Thiết kế chế tạo mô hình bộ điều khiển ổn định tốc độ động cơ không đồng bộ 1 pha

Để điều khiển ổn định tốc độ động cơ không đồng bộ 1 pha, ta sử dụng phương pháp điều khiển ổn định tốc độ bằng cách thay đổi điện áp, vì phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện, tiết kiệm và phù hợp với động cơ ta đang sử dụng.

Mục lục

I Giới thiệu về động cơ xoay chiều 1 pha và các phương án điều khiển

tốc độ động cơ 4

1.1 Khái niệm, đặc điểm của động cơ không đồng bộ 4

1.1.1 Khái niệm 4

1.1.2 Đặc điểm 4

1.2 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ một pha 5

1.2.1 Stato (phần tĩnh) 5

1.2.1.1 Lõi thép stato 5

1.2.1.2 Dây quấn 5

1.2.1.3 Vỏ máy 5

1.2.2 Rôto (phần quay) 6

1.2.2.1 Rôto kiểu dây quấn 6

1.2.2.2 Rôto lồng sóc 6

1.2.3 Khe hở 7

1.3 Nguyên lí làm việc 7

1.4 Các phương trình cân bằng điện từ trong động cơ không đồng bộ 9

1.4.1 Phương trình cân bằng điện trong dây quấn stato 9

1.4.2 Phương trình cân bằng điện ở dây quấn rôto 9

1.4.3 Phương trình cân bằng từ của động cơ không đồng bộ 10

1.5 Mở máy động cơ không đồng bộ 1 pha 10

1.5.1 Dùng dây quấn phụ mở máy 10

1.5.2 Dùng vòng ngắn mạch ở cực từ 11

2

1.6 Các phương pháp thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ 1 pha 11

1.6.1 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số 12

1.6.2 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực 12

1.6.3 Thay đổi tốc độ bằng thay đổi điện áp 13

II ô hình hoá và tạo khối cho bộ sản phẩm 13

2.1 Bộ điểu khiển PID 13

2.1.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID 14

2.1.2 Các khâu của hệ PID 14

2.1.2.1 Khâu tỉ lệ 14

2.1.2.2 Khâu tích phân 15

2.1.2.3 Khâu vi phân 15

2.1.3 Điều chỉnh PID 16

2.2 Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển ổn định 16

2.2.1 Sơ đồ khối tổng quát 16

2.2.2 Nguyên lí của hệ thống 17

2.3 Mô hình hóa của động cơ không đồng bộ 1 pha 18

2.3.1 Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 18

2.3.2 Hàm truyền của động cơ 20

2.3.3 Tổng hợp mô hình hóa trên hệ thống 21

III Thiết kế chế tạo mô hình bộ điều khiển ổn định tốc độ động cơ không đồng bộ 1 pha 24

3.1 Mạch công suất 24

3.2 Mô hình hóa khối phản hồi 27

3.2.1 Giới thiệu Encoder 27

3

3.2.2 Nguyên lí cơ bản 29

3.2.3 Mô hình hoá Encoder 29

3.3 Mạch điều khiển 30

3.3.1 Arduino Uno R3 30

3.3.2 Màn hình LCD 16*2 và module giao tiếp I2C 32

độ của từ trường quay n1

- Máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, nghĩa là có thể làm việc ở chế độ động cơ cũng như làm việc ở chế độ máy phát

Hình 1.1 Động cơ không đồng bộ

1.1.2 Đặc điểm

- Cấu tạo đơn giản, dễ vận hành

- Có thể đấu trực tiếp vào lưới điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha

- Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành rẻ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi có nguy cơ xáy ra cháy, nổ cao

- Nhược điểm: Vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian, cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu trúc của động cơ điện xoay chiều, cho nên việc tách riêng điều khiển giữa moment và từ thông để có thể điều khiển độc lập đòi hỏi 1 hệ thống tính toán nhanh và cực kì chính xác

5

trong việc quy đổi các giá trị điện xoay chiều về các biến đơn giản hơn Vì vậy, thời gian gần đây phần lớn các động cơ xoay chiều làm việc có ứng dụng tốc độ không đổi do các phương pháp điều khiển trước đây dùng cho máy điện thường đắt hơn và hiệu suất thấp hơn hẳn

1.2 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ một pha

1.2.1 Stato (phần tĩnh)

1.2.1.1 Lõi thép stato

- Bộ phận dẫn từ của máy có dạng hình trụ Vì từ trường đi qua lõi thép là từ trường xoáy nên để làm giảm tổn hao, tránh dòng diện Fuco thì lõi thép được cấu tạo gồm các lá thép kĩ thuật điện dày 0.35~0.5mm và được phủ sơn cách điện

- Phía trong có xe rãnh để đặt dây quấn

- Vỏ máy được làm bằng nhôm hoặc gang

- Hai đầu có nắp máy, trong nắp có ổ đỡ trục

- Vỏ và nắp máy còn dùng để bảo vệ máy

- Vỏ máy có thiết kế các cánh bên cạnh có tác dụng tăng sức chịu lực và tản nhiệt cho máy

6

1.2.2 Rôto (phần quay)

1.2.2.1 Rôto kiểu dây quấn

- Lõi thép gồm các lá thép kĩ thuật điện giống như stato, các lá thép này được lấy từ phần trong sau khi dập lá thép stato Mặt ngoài có xẻ rãnh để đặt dây quấn rôto, ở giữa có gắn với trục máy Trục máy được gắn với lõi thép rôto và làm bằng thép tốt

Hình 1.3 Lõi thép rôto dây quấn

1.2.2.2 Rôto lồng sóc

Kết cấu khác rôto dây quấn, các dây quấn là các thanh đồng đặt trong rãnh của lõi thép rôto, hai đầu các thanh dẫn được nối với nhau bằng một vòng đồng ngắn mạch để tạo thành “lồng sóc” Đối với các động cơ có công suất nhỏ, lồng được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh của lõi thép rôto, tạo thành thanh nhôm, hai đầu đúc vòng ngắn mạch và cánh làm mát Ngoài ra dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi thép rãnh rôto có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc thành 2 rãnh gọi là lồng sóc kép dùng cho máy có công suất lớn để cả thiện tính năng mở máy Với động cơ công suất nhỏ, rãnh rôto thường đi chéo một góc so với tâm trục

số công suất càng lớn

1.3 Nguyên lí làm việc

Khi dây quấn làm việc với lưới điện 1 pha, dòng điện trong dây quấn stato sẽ sinh ra từ trường đập mạch B Vì không phải là từ trường quay nên động cơ vẫn chưa thể quay được Nếu lúc này ta lấy tay quay rôto theo 1 hướng nhất định thì rôto sẽ tiếp tục quay theo hướng đó Phân tích B thành hai từ trường quay B1 và B2, quay ngược chiều nhau, cùng với tốc độ n1 và biên độ bằng nửa biên độ của từ trường đập mạch: B1m = B2m = Bm

Hình 1.5 Đồ thị vecto

8

Trên đồ thị vecto ta thấy rõ: khi từ trường B biến thiên được

chu kì thì B1 và B2 quay được vòng với chiều tương ứng Tốc độ quay của B1 và B2 bằng tốc dộ từ trường đập mạch B:

n1 =

Từ trường B1 có chiều quay thuận tạo ra từ trường thuận Từ trường B2 có chiều quay ngược sẽ tạo ra từ trường ngược Các từ trường B1 và B2 tác động vào thanh dẫn rôto tạo nên các momen quay thuận, ngược M1, M2 tương ứng Nếu tốc độ của rôto là n (vòng/phút) thì hệ số trượt đối với từ trường thuận M1:

Hệ số trượt đối với từ trường quay ngược M2:

Momen quay của động cơ là tổng đại số của hai momen M1 và M2 Từ đường đặc tính momen: khi mở máy, s = = 1, các momen M1, M2 nên Mmởmáy = 0, động cơ không tự mở máy được Nếu tác động và rôto theo chiều nào đó, tức là làm cho s 1 thì lúc đó động cơ có momen M 1, sẽ tiếp tục quay theo chiều đó

Hình 1.6 Đường đặc tính momen của động cơ

Do có từ trường ngược nên Mmax, ŋ, hệ số cosφ của động cơ KĐB một pha nhỏ hơn động cơ điện 3 pha cùng công suất

9

1.4 Các phương trình cân bằng điện từ trong động cơ không đồng

bộ

1.4.1 Phương trình cân bằng điện trong dây quấn stato

Dây quấn stato trong động cơ KĐB tương tự như dây quấn của máy biến áp Từ đó ta có phương trình cân bằng điện áp trong dây quấn stato như sau:

̇ ̇ ̇ ̅ U1 là điện áp đặt lên 1 pha dây quấn stato

- I1 là dòng điện đặt lên 1 pha dây quấn stato

- Z1 là tổng trở phức 1 pha dây quấn stato

- E1 là sức điện động pha dây quấn stato

E1 = 4,44.w1.f.kdq1.∅m + w1 là số vòng dây quấn stato

+ kdq1 là hệ số dây quấn 1 pha stato + ∅m là biên độ từ thông của từ trường quay

1.4.2 Phương trình cân bằng điện ở dây quấn rôto

Dây quấn rôto được coi như dây quấn thứ cấp máy biến áp, xong

ở động cơ rôto nối mạch và chuyển động đối với từ trường quay tốc

độ trượt:

Sức điện động và dòng điện trong dây quấn rôto có tần số f2:

Tần số suất điện động rôto khi quay và khi đứng yên lệch nhau

hệ số

Khi rôto đứng yên thì tần số suất điện động dây quấn roto bằng suất điện động dây quấn stato, trường hợp giống như máy biến áp + Khi roto đứng yên s = 1, tần số suất điện động và dòng điện roto f2 = f

1.4.3 Phương trình cân bằng từ của động cơ không đồng bộ

Khi động cơ làm việc từ trường quay trong máy do cả 2 dòng điện ở dây quấn stato và dây quấn roto sinh ra

Dòng điện trong dây quấn stato sinh ra từ trường quay với tốc độ

̇ ̇ ̇ ̇ ̇

1.5 Mở máy động cơ không đồng bộ 1 pha

1.5.1 Dùng dây quấn phụ mở máy

Dây quấn phụ có 2 loại hoặc chỉ dùng để mở máy (mở máy xong thì ngắt ra khởi lưới điện) hoặc làm việc lâu dài cùng động cơ

Dây quấn phụ có tác dụng tạo ra từ trường, phối hợp với từ trường dây quấn chính tạo ra từ trường quay sinh ra momen mở máy ban đầu

Dây quấn phụ phải đặt trong một số rãnh của stato sao cho sinh

ra từ thông lệch với từ thông chính 1 góc 900, tạo ra sự chênh lệch

- Cực từ được chia làm 3 và cho vào đó 1 vòng ngắn mạch

- Khi điện áp 1 pha vào dây quấn sẽ có từ trường đập mạch chính

là ∅c

Một phần từ trường này gọi là ∅’

c xuyên qua vòng ngắn mạch, trong vòng này sẽ sinh ra 1 từ thông ∅n

Từ thông ∅n tác dụng với ∅’

c để sinh ra từ thông phụ ∅f đi qua vòng ngắn mạch Ngoài ra trong thực tế, khi không có nguồn điện 3 pha, ta có thể đấu lại đông cơ 3 pha để nối vào lưới điện 1 pha, khi chọn trị số điện dung C phù hợp, có thể đạt 70-80% công suất của động cơ 3 pha trước khi đấu lại

1.6 Các phương pháp thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ 1 pha

Tốc độ của động cơ điện KĐB:

Động cơ roto lồng sóc:

Các cách điều chỉnh: thay đổi tần số dòng điện stato, đổi nối dây quấn stato để thay đổi số đôi cực, thay đổi điện áp đặt vào stato để thay đổi hệ số trượt s

Tất cả các phương pháp đều được thực hiện ở stato

12

Động cơ điện roto dây quấn: thường điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở roto để thay đổi hệ số trượt S, việc điều chỉnh thực hiện ở phía roto

1.6.1 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số

Tốc độ động cơ là :

Khi hệ số trượt thay đổi ít thì tốc độ tỉ lệ thuận với tần số

Mặt khác, từ biểu thức E1 = 4,44.w1.f.kdq1∅max ta thấy ∅max tỉ lệ với Người ta giữ cho ∅max = const Muốn vậy phải điều chỉnh cả ,

có nghĩa là phải dùng 1 nguồn đặc biệt, đó là bộ biến tần trong công nghiệp Ta dùng biến tần để thay đổi tần số f của dòng điện stato Điều chỉnh đồng thời tần số và điện áp, giữ cho tỉ số giữa điện áp U1 và tần

số f không đổ (do từ thông ∅max tỉ lệ thuận với tỉ số , và để giữ cho từ thông ∅max không đổi để mạch từ máy ở tình trạng định mức)

Hình 1.7 Họ đường đặc tính cơ khi thay đổi tần số

1.6.2 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực

Dây quấn stato có thể nối thành bao nhiêu số đôi cực thì tốc độ có bấy nhiêu cấp, vì vậy thay đổi tốc độ chỉ có thể thay đổi từng cấp 1 không bằng phẳng Có nhiều cách để thay đổi số đôi cực của dây quấn stato

- Phương pháp này chỉ dùng được đối với loại roto lồng sóc Mặc

dù điều chỉnh tốc độ nhảy cấp nhưng có ưu điểm là giữ nguyên

độ cứng đặc tính cơ

1.6.3 Thay đổi tốc độ bằng thay đổi điện áp

Phương pháp này chỉ thực hiện bằng cách giảm điện áp Khi giảm điện áp đường đặc tính M=f(n) thay đổi

Hình 1.8 Họ đường đặc tính cơ khi thay đổi điện áp Nhược điểm: giảm khả năng quá tải, dải điều khiển tốc độ hẹp, tăng tổn hao ở dây quấn roto Phương pháp này chỉ dùng với các động cơ công suất nhỏ, có hệ số trượt tới hạn lớn

Kết luận: Để điều khiển ổn định tốc độ động cơ không đồng bộ 1 pha, em sử dụng phương pháp điều khiển ổn định tốc độ bằng cách thay đổi điện áp, vì phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện, tiết kiệm và phù hợp với động cơ em đang sử dụng

II ô hình hoá và tạo khối cho bộ sản phẩm

2.1 Bộ điểu khiển PID

14

- Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín được sử dụng

rộng rãi trong hệ thống điện, hệ thống tự động, điện tử Mục tiêu của

bộ điều khiển PID là điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra Ouput sao cho sai lệch Error e(t) = (SP – PV) giữa giá trị đo được của hệ thống PV (Process Variable) với giá trị cài đặt SP (SetPoint) nhỏ nhất có thể (~ 0), đạt được sự ổn định và có đáp ứng nhanh

- Bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt : khâu tỉ lệ ( P), khâu tích phân ( I ) và khâu vi phân (D)

2.1.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID

2.1.2 Các khâu của hệ PID

2.1.2.1 Khâu tỉ lệ

Khâu tỉ lệ ( còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ

Khâu tỉ lệ được cho bởi:

t: thời gian

Khâu thích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc

độ chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số

ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố quá giá trị đặt

2.1.2.3 Khâu vi phân

Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian và nhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ KD

Thừa số vi phân được cho bởi:

Dout = KD.(de(t))/dt

Trong đó:

16

Dout thừa số vi phân của đầu ra

KD : độ lợi vi phân

e: sai số

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi đầu ra bộ điều khiển

và đặc tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó, giảm biên độ vọt lố tạo ra bởi thành phần tích phân

và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên khâu này nhạy với nhiễu trong sai số

2.1.3 Điều chỉnh PID

Điều chỉnh PID là điều chỉnh các thông số Kp, KI, KD tới giá trị đáp ứng điều khiển tối ưu

2.2 Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển ổn định

2.2.1 Sơ đồ khối tổng quát

Điều khiển: Tập hợp tất cả các tác động có mục đích nhằm điều khiển 1 quá trình này hay quá trình kia theo một quy luật hay một chương trình cho trước

Hệ thống điều khiển: Tập hợp tất cả các thiết bị mà nhờ đó quá trình điều khiển được thực hiện

Hệ thống điều khiển tự động: Tập hợp tất cả các thiết bị kĩ thuật, đảm bảo điều khiển hoặc điều chỉnh tự động 1 quá trình nào đó (gọi tắt là HTTĐ)

Ý nghĩa của điều khiển tự động:

- Đáp ứng của hệ thống không thỏa mãn yêu cầu công nghệ

- Tăng độ chính xác

- Tăng năng suất

- Tăng hiệu quả kinh tế

17

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển

2.2.2 Nguyên lí của hệ thống

Mọi hệ thống điều khiển tự động đều bao gồm 3 bộ phận cơ bản:

- Bộ điều khiển C (Controller device)

- Đối tượng điều khiển (Object device)

- Thiết bị đo lường-cảm biến (Measuring device)

Trong đó:

- r(t) tín hiệu vào

- e(t) sai lệch điều khiển

- u(t) tín hiệu điều khiển

- c(t) tín hiệu ra

- cht(t) tín hiệu phản hổi (hồi tiếp)

Qua các phân tích trên, ta có sơ đồ khối cho hệ thống của đề tài như sau:

18

Hình 2.2 Sơ đồ khối mô hình

2.3 Mô hình hóa của động cơ không đồng bộ 1 pha

2.3.1 Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Để thành lập phương trình đặc tính cơ ta sử dụng sơ đồ thay thế Dựa vào sơ đồ thay thế ta xác định được dòng điện stato:

- Xnm : là điện kháng ngắn mạch

- : là điện trở roto

- : là điện trở roto quy về stato

- : là điện trở tác dụng của mạch từ hóa

- : là điện kháng ngắn mạch của mạch từ hóa

Từ phương trình trên ta thấy:

Khi ω = 0 thì S = 1, I1 = I1nm : dòng ngắn mạch stato