Đồ án điều khiển truyền động điện

1.2.2 Đặc tính cơ cảu động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lí cảm ứng điện từ, có tốc độ của rotor khác v

+CHƯƠNG 1

Giới thiệu công nghệ, xây dựng phương án truyền

động 1.1 Giới thiệu công nghệ/bài toán

Hình 1.1 Hệ thống truyền động điện

Hệ thống truyền động điện bao gồm 1 băng tải có bán kính bánh đà r = 0.35m, sử dụng 1 động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ để kéo tải, nguồn điện cung cấp cho hệ là nguồn điện xoay chiều 3 pha 220/380V Băng tải kéo vật có khối lượng

M = 5kg như hình 1.1

1.2 Phân tích yêu cầu công nghệ, đặc tính cơ của tải

1.2.1 Yêu cầu công nghệ

Yêu cầu bài toán: điều khiển 1 động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ để kéo 1 băng tải thực hiện đúng công việc mà chúng ta mong muốn Trên băng tải thì mang 1 vật nặng có khối lượng 5kg, và khi băng tải di chuyển vật đến cuối băng tải thì động cơ cần phải đảo chiều quay ngược trở lại Như vậy chúng ta cần điều khiển động cơ để băng tải chạy sát với tốc độ mong muốn như hình 1.2 và có thể đảo chiều quay

- Lựa chọn động cơ

• Động cơ phải có đủ công suất kéo

• Tốc độ phù hợp và đáp ứng phạm vi điều khiển tốc độ với phương pháp điều chỉnh thích hợp

• Thỏa mãn các yêu cầu mở máy và hãm điện

• Phù hợp với nguồn điện năng sử dụng

• Thích hợp với điều kiện môi trường làm việc

- Lựa chọn bộ biến đổi: Biến đổi nguồn điện xoay chiều 3 pha thành nguồn điện xoay chiều 3 pha thay đổi được với thông số phù hợp với động cơ

- Lựa chọn phương án điều khiển: Nhằm thay đổi tốc độ động cơ theo đồ thị tốc

độ mong muốn của tải

- Khâu đo lường: Đo tốc độ động cơ để đưa về khâu so sánh nhằm điều chỉnh tốc độ phù hợp

1.2.2 Đặc tính cơ cảu động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lí cảm ứng điện từ, có tốc độ của rotor khác với tốc độ của từ trường quay trong máy Động cơ không đồng bộ 3 pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì chế tạo đơn giản, giá rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao, và gần như không cần bảo trì, Dải công suất rộng từ vài Watt đến 10000hp Các động cơ từ 5hp trở lên hầu hết là 3 pha còn động cơ nhỏ hơn 1hp thường là 1hp

a Cấu tạo của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ

- Phần tĩnh (hay gọi là stator)

• Vỏ máy: có tác dụng cố định lõi thép và dây quấn

• Lõi thép: là phần dẫn từ, thường làm bằng các lá thép kỹ thuật điện

• Dây quấn stator: Dây quấn là bộ phận quan trọng nhất của động cơ vì

nó trực tiếp tham gia vào quá trình biến đổi năng lượng điện thành cơ Đồng thời về mặt kinh tế thì giá thành của dây quấn cũng chiếm tỷ lệ khá cao trong toàn bộ giá thành của máy

- Phần quay (hay gọi là rotor): Gồm 2 loại

Rotor kiểu dây quấn: rotor kiểu dây quấn cũng giống như dây quấn 3 pha stator và cùng có số cực từ dây quấn stator Dây quấn kiểu này luôn đấu hình sao và có 3 đầu ra đấu vào 3 vành trượt gán vào trục quay rotor

và cách điện với trục

Rotor kiểu lồng sóc: Gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu Với động cơ nhỏ, dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát

b Nguyên lý làm việc của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ

Khi cho dòng 3 pha vào 3 dây quấn stator của động cơ, trong stator sẽ có từ

Từ trường quay này quét qua các dây quấn của rotor làm xuất hiện các sức điện động và dòng điện cảm ứng

Lực tương tác điện từ giữa từ trường quay và các dòng điện cảm ứng này tại ra các mô men quay tác động lên rotor, kéo rotor quay theo chiều quay của từ trường

tốc độ trượt n2 = n1 – n

n1 = (n1-n)

đó dây quấn rotor không có sức điện động và dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng không

c Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ

Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ n = f(M)

Hình 1.2 Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ Phương trình đặc tính cơ:

ω = 3𝑈1𝑓2 𝑅2𝑠′𝑠.𝑀[(𝑅1+ 𝑅2𝑠′

𝑠 )

2

+𝑋𝑛𝑚2 ]

Trong đó:

mỗi pha của stator

- S là độ trượt của động cơ

1.2.3 Đặc tính cơ của tải

Hình 1.2 Đồ thị tốc độ mong muốn của tải

- Hoạt động của băng tải:

5m/s

- Điều khiển động cơ điện sao cho tốc độ của băng tải phải bám theo tốc độ mong muốn (hình 1.2) Điều khiển động cơ có đảo chiều quay

- Nguồn điện cung cấp là nguồn xoay chiều 3 pha 220/380V

- Hệ thống phải hoạt động ổn định, sai số nằm trong khoảng cho phép, dễ dàng điều khiển

1.3 Tính chọn công suất động cơ

Từ đồ thị tốc độ mong muốn của tải (Hình 1.2), ta có:

- Tính tốc độ mong muốn của động cơ:

−5 0,5 = -10 (m/s2)

Đồ thị mô-men của động cơ như Hình 1.3b

- Tính công suất động cơ: P = T ω

ω(rad/s) 14,3

P(W) b,

250,25

125,125

1 2 3 4 5 6 7 t(s) -125,125

-250,25

c,

Hình 1.3 Đồ thị các đặc tính của động cơ

a, Tốc độ mong muốn của động cơ

b, Mô-men của động cơ

c, Công suất của động cơ

1.4 Chọn phương án truyền động

So với động cơ điện một chiều, việc điều khiển động cơ điện xoay chiều gặp nhiều khó khăn bởi vì các thông số của động cơ điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian, cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu trúc máy của động cơ điện xoay chiều so với động cơ điện một chiều

Động cơ không đồng bộ làm việc theo nguyên lý cảm ứng, từ thông động cơ và mô-men là các hàm phi tuyến nhiều biến Chính vì vậy mà trong định hướng xây dựng các hệ truyền động điện không đồng bộ, người ta thường có xu hướng tiếp cận với các đặc tính điều chỉnh của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Để có thể đưa ra các phương pháp chung trong điều khiển, hãy xét phương trình

ΔP s = 3R ’2 2 I ’2 2 là tổn hao đồng trên điện trở mạch rotor

không đồng bộ, chủ yếu chỉ có 2 hướng:

- Điều chỉnh tốc độ đồng bộ

Phương pháp thứ nhất liên quan đến các hệ thống điều chỉnh tần số, phương pháp thứ 2 liên quan đến điều chỉnh trở mạch rotor hoặc điều chỉnh công suất trượt

Các phương pháp điều chỉnh được thể hiện trong bảng tiếp theo Trong bảng ta thấy có 4 phương pháp, nếu đứng về phương diện tổn thất khi ta điều chỉnh, có 2 phương pháp: Điều chỉnh tổn thất và điều chỉnh kinh tế Còn phân loại theo sơ đồ bố trí mạch lực ta có mạch tác động lên stator và mạch tác động vào rotor

Khái quát phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ

- Phương pháp điều chỉnh điện áp stator dùng thysistor có phạm vi điều chỉnh tốc

đưa điện trở phụ, đường 3 hạn chế do quá dòng điện Vì vậy ngày nay người ta ít dùng, chủ yếu dùng để khởi động động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc phụ tải bơm và quạt gió

- Phương pháp điều chỉnh điện trở phụ nối vào rotor của động cơ không đồng bộ rotor quấn dây Thực chất là phương pháp tổn thất, hiệu suất truyền động suy giảm khi điều chỉnh sâu tốc độ Tuy vậy phương pháp này có hiệu quả tốt là mô-men khởi động lớn, thích hợp với truyền động cơ cấu nâng hạ của cầu trục và cần trục, nên nó vẫn được sử dụng ở dải công suất nhỏ và trung bình

- Phương pháp điều chỉnh công suất trượt thực hiện đối với động cơ rotor quấn dây thực chất của phương pháp này là công suất điện được cung cấp 100% cho động cơ ở phía stator, với phụ tải định trước để điều chỉnh giảm tốc độ, ta lấy bớt công suất ở phía rotor được biến đổi trả lại lưới Như vậy công suất điện tiêu thụ của động cơ gần tương ứng với công suất cơ, nên phương pháp này gọi là phương pháp điều chỉnh kinh tế Tuy vậy, nó dùng ở dải công suất lớn (>400 kW) thì mới

có hiệu quả kinh tế

- Phương pháp điều chỉnh tần số nguồn cung cấp được sử dụng cho động cơ không đồng bộ cho đến nay vẫn là phương pháp tốt nhất, vì nó điều chỉnh trực tiếp

công suất điện đầu vào động cơ, đặc tính cơ có độ cứng không thay đổi trong dải điều chỉnh rộng Với sự phát triển công nghiệp điện tử công suất, giá thành các bộ biến đổi ngày càng hạ, tính năng kĩ thuật ngày càng nâng cao, nên hệ truyền động điều khiển tần số được sử dụng phổ biến nhất hiện nay

Ở đây ta chọn điều khiển bên phía stator vì stator là phần đứng yên nên khi tác động vào sẽ dễ dàng hơn là phần rotor đang quay Điều khiển phía stator có hai phương pháp là điểu khiển điện áp stator và điều khiển tần số Tuy nhiên phương pháp điều khiển bằng tần số thì có tính kinh tế hơn nên ta chọn phương pháp điều khiển tốc độ động cơ là điều chỉnh tần số

1.5 Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống truyền động điện

Ta chọn phương pháp điều khiển ở đây là dùng biến tần

Sơ đồ tổng quát chung:

1.6 Tính toán và chọn các thiết bị, phần tử trong hệ thống

Dựa vào đồ thị tốc độ và mô-men, ta thấy động cơ hoạt động ở cả chế độ động

cơ và máy phát nên bộ biến đổi được thiết kế để có thể cho năng lượng có thể trả trở về nguồn

Sơ đồ biến tần được xây dựng:

- Điện áp trung bình đầu ra của bộ chỉnh lưu

- Tính chọn Thyristor chỉnh lưu, nghịch lưu để hãm tái sinh

Chọn hệ số dự trữ điện áp: k = √3

Chọn hệ số dự trữ dòng điện là k = 1,5 = > I = 20.1,5 = 30 (A)

Vậy chọn Thyristor BTW681200 có các thông số sau:

- Điện áp ngược lớn nhất đặc lên diode: 1200 (V)

- Dòng điện đầu ra lớn nhất: 35 (A)

- Điện áp rơi trên diode: 0,3 (V)

- Dòng rò: 0,1 (mA)

- Dãy nhiệt độ làm việc: -40 → 150℃

• Tính chọn IGBT

Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 pha:

Điện áp đầu ra khâu nghịch lưu là: U = 220 (V)

Chọn hệ số an toàn về áp cho van là 3 Do vậy ta cần điện áp chiụ đựng yêu

Chọn IGBT BSM50GD60DLC

d Cảm biến tốc độ

Sử dụng Encoder tích hợp trong động cơ

e Cảm biến dòng

Chọn cảm biến IPC-100-00-I-TLL-5-M8 có các thông số sau:

• Năng lượng tiêu thụ < 3W

• Dãy đo tuyến tính: ± 170A, max ± 210 A

• Độ phân giải: 7mA

• Đầu ra: 4-20 mA

• Dãy nhiệt độ làm việc: -40 ÷ 125 °C

CHƯƠNG 2

Mô hình hóa hệ thống truyền động điện

2.1 Mô hình toán học của động cơ

Muốn nâng cao chất lượng của hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều, cải thiện phương pháp thiết kế, trước tiên phải làm rõ bản chất trạng thái động của động cơ xoay chiều thông qua mô hình toán học

⁕ Đặc điểm của mô hình toán học trạng thái động của động cơ không đồng bộ Khi nghiên cứu về động cơ điện một chiều ta nhận thấy: Từ thông của động cơ điện loại này được sinh ra bởi cuộn dây kích từ, có thể được xác lập từ trước mà không tham gia vào quá trình hoạt động của hệ thống (trừ khi điều tốc bằng điều chỉnh từ thông) Vì vậy mô hình toán học trạng thái động của nó chỉ có một biến vào (đó là điện áp mạch rotor) và một biến ra (đó là tốc độ quay) Trong đối tượng điều

số thời gian trễ f của khối chỉnh lưu Trong ứng dụng kỹ thuật, ở điều kiện cho trước một hệ số cho phép có thể biểu diễn hệ thống tuyến tính cấp III thành hệ thống một biến số (một vào, một ra), và hoàn toàn có thể ứng dụng lý thuyết điều khiển tuyến tính kinh điển và phương pháp thiết kế kỹ thuật thực dụng và từ đó phát triển ra để tiến hành phân tích và thiết kế

Tuy nhiên, lý luận và phương pháp nói trên khi vận dụng vào việc phân tích và thiết kế hệ thống điều tốc xoay chiều thì gặp khá nhiều khó khăn, phải đưa ra một số giả thiết mới có thể nhận được sơ đồ cấu trúc trạng thái động gần đúng, bởi vì so sánh giữa mô hình toán học của động cơ điện xoay chiều và mô hình động cơ điện một chiều có sự khác nhau khá căn bản:

Lúc điều tốc biến tần động cơ không đồng bộ cần phải tiến hành điều khiển phối hợp điện áp và tần số, có hai biến số đầu vào độc lập là điện áp và tần số, nếu khảo sát điện áp 3 pha thì biến số đầu vào thực tế phải tăng lên Trong biến số đầu ra, ngoài tốc độ quay, từ thông cũng được tính là một tham số độc lập Bởi vì động cơ chỉ có một nguồn điện 3 pha, việc xác lập từ thông và sự thay đổi tốc độ quay là tiến hành đồng thời, nhưng muốn có chất lượng động tốt, còn muốn điều khiển đối với

từ thông, làm cho nó không thay đổi trong trạng thái động, mới có thể khai thác được mô men lớn hơn Vì những nguyên nhân này nên động cơ không đồng bộ là

một hệ thống nhiều biến số (nhiều đầu vào, nhiều đầu ra), mà giữa điện áp (dòng điện), tần số, từ thông, tốc độ quay lại có ảnh hưởng lẫn nhau, nên nó là hệ thống nhiều biến có quan hệ với nhau rất chặt chẽ

Trong động cơ không đồng bộ, từ thông kéo theo dòng điện sinh ra mô men quay, tốc độ quay kéo theo từ thông nhận được sức điện động cảm ứng quay, bởi vì chúng đồng thời biến đổi, nên trong mô hình toán học có chứa hai biến nhân với nhau, như vậy, dù không khảo sát nhân tố bão hoà từ, mà mô hình toán học cũng là phi tuyến

Mạch stator động cơ không đồng bộ có 3 nhóm cuộn dây, mỗi một nhóm khi sản sinh từ thông đều có quán tính điện từ riêng của nó, lại thêm vào quán tính cơ điện của hệ thống chuyển động, vì thế dù cho không xét tới yếu tố chậm sau trong thiết bị biến tần, thì mô hình toán học động cơ không đồng bộ ít nhất cũng là hệ thống bậc 7 Tóm lại, mô hình toán học động cơ không đồng bộ là hệ thống nhiều biến, bậc cao, phi tuyến, ràng buộc nhau rất chặt, hệ thống điều tốc biến tần lấy nó làm đối tượng

có thể được thể hiện bằng hệ thống nhiều biến như trên hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống điều tốc biến tần của động cơ không đồng

bộ ba pha

⁕ Mô hình toán học nhiều biến của động cơ KĐB ba pha

Ba dòng điện pha hình sin phía stator của động cơ xoay chiều 3 pha KÐB không nối điểm trung tính:

Ba dòng điện này có thể được mô tả dưới dạng vector i(t) quay trong không gian với tần số stator fs

w

2 ( ) ( ) e ( ) e 3

Biểu diễn các đại lượng 3 pha khác như điện áp stator, điện áp rotor, từ thông

Tất cả các vector đều quay xung quanh gốc tọa độ

Buớc tiếp theo: hình dung một hệ tọa độ với 2 trục d và q, quay đồng bộ với

Nếu hệ tọa độ dq đứng yên tại một vị trí, sao cho trục thực d trùng với trục của

một trong ba cuộn dây pha (ví dụ pha U), và ta đổi tên hệ trục tọa độ đó thành αꞵ

=> αꞵ là hệ tọa độ cố định với stator

=>Hình dung một phép tính chuyển đổi, thay thế hệ thống 3 cuộn dây pha U, V,

W bởi hệ thống 2 cuộn dây α và ꞵ

Nếu trục d (trục thực) của hệ tọa độ mới trùng với trục của vector từ thông rotor

Mối quan hệ giữa mômen quay, từ thông rotor và các thành phần dòng điện như sau:

3 2

Công thức chuyển đổi Clarke: uvw → αꞵ

1

2 3

2 2

3 3 0

i i

d q

Thử hình dung ra một hệ tọa độ mới quay với tốc độ góc Việc chuyển đổi các đại

lượng giữa hệ tọa độ mới và hệ tọa độ của hệ thống cuộn dây đang xét được thực hiện

vậy sẽ trùng với hệ tọa độ tựa hướng từ thông rotor

 Ts = Ls/Rs : Hằng số thời gian Stator

 Tr = Lr/Rr : Hằng số thời gian Rotor

Các biển trạng thái quan tâm: dòng điện stator và từ thông rotor

Sau một vài biến đổi ta thu được hệ phương trình viết dưới dạng thành phần như sau:

Ma trận hệ thống có chứa 𝜔 được coi như một tham số hàm (biến thiên theo thời gian) có thể đo được Mô hình trạng thái trên là cơ sở để thiết kế các khâu điều chỉnh, khâu quan sát trên hệ tọa độ αꞵ Trên hệ tọa độ αꞵ các thành phần của vector trạng thái Xs có dạng hình sin

• Mô hình trạng thái liên tục của động cơ XC 3 pha KÐB trên hệ tọa độ dq :

2.1 Xây dựng mô hình toán học của các khâu trong hệ thống: Bộ biến đổi, cảm biến,…

Bộ chỉnh lưu có hãm tái sinh:

Hàm truyền đạt của bộ chỉnh lưu:

( )

1

r r