Trong chương 1 này, tỏc giả trỡnh bày rất chi tiết về lý thuyết điều khiển kinh điển PID, sự ảnh hưởng của cỏc tham số bộ điều khiển đến chất lượng của hệ thống. Nờu cỏc phương phỏp tổng hợp bộ điều khiển, và lựa chọn phương phỏp thực nghiệm để tỡm tham số bộ điều khiển. Trong chương này, tỏc giả cũng giới thiệu về bộ PLC S7 1200. Đõy là bộ PLC mới ra đời của hóng Siemens và cũng được được tớch hợp sẵn bộ điều khiển PID. Luận văn sẽ khai thỏc tớnh năng của bộ điều khiển này để ổn định hệ số cụng suất theo lượng đặt.
2 Chương 2. Mễ HèNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CễNG SUẤT LỚN
2.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 2.1.1. Tổng quan
Động cơ đồng bộ cụng suất lớn (hỡnh 2.1) chủ yếu được ứng dụng trong cỏc nhà mỏy điện, cỏc trạm bơm, cỏc mỏy nộn khớ cao ỏp trong ngành cụng nghiệp hoỏ chất. Về cấu tạo, nú bao gồm 3 thành phần chớnh: Stator, Rotor, Hệ thống chổi than, vành trượt.
Hỡnh 2.1. Cỏc thành phần cấu tạo của Động cơ đồng bộ cụng suất lớn
STATOR: cũn được gọi là phần cảm, kết cấu của stator động cơ đồng bộ giống
như kết cấu của stator động cơ khụng đồng bộ, bao gồm: Lừi thộp và Cuộn dõy
Hỡnh 2.2. Stator của Động cơ đồng bộ
ROTOR: Cũn được gọi là phần ứng dựng tạo ra từ trường kớch thớch dạng một
của Stator. Rotor thường cú 2 loại: ROTOR CỰC TỪ LỒI (Dõy quấn trờn cỏc cực từ được quấn tập trung – Hỡnh 2.3) và ROTOR CỰC TỪ ẦN (Dõy quấn trờn phõn bố khụng tập trung – Hỡnh 2.4).
Hỡnh 2.3. Rotor cực lồi
HỆ THỐNG CHỔI THAN, VÀNH TRƯỢT: Chổi than được làm bằng than Graphit, vành trượt được làm bằng đồng thau hoặc đồng đỏ. Trong quỏ trỡnh làm việc, chổi than được tỡ lờn vành trượt bằng hệ thống lũ xo ộp, nhằm mục đớch đưa nguồn điện kớch từ DC vào cỏc cuộn dõy kớch từ của Rotor (hỡnh 2.5).
Hỡnh 2.5. Hệ thống chổi than, vành trượt
Động cơ đồng bộ sử dụng phổ biến hiện nay là loại cực lồi với cỏc thanh lồng súc đặt ở mặt ngoài cỏc cực lồi của Rotor, Cỏc thanh lồng súc này cho phộp mụ men tăng tốc hỡnh thành trong Rotor khi dũng xoay chiều của stator vừa tạo ra dũng cảm ứng trong cỏc thanh lồng súc, do đú khi bắt đầu khởi động nú làm việc như một động cơ khụng đổng bộ.
Ưu điểm của nú so với động cơ khụng đồng bộ cú cựng cụng suất là:
+ Cú hiệu suất cao hơn, cú khả năng hoạt động ở Cos 1, điều này cho phộp nõng cao hệ số Cos của lưới điện nhà mỏy và giảm kớch thước, trọng lượng bản thõn động cơ do dũng nhỏ hơn.
+ Độ nhạy với dao động điện ỏp nguồn thấp hơn do mụ men cực đại tỷ lệ bậc nhất với điện ỏp.
+ Tần số quay khụng đổi và ớt phụ thuộc vào dao động tải (trong một giới hạn cho phộp nào đú) trờn trục Rotor.
Xong nú cũng tồn tại nhược điểm: Vỡ Rotor cú cuộn kớch từ và cỏc mạch điện liờn quan như mạch khởi động, mạch diệt từ, mạch gúp điện ..., Đặc biệt việc khởi động và điều khiển động cơ đồng bộ phức tạp hơn so với động cơ khụng đồng bộ do phải xỏc
định được chớnh xỏc thời điểm để bơm dũng kớch từ vào Rotor (Thời điểm “bắt” và hũa đồng bộ trong quỏ trỡnh khởi động) và trong quỏ trỡnh làm việc phải điều chỉnh dũng kớch từ này sao cho ổn định được hệ số cụng suất Cos ở giỏ trị tối ưu để dũng Stator cú giỏ trị nhỏ nhất, tổn hao ớt nhất, an toàn cho động cơ và đem lại hiệu suất làm việc cao nhất. Nờn động cơ đồng bộ yờu cầu chi phớ vận hành cao hơn so với động cơ khụng đồng bộ. Tuy nhiờn trong cỏc nhà mỏy cụng nghiệp, với tải đặc biệt đũi hỏi động cơ điện dẫn động cụng suất lớn (đụi khi lờn đến hàng trăm thậm chớ hàng nghỡn kW) thỡ việc sử dụng động cơ khụng đồng bộ là khụng cho phộp.
2.1.2. Điều khiển kớch từ động cơ đồng bộ
Với động cơ đồng bộ cụng suất lớn, nguồn điện ỏp cung cấp cho Stator là nguồn trung ỏp 6kV-50Hz, cung cấp cho thiết bị kớch từ là 380V-50Hz;
Thiết bị kớch từ phải đỏp ứng cỏc yờu cầu kỹ thuật sau:
- Dũng một chiều kớch từ Rụto thay đổi tựy theo cụng suất của động cơ (thụng thường khoảng từ 60A đến 125A)
- Tự động điều chỉnh dũng kớch từ, đảm bảo cỏc chế độ:
+ Chế độ khởi động (Chế độ bắt đồng bộ): Khi bắt đầu khởi động, người ta khụng đưa dũng một chiều vào cỏc cuộn kớch từ của Rotor, Nếu toàn bộ dũng kớch từ được bơm vào Rotor trong suốt quỏ trỡnh khởi động thỡ động cơ khụng thể tăng tốc lờn được, đồng thời thành phần dao động cú giỏ trị lớn trong mụmen tại tần số trượt tạo bởi cuộn từ trường cú thể gõy hại đối với động cơ. Việc bơm dũng một chiều vào cuộn Rotor thường được trỡ hoón cho đến khi Rotor động cơ đạt tới vận tốc cú thể tự cuốn vào chế độ đồng bộ mà khụng xảy ra hiện tượng trượt. Theo kinh nghiệm [2], thời điểm đề bơm dũng kớch từ thường xỏc định khi hệ số trượt s 0.05 hoặc tốc độ đạt xấp xỉ từ 95 – 98 % tốc độ định mức hoặc khi tần số Rotor cũn khoảng 2,5 đến 4 Hz hoặc dũng khởi động cũn khoảng 2 đến 2,5 lần dũng định mức của động cơ.
+ Chế độ làm việc: Trong quỏ trỡnh làm việc cần điều khiển dũng kớch từ sao
cho hiệu suất làm việc của động cơ đạt cực đại. Hiệu suất làm việc của động cơ phụ thuộc vào hệ số cụng suất Cos, dũng điện Stator I1, Mụmen cản của tải MC … Về lý thuyết, động cơ đồng bộ cú thể đạt Cos = 1, tuy nhiờn trong thực tế Cos 1 (thụng thường Cos < 0,98 0,99), với những động cơ cụng suất khỏc nhau, giỏ trị Cos là khỏc nhau (Tựy thuộc vào cỏc thụng số của nhà sản xuất).
- Ngoài ra hệ thống điều khiển kớch từ cần được trang bị đầy đủ cỏc tớnh năng bảo vệ: Mất đồng bộ; thiếu dũng kớch từ, thiếu ỏp kớch từ; quỏ dũng kớch từ…
2.2. Mễ HèNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
2.2.1. Sơ đồ mạch điện thay thế và đồ thị vộc tơ
Nguyờn lý hoạt động của động cơ đồng bộ là sự tương tỏc giữa cỏc từ trường khụng đổi và từ trường quay. Đặc tớnh tốc độ khụng đổi đạt được bằng sự tương tỏc giữa từ trường quay và từ trường khụng đổi. Rotor của động cơ đồng bộ tạo ra một từ trường khụng đổi và startor tạo ra một từ trường quay.
Hỡnh 2.6. Sự tương tỏc giữa từ trường quay và từ trường khụng đổi làm cho chỳng đạt được tốc độ đồng bộ
Stator: Từ trường quay
Cỏc cuộn dõy của stator được cung cấp bởi nguồn điện 3 pha AC đối xứng. Điều này sẽ tạo ra một từ trường quay, quay với tốc độ đồng bộ [6]. Từ trường quay được tạo ra trong động cơ đồng bộ và nú được đỏnh dấu chiều quay như hỡnh 2.7. Trong đú: AX, BX, CZ là cỏc cuộn dõy Stator được đặt lệch nhau 120 độ. BA BB BC lần lượt là từ trường pha A, B, C do dũng điện tạo ra. BT là từ trường tổng do từ trường cỏc pha tạo ra. từ trường quay này sẽ quay với tốc độ :
p f 120
n1 vũng/phỳt. (2.1)
Với: n1: Tốc độ quay của từ trường Stator f: Tần số dũng điện Stator
Lỳc này chưa đưa dũng kớch từ vào phớa Rotor, nờn động cơ khởi động như một động cơ khụng đồng bộ. Từ trường qay này sẽ quột qua cỏc thanh dẫn phớa Rotor và cảm ứng trong Rotor cỏc sức điện động. Vỡ cỏc thanh dẫn nối ngắn mạch, do đú sẽ xuất hiện dũng điện trong cỏc thanh dẫn này. Lực từ được tạo tạo ra từ cỏc dũng điện này sẽ kộo cho Rotor quay với tốc độ chậm hơn tốc độ của từ trường Stator (hỡnh 1.3a).
Rotor: Từ trường khụng đổi
Khi đủ điều kiện “bắt” đồng bộ, Rotor được kớch từ bằng một nguồn điện một chiều DC. Từ trường được tạo ra xung quanh rotor bằng nguồn kớch từ 1 chiều được hiển thị như hỡnh 2.8. Từ trường của Stator quột qua Rotor và cỏc cực khỏc cực tớnh của từ trường Stator và Rotor sẽ bị hỳt lẫn nhau, chỳng sẽ bị khúa bằng từ tớnh. Điều
C B B B A B T B C B B B A B T B C B B B A B T B
Hỡnh 2.7. Sự hỡnh thành từ trường quay trong mỏy điện 3 pha
A X B Y C Z N S N S A X B Y C Z N S A X B Y C Z i A i iB iC t 0 t 2 7 t 6 t 11 6
này cú nghĩa là rotor sẽ quay cựng tốc độ với tốc độ của từ trường quay Stator. Hay rotor quay với tốc độ đồng bộ (hỡnh 2.8b)
a. Từ trường Stator quột Rotor b. Từ trường Stator khúa từ trường Rotor
Hỡnh 2.8. Sự tương tỏc giữa từ trường Stator và từ trường Rotor
Theo [1] Sơ đồ thay thế một pha của động cơ đồng bộ trong hệ tọa độ đề cỏc được trỡnh bày như hỡnh 2.9.
Hỡnh 2.9. Sơ đồ mạch điện thay thế một pha
Theo định luật Kirhoff 2 ta cú: VT = IaRa+ jIaXl + jIaXas+ Ef (2.2) Kết hợp cỏc điện khỏng: Xs= Xl+ Xas
Ta được: VT = Ef + Ia(Ra+ jXs) (2.3)
Hoặc VT = Ef+ IaZs (2.4)
Với:
Ra: Điện trở phần ứng (/pha) Xl: Điện khỏng tản phần ứng(/pha) Xas: Điện khỏng tự cảm (/pha) Zs: Tổng trở phức phần ứng (/pha) Ia: Dũng điện phần ứng/pha (A) Ef: Sức điện động
Từ (2.2) ta vẽ được đồ thị vộc tơ như hỡnh 2.10.
Gúc là gúc lệch pha giữa điện ỏp VT và sức điện động Ef được gọi là gúc Mụ men. Gúc Mụ men cũng được gọi là gúc tải hay gúc cụng suất.
Hỡnh 2.10. Đồ thị vộc tơ dũng – ỏp của động cơ đồng bộ
2.2.2. Cụng suất của động cơ đồng bộ
Với động co đồng bộ cụng suất lớn, thỡ điện trở phần ứng thường rất nhỏ so với điện cảm của nú. Vỡ vậy cú thể bỏ qua nú, nờn (2.3) được viết thành:
VT = Ef + jIaXs (2.5)
Sơ đồ mạch điện thay thế và đồ thị vộc tơ khi bỏ qua điện trở phần ứng được trỡnh bày như hỡnh 2.11. Sơ đồ này thường được sử dụng để phõn tớch động cơ cả khi tải thay đổi hoặc thay đổi nguồn kớch từ.
Hỡnh 2.11. Sơ đồ mạch điện thay thế và đồ thị vộc tơ của động cơ đồng bộ khi bỏ qua điện trở phần ứng
Từ đồ thị vộc tơ ta cú: IaXscos = −Ef sin δ (2.6) Nhõn 2 vế với VT và biến đổi:
s f T a T X sin E V cos I V (2.7)
Vế trỏi của (2.7) là cụng suất đầu vào của 1 pha. Vỡ điện trở phần ứng là rất nhỏ, do đú cụng suất này cũng chớnh là cụng suất điện từ/pha. Do đú:
Pin,ph = VT Iacos (2.8) Hoặc: s f T ph , in X sin E V P (2.9)
Do cỏc pha là đối xứng. Nờn cụng suất của động cơ sẽ là:
Pin = 3.VT Iacos (2.10) Hoặc: s f T in X sin E V . 3 P (2.11)
Biểu thức (2.10) và (2.11) là biểu thức tớnh cụng suất điện từ trong động cơ đồng bộ. 2.11) thể hiện mối liờn hệ giữa cụng suất với điện ỏp kớch thớch và gúc cụng suất. Giả thiết điện ỏp nguồn và tần số khụng đổi ta sẽ cú mối quan hệ:
Pin = f(Iacos ) (2.12)
Pin = f(Efsin ) (2.13)
2.2.3. Sự ảnh hưởng của tải đối với dũng điện phần ứng, gúc cụng suất và hệ số cụng suất. hệ số cụng suất.
Giả thiết rằng giỏ trị của nguồn cấp là khụng thay đổi, tần số lưới điện khụng đổi và giỏ trị của nguồn kớch từ DC là khụng đổi. Đồ thị vộc tơ trong trường hợp tải thay đổi được vẽ như hỡnh 2.12.
Theo đồ thị vộc tơ này, khi tải trọng trờn trục động cơ tăng lờn, dũng điện phần ứng sẽ tăng. Trong trường hợp giả thiết nguồn kớch từ khụng đổi thỡ quỹ đạo của nú sẽ vẽ ra một cung trũn. Lỳc này cả Ia cos và Ef sin đều tăng lờn. Gúc cụng suất tăng lờn (2 > 1) và hệ số cụng suất cũng tăng lờn (do 2 < 1). Gúc cụng suất tăng trong một phạm vi cho phộp từ trường của Stator vẫn khúa được từ trường của Rotor nờn tốc độ động cơ vẫn khụng thay đổi. Tuy nhiờn nếu tải tăng mạnh 2 cú xu hướng tiến về gúc -900, lỳc này động cơ bị kộo trượt khỏi chế độ đồng bộ. Trờn thực tế, khi vận hành
khụng để động cơ xảy ra trạng thỏi này, bởi lẽ, dũng điện cảm ứng lỳc này sẽ dõng lờn rất lớn và gấp nhiều lần dũng định mức.
Hỡnh 2.12. Đồ thị vộc tơ của động cơ đồng bộ khi tải thay đổi
2.2.4. Sự ảnh hưởng của nguồn kớch từ đến hiệu suất làm việc
Từ biểu thức (2.11) chỳng ta cú thể thấy, ở một tải cố định, giỏ trị của nguồn AC là cố định, thỡ Efsin cũng khụng đổi. Do đú khi tăng giỏ trị nguồn kớch từ Ef thỡ gúc cụng suất sẽ giảm. Điều này làm cho độ trượt giữa Stator và Rotor giảm đi, cực từ của Stator sẽ bắt chặt hơn vào Rotor, động cơ chạy với tốc độ đồng bộ.
Ảnh hưởng của sự thay đổi nguồn kớch từ đến dũng điện phần ứng, gúc cụng suất và hệ số cụng suất của động cơ đồng bộ hoạt động với tải trờn trục khụng đổi, điện ỏp và tần số nguồn khụng đổi được minh họa như trong hỡnh 2.13.
Theo biểu thức (2.11), với tải cố định ta cú:
Ef1sin δ1 = Ef2sin δ2 = Ef3sin δ3 = Ef sin δ (2.14)
Kết hợp với đồ thị vộc tơ trờn hỡnh 2.13 ta cú thể thấy rằng: Quỹ đạo của Ef sẽ trượt trờn một đường thẳng song song với VT. Cũng theo biểu thức 2.10, ta cú:
Ia1cos φ1= Ia2cos φ2 = Ia3cos φ3= Iacos φ (2.15)
Kết hợp với đồ thị vộc tơ trờn hỡnh 2.13 ta thấy rằng: Quỹ đạo của Ia sẽ trượt trờn một đường thẳng vuụng gúc với VT.
Việc tăng giỏ trị nguồn kớch từ từ Ef1 đến Ef3 đó gõy ra gúc pha của dũng điện với điện ỏp thay đổi từ trạng thỏi từ trễ pha đến sớm pha. Giỏ trị của nguồn kớch từ mà tạo ra hệ số cụng suất tối ưu được gọi là kớch từ thụng thường. Kớch thớch quỏ giỏ trị thụng thường gọi là quỏ kớch từ. Kớch thớch thấp hơn giỏ trị thụng thường gọi là thiếu kớch từ.
2.2.5. Họ đường cong V của động cơ đồng bộ
Đường cong thể hiện mối liờn hệ giữa dũng điện phần ứng với dũng điện nguồn kớch từ được gọi là đường cong V và được hiển thị trong Hỡnh 2.14. Với cỏc giỏ trị tải khỏc nhau ta sẽ cú mộ họ đường cong V. Cỏc đường cong này được xõy dựng từ đồ thị vộc tơ (hỡnh 2.13) và minh họa cho sự ảnh hưởng của sự biến đổi kớch từ lờn dũng điện phần ứng và hệ số cụng suất ứng với cỏc mức tải khỏc nhau. Cú thể dễ dàng nhận thấy từ cỏc đường cong này rằng: Việc tăng tải lờn trục của động cơ đũi hỏi phải tăng kớch từ để duy trỡ hệ số cụng suất ở mức tối ưu.
Đường quỹ đạo ngoài cựng bờn trỏi là đường giới hạn ổn định ( = -900) nếu giảm giỏ trị kớch từ xuống dưới giới hạn ổn định này sẽ là nguyờn nhõn dẫn đến sự mất đồng bộ.
Họ đường cong V cú thể được xõy dựng từ thực nghiệm. Bằng cỏch giữ nguyờn giỏ trị tải, sau đú điều chỉnh nguồn kớch từ Ef và sau đú đo giỏ trị của Ia để vẽ. Hoặc cũng cú thể xuất phỏt từ đồ thị vộc tơ hỡnh 1.8 ta cú biểu thức:
2 2 f 2 T 2 f 2 T 2