Nghiên cứu tìm hiểu các hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều

Luận văn, khóa luận tốt nghiệp, báo cáo là sản phẩm kiến thức, là công trình khoa học đầu tay của sinh viên, đúc kết những kiến thức của cả quá trình nghiên cứu và học tập một chuyên đề, chuyên ngành cụ thể. Tổng hợp các đồ án, khóa luận, tiểu luận, chuyên đề và luận văn tốt nghiệp đại học về các chuyên ngành: Kinh tế, Tài Chính Ngân Hàng, Công nghệ thông tin, Khoa học kỹ thuật, Khoa học xã hội, Y dược, Nông Lâm Ngữ... dành cho sinh viên tham khảo. Kho đề tài hay và mới lạ giúp sinh viên chuyên ngành định hướng và lựa chọn cho mình một đề tài phù hợp, thực hiện viết báo cáo luận văn và bảo vệ thành công đồ án của mình

Đề tài: Nghiên cứu tìm hiểu các hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều 1 Lời nói đầu Trong 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 1 . 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 2 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 a . Nguyên lý điều chỉnh tần số: Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số fi của điện áp stato được rút ra từ biểu thức xác định động cơ KĐB ωs = 2.π.fs Vậy sức điện động của dây quấn stato của động cơ tỷ lệ với tần số ra và từ thông Es = C.φ.fs 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. *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 3 fsCEsUs X s R s IsUs φ =≈⇒≈+=∆ 0 22 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 I.Biến tần trực tiếp: Điện áp vào BT có điện áp U 1 và tần số f 1 chỉ qua một mạch van là ra ngay tải với tần số f 2 ,U 2 . Đặc điểm: Hiệu suất biến đổi năng lượng cao do chỉ có một lần biến đổi điện năng .Thực hiện hãm tái sinh năng lượng mà không cần mạch điện phụ. Hệ số công suất thấp,tần số đIều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số nguồn cung cấp.Thường dùng cho hệ truyền động công suất lớn,tốc độ làm việc thấp. II.Biến tần gián tiếp: α Biến tần nguồn áp: 4 BT U 1 ,f 1 U 2 ,f 2 U 2 ,f 2 U 1 ,f 1 L C CL NL 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. MTKb 512.8 380/220V 50Hz TĐ 25% P đm = 37 kW dm th M M = 3,6 dm kd M M =3,3 U đm =380 V;n đm = 720v/p I stdm = 104 A ; R s =0,08 ;X s =0,17 ;R r =0,19 ;X r =0,16 J = 1,32 kgm 2 1. Tính toán các phần tử mạch nghịch lưu 5 L CL NL U 1 ,f 1 U 2 ,f 2 Ω Ω Ω Ω V U U U U A I III s d d s s dds 370 cos63 cos 63 7,116 6 . 6 1 1 1 1 1 ==⇒= ==⇒= π ϕ ϕ π π π * Dòng chảy qua các van T 1 → T 6 và D 1 → D 6 chính bằng dòng chảy qua các pha của stato động cơ I = 91A. * Điện áp ngược mở van phải chịu = U d = 370 V * Chọn hệ số dự trữ về dòng và áp k = 2    =×= =×= VVU AI c c 7403702 182912 Dùng để chọn cả T và D ⇒ Chọn Diôt loại B - 200 có các thông số sau: LoạI I tb (A) U im (V) ∆U(V) Tốc độ quạt(m/s) B-200 200 100-1000 0.7 12 ⇒ Chọn Tiristor loại TL - 250 có các thông số sau: Loại I(A) U im (V) ∆U(V) T off (µs) I g (V) U g (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 mn m maxm 1m max L If U 202,0L fU fI 91,0666,0C         −+= Trong đó: - f n : tần số định mức = 50Hz 6 - f max : tần số cực đại = 100Hz - I m : dòng từ hoá A5,63)(cos191I 2 m =ϕ−= - I n : dòng định mức = 91A - L: điện cảm một pha (rôto+stato) = 2x7,3.10 -3 H - U m : biên độ cực đại điện áp dây = 380V 2 33 max 10.6,14 50.5,63 380 202,010.6,14 100.380 50.5,63 91,0666,0C       −+=⇒ −− =212 µ F Chọn C = 200 µ F * Quận kháng L d d d I U L ∆ × = . 3 134,0 ω π Trong đó ∆I d =(0,05 - 0,1) I d )(028,0 7,11605,0314 5,370 3 134,0 HL = ×× ×× =⇒ π 2. Tính toán các phần tử mạch chỉnh lưu * Theo tính toán phần trên ta có: I d = 116,7 (A); U d = 370 (V) * Khi lấy điện áp cung cấp từ trước ~380V ⇒ có thể không cần sử dụng MBA. Ta có: 41,0 63 coscos 63 2 2 = × =⇒= U U U U d d π αα π ⇒ α=65,3 0 - Dòng trung bình chảy qua T 1 -T 0 )A(9,38 3 7,116 3 I I d tb === - Điện áp ngược đặt lên mỗi van: )V(8,930U6U 2ng == - Chọn K I =2; K U =1,6 7 I C =2x38,9=78,9≈80 (A) U C =1,6x930,8≈1500 (V) ⇒ Chọn Tiristor Loại T-250 có các thông số sau: Loại I(A) U im (V) ∆U(V) T off (µs) I g (V) U g (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. sq I r s r R ω ω U N =220V P N =37kW n=720v/p I N =91A f=50Hz cosϕ=0,78 1. Tính dòng kích từ danh định. )(1,6872,01912cos12 AII NsdN =−×=−= ϕ 2.Tính dòng danh định tạo mômen quay I sqN . )(2,1092 22 AIII sdNNsqN =−≈ 3. Hằng số thời gian roto T r ở chế độ danh định. 8 s R s L σ I sd L m U s s I I T sdNrN sqN r 01822,0 1,689,87 7,113 = × == ω srad n f NrN /9,87 60 3 2 =       −= πω 4. Tính điện kháng phức tiêu tán toàn phần X σ ở chế độ danh định. N N sqN sdN I3 U I I cossinX         ϕ−ϕ= σ Ω=               −= 342,0 91.3 220 2,109 1,68 72,062,0 5.Tính điện kháng phức X h . Ω=−=−= 296,2342,0 1,68.3 220.2 3 2 σ X I U X sdN N h )(022,0 3/314 7,2 . H X LLX s h mmsh ===⇒= ω ω 6. Tính hệ số tiêu tán tổng σ và T s . s R L T If XI RR H f X L X X s s s sqNN nsdNrN rs N n s n 09125,0 08,0 0073,0 )(08,0 2,109314 296,21,689,87 2 )(0073,0 2 149,0 296,2 342,0 === Ω= × ×× ==≈ == === π ω π σ σ 7.Điện cảm tản stato động cơ )(00054,0 314 17,0 H X L e s s === ϖ σ 4 . Tính các thiết bị đo: a, Máy phát tốc: 9 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 Kω hệ số tỷ lệ Kω = Uω/ω Uω = 10V τfω là hằng số thời gian của bộ lọc và <5ms Chọn τfω = 0,001s = 1ms Hàm truyền máy phát tốc: 10 ω= ω ω . K U ( ) ( ) Pj K P P P fF U F ωτ ω ω ω + == 1 1326,0 4,75 10 /4,75 60 .2 ≈=→== ω π ω Ksrad ndm dm ( ) P p F ft 001,01 1326,0 + = R C R T W [...]... 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) 14 15 - 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... - Để đơn giản trong việc tổng hợp các bộ điều chỉnh dòng điện R i 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 R i 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: IS = Ψrdm 2 1 + Tr2 ωs =... 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: f1 = ±f 2 + f m Trongđó fm: tần số quay ωr f2: tần số trượt Tín hiệu tỉ lệ với dòng điện lấy ra từ đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ R ω được đưa qua khâu đạo hàm phi tuyến I d = f ( f 2 ) → f 2 Ta có quan hệ: I1 = 1 + f 2 * ϕ2 trong... điện từ của động 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 -... trong đó T∑ = R ∑ ∑ ∑ ∑ => Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển mạch vòng dòng điện 19 III Thành lập sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ * Mômen điện từ ở chế độ tĩnh có dạng 2 2 M= ωs I s 3 Lm p' ωs: tốc độ truyền của động cơ 2 R 2 1 + ωs 2 Tr 2 Tr: hằng số thời gian mạch roto => Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng điện, tốc độ Kdo Uiđ Uωđ Rω Ri K CL / R ∑ (1 + pTCL ) (1 + pT∑ ) I d 2 3 π X IS IS2... 0,04619 J 8 K ω Ts2 ( CK F K ir + A) p ) ω 1   ⇒ Rω ( P ) =  0,9525 +  0,04619 P   Để giảm độ quá điều chỉnh 1 => Dùng thêm một khâu lọc có hàm truyền WL = 1 + 0,044 p *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 29 Đặc tính quá độ của mômen động cơ với tảI định mức và không định mức Matrix Gain K 1 0.044s+1 Step 0.044s+1 0.04619s Transfer... 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 32 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. .. có hàm truyền đạt bộ chính lưu Wcr + dk = Ud K CL = U : điện áp đầu ra CL U dk 1 + pTCL d Kđo Udk: điện ạp điều khiển chính lưu KCL, TCL: hệ số điều khiển và hằng số t - Việc tổng hợp chính xác mạch vòng dòng điện rất phức tạp vì thành phần điện trở của mạch vòng dòng điện phụ thuộc vào S => Một cách gần đúng ta bỏ qua các thành phần điện trở và điện kháng tán Ta được: R ∑ = R d + 2R L ∑ = L d + 2L1t... *kiểm nghiệm bộ điều chỉnh dòng Ri bằng Matlab-Simulink: Đặc tính quá độ của dòng điện: 25 VI Tổng hợp mạch vòng tốc độ Ở trên, ta dùng tiêu chuẩn môdun tối ưu để tổng hợp mạch vòng dòng điện: WKi (p) = 1 1 2 K do 1 + 2pTCL + 2p 2 TCL - Khi tiến hành tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta coi gần đúng hàm truyền hệ kín mạch vòng điều chỉnh tốc độ là khâu quán tính bậc nhất WKi = Ki 1 + pTi Ki = 1 1 = = 11,7 K... mạch vòng dòng điện Ld Ud CL+ĐK Rd 2L1t 2R1 I 2L2t 2R2/ S0 d - Để tiện cho việc tính toán, thiết kế được bộ điều chỉnh dòng điện R 1, người ta dùng sơ đồ đơn giản sau: Uđk Ri Iđo Irđ 17 18 Trong đó Ld, Rd: điện cảm, điện trở cuộn kháng lọc L1t, R1: điện cảm tản, điện trở 1 pha stato Uiđ + K 1 + pTCL 1/ R ∑ Uuđk ir ud L2t, R2: điện cảm tản, điện trở 1 pha CL quy đổi về stato roto R U i - s: hệ sốUtrượt . hoặc luật điều khiển. Vì vậy tăng độ chính xác và tác động nhanh cho hệ truyền động 1 . Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp tần số: Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến. 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. Đề tài: Nghiên cứu tìm hiểu các hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều 1 Lời nói đầu Trong những năm gần đây có sự ra đời và ngày càng hoàn thiện của các bộ biến đổi điện tử công