Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba pha

T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 49, 01-2015, tr.49-53 CƠ - ĐIỆN MỎ (TRANG 49-53) XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG MỀM ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA NGUYỄN THẠC KHÁNH, NGUYỄN TRƯỜNG GIANG Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Động không đồng ba pha loại động điện phổ biến công nghiệp Tuy nhiên, khởi động trực tiếp động lồng sóc công suất lớn gặp số khó khăn làm ảnh hưởng đến tải khác lưới điện giảm điện áp nguồn khởi động đặc biệt trường hợp nguồn có công suất nhỏ Trong báo trình bày nghiên cứu khởi động mềm động không đồng ba pha, bao gồm phân tích nguyên lý làm việc thiết kế khối sở phần mềm Matlab Quá trình mô cho phép điều chỉnh hợp lý thông số khởi động mềm nhằm giảm dòng khởi động động Kết mô cho thấy nhiều ưu điểm sử dụng khởi động mềm để khởi động động so với khởi động trực tiếp hưởng trình khởi động đến lưới điện Mở đầu Động không đồng ba pha rô to lồng tăng tuổi thọ hệ thống truyền động sóc (ĐC) với ưu điểm bật cấu điện Tùy theo tính chất mức độ yêu cầu tạo đơn giản, gọn nhẹ, làm việc tin cậy, hiệu tải, KĐM tạo đặc tính khởi động suất tuổi thọ cao, giá thành rẻ sản phù hợp với loại Các KĐM phổ biến suất với số lượng lớn, sử dụng rộng rãi sản phẩm sử dụng công nghệ điều chỉnh điện công nghiệp Đối với động áp xoay chiều (điều áp) thyristor bắt công suất lớn, sử dụng phương pháp khởi đầu ứng dụng từ năm 1970 [2] Cho đến động trực tiếp (KĐTT), dòng điện khởi động có việc nghiên cứu cải tiến, nâng cao hiệu thể đạt (5÷7)Idm làm ảnh hưởng tiêu cực đến KĐM tiếp tục thực [3] lưới điện giảm điện áp lưới, gây ổn Hiện xu hướng chung giới định cho thiết bị khác, chí ảnh hưởng nghiên cứu điều khiển máy điện từ đến an toàn lưới điện Hơn nữa, dòng điện nghiên cứu lý thuyết đến xây dựng mô hình mô tỷ lệ với mô men điện từ, nên phương pháp cuối thực nghiệm Trong trình KĐTT tạo mô men dạng xung (bước nhảy) tự trên, bước thứ hai có nhiệm vụ khảo sát, điều làm giảm tuổi thọ chi tiết khí chỉnh thông số mô hình nhằm tìm mô hệ thống truyền động Chính cần phải hình có thông số tối ưu, từ cho phép rút ngắn hạn chế KĐTT ĐC công suất lớn Trước đáng kể thời gian, đồng thời giảm chi phí để giảm dòng khởi động, số phương trình thực nghiệm Bài báo trình bày pháp dùng phổ biến bao gồm: nối tiếp trình bày sở lý thuyết mạch điều điều điện trở điện cảm, chuyển đổi - tam khiển điện áp (điều áp) xoay chiều (phần 2), từ giác, dùng biến áp tự ngẫu, v.v , nhiên đối xây dựng mô hình mô cho thiết bị với động công suất lớn phương KĐM khởi động không đồng ba pha Kết pháp nêu không khả thi mô hệ thống KĐM-ĐC cho thấy mô Cùng với phát triển nhanh chóng hình khảo sát tất tham số công nghệ điện tử công suất công nghệ vi hệ thống điện tử, thiết bị khởi động mềm (KĐM) Mạch điều áp dùng thyristor quan tâm nghiên cứu, chế tạo ứng dụng Mạch điều áp có nhiều dạng, rộng rãi công nghiệp nhằm giảm ảnh mạch điện phổ biến sơ đồ dùng cặp 49 Điệnap áp [p.u.] Dien thyristor nối song song ngược ví dụ phân tích sau dùng điều áp xoay chiều pha 2.1 Điều áp pha Mạch điều áp pha trình bày hình 1a Trong nửa chu kỳ dương điện áp nguồn u, thời điểm t=α (α gọi góc mở), xung điều khiển cấp đến cực G1 làm cho thyristor T1 dẫn điện áp nguồn cấp đến tải u=0 (t=π, đồng thời T1 khóa) Trong nửa chu kỳ u, tương tự nửa chu kỳ trước, t≥α+π thyristor T2 dẫn tiếp tục cấp nguồn cho tải hết chu kỳ Quá trình lặp lại chu kỳ tiếp theo, kết điện áp điện trở uT có dạng chu kỳ không sin Hình 1b Bằng cách điều chỉnh góc mở α ta điều chỉnh điện áp (hoặc dòng điện) tải Khi tải có tính chất điện cảm (R-L nối tiếp), T1 T2 ut u Zt trình chuyển mạch thyristor không phụ thuộc vào góc mở α mà phụ thuộc vào góc pha tải =arctg(L/R) Theo đó, góc mở tối thiểu cho tải R-L nối tiếp αmin= [1, 4] Kết mô hình 2c, d cho thấy α= van dẫn hoàn toàn điện áp tải điện áp nguồn 2.2 Điều áp ba pha Trong trường hợp tải ba pha nối có trung tính điện áp pha điều khiển độc lập tương tự tải pha, điều có nghĩa góc mở α điều chỉnh từ αmin= đến 180o (xem hình 2c) Trong trường hợp tải ba pha nối không trung tính, tùy thuộc vào góc pha (t) điện áp nguồn mà điện áp tải cung cấp điện áp pha điện áp dây, góc mở α điều chỉnh từ αmin= đến 150o (xem hình 2d) u  ut -1 1,2 1.2 1,205 1.205 1,21 1,215 1.21 1.215 Thoi [s] Thờigian gian [s] a) 1,22 1.22 b) Hình Sơ đồ nguyên lý mạch điều áp pha a) dạng điện áp tải trở b) T1 T1 T4 eA eA ZA T3 eB T6 ZB eB T2 ZC eC   45o   75o 0,8 0.8   90o   0o 0,4 0.4 0.2 0,2 ZB T2 ZC b) 50 100 Goc Gócmo mở α[deg] [độ] c) 150 1,01 Điện áp tai [p.u.] Dien [p.u.] ap tren áp [p.u.] DienĐiện ap tren tai [p.u.] 1,0 T6 T5 a) 0,6 0.6 ZA T3 T5 eC T4   45o   75o 0,8 0.8 0.6 0,6   90o   0o 0.4 0,4 0.2 0,2 0 50 100 Goc Góc mo mởα[deg] [độ] 150 d) Hình Điện áp tải R  L nối tiếp trường hợp góc pha tải khác a, c) Tải ba pha nối có trung tính; b, d) Tải ba pha nối không trung tính 50 Hệ thống khởi động mềm động không đồng ba pha rô to lồng sóc Bộ khởi động mềm ĐC (hình 3a) ứng dụng điều áp ba pha (hình 2b), ĐC tương đương với tải R  L có tổng trở Z  zφ tính theo sơ đồ thay tương đương [5]: z  ( R1  R2' / s)2  ( X1  X 2' )2 và,   arctg  X1  X 2'  /  R1  R2' / s  , (1) đó: R1, X1 R’2, X’2 điện trở điện kháng stator rotor quy đổi; s   hệ số trượt động Từ công thức (1) ta thấy tổng trở tương đương động hàm số hệ số trượt s Khi bắt đầu khởi động ( s  ) tổng trở nhỏ có góc pha φ lớn ngược lại ĐC làm việc chế độ định mức ( s  ) tổng trở lớn với cos φ  0.85 , φ  30o Hình 3b giới thiệu sơ đồ khối chức KĐM động không đồng ba pha Trong sơ đồ này, khối đồng có nhiệm vụ cung T1 A 500 Đồng pha T4 T3 B Dien ap [V] Điều khiển Bảo vệ T5 C T2 Xung T1-T6 -500 0.5 T5 0.5 0,5 Nguồn pha Tạo xung điều khiển ĐC T6 cung cấp xung đồng (tín hiệu qua không - zero crossing) điện áp pha; khối đo lường có nhiệm vụ đo dòng điện điện áp cực động cung cấp cho khối điều khiển bảo vệ Ở chế độ bình thường khối điều khiển cho phép tạo xung hoạt động, điều khiển góc mở  theo luật định trước (góc  giảm dần điện áp tăng dần) Khi gặp cố mong muốn kẹt rô-to khởi động, khối điều khiển lệnh dừng phát xung, đưa điện áp không nhằm đảm bảo an toàn cho thyristor động Ở chế độ khởi động, dòng điện mô men khởi động ĐC hạn chế cách giảm điện áp khởi động mềm (KĐM) Trình tự xung điều khiển cho thyristor KĐM T1-T2-T3-T4-T5-T6 điều khiển theo quy luật hình Ngoài ra, lý thuyết chứng minh, với tải ba pha nối không trung tính góc mở  lớn yêu cầu thời gian tồn chùm xung (  txung ) tối thiểu 60o điện có dòng qua cặp thiristor cung cấp cho tải [1, 4] Thyristor Đo lường a) b) a ) b) Hình Hệ0.506 thống khởi động 0.51 mềm động không đồng0.516 0.502 0.504 0.508 0.512 0.514 a) Sơ đồ nguyên lý mạch lực; b) Sơ đồ khối mạch điều khiển ĐC 0.518 0.52 T6 T5  txung T4 T3 T2  0.502 0,502 T1 0.504 0,504 0.506 0,506 0.508 0,508 0.51 0,51 0.512 0,512 0.514 0,514 0.516 0,516 0.518 0,518 0.52 0,52 Hình Các xung điều khiển thyristor (   80o ) động sử dụng trực tiếp phần tử có sẵn Mô hệ thống KĐM-ĐC 500 4.1 Xây dựng mô hình mô khởi động thư viện, với thông số khai báo phù hợp với mục đích nghiên cứu Khối đồng mềm -500 Từ sơ đồ khối hình 3b, sử dụng thư viện tạo xung điều khiển bao gồm tạo xung (6 -1000 cụ công (Toolbox) phần mềm kênh) điều khiển thyristor từ T1 đến T6; chi 0.5 0.502 0.504 0.506 0.508 0.51 0.512 0.514 0.516 0.518 0.52 Matlab/Simulink, mô hình mô đầy đủThoi hệ gian tiết [s] tạo xung điều khiển cho thyristor T1 thống KĐM-ĐC hình 5a (kênh 1) trình bày hình 4b Mỗi kênh Trong ba khối nguồn ba pha, thyristor điều khiển lấy tín hiệu đồng từ điện áp Dien ap u KK [V] 1000 51 pha cần điều khiển, thông qua khối rò điểm không (zero crossing) để tính thời gian phát xung Góc mở α thyristor đưa vào qua đầu vào alpha hình 5b, giá trị α sau quy đổi thời gian (T_alpha) so sánh với thời gian tính từ thời điểm qua không điện áp nguồn (RAMP), tín hiệu RAMP > T_alpha xung đầu kích hoạt (Start_Pulse), xung xung vuông kéo dài đến hết nửa chu kỳ Thời gian tồn xung  txung khai báo từ đầu vào P_width, tín hiệu P_width so sánh với tạo hàm cưa (1/s) kích hoạt Start_Pulse, đầu so sánh xung vuông thứ (Pulse_width) sườn dương Start_Pulse có thời gian tồn P_width Hai tạo hàm cưa thực hai khâu tích phân (1/s) kích hoạt có điều kiện với tín hiệu vào giá trị tần số định mức (f_N) Trong thực tế, để giảm công suất tiêu tán cực điều khiển, chùm xung cao tần thay xung vuông đưa đến cực điều khiển đầu vào kênh có thêm tính hiệu xung cao tần (f_H) Để triệt tiêu xung điều khiển, đầu vào kênh có tín hiệu khóa xung điều khiển (Block) Các tính hiệu Start_Pulse, Pulse_width, f_H Block đưa tới khối 'và logic' (AND), kết làm việc bình thường, đầu khối tạo xung điều khiển chùm xung có dạng hình Khối thyristor Khối nguồn ba pha Động KĐB 3kW – 690V 50Hz – 1400 v/ph Khối đồng tạo xung điều khiển kênh a) Góc mở α Tần số định mức Thời gian tồn xung Xung cao tần Khóa xung điều khiển b) Hình Mô hình mô hệ thống KĐM-ĐC a) Mô hình khối chức chính; b) Mô hình phát xung 1/6 kênh 4.2 Kết mô Để tiến hành mô phỏng, nghiên cứu sử dụng ĐC có thông số sau làm liệu đầu vào: mã hiệu Indukta Sg 100L-4B-M, công suất 3kW, tốc độ 1400v/ph, điện áp 400/690V, dòng điện pha 4A, điện trở rotor 6,372  , điện trở stator 7,073  , điện cảm rotor 0,0312H, điện cảm stator 0,0312H, hỗ cảm 0,5978H Hệ thống truyền động KĐM-ĐC mô với tải bơm ly tâm có đặc tính mô men tỷ lệ với tốc độ quay Kết so sánh hai phương pháp khởi động trực tiếp (KĐTT) KĐM cho bơm ly tâm cho hình Từ kết mô ta thấy rõ ràng dùng KĐM dòng điện (hình 6b) mô men (hình 6d) tăng đột biến, đặc biệt mô men điện từ bám sát đường mô men tải, điều chứng tỏ hệ thống khởi động êm dịu điện lẫn khí 52 [p.u.] 0 0,2 0.2 0,4 0.4 0,6 0.6 0,8 0.8 1,0 01,2 1.2 1,4 1.4 [p.u.] [p.u.] 1,6 1.6 1,8 1.8 Dòng điện 0 0.2 0,2 0.4 0,4 0.6 0,6 0.8 0,8 1,0 1.2 01,2 1.4 1,4 1.6 1,6 1.8 1,8 b) Mô men 0 [p.u.] a) Điện áp 0.5 0,2 0.2 0,4 0.4 0,6 0.6 M T 0,8 0.8 1,0 01,2 1.2 1,4 1.4 1,6 1.6 1,8 1.8 c) Tốc độ 0.5 d) α [deg] [độ] 0 100 0,2 0.2 0,4 0.4 0,6 0.6 0,8 0.8 1,0 01,2 1.2 1,4 1.4 1,8 1.8 Góc mở 50 0 1,6 1.6 0,2 0.2 0,4 0.4 0,6 0.6 0,8 0.8 1,0 01,2 1.2 1,4 1.4 1,6 1.6 1,8 1.8 e) Thoi gian Thời gian [s] [s] Hình Kết mô khởi động máy bơm (các đường nét đứt màu đỏ tương ứng với trình KĐTT, đường xanh nét liền ứng với trình KĐM) Kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO Nội dung báo trình bày mô hình [1] Phạm Quốc Hải, 2009 Hướng dẫn thiết kế khởi động mềm sử dụng phần mềm điện tử công suất: Khoa học Kỹ thuật Matlab/Simulink Kết nghiên cứu cho thấy, [2] J.M.D Murphy and F.G Turnbull, 1988 Power mô hình thành lập cho phép thay đổi Electronic Control of Ac Motors: Pergamon thông số đầu vào góc mở α , độ rộng xung, [3] Robert E Eisenbrown, 2008 AC Drives, tần số điện lưới, tần số xung cao tần Từ đó, Historical and Future Perspective of Innovation mô hình dùng để nghiên cứu điều and Growth," presented at the 25th Anniversary áp xoay chiều ba pha với tải tĩnh (hình 2) tải of The Wisconsin Electric Machines and Power Consortium University of động (hình 3) Quá trình khởi động động với Electronics tải bơm ly tâm hai trường hợp khởi Wisconsin, Madison, WI, USA động trực tiếp khởi động mềm [4] B.W Williams, 1992 Power Electronics: nghiên cứu sở mô hình thành lập Devices, Drivers, Applications, and Passive Quá trình mô khởi động mềm động Components: McGraw-Hill cho phép tác giả điều chỉnh lựa [5] A.E Fitzgerald, Jr Charles Kingsley, and chọn thông số để đạt trình Stephen D Umans, 1992 Electric Machinery, in SI Unit 5th ed.: McGraw-Hill khởi động hệ thống cách êm dịu SUMMARY Modeling and simulation of three phase induction motor soft starter Nguyen Thac Khanh, Nguyen Truong Giang, Hanoi University of Mining and Geology Three-phase induction motors are so common in industry that in many plants no other type of electric machine can be found However, direct on line starting of large squirrel cage induction motors may present difficulties for the motor itself, and the loads supplied from the common coupling point because of the voltage dips in the supply during starting, especially in the case of a weak power system This paper taking three phase induction motor soft starter for research object, such as principle analysis and design main modules based Matlab simulation software Simulation of soft statarter helped us to reach right setting and modified values yielded the motor be started successfully without over-current The simulation results indicated that soft starter was used in motor start advantages 53 ... 150 d) Hình Điện áp tải R  L nối tiếp trường hợp góc pha tải khác a, c) Tải ba pha nối có trung tính; b, d) Tải ba pha nối không trung tính 50 Hệ thống khởi động mềm động không đồng ba pha rô... Xung cao tần Khóa xung điều khiển b) Hình Mô hình mô hệ thống KĐM-ĐC a) Mô hình khối chức chính; b) Mô hình phát xung 1/6 kênh 4.2 Kết mô Để tiến hành mô phỏng, nghiên cứu sử dụng ĐC có thông... 0,516 0.518 0,518 0.52 0,52 Hình Các xung điều khiển thyristor (   80o ) động sử dụng trực tiếp phần tử có sẵn Mô hệ thống KĐM-ĐC 500 4.1 Xây dựng mô hình mô khởi động thư viện, với thông số