Chương 5 Điều chỉnh tự động truyền động điện động cơ không đồng bộ

5.4 Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ Việc điều chỉnh điện áp stato là không triệt để do mọi đặc tính điều chỉnh đều đi qua điểm không tải lý tưởng  Tổn thất công suất trượt của

THIẾT BỊ ĐIỀU

KHIỂN VÀ MÁY ĐIỆN

Chương 5: Điều chỉnh tự động truyền động điện

động cơ không đồng bộ

Trao đổi trực tuyến tại:

http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html

Nội dung chính:

1. Mô tả chung

2. Các đặc tính của động cơ không đồng bộ

3. Mạch vòng dòng điện stato

4. Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ

5. Điều chỉnh điện trở roto động cơ không đồng bộ

6. Điều chỉnh công suất trượt băng hệ nối tầng điện dưới đồng bộ

7. Điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ

5.1 Mô tả chung

 Động cơ không đồng bộ 3 pha (ĐK) được sử

dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công

suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm

tỷ lệ rất lớn so với động cơ khác có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều 3 pha

 Tuy nhiên, trước đây các hệ truyền động ĐK

có điều chỉnh tốc độ lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ,

đó là do việc điều chỉnh tốc độ ĐK có khó

khăn hơn động cơ một chiều

5.1 Mô tả chung

 Trong thời gian gần đây, do phát triển công

nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ

thuật điện tử tin học, ĐK mới được khai thác các ưu điểm của mình Nó trở thành hệ

truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động Thyristor - Động cơ một chiều

 Khác với động cơ một chiều, ĐK được cấu

tạo phần cảm và phần ứng không tách biệt

Từ thông động cơ cũng như mômen động

cơ sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham số

 Có ĐK roto dây quấn và ĐK roto lồng sóc

5.1 Mô tả chung

 Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động

điện ĐK là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh Trong định hướng xây dựng hệ truyền động ĐK, người ta có xu

hướng tiếp cận với các đặc tính điều chỉnh của truyền động động cơ 1 chiều

 Phương trình đặc tính cơ của ĐK có dạng:

5.1 Mô tả chung

 U1 : Điện áp pha nguồn đặt vào dây quấn stato

 ωo : Tốc độ đồng bộ R1: đtrở stato R2’ là đtrở rôto,

Xnm là điện kháng ngắn mạch Xnm = X1 + X2’ với X1,

X2’ là điện kháng stato và roto

 s : Hệ số trượt của động cơ

với f1 là tần số đ.áp nguồn đặt vào stato; p là số đôi cực của ĐK

 là tốc độ góc của roto ĐK

- Tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ ta đi từ

pt cân bằng công suất: P12 = Mđt 0

- Với P12: công suất điện chuyển từ roto sang stato;

Mđt là momen điện từ của ĐK

5.1 Mô tả chung

 Nếu bỏ qua tổn thất thì Mđt = Mcơ = M

 P12= Pcơ + P2 với Pcơ là công suất cơ trên

trục ĐK: Pcơ = M.; P2 = 3I2’2.R2’ là tổn hao công suất trong roto với I2’ là dòng Roto quy đổi về stato

I

M 

2

2 1 1

0

2 1.(

f th

X R

R

U M

' 2

nm

th

X R

th th

th

th

X

U M

X

R s

s

s s

s

M M

0

2 1

' 2

2 3

; 2

5.1 Mô tả chung

 Trong công nghiệp thường sử dụng bốn hệ

truyền động điều chỉnh tốc độ ĐK :

 - Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ

dùng bộ biến đổi Thyristor

 - Điều chỉnh điện trở Rôto bằng bộ biến

đổi xung Thyristor

 - Điều chỉnh công suất trượt Ps

 - Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho

động cơ bằng các bộ biến đổi tần số Thyristor hay Tranzistor

5.1 Mô tả chung

 Ví dụ: cho ĐK có Pđm= 500KW; n0= 600V/p;

nđm=588v/p; =2,15; E2đm=1200V; I2đm=450A tính đặc tính cơ cho đk:

LG:với ĐK công suất lớn ta dùng ct gần đúng

p

đm đm

)1

s

s M

hoăo

s

s s

s

M M

th th

th th

*

;2

s

s s

s

M M

th th

th nm





5.1.1 Mô tả ĐK trong điều khiển

 ĐK là máy điện có nhiều dây quấn trên cả

roto và stato

 Pt cân bằng điện áp trên mỗi dây:

Với k là chỉ số tên dây quấn pha

R

k k k





12 

M

5.1.1 Mô tả ĐK trong điều khiển

 Gọi v là góc lệch trục dây quấn pha roto và

stato thì tốc độ quay roto là  = dv/dt

 Để tiện ta viết các đại lượng ở dạng vecto

 Ls1,Lr1: điện cảm tự cảm cuộn dây

A r

C B

A r

C B

A r

c b

a s

c b

a s

c b

a

s

u u

u u

i i

i i

u u

u u

i i

v

v v

v

v v

v v

L L

M M

M L

M

M M

L

L

L M

M

M L

M

M M

L L

R R

R R

R R

R

R

m r

r r

r r

r

r r

r r

s s

s

s s

s

s s

s s

r r

r r

s s

s

s

cos )

3 / 2 cos(

) 3 / 2 cos(

) 3 / 2 cos(

cos )

3 / 2 cos(

) 3 / 2 cos(

) 3 / 2 cos(

cos )

(

;

; 0

0

0 0

0

0

; 0

0

0 0

0 0

1 1

1

1 1

5.1.1 Mô tả ĐK trong điều khiển

 Ta viết lại

 Đây là hệ vi phân tuyến tính có hệ số biến

thiên theo thời gian vì góc quay

; )]

( [

)

(

; )]

( [

T m

m s

s

r

s r

s r

T m

m s

r

s

i

i dt

d L R

v

L dt d

v

L dt

d dt

d L R

u

u i

i L

v L

v L

L U

U

} ).

( {

) (

dv

d t i





v t dt

v 0 ( )

5.1.2 Chuyển vị tuyến tính các phương trình

 Nhằm mục đích loại trừ các hệ số phụ thuộc góc

quay v

 Thường dùng cách chuyển các giá trị tức thời của

đáp(dòng điện)thành các vecto không gian

 Vecto không gian của dòng stato

 Phép chuyển này có thể thực hiện cho các đại

c b

3 )

2

( 2

1 }

Im{

} Re{ s s a b c b c

s s

5.1.2 Chuyển vị tuyến tính các phương trình

 Vecto không gian của dòng trong hệ tọa độ 

là: is = ise-jk các thành phần của vecto này:

3

2 sin(

) 3

2 sin(

sin [

)]

3

2 cos(

) 3

2 cos(

i v

i v

i Kq i

v i

v i

v i

Kd i

k c

k b

k a

sv

k c

k b

k a

r rv

su m ru

r ru

rv m sv

s sv

ru m su

s su

i L i

L

i L i

L i

L i

L

i L i

L

.

.

.

.

.

( (

)]

( [

) (

r k

m

k m

k s

p L

R j

p L

j p

L j

p L

R U

5.1.2 Chuyển vị tuyến tính các phương trình

 Momen

M=(3/2)Im{ is ir}

r r

r k

m m

k

r k

r r

m k

m

m m

k s

s s

k

m k m

s k s

pL R

L pL

L

L pL

R L

pL

pL L

pL R

L

L pL

L pL

) (

) (

5.1.4Mô hình từ thông theo phương trình trạng thái

 Nếu rút dòng điện từ pt (*) rồi thay vào pt (**)

ta thu được mô hình mới có dạng

 Từ 2 phương trình của mô hình trước ta có thể

tính ra d điện stato và roto rồi thay vào chính

nó ta thu đc phương trình trạng thái mới

j

p i

i R

R U

( 0

0

0

0

sv su

r k

s r

k r

s r

r s s

k

r s k

s

rv ru sv

su

u u

a k

a

a k

a

k a a

k a a

5.1.4Mô hình từ thông theo phương trình trạng thái

 Trong đó

 eđm: tần số góc định mức của dòng điện

 : Hệ số tản từ

m r

s M

s r

m s

r

m m

r

m r

s

m s

m eđ r

r r

m eđ s

s s

L

M N

N L

L L

L L

L

L k

L

L k

L

L k

SL

R a

L

R a

2 3

5.1.5Mô hình ĐK khi bỏ qua quá trình quá độ điện từ

 Nếu quá trình quá độ điện từ rất nhỏ so với quá

trình quá độ điện cơ thì có thể bỏ qua quá trình quá độ điện từ khi khảo sát ĐK

 Trong từng trường hợp cụ thể momen là hàm

của ít nhất 2 biến là biến tốc độ ra và 1 biến vào nào đó gọi là biến y: M = M(y,)

 ĐK có đặc tính phi tuyến mạnh nên thường

dùng p2 tuyến tính hóa quanh điểm làm việc

y M

5.1.5Mô hình ĐK khi bỏ qua quá trình quá độ điện từ

K p

Y

p F

m

my p

(

) (

J T

c m

5.1.5Mô hình ĐK khi bỏ qua quá trình quá độ điện từ

 Kmy là hệ số khuếch đại của ĐK với biến vào y

y

M

K

c my

5.2 Các đặc tính của động cơ không đồng bộ

 Ở chế độ xác lập ta có các phương trình mô

tả quan hệ giữa các thông số:

 Trong đó s = e -  gọi là tốc độ trượt

s r

m s

m k

s k s

r

s

I

I L

j R

L j

L j

L j

R U







5.2 Các đặc tính của động cơ không đồng bộ

 Trong đó

 Biên độ từ thông stato:

 Biên độ từ thông động cơ

2

) (

)

(

s

s r e

r

s r

s s

e

r

L L

R

R s

)

(

2 2

s F

L

R L

)

(

2 2

s F

L

R L

r

e

m s

5.2 Các đặc tính của động cơ không đồng bộ

 Momen điện từ của động cơ

 Tổng trở vào của động cơ

 Momen điện từ của động cơ thông qua dòng

stato

2

2 2

2

)(

1

s F

R L

U M

s

r m

r

s

s r e

r

s s

r s

đ

jL R

L R L

R j L

L R

R z

(

s

sth sth

L M

5.2 Các đặc tính của động cơ không đồng bộ

 Momen điện từ của động cơ thông qua dòng





r s

5.3 Mạch vòng dòng điện stato

 Việc tổng hợp mạch vòng dòng điện stato gặp

nhiều khó khăn do các thông số của đối tượng như tổng trở của động cơ, hằng số thời gian điện từ biến thiên theo tải Nếu coi khe hở

không khí giữa stato và roto là đều, sự biến

thiên của tải được phản ánh ở điện trở tương đương trong mạch roto và dây quấn stato đấu hình sao thì ta có mô hình của ĐK

pL R

1

5.3 Mạch vòng dòng điện stato

 Trong đó 2b = Tvo = Tn/12

 Tn: chu kỳ điện áp nguồn

 Tvo thời gian trễ thống kê của bộ biến đổi

 Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh

Si(p) = So1(p).So2(p).Sis(p)

p b

K p

o

.1

)

(2





)1)(

1(

1)

T

Ks p

S

si oi

5.3 Mạch vòng dòng điện stato

 Trong trường hợp động cơ roto dây quấn thì

phải đưa các điện trở phụ Rf vào mạch roto

I

I I

M

M I

r

r r

) (

1 1

1 )

(

)

(

pL R

p U

p I

s

r





5.3 Mạch vòng dòng điện stato

 Trong đó R1 = Rf + 2Rs + (Rr + Rf)2/s

L1 = Lf + 2Ls = 2Lr

T1 = L1/R1

 Khi tổng hợp mạch vòng dòng điện roto ta

bỏ qua khâu Áp dụng chuẩn tối ưu modul ta tổng hợp được cấu trúc và tham số của bộ điều chỉnh dòng điện cho động cơ

Với T1 = T;

T = L/R

KTo = 2K2Tsi; Tsi = b + Ti

p KT

p

T p

R

o

1 )





I r

5.4 Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ

 Việc điều chỉnh điện áp stato là không triệt

để do mọi đặc tính điều chỉnh đều đi qua

điểm không tải lý tưởng

 Tổn thất công suất trượt của động cơ tăng

lên nếu giảm tốc độ quay của roto :

x

m đ c

m đ

5.4 Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ

 Giá trị cực đại của tổn thất công suất :

Prmax = Mcđm ωo = Pđm

 Truyền động không đồng bộ điều chỉnh điện

áp stato chỉ thích hợp với các loại tải có

moment là hàm tăng của tốc độ

 Cấu trúc một hệ thống điều chỉnh điện áp như

hình, trong đó để thiết lập mạch vòng dòng

điện có thể lấy phản hồi dòng điện stato hoặc

phản hồi dòng điện roto nếu sử dụng động cơ roto dây quấn

)1

()

(

o

x o

m đ c

5.4 Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ

 Trong trường hợp sử dụng động cơ roto lồng sóc

thì phản hồi dòng điện stato được thiết lập , việc tổng hợp mạch vòng dòng điện được tiến hành

như ở mục trước đã nêu Moment động cơ cũng được tính theo dòng điện stato

5.4 Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ

 Trong trường hợp động cơ roto dây quấn thì phải

đưa các điện trở phụ R t vào mạch roto để mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ

 Có thể kết hợp điều chỉnh (có cấp) các điện trở phụ

R t

 Moment điện từ tỉ lệ với bình phương dòng điện roto

và do có điện trở phụ nên động cơ luôn làm việc ở đoạn dặc tính có độ trượt nhỏ hơn độ trượt tới hạn

Ở vùng đặc tính này khi dòng điện roto tăng lên thì moment cũng tăng và việc điều chỉnh sẽ thuận lợi

nếu ta sử dụng phản hồi dòng điện roto.

;

) 1

s th

th

L M

5.4 Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ

 Nếu biểu diễn bằng sơ đồ như hvẽ sau

 Thì ta được đối tượng của mạch vòng điều

Us

1 1

1 )

(

)

(

pL R

p I

p U

R

R1  f  2 s  2( r  f ) L1 L f  2L s 2L r

5.5 Điều chỉnh điện trở roto động cơ không

đồng bộ

 Giá trị điện trở tổng của mạch roto là :R=Rr+Rf

 Khi tăng giá trị điện trở tổng R tức là làm tăng độ

trượt tới hạn Sth còn momen tới hạn của động cơ không thay đổi.

 Nếu coi bộ điều chỉnh xung là khóa lý tưởng thì có

thể điều chỉnh trơn giá trị điện trở tương đương

của mạch điều chỉnh xung từ Re =0 tới Re = R1 tương đương thời gian dẫn dòng biến thiên từ t1=

0 tới t1 = T Điện trở phụ mắc vào roto có thể được xác định theo điều kiện cân bằng công suất.

 Rf = Rc /2

5.5 Điều chỉnh Rr động cơ không đồng bộ

 Độ trượt khi điều chỉnh roto có thể được xác

định như sau: S = Rsi/Rr

 Trong đó : s độ trượt ứng với điện trở R=Rr+Rf

si độ trượt ứng với điện trở Rr (Rc =0)

 Momen đông cơ chỉ phụ thuộc vào dòng điện

rotoTa có

 Với Utm là biên độ điện áp răng cưa tại xung

mở Thiristor phụTf,

2 2

) 1

( )

1

r

i o

r o

I R R S

R I

s

R M

5.5 Điều chỉnh Rr động cơ không đồng bộ

 Rl là giá trị điện trở mắc ở mạch một chiều,Tvo

=1/2f là hằng số thời gian trung bình,Td là

5.5 Điều chỉnh Rr động cơ không đồng bộ

Với

 Và bằng phương pháp tổng hợp sơ đồ cấu trúc bỏ

qua sức điện động của động cơ ta sẽ tổng hợp

được bộ điều chỉnh tốc độ và bộ điều chỉnh dòng điên R và Ri

e k

r

k r

R R

5.6 Điều chỉnh Ptrượt bằng hệ nối tầng điện dưới đồng bộ

 Khi điều chỉnh tốc độ bằng hệ nối tầng thì vừa

điều chỉnh được công suất trượt vừa điều chỉnh được tốc độ của động cơ Để đơn giản bằng

cách mô tả hệ ta bỏ qua điện trở và điện kháng trên stato động cơ,bỏ qua sụt áp thuận trên các van bán dẫn lực và coi động cơ có hai cực và

động cơ có số vòng dây quẩn roto và stato là

5.6 Điều chỉnh Ptrượt bằng hệ nối tầng …

 Ta có sơ đồ khối hệ nối tầng

5.6 Điều chỉnh Ptrượt bằng hệ nối tầng …

 Giải phương trình trên ta tìm được vecto dòng

điện roto :

 độ trượt không tải lý tưởng :

So = = =

 Trong đó Urd0– Sức điện động chỉnh lưu

không tải mạch roto

 Um Biên độ điện áp pha stato



e M r

r M

r

r M

r

L

L s

R JL

U s

U JL

5.6 Điều chỉnh Ptrượt bằng hệ nối tầng …

r

s

U I

r r

s

No dr

L R

R L

U U

s

dr

R L

U

2 3

5.6 Điều chỉnh Ptrượt bằng hệ nối tầng …

 Cosφ được gọi là hệ số công suất của mạch roto

 Idr: Dòng một chiều do chênh lệch sđđ chỉnh lưu &

nghịch lưu.

 LBA là điện kháng 1 pha của biến áp

 Từ thông máy khi bỏ qua Rs và Ls là

ψ = -Um /e

 Trong trường hợp chọn trục tọa độ Ox trùng với

trục của vecto từ thông thi moment sẽ là :

 Trong đó:

yr e

r r

5.6 Điều chỉnh Ptrượt bằng hệ nối tầng …

 Với LBA RBA là điện kháng tản và điện trở trên 1

pha của máy biến áp

 Từ phương trình trên ta thành lập được mô

hình hệ thống nối cấp và tuyến tính hóa nó ta được sơ đồ:

5.6 Điều chỉnh Ptrượt bằng hệ nối tầng …

 Tuyến tính hóa hệ thống nối cấp

5.6 Điều chỉnh Ptrượt bằng hệ nối tầng …

 Nguyên lý điều chỉnh công suất trượt thường

áp dụng cho các truyền động công suất lớn,

ít dừng máy, đảo chiều và khởi động lại vì

khi đó việc tiết kiệm điện năng có ý nghĩa lớn hơn.Phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống không lớn lắm và moment của động cơ bị

giảm tốc độ thấp

5.7 Điều chỉnh động cơ không đồng bộ

 Các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay

chiều có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và tính chất động học chỉ có thể thực hiện được với các bộ biến tần

 Các hệ này sử dụng động cơ không đồng bộ

roto lồng sóc có kết cấu đơn giản,vững

chắc,giá thành rẻ,có thể làm việc trong mọi

môi trường

 Nhược điểm cơ bản của hệ thống này là mạch

điều khiển rất phức tạp

5.7 Điều chỉnh động cơ không đồng bộ

 Có thể chia ra thành các loại bộ biến tần sau:

 Biến tần trực tiếp,là biến tần có tần số đầu ra luôn

nhỏ hơn tần số lưới fl : fs = ( 0 0,5 )fl thường

dùng cho truyền động có công suất lớn.

 Biến tần gián tiếp nguồn áp, thường dùng cho

truyền động nhiều động cơ.Đối với biến tần nguồn

áp yêu cầu chất lượng điện áp cao thường dung các biến tần có điều chế xung rộng.

 Biến tần nghịch lưu độc lập nguồn dòng,thích hợp

cho truyền độn đảo chiều,công suất động cơ

truyền động lớn.

5-7.1 Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi

 Nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato thì có thể

tính được moment tới hạn như sau :

 Điều kiện giữ khả năng quá tải về moment

không đổi là : =>

 Dạng đặc tính cơ (gần đúng)

 Khi truyền động ổn định thì M = Mc nên:

x m ođ

o )(







5-7.2 Luật điều chỉnh từ thông không đổi

 nếu giữ từ thông máy ψ hoặc từ thông stato ψs

không đổi thì moment sẽ không phụ thuộc vào tần

số và moment tới hạn sẽ không đổi trong toàn bộ

dải điều chỉnh.

 Nếu coi Rs= 0 thì:ψs =Us/o = Usđm/ođm= const

 Tuy nhiên ở vùng làm việc tần số thấp khi mà sụt

áp trên điện trở stato có thể so sánh được sụt áp trên điện cảm tản mạch stato khi đồng thời từ thông cũng giảm đi và do đó mômen tới hạn cũng giảm.

5-7.2 Luật điều chỉnh từ thông không đổi

5.7.3 Luật điều chỉnh tần số trượt không đổi

 Momen động cơ M =

Tr = Lr /Rr

 Khi đó giữ s= const thì M phụ thuộc vào Is2 mà

0 phụ thuộc vào tần số nguồn

 Như vậy nếu giữ thì M luôn bằng

Mth của đặc tính.Trong trường hợp này ta gọi là luật điều chỉnh sao cho động cơ sinh ra M tối

đa ứng với giá trị cho trước của dòng điện

stato

5.7.4.Điều chỉnh tần số điện áp động cơ không đồng bộ

1 Đặc tính của động cơ khi cấp từ nghị lưu áp

- Khi các khóa bán dẫn được đóng cắt theo trật tự nhất định thì tạo điện áp xoay chiều 3 pha đặt lên động cơ ĐK Điện áp dây của nghịch lưu là các

xung chữa nhật có độ rộng 2/3 và thỏa mãn điều kiện phân tích chuỗi điều hòa Fourie.