bài giảng truyền động điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP BÀI GIẢNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỀ CƯƠNG MÔN HỌC CHƯƠNG I: ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ - TẢI CƠ I Đặc tính tải II Đặc tính động CHƯƠNG II: ĐIỀU KHIỂN VÒNG HỞ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU I Động điện chiều (động DC) II Điều khiển động DC dùng chỉnh lưu III Điều khiển động DC dùng biến đổi xung áp (Chopper) CHƯƠNG III: ĐIỀU KHIỂN VỊNG KÍN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU I Mơ hình động động DC II Bộ điều khiển PID III Điều khiển vòng kín động DC CHƯƠNG IV: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA I Động không đồng ba pha II Điều khiển tốc độ động không đồng ba pha CHƯƠNG V: ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA I Bộ nghịch lưu ba pha vector không gian II Hệ quy chiếu quay III Mơ hình động khơng đồng ba pha hệ tọa độ từ thông rotor IV Điều khiển định hướng từ thông (FOC) động không đồng ba pha V Bộ biến tần CHƯƠNG I: ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ - TẢI CƠ I.1 Đặc tính tải: I.1.1 Đơn vị đại lượng học: Chuyển động tịnh tiến Đại lượng Chuyển động quay Ký hiệu Đơn vị Quảng đường S m Vận tốc V m/s Gia tốc A m2/s Lực F N Khối lượng M Kg Đại lượng Ký hiệu Đơn vị ϕ rad Vận tốc góc ω = dϕ/dt rad/s Gia tốc góc a = dω/dt = d2ϕ/d2t rad/s2 Moment M N.m Moment quán tính J Kg.m2 Góc quay I.1.2 Phương trình moment bản: M co − M c = J dω dt Mc: moment cản Mco: moment J: moment quán tính Khi: Mco > Mc tải tăng tốc Mco < Mc tải giảm tốc Mco = Mc tải chạy với tốc độ ổn định, xác lập, trạng thái tĩnh I.1.3 Các thành phần moment cản: M c = M t + B.ω + M msk + M mst + C.ω Trong đó: Mt: moment tải B ω: moment ma sát nhớt Mmsk: moment ma sát Mmst: moment ma sát tĩnh C.ω: moment cản quạt gió làm mát Trong đó, có số đại lượng có giá trị nhỏ nên bỏ qua: M c = M t + B.ω I.1.4 Một số dạng đặc tính tải thường gặp: TL TL = kω TL = conts TL = kω2 Tω Mt m ω ωđm Mt Mđm ω ωđm I.1.5 Moment quán tính: v 2j   ω i2  k      J = Jm + ∑ Ji +∑ mj  j =1   i =1  n Trong đó: Jm: moment quán tính trục động Ji, ωi: moment quán tính, tốc độ phần tử quay thứ i mj, vj: khối lượng, tốc độ phần tử chuyển động tịnh tiến thứ j I.1.6 Chế độ làm việc: ω (rad/s) Hãm chiều thuận M ω < Động theo chiều thuận M ω > II I III IV Động theo chiều nghịch M ω > Hãm chiều nghịch M ω < M < 0; ω > M > 0; ω > M < 0; ω < M(N.m) M > 0; ω < a Hãm tái sinh: có lợi Cơng suất điện cung cấp lượng cho nguồn, công suất chuyển thành nhiệt - Pđiện < 0: trả lượng nguồn - Pcơ < 0: nhận lượng từ tải b Hãm ngược: tốn lượng Công suất điện công suất chuyển thành nhiệt - P điện > 0: tiêu thụ công suất nguồn - Pcơ < 0: nhận lượng từ tải c Hãm động năng: công suất chuyển thành nhiệt Có tác dụng động dừng nhanh Khi cắt nguồn động quay động đóng vai trò máy phát, sinh suất điện động E, để tiêu thụ suất điện động cắt nguồn ta nối với điện trở làm cho động dùng nhanh - P nguồn - điện = 0: cách ly với Pcơ < 0: nhận lượng từ tải I.1.7 Điều kiện ổn định tĩnh: dM co dM c > dω dω ω Tải ω’ ωxác lập ω1 1 ω2’ ωxác lập ω2” 2 M M1’ M2” Mc M2’ M1” I.1.8 Thông số hệ thống điện cơ: dM dω - Độ cứng đặc tính cơ: β = - Cơng suất định mức - … I.2 Đặc tính động cơ: I.2.1 Đặc tính động DC kích từ độc lập ωt ω ωđm ω I, Mcơ O I0 Iđm, Mđm Ikđ, Mkđ Kích từ độc lập: ω= Ru U − * M co kΦ ( kΦ ) M co = kΦI u ω Iư Rư E ω Ikt Rkt Ukt U ω ωt ωđm Φkt O I.2.2 Đặc tính động DC kích từ nối tiếp Kích từ nối tiếp: I0 Iđm I, Mcơ Te Iư Rư Int Vn Ten E Rnt ω ω= U kk kt M co ω ωn − Ru + Rnt kk kt M co = kk kt I u2 I.2.3 Đặc tính động DC kích từ hỗn hợp Iư Rư Int Ikt E ω U Rnt % Speed Rkt Point of Equilibrium Shunt Compound Series % Torque I.2.4 Đặc tính động khơng đồng ba pha Mạch tương đương động không đồng ba pha • , • ' Rs Is jXs I jXr’ r • • ' Im I Fe RFe M co =  R' 3U s2  r  s ωs  R'  Rs + r s  1− s ' Rr s jXm Rs Rr’ jXs I R 'r s jXr’ • ' r      + ( X s + X r' )  Mcơ Tmax Mmax Mđm Mkđ A TL ωp O Độ trượt tới hạn: sp ứng với tmax: dT =0, ds hay ωđm ωs dT =0 dn ω sp = Tmax ( Rr' Rs2 + X s + X r' ) Us = ωs R + R + ( X + X ' ) s s s r 3U s2 Rr' Tst = ω s Rs + Rs' + X s + X r' ( ) ( ) T = Tmax s sp + sp s Đặc tính loại động cơ 1: Đặc tính tự nhiên động đồng 2: Đặc tính tự nhiên động DC kích từ độc lập 3: Đặc tính tự nhiên động DC kích từ hỗn hợp 4: Đặc tính tự nhiên động DC kích từ nối tiếp 5: Đặc tính tự nhiên động không đồng W Wdm dm Bài tập: Câu 1: Một động DC kích từ độc lập, 230V điện trở phần ứng 0,2Ω, tốc độc không tải lý tưởng 1000 vòng/phút Ở chế độ định mức dòng điện phần ứng 40A Biết từ thơng kích từ khơng đổi định mức a Tính tốc độ moment điện từ (moment cơ) định mức động cơ? b Tính dòng điện khởi động moment khởi động động cơ? Câu 2: Một động DC kích từ độc lập có thơng số định mức 500V, 100A, 1000v/p Điện trở phần ứng 1Ω Biết từ thơng kích từ khơng đổi định mức a Tính moment công suất định mức động cơ? b Tính hiệu suất động định mức biết cơng suất tổn hao cuộn kích từ 5kw c Động mang tải có dòng điện phần ứng 40A Tính tốc độ, moment hiệu suất động đó? d Tính dòng điện khởi động moment khởi động động cơ? e Vẽ đặc tuyến moment – tốc độ điểm tính Câu 3: Một động DC kích từ độc lập có thơng số định mức 400V, 100A, 1500v/p a Tính cơng suất động b Tính hiệu suất động định mức cơng suất tổn hao cuộn kích từ 3kW c Động mang tải dòng điện phần ứng 20A Tính tốc độ moment hiệu suất động d Tính dòng khởi động moment khởi động động Biết điện trở phần ứng 0,5Ω từ thơng kích từ khơng đổi định mức Câu 4: Một động DC kích từ nối tiếp, có điện trở phần ứng 0,2 điện trở cuộn kích từ 0,1Ω Thông số định mức động 450V, 40A, 1000v/p Khi động vận hành định mức: a Tính tốc độ, moment động cơ? b Tính cơng suất hiệu suất động cơ? c Tính dòng điện khởi động moment khởi động động Câu 5: động DC kích từ nối tiếp, vận hành chế độ định mức 161,2Nm, 1000v/p, 41A, 420V Tổng điện trở phần ứng cuộn kích từ 0,2Ω Tính tốc độ dòng điện động moment điện 87Nm Câu 6: Một động DC kích từ độc lập, 400V điện trở phần ứng 0,2Ω, tốc độ khơng tải lý tưởng 1500 vòng/phút Ở chế độ định mức dòng điện phần ứng 50A Biết từ thơng kích từ khơng đổi định mức a Tính tốc độ moment điện từ (moment cơ) định mức động cơ? b Tính dòng điện khởi động moment khởi động động cơ? c Vẽ đường đặc tính động  Rr'  3U    s  = ω Rr'   RS +  + X s + X r' s   s M co ( ) max dm dm kd Wp dT =0; ds Độ trượt tới hạn: sp ứng với Tmax sp = ( Rs2 + X s + X r' ) Us ) 3U s2 Rr' ω s Rs + Rr' + X s + X r' ) ( ( dT =0 dn ωs R + R + X + X ' s s s r M max = M kđ = Rr' Wdm Ws W ) ( 2 M = M max s sp + sp s Ở tần số cao, bỏ qua Rs tính moment cực đại từ thông làm việc Ψ= 2πk dq U     f  sp = 2π Ls + L'r ( )  Rr'   f    M max = 2π Ls + L'r ( )  U s2    f   IV.1.2.Khởi động mềm động không đồng ba pha • Rs Is jXs • • ' r Im I Rm • Rr’ jXr’ 1− s ' Rr s jXm Us Khởi động: n = : s = : Is = Ikđ Thông thường khởi động sđm = 0,03 đến 0,18 Lúc khởi động Rn’ = nên sđm = − s ' − 0.05 Rr = = 19 Lúc khởi động khơng có Rr’ nên dòng điện lớn so với dòng s 0.05 định mức mà moment khởi động nhỏ max dm kd Wp Wdm Ws W Khi khơng dùng khởi động mềm moment khởi động tăng đột ngột, dòng khởi động lớn, làm ảnh hưởng đến hệ thống - Khởi động động rotor dây quấn điện trở mở máy: Mắc nối tiếp thêm điện trở vào dây quấn rotor cho s p = làm cho moment khởi động moment cực đại dòng điện khởi động giảm sp = Rr' + Rkđ' ( R + Xs + X s M kđ = M max = ) ' r =1 Us ωs R + R + X + X ' s s s r ( ) - Khởi động cách giảm điện áp stator: Khởi động mềm cách giảm điện áp moment khởi động tăng từ từ, dòng khởi động nhỏ Khởi động dùng biến áp tự ngẫu để giảm điện áp khởi động vào stator động cơ: Khởi động dùng cuộn cảm để giảm điện áp khởi động vào stator động cơ: Khởi động dùng phương pháp tam giác để giảm dòng moment khởi động lần: CC K1 CC CK CB K3 K2 CC K1 RN ÐC BA RN K3 K2 K2 RN K1 ÐC - Khởi động dùng khởi động mềm (Thyristor) để giảm điện áp khởi động: Dùng khởi động mềm Thyristor khởi động mềm, dùng mềm hạn dòng để giảm tổn hao Nhưng có nhược điểm làm xuất sóng hài lưới điện làm méo dạng sin tín hiệu điện IV.2 Điều khiển tốc độ động không đồng ba pha IV.2.1.Điều khiển khởi động cách thay đổi điện trở rotor Nối tiếp thêm điện trở rotor để thay đổi đặc tuyến tải thay đổi điểm làm việc động làm thay đổi tốc độ cách thay đổi độ trượt sp = Rr' + Rnt' ( R + Xs + X s ) ' r M max = Us ωs R + R + X + X ' s s s r ( ) IV.2.2.Điều khiển điện áp phần ứng Điều khiển giảm điện áp stator để thay đổi đặc tuyến tải thay đổi điểm làm việc động làm thay đổi tốc độ thay đổi độ trượt IV.2.3.Điều khiển tốc độ động thông qua thay đổi tần số nguồn điện cung cấp cho động n= 60 f (1 − s) Tuy nhiên phải đảm bảo được: Ψ = 2πk dq p U    ≤ Ψđm để mạch  f  từ khơng bảo hòa Khi thay đổi tần số thì làm thay đổi từ thơng, dòng điện moment Nhưng trình hoạt động động yêu cầu từ thông phải không đổi tỷ số V/f phải số Ψ ≈ V f CHƯƠNG V: ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA V.1 Bộ nghịch lưu ba pha vector không gian V.1.1 Bộ nghịch lưu ba pha L D D R 3~ Control Logic D C D D D DC D L N R C D D Control Logic L D DC Biến tần ngõ vào pha: tụ C đủ lớn thì: U DCTB = T T T 3~ T T L V V V V DC L DC 3~ π TT DC TTT 2U pha − RMS TTT DC Nếu tụ C nhỏ thì: U DCTB = N TT Biến tần ngõ vào ba pha: T T T N T T 2U pha −RMS Nếu tụ C nhỏ thì: U DCTB = A B 3 2U pha − RMS π tụ C đủ lớn thì: U DCTB = 2U pha − RMS s1 s s5 N U U N DC DC DC V s2 s s6 CN V V DC BN AN A B U C C Sơ đồ nghịch lưu, trang thái S1, S3 S6 ON S2, S4 S5 OFF V.1.2 Vector khơng gian điện áp Bảng tính điện áp thành phần tương ứng với trạng thái nghịch lưu: Va Vb Vc usa uab ubc uca k S1 S3 S5 UAN UBN UCN UAB UBC UCA 0 0 0 0 U0 U000 1 0 2/3 -1/3 -1/3 -1 U1 00 1 1/3 1/3 -2/3 -1 U2 600 -1/3 2/3 -1/3 -1 U3 1200 1 -2/3 1/3 1/3 -1 U4 1800 0 -1/3 -1/3 2/3 -1 U5 2400 1 1/3 -2/3 1/3 -1 U6 3000 1 0 0 0 U7 U111  nghịch ba pha usb usc U Deg us usα usβ Điều chế vector không gian điện áp dùng Xét nghịch lưu trạng thái 110 điện áp pha u sa = 1/3 Udc, usb = 1/3 Udc usc = -2/3 Udc U3 B U4 usa + usb + usc usc U2 U1 U0 U7 usb Tr?c usa A usa U5 U6 C Bằng cách điều khiển chuyển đổi trang thái đóng cắt khóa nghịch lưu ta dễ dàng điều khiển vector không gian điện áp quay thuận, nghịch nhanh, chậm Khi dạng điện áp ngõ nghịch lưu có dạng bước  gian điện áp dùng nghịch lưu ba pha: Điều chế biên độ góc vector khơng U3 U2 T2 U4 U0 U7 U5 us T1 U1 Tr?c usa U6 Để không điều chế biên độ điện áp U s phải nằm vong tròn nội tiếp lục giác: U s ≤ V.2 U DC Vector không gian hệ tọa độ stator (αβ ) V.2.1 Vector không gian Động khơng đồng có ba hay bội số cuộn dây stator bố trí khơng gian sau: Ba điện áp cấp cho ba cuộn dây động từ lưới ba pha hay từ nghịch lưu, biến tần, ba điện áp thỏa mãn phương trình: usa(t) + usb(t) + usc (t) = Trong đó: usa(t) = |us| cos(ωst) usb(t) = |us| cos(ωst - 1200) usc(t) = |us| cos(ωst + 1200) Với: ωs = 2πfs, fs tần số mạch stator, |us| biên độ điện áp pha, thay đổi Vector không gian điện áp định nghĩa sau: u s (t ) = [ 0 u sa (t ) + u sb (t )e j120 + u sc (t )e j 240 ] V.2.2 Hệ tọa độ stator Vector không gian điện ấp điện áp pha: Phương trình quy đổi hệ tọa độ abc sang αβ ngược lại: u sa = u sα   u sβ u sb = − u sa + 2  usα = usa   usβ = ( usa + 2usb )  V.3 Hệ quy chiếu quay V.3.1 Hệ tọa độ từ thông rotor (dq) Với ω r = dφ r tốc độ quay từ thông rotỏ so với stator đứng yên Với φr góc dt hợp trục từ thông rotor (trục d) với trục chuẩn stator (trục α) (là trục cuộn dây pha A) V.3.2 Chuyển đổi hệ tọa độ αβ sang dq ngược lại   f sα = f sd cos φ r − f sq sin φ r    f sβ = f sd sin φ r + f sq cos φ r   f sd = f sα cos φ r + f sβ sin φ r    f sq = − f sα sin φ r + f sβ cos φ r V.4 Mô hình động khơng đồng hệ tọa độ từ thông rotor V.4.1 Sơ đồ tương đương động số ký hiệu Các thông số dộng không đồng ba pha: Rs điện trở cuộn dây pha stator Rr điện trở rotor quy đổi stator Lm hỗ cảm stator rotor Lơs điện cảm tản cuộn dây stator Lơr điện cảm tản cuộn dây rotor quy đổi stator Ls = Lm + Lơs điện cảm stator Lr = Lm + Lơr điện cảm rotor Ts = Ls / Rs số thời gian stator Tr = Lr / Rr số thời gian rotor σ = – (Lm2 / LrLs) hệ số từ tản tổng J moment qn tính động P số đơi cặp cực từ Mạch trương đương động không đồng ba pha: Vs is Rs im Los Lm Lor ir Rr/s V.4.2 Mơ hình động hệ truyền động từ thông rotor f Trong hệ tọa độ dq, Ψrq = vng góc với vector Ψrf nên Ψr = Ψrd  1− δ disd = − + dt δ T  s δTr  1−δ i sd +ω s isq + Ψrd + u sd δ T L δ L r m s   1−δ = − + dt δ T  s δTr disq  1−δ i sq −ω s isd − ωΨrd + u sq δ L δ L m s  dΨrd Lm = isd − Ψrd dt Tr Tr dΨrq dt = M co = Lm isq = ω sl Ψrd Tr Lm P Ψrd isq Lr M co − M c = dω co J dω dien =J P dt dt : Ψrd = const thì: Ψr = Ψrd = Lmisd khi: Ψrd = const ω sl = isq Tr i sd Ψr = Ψrd = Lm i sd + Tr s M co − M c = dω co J dω dien =J P dt dt 3 L  M co =  P m Ψrd isq  Lr  ω sl = Lm isq Tr Ψr i → Ψ  sd r   i sq → M co → ω co Khi chuyển mơ hình động không đồng ba pha từ hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq có ưu điểm sau: Các đại lượng không biến thiên dạng sin theo thời gian Hệ phương trình đơn giản (Ψrq = 0) Phân ly điều khiển từ thông rotor |Ψrq| moment Te (tốc độ ω) Gần giống với điều khiển động chiều V.5 Điều khiển định hướng từ thông (FOC) động không đồng ba pha Điều khiển trực tiếp từ giá trị hồi tiếp đo gồm: Điều khiển trực tiếp từ giá trị hồi tiếp đo dòng điện (điều khiển tiếp dòng) Tính ψr ω* - ψr T e Đc ω Đặt ψ - Dòng điện tốc độ từ motor θr - Đc isq dq Te Đc ψ isd αβ αβ isα ia* ib* isβ abc ic* C ia R i P b Động W M i c ω Sơ đồ điều khiển tiếp dòng Điều khiển trực tiếp từ giá trị hồi tiếp đo điện áp (điều khiển tiếp áp) abc αβ dq ω* Đc ω iqs* ω - iqs Đc iqs vqs** dq ids* - va* P vs* W v * b M vc* eq ed ids s αβ Đc ids vds** abc I N V E R T E R ia ib Động ic θ=φ r Sơ đồ điều khiển tiếp áp Điều khiển gián tiếp từ giá trị đặt ψr* isq* 1/Lm ω* ĐC ω ω Te* K1 isd* K2 ωsl* ωr isα* ia* C ib* R P i * αβ sβ abc ic* W M dq ib ic φr Động 1/s p K2 = ia αβ ωmech * Tr isd Sơ đồ điều khiển gián tiếp từ giá trị đặt Tài liệu tham khảo TT Tên tác giả Trần Công Binh Trần Công Binh Bùi Quốc Khánh Nguyễn Văn Liễn Nguyễn Thị Hiền Đặng Văn Đào Lê Văn Doanh Nguyễn Xuân Phú Nguyễn Công Hiền Nguyễn Bội Khuê Nguyễn Vinh Quan Nguyễn Thị Ngọc Soạn Tài liệu từ internet Tên tài liệu Năm xuất Nhà xuất Địa khai thác tài liệu Bài giảng truyền động điện Bài giảng hệ thống điều khiển số Truyền động điện 2008 BKTP Sách 2008 BKTP Sách 2005 KHKT Sách Kỹ thuật điện 2003 XBGD Sách Cơ sở truyền động điện tự động 1998 KHKT Sách Nhập môn matlab 6.5 2004 Bài giảng Máy điện 2009 khí cụ điện KHTN ĐHNT Sách Sách ... Tốc độ động điện ứng điện áp nửa điện áp định mức - Tốc độ động điện ứng điện áp định mức, tải định mức điện trở mắc nối tiếp vào phần ứng r =1,2Ω Câu 3: Cho động DC có 220V, 1A, 2000v/p có điện. .. động vận hành điện áp định mức c Động mang tải với dòng điện phần ứng 0,5A chạy với tốc độ 1000v/p Tính điện áp cấp cho động TON tương ứng d Biết động có dòng khởi động 2A Tính điện áp khởi động. .. 1000v/p Tính điện áp cấp cho động TON tương ứng d Biết động có dòng khởi động 20A Tính điện áp khởi động động T ON tương ứng Câu 4: Cho động DC 450V, 90A, 2000v/p, có điện trở phần ứng 0,2Ω động kích