Tìm hiểu tính chất và yêu cầu của các loại động cơ điện sử dụng trong truyền động điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG ISO 9001:2015 TÌM HIỂU TÍNH CHẤT VÀ YÊU CẦU CỦA CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ ĐIỆN SỬ DỤNG TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP HẢI PHỊNG - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ HẢI PHỊNG TÌM HIỂU TÍNH CHẤT VÀ U CẦU CỦA CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ ĐIỆN SỬ DỤNG TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH: ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP Sinh viên Phạm Đăng Quang Giảng viên hướng dẫn :Th.S Nguyễn Đoàn Phong HẢI PHÒNG - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên: Phạm Đăng Quang - Mã SV: 1512102049 Lớp: DC1901 - Ngành: Điện Tự Động Cơng Nghiệp Tên đề tài: Tìm hiểu tính chất yêu cầu loại động điện sử dụng truyền động điện NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( lý luận, thực tiễn, số liệu cần tính tốn vẽ) …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… Địa điểm thực tập tốt nghiệp …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Người hướng dẫn thứ nhất: Họ tên : Th.S Nguyễn Đoàn Phong Học hàm, học vị : Thạc Sĩ Cơ quan công tác : Trường Đại Học Quản Lý Công Nghệ Hải Phịng Nội dung hướng dẫn : Tồn đề tài Người hướng dẫn thứ hai: Họ tên: Học hàm, học vị: Cơ quan công tác: Nội dung hướng dẫn: Đề tài tốt nghiệp giao ngày tháng năm Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày tháng năm Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN Sinh viên Phạm Đăng Quang Đã giao nhiệm vụ ĐTTN Người hướng dẫn Th.S Nguyễn Đồn Phong Hải Phịng, ngày tháng năm 2019 Hiệu trưởng GS.TS.NGƯT Trần Hữu Nghị CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TỐT NGHIỆP Họ tên giảng viên: Đơn vị công tác: Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Đề tài tốt nghiệp: Tinh thần thái độ sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp Đánh giá chất lượng đồ án/khóa luận (so với nội dung yêu cầu đề nhiệm vụ Đ.T T.N mặt lý luận, thực tiễn, tính tốn số liệu…) Ý kiến giảng viên hướng dẫn tốt nghiệp Được bảo vệ Không bảo vệ Điểm hướng dẫn Hải Phòng, ngày … tháng … năm Giảng viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN CHẤM PHẢN BIỆN Họ tên giảng viên: Đơn vị công tác: Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Đề tài tốt nghiệp: Phần nhận xét giáo viên chấm phản biện Những mặt hạn chế Ý kiến giảng viên chấm phản biện Được bảo vệ Không bảo vệ Điểm hướng dẫn Hải Phòng, ngày … tháng … năm Giảng viên chấm phản biện (Ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Tổng quan động điện chiều 1.1.1 Cấu tạo, phân loai đông điện chiều 1.1.2 Đặc tính động điện chiều 1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động điện chiều 1.2.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng 10 1.2.2 Phương pháp thay đổi từ thông  11 1.2.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 12 1.3 Giới thiệu số hệ truyền động điện chiều 15 1.3.1 Hệ truyền động máy phát - động điện chiều (F - Đ) 15 Chương MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 22 2.1.Lý luận chung máy điện không đồng 22 2.1.1.Kết cấu 22 2.1.2 Nguyên lý làm việc 24 2.1.3 Các trị số định mức 24 2.1.4 Sức điện động dây quấn máy điện không đồng 25 2.2 Khởi động động không đồng 27 2.2.1 Khởi động trực tiếp 27 2.2.2 Khởi động dùng phương pháp giảm dòng khởi động 27 2.3 Điều chỉnh tốc độ động không đồng 31 2.3.1 Mở đầu 31 2.3.2 Thay đổi tần số nguồn điện cung cấp f1 32 2.3.3 Thay đổi số đôi cực 33 2.3.4 Điều chỉnh tốc độ thay đổi điện trở mạch rô to 35 Chương ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 37 3.1 Động đồng 37 3.1.1 Tính chất động động đồng 37 3.1.2 Khởi động động đồng bộ: 38 3.2 Một số ứng dụng động đồng 43 3.2.1 Cấu tạo động PMSM 43 3.2.2 Nguyên lý hoạt động động PMSM 43 3.2.3 Mơ hình máy PMSM 44 3.2.4 Điều khiển tốc độ động PMSM 45 3.2.5.Điều khiển véc tơ máy PMSM 46 3.2.6.Bộ điểu khiển dải trễ 47 3.2.7 Bộ điều chỉnh PWM 48 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển không ngừng khoa học kĩ thuật tạo thành tựu to lớn , ngành tự động hóa góp phần khơng nhỏ vào thành cơng Một vấn đề quan trọng dây truyền tự động hóa sản xuất đại việc điều chỉnh tốc độ động cơ.Từ trước đến nay, động chiều loại động sử dụng rộng rãi kể hệ thống yêu cầu cao Vì em giao đề tài là: “ Tìm hiểu tính chất u cầu loại động điện sử dụng truyền động điện” Trong trình làm đề tài tốt nghiệp em nhận hướng dẫn bảo tận tình cung cấp nhiều tài liệu thầy giáo TS NGUYỄN ĐOÀN PHONG Em xin gửi lời cảm ơn trân thành đến hai thầy Tuy nhiên, thời gian giới hạn đồ án với phạm vi nghiên cứu tài liệu với kinh nghiệm kiến thức hạn chế lên đồ án khơng tránh khỏi nhiều thiếu sót mong đóng góp ý kiến thầy để đồ án em hoàn thiện Nội dung đề tài chia làm ba chương + Chương 1: Tổng quan hệ truyền động điện chiều + Chương 2: Động không đồng +Chương 3: Động đồng CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Tổng quan động điện chiều 1.1.1 Cấu tạo, phân loai đông điện chiều a Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều phân thành hai phần chính: Phần tĩnh phần động - Phần tĩnh hay stato hay cịn gọi phần kích từ động cơ, phận sinh từ trường gồm có: +) Mạch từ dây kích từ lồng ngồi mạch từ (nếu động kích từ nam châm điện), mạch từ làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dây quấn kích thích hay cịn gọi dây quấn kích từ làm dây điện từ, cuộn dây điện từ mắc nối tiếp với +) Cực từ chính: Là phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại tán chặt Trong động điện nhỏ dùng thép khối Cực từ gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulông Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện cuộn dây bọc cách điện kỹ thành khối, tẩm sơn cách điện trước đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với +) Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ Lõi thép cực từ phụ thường làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống dây quấn cực từ Cực từ phụ gắn vào vỏ máy nhờ bulông +) Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động điện nhỏ vừa thường dùng thép dày uốn hàn lại, máy điện lớn thường dùng thép đúc Có động điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy +) Các phận khác: Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ vừa nắp 3 Ul E0 E0 a ) 23 IX IX3 c ) b ) CP C Q3 e U) =0 l E0 C Q4 U IX5 CQ5 X I C Q U l CQ4 E0 Ul d ) CP4 us  I3 IX4 E0 I  I2 X C I Q E0 I5 I4 I Hình 3.1 Khả làm việc máy điện đồng a)Chạy không tải, b) làm việc máy phát;c) Làm việc động cơ; d)Làm việc máy bù Để hình dung ảnh hưởng kích từ ta xét chế độ không tải Tại chế độ ta tăng dịng kích từ (q kích) máy phát dòng cảm kháng giảm dòng kích từ máy phát dịng dung kháng Các chế độ làm việc máy đồng biểu diễn Máy phát phát công suất tác dụng công suất phản kháng E0 jXI cQ Động nhận công suất tác dụng cảm kháng U Động nhận cơng suất tác dụng dung kháng Hình 3.2 Các khả làm việc máy điện đồng 3.1.2 Khởi động động đồng bộ: Trước hết ta xét máy điện đồng khơng có thiết bị phụ đặc biệt Cuộn kích từ nối vào nguồn chiều, cuộn phần ứng nối vào lưới điện pha tạo từ trường quay với tốc độ máy đồng xuất mômen biến đổi 38 n tt  60f P Trong điều kiện M Mtb=0 t T Hình 3.3 Mô men máy đồng rô to không quay Chu kỳ biến đổi mômen xác định: TM  fM  60  p(n tt  n ) f (n tt  n ) n tt Trong đó: n - Tốc độ tức thời rơto; dấu “-“ quay thuận chiều quay, cịn dấu “+” quay ngược chiều quay Khi n = fM = f1 = 50HZ Một mômen biến đổi với tần số rơ to có qn tính lớn khơng chuyển động Có thể nói gọn lại máy điện đồng khơng có mơmen khởi động (Mtb = 0) Do ta phải tìm cách khởi động động đồng a-Khởi động máy ngồi Thực chất q trình đồng hoá hay tự đồng Ta dùng máy lai (động dị bộ, động chiều, ) quay rôto động đồng tới tốc độ cần thiết để hồ vào lưới Phương pháp có nhược điểm cần dùng động nên tốn dùng b-Phương pháp khởi động dị Đây phương pháp giống khởi động động dị Để thực phương pháp người ta đặt mặt cực cuộn dây ngắn mạch làm đồng (đồng thường hay đồng đỏ) giống cuộn dây máy điện không đồng rô to ngắn mạch Nếu bỏ qua cuộn kích từ nối cuộn dây pha vào lưới có dịng pha chạy vào tạo từ trường quay làm rôto quay máy điện dị Khi đạt tốc độ định ta cấp dịng kích từ cho cuộn kích từ từ trường chiều từ trường quay tác động lên tạo mơmen có biên độ tăng dần Chu kỳ TM mô men độ trượt nhỏ có giá trị lớn (ví dụ f = 50HZ, s = 0,005 TM = 4s),nên mô men 39 sinh máy đồng giúp cho rơto tăng tốc để bước vào đồng Cuộn dây khởi động máy thân thép cực từ với kích thước định, từ trường biến thiên xuất dịng xốy tạo mơmen đủ lớn để khởi động máy Để giảm dòng khời động người ta sử dụng phương pháp máy dị Cho tới lúc bỏ qua cuộn kích từ Nếu cuộn kích từ hở mạch thời kỳ đầu trình khởi động, từ trường quay stato tạo quay so với rôto tốc độ lớn (ntt – n = sntt) cảm ứng cuộn kích từ hở sđđ có giá trị lớn gây nguy hiểm cách điện cuộn kích từ cho người vận hành Để tránh tượng điện áp ta nối cuộn dây qua điện trở thích hợp Việc nối điện trở lại tạo tượng khác gọi tượng Gorgesa Bản chất tượng sau: -Từ trường quay stato làm xuất dòng xoay chiều mạch kích từ có tần số: f2  p(n tt  n ) f 1s 60 Dòng biến đổi tạo từ trường biến đổi mà theo nguyên tắc ta tách ta làm từ trường quay có tốc độ chiều quay ngược Một từ trường quay có chiều quay chiều rơto cịn từ trường ngược chiều (xem động dị pha) Tốc độ từ trường so với rơto sau: Từ trường chiều quay rôto: n 2q  60f p Từ trường ngược: n ' 2q   60f p Và so với stato: Từ trường quay thuận: nqs = n + n2q = ntt 40 Từ trường quay ngược:n’qs = n + n’2q = n – ntt + n = 2n - ntt Ta thấy từ trường thuận có tốc độ so với stato khơng đổi, tạo mơmen dị tác động lên rơto theo chiều mômen cuộn khởi động tạo Ta thấy tốc độ từ trường ngược n’qs phụ thuộc vào tốc độ quay rơto, có giá trị hướng thay đổi Qua phân tích thấy rằng: Ở phạm vi  n  n tt từ trường ngược quay so với stato sang trái mômen tạo có chiều sang phải trùng với chiều mômen dị mômen tạo từ trường thuận n Khi n  2tt từ trường ngược trạng thái không chuyển động so với ststo nên cuộn dây không cảm cảm ứng sđđ không tạo mômen n phụ Khi n  2tt hướng quay từ trường ngược so với stato ngược với n trường hợp n  2tt nên mơmen sinh ngược với chiều mômen tạo cuộn khởi động từ trường thuận Trên hình biểu diễn đặc tính loại từ trường tạo Đặc tính mơmen từ trường ngược tạo ta có: Khi n n n n  tt Mq’s = 0, n  tt Mas > n  tt Mq’s < 2 M a) M M b) M A A’ M n1/2 nA’ M n1/2 n1 n n nA n1 Hình 3.4 Đặc tính mơ men khởi động động đồng bọ phương pháp dị a) Mạch kích từ bị nối tắt, b)mạch kích từ nối qua điện trở 41 Đặc tính khởi động tổng mơmen Từ đồ thị ta thấy đặc tính khởi động có vùng yên ngựa (hiện tượng Gorgesa) Nếu vùng yên ngựa lớn (do dịng xoay chiều cuộn kích từ lớn) xảy trường hợp mômen khởi động nhỏ mômen cản , khởi động không thành công Để giảm tác động từ trường ngược, ta đưa vào cuộn kích từ điện trở phụ có giá trị khoảng 10 lần giá trị điện trở mạch kích từ:Rp  10Rkt Nếu chọn Rp lớn gây xuyên thủng cách điện, chọn Rp nhỏ khơng giảm tượng Gorges, gây dừng máy khơng khởi động R«to Stato     Cuộn khởi động P Rp Máy kích từ Hình 3.5 Sơ đồ nối dây khởi động động đồng phương pháp dị Nắm tính chất máy đồng có lợi cho trường hợp động dị pha dây quấn bị đứt pha rô to Khi động dị pha dây quấn đứt pha rơto có tượng giống trường hợp vừa nghiên cứu c)Khởi động phương pháp tần số Nếu ta cấp cho stato nguồn điện có khả điều chỉnh tần số, tăng dần tần số nguồn điện cung cấp từ đến tần số đồng bộ, mạch kích từ động đồng cấp dịng với tăng tần số nguồn cung cấp, tốc độ động tăng, đến đạt tốc độ đồng ta nối động vào lưới ngắt nguồn cung cấp có tần số khỏi động 42 3.2 Một số ứng dụng động đồng 3.2.1 Cấu tạo động PMSM Cấu tạo stato động PMSM gồm cuộn dây quấn phân tán gần hình sin chu vi stato Ba cuộn dây stato cấp điện áp xoay chiều Dạng dịng điện cuộn dây hình sin gần hình sin Sự phân bố từ thơng khe hở khơng khí có dạng hình sin gần hình sin Cấu tạo rô to: Rô to nam châm vĩnh cửu cấu trúc cho phân bố độ tự cảm(hoặc mật độ từ thơng) hình sin Trên H.3.4 sơ đồ cấu trúc máy PMSM[11,12] Ro to Stato NC vĩnh cửu Trục d H 3.6 Sơ đồ cấu trúc máy PMSM 3.2.2 Nguyên lý hoạt động động PMSM PMSM động đồng nam châm vĩnh cửu hoạt động sau: cấp dịng điện hình sin vào cuộn dây stato xuất từ trường quay với tốc độ ntt=60f/p, f-tần số biến thiên dịng điện, p-số đơi cực Do từ trường nam châm vĩnh cửu từ trường không đổi không quay, tác động từ trường quay với từ trường không đổi tạo mô men dao động, giá trị trung bình mơ men có giá trị Để máy điện làm việc phải quay nam châm vĩnh cửu tới tốc độ tốc độ từ trường, lúc mô men trung bình động khác khơng 43 3.2.3 Mơ hình máy PMSM Stato PMSM động đồng có cuộn dây kích từ rơto giống Nam châm vĩnh cửu sử dụng PMSM biến thể đất đại với điện trở suất lớn nên dịng cảm ứng rơ to bỏ qua Hơn khơng có khác biệt sức phản điện động cảm ứng nam châm vĩnh cửu sđđ cảm ứng từ trường dòng kích từ tạo khơng Vì mơ hình tốn PMSM giống loại động đồng thường có cuộn kích từ rơ to Để xây dựng mơ hình máy đồng nam châm vĩnh cửu ta giả thiết sau: 1) Bỏ qua bão hòa, lưu ý đến tính thay đổi tham số 2) Stđ hình sin 3) Dịng phu cô tượng từ trễ bỏ qua 4) Khơng có dịng kích từ động 5) Khơng có dẫn dạng lồng sóc rơ to Với giả thiết phương trình stato hệ trục d, q gắn vào rô to PMSM sau: [l0]-[12]: ud=rid+pψd-ωsψq uq=riq+pψq+ωsψd ψd=Ldid+ψaf ψq =Lqiq ψd ,ψq - Từ thơng móc vịng trục d, trục q ud uq điện áp trục d q, id Iq dòng stato trục d,q, Ld Lq, cảm ứng từ cuộn stato trục d q, R s, điện trở cuộn dây tần số biến tần, ψaf từ thông nam châm vĩnh cửu móc vịng với stato (hay gọi từ thông hỗ cảm stato rô to) Mô men điện từ có dạng: M e = [ af i q  L d  L q  i d i q ] 44 Và phương trình động sau: Me=ML+Bωr+Jpωr Ở q- số đôi cực, ML mô men tải, B hệ số ma sát, r tốc độ rơ to cịn J mơ men qn tính Tần số biến tần quan hệ với tốc độ rô to sau: ωs=qωr Mơ hình máy điện phi tuyến chứa tích biểu thức chứa tích biến trạng thái r,iq, id Để nghiên cứu tính động máy PMSM qua mơ cần viết lại phương trình dạng không gian trạng thái như: pi d  (u d  Ri d  s L qi q ) Ld piq  (u q  Riq  s Ldid   s af ) Lq Jpr  (M e  M L  Br ) J Tổng công suất vào cho máy điện biểu diễn qua biến a, b, c sau: P = uaia + ubib + uc,ic biểu diễn qua biến d,q sau: P (ud id  uq iq ) 3.2.4 Điều khiển tốc độ động PMSM PMSM thường điều khiển vector (FOC) điều khiern trực tiếp mô men (DTC) 45 3.2.5.Điều khiển véc tơ máy PMSM ψaf Pha a Hình 3.7 Sơđồ đồvéc véctơ tơcủa củađiều điềukhiển khiểnvéc véc tơ H.3.6.Sơ Từ thơng móc vịng rô to phát triển tốc độ rô to r gắn với vị trí cố định vị trí góc rơ to cho bởi:  r   r dt Nếu id cưỡng : ψd =ψaf Do Me  q af iq Vì từ thơng móc vịng khơng đổi nên mơ men tỷ lệ thuận với dịng trục q Điều biểu thị sau: Me=Kt.iq Trong Kt  q af Phương trình mơ men giống với động chiều có kích từ độc lập hồn tồn cho phép chuyển PMSM phương trình tương đương động 46 chiều kích từ độc lập Tương tự hiểu dịng Id âm tượng làm yếu từ thơng khe hở khơng khí biểu thức 3.2.6.Bộ điểu khiển dải trễ Trong phương pháp điều khiển sử dụng PMSM cần điều khiển Thông thường dùng điều khiển dải trễ điều khiển PWM Trước hết rình bày điều khiển dải trễ PMSM Mạch công suất điều khiển động PMSM H.3.8 Giả thiết điện áp mạch dòng chiều lọc tốt Sáu van Tl-T6 sử dụng điều khiển dòng điện pha stato Biên độ Udc H.3.7 tần Hình Bộ 3.8.biến Bộ biến tần H.3.9 Bộ điều khiển dải trễ dòng điên Chiến thuật điều khiển sau: Giá trị tức thời dòng điện ia ib chạy động đo, từ dòng ic xác định, điều loại bỏ cần thiết sen sơ dòng điện Giá trị tức thời giá trị đặt so sánh với tạo sai số Để so sánh giá trị dòng điện sử dụng sơ đồ Biểu diễn giá trị dịng đặt ia* Ngồi cịn có đường cong khác đường cong ia* + ∆i and ia* -∆I trình bày ∆i xác định biên độ giải trễ Tính chất cho phép giá trị tức thời ia vượt hay nhỏ giá trị so sánh đại lượng ∆i Logic cho 47 Bảng 7.1,Lô gic điều chỉnh ia* ia T1 T4 Vdn ≥0 ia ≤ (ia*- Δi) on off +Udc/2 ia ≥ (ia*+ Δi) off off +Udc/2 (D4 on) Tương tự dùng cho pha lại Khi T1 mở dòng ia tăng theo chiều *