Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ❖ Khái niệm chungo Động cơ không đồng bộ thuộc nhóm máy điện xoay chiều, làm việc theonguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay rotor khác vớ
Trang 1Báo cáo môn học:
ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN
Đề tài:
NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN (DTC)
1
Trang 2Nội dung
Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
Phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC
Mô phỏng phương pháp DTC trên Matlab
Trang 31 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
❖ Khái niệm chung
o Động cơ không đồng bộ thuộc nhóm máy điện xoay chiều, làm việc theonguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ quay rotor khác với tốc độ từ trườngquay trong máy
o Động cơ không đồng bộ dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng
3
Trang 41 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
❖ Cấu tạo động cơ không đồng bộ
Trang 51 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
❖ Cấu tạo động cơ không đồng bộ
▪Phần tĩnh (Stator): Lõi thép, dây quấn và vỏ máy
Vỏ máy để cố định lõi thép và cố địnhmáy, được làm bằng nhôm hoặc gang,hai đầu có nắp máy, còn có công dụngbảo vệ máy
Lõi thép: gồm nhiều lá thép có rãnh ở
trong ghép lại có phủ cách điện để
dẫn từ
5
Trang 61 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
o Rotor lồng sóc: dây quấn là những thanh
đồng hay nhôm đặt trên các rãnh lõi thép rotor, hai đầu các thanh dẫn nối với hai vành đồng hay nhôm, gọi là vòng ngắn mạch.
▪ Phần quay (Rotor) gồm 2 loại: Rotor lồng sóc và Rotor dây quấn
o Dây quấn rotor: gồm ba bộ dây, đặt lệch nhau 1200
điện, đấu hình sao, ba đầu ra được nối với ba vành
trượt bằng đồng
o Ba vành trượt này được cách điện với nhau và với trục
o Tỳ trên ba vành trượt là ba chổi than để nối mạch điện
với điện trở bên ngoài.
Trang 71 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
Trang 81 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
➢ Dựa vào nguyên lý cảm ứng điện từ
➢ Đặt điện áp 𝑢1 vào dây quấn stato, sẽ
có dòng điện stato 𝑖1 với tần số 𝑓1
➢ Dòng điện 𝑖1 sẽ tạo ra từ thông Φ theo quy tắc vặn nút chai
➢ Từ trường dây quấn 3 pha là từ trường quay với tốc
độ quay 𝑛1
➢ Lúc đầu dây quấn rôto đứng yên, nhưng so với từ trường quay, nó sẽ có vận tốc là
𝑣1 nên sẽ được cảm ứng sức điện động 𝑒2(xác định theo quy tắc bàn tay phải)
➢ Dây quấn rôto được nối ngắn mạch, nên có dòng điện rôto 𝑖2 và tạo ra lực điện từ
𝐹đ𝑡 (xác định theo quy tắc bàn tay trái), làm cho rôto quay với tốc độ 𝑛 < 𝑛1 và cùng chiều với từ trường quay
➢ Tốc độ quay 𝑛 ≠ 𝑛1 vì nếu 𝑛 = 𝑛1 sẽ không có chuyển động tương đối giữa rôto
và từ trường quay 𝑣1 = 0 → 𝐹đ𝑡 = 0
𝑛 −𝑛
❖ Nguyên lý hoạt động
Trang 91 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
❖ Các đại lượng định mức
- Công suất định mức trên đầu trục động cơ 𝑃đ𝑚 (𝑊, 𝑘𝑊)
- Dòng điện dây định mức 𝐼đ𝑚 (𝐴)
- Điện áp dây định mức 𝑈đ𝑚 (𝑉)
- Tốc độ quay định mức của rôto 𝑛đ𝑚 (vòng/phút)
- Hiệu suất định mức 𝜂đ𝑚
- Hệ số công suất định mức cos𝜑đ𝑚
9
Trang 101 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
❖ Ứng dụng đông cơ không đồng bộ 3 pha
❑ Máy công cụ: Các máy công cụ như máy tiện, máy phay, máy mài.
❑ Hệ thống bơm: Trong các hệ thống bơm nước, bơm chất lỏng
❑ Quạt công nghiệp: Quạt thông gió, quạt làm mát trong các nhà máy sản xuất.
❑ Băng tải: Các hệ thống băng tải của nhà máy sản xuất và xử lý hàng hóa.
❑ Thang máy và thang cuốn: Để vận hành thang máy và thang cuốn.
❑ Máy nén khí: Trong các hệ thống cung cấp khí nén cho công nghiệp.
Nhờ vào khả năng chịu tải tốt và hiệu suất cao, động cơ không đồng bộ 3 pha trở thành lựa chọn hàng đầu cho nhiều ứng dụng yêu cầu sức mạnh và độ tin cậy cao
Trang 111 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
▪ Phương trình điện áp dây quấn stato
▪ Phương trình điện áp dây quấn roto
11
❖ Mô hình toán học
Trang 121 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
❖ Mạch điện thay thế
Trang 131 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
13
Trang 141 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
❖ Biểu thức mô men
Đặc điểm mômen quay:
- M tỉ lệ thuận với 𝑈12
- M phụ thuộc vào hệ số trượt s
- Khi M quay = Mcản , rôto quay đều (điểm làm việc của máy)
Trang 151 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
15
Trang 16❖ Khởi động và mở máy động cơ không đồng bộ
Phương trình cân bằng mômen trong quá trình khởi động:
𝑀 − 𝑀𝑐 = 𝐽𝑑𝜔
𝑑𝑡 ቐ
𝑀: Mômen điện từ của động cơ
𝑀𝑐: Mômen cản của tải 𝐽: Mômen quán tính
Ta thấy:
+ Tăng tốc độ thuận lợi khi 𝑑𝜔
𝑑𝑡 > 0 → 𝑀 > 𝑀𝐶+ (𝑀 − 𝑀𝐶) càng lớn thì tốc độ tăng càng nhanh
+ Máy có quán tính lớn thì thời gian khởi động 𝑡𝑘 lớn
Dòng điện khởi động 𝐼𝑘: Khi khởi động 𝜔 = 0, 𝑠 = 1
Thông thường: 𝐼𝑘 = 4 ÷ 7 𝐼đ𝑚 ứng với điện áp 𝑈đ𝑚
Mômen khởi động 𝑀𝑘 :
1 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
Trang 17Một số yêu cầu khi khởi động động cơ :
- 𝑀𝑘 > 𝑀𝑐ả𝑛
- Thời gian mở máy nhanh
- Dòng điện mở máy 𝐼𝑘 nhỏ, được thực hiện bằng cách:
+ giảm 𝑈1 lúc mở máy
+ mắc thêm điện trở khởi động 𝑅𝑘 vào mạch rôto của ĐCKĐB rôto dây quấn
- Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn
- Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt
17
1 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
Trang 18➢ Phương pháp mở máy trực tiếp
▪ Dùng trong trường hợp công suất của nguồn cung cấp
lớn hơn nhiều so với công suất của động cơ hoặc mở
máy không tải
▪ Khi cấp nguồn, dòng điện mở máy lớn, tốc độ động cơ
tang dần thì dòng mở máy giảm xuống Khi tốc độ ổn
định thì dòng điện ở trị số bình thường
▪ Ưu điểm:
o Thiết bị mở máy đơn giản
o Moment mở máy (𝑀𝑚𝑚) lớn
o Thời gian mở máy nhỏ
▪ Nhược điểm: là dòng điện mở máy 𝐼𝑚𝑚 lớn, làm ảnh
hưởng đến lưới điện và các phụ tải khác
▪ Áp dụng: Dùng để mở máy cho các động cơ nhỏ và
trung bình
1 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
❖ Phương pháp mở máy
Trang 191 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
➢ Hạ điện áp mở máy/mở máy gián tiếp
✓ Dùng cuộn kháng nối với mạch điện stator
▪ Khi mở máy: CD2 cắt, đóng CD1 để nối tiếp dây
quấn stator vào lưới điện thông qua cuộn kháng
CK, khi động cơ quay ổn định, đóng CD2 để ngắn
mạch cuộn kháng, nối trực tiếp dây quấn stator
vào lưới điện
▪ Gọi 𝐼𝑚𝑚 là dòng điện mở máy trực tiếp với điện
áp 𝑈1
▪ Điện áp đặt và dây quấn stator: 𝑈1′ = 𝑈1
𝐾 với (𝐾 > 1, tỷ số cuộn kháng)
Trang 201 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
✓ Dùng biến áp tự ngẫu
▪ Trước khi mở máy: cắt CD2, đóng CD3, máy biến áp
tự ngẫu để ở vị trí điện áp đặt vào động cơ khoảng
0,6 − 0,8 𝑈đ𝑚, đóng CD1 để nối dây quấn stator vào
lưới điện thông qua máy biến áp tự ngẫu Khi động cơ
quay ổn định, cắt CD3, đóng CD2 để ngắn mạch máy
biến áp tự ngẫu, nối trực tiếp dây quấn stator vào lưới
điện
▪ Khi mở máy, động cơ được cấp nguồn: 𝑈1′ = 𝑈1
𝐾 với (𝐾 > 1, tỷ số cuộn kháng)
Trang 211 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
✓ Dùng phương pháp đổi nối Y- 𝚫
▪ Phương pháp này chỉ dung cho động cơ khi làm việc
bình thường, dây quấn stator đấu hình Δ, điện áp pha
bằng điện áp dây của lưới
▪ Gọi 𝑍𝑓: tổng trở pha
▪ 𝑈𝐼 ∶ điện áp của lưới điện
▪ Khi mở máy đấu Y: 𝑈𝐼 = 3𝑈𝑓𝑦, 𝐼𝑓𝑦 = 𝐼𝑑𝑦 = 𝑈𝐼
Trang 221 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
✓ Thêm điện trở phụ vào rotor động cơ rotor dây quấn
▪ Phương pháp này chỉ dung cho những động cơ rotor dây quấn vì đặc điểm của loại
động cơ này là có thể them điện trở phụ vào mạch rotor.
▪ Khi điện trở thay đối thì đặc tính 𝑀 = 𝑓(𝑠) cũng thay đổi theo
▪ Khi điều chỉnh điện trở mạch rotor thích đáng thì 𝑀𝑚𝑚 = 𝑀𝑚𝑎𝑥 ( đường 3)
▪ Sau khi rotor quay để giữ một moment điện từ nhất định trong quá trình mở máy, ta cắt dần điện trở nối thêm vào mạch rotor làm cho quá trình tang tốc động cơ từ đặc tính này sang đặc tính khác và sau khi cắt toàn bộ điện trở thì sẽ tang tốc đến điểm làm việc của
Trang 231 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
✓ Thêm điện trở phụ vào rotor động cơ rotor dây quấn
+ Ưu điểm:
▪ Mô men khởi động 𝑀𝑘 lớn
▪ Dòng điện khởi động 𝐼𝑘 nhỏ
+ Nhược điểm:
▪ Chỉ áp dụng được với động cơ KĐB rô to dây quấn
▪ Động cơ rôto dây quấn chế tạo phức tạp hơn rôto lồng sóc nên giá thành đắt hơn, bảo quản khó khăn hơn và hiệu suất cũng thấp hơn
23
Trang 241 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
❑ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp
▪ Khi thay đổi điện áp đường đặc tính M = f (s) thay đổi,
do đó hệ số trượt thay đổi, tốc độ động cơ thay đổi
▪ Cách thức:
+ Đổi nối 𝑌/Δ
+ Điện kháng nối tiếp vào dây quấn stato
▪ Ưu điểm: điều chỉnh tốc độ bằng phẳng
▪ Nhược điểm:
+ Giảm khả năng quá tải của động cơ, vì mômen giảm
+ Tốc độ động cơ được điều chỉnh giới hạn nhỏ hơn
tốc độ định mức
+ Phạm vi điều chỉnh tốc độ hẹp
❖ Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
Trang 25❑ Điều chỉnh tần số dòng điện stato f(f1) bằng biến tần
1 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
Nguyên lý: dùng sơ đồ chỉnh lưu điện xoay
chiều thành điện một chiều, sau đó lại nghịch
lưu điện một chiều thành điện xoay chiều có
tần số khác
25
Trang 26❑ Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực p
1 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
▪ Bằng cách đấu các bối dây stato
▪ Chỉ dùng cho ĐCKĐB Rôto lồng sóc
▪ Thông thường có 2 cấp tốc độ p = 1, p = 2
▪ Đặc điểm: Điều chỉnh tốc độ không liên tục
Trang 27❑ Thêm điện trở điều chỉnh vào dây quấn rôto của ĐCKĐB rôto dây quấn
1 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
▪ Đặc điểm: ĐCKĐB rôto dây quấn được sử dụng khi thời gian khởi động lâu và tần suất làm việc lớn Biến trở điều chỉnh tốc độ phải làm việc lâu dài nên có
kích thước lớn hơn so với biến trở mở máy Khi tăng biến trở điều chỉnh thì hệ số trượt tăng, tốc độ giảm
▪ Được sử dụng trong: cần trục, máy xay xát, thang trượt
▪ Ưu điểm: đơn giản, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm vi rộng
▪ Nhược điểm: hiệu suất thấp vì có tổn hao công suất trên điện trở điều chỉnh Rđc
27
Trang 281 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
❑ Đặc điểm và cấu tạo
▪ Là loại động cơ roto lồng sóc
▪ Stato đặt 2 dây quấn lệch nhau trong không gian góc 900
➢ Một cuộn chính gọi là cuộn làm việc
➢ Một cuộn phụ gọi là cuộn khởi động
➢ Cuộn khởi động thường được nối với 1 phần tử lệch pha là tụ
điện hoặc điện trở.
Trang 291 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
a ĐCĐKĐB một pha khởi động bằng vòng ngắn mạch
+ Mô men khởi động thấp ( < 0,3Mđm)
+ Hiệu suất và cos thấp
+ Thường dùng cho quạt công suất nhỏ
29
Trang 301 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
➢ Mô men khởi động thấp ( < 0,5Mđm)
➢ Hiệu suất và cos thấp
➢ Được sử dụng cho các loại tải yêu cầu
mô men khởi động thấp như bơm nước, quạt gió
➢ Kích thước khá lớn, giá thành cao
➢ Hiện nay ít được sử dụng
b Động cơ điện KĐB một pha khởi động bằng biến trở
Muốn mở máy động cơ ta đóng khoá K MK≠ 0 Động cơ khởi động, tốc độ tăng lên khi tốc độ gần tốc độ định mức thì mở khoá K bằng công tắc ly tâm Động
cơ từ hai pha trở thành một pha đã khởi động và tiếp tục làm việc
Trang 311 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
➢ Mô men khởi động lớn nên phù hợp với các loại tải yêu cầu moomen khởi động lớn
➢ Hiệu suất và cos thấp
➢ Kích thước lớn, giá thành cao
c Động cơ điện KĐB một pha khởi động bằng tụ điện
Quá trình làm vịêc (mở máy) lâu dài giống như động cơ ở trên nhưng khác là động cơ này cho mômen mở máy lớn Tụ C thường được tính toán sao cho có từ trường tròn lúc mở máy
Ưu điểm : Mômen mở máy lớn
Nhược điểm : Tụ dễ cháy
31
Trang 321 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
➢ Mô men khởi động thấp ( < 0,5Mđm)
➢ Hiệu suất và cos cao hơn so với động khởi động bằng điện trở
➢ Được sử dụng cho các loại tải yêu cầu
mô men khởi động thấp như bơm nước, quạt gió
➢ Giá thành thấp, kích thước nhỏ
d Động cơ điện KĐB một pha có tụ làm việc
Trang 33◆ Mô men khởi động khá lớn song thấp hơn loại khởi động bằng tụ.
◆ Hiệu suất và cos cao hơn so với động cơ có tụ khởi động
◆ Được sử dụng rộng rãi và phù hợp với nhiều loại tải
e Động cơ điện KĐB một pha có tụ làm việc và tụ khởi động
1 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
33
Trang 342 Phương pháp Điều khiển trực tiếp mômen DTC
❖ Giới thiệu
▪ Phương pháp điều khiển DTC (Direct Torque Control) bắt đầu được phát triển vào giũa những năm 80 của thế kỷ trước bởi Takahashi I, và nó nhanh chóng được ứng dụng trong công nghiệp.
▪ Đây là một kỹ thuật điều khiển momen động cơ KĐB với một bộ nghịch lưu
áp, với ưu thế là đơn giản vì không cần gắn cảm biến vào trục động cơ, giá
thành thấp và độ tin cậy cao, điều khiển hiệu quả và tính ổn định cao Do đó DTC thuộc loại kỹ thuật điều khiển không dùng cảm biến.
▪ Nguyên tắc điều khiển trực tiếp momen là điều khiển trực tiếp từ thông stator và momen không thông qua bộ điều khiển dòng stator.
Trang 352 Phương pháp Điều khiển trực tiếp mômen DTC
- Tuyến tính mô-men xoắn: Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng chính xác giống như cuộn dây, được sử dụng trong ngành giấy.
- Độ chính xác tốc độ động: Sau khi thay đổi tải đột ngột, động cơ có thể phục hồi đến trạng thái ổn định nhanh hơn.
Nhược điểm:
- Độ nhấp nhô dòng và momen khá lớn.
- Độ ồn cơ cao ở vận tốc thấp
35
Trang 362 Phương pháp Điều khiển trực tiếp mômen DTC
❖ Sơ đồ nguyên lý phương pháp DTC
Trang 372 Phương pháp Điều khiển trực tiếp mômen DTC
Biểu thức tính momen trong hệ tọa độ tĩnh, gắn chặt với trục dây quấn stator
Trang 382 Phương pháp Điều khiển trực tiếp mômen DTC
▪ Bảng chọn vector điện áp
- Nếu momen nhỏ, cần phải tăng momen, giá trị ngõ ra dTe =1
- Nếu giá trị của momen Te = Te đặt, không cần tăng hay giảm momen, giá trị ngõ ra dTe = 0
- Nếu momen lớn, cần phải giảm momen, giá trị ngõ ra dTe = -1
Trang 392 Phương pháp Điều khiển trực tiếp mômen DTC
❖ Chuyển mạch trong điều khiển từ thông và momen
Để thực hiện được điều này, ta chia mặt phẳng phức ra làm 6 phần bằng nhau gọi là các sector Góc giới hạn mỗi sector là 𝜋
3, được chia sao cho 6 vector điện
áp nằm chính giữa 6 sector tương ứng như hình dưới đây
▪ Dựa vào giá trị từ thông stator ước lượng được,
ta xác định từ thông stator đang ở vị trí sector nào trong mặt phẳng không gian theo biểu thức sau:
∅𝑠𝑒 = tan−1 𝜓𝛽𝑠
𝜓𝛼𝑠 (7.4)
▪ Ứng với mỗi sector xác định, cũng sẽ xác định được điện áp stator cần tổng hợp để đáp ứng được yêu cầu tăng hay giảm momen và từ thông
39
Trang 403 Mô phỏng phương pháp DTC trên Matlab
Sơ đồ điều khiển DTC đề xuất và thông số đầu vào
Trang 413 Mô phỏng phương pháp DTC trên Matlab
Sơ đồ điều khiển trên matlab PP DTC
41
Trang 423 Mô phỏng phương pháp DTC trên Matlab
Khối điều khiển PID PP DTC
Nhìn vào bảng chọn vector điện áp
Trang 433 Mô phỏng phương pháp DTC trên Matlab
Khối ước lượng tư thông và momen
43
Trang 443 Mô phỏng phương pháp DTC trên Matlab
Trang 453 Mô phỏng phương pháp DTC trên Matlab
Kết quả mô phỏng đáp ứng momen và tốc độ
45
Trang 463 Mô phỏng phương pháp DTC trên Matlab
Kết quả mô phỏng đáp ứng các dòng điện stator
Trang 474 Kết luận và đánh giá
❖ Bài báo cáo đã trình bày về tổng quản, những ưu, nhược điểm của
đông cơ không đồng bộ, đã liệt kê một số công thức toán học quan
trọng và nếu chi tiết về các phương pháp khởi động mở máy và điều
chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ
❖ Đối với Phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC cho phép điều khiển mô men và tốc độ đáp ứng nhanh, đặc biệt phù hợp với ứng dụng trên đầu máy điện
47
Trang 48THANK YOU !