điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ . Mô phỏng đặc tính trên matlab

đồ án môn hoc Tổng hợp hệ điện cơ Lời nói đầu Trong những năm gần đây có sự ra đời và ngày càng hoàn thiện của các bộ biến đổi điện tử công suất, với kích thớc gon nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễ dàng ghép nối với các thiết bị vi sử lý . các hệ thuyền động ngày nay thờng sử dụng nguyên tắc sử dụng véc tơ cho các động cơ xoay chiều. Phần lớn các điều khiển này thơng dùng kĩ thuật số với chơng trình phần mền linh hoạt, dễ dàng thay đổi cấu trúc tham số hoặc luật điều khiển. Vì vậy tăng độ chính xác và tác động nhanh cho hệ truyền động. 2 . Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng ph ơng pháp tần số: Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi tần nguồn áp, cho phép mở rộng phạm vi sử dụng động cơ KĐB trong nhiều ngành công nghiệp. Nó cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơ KĐB nói riêng. Trớc hết chúng ta ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc nh các truyền động của nhóm máy dệt, băng tải, bánh lăn . phơng pháp này còn đợc ứng dụng cho cả các thiết bị đơn lẻ nhất là những cơ cấu có yêu cầu tốc tốc độ cao nh máy ly tâm , máy mài . Đặc biệt là hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử dụng cho động cơ KĐB rôto lồng sóc sẽ có kết cấu đơn giản vững chắc giá thành hạ có thể làm việc trong nhiều môi trờng Nhợc điểm cơ bản của hệ thống này là mạch điều khiển rất phức tạp Đối với hệ thống này động cơ không nhận điện từ lới chung mà từ một bộ biến tần. Bộ biến tần này có khả năng biến đổi tần số và điện áp ra một cách độc lập với nhau . Trong phần này đề cập đến hai nội dung : Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số và các loại biến tần dùng trong hệ truyền động biến tần - động cơ KĐB a . Nguyên lý điều chỉnh tần số: Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số fi của điện áp stato đợc rút ra từ biểu thức xác định động cơ KĐB s = 2 fs Vậy sức điện động của dây quấn stato của động cơ tỷ lệ với tần số ra và từ thông Es = C fs Mặt khác nếu bỏ qua độ sụt áp trên tổng trở dây quấn stato tức coi 1 fsCEsUs X s R s IsUs =+= 0 22 Vậy đồng thời với việc điều chỉnh tần số ta phải điều chỉnh cả điện áp nguồn cung cấp. Từ công thức trên ta thấy khi điều chỉnh tần số mà giữ nguyên điện áp nguồn Us không đổi thì từ thông động cơ sẽ biến thiên *Khi s giảm từ thông của động cơ lớn lên làm cho mạch từ bão hoà và dòng điện từ hoá lớn lên. Do các chỉ tiêu năng lợng xấu đi và đôi khi nhiều động cơ còn phát năng lợng quá mức cho phép. *Khi s tăng từ thông của động cơ giảm xuống và nếu mômen phụ tải không đổi thì theo biểu thức M = k I.n.cos ta thấy dòng điện rôto Ir phải tăng lên.Vậy trong trờng hợp này dây quấn động cơ chịu quá tải còn lõi thép thì phải non tải. Ngoài ra cũng vì lý do trên mômen cho phép và khả năng quá tải của động cơ giảm xuống. Vì vậy để tận dụng khả năng động cơ một cách tốt nhất là khi điều chỉnh tốc độ bằng phơng pháp biến đổi tần số ngời ta còn phải điều chỉnh cả điện áp và dòng điện theo hàm của tần số và phụ tải Việc điều chỉnh này chỉ theo hàm của tần số có đặc máy sản xuất có thể đợc thực hiện trong hệ kín . Khi đó nhờ các mạch hồi tiếp điện áp ứng với một tần cho trớc nào đó sẽ biến đổi theo phụ tải Yêu cầu chính đối với đặc tính của truyền động điều chỉnh tần số đảm bảo độ cứng đặc tính cơ và khả năng quá tải trong toàn bộ dải điều chỉnh tần số và phụ tải ngoài ra còn có thể có vài yêu cầu về điều chỉnh tối u trong chế độ tĩnh b. Các loại biến tần : gồm hai loại: Biến tần trực tiếp Biến tần gián tiếp I.Biến tần trực tiếp: Điện áp vào BT có điện áp U 1 và tần số f 1 chỉ qua một mạch van là ra ngay tải với tần số f 2 ,U 2 . Đặc điểm: Hiệu suất biến đổi năng lợng cao do chỉ có một lần biến đổi điện năng .Thực hiện hãm tái sinh năng lợng mà không cần mạch điện phụ. Hệ số công suất thấp,tần số đIều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số nguồn cung cấp.Thờng dùng cho hệ truyền động công suất lớn,tốc độ làm việc thấp. II.Biến tần gián tiếp: Biến tần nguồn áp: Đặc điểm là điện áp ra trên tải đợc định hình sẵn còn dạng dòng điện tải lại ít phụ thuộc vào tính chất tải .Việc điều chỉnh tần số điện áp ra trên tải đợc thực 2 BT U 1 ,f 1 U 2 ,f 2 U 2 ,f 2 U 1 ,f 1 L C CL NL hiện dễ dàng bằng điều khiển qui luật mở van của phần nghịch lu .Phơng pháp điều khiển này thay đổi dễ dàng tần số mà không phụ thuộc vào lới Biến tần nguồn dòng : Sơ đồ đơn giản, làm việc tin cậy, đã từng đợc sử dụng rộng rãi để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha, rôto lồng sóc .Sơ đồ gồm một cầu chỉnh lu và một cầu biến tần, mỗi tiristor đợc nối tiếp thêm một một điôt gọi là điôt chặn. MTKb 512.8380/220V 50Hz TĐ 25% P đm = 37 kW dm th M M = 3,6 dm kd M M =3,3 U đm =380 V;n đm = 720v/p I stdm = 104 A ; R s =0,08 ;X s =0,17 ;R r =0,19 ;X r =0,16 J = 1,32 kgm 2 1. Tính toán các phần tử mạch nghịch l u V U U U U A I III s d d s s dds 370 cos63 cos 63 7,116 6 . 6 1 1 1 1 1 === === * Dòng chảy qua các van T 1 T 6 và D 1 D 6 chính bằng dòng chảy qua các pha của stato động cơ I = 91A. * Điện áp ngợc mở van phải chịu = U d = 370 V * Chọn hệ số dự trữ về dòng và áp k = 2 =ì= =ì= VVU AI c c 7403702 182912 Dùng để chọn cả T và D Chọn Diôt loại B - 200 có các thông số sau: LoạI I tb (A) U im (V) U(V) Tốc độ quạt(m/s) B-200 200 100-1000 0.7 12 3 L CL NL U 1 ,f 1 U 2 ,f 2 Chọn Tiristor loại TL - 250 có các thông số sau: Loại I(A) U im (V) U(V) T off (às) I g (V) U g (V) du/dt(V/às) TL.250 250 300-1000 0,82 70-250 0,4 8 20-200 * Tụ chuyển mạch C1 - C6 đợc tính theo công thức 2 mn m maxm 1m max L If U 202,0L fU fI 91,0666,0C += Trong đó: - f n : tần số định mức = 50Hz - f max : tần số cực đại = 100Hz - I m : dòng từ hoá A5,63)(cos191I 2 m == - I n : dòng định mức = 91A - L: điện cảm một pha (rôto+stato) = 2x7,3.10 -3 H - U m : biên độ cực đại điện áp dây = 380V 2 33 max 10.6,14 50.5,63 380 202,010.6,14 100.380 50.5,63 91,0666,0C += =212 à F Chọn C = 200 à F * Quận kháng L d d d I U L ì = . 3 134,0 Trong đó I d =(0,05 - 0,1) I d )(028,0 7,11605,0314 5,370 3 134,0 HL = ìì ìì = 2. Tính toán các phần tử mạch chỉnh l u * Theo tính toán phần trên ta có: I d = 116,7 (A); U d = 370 (V) * Khi lấy điện áp cung cấp từ trớc ~380V có thể không cần sử dụng MBA. Ta có: 41,0 63 coscos 63 2 2 = ì == U U U U d d =65,3 0 - Dòng trung bình chảy qua T 1 -T 0 )A(9,38 3 7,116 3 I I d tb === - Điện áp ngợc đặt lên mỗi van: )V(8,930U6U 2ng == - Chọn K I =2; K U =1,6 I C =2x38,9=78,980 (A) U C =1,6x930,81500 (V) 4 Chọn Tiristor Loại T-250 có các thông số sau: Loại I(A) U im (V) U(V) T off (às) I g (V) U g (V) du/dt(V/às) T.250 250 100-2200 1 150-250 0,3 5 20-500 3. Tính toán các tham số cần thiết cho tổng hợp. sq I r s r R U N =220V P N =37kW n=720v/p I N =91A f=50Hz cos=0,78 1. Tính dòng kích từ danh định. )(1,6872,01912cos12 AII NsdN =ì== 2.Tính dòng danh định tạo mômen quay I sqN . )(2,1092 22 AIII sdNNsqN = 3. Hằng số thời gian roto T r ở chế độ danh định. s I I T sdNrN sqN r 01822,0 1,689,87 7,113 = ì == srad n f NrN /9,87 60 3 2 = = 4. Tính điện kháng phức tiêu tán toàn phần X ở chế độ danh định. N N sqN sdN I3 U I I cossinX = = = 342,0 91.3 220 2,109 1,68 72,062,0 5.Tính điện kháng phức X h . === 296,2342,0 1,68.3 220.2 3 2 X I U X sdN N h )(022,0 3/314 7,2 . H X LLX s h mmsh ==== 6. Tính hệ số tiêu tán tổng và T s . 5 s R s L I sd L m U s s R L T If XI RR H f X L X X s s s sqNN nsdNrN rs N n s n 09125,0 08,0 0073,0 )(08,0 2,109314 296,21,689,87 2 )(0073,0 2 149,0 296,2 342,0 === = ì ìì == == === 7.Điện cảm tản stato động cơ )(00054,0 314 17,0 H X L e s s === 4 . Tính các thiết bị đo: a, Máy phát tốc: Máy phát tốc là thiết bị đo tốc độ trong hệ truyền động . Mạch nguyên lý đo tốc độ bằng máy phát tốc một chiều. Khi từ thông máy phát tốc không đổi điện áp đầu ra máy phát tốc Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền máy phát tốc K hệ số tỷ lệ K = U/ U = 10V f là hằng số thời gian của bộ lọc và <5ms Chọn f = 0,001s = 1ms Hàm truyền máy phát tốc: b.Phản hồi dòng: 6 = . K U ( ) ( ) Pj K P P P fF U F + == 1 1326,0 4,75 10 /4,75 60 .2 === Ksrad ndm dm ( ) P p F ft 001,01 1326,0 + = R C R T W Sử dụng mạch phản hồi dòng một chiều có cấu tạo đợc trình bày trên hình vẽ Nguyên lý hoạt động:Dòng Id sau mạch chỉnh lu đợc cho qua đIện trở Rsun sẽ tạo ra một đIện áp vi sai có độ lớn trong khoảng từ 0-75mV.ĐIện áp vi sai này đợc đa vào đầu vào của khuyếch đạI thuật toán để khuyếch đạI tạo ra đIện áp ra tỉ lệ với dòng Id. Chọn đIện áp vào vi sai bằng 75mV. điện áp ra sau khuyếch đại thuật toán bằng 10V =>hệ số khuyếch đại của OA bằng: Chọn R1=1k => R2=133k Chơng V: Tổng hợp hệ điều khiển 7 _ + r2 r1 75mV 10v r sun i d 1 2 133 075.0 10 R R Uv Ur K ==== I. Luật điều chỉnh từ thông không đổi. I s /I sđm w sth O w s Từ các quan hệ tính mômen có thể kết luận rằng nếu giữ từ thông máy hoặc từ thông stator s không đổi thì mômen sẽ không phụ thuộc vào tần số và mômen tới hạn sẽ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh. Nếu coi R S = 0 thì: const UU dm0 sdm 0 S S = = = Tuy nhiên ở vùng tần số làm việc thấp khi mà sụt áp trên điện trở stator có thể so sánh đợc sụt áp trên điện cảm mạch stator khi đồng thời từ thông cũng giảm đi và do đó mômen tới hạn cũng giảm đi. Có thể thiết lập đợc chiến lợc điều chỉnh để giữ biên độ từ thông rotor không đổi: const r = . ở phần mô tả động cơ không đồng bộ, hoặc dựa vào sơ đồ thay thế ta có thể tính đợc từ thông rotor và phơng trình cân bằng mạch rotor ở dạng các thành phần vector trên các trục toạ độ ox và oy: ++= ++= += += rxsryryr rysrxrxr ryrsymry rxrsxmrx pi.R0 pi.R0 i.LiL i.LiL Nếu giữ đợc biên độ vector từ thông const r = thì r p =0 và ,0pp ryrx == và ta có phơng trình cân bằng mạc rotor: = += rxssymry r ryssxmix r )iL( T 1 0 )iL( T 1 0 trong đó: r r r R L T = Tách các số hạng dòng điện sang một vế, sau đó bình phơng 2 vế của từng phơng trình và cộng hai phơng trình với nhau, đồng thời để ý rằng: =+ =+ 2 p 2 ry 2 rx 2 1 2 sy 2 sx Iii Ta có thể rút ra biểu thức cuối cùng: 8 2 sr m rdm s ).T(1 L I + = Vậy khi giữ biên độ từ thông rotor không đổi thì vector từ thông rotor luôn vuông pha với vector dòng điện rotor và do đó momen điện từ của động cơ hoàn toàn tỷ lệ với biên độ dòng điện rotor. Điều chỉnh từ thông là trờng hợp giữ từ thông luôn không đổi và bằng giá trị từ thông định mức, nh vậy có thể khai thác hết công suất mạch từ của động cơ KĐB. * Trong thiết kế môn học này chọn phơng pháp điều khiển tần số thông qua từ thông động cơ cụ thể là điều chỉnh từ thông không đổi qua quan hệ dòng chính lu I d và tần số trợt f 2 . - Bản chất của phơng pháp này là thông qua việc duy trì quan hệ giữa dòng điện stato I 1 và tần số trợt f 2 sao cho từ thông của máy điện đợc giữ không đổi. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tần số động cơ KĐB qua quan hệ I 1 (f 2 ). 9 - Sơ đồ cấu trúc điều khiển gồm hai kênh điều khiển: * Kênh điều khiển biên độ bao gồm hai mạch vòng điều chỉnh: mạch vòng điều chỉnh tốc độ và mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển tốc độ R là tín hiệu đặt của mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Tín hiệu ra của bộ điều chỉnh dòng điện là tín hiệu điều khiển biên độ a dòng I d . * Kênh điều khiển tần số thực hiện quan hệ: m21 fff += Trongđó f m : tần số quay r f 2 : tần số trợt Tín hiệu tỉ lệ với dòng điện lấy ra từ đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ R đợc đa qua khâu đạo hàm phi tuyến ( ) 22d fffI = Ta có quan hệ: 2* 2 2 2 2 22 1 f1 *f1 I + + = trong đó 21 2 m 2 2dm1 2 LL L 1 R L. = = - Để đơn giản trong việc tổng hợp các bộ điều chỉnh dòng điện R i và tốc độ R ta giả thiết rằng: Kênh điều chỉnh tần số do phần cứng đảm nhiệm sẽ đợc đề cập đến ở ch- ơng 5. Vì vậy ta sẽ tiến hành tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện R i và bộ điều chỉnh tốc độ R theo kênh 1. Căn cứ vào biểu thức tính toán mômen và dòng điện ta có thể thành lập đợc sơ đồ cấu trúc của hệ thống: )(FT1 L I si 2 s 2 r m rdm S =+ = 2 SsMM 2 r 2 s 2 ss r 2 m I).(F.K T1 I. R L 2 3 M = + = II. Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng dòng điện. 10 . chính xác và tác động nhanh cho hệ truyền động. 2 . Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng ph ơng pháp tần số: Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến. dụng động cơ KĐB trong nhiều ngành công nghiệp. Nó cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ