Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp 1 PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG I Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ ba pha 1. Nguyên lý hoạt động Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau 120 o trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ trường quay. Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn. Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải. Từ tr ường quay lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay. Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua. Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây quấn phần cảm nữa nên sdd cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, momen quay cũng không còn. Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường. Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp 2 Đồng cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KDB) hay động cơ xoay chiều. Hình 1-1: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ω o (rad/s) hay n o (vòng/phút) thì tốc độ quay của roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ω o ; n < n o ). Sai lệch tương tối giữa hai tốc độ gọi là độ trượt s: o o s ω −ω = ω (1-1) Từ đó ta có: ω = ω o (1 – s) (1-2) hay n = n o (1 – s) (1-3) Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp 3 Với: 2n 60 ω= π (1-4) o1 o 2n 2f 60 p ω= π π = (1-5) f 1 - tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato. Tốc độ ω o là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu không có lực cản nào. Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ. Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1. Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay chiều với tần số xác định bởi t ốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay: o 21 np(n f 6 ) s 0 f − = = (1-6) 2. Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha 2.1. Phương trình đặc tính cơ Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ 1-2 Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp 4 Hình 1-2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ Trong đó: U 1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V) I µ , I 1 , I ’ 2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã quy đổi về stato (A) X µ , X 1 , X ’ 2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đã quy đổi về stato (Ω) R µ , R 1 , R ’ 2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch roto đã quy đổi về stato (Ω) Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng: ' ' 2 12 2 2 o1 nm 3U M R sR X s R ,[Nm]= ⎡⎤ ⎛⎞ ω+ ⎢⎥ ⎜⎟ ⎢⎥ ⎝⎠ ⎣⎦ + (1-7) Trong đó: X nm – điện kháng ngắn mạch, X nm = X 1 + X ’ 2 2.2. Đường đặc tính cơ Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp 5 Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá trị của M. Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1-4, đó là đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha. Hình 1-3: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó: dM 0 ds = (1-8) Giải phương trình ta có: 2 th 22 1nm ' R R s X+ ±= (1-9) Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có: Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp 6 2 1 th 22 o1 1 nm 3U M 2(R R X)+ω± = (1-10) Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị s th và M th của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+). Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KDB là một đường cong phức tạp có hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn đị nh. Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định. Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 ( s = 1 ) và momen mở máy: 2 12 mm 22 o12 ' nm ' R R) 3U X M (R = ⎡ ⎤ ω+ ⎣ + ⎦ (1-11) Điểm A ứng với momen cản bằng 0 ( M c = 0 ) và tốc độ đồng bộ: 1 o 2f p ω= π (1-12) 3. Ảnh hưởng của tần số nguồn f 1 đến đặc tính cơ: Khi thay đổi f 1 thì theo (1-5) tốc độ đồng bộ ω o thay đổi, đồng thời X 1 , X 2 cũng bị thay đổi ( vì X = 2πfL ), kéo theo sự thay đổi của cả độ trượt tới hạn s th và momen tới hạn M th . Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp 7 Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số s th = f(f 1 ) và momen tới hạn theo tần số M th = f(f 1 ) là phức tạp nhưng vì ω o và X 1 phụ thuộc tỷ lệ với tần số f 1 nên có thể từ các biểu thức của s th và M th rút ra: th 1 th 2 1 s 1 1 f M f ⎧ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎩   (1-13) Khi tần số f giảm, độ trượt tới hạn s th và momen tới hạn M th đều tăng nhưng M th tăng nhanh hơn. Khi giảm tần số f 1 xuống dưới tần số định mức f 1dm thì tổng trở của các cuộn dây giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện động cơ tăng mạnh. Vì vậy khi giảm tần số nguồn xuống dưới giá trị định mức cần phải đồng thời giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ: 1 1 u const f = (1-14) Như vậy M th sẽ giữ không đổi ở vùng f 1 < f 1dm . Ở vùng f 1 > f 1dm thì không thể tăng điện áp nguồn mà giữ U 1 = U 1dm nên ở vùng này M th sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số, đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật fc/tU ons= để giữ cho động cơ không bị quá tải về công suất. Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp 8 Hình 1-4: Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn Hình 1-5: Đặc tính cơ của động cơ KDB khi thay đổi tần số nguồn kết hợp với thay đổi điện áp 4. Ứng dụng của động cơ không đồng bộ Ngày nay các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết bị hoặc dây truyền sả n xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải và trong các thiết bị điện dân dụng… Ước tính có khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi các hệ thống truyền động điện. Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp 9 Hệ thống điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc tốc độ thay đổi được. Hiện nay có khoảng 75 – 80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc độ không đổi. Với các hệ thống này, tốc độ của động cơ hầu như không cần điều khiển trừ các quá trình khởi động và hãm. Phần còn lại là các hệ th ống có thể điều chỉnh được tốc độ để phối hợp đặc tính động cơ với đặc tính tải theo yêu cầu. Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý, các hệ thống điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và công cụ không thể thiếu trong quá trình tự động hóa. Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như sau: kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao. Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân v ới công suất từ vài chục đến hàng nghìn kW. Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ… Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống hàng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, trong máy điề u hòa… Tóm lại cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi. Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ không động bộ là so với máy điện một chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp nhiều khó khăn bởi vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu trúc của động cơ điện xoay chiều. Để có thể điều khiển độc lập từ thông và momen của động cơ điện xoay chiều đòi hỏi một hệ thống tính toán cực nhanh và chính xác trong việc quy đổi các giá trị xoay chiều về các biến đơn giản. Vì vậy cho đến gần đây, phần lớn động cơ xoay Trường ĐHGTVT Đồ án tốt nghiệp 10 chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi do các phương pháp điều khiển trước đây dùng cho máy điện thường đắt và có hiệu suất kém. 5. Khả năng dùng động cơ xoay chiều thay thế động cơ điện một chiều Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ điện xoay chiều chính là làm thế nào để có thể dễ dàng đ iều khiển được tốc độ của nó như việc điều khiển động cơ một chiều. Vì vậy một ý tưởng về việc biến đổi một máy điện xoay chiều thành một máy điện một chiều trên phương diện điều khiển đã ra đời. Đây chính là điều khiển vector. Điều khiển vector sẽ cho phép điều khiể n từ thông và momen hoàn toàn độc lập với nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng (động cơ tiếp dòng) hoặc giá trị tức thời của áp (động cơ tiếp áp). Điều khiển vecto cho phép tạo ra những phản ứng nhanh và chính xác của cả từ thông và momen trong cả quá trình quá độ cũng như quá trình xác lập của máy điện xoay chiều giống như máy điện một chiều. Cùng vớ i sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn và những bộ vi xử lý có tốc độ nhanh và giá thành hạ, việc ứng dụng của điều khiển vector ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ truyền động và đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp. Với sự phát triển nhanh chóng, ngành công nghiệp tự động luôn đòi hỏi sự cải tiến thường xuyên của các loại hệ truyề n động khác nhau. Những yêu cầu cải tiến cốt yếu là tăng độ tin cậy, giảm khẳ năng tiêu thụ điện năng, giảm thiểu chi phí bảo dưỡng, tăng độ chính xác và tăng khả năng điều khiển phức tạp. Vì vậy, những hệ truyền động với động cơ điện một chiều đang dần bị thay thế bởi nhữ ng hệ truyền động với động cơ xoay chiều sử dụng điều khiển vector. Lý do chính để sử dụng rộng rãi động cơ một chiều trước kia là khả năng điều khiển độc lập từ thông và momen cũng như cấu trúc hệ truyền động khá đơn giản. Tuy nhiên chi phí mua và bảo trì động cơ cao, đặc biệt là khi số lượng máy điện phải dùng lớn. Trong khi đ ó, các ứng dụng thực tế của lý thuyết điều khiển vector đã được thực hiện từ những [...]... truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số đang ngày càng phát triển Sau đây xin trình bày phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn f1 3 Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số đôi cực từ theo công thức: ωo = 2πf1 p (2-1) Mà ta lại có, tốc độ của roto động. .. những bộ vi xử lý có tốc độ xử lý ngày càng nhanh và sự phát triển của kỹ thuật tính toán đã dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể đạt được chất lượng cao 2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như: - Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch roto Rf - Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato - Điều. .. Noguchi Takahashi đưa ra vào cuối năm 80 Tuy nhiên kỹ thuật DTC vẫn chưa hoàn hảo và cần được nghiên cứu thêm CHƯƠNG 2 CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1 Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiển động cơ 11 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt Những động cơ trước đây thường được chế tạo để làm việc với tải không đổi trong suốt quá trình làm việc Điều này làm cho hiệu suất... nghiệp Đồ án tốt độ động cơ có thể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào Mà điều này là không thể thực hiện được đối với những động cơ sử dụng trực tiếp điện áp lưới Khi lưới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ hơn đơn vị, dòng điện trong động cơ chứa nhiều thành phần điều hòa bậc cao Điều này làm tăng tổn thất trong động cơ dẫn đến giảm tuổi thọ của động cơ Momen sinh ra bởi động cơ bị gợn sóng... tín hiệu điều khiển) Nếu đem xung điều khiển này cấp cho bộ nghich lưu một pha, thì ở ngõ ra sẽ thu được dạng xung điện áp mà thành phần điều hòa cơ bản có tần số bằng tần số tín hiệu điều khiển vc và biên độ phụ thuộc vào nguồn điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu và tỷ số giữa biên độ sóng sin mẫu và biên độ sóng mang Tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều tần số tín hiệu điều khiển Hình 3- 3 miêu tả... chiều vào bộ nghịch lưu, vo là điện áp ra ) Trong quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực, điều biến theo độ rộng xung đơn cực và điều biến theo độ rộng xung lưỡng cực Trong đề tài này em sử dụng phương điều chế độ rộng xung đơn cực 25 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt Có hai phương pháp điều chế cơ bản là: - Điều chế theo phương pháp sin PWM (SPWM) - Điều chế vectơ 4.1.1 Điều chế. .. hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này Khảo sát cho thấy: • Chiếm 30 % thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment 19 Trường ĐHGTVT nghiệp • Đồ án tốt Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm... pháp điều chế SPWM một pha: Hình 3- 3: Nguyên lý điều chế SPWM một pha Khi: 26 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt vc > vtri , VA0 = Vdc/2 vc < ttri , VA0 = -Vdc/2 Đối với nghịch lưu áp ba pha có sơ đồ như hình 3- 4 Để tạo ra điện áp sin ba pha dạng điều rộng xung, ta cần ba tín hiệu sin mẫu Hình 3- 4: Nghịch lưu áp ba pha Nguyên lý điều chế và dạng sóng như sau: 27 Trường ĐHGTVT nghiệp Đồ án tốt Hình 3- 5:... tần số giảm, trở kháng của động cơ giảm theo ( X=2πfL ) Kết quả là làm cho dòng điện và từ thông của động cơ tăng lên Nếu điện áp nguồn cấp không giảm sẽ làm cho mạch từ bị bão hòa và động cơ không làm việc ở chế độ tối ưu, không phát huy đuợc hết công suất Vì vậy người ta đặt ra vấn đề là khi thay đổi tần số cần có một luật điều khiển nào đó sao cho từ thông của động cơ không đổi Từ thông này có thế... độ động cơ điện Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống… Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng . 1-4, đó là đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha. Hình 1 -3: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là. nhanh và sự phát triển của kỹ thuật tính toán đã dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể đạt được chất lượng cao. 2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha. khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi. Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ không động bộ là so với máy điện một chiều, việc điều khiển máy