mạch roto theo hệ hở
Trên hình 3.1, giới thiệu sơ đồ mô phỏng phần mềm Simulink của
Matlab, để nghiên cứu và xác định các tham số hợp lý của hệ thống điều
khiển tốc độ của động cơ không đồng bộ bằng phương pháp băm xung điện
trở mạch rotọ Các đặc tính làm việc của điện áp xoay chiều mạch roto, điện
áp trên điện trở, điện áp một chiều và dòng sau chỉnh lưu được thể hiện trên
khối scope 2 và các khối Goto và from [A], [B], [C], [D] (với giá trị điện trở
R=1,498Ω, và thay đổi giá trị điện cảm L, tần số điều khiển (chu kỳ T), ε =
50%, độ rộng xung 50% của chu kỳ xung). Dòng điện xoay chiều roto, stato, tốc độ của động cơ và momen điện từ thể hiện trên khối scope 1.
Khi mô phỏng ta vẫn sử dụng momen cản Mc=const (Mc=250Nm) và thông số của động cơ như đã mô phỏng ở chương 2.
Sơ đồ mô phỏng phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ bằng
3.2.1. Kết quả mô phỏng
* Khi R = 1,498 ΩΩΩ, L = 0 H, εεεε = 50%, T = 0,001s (tương đương f=1000Hz) Ω
Các đại lượng Đơn vị G.trị cực đại G.trị ổn định
Thời gian quá độ (s) 2
Dòng roto (A) 500 200 Dòng stato (A) 500 200 Tốc độ góc ω (Rad/s) 115 Momen điện từ Nm 2500 250 Điện áp ra roto (V) 300 200 Điện áp ra 1chiều (V) 400 100
Điện áp trên điện trở (V) 400 100
Dòng qua điện trở (V) 450 150
Hình 3.1. Sơ đồ mơ phỏng điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp băm xung điện trở mạch roto theo hệ hở.
Trên hình 3.2a,b cho ta thấy khi giá trị điện cảm L=0 dòng điện xoay chiều
của roto khơng cịn sin, bị nhiễu, dao động rất nhiều, dòng điện stato vẫn ở
trạng thái sin nhưng cũng bị ảnh hưởng của nhiễu do hệ thống chỉnh lưụ Tốc
độ của động cơ thì ổn định, momen điện từ cũng bị nhiễu (hình 3.2a). Điện áp
xoay chiều của roto không sin, băm thành những xung gián đoạn. Điện áp trên
điện trở, dòng một chiều qua chỉnh lưu không liên tục và làm cho biên độ lớn
lên (hình 3.3.a,b).
a, b,
Hình 3.2 Dịng xoay chiều Iroto, Istato,
* Khi R = 1,498 ΩΩΩΩ, L=0,001H, εεεε = 50%, T= 0,001s (tương đương f=1000Hz)
Các đại lượng Đơn vị G.trị cực đại G.trị ổn định
Thời gian quá độ (s) 2
Dòng roto (A) 400 125 Dòng stato (A) 500 150 Tốc độ góc ω (Rad/s) 115 Momen điện từ Nm 1000 250 Điện áp ra roto (V) 400 110 Điện áp ra 1chiều (V) 350 100
Điện áp trên điện trở (V) 400 100
Dòng qua điện trở (V) 400 125
a, Hình 3.3 b,
Điện áp ra roto, Ura 1chiều, Ura trên điện trở, dòng sau chỉnh lưu, L=0
Thợp khi ổn định của điện áp ra roto, Ura 1chiều, Ura trên điện
Tương tự như trường hợp 1, khi giá trị điện cảm L=0,001H dòng điện roto
xoay chiều khơng cịn sin, dao động nhiềụ Dòng điện stato vẫn ở trạng thái
sin nhưng bị ảnh hưởng của nhiễụ Tốc độ của động cơ ổn định, momen điện
từ cũng bị nhiễu (hình 3.4a,b). Điện áp xoay chiều roto không sin băm thành những xung không liên tục nhưng không bị gián đoạn. Điện áp trên điện trở và dòng một chiều qua chỉnh lưu không liên tục và không bị gián đoạn (như trên hình 3.5a,b).
a, Hình 3.4 b,
Dịng xoay chiều Iroto, Istato, tốc
Trên hình 3.6a,b với giá trị điện trở R=1,498Ω, L=0,001H, ε = 50%,
tần số điều khiển f=1000Hz (chu kỳ T= 0,001s), nhưng ta lấy 2 chu kỳ đầu
tiên (hình 3.4a và hình 3.5a) cho thấy dịng điện roto và stato sin nhưng ảnh
hưởng của nhiễu nên nhấp nhô, tốc độ động cơ ổn định, momen điện từ ở
trạng thái ổn định không phẳng và dao động. Điện áp xoay chiều của mạch
roto, điện áp một chiều sau chỉnh lưu cũng bị băm ra thành những xung gián
đoạn và khơng liên tục, dịng một chiều qua chỉnh lưu tương tự.
a, b,
Hình 3.5
Điện áp Ura roto, Ura 1 chiều, điện áp trên điện trở, dòng một
chiều và xung
T.hợp ổn định L=0,001H,Ura roto Ura 1 chiều, điện áp trên
* Khi R= 1,498 ΩΩΩΩ, L=0,0015H, εεεε = 50%, T=0,001s
(tương đương f=1000Hz)
Các đại lượng Đơn vị G.trị cực đại G.trị ổn định
Thời gian quá độ (s) 2
Dòng roto (A) 380 125 Dòng stato (A) 400 125 Tốc độ góc ω (Rad/s) 115 Momen điện từ Nm 1000 250 Điện áp ra roto (V) 400 120 Điện áp ra 1chiều (V) 350 100
Điện áp trên điện trở (V) 400 200
Dòng qua điện trở (V) 380 125
a, Hình 3.6 b,
T.hợp 2 chu kỳ đầu của điện áp xoay chiều roto,Ura 1chiều, Ura trên điện trở, dòng sau chỉnh lưu và
xung, L=0,001H, f=1000Hz
T.hợp 2 chu kỳ đầu của dòng roto, stato, tốc độ động cơ, momen điện
a, b, Hình 3.7
Dịng điện xoay chiều roto, stato, tốc độ, momen điện từ khi L=0,0015H, f=1000Hz
Điện áp ra xoay chiều roto, Ura một
chiều, Ura trên điện trở, dòng 1chiều sau chỉnh lưu L=0,0015H
Với giá trị điện cảm L=0,0015H, ta thấy dòng xoay chiều roto sin và ít
bằng đầu hơn, khơng có hiện tượng nhấp nhô do ảnh hưởng của nhiễụ
Momen điện từ vẫn cịn nhấp nhơ do nhiễu (hình 3.8a). Điện áp xoay chiều
của mạch roto sin không bị băm và gián đoạn. Điện áp một chiều sau chỉnh
lưu, áp trên tải R không bị gián đoạn và liên tục. Dòng một chiều sau chỉnh
lưu khơng cịn hiện tượng nhấp nhơ nhiều (hình 3.8b).
a, Hình 3.8 b,
T.hợp 2 chu kỳ đầu của dòng xoay chiều roto, stato, tốc độ động cơ và momen điện từ khi L=0,0015H
T.hợp 2 chu kỳ đầu của điện áp ra xoay chiều roto, điện áp 1 chiều, điện áp trên tải, dòng một chiều sau chỉnh lưu và
* Khi R= 1,498ΩΩΩ, L=0,1H, εεεε = 50%, T= 0,001s (f = 1000Hz). Ω
Tương tự như trường hợp trên, với giá trị điện cảm L=0,1H thì dịng
điện xoay chiều roto và stato khơng cải thiện được nhiều, trong lúc đó điện
cảm lại rất lớn làm cho hệ thống cồng kềnh.
a,
T.hợp ổn định của dòng xoay chiều roto, stato, tốc độ động cơ và momen điện từ khi L=0,0015H
T.hợp ổn định của điện áp ra xoay chiều roto, điện áp 1 chiều, điện áp trên tải, dòng 1chiều sau chỉnh lưu và xung L=0,0015H, f=1000Hz
b, Hình 3.9
* Nhận xét:
Sau nhiều lần thay đổi tham số điện cảm L với những giá trị khác nhau
(khi R=1,498Ω, ε = 50%, tần số điều khiển f=1000Hz (chu kỳ T= 0,001s) và
chạy chương trình mơ phỏng cho ta thấy rằng, giá trị điện cảm L lớn quá hoặc
nhỏ quá (L≈0) thì dịng điện trong mạch roto và điện áp ra xoay chiều đều
khơng cịn sin, do ảnh hưởng của nhiễụ Với giá trị điện cảm L=0,0015H là
tương đối phù hợp khi điều khiển dòng điện xoay chiều roto, điện áp ra xoay chiều gần sin hơn và áp liên tục không bị gián đoạn.
Khi Thay đổi tần số điều khiển f (Tchu kỳ)
* Khi R = 1,498 ΩΩΩΩ, L = 0,0015H, εεεε = 50%, T= 0,002s (f = 500Hz).
a, Hình 3.10 b,
T.hợp khi ổn định dòng điện xoay chiều roto, stato, tốc độ,
momen điện từ, T=0,002s
T.hợp ổn định điện áp xoay chiều roto, stato, điện áp một chiều, dòng 1chiều sau chỉnh lưu T=0,002s
Trên hình 3.10a,b với giá trị điện cảm L=0,0015H khi thay đổi tần số điều khiển f=500Hz (T chu kỳ, T = 0,002s) thì làm cho dịng điện xoay chiều
roto, dịng stato khơng sin và bằng đầu, momen điện từ nhấp nhô rất nhiều,
tốc độ động cơ rất xấu, (hình 3.10a, hình 3.11a), điện áp xoay chiều mạch roto bị băm thành những xung gián đoạn và không liên tục. Điện áp ra một chiều, dòng một chiều sau chỉnh lưu cũng tương tự (hình 3.10b và 3.11b).
a, Hình 3.11 b,
T.hợp 2 chu kỳ đầu của dòng
điện xoay chiều roto, stato, tốc độ, momen điện từ, T=0,002s
T.hợp 2chu kỳ đầu điện áp xoay chiều roto, stato, điện áp 1chiều,
dòng 1chiều sau chỉnh lưu T=0,002s
* Khi R = 1,498 ΩΩΩΩ, L = 0,0015H, εεεε = 50%, f=1500Hz, (T = 0,000666s)
Các đại lượng Đơn vị G.trị cực đại G.trị ổn định
Thời gian quá độ (s) 2
Dòng roto (A) 390 125 Dòng stato (A) 450 160 Tốc độ góc ω (Rad/s) 120 Momen điện từ Nm 1700 250 Điện áp ra roto (V) 400 120 Điện áp ra 1chiều (V) 350 100
Điện áp trên điện trở (V) 550 200
Dòng qua điện trở (V) 390 160
a, Hình 3.12 b,
Dòng roto, stato, tốc độ động cơ, momen điện từ, điện áp Ura xoay chiều khi tần số điều khiển f = 1500Hz, ω = f(t)
Trên hình 3.12a,b khi thay đổi tần số điều khiển f=1500Hz (R=1,498 Ω, L=0,0015H, ε = 50%) làm cho dòng xoay chiều roto, dòng stato sin nhưng
bằng đầu và xấu đị Momen điện từ bị nhiễu, nhấp nhô. Tốc độ động ổn định
(vì tần số phụ thuộc vào tốc độ ω = f(t), hình 3.13a). Điện áp xoay chiều mạch roto sin, điện áp một chiều băm thành những xung không liên tục. Dòng một chiều sau chỉnh lưu phẳng và khơng bị gián đoạn (hình 3.13b).
a, b
, Hình 3.13
T.hợp khi ổn định của dòng xoay chiều roto, stato, tốc độ, momen điện từ khi điều khiển với tần số f=1500Hz
T.hợp khi ổn định của Ura xoay chiều, Ura 1 chiều, U trên điện trở, dòng 1chiều sau
3.2.2. Kết luận mô phỏng
Với tần số điều khiển f =500Hz (Tchu kỳ=0,002s) làm ảnh hưởng xấu
chất lượng và các đặc tính làm việc của động cơ. Với tần số điều khiển
f=1500Hz thì dịng xoay chiều và điện áp xoay chiều sin, tốc độ động cơ ổn
định (hình 3.14a,b). Khi ở quá trình ổn định (hình 3.13a,b) thì dịng điện xoay
chiều roto sin nhưng bằng đầu, dòng điện stato sin, liên tục và khơng bị gián
a, Hình 3.14 b,
T.hợp 2chu kỳ đầu của dòng xoay chiều roto, stato, tốc độ, momen điện từ khi điều khiển với tần số f=1500Hz
T.hợp 2chu kỳ đều của Ura xoay chiều, Ura 1 chiều, U trên điện trở, dòng 1chiều sau chỉnh lưu, khi điều
đoạn, momen điện từ luôn ổn định. Điện áp ra xoay chiều sin, không bị băm,
áp một chiều và dòng một chiều sau chỉnh lưu liên tục.
Như vậy, sau nhiều lần thay đổi tham số điện cảm L và tần số điều
khiển f với những giá trị khác nhau, chạy chương trình mơ phỏng cho ta nhận
xét như sau: Với giá trị điện L =0,0015H, tần số điều khiển f=1500Hz hoặc
đến 2000Hz các đặc tính làm việc của động cơ cũng tốt hơn, dòng xoay chiều
roto và stato sin, ít dao động, điện áp ra xoay chiều sin, không bị băm thành
những xung gián đoạn khi ổn định. Trong thời gian quá độ ảnh hưởng của
nhiễu làm cho momen điện từ nhấp nhơ, dịng stato vẫn chưa sin được do
chỉnh lưu gây rạ Do đó, ta cần lắp thêm tụ để lọc nhiễu cho hệ thống điều
khiển tốt hơn. Việc nghiên cứu lắp thêm tụ lọc cho hệ thống điều khiển sẽ tiến hành ở mục saụ
Qua nghiên cứu mô phỏng xác định được các tham số hợp lý cho hệ
thống điều khiển tốc độ động cơ với tần số điều khiển f=1500Hz, điện cảm
L=0,0015H, điện trở R=1,498Ω. Với giá trị điện trở đó thì tốc độ động cơ đạt
được ω=65rad/s với ε=0,01%.Vậy khi ta muốn mở rộng phạm vi điều khiển động cơ với tốc độ thấp hơn thì cần đưa thêm điện trở phụ mạch roto, với giá
trị điện trở R = 2,5Ω thì tốc độ động cơ đạt được ω=2,5rad/s với ε = 0,01%.
Để điều khiển động cơ đạt được tốc độ tối thiểu khi điện trở R=3Ω thì tốc độ động cơ đạt được ω=0,5rad/s.
Vậy khi giá trị điện trở tăng thì tốc độ động cơ giảm thấp.
* Khi R = 1,498 ΩΩΩΩ, L = 0,0015H, εεεε = 50%, f=1500Hz (T = 0,000666s)
và lắp thêm tụ lọc vào hệ thống điều khiển.
Như phân tích ở trên, cho ta thấy rằng hiện tượng nhiễu đã làm ảnh
hưởng đến chất lượng các đặc tính. Do đó để giảm các thành phần sóng bậc
Hình 3.15. Sơ đồ mô phỏng điều khiển tốc độ ĐCKĐB bằng phương pháp băm xung điện trở mạch roto theo hệ hở khi đấu thêm các bộ lọc.
Trên hình 3.15, giới thiệu sơ đồ mơ phỏng bằng phần mềm Simulink
của Matlab khi gắn thêm bộ lọc vào hệ thống điều khiển tốc độ của động cơ. Các đặc tính làm việc của điện áp xoay chiều mạch roto, điện áp trên điện trở,
điện áp một chiều và dòng sau chỉnh lưu được thể hiện trên khối scope và các
khối Goto, from [A], [B], [C], [D] với giá trị điện trở và điện cảm R=1,498Ω, L=0,0015H, ε = 50%, tần số điều khiển f=1500Hz hoặc chu kỳ T=0,000666s,
độ rộng xung 50% của chu kỳ xung, dòng điện xoay chiều roto, stato, tốc độ
* Giới thiệu sơ lược về chức năng bộ lọc
Bộ lọc làm thay đổi các thành phần sóng hài của một sóng qua nó.
Người ta thường dùng bộ lọc để khử các sóng hài có hạị Ở đây ta giới thiệu
hai loại bộ lọc: bộ lọc xoay chiều và bộ lọc bằng tụ điện.
* Bộ lọc 3pha (Bộ lọc xoay chiều)
Bộ lọc 3 pha: được cấu tạo bởi các phần tử điện trở, điện dung và điện
cảm vì các phần tử này có tính chất lựa chọn tần số, các bộ lọc này được sử
dụng trong hệ thống điều khiển công suất làm giảm sự méo dạng, nhấp nhơ
của điện áp và dịng xoay chiều sin. Ở bộ lọc bậc 11 và bậc 13 là mạch nối song song RLC có tác dụng làm cho thơng các dịng thuộc dải tần số cộng hưởng ngược lại RLC mắc nối tiếp sẽ chắn các dòng thuộc dải tần số cộng hưởng.
Giá trị điện trở R, điện cảm L và điện dung C đã được xác định từ các
kiểu lọc và thông số, công suất ảnh hưởng ở điện áp không đáng kể, tần số
điều chỉnh hệ số đặc trưng.
Để giảm sự méo dạng, nhấp nhô về dịng và điện áp có thể sử dụng một
số bộ lọc mắc song song, thông thường sử dụng bộ lọc sóng hài bậc cao như: bậc 3, 5, bậc 7, 9 và bậc 11.
* Bộ lọc bằng tụ điện: là thiết bị nối giữa nguồn chỉnh lưu và tải một
chiềụ Bộ lọc này dùng cho thiết bị chỉnh lưu có cơng suất lớn.
Với những đặc tính như trên, việc sử dụng các bộ lọc trong hệ thống
điều khiển của điện tử công suất là để san phẳng điện áp sau chỉnh lưu và
giảm các thành phần sóng hài gây nhiễu để có tần số mong muốn ở đầu ra
đồng thời loại bỏ những ảnh hưởng khơng tích cực trong hệ thống điều khiển
Như các trường hợp phân tích và mơ phỏng như trên, khi đưa chỉnh lưu
vào trong mạch điều khiển sẽ gây nhiễu làm cho dòng xoay chiều roto và
stato, các dịng này khơng cịn sin. Vì vậy, ta cần lắp thêm bộ lọc phía xoay chiều sau mạch roto và tụ lọc sau chỉnh lưụ Bộ lọc phía xoay chiều ta dùng bộ lọc bậc 3, 7, 9, 11 và 13 để khử khi sóng hài xuất hiện để dòng điện roto và
stato sin, tốc độ động cơ ổn định, momen điện từ khơng dao động (như hình
3.16.b.c).
Qua nhiều lần mô phỏng bằng cách thay đổi giá trị của tụ, ta nhận được giá trị của tụ lọc phía một chiều là: C = 0,0004 F, còn các tụ bậc 3, 5, 7, 9, 11 và bậc 13, tác giả lấy trong thư viện simulink của Matlab.
a, b, c
Hình 3.16
2 chu kỳ đầu của dòng stato, roto, tốc độ động cơ
và momen điện từ khi có
T.hợp ổn định của dòng stato, roto, tốc độ động cơ
và momen điện từ khi có lọc
Dịng stato, roto, tốc độ
động cơ, momen điện từ
khi có bộ lọc R=1,498Ω, L=0,0015H,
3.3. Mô phỏng điều khiển tốc độ ĐCKĐB bằng phương pháp băm xung điện trở mạch roto theo hệ thống kín
3.3.1. Đặt vấn đề.
Hệ thống điều khiển kín là hệ thống không thể thiếu được trong q
trình điều khiển tự động. Nó được sử dụng trong các hệ thống yêu cầu đòi hỏi
chất lượng điều khiển cao, dải điều chỉnh lớn, hệ thường xuyên khởi động và
điều chỉnh tốc độ. Ở hình 3.18, động cơ là đối tượng điều khiển chịu tác động
của nhiều nhân tố khác nhau như: tín hiệu điều khiển, điện áp, từ thơng…các tín hiệu đó gọi chung là tín hiệu vàọ
Một hệ thống điều khiển tự động có thể chia ra làm 2 phần cơ bản: - Đối tượng điều khiển (ĐTĐK)
- Thiết bị điều khiển (TBĐK)
Trong đó ĐTĐK là một thiết bị cơng nghệ.
Đối với tín hiệu có thể phân loại thành hệ thống như sau: