ĐỒ ÁN MÔN HOC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ 1 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 thước gon nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễ dàng ghép nối với các thiết bị vi sử lý các hệ thuyền động ngày nay thường sử dụng nguyên tắc sử dụng véc tơ cho các động cơ xoay chiều. Phần lớn các điều khiển này thương dùng kĩ thuật số với chương 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 phương pháp tần số: Phương 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. Trước hết chúng ta ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc như các truyền động của nhóm máy dệt, băng tải, bánh lăn phương pháp này còn được ứng dụng cho cả các thiết bị đơn lẻ nhất là những cơ cấu có yêu cầu tốc tốc độ cao như 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 trường Nhược 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 lưới 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 được rút ra từ biểu thức xác định động cơ KĐB ωs = 2.π.fs Vậy sức điện động của dây quấn stato của động cơ tỷ lệ với tần số ra và từ thông Es = C.φ.fs Mặt khác nếu bỏ qua độ sụt áp trên tổng trở dây quấn stato tức coi 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 ƒs giảm từ thông φ của động cơ lớn lên làm cho mạch từ bão hoà và dòng điện từ hoá lớn lên. Do các chỉ tiêu năng lượng xấu đi và đôi khi nhiều động cơ còn phát năng lượng quá mức cho phép. 2 fsCEsUs X s R s IsUs φ =≈⇒≈+=∆ 0 22 *Khi ƒs tăng từ thông φ của động cơ giảm xuống và nếu mômen phụ tải không đổi thì theo biểu thức M = k.φ.I.n.cosφ ta thấy dòng điện rôto Ir phải tăng lên.Vậy trong trường 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 phương pháp biến đổi tần số người 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 được thực hiện trong hệ kín . Khi đó nhờ các mạch hồi tiếp điện áp ứng với một tần cho trước 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 ưu 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 lượng cao do chỉ có một lần biến đổi điện năng .Thực hiện hãm tái sinh năng lượng 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.Thường dùng cho hệ truyền động công suất lớn,tốc độ làm việc thấp. II.Biến tần gián tiếp: α Biến tần nguồn áp: Đặc điểm là điện áp ra trên tải được 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 được thực hiện dễ dàng bằng điều khiển qui luật mở van của phần nghịch lưu .Phương pháp điều khiển này thay đổi dễ dàng tần số mà không phụ thuộc vào lưới 3 BT U 1 ,f 1 U 2 ,f 2 U 2 ,f 2 U 1 ,f 1 L C CL NL α Biến tần nguồn dòng : Sơ đồ đơn giản, làm việc tin cậy, đã từng được sử dụng rộng rãi để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha, rôto lồng sóc .Sơ đồ gồm một cầu chỉnh lưu và một cầu biến tần, mỗi tiristor được nối tiếp thêm một một điôt gọi là điôt chặn. MTKb 512.8 380/220V 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 lưu 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 ==⇒= ==⇒= π ϕ ϕ π π π * 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 ngược mở van phải chịu = U d = 370 V * Chọn hệ số dự trữ về dòng và áp k = 2    =×= =×= 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 4 L CL NL U 1 ,f 1 U 2 ,f 2 Ω Ω Ω Ω ⇒ Chọn Tiristor loại TL - 250 có các thông số sau: Loại I(A) U im (V) ∆U(V) T off (µs) I g (V) U g (V) du/dt(V/µs) TL.250 250 300-1000 0,82 70-250 0,4 8 20-200 * Tụ chuyển mạch C1 - C6 được 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 =ϕ−= - 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 µ F Chọn C = 200 µ F * Quận kháng L d d d I U L ∆ × = . 3 134,0 ω π Trong đó ∆I d =(0,05 - 0,1) I d )(028,0 7,11605,0314 5,370 3 134,0 HL = ×× ×× =⇒ π 2. Tính toán các phần tử mạch chỉnh lưu * Theo tính toán phần trên ta có: I d = 116,7 (A); U d = 370 (V) * Khi lấy điện áp cung cấp từ trước ~380V ⇒ có thể không cần sử dụng MBA. Ta có: 41,0 63 coscos 63 2 2 = × =⇒= U U U U d d π αα π ⇒ α=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 ngược đặt lên mỗi van: )V(8,930U6U 2ng == - Chọn K I =2; K U =1,6 I C =2x38,9=78,9≈80 (A) U C =1,6x930,8≈1500 (V) 5 ⇒ Chọn Tiristor Loại T-250 có các thông số sau: Loại I(A) U im (V) ∆U(V) T off (µs) I g (V) U g (V) du/dt(V/µs) 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 ω ω U N =220V P N =37kW n=720v/p I N =91A f=50Hz cosϕ=0,78 1. Tính dòng kích từ danh định. )(1,6872,01912cos12 AII NsdN =−×=−= ϕ 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 = × == ω srad n f NrN /9,87 60 3 2 =       −= πω 4. Tính điện kháng phức tiêu tán toàn phần X σ ở chế độ danh định. N N sqN sdN I3 U I I cossinX         ϕ−ϕ= σ Ω=               −= 342,0 91.3 220 2,109 1,68 72,062,0 5.Tính điện kháng phức X h . Ω=−=−= 296,2342,0 1,68.3 220.2 3 2 σ X I U X sdN N h )(022,0 3/314 7,2 . H X LLX s h mmsh ===⇒= ω ω 6. Tính hệ số tiêu tán tổng σ và T s . 6 s R s L σ 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 === Ω= × ×× ==≈ == === π ω π σ σ 7.Điện cảm tản stato động cơ )(00054,0 314 17,0 H X L e s s === ϖ σ 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 Kω hệ số tỷ lệ Kω = Uω/ω Uω = 10V τfω là hằng số thời gian của bộ lọc và <5ms Chọn τfω = 0,001s = 1ms Hàm truyền máy phát tốc: 7 ω= ω ω . K U ( ) ( ) Pj K P P P fF U F ωτ ω ω ω + == 1 1326,0 4,75 10 /4,75 60 .2 ≈=→== ω π ω Ksrad ndm dm ( ) P p F ft 001,01 1326,0 + = R C R T W b.Phản hồi dòng: Sử dụng mạch phản hồi dòng một chiều có cấu tạo được trình bày trên hình vẽ Nguyên lý hoạt động:Dòng Id sau mạch chỉnh lưu được 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 được đưa 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=1kΩ => R2=133kΩ 8 _ + r2 r1 75mV 10v r sun i d 1 2 133 075.0 10 R R Uv Ur K ==== CHƯƠNG V: TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU KHIỂN I. Luật điều chỉnh từ thông không đổi. I s /I s®m w sth O w s Từ các quan hệ tính mômen có thể kết luận rằng nếu giữ từ thông máy Ψ hoặc từ thông stator s Ψ 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 = ω = ω =Ψ Tuy nhiên ở vùng tần số làm việc thấp khi mà sụt áp trên điện trở stator có thể so sánh được 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 được chiến lược điều chỉnh để giữ biên độ từ thông rotor không đổi: const r =Ψ . Ở phần mô tả động cơ không đồng bộ, hoặc dựa vào sơ đồ thay thế ta có thể tính được từ thông rotor và phương trình cân bằng mạch rotor ở dạng các thành phần vector trên các trục toạ độ ox và oy:        Ψω+Ψ+= Ψω+Ψ+= +=Ψ +=Ψ δ δ rxsryryr rysrxrxr ryrsymry rxrsxmrx pi.R0 pi.R0 i.LiL i.LiL Nếu giữ được biên độ vector từ thông const r =Ψ thì r p Ψ =0 và ,0pp ryrx =Ψ=Ψ và ta có phương trình cân bằng mạc rotor:        Ψω−−Ψ= Ψω+−Ψ= rxssymry r ryssxmix r )iL( T 1 0 )iL( T 1 0 trong đó: r r r R L T δ δ = Tách các số hạng dòng điện sang một vế, sau đó bình phương 2 vế của từng phương trình và cộng hai phương trình với nhau, đồng thời để ý rằng:      Ψ=Ψ+Ψ =+ 2 p 2 ry 2 rx 2 1 2 sy 2 sx Iii Ta có thể rút ra biểu thức cuối cùng: 9 2 sr m rdm s ).T(1 L I ω+ Ψ = δ 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 trường hợp giữ từ thông luôn không đổi và bằng giá trị từ thông định mức, như vậy có thể khai thác hết công suất mạch từ của động cơ KĐB. * Trong thiết kế môn học này chọn phương 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 lưu I d và tần số trượt f 2 . - Bản chất của phương pháp này là thông qua việc duy trì quan hệ giữa dòng điện stato I 1 và tần số trượt f 2 sao cho từ thông của máy điện được giữ không đổi. • Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tần số động cơ KĐB qua quan hệ I 1 (f 2 ). 10 [...]... pTCL d Udk: điện ạp điều khiển chính lưu KCL, TCL: hệ số điều khiển và hằng số t - Việc tổng hợp chính xác mạch vòng dòng điện rất phức tạp vì thành phần điện trở của mạch vòng dòng điện phụ thuộc vào S => Một cách gần đúng ta bỏ qua các thành phần điện trở và điện kháng tán Ta được: R ∑ = R d + 2R L ∑ = L d + 2 L 1t U 1/ R L ∑ ∑ d Ta có: I r = R + pL = 1 + pT U d trong đó T∑ = R ∑ ∑ ∑ ∑ => Sơ đồ cấu trúc... điện: S KI ( p) = 1 1 + 2.0,005 p + 2.0,05 2 p 2 *kiểm nghiệm bộ điều chỉnh dòng Ri bằng Matlab-Simulink: Đặc tính quá độ của dòng điện: 17 VI Tổng hợp mạch vòng tốc độ Ở trên, ta dùng tiêu chuẩn môdun tối ưu để tổng hợp mạch vòng dòng điện: WKi (p) = 1 1 2 K do 1 + 2pTCL + 2p 2 TCL - Khi tiến hành tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta coi gần đúng hàm truyền hệ kín mạch vòng điều chỉnh tốc độ là khâu quán... tiến hành tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện R i và bộ điều chỉnh tốc độ Rω theo kênh 1 Căn cứ vào biểu thức tính toán mômen và dòng điện ta có thể thành lập được sơ đồ cấu trúc của hệ thống: IS = Ψrdm 2 1 + Tr2 ωs = Fi (ωs ) Lm M= 2 3 L2m ωs I s 2 = K M FM (ωs ).I S 2 2 2 R r 1 + ωs Tr II Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng dòng điện 11 - Để tiện cho việc tính toán, thiết kế được bộ điều chỉnh dòng điện R 1, người... người ta dùng sơ đồ đơn giản sau: Ld Rd 2L1t 2R1 2L2t 2R2/ S0 Ud CL+ĐK Id Uđk Ri Iđo Irđ 12 Uir Uiđ + - Ri Uuđk Uiđo K CL 1 + pTCL 1/ R ∑ Uud Uid 1 + pT∑ Trong đó Ld, Rd: điện cảm, điện trở cuộn kháng lọc Kđo L1t, R1: điện cảm tản, điện trở 1 pha stato L2t, R2: điện cảm tản, điện trở 1 pha roto quy đổi về stato s: hệ số trượt * Ta có hàm truyền đạt bộ chính lưu Wcr + dk = Ud K CL = U : điện áp đầu ra... kiện mở là: - Xung điện áp dùng đường đưa vào cực phải đủ lớn về biên độ và độ rộng - Có điện áp dương đặt lên thyristor từ A->K Để thay đổi điện áp, dòng điện => phải thay đổi góc mở α nghĩa là thay đổi thời điểm phát xung hay góc α Ta áp dụng phương pháp điều khiển số 1 Sơ đồ mạch điều khiển (một kênh) 22 - Điện áp các pha A, B, C được đưa qua bộ đồng bộ với lưới được 6 tín hiệu đồng bộ +A, +B, +C,... các hệ số A, B - Chọn điểm tuyến tính hoá là điểm định mức, ta có: *A= A= 2 3 L2 2 1 − ω sdmTr2 m J sdm 2 2 2 Rr 1 + ω sdmTr2 ( ) 3 0,022 2 1 − 29,12.0,01822 2 × 912 = 13,86 2 2 0,19 1 + 29,12.0,01822 2 ( *B = ) 3 L 2.I sdmω sdm 3 0,022 2 2.91.29,1 = = 15,79 2 2 2 Rr 1 + ω sdmTr 2 0,19 1 + 29,12.0,01822 2 2 m ( ) ( ) 6 Tính T quy đổi hệ thống Tqd = 1,8kgm 2 V Tổng hợp mạch vòng dòng điện - Ta có sơ đồ. .. dòng điện lấy ra từ đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ R ω được đưa qua khâu đạo hàm phi tuyến I d = f ( f 2 ) → f 2 Ta có quan hệ: I1 = 1 + f 2 * ϕ2 trong đó * 1 + σ 2ϕ2f 2 2 2 ϕ2 = ω1dm L 2 R2 σ = 1− L2m L1 L 2 - Để đơn giản trong việc tổng hợp các bộ điều chỉnh dòng điện R i và tốc độ Rω ta giả thiết rằng: Kênh điều chỉnh tần số do phần cứng đảm nhiệm sẽ được đề cập đến ở chương 5 Vì vậy ta sẽ tiến hành tổng. .. d trong đó T∑ = R ∑ ∑ ∑ ∑ => Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển mạch vòng dòng điện III Thành lập sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ * Mômen điện từ ở chế độ tĩnh có dạng 13 2 2 M= ωs I s 3 Lm p' ωs: tốc độ truyền của động cơ 2 R 2 1 + ωs 2 Tr 2 Tr: hằng số thời gian mạch roto => Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng điện, tốc độ Kdo Uiđ Uωđ K CL / R ∑ Ri Rω (1 + pTCL ) (1 + pT∑ ) I d 2 3 π X... tuần tự đến các Tiristor như trên còn có nhiệm vụ phân phối xung trong các chế độ tương ứng của động cơ đó là: Động cơ quay thuận, động cơ quay ngược, chế độ hãm tái sinh - Giả sử giản đồ phát xung đã trình bày ở trên là dùng để phát cho BBĐ cung cấp dòng cho Động cơ làm việc ở chế độ chạy thuận Để động cơ quay ngược ta chỉ cần đổi thứ tự phát xung vào các Tiristor bằng cách đổi pha B cho pha C Việc này... Tuyến tính hoá biểu thức tính mômen động cơ (tại điểm định mức) ∆M = ∂M ∂M ∆ωs + ∆I s tại (Mđm, wsđm, I1đm) ta có ∂ωs ∂I s 2 1 − ωsdm Tr2 ∂M 3 Lm 2 2 = I sdm =A 2 ∂ωs 2 R r (1 + ωsdm Tr2 ) 2 ∂M 3 Lm 2 2I sdm ωsdm = =B 2 ∂I s 2 R r 1 + ωsdm Tr2 * Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng điện và tốc độ sau khi đã tuyến tính hoá (bỏ qua hệ số thời gian điện từ) 14 r2 id r1 r sun _ 75mV 10v + Kdo . ĐỒ ÁN MÔN HOC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ 1 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 thước. quan hệ giữa dòng điện stato I 1 và tần số trượt f 2 sao cho từ thông của máy điện được giữ không đổi. • Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tần số động cơ KĐB qua quan hệ I 1 (f 2 ). 10 - Sơ đồ. S0 I d I đo Trong đó L d , R d : điện cảm, điện trở cuộn kháng lọc L 1t , R 1 : điện cảm tản, điện trở 1 pha stato L 2t , R 2 : điện cảm tản, điện trở 1 pha roto quy đổi về stato s: hệ số trượt * Ta có hàm