ĐẠI HỌC NHA TRANG Bài giảng TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DC & AC Biên soạn: ThS Trần Công Binh THÁNG NĂM 2010 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN (DC & AC) Chương I: Động học hệ thống động - tải I.1: Đặc tính tải I.2: Đặc tính động Chương II: Điều khiển vòng hở tốc độ động chiều II.1: Động chiều (động DC) Đặc tính tĩnh động DC Điều khiển tốc độ động DC Các trạng thái hãm II.2: Điều khiển động DC dùng Bộ chỉnh lưu Giới thiệu Bộ chỉnh lưu pha Bộ chỉnh lưu pha II.3: Điều khiển động DC dùng Bộ biến đổi xung áp (Chopper) Bộ chopper giảm áp Bộ chopper tăng áp Hãm tài sinh dùng chopper tăng áp Mạch cầu H điều khiển động DC làm việc góc phần tư Chương III: Điều khiển vịng kín tốc độ động chiều III.1: Mơ hình động động DC III.2: Bộ điều khiển PID III.1: Điều khiển vịng kín động DC Điều khiển vòng hở tốc độ động DC Điều khiển vịng kín tốc độ động DC Điều khiển moment động DC Điều khiển vị trí động DC Bộ điều khiển động DC (DC Drive) Điều khiển tốc độ động không đồng ba pha Chương IV: IV.1: Động không đồng ba pha (ĐCKĐB) Đặc tính tĩnh ĐCKĐB ba pha Khởi động mềm ĐCKĐB ba pha IV.1: Điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha Điều khiển khởi động cách thay đổi điện trở rotor Điều khiển điện áp phần ứng Điều khiển tần số phương pháp V/f Điều khiển vector động không đồng ba pha Chương V: V.1: Bộ nghịch lưu ba pha Vector không gian Bộ nghịch lưu ba pha Vector không gian hệ toạ độ satator (αβ) V.2: Hệ qui chiếu quay Hệ toạ độ từ thông rotor (dq) Chuyển đổi hệ toạ độ αβ ↔ dq V.3: Mơ hình động không đồng ba pha hệt toạ độ từ thông rotor Sơ đồ tương đương động số ký hiệu Mơ hình động HTĐ từ thông rotor (Ψr) V.4: Điều khiển định hướng từ thông (FOC) động không đồng ba pha Điều khiển PID Điều khiển FOC động không đồng ba pha V.5: Bộ biến tần Chương VI: Điều khiển động đồng ba pha 26/09/2010 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) Chương I: T©B Động học hệ thống động - tải I.1: Đặc tính tải I.1.1: Đơn vị đại lượng học: I.1.2: Phương trình moment M co − M c = J Mcơ > Mc Mcơ < Mc Mcơ = Mc dω dt tải tăng tốc tải giảm tốc tải chạy với tốc độ ổn định – xác lập – trạng thái tĩnh I.1.3: Các thành phần moment cản Mc: M c = M t + B.ω + M msk + M mst + C.ω2 Moment tải Mt B.ω Moment ma sát nhớt Moment ma sát khô Mmsk Moment ma sát tĩnh Mmst Moment cản quạt gió làm mát C.ω2 Thông thường, đại lượng khác nhỏ, nên bỏ qua: M c = M t + B.ω I.1.4: Một số dạng đặc tính tải thường gặp: 26/09/2010 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) Mt T©B Mt Mđm m ω ω ωđm ωđm Tải moment số (Thang máy, cần cẩu, băng chuyền,…) Tải moment thay đổi theo tốc độ (Bơm, quạt,…) I.1.5: Moment quán tính: ⎛ ωi2 ⎞ k ⎛ v j ⎞ ⎟ + ∑⎜ mj ⎟ J = J m + ∑ ⎜⎜ J i ⎟⎠ j=1 ⎜⎝ ⎟⎠ i =1 ⎝ n Jm Ji , ωi mj , vj moment quán tính trục động moment quán tính, tốc độ phần tử quay thứ i khối lượng, tốc độ phần tử chuyển động tịnh tiến thứ j I.1.6: Các chế độ làm việc: 26/09/2010 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B a) Hãm tái sinh: _ Pđiện < 0: trả lượng nguồn _ Pcơ < 0: nhận luợng từ tải b) Hãm ngược: _ Pđiện > 0: tiêu thụ công suất từ nguồn _ Pcơ < 0: nhận luợng từ tải Công suất điện + chuyển thành nhiệt c) Hãm động năng: _ Pđiện = 0: cách ly với nguồn _ Pcơ < 0: nhận luợng từ tải Công suất chuyển thành nhiệt I.1.7: Điều kiện ổn định tĩnh: dM c dM co > dω dω I.1.8: Thông số hệ thống điện cơ: dM _ Độ cứng đặc tính cơ: β = dω _ Cơng suất định mức … I.2: Đặc tính động I.2.1: Đặc tính động DC kích từ độc lập, NCVC: ω ωolt ωo ωđm I, Mcơ I0 26/09/2010 Iđm, Mđm Ikđ, Mkđ Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) Kích từ độc lập: ω= T©B Ru U − M co kΦ (kΦ )2 M co = kΦI u E = kΦ ω ω ωolt ωo ωđm Iu Rư Ikt Rkt E U Ukt Φkt ω I, Mcơ I0 Iđm I.2.2: Đặc tính động DC kích từ nối tiếp: Kích từ nối tiếp: Rư ω= U k.k kt M co − R u + R nt k.k kt Iu Int U E Rnt I.2.3: Đặc tính động DC kích từ hỗn hợp: Rư Iu Ikt Int U E Rkt 26/09/2010 Rnt M co = k.k kt I 2u Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B Ví dụ 1: Một động DC kích từ độc lập, 230V, điện trở phần ứng 0,2Ω, tốc độ khơng tải lý tưởng 1000 vịng/phút Ở chế độ định mức dòng điện phần ứng 40A Biết từ thơng kích từ khơng đổi định mức Tính tốc độ momen điện từ (moment cơ) định mức động cơ? Tính dịng điện khởi động moment khởi động động cơ? Ví dụ 2: Một động DC kích từ độc lập có thơng số định mức 500V, 100A, 1000 vịng/phút Điện trở phần ứng 1Ω Từ thơng kích từ khơng đổi định mức Tính momen cơng suất định mức động cơ? Tính hiệu suất động định mức công suất tổn hao cuộn kích từ 5kW Động mang tải có dịng điện phần ứng 40A Tính tốc độ, momen hiệu suất động đó? Tính dịng điện khởi động moment khởi động động cơ? Vẽ đặc tuyến momen - tốc độ điểm tính KPhi = 3.8197 E = 400 Pout = 40000 w = 104.7198 M = 381.9719 HS = 0.7273 Ec = 460 nc = 1150 Poutc = 18400 wc = 120.4277 Mc = 152.7887 HSc = 0.7360 Ikd = 500 Mkd = 1.9099e+003 Ví dụ 3: Một động DC kích từ nối tiếp, có điện trở phần ứng 0, 2Ω điện trở cuộn kích từ 0,1Ω Thơng số định mức động 450V, 40A, 1000 vòng/phút Khi động vận hành định mức : Tính tốc độ momen động cơ? Tính cơng suất hiệu suất động cơ? Tính dịng điện khởi động moment khởi động động cơ? KPhi = 4.1826 E = 438 Pout = 17520 w = 104.7198 M = 167.3037 Pout = 17520 Pin = 18000 HS = 0.9733 Ikd = 1.5000e+003 Mkd = 2.3527e+005 Ví dụ 4: Một động DC kích từ nối tiếp vận hành chế độ định mức 161,2 Nm, 1000 vòng/phút, 41A, 420V Tổng điện trở phần ứng cuộn kích từ 0,2Ω Tính tốc độ dòng điện động momen điện 87 Nm? 26/09/2010 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B I.2.4: Đặc tính động không đồng ba pha: Mạch tương đương động không đồng ba pha Rs jX’r &I &I ' R 'r jXs r s &I Fe & U s 1− s ' Rr s &I m RFe jXm Mạch tương đương động KĐB &I s Rs jXs Rm & U s jX’r R 'r &I' r &I m 1− s ' Rr s jXm Mạch tương đương động KĐB Rt jXt jX’r &I t R 'r s & U t Sử dụng biến đổi Thevenin cho mạch stator Giả sử Rm > Xm): j.X m & =U & U t s R s + j(X s + X m ) Z t = R t + j.X t = Mạch tương đương ĐCKĐB ba pha bỏ qua nhánh từ hoá: Rs jX’r &I ' jXs r R 'r s & U s Mạch tương đương đơn giản động KĐB ⎛ R 'r ⎞ 3U ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ s ⎠ M co = ωs ⎛ R' ⎞ ⎜⎜ R s + r ⎟⎟ + X s + X 'r s ⎠ ⎝ s ( 26/09/2010 ) (R s + j.X s ) j.X m R s + j(X s + X m ) T©B Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) Mcơ Mmax T Mđm Mkđ A TL ωp ωđm ωs dT dT = , hay =0 ds dn Độ trượt tới hạn: sp ứng với Tmax sp = Tmax Tst = R 'r R s2 + (X s + X 'r ) U2 s = ω s R + R + (X + X ' )2 s s s r 3U s2 R 'r ω s (R s + R 'r )2 + (X s + X 'r )2 T = Tmax s sp + sp s 26/09/2010 ω T©B Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) Chương II: Điều khiển vòng hở tốc độ động chiều II.1: Động chiều (động DC) II.1.1: Đặc tính tĩnh động DC Φ Φđm Ikt a) Đặc tính động DC kích từ độc lập, NCVC: Kích từ độc lập: E U − R u Iu = kΦ kΦ U Ru ω= − M co kΦ (kΦ )2 ω= E~ω ~n ⇒ M co = kΦI u ω ωolt ωo ωđm Iu Rư Ikt Rkt E Ukt U Φkt ω 26/09/2010 I, Mcơ I0 Iđm Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) 26/09/2010 T©B 70 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B Tốc độ đặt Tốc độ đặt + Tốc độ đặt PID - Hạn chế Phản hồi tốc độ 26/09/2010 71 Tín hiệu momen điều ể Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) 26/09/2010 T©B 72 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) 26/09/2010 T©B 73 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B Bài tập 5.1: Bộ biến tần dùng Việt Nam, pha 380V (ngõ vào, chỉnh lưu cầu diode) Được cấp nguồn pha 380V, 50Hz a) Tụ lọc nguồn nhỏ: _ Tính điện áp trung bình DC Link? _ Tính biên độ điện áp pha lớn (chưa điều chế)? _ Tính điện áp hiệu dụng pha lớn nhất? _ Tính điện áp hiệu dụng dây lớn nhất? b) Tụ lọc nguồn đủ lớn: tính lại câu a) a) Tụ lọc nhỏ: 3 U phase _ RMS U line _ RMS * 380 _ U dc _ tb = = = = 513Vdc π π π U 513 = 296V = U fa _ m ? _ U s ≤ dc = 3 296 _ U fa _ RMS ≤ = 210V _ U d _ RMS ≤ 210 = 363V 3*sqrt(2)*380/pi/sqrt(3)/sqrt(2)*sqrt(3) b) Tụ lọc đủ lớn: tính lại câu a) _ U dc _ tb = U line _ RMS = * 380 = 537 Vdc U dc 537 = = 310V = U fa _ m ? 3 310 _ U fa _ RMS ≤ = 219V _ U d _ RMS ≤ 219 = 380V _ Us ≤ Bài tập 5.2: Bộ biến tần dùng Việt Nam, pha 220V (ngõ vào, chỉnh lưu cầu diode) Được cấp nguồn pha 220V, 50Hz a) Tụ lọc nguồn nhỏ: _ Tính điện áp trung bình DC Link? _ Tính biên độ điện áp pha lớn (chưa điều chế)? _ Tính điện áp hiệu dụng pha lớn nhất? _ Tính điện áp hiệu dụng dây lớn nhất? 26/09/2010 74 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B b) Tụ lọc nguồn đủ lớn: tính lại câu a) Bài tập 5.3: Bộ biến tần Nhật pha 220V Khi đem Việt Nam phải dùng nguồn pha 220V, 50Hz a) Tụ lọc nguồn nhỏ: _ Tính điện áp trung bình DC Link? _ Tính biên độ điện áp pha lớn (chưa điều chế)? _ Tính điện áp hiệu dụng pha lớn nhất? _ Tính điện áp hiệu dụng dây lớn nhất? b) Tụ lọc nguồn đủ lớn: tính lại câu a) Bài tập 5.4: Điện áp pha 220Vrms tần số fs = 50Hz usa(t) = |us| cos(ωst) usb(t) = |us| cos(ωst – 2π/3) usc(t) = |us| cos(ωst + 2π/3) Với ωs = 2πfs (rad/s) Tại thời điểm t = 4ms = 0,004s, r Tính usa, usb, usc, usα , usβ biên độ điện áp u s ? us = 311.1270 usa = 96.1435 usb = 208.1846 usc = -304.3281 us_afa = 96.1435 us_bta = 295.8993 Bài tập 5.5: Điện áp pha 220Vrms tần số fs = 50Hz usa(t) = |us| cos(ωst) usb(t) = |us| cos(ωst – 2π/3) usc(t) = |us| cos(ωst + 2π/3) Với ωs = 2πfs (rad/s) Tại thời điểm t = 3ms = 0,003s, r a) Tính usa, usb, usc, usα , usβ biên độ điện áp u s ? b) Tính usd , usq biết góc hệ toạ độ quay (trục d) 30o? |us| = 311.1270 26/09/2010 75 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B usa = 182.8759 usb = 126.5467 usc = -309.4226 us_afa = 182.8759 us_bta = 251.7070 gama = 54.0000 theta = 30 v = 0.5236 usd = 284.2286 usq = 126.5467 Bài tập 5.6: Ví dụ 1: Một động pha, cực, nối Y, 380V, 50Hz, 2,1A, 5,07Nm, J = 0,1kgm2 Rs = 10Ω, Rr = 6,3Ω, Xσs = 13,5Ω, Xσr = 12,6Ω, Xm = 132Ω Khi vận hành định mức: Tính (biên độ) isd, isq, ψr, ωsl, K1, K2và tốc độ ωcơ, n,? is Rs vs 26/09/2010 Lσs Lσr im Lm ir Rr s 76 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B ωcơ = ωs - ωsln(mech) = 2*π*f/P – 7.1337 = 2*π*50/2 – 7.1337 = 150(rad/s) n = ωco 60 2π Bài tập 5.7: Cho động không đồng ba pha, cực, 380V, 50Hz, nối Y, 2,1A Moment định mức 4,** Nm (với ** số cuối mã số sinh viên) Trong hệ tọa độ từ thông rotor, động vận hành định mức, tính: a) Dòng điện isd isq ? (Biết định mức, isd < isq) b) Độ lớn từ thông rotor |ψr| ? c) Tốc độ trượt ωsl tốc độ động n ? d) Hệ số K1, K2 hình vẽ? Cho biết động có thơng số: Rs = 10Ω, Rr = 6,3Ω, Lσs = 0,043H, Lσr = 0,04H, Lm = 0,42H Ket qua _ Te = 4.00 a) id = 1.302790 (chọn isd < isq!, thông thường định mức, isd 20-40% Is định mức) 26/09/2010 77 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) a) b) c) d) e) e) T©B iq = 2.668846 PHIr = 0.547172 Wsl = 28.056382 n = 1366.040644 K1 = 0.667211 K2 = 4.415272 Bài giải: clc clear all % Cau5 P = U_line = 380 %V, Noi Y Is_RMS = 2.1 %A f = 50 %Hz Rs = 10 %Ohm Rr = 6.3 Lxs= 0.043 Lxr= 0.04 Lm = 0.42 Te = 4.00 %Te = 5.00 Lr = Lm + Lxr Tr = Lr/Rr disp('Bai giai _') % a) isd, isq idiq = 2/3/P*Lr/Lm/Lm*Te is = sqrt(2)*Is_RMS % id^2 + (idiq/id)^2 = is^2 % Hay id^4 - (is^2)*id^2 + idiq^2 = a = b= -is^2 c = idiq^2 delta = b^2 - 4*a*c id2 = (-b-sqrt(delta))/2/a iq2 = (-b+sqrt(delta))/2/a id = sqrt(id2) % id < iq iq = sqrt(iq2) % b) PHIr PHIr = Lm*id % c) Wsl Wsl = Lm*iq/(Tr*PHIr) % d) n ns = 60*f/P n = ns - 60/2/pi*(Wsl/P) % e) K1, K2 K1 = iq/Te K1 = 2/3/P*Lr/Lm/Lm/id K2 = 1/Tr/id K2 = Wsl/iq %delta disp('Ket qua _') TEXT = sprintf('a) id = %f', id); disp(TEXT) TEXT = sprintf('a) iq = %f', iq); disp(TEXT) TEXT = sprintf('b) PHIr = %f', PHIr); disp(TEXT) TEXT = sprintf('c) Wsl = %f', Wsl); disp(TEXT) TEXT = sprintf('d) n = %f', n); disp(TEXT) TEXT = sprintf('e) K1 = %f', K1); disp(TEXT) TEXT = sprintf('e) K2 = %f', K2); disp(TEXT) 26/09/2010 78 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B Chương VI: Điều khiển động đồng ba pha VI.1: Động đồng pha B N A N S C Flux Φ f ns B- B- C+ N N A+ A- A- A+ S C- 26/09/2010 C+ S B+ C- 79 B+ Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B C A Axe bobine b b' B- A+ a C+ γe X c' αe N 26/09/2010 C- Axe bobine a a' b c S N θe S Axe bobine c c' Axe inducteur b' AB+ B a' 80 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B jXs n Ia If Rf Uf Φaf Eaf VI.2: Mơ hình động HTĐ từ thông rotor (Ψr) Ký hiệu: ωs = 2πf Ψp Tsd = Tsq = từ thông rotor (nam châm vĩnh cửu) L sd Rs L sq Rs với Lsd điện cảm dọc trục với Lsq điện cảm ngang trục L sq di sd 1 =− i sd + ωs i sq + u sd dt Tsd L sd L sd di sq Ψp L 1 i sq + = −ωs sd i sd − u sq − ω s dt L sq Tsq L sq L sq ψ sd = i sd L sd + Ψp ψ sq = i sq L sq 26/09/2010 Ra 81 Ua Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B M co = P(ψ sd i sq −ψ sq i sd ) dω M co − M c = J co dt r isd → ψ s isq → Mcơ → ωco VI.3: Điều khiển FOC động đồng ba pha 26/09/2010 82 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) 26/09/2010 T©B 83 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B Tài liệu tham khảo: Phan Quốc Dũng, Tô Hữu Phúc, “Truyền Động Điện”, NXB ĐHQG TP.HCM, 2008 Nguyễn Văn Nhờ, “Cơ sở Truyền Động Điện”, NXB ĐHQG TP.HCM, 2003 Nguyễn Phước Vĩnh Tùng, “Biến Tần ALTIVAR”, Schneider Electric, 2010 Bài giảng điện tử Siemens Lê Minh Phương, Bài giảng “Truyền Động Điện”, ĐH Bách Khoa TP.HCM Trần Công Binh, Bài giảng “Kỹ Thuật Điện 2”, ĐH Bách Khoa TP.HCM Trần Công Binh, Bài giảng “Hệ Thống Điều Khiển Sô” , ĐH Bách Khoa TP.HCM Trần Công Binh, Bài giảng “Điều khiển động chiều” , ĐH Bách Khoa TP.HCM Trần Công Binh, Bài giảng “Điều khiển máy điện xoay chiều” , ĐH Bách Khoa TP.HCM 10 Tài liệu từ internet 26/09/2010 84 ... giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) 120 vi tri dat vi tri dong co 100 vi tri(vong) 80 60 40 20 -20 10 Time (s) 12 14 16 18 20 Đáp ứng vị trí theo mơ hình mơ 450 toc dong co toc dat 400 350 toc... 26/09/2010 21 T©B Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) Dạng dòng điện ngõ vào: e) Bộ chỉnh lưu kép pha: 26/09/2010 22 T©B Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) f) Bộ chỉnh lưu kép pha: 26/09/2010... 26/09/2010 32 U Dao động T©B Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) V (s) E (s) Mco (s) I (s) 1 K φ Lus + R u K φ Js + B M c (s ) Ví dụ: % Thong so dong co DC Udm = 160 %V Kphi = 432692 % Wb Ru = 1.35216