Điều khiển động cơ đồng bộ 3 pha

8/20/2014 Nội dung Giới thiệu Điều khiển động chiều Điều khiển động không đồng pha Điều khiển động đồng pha Giới thiệu Truyền động điện gì? Truyền động điện (điều khiển động điện), nhánh nhóm chun mơn điện tử công suất điều khiển tự động Mục tiêu khoá truyền động điện điều khiển (moment, tốc độ vị trí) động điện Trang web tham khảo www.siemens.com/motioncontrol www.abb.com/drives www.emersonindustrial.com 8/20/2014 Giới thiệu Các lĩnh vực liên quan đến truyền động điện  Máy điện  Điện tử công suất  Lý thuyết điều khiển tự động Giới thiệu 8/20/2014 Giới thiệu Giới thiệu Phương trình chuyển động động điện (bỏ qua tổn hao) 𝑑 𝑀 = 𝑀𝑐 + 𝐽 𝑑𝑡 ◦ M: mơmen điện từ; ◦ Mc: mơmen tải; ◦ J: mơmen qn tính; ◦ : vận tốc động Nhận xét: 8/20/2014 Giới thiệu iư = +; M = + vư = -;  = - iư = +; M = + vư = +;  = + iư = -; M = vư = -;  = - iư = -; M = vư = +;  = + Hình Bốn miền làm việc Giới thiệu Để thiết kế tốt truyền động điện phải biết đặc tính tải (công suất, mômen, tốc độ) Bảng đặc tính tải khác 8/20/2014 Giới thiệu VD 1: Một động điện có đáp ứng tải vẽ Biết mơmen qn tính có giá trị 0.001 kg.m2 a) Bỏ qua tổn hao, tìm mơmen điện từ động b) Vẽ đồ thị mômen điện từ động (trục tung mơmen trục hồnh thời gian) TL (N.m) ω (rad/s) 150 20 100 50 16 t (s) 16 t (s) a Đáp ứng vận tốc b Đáp ứng mômen tải Đáp ứng tải Giới thiệu VD 2: Một động điện có đáp ứng tải vẽ Biết mơmen qn tính có giá trị 0.001 kg.m2 a) Bỏ qua tổn hao, tìm mơmen điện từ động b) Vẽ đồ thị mômen điện từ động (trục tung mơmen trục hồnh thời gian) MC (N.m) ω (rad/s) 20 50 16 a Đáp ứng vận tốc 20 t (s) 16 20 t (s) b Đáp ứng mômen tải Đáp ứng tải 8/20/2014 Điều khiển vận tốc động chiều (vòng hở) Các phương trình động chiều 𝐸 = 𝐾∅𝜔 = 𝐾𝑣𝜔 với 𝐾𝑣 = 𝐾∅ 𝑉 = 𝐸 + 𝑅ư𝐼ư 𝑀 = 𝐾𝑣𝐼ư Từ phương trình suy 𝜔= 𝑉 𝐾𝑣 − 𝜔= 𝑉 𝐾𝑣 − 𝑅ư 𝐼 𝐾𝑣 𝑅ư 𝑀 𝐾𝑣 Vận tốc động chiều phụ thuộc vào: điện áp phần ứng, từ thông, điện trở phần ứng mơmen (dòng điện phần ứng) Điều khiển vận tốc động chiều (vòng hở) VD 3: Một động chiều có Vđm = 240 V, Rư =0.6 , hệ số Kv = 1,8 V.s/rad Tính vận tốc động điện áp cấp vào động có giá trị 120 V, mơmen đơng 10 N.m VD 4: Một động chiều có Vđm = 240 V, Rư =0.6 , hệ số Kv = 1,8 V.s/rad Tính điện áp cấp vào động động quay với vận tốc 2000 vòng/phút, mơmen đơng 10 N.m VD 5: Một động chiều có Vđm = 240 V, Rư =0.6 , hệ số Kv = 1,8 V.s/rad Tính vận tốc động cơ, sức điện động phần ứng dòng điện phần ứng biết mơmen động có giá trị M=5 N.m điện áp cấp vào động thay đổi từ đến định mức (tức áp lần thay đổi 20 V) VD 6: Một động chiều có Vđm = 240 V, Rư =0.6 , hệ số Kv = 1,8 V.s/rad Vẽ đặc tính (vận tốc hàm số mơmen) Vẽ đồ thị vận tốc theo dòng điện phần ứng (vận tốc trục tung, dòng điện phần ứng trục hoành) Trong thực tế để điều khiển vận tốc động chiều, người ta điều khiển điện áp phần ứng (tức điều khiển V) Điều khiển V sử dụng điện tử công suất giải pháp hiệu 8/20/2014 Điều khiển vận tốc động chiều (vòng hở) pha pha Chỉnh lưu bán kỳ pha điều khiển Chỉnh lưu hình tia pha điều khiển 𝑉𝑑 = 2𝑉𝑠 (1 2𝜋 + 𝑐𝑜𝑠𝛼) 𝑉𝑑 = 6𝑉𝑠 𝑐𝑜𝑠𝛼 2𝜋 Chỉnh lưu pha cầu điều khiển toàn phần Chỉnh lưu pha cầu điều khiển toàn phần 𝑉𝑑 = 2𝑉𝑠 𝑐𝑜𝑠𝛼 𝜋 𝑉𝑑 = 6𝑉𝑠 𝑐𝑜𝑠𝛼 𝜋 với Vs: điện áp pha hiệu dụng; Vd: điện áp chỉnh lưu Điều khiển vận tốc động chiều (vòng hở) Chỉnh lưu pha cầu điều khiển toàn phần 8/20/2014 Điều khiển vận tốc động chiều (vòng hở) Điều khiển vận tốc động chiều (vòng hở) VD 7: Một động chiều có điện áp định mức Vđm = 240 V, Rư =0.6 , hệ số Kv = 1,8 V.s/rad, mômen đông M = 20 N.m Tính vận tốc động cơ, sức điện động phần ứng dòng điện phần ứng hai trường hợp sau: i) Điện áp cấp vào mạch điện phần ứng điện áp chỉnh lưu pha cầu điều khiển tồn phần có điện áp pha hiệu dụng Vs = 110V, góc kích α = 300 ii) Điện áp cấp vào mạch điện phần ứng điện áp chỉnh lưu pha cầu điều khiển tồn phần có điện áp pha hiệu dụng Vs = 110V, góc kích α = 300 VD 8: Một động chiều có điện áp định mức Vđm = 240 V, Rư =0.6 , hệ số Kv = 1,8 V.s/rad, mơmen đơng M = 20 N.m Tính vận tốc động cơ, sức điện động phần ứng dòng điện phần ứng biết điện áp cấp vào mạch điện phần ứng điện áp chỉnh lưu pha cầu điều khiển tồn phần có điện áp pha hiệu dụng Vs = 110V, góc kích α =0 đến 900 bước thay đổi góc kích 100 8/20/2014 Điều khiển vận tốc động chiều (vòng hở) VD 9: Một động chiều có điện áp định mức Vđm = 240 V, Rư =0.6 , hệ số Kv = 1,8 V.s/rad, mômen đông M = 15 N.m Biết điện áp cấp vào mạch điện phần ứng điện áp chỉnh lưu pha cầu điều khiển tồn phần có điện áp pha hiệu dụng Vs = 110V, góc kích α = đến 90 bước thay đổi góc kích 100 a) Tính vận tốc động b) Tính sức điện động phần ứng c) Tính dòng điện phần ứng d) Vẽ đồ thị vận tốc theo góc kích (vận tốc trục tung, góc kích trục hồnh) e) Vẽ đồ thị vận tốc theo dòng điện phần ứng (vận tốc trục tung, dòng điện phần ứng trục hoành) Điều khiển vận tốc động chiều (vòng hở) VD 10: Một động chiều có Rư =0.6 , hệ số Kv = 1,8 V.s/rad Biết điện áp cấp vào mạch điện phần ứng điện áp chỉnh lưu pha cầu điều khiển tồn phần có điện áp pha hiệu dụng Vs = 110V a) Vẽ đặc tính b) Vẽ đồ thị vận tốc theo dòng điện phần ứng (vận tốc trục tung, dòng điện phần ứng trục hồnh) 8/20/2014 Điều khiển vận tốc động chiều (vòng hở) Nhắc lại biến đổi DC/DC Bộ chopper kiểu giảm áp 𝑉𝑑 = 𝑉 Bộ chopper kiểu tăng áp 𝑉𝑑 = 𝑉 1− ◦ : hệ số điều chỉnh Điều khiển vận tốc động chiều (vòng hở) VD 11: Một động chiều có điện áp định mức Vđm = 240 V, Rư =0.6 , hệ số Kv = 1,8 V.s/rad, mômen đông M = 30 N.m Điện áp cấp vào mạch điện phần ứng biến đổi công suất gồm điện áp chỉnh lưu pha cầu điều khiển tồn phần có điện áp pha hiệu dụng Vs = 220V, góc kích α = 450 chopper kiểu giảm áp  =0,5 a) Tính vận tốc động b) Tính sức điện động phần ứng c) Tính dòng điện phần ứng VD 12: Một động chiều có điện áp định mức Vđm = 240 V, Rư =0.6 , hệ số Kv = 1,8 V.s/rad, mômen đông M = 25 N.m Bộ chopper kiểu tăng áp  =0,75, V = 48 V Tính vận tốc động cơ, sức điện động phần ứng dòng điện phần ứng 10 8/20/2014 Điều khiển động chiều (vòng kín) Các phương trình tốn học mô tả động chiều miền thời gian miền tần số Mạch điện phần ứng Mạch điện phần ứng 𝑣 𝑡 = 𝑒 𝑡 + 𝑅ư𝑖ư (𝑡) + 𝐿ư 𝑑𝑖ư(𝑡) 𝑑𝑡 Mạch điện kích từ 𝑣𝑘𝑡 𝑡 = 𝑅𝑘𝑡𝑖𝑘𝑡 t + 𝐿𝑘𝑡 𝑉 (𝑠) = 𝐸 𝑠 + 𝑅ư𝐼ư (s) + 𝑠𝐿ư𝐼ư(𝑠) Mạch điện kích từ 𝑑𝑖𝑘𝑡 (𝑡) 𝑑𝑡 𝑉𝑘𝑡 (𝑠) = 𝑅𝑘𝑡𝐼𝑘𝑡(s) + 𝑠𝐿𝑘𝑡𝐼𝑘𝑡 (𝑠) Cấu tạo động Cấu tạo động 𝑒 𝑡 = 𝐾𝑣𝜔 𝑡 𝐸 𝑠 = 𝐾𝑣𝜔 𝑠 Điều khiển động chiều (vòng kín) 𝑚(𝑡) = 𝐾𝑣𝑖ư(𝑡) 𝑀(𝑠) = 𝐾𝑣𝐼ư(𝑠) Chuyển hoá lượng Chuyển hoá lượng 𝑒 𝑡 𝑖ư 𝑡 = 𝑚 𝑡 𝜔 𝑡 𝐸 𝑠 𝐼ư 𝑠 = 𝑀 𝑠 𝜔(𝑠) Phương trình mơmen tải Phương trình mơmen tải 𝑚 𝑡 = 𝑚𝑐 𝑡 + 𝐽 𝑑𝜔 𝑡 𝑑𝑡 𝑀 𝑠 = 𝑀𝑐 𝑠 + 𝑠𝐽𝜔 𝑠 ◦ J: mơmen qn tính; ◦ mc: mômen cản 11 8/20/2014 Điều khiển động chiều (vòng kín) VD 13: Từ phương trình động miền tần số, tìm cơng thức a) Dòng điện kích từ b) Dòng điện phần ứng c) Vận tốc VD 14: Xây dựng mơ hình động (gợi ý áp dụng phương trình VD 13) Điều khiển động chiều (vòng kín) 12 8/20/2014 Điều khiển động chiều (vòng kín) Thiết lập giải thuật điều khiển dựa vào phương trình tốn học động chiều 𝑣 𝑡 = 𝑒 𝑡 + 𝑅ư𝑖ư (𝑡) + 𝐿ư 𝑚 𝑡 = 𝑚𝑐 𝑡 + 𝐽 𝑑𝑖ư(𝑡) 𝑑𝑡 điều khiển dòng điện 𝑑𝜔 𝑡 𝑑𝑡 điều khiển vận tốc 𝑚 𝑡 = 𝐾𝑣𝑖ư (t) 𝑑 𝑡  𝑡 = dòng điện tỉ lệ với mơmen điều khiển vị trí 𝑑𝑡 VD 15: Vẽ sơ đồ điều khiển mômen động chiều VD 16: Vẽ sơ đồ điều khiển vận tốc động chiều VD 17: Vẽ sơ đồ điều khiển vị trí động chiều Điều khiển động chiều (vòng kín) Thực thi giải thuật điều khiển thực tế VD 18: Viết công thức toán học điều khiển PI P a) Miền thời gian b) Miền s (thực thi analog) Tín hiệu sai số 𝑠 c) Miền z (thực thi digital) với = 𝑇𝑠 (𝑧+1) 2(𝑧−1) Tham khảo  I d dt D Σ Đầu Siemens DC Drive (SIMOREG 6RA70) 13 8/20/2014 Điều khiển động chiều (vòng kín) Điều khiển động chiều (vòng kín) 14 ... (vòng hở) pha pha Chỉnh lưu bán kỳ pha điều khiển Chỉnh lưu hình tia pha điều khiển