Xây dựng bộ điều khiển ổn định tốc độ cho động cơ dị bộ rotor lồng sóc với mạch động lực sử dụng bộ điều áp xoay chiều ba pha

Đất nước ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụng mạnh mẽcác thành tựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lại năng suấtlao động cao hơn, cạnh tranh đượ

Mục lục

Lời mở đầu 3

Chương 1: Mô hình động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha 4

1.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha 4

1.1.1 Khái niệm 4

1.1.2 Đặc tính cơ và thông số ảnh hưởng tới đăc tính cơ 8

1.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ 17

1.3 Xây dựng mô hình động cơ 18

Chương 2: Tổng hợp các bộ điều chỉnh 23

2.1 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh mạch vòng stator 23

2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh mạch vòng tốc độ 24

Chương 3: Mô hình mô phỏng đáp ứng trên Simulink 29

3.1 Cấu trúc mô phỏng hệ truyền động diều chỉnh tốc độ 29

3.2 Kết quả mô phỏng 31

3.3 Kết luận 37

3.4.Tài liệu tham khảo 38

Lời mở đầu

Nước ta đang trong quá trình xây dựng nền kinh tế công nghiệp hoá hiệnđại hoá Đất nước ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụng mạnh mẽcác thành tựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lại năng suấtlao động cao hơn, cạnh tranh được với các nước trong khu vực và thế giới.Tựđộng hoá trong sản xuất với việc áp dụng những thành tựu công nghệ mới nhằmnâng cao năng xuất, hạ giá thành sản phẩm, không những là yêu cầu bắt buộc

mà hơn nữa còn được xem như một chiến lược đối với các nhà máy, xí nghiệpcũng như toàn bộ nền sản xuất công nghiệp của mỗi quốc gia.Những lý thuyết

về điều khiển cũng lần lượt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xây dựng cácnguyên lý điều khiển tối ưu các hệ thống truyền động trong công nghiệp Sựbùng nổ tiến bộ kĩ thuật trong lĩnh vực điện-điện tử -tin học những năm gần đây

đã dẫn đến những thay đổi sâu sắc cả về mặt thuyết lẫn thực tế lĩnh vực truyềnđộng điện tự động Trước hết phải kể đến sự ra đời và ngày càng hoàn thiện các

bộ biến đổi điện tử công suất, với kích thước gọn nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễdàng ghép nối với các mạch điều khiển dùng vi điện tử, vi xử lí Phần lớn cácmạch điều khiển này dùng kĩ thuật số với chương trình phần mềm linh hoạt, dễdàng thay đổi cấu trúc tham số hoặc điều khiển, vì vậy tăng độ tác động nhanh

và độ chính xác cao cho hệ truyền động Điều này dẫn đến việc chuẩn hóa chếtạo các hệ truyền động hiện đại có nhiều đặc tính làm việc khác nhau, dễ dàngứng dụng theo yêu cầu công nghệ sản xuất

Dựa vào thực tế đó em đã thực hiện một đề tài nhỏ là : “Xây dựng bộ điều

khiểm ổn định tốc độ cho động cơ dị bộ rotor lồng sóc với mạch động lực sử

dụng bộ điều áp xoay chiều ba pha” dưới sự hướng dẫn của thầy Phạm Tâm

Thành và các thầy cô giáo trong ngành Điện tự động công nghiệp-Trường Đại

học Hàng Hải

Trong một thời gian tương đối ngắn do vậy đồ án này chắc chắn khôngkhỏi những thiếu sót, với sự nỗ lực của bản thân , em rất mong nhận được ý kiếnđóng góp của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn để bản đồ án này hoànthiện hơn !

Chương 1: Mô hình động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha

1.1 Vài nét về động cơ không đồng bộ ba pha

1.1.1 Khái niệm

Động cơ điện dị bộ (không đồng bộ) là loại động cơ điện xoay chiều mà tốc

độ quay của roto khác với tốc độ quay của từ trường quay trong máy

Cấu tạo động cơ không đồng bộ:

Động cơ không đồng bộ gồm hai phần chính : Phần tĩnh và phần động

Hình 1-1 Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn

- Phần tĩnh: Gồm lõi thép , dây quấn và vỏ máy

+ Lõi thép stato: Do nhiều lá thép kĩ thuật điện đã dập sẵn , ghép cách điện

với nhau chiều dày các lá thép thường từ 0.35 mm đến 0.5mm phía trong có cácrãnh đặt dây quấn Mỗi lá thép kĩ thuật được sơn cách điện với nhau để giảmtổn hao do dòng điện xoáy gây lên Nếu lá thép ngắn thì có thể ghép lại thànhmột khối Nếu lá thép quá dài thì ghép lại thành các thếp , mỗi thếp dài từ 6 cmđến 8 cm, cách nhau 1 cm để thông gió

stato

Hình1.2: A mặt cắt ngang stato,B lá thép kĩ thuật điện ,C stato của động cơ KĐB

+ Dây quấn: Được quấn thành từng các mô bin, mà các cạnh của các mô

bin đó được đặt vào các rãnh của lõi thép stato

+ Vỏ máy: Để bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stato ,vỏ có dạng trụ

rỗng,làm bằng nhôm (máy công suất nhỏ) hoặc bằng gang , thép đối với (máycông suất lớn) Vỏ máy có chân đế cố định máy trên bệ , hai đầu có nắp máy để

đỡ trục rôto và bảo vệ dây quấn

- Phần quay: Gồm lõi thép , trục, và dây quấn

+Lõi thép rôto: cũng được dập từ các lá thép kĩ thuật điện có dạng hình

tròn và mặt ngoài của các lá thép đó được dập rãnh để đặt cuộn dây, còn ở giữađược dập lỗ tròn để lồng trục máy

+Trục máy: Được làm bắng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép

rôto Trục được đỡ trên nắp máy nhờ ổ lăn hay ổ trượt

+Dây quấn: Tuỳ theo động cơ không đồng bộ mà ta chia ra rôto dây

quấn hay rôto lồng sóc:

~ Rôto kiểu dây quấn : Rôto dây quấn có kiểu giống như dây quấn

stato và có số cực bằng số cực ở stato Trong động cơ trung bình và lớn dâyquấn được quấn theo kiểu sóng hai lớp để bớt được các đầu nối, kết cấu dâyquấn chặt chẽ Trong động cơ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp Dây quấn ba pha của động cơ thường đấu hình sao, ba đầu ra của nó nối với bavòng trượt bằng đồng thau gắn trên trục của rôto Ba vòng trượt này cách điệnvới nhau và với trục, tỳ trên ba vòng trượt là ba chổi than Thông qua chổi thancó thể đưa điện trở phụ vào mạch rôto, có tác dụng cải thiện tính năng mở máy,điều chỉnh tốc độ, hệ số công suất được thay đổi

~ Rôto lồng sóc: Kết cấu rất khác với dây quấn stato các dây quấn là

các thanh đồng hay thanh nhôm đặt trên các rãnh lõi thép rôto Hai đầu cácthanh dẫn nối với các vòng đồng hay nhôm gọi là vòng ngắn mạch Như vậy dâyquấn rôto hình thành một cái lồng quen gọi là lồng sóc

Hình1-3 Dây quấn rôto kiểu lồng sóc

Ngoài ra dây quấn lống sóc không cần cách điện với lõi thép rãnh rôto cóthể làm thành dạng rãnh sâu hoặc thành hai rãnh gọi là lồng sóc kép dùng chomáy có công suất lớn để cải thiện tính năng mở máy Với động cơ công suấtnhỏ rãnh rôto thường đi chéo môt góc so tâm trục

+ Khe hở

Giữa phần tĩnh và phần quay là khe hở không khí , khe hở rất ít thường là( 0,2 0 mm đến 1.mm), do rôto là khối tròn nên rôto rất đều Mạch từ động cơkhông đồng bộ khép kín từ stato sang rôto qua khe hở không khí Khe hở khôngkhí càng lớn thì dòng từ hoá gây ra từ thông cho máy càng lớn hệ số công suấtcàng lớn

1.1.2 Những đại lượng ghi trên động cơ không đồng bộ

- Công suất định mức Pđm là công suất cơ hay công suất điện máy đưa ra

1.2 Nguyên lí hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha rotor lồng sóc.

Động cơ không đồng bộ làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Khiđặt điện áp ba pha vào 3 pha dây quấn , 3 pha đạt đối xứng trong lõi thép stator,khi đó trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay mà thành phần bậc 1của từ trường này quay với tốc độ góc là :

 2p f

1

 (1.1) Trong đó : f là tần số dòng điện cáp cho stator

p là số đôi cực của dây quấn stator

Đồng thời từ trường Stator này làm cảm ứng ra các dòng điện vòng trongcác thanh dẫn roto (đối với loại roto lồng sóc) hoặc các cuộn dây Roto (đối vớiloại roto dây quấn) Các dòng điện Roto này đặt trong từ trường stator quay nênsinh ra lực điện từ (lực Lorentz) Tổng các lực này tạo ra momen quay Rotor ,Rotor quay cùng hướng với từ trường Stator quay

Lúc đầu khi từ trường stator đã sinh ra thì Rotor tăng tốc nhanh để cố gắngbắt kịp từ trường quay đó, đồng thời từ trường quay quét qua Rotor càng giảmnên sức điện động cảm ứng phái Rotor sẽ giảm dần và dòng điện Rotor cũnggiảm theo

Nếu tốc độ Rotor bằng tốc độ từ trường quay thì lúc đó sẽ không có lựcđiện từ được sinh ra và Rotor quay chậm lại Do đó tốc độ Rotor không thể bằngtốc độ đồng bộ, tốc độ đồng bộ phụ thuộc vào tần số nguồn điện cấp và số đôicực của động cơ, sai khác giữa 2 tốc độ gọi là tốc độ trượt

* Ứng dụng, ưu và nhược điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc

Ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất

trung bình Chiếm tỉ lệ lớn so với động cơ khác, nhờ những ưu điểm :

 Động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn dễ chếtạo, vận hành an toàn, tin cậy, giá thành rẻ, hiệu suất cao và gần như không bảotrì

 Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha, không cần tốn kém cácthiết bị biến đổi

Nhược điểm: tốc độ của động cơ không đồng bộ phụ thuộc vào tần số vàbiên độ điện áp nguồn cấp mà trong thực tế nhiều lúc năng lượng cơ lại yêu cầucác tốc độ có thể thay đổi được Chúng có thể chạy ở tốc độ gần như bằng hằng

số đối với tải và từ không tải tới đầy tải Điều này không giống như các động cơmột chiều, các độngc cơ đồng bộ gặp khó khăn để điều khiển tách bạch cácthành phần dòng điện sinh momen và từ thông Để nâng cao hiệu suất sử dụngthì hệ truyền động động cơ không đồng bộ thay đổi tốc độ có khả năng cấp chođộng cơ điện ba pha có tần số và biên độ có thể thay đổi được, nên bộ điều khiểnphức tạp hơn so với loại một chiều

1.3 Đặc tính cơ và các thông số ảnh hưởng tới đặc tính cơ

1.3.1 Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ

Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta sửdụng sơ đồ thay thế một pha của động cơ Tuy nhiên có các điều kiện sau thoảmãn để xây dựng phương trình đặc tính cơ

- 3 pha của động cơ là đối xứng

- Các thông số của động cơ không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ,điện trở không phụ thuộc vào tần số dòng điện rôto , mạch từ không bão hoàđiện kháng X1 , X2 không đổi

- Bỏ qua các tổn thất trong lõi thép các tổn thất của ma sát

- Điện áp hoàn toàn sin và đối xứng ba pha

Với những giả tưởng trên ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ

Hình 1-4 Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ

Trong đó U1 : trị số hiệu dụng của điện áp ba pha stato

+ Rth , R1 , R2’ là điện trở tác dụng từ hoá , điện trở stato và điện trởrôto đã quy đổi về phía stato

+ Xth, X1 , X2’, là điện kháng mạch từ hoá điện kháng tản stato vàđiện kháng rôto đã quy đổi về phía stato.

+Ith ,I1 , I2’ là các dòng điện từ hoá,dòng điện stato, dòng điện rôto đãquy đổi về stato

Với hệ số quy đổi như sau:

Kdq1,Kdq2: hệ số dây quấn stao và rôto

U1 : điện áp định mức đặt vào dây quấn stato

Ew : sức điện động định mức của rôto

' 1 1

I

I K I

2 ' 2 1

1

X X

R R

1





= dòng điện max (I2’ max ) ,  = 0

Với : Xnm = X1+X2’ : điện kháng ngắn mạch

Dòng khởi động phía rôto của động cơ :

Hình 1-5 Đặc tính dòng điện rôtoThông thường ta có I2’ max = (4  7)Iđm Vì thế khi khởi động động cơ cầnchú ý giảm dòng mở máy phía rôto bằng cách mắc thêm điện trở phụ phía rôto

Ta có dòng điện phía stato là:

Khi S = 0  I1 = Ith (dòng phía stato bằng dòng từ hoá )

S = 1  I1 =

2 1

1 1

U X R R X

Hình 1-6 Đặc tính dòng điện stato của động cơ không đồng bộ

Để xây dựng phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta dựa vàođiều kiện cân bằng công suất trong động cơ

Ta có công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto là:

Pđt = M.1 (1.2) với M : Là mômen điện từ của động cơ

Giả sử bỏ qua tổn thất phụ thì : M = M cơ

Công suất Pđt chia làm hai phần:

Pcơ :Công suất cơ đưa ra trên trục động cơ : Pcơ = Mcơ  (1.3)

P2 : Công suất tổn hao đồng trong rôto : P2 = 3.I2’2 R2’ (1.4)

2 1

M.1 = M. + 3 R

X

R R

U

nm

S

' 2 2

2 ' 2 1

U

nm

S

' 2 2

2 ' 2 1

' 2

2 1

3

nm

X s

R R s

R U



Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ.

Để vẽ đường dặc tính cơ của động cơ cần phải tìm ra các điểm tới hạn thông

qua việc giải phương trình:  0

dS

dM

Ta tìm được trị số của M và S ở điểm cực trị : kí hiệu là Mtới hạn (Mth) và giá trị

Stới hạn ( Sth) Cụ thể là :

Sth = 

X R

R

nm

2 2

1

' 2



; Mth =   2 2 

1 1 1

Khi ngiên cứu các hệ truyền động của động cơ không đồng bộ người ta quantâm nhiều đến trạng thái làm việc của động cơ.

Với những động cơ công suất lớn lớn thường R1 rất nhỏ so với Xnm nên lúcnày co thể bỏ qua R1 nghĩa là R1 = 0 Do đó:

2 3

Hình 1-7 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Trong thực tế khi nghiên cứu các hệ truyền động cho động cơ không đồng bộthường lựa chọn vùng làm việc là đường thẳng tuyến tính từ 0 đ D

1.3.1 Các thông số ảnh hưởng đến đặc tính cơ

Từ phương trình đặc tính cơ không đồng bộ:

' 2

2 1

3

nm

X

R R s

R U

* Ảnh hưởng của điện áp nguồn cấp cho động cơ

Điện áp nguồn U1: Thay đổi bằng cách sử dụng bộ điện áp xoay chiều

Các tham số còn lại là hằng số, khi U1 giảm  ( Mth ) Mômen tới hạn sẽgiảm bình phương lần độ suy giảm của điện áp Mth giảm  U12 giảm

Trong khi đó tốc độ đồng bộ: 1 =

Vậy khi giảm điện áp cấp cho động cơ làm cho Mth giảm nhanh.Tuy nhiên Sth

không đổi vì vậy phương án giảm điện áp thường thích hợp cho dạng phụ tảikhông đổi : quạt gió , máy bơm ly tâm Không thích hợp với phụ tải thay đổi

* Ảnh hưởng của điện trở mạch rôto ( R 2 + R 2f ).

Chỉ dùng cho động cơ không đồng bộ rôto dây quấn ,sử dụng bộ điều

chỉnh xung điện trở người ta thực hiện bằng cách mắc thêm R2f vào mạch rôto

nm f

' 2

'

2

 dòng điện mở máy giảm

a) b)

Hình 1-9 a Sơ đồ đấu dây ; b Đặc tính cơ

Vậy R1 càng tăng, dòng điện khởi động càng giảm, Mkđ tăng lên Sau đómômen khởi động sẽ giảm Do đó căn cứ vào điều kiện khởi động và đặc điểmcủa phụ tải mà chọn điện trở cho thích hợp

* Ảnh hưởng của tần số lưới điện f 1 cấp cho động cơ:

Thay đổi bằng cách sử dụng bộ biến tần dùng cho cả động cơ dây quấn vàlồng sóc

Xuất phát từ biểu thức : 1 =

f R ' 1

2 1 1

L P

f

U

2 1 '

2 1 2

2

21

2

Thực tế khi f1 tăng để đảm bảo đủ Mmm cho động cơ và tốc độ làm việc củađộng cơ không vượt quá giá trị cực đại cho phép

max bị hạn chế bởi độ bền cơ khí của động cơ

Khi f1 < f1đm tức là khi f1 giảm ta có:

Khi f1 giảm  t giảm  Sth tăng  Mth tăng Xnm giảm

Ta có đặc tính cơ trong 2 trường hợp:

Hình 1-10 Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f 1 cấp cho động cơ

Trong trường hợp khi tần số nguồn cấp cho động cơ giảm dẫn đến tổngtrở của mạch giảm ( vì tổng trở của mạch tỉ lệ thuận theo tần số ) với giá trị điện

áp giữ không đổi thì dòng điện khởi động tăng rất nhanh do vậy khi giảm tần sốcần giảm điện áp theo một quy luật nhất định để giữ mômen theo chế độ địnhmức

Qua đồ thị đặc tính cơ ta thấy rằng:

- Khi f1< f1đm với điều kiện

f

U

1

1

= const thì Mth giữ ở không đổi

- Khi f1> f1đm thì Mth tỉ lệ ngịch với bình phương tần số

Khi tăng giảm tần số f1 cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ động

cơ trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng riêng

* Ảnh hưởng của số đôi cực P

Để thay đổi số đôi cực ở stato ngưới ta thường thay đổi cách đấu dây:

ở stato nên một số thông số như U1 (điện áp vào stato) R1 , X1 có thể thay đổi dođó từng trường hợp sẽ ảnh hưởng khác nhau đến mômen tới hạn Mth của động cơ

a) b)

Hình1.11 Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng bộ

a) Thay đổi số đôi cực với P 2 = P 1/2 và M th = const

b) Thay đổi số đôi cực với P 2 = P 1/2 và P 1 = const

* Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng mạch stato

Được thực hiện bằng cách mắc thêm điện trở (R1f ) hoặc điện kháng (X1f) nốitiếp vào phía stato của động cơ Tốc độ từ trường không đổi: 1= const , Sth

giảm Do đó đặc tính cơ có dạng:

a b c

Hình1.12 Động cơ không đồng bộ với R f và X f trong mạch stato

a) Sơ đồ với R 1f ; b) Sơ đồ với X 1f ; c) Đặc tính cơ

Ta thấy rằng khi cần tạo ra đặc tính có mômen khởi động là Mmm thì đặctính cơ ứng với X1f trong mạch cứng hơn đặc tính cơ với R1f

Dựa vào tam giác tổng trở ngắn mạch có thể xác định được X1f , hoặc R1f

trong mạch stato khi khởi động

1.4 Các bộ điều áp 3 pha

1.4.1 Các bộ điều áp bap ha

Hiện nay thường sử dụng các sơ đò điều áp bap ha như sơ đò tải đấu sao không dây trung tính(hình a); sở đồ tải đấu sao có dây trung tính(hình b); Sơ đồ tải đấu tam giác(hình c)

Hình 1.13: Một số sơ đồ điều áp bap ha

Đối với sơ đò tải đấu sao có dây trung tính, thực chất đây là 3 sơ đồ điều áp 1pha dịch 120o, không có dòng điện chạy giauwx cái pha với nhau Sơ đồ này chỉ phù hợp với tải có 4 đầu dây ra

Hai sơ đồ tải đấu sao không có dây trung tính và sơ đồ tải đấu sao thì dòng điện saẽ là dòng chạy giữa các pha với nhau, tùy từng thời điểm mà có thể có dòng trong cả 2 pha hoặc 2 pha Đối với hau sơ đồ này thì tùy thuộc vào loại tải đấu sao hay tam gíc mà chọn phù hợp

Trong trường hợp tải là động cơ, 3 cuộn dây stato đấu sao, ta chon sơ đồ tải đấu sao không cơ dây trung tính và tiến hành với tíanh toán các thông số cần thiết với sơ đồ này

1.4.2 Hoạt động của bộ điều áp 3pha

Xép sơ đồ 3pha tải đấu sao hông có dây trung tính

Hình 1.14: Sơ đồ điều áp 3 pha tải đấu sao không có dây trung tính

Đối với điều áp 3 pha, điện áp ra không đơn giản như điều áp 1 pha, không thể xác định một dạng chung nhất naof của điện áp ra ví nó phụ thuộc nhiều vào tính chất của tải (φ) và góc mở α Xét điện áp ra của một pha, ví dụ pha A, điện ) và góc mở α Xét điện áp ra của một pha, ví dụ pha A, điện

áp ra sẽ theo nguyên tắc sau:

- Nếu cả 3 pha cùng có van dẫn, trung tính giả sẽ thành trung tính thật, điện áp

Với nguyên tắc đó, ta sẽ biểu diễn hoạt động của sơ đồ thông qua điện áp pha

A với các giả định: α = 60o, φ) và góc mở α Xét điện áp ra của một pha, ví dụ pha A, điện = 30o, xung phát cho các thyristor là xung chùm

Hình 1.15: Đường cong điện áp ra của một pha