báo 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

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 1

Báo cáo môn học:

ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN

Trang 2

Nội 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 3

1 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 4

❖ Cấu tạo động cơ không đồng bộ

Trang 5

❖ 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 ởtrong ghép lại có phủ cách điện đểdẫn từ.

5

Trang 6

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

oBa vành trượt này được cách điện với nhau và với trục oTỳ trên ba vành trượt là ba chổi than để nối mạch điện

với điện trở bên ngoài.

Trang 7

❖ Phân loại

❑ Phân theo kết cấu vỏ máy

Kiểu kín Kiểu bảo vệ Kiểu hở

❑ Phân theo số pha

Một pha Hai pha Ba pha

❑ Phân theo kiểu dây quấn rotor

Rotor lồng sóc Rotor dây quấn

7

Trang 8

➢ 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.

❖ Nguyên lý hoạt động

Trang 9

❖ 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 10

❖ 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 11

▪ Phương trình điện áp dây quấn stato

▪ Phương trình điện áp dây quấn roto

❖ Mô hình toán học

Trang 12

❖ Mạch điện thay thế

Trang 13

13

Trang 14

❖ 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 15

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 cơ𝑀𝑐: Mômen cản của tải

𝐽: Mômen quán tínhTa 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 𝑈đ𝑚Mômen khởi động 𝑀𝑘 :

Trang 17

Một 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

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 giảno Moment mở máy (𝑀𝑚𝑚) lớno 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.

❖ Phương pháp mở máy

Trang 19

➢ 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′ = 𝑈1𝐾 với (𝐾 > 1, tỷ số cuộn kháng)

▪ Dòng điện mở máy: 𝐼𝑚𝑚′ = 𝐼𝑚𝑚𝑘▪ Moment mở máy: 𝑀𝑚𝑚′ = 𝑀𝑚𝑚

19

Trang 20

▪ Khi mở máy, động cơ được cấp nguồn: 𝑈1′ = 𝑈1𝐾 với (𝐾 > 1, tỷ số cuộn kháng)

▪ Lúc đó dòng điện mở máy: IĐ𝐶 = 𝐼𝑚𝑚𝑘

▪ Dòng điện máy biến áp tự ngẫu: 𝐼𝑚𝑚𝐵𝐴 = 𝐼Đ𝐶

𝑘𝑇 = 𝐼𝑚𝑚𝑘𝑇2▪ Moment mở máy: 𝑀𝑚𝑚′ = 𝑀𝑚𝑚

𝑘2

Trang 21

✓ 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 = 𝑈𝐼3𝑍𝑓▪ Khi mở máy đấu Δ: 𝑈𝐼 = 𝑈𝑓𝑦, 𝐼𝑑Δ = 3𝐼𝑓Δ = 3𝑈𝐼

𝑍𝑓▪ Do vậy 𝐼𝑑𝑦

𝐼𝑑Δ = 1

3 ⇒ 𝐼𝑑𝑦 = 𝐼𝑑Δ3

▪ Đặc điểm : Dòng giảm đi 3 lần, áp giảm đi 3 lần, 𝑀𝑚𝑚 giảm đi 3 lần 𝑈𝐼′ = 𝑈𝐼′

3, 𝐼𝑚𝑚′ = 𝐼𝑚𝑚3 , 𝑀𝑚𝑚′ = 𝑀𝑚𝑚

21

Trang 22

✓ 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 23

✓ 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 24

❑ 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

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

▪ 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

▪ 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 28

❑ 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.

a Khởi động bằng vòng ngắn mạch b Khởi động bằng điện trở

c Khởi động bằng tụ điện d Có tụ làm việc

❑ Phân loại

Gồm 5 loại:

❖ Động cơ điện không đồng bộ 1 pha

Trang 29

Trang 30

➢ 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 31

➢ 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 lớnNhược điểm : Tụ dễ cháy

31

Trang 32

➢ Mô men khởi động thấp ( < 0,5Mđm)➢ Hiệu suất và cos cao hơn so với động

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

33

Trang 34

2 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 vàmomen không thông qua bộ điều khiển dòng stator.

Trang 35

- 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 36

❖ Sơ đồ nguyên lý phương pháp DTC

Trang 37

Biểu thức tính momen trong hệ tọa độ tĩnh, gắn chặt với trục dây quấn stator𝑇𝑒 = 3𝑝

𝐿𝑠𝐿𝑟 − 𝐿2𝑚 𝜓𝑠 + Δ𝜓𝑠 𝑗𝜓𝑟 (𝟕 𝟐) ▪ Tính tư thông điện áp Stator:

𝜓𝑠 = ∫ 𝑢𝑠 − 𝑅𝑠𝑖ഥ𝑠 𝑑𝑡 (𝟕 𝟑)

37

Trang 38

▪ 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 39

❖ 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 40

3 Mô phỏng phương pháp DTC trên Matlab

Sơ đồ điều khiển DTC đề xuất và thông số đầu vào

Trang 41

Sơ đồ điều khiển trên matlab PP DTC

41

Trang 42

Khối điều khiển PID PP DTC

Nhìn vào bảng chọn vector điện áp

Trang 43

Khối ước lượng tư thông và momen

43

Trang 44

Trang 45

Kết quả mô phỏng đáp ứng momen và tốc độ

45

Trang 46

Kết quả mô phỏng đáp ứng các dòng điện stator

Trang 47

4 Kết luận và đánh giá

❖ Bài báo cáo đã trình bày về tổng quản, những ưu, nhược điểm củađông cơ không đồng bộ, đã liệt kê một số công thức toán học quantrọng và nếu chi tiết về các phương pháp khởi động mở máy và điềuchỉnh 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 48

THANK YOU !