2 2 2

2 2 2

sdm sdm r

m

r sdm

r sdm sdm

r m

T

I R

L B

A

T

T J

R

L A

K

=> Hàm truyền của đối tợng điều chỉnh:

    1 ,0 0051 ,0 18175

44, 0 1

Ki

p T 2 p T 2 1

1 )

p

p pT

pT T

K

T W

ir

CL i ir

18175 ,

0 18175 ,

0 1 8702

,

0

18175 ,

0 18175 ,

0 1 005 , 0 887 , 20 2

18175 ,

0 1

2

18175 , 0

18175 , 0 1 8702 , 0 ) (

p

p p

R

CL s

pT 1 (

2 2

05 , 0 2 005 , 0 2 1

1 )

(

p p

*kiểm nghiệm bộ điều chỉnh dòng Ri bằng Matlab-Simulink:

Đặc tính quá độ của dòng điện:

VI Tổng hợp mạch vòng tốc độ

ở trên, ta dùng tiêu chuẩn môdun tối u để tổng hợp mạch vòng dòng điện:

2 CL

2 CL do

Ki

T p 2 pT 2 1

1

T T

K K

Ki

CL i

do i

01 , 0 1

7 , 11

01 , 0 005 , 0 2

2

7 , 11 08569 , 0

1 1

K F

- Khi bỏ qua MC ta có sơ đồ tơng đơng sau:

* Hàm truyền của đối tợng cần điều khiển:

K p AT A K

CK

S

pT

K Jp A K C p

T

S

i

i ir

F

o

F i

o

1 1

1

1

1

1

3 3 2 2

3 3 2 2

3 3 2 2

8 1

1 1

1

4 1 )

(

8 8

4 1

4 1 1

8 8

4 1

4 1 )

(

8 8

4 1

4 1 )

(

p p Jp

pT p

T

K p AT A K CK

p p

R

p p

p

p S

p p

p

p p

R

p p

p

p p

F S

i

i ir

F o

DX k

81

1.1

41)

(

p p Jp

T Ti

K p AT A K CK

p p

R

i ir

K p T

p A K CK T K

J A

K CK T K

J A

K CK AT

p A B T K

J A

B T K

pJ T A

K CK

AT

R TR

ir F s ir

F s ir

F i

s s

s

ir F i

1

) 8

2 1

1

) ' ' 8

' ' 8

4 1 1

2

2 2

Ta thấy hàm truyền R(p) có dạng một khâu trễ nối tiếp với một khâu PI

Ta có:

0002139 ,

0 86 , 13 08569 , 0

1 12 , 3 79 , 15 3 2

005 , 0 4 86 , 13 2

AT T

ir F

i tre

Ta thấy thời gian trễ nhỏ có thể bỏ qua

R

p A K CK T

K

J T

A K CK T

K

J K

ir F s

ir F s

R

04619 , 0

1 9525

, 0 )

(

04619 , 0 ) 8

1

9525 , 0 2

1





*Kiểm nghiệm bộ điều chỉnh tốc độ R bằng Matlab-Simulink

Đồ thị quá độ của tốc độ trớc và sau khi có bộ lọc

16

Đặc tính quá độ của mômen động cơ với tảI định mức và không định mức

17

6.25 0.18175s+1 Transfer Fcn6

1

0.044s+1

Transfer Fcn5

0.1326 0.001s+1 Transfer Fcn4

1 1.8s Transfer Fcn3

37.5 0.005s+1 Transfer Fcn2

0.18175*0.8702s+0.8702 0.18175s Transfer Fcn1

0.044s+1 0.04619s Transfer Fcn Step

Scope2

Scope

K Matrix Gain3

K Matrix Gain2

K Matrix Gain1

K

Matrix Gain

18

1 thời điểm Điều kiện mở là:

- Xung điện áp dùng đờng đa vào cực phải đủ lớn về biên độ và độ rộng

- Có điện áp dơng đặt lên thyristor từ A->K

Để thay đổi điện áp, dòng điện => phải thay đổi góc mở  nghĩa là thay đổi thời

điểm phát xung hay góc  Ta áp dụng phơng pháp điều khiển số

1 Sơ đồ mạch điều khiển (một kênh)

- Điện áp các pha A, B, C đợc đa qua bộ đồng bộ với lới đợc 6 tín hiệu đồng bộ+A, +B, +C, và -A, -B, -C tạo ra các xung tơng ứng với góc mở =0 của 6thyristor

- Mỗi xung ra từ bộ đồng bộ với lới đợc đặt vào trigơ RS để tạo ra tín hiệu đồngpha (C)

- Đa xung vuông vào bộ đếm cho phép bộ đếm hoạt động trong khi xung cao tầnliên tục đợc cấp vào chân CLK của bộ đếm

19

Vi mạch đếm sẽ thực hiện đúng 16 xung và đa ra 1 xung vuông (F) Xung nàyxác định thời điểm mở thyristor Vậy khoảng thời gian đếm 16 xung chính là góc

mở 

- Tần số bộ phát xung có thể thay đổi do đó thời gian đếm 16 xung có thể thay

đổi hay có thể thay đổi góc mở 

- Thời gian đếm 16 xung:

) rad ( f

- Khi tần số tăng thì thời gian đếm hết 16 giảm do đó  bé và ngợc lại Khi góc biến thiên từ 0-180 với tần số ??? f=50Hz => thời gian t tơng ứng từ 0->0,01s

Hz 6 ,

3

10 64

- Xung ra từ (D) đợc đa tới cổng AMD cùng với xung tần số cao đợc phát ra từmạch tự dao động 555 để tạo ra xung (E) đa đến biến áp xung để tạo xung điềukhiển mở thyristor tại thời điểm (góc ) đã định

 Sơ đồ điều khiển một kênh và biểu đồ dạng xung đợc trình bày nh hình vẽ

20

2 1 3

+15

+15

R R

3

5 C +15

S R

T A

21

B Mạch điều khiển nghịch lu

- Chức năng của mạch điều khiển là tạo ra những xung có biên độ, độ rộng vàthời điểm thích hợp để điều khiển mở các Tiristor của mạch động lực sao cho cácTirisitor của bộ nghịc lu dòng 3 pha đợc đóng mở thứ tự từ T1-T6 lẹch nhau /3

22

FX: Bộ phát chủ đạo, phát xung có tần số thích hợp với yêu cầu của tần số bộbiến tần.

FFX: Phân phối xung từ FX đến các Tiristor

TX: Trộn giữa xung của FFX với xung của DĐ để tạo xung chùm

DĐ: Bộ tạo xung dao động có tần số không đổi

KĐ: Khuyếch đại xung có biên độ thích hợp để mở Tiristor

2 Yêu cầu đối với mạch điều khiển

a Bộ FX: Tự động phát ra xung có tần số thay đổi đợc

Chu kỳ dòng điện ra của bộ biến tần nguồn dòng:

- Để thực hiện đợc yêu cầu trên, ta thấy: Bộ FFX là sử dụng thanh ghi dịch 6 bit.Thời gian để 1 bit của thanh ghi trở về trạng thái ban đầu phải bằng chu kỳ của dòng điện ra Thực hiện mạch này bằng 3 D-FF đợc mắc nh hình vẽ

Q1 Q1

23

Từ nhận xét trên và qua bảng trạng thái ngõ ra của thanh ghi dịch 6 bit ta thấy:

- Các tín hiệu A, B, C lần lợt đợc lấy từ các đầu ra Q1, Q3 và Q 2

- Các tín hiệu A’, B’, C’ lần lợt đợc lấy ra từ các đầu ra Q2, Q 1 và Q 3

- Giả sử giản đồ phát xung đã trình bày ở trên là dùng để phát cho BBĐ cung cấpdòng cho Động cơ làm việc ở chế độ chạy thuận Để động cơ quay ngợc ta chỉcần đổi thứ tự phát xung vào các Tiristor bằng cách đổi pha B cho pha C Việcnày đợc thực hiện dễ dàng bằng MUX 74157 đợc trình bày nh trên hình vẽ

- Để hãm tái sinh năng lợng, phải ??? (trang 28) chậm các Tiristor của bộ nghịch

lu do đó làm giảm tần số của bộ nghịch lu sao cho động cơ quay quá tốc độ đồng

bộ và trở thành máy phát Trong chế độ hãm tái sinh ta chỉ cần đảo các xung A’,B’, C’ Việc này cũng đợc thực hiện bằng vi mạch ??? kênh MUX 74157 đợctrình bày nh hình vẽ

CLK

D2 Q2

Q2 CLK

PR PR

D3 Q3

Q3 CLK

PR CLK

12

13

MUX

1 15 2 3 4

5 6 7

11 10 9

14

A E

MUX

1 15 2 3 4

5 6 7

11 10 9

14

A E 12