Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ sử dụng biến tần

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ *** BÁO CÁO ĐỒ ÁN II ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG BIẾN TẦN Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Anh Tân TS Giáp Văn Nam Chữ ký GVHD: Sinh viên thực hiện: Tạ Văn Nghĩa MSSV:20181676 Hà Nội, 9/2022 Mục Lục LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ .3 1.1 Động không đồng 1.1.1 Mô hình toán học nhiều biến ĐCKĐB pha 1.1.2 Phương trình điện áp .4 1.1.3 Phương trình từ thông .5 1.1.4 Phương trình chuyển động .7 1.1.5 Phương trình momen .7 1.1.6 Mô hình toán học ĐCKĐB pha .8 1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB 1.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện áp cấp cho động 1.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch rotor 12 1.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi công suất trượt 14 1.2.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp cho ĐCKĐB 14 1.2.5 Điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC) 18 CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN 22 2.1 Biến tần trực tiếp (xoay chiều- xoay chiều) 22 2.1.1 Biến tần trực tiếp điều khiển riêng 25 2.1.2 Biến tần trực tiếp điều khiển chung .26 2.1.3 Điều khiển biến tần trực tiếp 27 2.2 Biến tần gián tiếp .28 2.2.1 Thiết bị biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu có điều khiển .28 2.2.2 Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm biến đổi xung điện áp 29 2.2.3 Biến tần dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu PWM 29 2.2.4 Biến tần điều khiển theo phương pháp vector không gian .31 2.2.5 Biến tần góc phần tư ( biến tần 4Q) 32 CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SINPWM 34 3.1 Phương pháp điều khiển V/f =const 34 3.1.1 Phương pháp E/f 34 3.1.2 Phương pháp V/f 35 3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung SINPWM 38 3.2.1 Cách thức điều khiển .39 3.2.2 Hiệu quả phương pháp điều khiển 41 CHƯƠNG IV: LỰA CHỌN BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 42 4.1 Cách lựa chọn biến tần 42 4.2 Lựa chọn biến tần điều khiển động .42 4.3 Tính toán các thông số cài đặt biến tần .44 4.3.1 Tính toán thông số bộ nghịch lưu 44 4.3.2 Tính toán thông số bộ chỉnh lưu 47 CHƯƠNG V: MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN .50 5.1 Mô phỏng điều khiển tốc độ ĐCKĐB pha - Phần mềm matlab simulink 50 5.1.1 Mạch chỉnh lưu 50 5.1.2 Bộ lọc 51 5.1.3 Mạch nghịch lưu 52 5.1.4 Động KĐB pha 52 5.1.5 Bộ điều khiển PWM .53 5.2 Kết mô phỏng matlab simulink 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, nước ta giai đoạn phát triển mạnh cơng nghiệp hóa, tự động hóa Trong các nhà máy sản xuất tự động, khơng thể thiếu các động đóng vai trị cấu chấp hành Các hệ thống truyền động điện sử dụng rộng rãi các thiết bị dây chuyền sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải, các thiết bị điện dân dụng ĐCKĐB có nhiều ưu điểm như: kết cấu đơn giản, làm việc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ Với đặc điểm ĐCKĐB ứng dụng rộng rãi các dây truyền sản xuất Trong công nghiệp, ĐCKĐB thường dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa nhỏ, cho các máy công cụ các nhà máy công nghiệp nhẹ Trong nông nghiệp, động dùng làm máy bơm hay máy gia cơng nơng sản phẩm Tóm lại, với phát triển sản xuất điện khí hóa tự động hóa, phạm vi ứng dụng ĐCKĐB ngày rộng rãi Do yêu cầu thiết đặt điểu khiển tốc độ động theo yêu cầu mong muốn Với đời phát triển hệ truyền động điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB ba pha phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp cho mạch stator nhờ các biến tần giải nhiều vấn đề mà thực tế sản xuất yêu cầu Điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB cách biến đổi tần số nguồn cấp cho phép mở rộng phạm vi sử dụng ĐCKĐB nhiều ngành cơng nghiệp Nó cho phép mở rộng dải điều chỉnh nâng cao tính chất động học hệ thống điều chỉnh tốc độ động xoay chiều nói chung ĐCKĐB nói riêng Trước hết, chúng ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động lúc các động truyền động nhóm máy dệt, băng tải, băng lăn,… Phương pháp áp dụng các thiết bị đơn lẻ, cấu có yêu cầu tốc độ làm việc cao : máy ly tâm, máy mài Điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB phương pháp điều chỉnh tần số nguồn cấp cho ta thấy đặc tính điều chỉnh phù hợp với nhiều loại tải Đồng thời dùng phương pháp cho ta kết điều chỉnh vô cấp sử dụng các biến tần thích hợp, ta điều chỉnh tốc độ tuỳ ý Bằng phương pháp này, ta nhận đặc tính cứng, tổn thất khơng lớn Đặc biệt, hệ thống điều chỉnh tốc độ động cách biến đổi tần số nguồn cấp sử dụng cho ĐCKĐB rotor lồng sóc có kết cấu đơn giản, vững chắc, giá thành rẻ Sau thời gian tìm hiểu, em giao đề tài đồ án II “ Điều khiển tốc độ động KĐB sử dụng biến tần” Nội dung đồ án chia làm chương, cụ thể sau: Chương I: TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ (ĐCKĐB) Chương II: GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN Chương III: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SINPWM Chương IV: LỰA CHỌN BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ Chương V: MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Em xin cảm ơn thầy Nguyễn Anh Tân hướng dẫn em nhiệt tình quá trình thực đồ án Mặc dù cố gắng kiến thức có hạn nên chắn không tránh khỏi hạn chế định, mong thầy các bạn đóng góp ý kiến để báo cáo hồn thiện Hà Nợi, tháng 09 năm 2022 Sinh viên thực Tạ Văn Nghĩa CHƯƠNG I: TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ 1.1 Động không đồng Động không đồng ba pha có cấu tạo hình sau Hình 1.1: Cấu tạo ĐCKĐB Đặc trưng cho ĐCKĐB ba pha hệ số trượt S= Trong đó: n tốc độ quay roto f1 tần sớ dịng điện lưới p số đôi cực n1 tốc độ quay từ trường quay (tốc độ đồng bộ động cơ) 1.1.1 Mô hình toán học nhiều biến ĐCKĐB pha Để nghiên cứu mô hình toán học nhiều biến ĐCKĐB, thường phải đưa số giả thiết sau: + Bỏ qua sóng hài, coi cuộn dây pha đối xứng nhau( cách 1200 ), sức từ động sinh phân bố theo quy luật hình sin dọc theo khe hở khơng khí; + Bỏ qua bão hịa mạch từ, tự cảm hỡ cảm các cuộn dây tuyến tính; + Bỏ qua tổn hao lõi sắt từ; không xét tới ảnh hưởng tần số thay đổi nhiệt độ điện trở cuộn dây Dù cho rotor động dây quấn hay lồng sóc tính đổi rotor dây quấn đẳng trị, đồng thời chuyển đổi phía mạch stator, số vịng quấn mỡi pha sau chuyển đổi nhau, vậy, nhóm cuộn dây động thực tế đẳng trị thành mô hình vật lý ĐCKĐB pha( Hình 1.2) 1.1.2 Phương trình điện áp Phương trình cân điện áp nhóm cuộn dây mạch stator pha Phương trình cân điện áp nhóm cuộn dây mạch rotor pha 1.1.3 Phương trình từ thông Từ thông mỡi nhóm cuộn dây tổng từ thơng tự cảm thân từ thơng hỡ cảm các nhóm cuộn dây khác nó, vì từ thơng cuộn dây thể sau: Trong L ma trận điện cảm 6*6, với các phần tử đối góc , , , , , tự cảm các cuộn dây liên quan, các phần tử M lại hỗ cảm các cuộn dây Đối với cuộn dây mỡi pha mà nói, từ thơng mà móc vịng tổng từ thơng hỡ cảm từ thông tản, vì tự cảm các pha mạch stator là: = = = +M Tự cảm các pha mạch rotor là: = = = +M Giữa hai cuộn dây khác có hỗ cảm Hỗ cảm lại phân thành hai loại: + Hỗ cảm ba pha stator hỗ cảm pha rotor cố định, nên hỗ cảm số; + Hỗ cảm pha stator với pha rotor thay đổi, hỗ cảm hàm số chun vị góc - Cơng suất: P= 18.5kW (25 HP) - Dòng định mức: 39A - Tần số hoạt động: 50 60Hz (5%) - Điện áp: pha, 380 480VAC - Công suất quá tải: 150% phút - Phương pháp điều khiển: V/f, bù trượt, vector không cảm biến - Trọng lượng: 10.0 kg *Cách đấu nối dây biến tần: Hình 4.1: Sơ đồ nối dây biến tần SV185IG5A-4 44 4.3 Tính toán các thông số cài đặt biến tần Hình 4.2: Sơ đồ mạch điều khiển động biến tần 4.3.1 Tính toán thông số bộ nghịch lưu Hình 4.3: Sơ đồ nghịch lưu SinPWM *Nguyên tắc chung Ngày nghịch lưu áp ba pha thường dùng chủ yếu với biện pháp biến đổi bề mặt xung, đảm bảo điện áp có dạng gần hình sin Để đảm bảo điện áp có dạng khơng phụ thuộc vào tải người ta thường dùng biến điệu bề rộng xung hai cực tính, mỡi pha sơ đồ ba pha điều khiển độc lập với Vấn đề biến điệu bề rộng xung ba pha phải có ba sóng sin chuẩn có biên độ xác lệch pha tồn giải điều chỉnh Cần phải 45 đảm bảo dạng xung điều khiển đối xứng khoảng dẫn mỡi khóa bán dẫn xác định xác Giản đồ kích đóng khóa bán dẫn nghịch lưu dựa sở so sánh hai tín hiệu bản: - Sóng mang URC (Carrier Signal) có tần số cao - Sóng điều khiển Udk (Reference Signal) sóng điều chế dạng Sin Sóng mang dạng tam giác Tần số sóng mang cao, lượng sóng hài bậc cao bị khử nhiều Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm tổn hao phát sinh quá trình đóng ngắt tăng Sóng điều khiển Udk mang thông tin độ lớn, trị số hiệu dụng tần số sóng hài điện áp ngõ Hình 4.4: Đồ thị dạng sóng DC-AC SinPWM 46 Hình 4.5: Đồ thị dạng sóng điện áp dây điện áp pha ngõ * Ưu điểm PWM - Tiêu thụ điện - Cơng suất xử lý lượng cao - Biên độ tần số kiểm soát độc lập - Giảm đáng kể THD dòng tải - Giá thành rẻ * Nhược điểm PWM - Mạch khá phức tạp - Băng thông phải lớn để sử dụng giao tiếp - Tiếng ồn điện từ - Suy hao chuyển mạch cao tần số PWM cao - Công suất tức thời máy phát thay đổi 47 Ta sử dụng động KĐB pha có điện áp cần cung cấp cho động 220/380V Vậy áp dụng công thức (4.5), ma = 0.86 thì ta tính nguồn điện DC cung cấp cho nghịch lưu là: Vậy nguồn DC cung cấp cho nghịch lưu 510V 4.3.2 Tính toán thông số bộ chỉnh lưu Hình 4.6: Sơ đồ chỉnh lưu cầu pha 48 - Điện áp các pha lệch góc : *Xét làm việc sơ đồ tại khoảng thời gian Hình 4.7: Đồ thị dạng sóng điện áp chỉnh lưu tải R 49 * Ưu điểm chỉnh lưu cầu - Điện áp chiều lấy có độ gợn sóng nhỏ - Tần số gợn sóng, dễ lọc - Hiệu so với các mạch chỉnh lưu khác * Nhược điểm chỉnh lưu cầu - Biến áp phải lấy điểm giữa, chia thành nửa cân xứng - Có điện áp rơi đặt lên mỗi diode phân cực *Xác định công thức - Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu chu kỳ: * Áp dụng tính toán mơ Do ta tính điện áp trung bình qua tải chu kỳ Ud = E = 510V Từ đó, áp dụng cơng thức (4.7) xét trường hợp có điện áp rơi diode 0.7V 50 Vậy giá trị điện áp ban đầu cài đặt cho chỉnh lưu là: 220 V Hình 4.8: Bảng tính toán cài đặt thơng số biến tần CHƯƠNG V: MƠ PHỎNG VÀ KẾT ḶN 5.1 Mơ phỏng điều khiển tốc độ ĐCKĐB pha - Phần mềm matlab simulink 5.1.1 Mạch chỉnh lưu Hình 5.1 Mạch chỉnh lưu biến tần 51 Hình 5.2 Thông số cài đặt nguồn mạch chỉnh lưu biến tần 5.1.2 Bộ lọc Hỗ trợ chỉnh lưu nghịch lưu dịng điện thích hợp Chức lọc nhiễu tạo dạng sóng hình Sine chuẩn cho tín hiệu đầu biến tần Điều khiển các động cơ, các thiết bị tải hoạt động với độ xác cao, tốc độ cao, tần số cao,… 52 5.1.3 Mạch nghịch lưu Hình 5.4 Mạch nghịch lưu biến tần 5.1.4 Động KĐB pha Động với thông số 20HP_400V_50Hz_1460RPM 53 Hình 5.5: Thông số cài đặt tải động ( =) 5.1.5 Bộ điều khiển PWM Hình 5.6 Bộ điều khiển điều chế xung PWM 54 Hình 5.7: Tốc độ đặt ban đầu động Hình 5.8 Mạch điều khiển động biến tần 55 5.2 Kết mô phỏng matlab simulink Hình 5.9 Kết mơ dạng sóng điện áp chiều * Nhận xét: - Kết mô (515V) gần với kết tính toán (510V) mục 4.3.1 Tính toán thơng số nghịch lưu Hình 5.10 Kết mơ dạng sóng dịng điện chiều 56 Hình 5.11 Kết mơ dạng sóng điện áp ngõ * Nhận xét: - Kết mô chưa nhân với số m = 0,8 - Khi nhân thêm m = 0,8 Kết ngõ = 520*0,8 = 416 V - Kết mô gần với điện áp ngõ cần để cung cấp cho tải động 400V 57 Hình 5.12: Kết mô tốc độ động momen *Nhận xét: - Đáp ứng tốc độ tốt - Tốc độ động bám khá sát tốc độ đặt - Trong khoảng 1s đầu tốc độ động chưa ổn định khởi động mềm TÀI LIỆU THAM KHẢO Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, (2008)“Điện tử công suất”, NXB khoa học kỹ thuật Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn “Cơ sở truyền động điện”, NXB khoa hoc kỹ thuật Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến, Đoàn Quang Vinh,”Điều khiển động xoay chiều cấp từ biến tần bán đẫn” NXB khoa học kỹ thuật 58 ... dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm biến đổi xung điện áp 29 2.2.3 Biến tần dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu PWM 29 2.2.4 Biến tần điều khiển theo phương... 2.1 Biến tần trực tiếp (xoay chiều- xoay chiều) 22 2.1.1 Biến tần trực tiếp điều khiển riêng 25 2.1.2 Biến tần trực tiếp điều khiển chung .26 2.1.3 Điều khiển. .. II “ Điều khiển tốc độ động KĐB sử dụng biến tần? ?? Nội dung đồ án chia làm chương, cụ thể sau: Chương I: TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ (ĐCKĐB) Chương II: GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN