Điều khiển tốc độ động cơ sử dụng biến tần pot

Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp tần số: Phương 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 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 thước gon nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễ dàng ghép nối với các thiết bị vi sử lý các hệ thuyền động ngày nay thường sử dụng nguyên tắc sử dụng véc tơ cho các động cơ xoay chiều Phần lớn các điều khiển này thương dùng kĩ thuật số với chương trình phần mền linh hoạt, dễ dàng thay đổi cấu trúc tham số hoặc luật điều khiển Vì vậy tăng độ chính xác và tác động nhanh cho hệ truyền động

2 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp tần số:

Phương 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 công nghiệp Nó cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơ KĐB nói riêng Trước hết chúng ta ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc

độ nhiều động cơ cùng một lúc như các truyền động của nhóm máy dệt, băng tải, bánh lăn phương pháp này còn được ứng dụng cho cả các thiết bị đơn lẻ nhất là những cơ cấu có yêu cầu tốc tốc độ cao như máy ly tâm , máy mài Đặc biệt 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 giá thành hạ có thể làm việc trong nhiều môi trường

Nhược 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 lưới chung mà từ một bộ biến tần Bộ biến tần này có khả năng biến đổi tần số và điện áp ra một cách độc lập với nhau Trong phần này đề cập đến hai nội dung : Nguyên lý điều chỉnh tốc 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

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 nguồn cung 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 ƒs giảm từ thông φ của động cơ lớn lên làm cho mạch từ bão hoà và dòng điện từ hoá lớn lên Do các chỉ tiêu năng lượng xấu đi và đôi khi nhiều động cơ còn phát năng lượng quá mức cho phép

2

fs C Es Us

X s Rs Is

*Khi ƒs tăng từ thông φ của động cơ giảm xuống và nếu mômen phụ tải không đổi thì theo biểu thức M = k.φ.I.n.cosφ ta thấy dòng điện rôto Ir phải tăng lên.Vậy trong trường hợp này dây quấn động cơ chịu quá tải còn lõi thép thì phải non tải Ngoài ra cũng vì lý do trên mômen cho phép và khả năng quá tải của động cơ giảm xuống

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

độ bằng phương pháp biến đổi tần số người ta còn phải điều chỉnh cả điện áp

và dòng 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 được thực hiện trong hệ kín Khi đó nhờ các mạch hồi tiếp điện áp ứng với một tần cho trước nào đó sẽ biến đổi theo phụ tải

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

b Các loại biến tần :

gồm hai loại: Biến tần trực tiếp

Biến tần gián tiếp

Đặc điểm là điện áp ra trên tải được định hình sẵn còn dạng dòng điện tải lại

ít phụ thuộc vào tính chất tải Việc điều chỉnh tần số điện áp ra trên tải được thực hiện dễ dàng bằng điều khiển qui luật mở van của phần nghịch lưu Phương pháp điều khiển này thay đổi dễ dàng tần số mà không phụ thuộc vào lưới

α Biến tần nguồn dòng :

Sơ đồ đơn giản, làm việc tin cậy, đã từng được sử dụng rộng rãi để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha, rôto lồng sóc Sơ đồ gồm một cầu chỉnh lưu và một cầu biến tần, mỗi tiristor được nối tiếp thêm một một điôt gọi là điôt chặn

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

π

π π

* Dòng chảy qua các van T1 → T6 và D1→ D6 chính bằng dòng chảy qua các

pha của stato động cơ I = 91A

* Điện áp ngược mở van phải chịu = Ud = 370 V

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(µs) Ig(V) Ug(V) du/dt(V/µs)TL.250 250 300-1000 0,82 70-250 0,4 8 20-200

* Tụ chuyển mạch C1 - C6 được 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

ω

π

Trong đó ∆Id=(0,05 - 0,1) Id

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

5 , 370 3 134 , 0

6 3

d

π α

α π

⇒α=65,30

- Dòng trung bình chảy qua T1-T0

) A ( 9 , 38 3

7 , 116 3

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

Loại I(A) Uim(V) ∆U(V) Toff(µs) Ig(V) Ug(V) du/dt(V/µs)T.250 250 100-2200 1 150-250 0,3 5 20-500

3 Tính toán các tham số cần thiết cho tổng hợp.

I sq

r

s r

R

ω ω

UN=220V PN=37kW n=720v/p

IN=91A f=50Hz cosϕ=0,78

1 Tính dòng kích từ danh định.

) ( 1 , 68 72 , 0 1 91 2 cos

I sqN ≈ N − sdN =

s I

I T

sdN rN

sqN

1 , 68 9 , 87

7 ,

sdN

I 3

U I

I cos sin

220 2

, 109

1 , 68 72 , 0 62 , 0

220 2 3

2

σ

X I

7 , 2

X

s

h m m

s

ω ω

s R

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

7.Điện cảm tản stato động cơ

) ( 00054 , 0 314

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

U

F = ωω =1 +τωω

1326 , 0 4 , 75

10 /

4 , 75 60

1326,

0+

=

R

W

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:

Chọn R1=1kΩ => R2=133kΩ

8

_ +

r2 r1

10

R

R Uv

Ur

CHƯƠNG V: TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU KHIỂN

I Luật điều chỉnh từ thông không đổi

Is/Is®m

wsthO

w s

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

Ψhoặc từ thông stator Ψ 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

S

ω

= ω

= Ψ

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

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

Có thể thiết lập được chiến lược điều chỉnh để giữ biên độ từ thông rotor không đổi: Ψr = const Ở phần mô tả động cơ không đồng bộ, hoặc dựa

vào sơ đồ thay thế ta có thể tính được từ thông rotor và phương trình cân bằng mạch rotor ở dạng các thành phần vector trên các trục toạ độ ox và oy:

=

Ψ ω + Ψ +

=

+

= Ψ

+

= Ψ

δ δ

rx s ry ry

r

ry s rx rx

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 được biên độ vector từ thông Ψr = constthì p Ψr =0 và

, 0 p

p Ψrx = Ψry = và ta có phương trình cân bằng mạc rotor:

−

− Ψ

=

Ψ ω +

− Ψ

=

rx s sy m ry r

ry s sx m ix r

) i L (

T

1 0

) i L (

T

1 0

trong đó:

r

r r

= +

2 p

2 ry

2 rx

2 1

2 sy

2

sx i I i

Ta có thể rút ra biểu thức cuối cùng:

2 s r m

cơ hoàn toàn tỷ lệ với biên độ dòng điện rotor

Điều chỉnh từ thông là trường hợp giữ từ thông luôn không đổi và bằng giá trị từ thông định mức, như vậy có thể khai thác hết công suất mạch từ của động cơ KĐB

* Trong thiết kế môn học này chọn phương pháp điều khiển tần số thông qua

từ thông động cơ cụ thể là điều chỉnh từ thông không đổi qua quan hệ dòng chính lưu Id và tần số trượt f2

- Bản chất của phương pháp này là thông qua việc duy trì quan hệ giữa dòng điện stato I1 và tần số trượt f2 sao cho từ thông của máy điện được giữ không đổi

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

10

- 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 Rω là tín hiệu đặt của mạch vòng điều chỉnh dòng điện Tín hiệu 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

2 2 2 2 2 1

f 1

* f 1

I

ϕ σ +

ϕ +

= trong đó

2 1

2 m 2

2 dm 1 2

L L

L 1 R

L

−

= σ

ω

= ϕ

- Để đơn giản trong việc tổng hợp các bộ điều chỉnh dòng điện Ri và tốc độ

Rω ta giả thiết rằng:

Kênh điều chỉnh tần số do phần cứng đảm nhiệm sẽ được đề cập đến ở chương 5 Vì vậy ta sẽ tiến hành tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện Ri và bộ điều chỉnh tốc độ Rω theo kênh 1

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

3

ω +

ω

=

II Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng dòng điện

- Để tiện cho việc tính toán, thiết kế được bộ điều chỉnh dòng điện R1, người

ta dùng 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 trượt

* Ta có hàm truyền đạt bộ chính lưu

CL

CL dk

d dk

cr

pT 1

K U

U W

bỏ qua các thành phần điện trở và điện kháng tán

Ta được:

t 1 d

d

L 2 L

L

R 2 R R

R / 1 pL R

U I

L T

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

III Thành lập sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ

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

ω +

ω

= ωs: 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

3

ω +

I K ω

=

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

s s

s s

I I

M M

∂

∂ + ω

∆ ω

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

2

s

= ω

+

ω

−

= ω

∂

∂

* Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng điện và tốc độ sau khi

đã tuyến tính hoá (bỏ qua hệ số thời gian điện từ)

14

IS2

+ -

MC

IS-Uω

CL

CL

π

32

R

L 2

3

Jp1

ω

ω

1K

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

5 , 37 10

5 ,

2 Máy phát tốc

p pT

K p

F tt

01 , 0 1

1326 , 0 1

)

(

+

= +

=

ω ω

3 Khâu khuếch đại tuyến tính Fi

sdm

sdm F

I K

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

CL

I CL

π

32

B

Fi

Aω

_ +

r2 r1

75mV

10v

id

s / rad 4 , 75 55 , 9

720 55

,

9

n

s / rad 7 , 104 3

f 2

S

e

e dm e sdm

− ω

=

ω

12 , 3 3 , 29 91

/ 3 , 29 4 , 75 7 , 104

ω

4 Khâu chỉnh lưu

CL

CL CL

pT 1

K W

+

) ( 005 , 0

5 , 37

s T

R / 1

1 d

L 2 L L

R 2 R R

1 1

2 2 0, 08 0,16

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

CL

L T

R

R K

1 , 29 91 2 19

, 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

2

= +

= +

=

= +

sdm sdm r

m

r sdm

r sdm sdm

r m

T

I R

L B

A

T

T J

R

L A

ω ω

ω ω

pT 1 (

=> Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh:

44 , 0 1

K W

Ki

p T 2 p T 2

1

1 )

p

(

W

+ +

=

=> Hàm truyền đạt bộ điều chỉnh dòng điện Ri là khâu tỉ lệ tích phân (PI):

p

p W

p

p pT

pT T

18175 , 0 1

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

i

=> Hàm truyền của mạch vòng dòng điện:

2 2

05 , 0 2 005 , 0 2

1

1 )

(

p p

p

S KI

+ +

=

*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 ưu 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

• Ta có mạch vòng tốc độ sau khi đã tổng hợp mạch vòng dòng điện

- Khi bỏ qua MC ta có sơ đồ tương đương sau:

ω

pT1K

K

+ ω

K F

* Hàm truyền của đối tượng cần điều khiển:

( T p)( pT ) Jp

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

1

ω ω ω ω

ω

ω

+ +

+ +

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

σ σ

σ ω

σ σ

σ

σ ω

σ σ

σ

σ

ω

σ σ

σ

σ ω

τ τ ω

ω τ

τ τ

τ

τ

τ τ

τ

τ

τ τ

τ

τ

+ +

+

+ +

+

+

−

+ +

+

+

=

+ +

(

p p Jp

T Ti

K p AT A K CK

p p

R

i ir

F

σ σ ω

σ ω

τ τ ω

τ

+ +

+

+ +

+

⇔

p T

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

ω ω

ω ω ω

ω

ω ω ω

ω ω

1 1

1

) 8

2 1

1

) ' ' 8

' ' 8

4 1 1

2

2 2

Ta thấy hàm truyền Rω(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

= +

×

×

×

= +

=

π

A K CK

AT T

ir F

i tre

Ta thấy thời gian trễ nhỏ có thể bỏ qua

= +

=

P P

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

ω

Để giảm độ quá điều chỉnh

=> Dùng thêm một khâu lọc có hàm truyền W L p

044 , 0 1

1 +

=

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

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

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

20

6.25 0.18175s+1

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

0 Constant

CHƯƠNG 5: MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Sơ đồ khối mạch điều khiển:

A Mạch điều khiển chính lưu

* Mạch điều khiển được sử dụng để dóng mở các thyristor đúng theo góc mở α

yêu cầu, tạo dòng điện và điện áp ra tải đúng với mục đích điều khiển Mạch điều khiển quyết định độ tin cậy, chất lượng của toàn bộ biến đổi Với yêu cầu điều khiển hệ chính lưu cần 3 pha thyristor, yêu cầu phải có 2 thyristor cùng dẫn trong 1 thời điểm Điều kiện mở là:

- Xung điện áp dùng đường đưa vào cực phải đủ lớn về biên độ và độ rộng

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

Để thay đổi điện áp, dòng điện => phải thay đổi góc mở α nghĩa là thay đổi thời điểm phát xung hay góc α Ta áp dụng phương pháp điều khiển số

1 Sơ đồ mạch điều khiển (một kênh)

22

- Điện áp các pha A, B, C được đưa qua bộ đồng bộ với lưới được 6 tín hiệu đồng bộ +A, +B, +C, và -A, -B, -C tạo ra các xung tương ứng với góc mở α=0 của 6 thyristor.

- Mỗi xung ra từ bộ đồng bộ với lưới được đặt vào trigơ RS để tạo ra tín hiệu đồng pha (C)

- Đưa xung vuông vào bộ đếm cho phép bộ đếm hoạt động trong khi xung cao tần liên tục được cấp vào chân CLK của bộ đếm

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

- Khi tần số tăng thì thời gian đếm hết 16 giảm do đó α bé và ngược lại Khi góc

α biến thiên từ 0-180 với tần số ??? f=50Hz => thời gian t tương ứng từ 0->0,01s

Hz 6

3 min 25 10 ( rad ) 0 , 014 0

10 64

- Xung ra từ (D) được đưa tới cổng AMD cùng với xung tần số cao được phát ra

từ mạch tự dao động 555 để tạo ra xung (E) đưa đến biến áp xung để tạo xung điều khiển mở thyristor tại thời điểm (góc α) đã định

• Sơ đồ điều khiển một kênh và biểu đồ dạng xung được trình bày như hình vẽ