ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Đề tài: TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TP... Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu tìm
TỔNG QUAN
Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Máy điện một chiều kích từ độc lập được ưa chuộng nhờ vào khả năng sử dụng và điều khiển đơn giản cùng với mô men khởi động lớn Sự phát triển của thiết bị điều khiển điện tử công suất cho động cơ một chiều với nhiều tính năng hiện đại và giá thành ngày càng hợp lý cũng góp phần vào sự phổ biến này Động cơ bao gồm stator và rotor; stator là lõi thép ghép từ các lá thép kỹ thuật điện với rãnh để quấn dây kích từ, trong khi rotor cũng là lõi thép ghép từ các lá thép kỹ thuật điện có rãnh để quấn dây phần ứng Nguồn điện một chiều cấp cho phần ứng thông qua hệ thống chuyển mạch, bao gồm chổi than và cổ góp, để đảo chiều dòng điện.
Hình 1 1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Khi dòng điện một chiều đi vào dây quấn kích từ, từ thông 𝐼𝑓 ϕ trong stator sẽ có chiều từ cực S (Nam) ra cực N (Bắc) Nếu dòng điện một chiều được cấp vào khung dây quấn phần ứng qua chổi than-cổ góp, dòng điện sẽ tạo ra từ trường trong thiết bị.
Trong dây quấn của rotor, dòng điện ở nửa bên phải có chiều đi vào và ở nửa bên trái có chiều đi ra Từ trường kích từ tạo ra lực F theo quy tắc bàn tay trái, làm quay khung dây rotor Để khung dây quay liên tục, chiều dòng điện trong khung dây cần được đổi nhờ cơ cấu chổi than cổ góp khi khung dây ở vị trí thẳng đứng Khung dây được cố định trong lõi thép rotor, giúp rotor quay quanh trục của nó.
Hình 1 2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
Khi khung dây nằm ngang, lực tác dụng đạt mức tối đa, trong khi khi khung dây thẳng đứng, lực tác dụng không còn, dẫn đến việc khung dây quay giật khựng Để rotor động cơ quay liên tục và mượt mà, động cơ thường sử dụng nhiều khung dây xen kẽ, kết hợp với nhiều cặp phiến góp để tạo thành cổ góp Mỗi khung dây bao gồm nhiều vòng dây, giúp dễ dàng lồng vào lõi thép rotor.
Hình 1 3 Rotor sử dụng nhiều khung dây
Rotor quay trong từ trường kích từ tạo ra sức điện động cảm ứng, gọi là sức phản điện động 𝐸 𝑎, có chiều ngược với dòng điện phần ứng theo quy tắc bàn tay phải Để kéo tải, dòng điện phần ứng thường lớn hơn nhiều so với dòng kích từ, do đó, tiết diện dây quấn phần ứng cần phải lớn hơn tiết diện dây quấn kích từ.
Dòng kích từ thường dao động từ 1 đến 10% so với dòng phần ứng định mức, với điện áp định mức của kích từ 𝑉𝑓 thường tương đương với điện áp định mức của phần ứng Do đó, cuộn kích từ có thể được nối song song với cuộn dây phần ứng, tạo thành động cơ kích từ song song Khi phần ứng mang tải, hiện tượng méo từ thông ở hai mõm cực từ xảy ra, được gọi là hiện tượng phản ứng phần ứng Để khắc phục tình trạng này, có thể sử dụng dây quấn bù hoặc điều chỉnh vị trí chổi than.
Đặc tính cơ và đặc tính tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập
Từ nguyên lý hoạt động như trên, ta có dòng điện kích từ:
Điện áp của cuộn dây kích từ và điện trở của cuộn kích từ ảnh hưởng đến dòng điện kích từ, từ đó tạo ra từ thông kích từ Đặc tính từ thông thường là tuyến tính khi dòng kích từ thấp hơn định mức, nhưng sẽ bão hòa và có thể giảm khi dòng kích từ vượt quá định mức Điểm làm việc định mức thường được chọn ở mức chớm bão hòa nhằm giảm kích thước lõi thép.
Trong chế độ xác lập, mạch điện tương đương sẽ không bao gồm điện cảm (𝐿𝑎 = 0), chỉ còn lại phần tử 𝑅𝑎 nối tiếp với sức phản điện động 𝑒𝑎 trong mạch phần ứng 𝑅𝑎 đại diện cho điện trở của dây quấn phần ứng và điện trở tiếp xúc giữa chổi than và cổ góp.
Công suất điện từ khi đó:𝑅
Công suất điện từ của động cơ được xác định bằng tổng công suất cơ của tải và tổn hao cơ, bao gồm ma sát và tổn hao do quạt gió Mô men điện từ 𝑇𝑑 cũng tương tự, là tổng của mô men tải và mô men tổn hao cơ Do tổn hao cơ thường rất nhỏ, mô men điện từ của động cơ có thể được coi là bằng mô men tải trong điều kiện ổn định.
Theo định luật Faraday, sức điện động phần ứng tỉ lệ với từ thông 𝜙 và tốc độ quay của dây quấn rotor nên:
Vận tốc góc (ω) được đo bằng rad/s, trong khi n là vận tốc quay tính bằng vòng/phút (vg/ph) Hằng số mô men (K) và hằng số sức điện động (Ke) là hai yếu tố quan trọng, với Ke phụ thuộc vào cấu trúc dây quấn của động cơ.
Và theo luật Lorentz, lực từ tỉ lệ với từ thông và dòng điện phần ứng, nên mô men động cơ cũng được xác định như sau:
1.2.1 Phương trình đặc tính tốc độ
Vì mô men động cơ tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng trong khi từ thông giữ nguyên, đặc tính tốc độ thường được áp dụng nhiều hơn trong các phép tính liên quan.
Hình 1 5 Đặc tính tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
1.2.2 Phương trình đặc tính cơ
Do mô men động cơ khi kéo tải cũng chính là mô men tải nên 𝑇𝑑 = 𝑇𝐿 (bỏ qua tổn hao cơ).
Hình 1 6 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Các giá trị tốc độ không tải lý tưởng được xác định như sau:
Động cơ một chiều kích từ độc lập có công suất trung bình từ 10kW trở lên sở hữu đặc tính cơ và tốc độ nổi bật, với điện trở phần ứng rất nhỏ, dẫn đến độ sụt tốc độ thấp và độ cứng đặc tính cơ cao Các đường đặc tính cơ và tốc độ thể hiện dưới dạng đường thẳng bậc nhất có hệ số góc âm, cắt trục tung tại tốc độ không tải lý tưởng và cắt trục hoành tại điểm khởi động trực tiếp, với các thông số 𝑇𝑠𝑡 và 𝐼𝑠𝑡 được xác định rõ ràng.
Các biện pháp khởi động
Khi khởi động động cơ, tốc độ n bằng 0 dẫn đến dòng phần ứng bằng dòng khởi động lớn Sau khi động cơ khởi động, tốc độ n tăng lên và dòng phần ứng giảm xuống Đối với động cơ một chiều có công suất nhỏ dưới 10kW, dòng điện khởi động trực tiếp không quá lớn.
Quá trình khởi động động cơ một chiều công suất lớn gặp nhiều thách thức do các yếu tố như Ra nhỏ và dòng khởi động lớn Mô men khởi động lớn kéo dài thời gian khởi động, dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng như lực điện động mạnh gây giật động cơ, quá nhiệt dây quấn, và nguy cơ cháy nổ do tia lửa điện từ chổi than Những bất lợi này cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo an toàn và hiệu suất trong quá trình khởi động.
Giá trị dòng điện khởi động hoặc dòng điện hãm của động cơ điện có công suất trên 10kW phải được giảm xuống dưới mức dòng điện cực đại cho phép, theo quy định về trang bị điện.
Theo công thức 𝐼 𝑠𝑡 = 𝑉 𝑡 , các phương pháp giảm dòng khởi động đối với động cơ
𝑅𝑎 một chiều thường dùng nhất là thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng hoặc giảm điện áp mạch phần ứng.
Các phương pháp giảm dòng điện khởi động:
- Giảm dòng khởi động bằng cách giảm điện áp phần ứng.
- Giảm dòng khởi động bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng.
Các trạng thái hãm
Gồm 3 trạng thái hãm cơ bản: hãm tái sinh, hãm ngược, hãm động năng.
1.4.1 Hãm tái sinh Đặc điểm của trạng thái hãm tái sinh là tốc độ của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng và động cơ làm việc ở trạng thái máy phát và phát điện lại nguồn Do đó, để thực hiện hãm tái sinh, cần phải có các thiết bị điện chuyển mạch phù hợp Thông thường có các trường hợp sau:
Hãm tái sinh xảy ra khi hạ điện áp mạch phần ứng đủ lớn, dẫn đến việc chuyển điểm làm việc từ A sang B Trong giai đoạn này, đoạn 𝑛0𝐵 thể hiện trạng thái hãm tái sinh, sau đó tốc độ của hệ thống sẽ giảm dần và ổn định tại điểm A’.
Hình 1 7 Hãm tái sinh khi hạ điện áp mạch phần ứng đủ lớn
Khi xe điện di chuyển xuống dốc, mô men phụ tải có thể khiến động cơ quay nhanh hơn tốc độ không tải lý tưởng, dẫn đến việc động cơ hoạt động như một máy phát điện và nạp điện trở lại cho nguồn năng lượng Điều này giúp tiết kiệm năng lượng cho xe điện Để đảm bảo tốc độ xe không vượt quá giới hạn cho phép, phần ứng cần được giảm áp xuống mức nhỏ hơn hoặc bằng điện áp 𝑉𝑡 1 và hoạt động tại điểm B’.
Hình 1 8 Hãm tái sinh khi tải đảo chiều quay
Hãm ngược khi đảo điện áp phần ứng
Khi đảo điện áp phần ứng để thay đổi chiều quay của động cơ hoặc hãm dừng nhanh, điện áp này sẽ cùng chiều với sức điện động phần ứng, dẫn đến việc dòng điện phần ứng tăng cao Do dòng điện hãm ban đầu rất lớn, cần phải thêm điện trở phụ Rad vào mạch phần ứng để hạn chế dòng điện hãm Đặc tính tốc độ của quá trình hãm này được thể hiện trong hình 1.9.
Hình 1 9 Hãm ngược khi đảo điện áp phần ứng
Động cơ bắt đầu làm việc tại điểm A trên đường đặc tính tốc độ với tốc độ 𝑛 𝐴 Khi đảo điện áp phần ứng và thêm điện trở phụ vào mạch, điểm làm việc chuyển từ A sang B với dòng điện hãm ban đầu, đảm bảo giá trị này trong giới hạn cho phép (𝐼 𝐵 ≤ 2.5 × 𝐼 𝑛) nhờ điện trở phụ Sự đảo chiều dòng điện phần ứng khiến mô men động cơ đảo chiều và giảm tốc độ xuống điểm C, trong khi đoạn BC là đoạn hãm ngược Cuối cùng, động cơ tiếp tục khởi động theo chiều ngược lại và ổn định tại điểm D khi mô tải là loại phản.
Trong thực tế, thông thường khi tốc độ về 0 tại điểm C, hệ thống sẽ được thực hiện biện pháp khởi động theo chiều ngược lại.
Để giảm tải thế năng, cần thêm một điện trở phụ đủ lớn vào mạch phần ứng, như mô tả trong hình 1.10 Khi động cơ đang nâng tải tại điểm A với tốc độ 𝑛𝐴, việc thêm điện trở phụ (>𝑅𝑎𝑑𝑚𝑖𝑛) sẽ khiến động cơ chuyển sang làm việc tại điểm B, và tốc độ sẽ giảm dần về 0 tại điểm C Tại điểm C, động cơ sẽ quay ngược lại, dẫn đến sự đảo chiều của sức điện động phần ứng 𝐸𝑎 Cuối cùng, động cơ sẽ ổn định làm việc tại điểm này.
Hình 1.10 Thêm điện trở phụ đủ lớn để hạ tải thế năng
Hãm động năng kích từ độc lập
Khi động cơ hoạt động ở chế độ máy phát nhưng không cung cấp điện, quá trình hãm động năng diễn ra Tại điểm A trên hình 1.11, nguồn điện được cắt khỏi phần ứng động cơ và mạch phần ứng được nối kín thông qua một điện trở hãm Rb Trong tình huống này, sức điện động phần ứng sẽ được điều chỉnh để đảm bảo hiệu suất hãm tối ưu.
Khi 20 ứng (phụ thuộc từ thông và tốc độ) được tạo ra, chúng sẽ sinh ra dòng điện ngược chiều, làm hãm tốc độ động cơ và chuyển điểm làm việc từ A sang B Tại điểm B, tốc độ động cơ sẽ giảm dần đến O theo quá trình quá độ cơ học Nếu phụ tải là loại phản kháng, hệ thống sẽ dừng lại tại điểm O Tuy nhiên, nếu phụ tải là loại thế năng, sau khi đạt đến điểm O, mô men của phụ tải sẽ kéo động cơ quay ngược lại và ổn định tại điểm C.
Hình 1.11 Hãm động năng kích từ độc lập
Hãm động năng tự kích
Hãm động năng tự kích tương tự như hãm động năng kích từ độc lập, với cuộn dây kích từ được mắc song song với hai đầu cực động cơ, đảm bảo dòng kích từ không đổi chiều và không vượt quá định mức Sức điện động phần ứng cung cấp nguồn cho kích từ, giảm theo tốc độ, dẫn đến từ thông suy giảm và tạo ra mối quan hệ giữa mô men và tốc độ có dạng cong parabol Khi mang tải thế năng, tốc độ có thể quay ngược lại từ điểm gốc tọa độ O nhờ từ dư hình thành trong động cơ Tuy nhiên, việc kiểm soát chuyển động trong trạng thái này không chắc chắn và khó khăn, do đó, để đảm bảo an toàn, không nên sử dụng hãm động năng tự kích với tải thế năng.
Hình 1.12 Hãm động năng tự kích
TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SỬ DỤNG MATLAB/ SIMULINK ĐỂ KIỂM CHỨNG LÝ THUYẾT
Mô hình mô phỏng Matlab/Simulink
Hình 2 1 Mô hình mô phỏng Đại Lượng Giá trị
Bảng 1 Thông số của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 5HP
Đặc tính về tốc độ
Khi động cơ hoạt động ở chế độ định mức, nó sẽ vận hành theo đường đặc tính cơ tự nhiên, từ đó xác định các điểm làm việc định mức.
Và không nối thêm điện trở điện kháng vào (Hình 2.1)
Vì vậy lúc này động cơ sẽ hoạt động trên đường đặc tính cơ tự nhiên.
Khi động cơ được cung cấp một giá trị tải định mức, nó sẽ hoạt động với tốc độ định mức là 50 vòng/phút (rpm).
Vậy ta sẽ cấp cho động cơ tải ứng với 𝑀đ𝑚 = 20,35 (𝑁𝑚) để kiểm tra xem
24 động cơ có hoạt động đúng với tốc độ định mức hay không.
Hình 2 2 Tải cho động cơ ở chế độ định mức
Cho khởi động động cơ và đóng tải tại thời điểm 1s.
Từ 0-1s: Động cơ hoạt động ở chế độ không tải
Từ thời điểm 1s: + Lúc này đóng tải vào tốc độ động cơ giảm xuống
+ Dòng điện phần ứng tăng lên + Dòng kích từ lúc này không đổi vì đây là kích từ độc lập
Hình 2 3 Tốc độ của động cơ khi có tải (tại điểm số 2)
Từ hình 2 3 ta có thể thấy tại thời điểm 1s (tức là tại điểm thứ 2) tốc độ động cơ bằng 1750 rpm
Cho khởi động động cơ và kiểm tra tốc độ khi động cơ ở chế độ không tải.
Ta có: Phương trình đặc tính cơ theo dòng điện: 𝜔 = 𝑉 ư − 𝑅 ư 𝐼
Momen điện từ mà chúng ta tính toán, 𝑀 đ𝑚 = 20,35, chỉ là một phần của tổng momen mà động cơ phải chịu Ngoài momen này, động cơ còn phải đối mặt với momen từ trục động cơ, thường bị bỏ qua trong các tính toán Do đó, momen đính mức mà chúng ta xem xét thực chất chính là momen điện từ.
Nhưng ở trường hợp này chúng ta cần lấy chính xác:
Hình 2 4 Momen điện từ và dòng điện khi đóng tải (tại điểm số 2)
Hình 2 5 Tốc độ động cơ ở chế độ không tải (tại điểm số 1)
So sánh với kết quả mô phỏng ở hình 2 5
Phương trình cân bằng điện áp
Kiểm chứng phương trình cân bằng điện áp
Ta có 𝐔 đ𝐦 = 𝐄 đ𝐦 + 𝐑 ư 𝐈 đ𝐦 Với I đm ta đã có ở trên: 𝐼 đ𝑚 = 21,17 ( )𝐴
Hình 2 6 Dòng điện khởi động của động cơ
Từ hình 2 6 ta thấy dòng Ikd = 92,99 ( )𝐴
Từ các kết quả của (1) và (2), có thể nhận thấy sự khác biệt giữa phương pháp tính toán gần đúng và kết quả mô phỏng Do đó, cần sử dụng (1) hoặc (2) để kiểm tra lại thông số động cơ như được trình bày trong Bảng 1.
Theo Bảng 1 ta có thể thấy Rư = 2,581 (𝛺)
Vì vậy cách tính (2) là đúng.
So sánh với thông số động cơ: U đm(tt) ≈ U đm đc ( ) = 240𝑉
Momen khởi động (hệ số mở máy)
Kiểm chứng hệ số mở máy của động cơ
Từ đó ta có thể thấy M kđ = 4,4 M đm
Từ hình 2 4 ta đã tìm được Mđm = 21,41 (𝑁𝑚) ậ
Hình 2 7 Momen khởi động của động cơ
So sánh với kết quả mô phỏng ở hình 2 7: M kđ(tt) ≈ M kđ đc ( ) = 94 (𝑁𝑚)
Đặc tính cơ theo dòng điện và theo Momen
Kiểm chứng phương trình đặc tính cơ theo dòng điện và theo Momen
- Phương trình đặc tính cơ theo dòng điện: 𝜔
- Phương trình đặc tính cơ theo Momen:
Các thông số trên ta đã tính toán từ các kiểm chứng trước đó, từ đó suy ra:
Từ hai kết quả (3) và (4), chúng ta nhận thấy rằng cả hai phương pháp tính theo dòng điện và mô men đều mang lại cùng một kết quả, và kết quả này phù hợp với 𝑛đ𝑚 của động cơ.
Hình 2 8 Phương trình đặc tính cơ Ở hình 2.8 ta chia làm 2 phần:
Tốc độ không tải đã được tính toán và kiểm chứng, cho thấy kết quả tính toán và mô phỏng tương đồng với nhau.
Phần Sau: Độ sụp tốc của đặc tính cơ.
Kiểm chứng độ sụp tốc của đặc tính cơ Độ sụp tốc là giá trị tốc độ chênh lệch khi tải thay đổi:
Hình 2 9 Độ sụp tóc của đặc tính cơ Tại thời điểm 1: Khi động cơ chạy không tải 𝑛𝑚 ô ℎỏ (1) 𝑝 𝑛𝑔 = 2237 (𝑟𝑝𝑚)
Tại thời điểm 2: Khi động cơ chạy có tải 𝑛𝑚 ô ℎỏ (2) 𝑝 𝑛𝑔 = 1750 (𝑟𝑝𝑚)
Độ sụp tốc: ∆𝑛𝑚 ô ℎỏ 𝑝 𝑛𝑔 = 𝑛𝑚 ô ℎỏ 𝑝 𝑛𝑔 (1)− 𝑛𝑚 ô ℎỏ 𝑝 𝑛𝑔(2) = 487 (𝑟𝑝𝑚) Tính toán sử dụng Phương trình đặc tính cơ theo Momen:
So sánh từ kết quả mô phỏng với kết quả tính toán ta có:
Sở dĩ có sự chênh lệch ở đây là vì tốc độ không tải khi tính toán không bằng tốc độ mô phỏng: 𝑛0 = 2266 (𝑟𝑝𝑚) ≠ 𝑛𝑚 𝑝 ô ℎỏ 𝑛𝑔 = 2237 (𝑟𝑝𝑚)
Ta lấy 𝑛0 = 2266 (𝑟𝑝𝑚)thay vì lấy 𝑛𝑚 ô ℎỏ 𝑝 𝑛𝑔 (1)= 2237 (𝑟𝑝𝑚)
Lúc này độ sụp tốc:
∆𝑛 = 𝑛0 − 𝑛𝑚 ô 𝑝 ℎỏ (2) 𝑛𝑔 = 516 (𝑟𝑝𝑚) = ∆𝑛 𝑡𝑡 Tính toán sử dụng Phương trình đặc tính cơ theo Dòng điện:
Vậy công thức độ sụp tốc: ∆𝜔 = 𝑅 ư
𝐼 là hoàn toàn hợp lý.(𝑘𝜙) 2 đ𝑚 𝑘𝜙 đ𝑚
Đặc tính khởi động của động cơ
Kiểm chứng về phần khởi động của động cơ
Như phần trên ta có
Hệ số khởi động I kđ = 4,4I đm cho thấy dòng khởi động khá cao so với dòng cho phép của động cơ (Ikđ ≤ 2,5Iđm) Do đó, cần kiểm soát để đảm bảo dòng khởi động nằm trong mức an toàn.
- Giảm dòng khởi động cho động cơ (Ikđ = 2,5 Iđm )
Hình 2.10 Thay đổi U để giảm dòng khỏi động (240V → 136,482V)
Lúc này ta kiểm tra dòng khởi động trên mô phỏng
Hình 2.11 Dòng khởi động sau khi giảm U
So sánh kết quả tính toán và mô phỏng ta được kết quả:
I kđcp(tt) = Ikđ(mô phỏng) ≈ 52,9 ( ) 𝐴
Vậy để giảm dòng khởi động ta có thể giảm điện áp (U)
Cách 2: Tăng R (tức là nối thêm điện trở vào mạch phần ứng).
Hình 2.12 Thêm điện trở 𝐑 𝐟 vào phần ứng
Lúc này ta kiểm tra dòng khởi động trên mô phỏng
Hình 2.13 Dòng khởi động sau khi thêm 𝐑𝐟
So sánh kết quả tính toán và mô phỏng ta được kết quả:
I kđcp(tt) = Ikđ(mô phỏng) ≈ 52,9 ( ) 𝐴
Vậy để giảm dòng khởi động ta có thể thêm điện trở phụ Rf
Với 2 cách trên đều có thể giảm dòng khởi động của động cơ tuy nhiên chỉ áp dụng cho động cơ lúc khởi động, khi động cơ làm việc ở chế độ xác lập:
- Nếu làm theo cách 1: Chúng ta phải nâng điện áp U = U đm để động cơ làm việc với đúng công suất.
- Nếu làm theo cách 2: Chúng ta phải ngắt R f ra khỏi mạch phần ứng để động cơ làm việc với đúng công suất.
Dòng kích từ của động cơ
Kiểm chứng về dòng kích từ của động cơ.
Hình 2.14 Dòng kích từ của động cơ
Chúng ta thấy là cho dù động cơ hoạt động với tải hay không thì dòng kích từ vẫn không thay đổi.
Dòng kích từ không phụ thuộc vào dòng phần ứng (đặc điểm của động cơ kích từ dộng lập)
Từ hình 2.2: Ta thấy Rkt(tt) = Rkt(mophong) = 281( )𝛺
Trong động cơ kích từ độc lập, điện trở R kt sẽ rất lớn
PHẦN B: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG MẠCH
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các yêu cầu của bộ điều khiển tốc độ động cơ
Việc lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp là rất quan trọng trong quá trình sản xuất, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và năng suất máy móc, đồng thời giảm nhẹ kết cấu cơ học và chi phí hệ thống Để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc độ, cần dựa vào các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, được gọi là các chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ Các chỉ tiêu cơ bản trong điều chỉnh tốc độ bao gồm:
Sai số tốc độ xác lập là sự chênh lệch giữa tốc độ được thiết lập và tốc độ thực tế thu được, thường được tính theo tỷ lệ phần trăm (%) Sai số này phụ thuộc vào phương pháp điều chỉnh và yêu cầu độ chính xác của máy sản xuất.
Dải điều chỉnh tốc độ là tỷ số giữa tốc độ cực đại và tốc độ tối thiểu có thể điều chỉnh tương ứng với một giá trị mô men tải nhất định, và dải này càng lớn thì càng tốt, nhưng cần phải phối hợp với các chỉ tiêu khác Độ tinh trong điều chỉnh, hay độ mượt, là tỷ số giữa tốc độ của hai cấp tốc độ liền nhau, với tỷ số càng gần 1 thì việc lựa chọn tốc độ theo yêu cầu công nghệ càng dễ dàng Trong khi phương pháp điều chỉnh cơ khí khó đạt được độ mượt do cần nhiều cấp tốc độ, phương pháp điện cho phép thực hiện điều chỉnh vô cấp một cách mượt mà hơn.
Hướng điều chỉnh là vùng có sự biến đổi tốc độ so với giá trị tốc độ của đường đặc tính cơ bản, thường là đặc tính cơ tự nhiên Có hai loại điều chỉnh: điều chỉnh trên cơ bản và điều chỉnh dưới cơ bản Hầu hết các phương pháp hiện nay tập trung vào điều chỉnh dưới cơ bản, nhưng cũng tồn tại những hệ thống cho phép điều chỉnh cả hai hướng, trên và dưới tốc độ cơ bản Những hệ thống này có dải điều chỉnh rộng, do đó được đánh giá là hiệu quả hơn.
Mức độ phù hợp giữa đặc tính tải và miền tải điều chỉnh tốc độ là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của máy sản xuất Sự phù hợp này phụ thuộc vào phương pháp điều chỉnh và các yêu cầu công nghệ cụ thể Khi toàn dải điều chỉnh được xem xét, đặc tính tải cho phép của động cơ cần phải trùng hoặc gần trùng với yêu cầu, nhằm đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Máy sản xuất 42 có khả năng hoạt động hiệu quả ở bất kỳ tốc độ nào, với mô men cản trên trục động cơ tương đương với mô men tải cho phép, tối đa hóa khả năng chịu tải của động cơ Tuy nhiên, trong dải điều chỉnh, một số phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong một miền mô men tải nhất định, dẫn đến việc không thể điều chỉnh hiệu quả ngoài miền đó Do đó, chất lượng điều chỉnh bị hạn chế, và việc lựa chọn phương pháp điều chỉnh cần phải dựa vào đặc tính cơ của máy sản xuất.
Khả năng tự động hóa là một yếu tố phát triển quan trọng hiện nay, không thể thiếu trong việc cải thiện các chỉ tiêu điều chỉnh Hệ thống có mức độ tự động hóa cao sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc tối ưu hóa các chỉ số, thường sử dụng các phần tử điều chỉnh vô cấp và thuật toán mạnh Phương pháp điều chỉnh điện nổi bật với ưu thế này.
Tính kinh tế trong điều chỉnh là yếu tố quyết định khi lựa chọn phương án điều chỉnh, bao gồm các khía cạnh như năng suất máy, vốn đầu tư, mức tiêu hao năng lượng, chi phí vận hành, độ tin cậy, tính phổ cập của thiết bị và chi phí bảo dưỡng Những yếu tố này có mối liên hệ chặt chẽ, do đó cần tính toán cẩn thận để lựa chọn hệ thống phù hợp, điều này đòi hỏi người thiết kế phải có kiến thức và kinh nghiệm sâu rộng trong ngành.
Cơ sở điều chỉnh
Tốc độ động cơ có thể được điều chỉnh thông qua ba yếu tố chính: thay đổi điện trở phần ứng, điều chỉnh từ thông kích từ và biến đổi điện áp phần ứng.
Phương trình đặc tính tốc độ:
Hình 3 1 Đặc tính tốc độ của động cơ một chiều
3.2.1 Thêm điện trở vào mạch phần ứng Ở hình 3.2 cho thấy ưu điểm khi thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng, đặc tính cơ sẽ dốc hơn, dòng điện mở máy không quá lớn, với những giá trị điện trở phụ khác nhau, sẽ có những điểm làm việc khác nhau với một mô men tải cho trước với tốc độ thấp hơn tốc độ cơ bản Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp thêm điện trở phụ là đặc tính cơ bị mềm hơn và hiệu suất rất thấp nên không được sử dụng.
Hình 3 2 Thêm điện trở phụ vào phần ứng động cơ kích từ song song
3.2.2 Thay đổi dòng điện kích từ
Tốc độ không tải của động cơ tỉ lệ nghịch với từ trường kích từ và độ dốc tỉ lệ nghịch với bình phương từ thông Động cơ rất nhạy cảm với sự thay đổi của từ thông hơn là với điện áp kích từ Khi giảm dòng điện kích từ, tốc độ không tải giảm tỉ lệ nghịch với từ trường, dẫn đến độ sụt tốc độ tăng lên Tuy nhiên, từ thông kích từ không thể giảm dưới giá trị giới hạn cho phép, vì nếu vượt quá giới hạn này, dòng phần ứng sẽ tăng lên khi tải không đổi.
Hình 3 3 Ảnh hưởng của tốc độ khi thay đổi dòng điện kích từ
3.2.3 Thay đổi điện áp phần ứng
Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là một kỹ thuật phổ biến, thường được thực hiện thông qua các bộ biến đổi điện áp Khi điện áp phần ứng giảm, tốc độ không tải cũng sẽ giảm theo, với độ dốc của đường đặc tính tốc độ không phụ thuộc vào điện áp, dẫn đến các đường đặc tính song song và dải tốc độ rộng Phương pháp này có ưu điểm về hiệu suất cao và ổn định, nhưng nhược điểm chính là kích thước lớn của các bộ biến đổi điện áp và tính kinh tế không cao.
Hình 3 4 Ảnh hưởng của tốc độ khi thay đổi điện áp phần ứng
Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng là lựa chọn phù hợp để nghiên cứu điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập, nhờ vào những ưu nhược điểm của nó Bên cạnh đó, các bộ nguồn cấp điện cũng rất đa dạng; nếu nguồn điện có sẵn là nguồn một chiều, các bộ biến đổi DC sẽ được sử dụng hiệu quả.
DC được sử dụng trong các bộ chopper như giảm áp (buck), tăng áp (boost) và tăng giảm áp (buck-boost) Khi nguồn điện đầu vào là xoay chiều, các bộ biến đổi thường sử dụng là bộ chỉnh lưu một pha hoặc ba pha Trong một số trường hợp đặc biệt, có thể áp dụng các bộ chỉnh lưu nhiều pha, chẳng hạn như chỉnh lưu 6 pha.
3.2.4 Bộ biến đổi điện áp AC-DC
Các bộ chỉnh lưu có điều khiển được áp dụng khi động cơ sử dụng nguồn điện xoay chiều, thường lấy từ lưới điện Nguồn điện xoay chiều này có thể là một pha hoặc nhiều pha, tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống.
Bộ chỉnh lưu 1 pha hoặc 3 pha chuyển đổi nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều với điện áp phù hợp để cấp cho động cơ, đảm bảo tốc độ yêu cầu Ưu điểm nổi bật của bộ này là khả năng điều chỉnh điện áp thông qua việc thay đổi góc kích của Thyristor.
Hình 3 5 Chỉnh lưu cầu 1 pha và 3 pha có điều khiển
Bộ chỉnh lưu này có nhược điểm là gây tổn hao công suất lớn trên các linh kiện điều khiển Thrysistor Để làm phẳng điện áp ra ở tải, cần sử dụng mạch lọc, và dòng tải sẽ bị gián đoạn khi thay đổi góc kích đến giới hạn.
3.2.5 Bộ biến đổi điện áp DC-DC Để điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng, thông thường là giảm điện áp phần ứng nhỏ hơn điện áp định mức Nếu việc dùng mạch tăng áp hay tăng-giảm áp là không khả thi, gây quá điện áp trên động cơ điện một chiều kích từ độc lập Vì thế, mạch giảm áp là lựa chọn phù hợp.
Bộ biến đổi giảm áp DC-DC Bộ biến đổi tăng áp DC-DC
Mạch biến đổi điện áp DC-DC có ưu điểm nổi bật là khả năng điều chỉnh dải điện áp từ 0V đến giá trị định mức với dòng điện liên tục và dải tốc độ rộng Xung điều khiển được cung cấp từ vi điều khiển, dễ sử dụng và tổn hao trên linh kiện không đáng kể Để giảm công suất tiêu tán, linh kiện đóng cắt có thể được thay thế cho Diode Tuy nhiên, nhược điểm của mạch này là cần có nguồn điện sẵn có.
DC, thích hợp cho việc mô phỏng ở phòng thí nghiệm.
Hình 3 7 Dạng sóng điện áp và dòng điện các linh kiện trong mạch giảm áp
MÔ PHỎNG SỬ DỤNG MATLAB/ SIMULINK VÀ NHẬN XÉT
Yêu cầu thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập
Bộ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập sử dụng phương pháp giảm điện áp phần ứng kết hợp với bộ biến đổi giảm điện áp, cho phép cài đặt tốc độ ở 30%, 50%, 70% và 100% định mức, với thời gian xác lập dưới 3 giây và độ vọt lố dưới 10% Dòng điện khởi động được giới hạn dưới 2.5 lần dòng định mức Mô hình sẽ được xây dựng trên Matlab/Simulink và áp dụng bộ điều khiển PI để điều khiển tốc độ chính xác Bộ điều khiển PI phổ biến trong công nghiệp nhờ khả năng đáp ứng nhạy với nhiễu đo lường, triệt tiêu sai số ở khâu P và độ trễ Nên tránh sử dụng bộ điều khiển PID do khâu D nhạy cảm với nhiễu, có thể gây mất ổn định cho hệ thống.
Bảng 2 Thông số của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Mô hình mô phỏng Matlab/Simulink
Hình 4 1 Mô hình mô phỏng phương pháp đề xuất
Khối mạch giảm áp và động cơ một chiều kích từ độc lập
Hình 4 2 Mô hình mạch giảm áp và động cơ
Các yêu cầu về linh kiện trong mạch giảm áp được thể hiện trong hình 4 Khi độ rộng xung vượt quá 90%, khóa bán dẫn hoạt động như dẫn liên tục, có thể dẫn đến hư hỏng linh kiện Ngoài ra, tần số đóng cắt cao trong mạch sẽ làm tăng tổn hao chuyển mạch.
Các công thức liên quan:
V0 𝑓 Đại lượng Giá trị Điện áp (𝑉 𝑖𝑛 ) 300V
Tần số đóng cắt (f) 400Hz
Chu kỳ công tắc (D) 5% ÷ 90% Độ nhấp nhô dòng điện (∆iL) 15A Độ gợn điện áp ngõ ra ( ∆V0 )
- Với D=0.05 Bảng 3 Yêu cầu đối với mạch giảm áp
Mô hình bộ điều khiển PI.
Hình 4 3 Mô hình điều khiển tốc độ động cơ sử dụng bộ điều khiển PI.
Chọn thông số Kp, Ki cho bộ điều khiển PI.
Chọn “Tune” để Matlab thiết lập thông số.
Hình 4 4 Chức năng tìm thông số Kp, Ki
Mô hình đang ở chế độ rời rác nên chọn vào “Identify New Plant”.
Chọn “Simulata Data” để nhập input cho mô hình.
Hình 4 6 Mô phỏng nhập xuất của đối tượng
Nhập giá trị “Onset Lag” là 0 và “Amplitude” là 875 Tốc độ đặt của setp trong 2 giây đầu sẽ đạt 50% tốc độ đinh mức Sau đó, nhấn nút Run, rồi chọn Apply và Close để hoàn tất quá trình.
Hình 4 7 Thiết lập hàm nấc đơn vị Điều chỉnh thanh trượt ở “Tuning Tool” với thông số như hình 4 8 rồi Updata Block.
Hình 4 8 Thông số Kp, Ki của bộ điều khiển PI.
Qua đó, thông số Kp và Ki lần lượt là:
Bảng 4 trình bày thông số PI của bộ điều khiển Nhằm đánh giá hiệu quả, nhóm sẽ so sánh đáp ứng của hệ thống giữa việc áp dụng phương án đề xuất và không sử dụng bộ điều khiển PI với chức năng bảo vệ quá dòng.
Trong 2 giây đầu tiên, tốc độ và mômen được cài đặt ở mức 50% tốc độ định mức Từ giây thứ 2 đến giây thứ 3, tốc độ đạt định mức trong khi mômen vẫn giữ ở 50% Sau 3 giây, mômen đạt mức định mức Khi có sự thay đổi tải, mômen sẽ thay đổi dẫn đến tốc độ cũng thay đổi Nhờ vào bộ điều khiển PI, tốc độ đã nhanh chóng đạt giá trị cài đặt.
Kết quả mô phỏng khi không sử dụng bộ điều khiển và bảo vệ quá dòng
Hình 4 9 Dạng sóng điện áp và dòng điện
Hình 4.10 cho thấy đáp ứng tốc độ và mômen của hệ thống, trong khi hình 4.9 minh họa dạng sóng điện áp và dòng điện có hình dạng gai nhọn, ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ động cơ và quy trình vận hành Hệ thống này có độ vọt lố cao và bất ổn định, dẫn đến tốc độ không chính xác trong quá trình hoạt động lâu dài.
Kết quả mô phỏng khi sử dụng phương án đề xuất
Hình 4.11 Dạng sóng điện áp và dòng điện
Hình 4.12 Đáp ứng tốc độ và mômen.
Trong quá trình điều khiển, tốc độ và mômen được thiết lập ở mức 50% tốc độ định mức trong 2 giây đầu tiên Từ giây thứ 2 đến giây thứ 3, tốc độ đạt mức định mức trong khi mômen vẫn duy trì ở 50% định mức Trong khoảng thời gian từ 4 đến 6 giây, mômen đạt mức định mức, tốc độ giảm tạm thời theo đặc tính tốc độ trước khi ổn định ở mức cài đặt Sau 3 giây, điện áp tăng nhẹ để tốc độ đạt mức cài đặt, với thời gian xác lập luôn nhỏ hơn 2 giây Cuối cùng, hệ thống ổn định với độ vọt lố đạt 7.6%.
