Bài giảng Truyền động điện - Trần Công Binh (Bản đẹp)
Chương I: Động học hệ thống động cơ - tải cơ
I.1: Đặc tính cơ của tải
I.2: Đặc tính cơ của động cơ
Chương II: Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ một chiều
II.1: Động cơ một chiều (động cơ DC)
Đặc tính cơ tĩnh động cơ DC
Điều khiển tốc độ động cơ DC
Các trạng thái hãm
II.2: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ chỉnh lưu
Giới thiệu
Bộ chỉnh lưu 1 pha
Bộ chỉnh lưu 3 pha
II.3: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ biến đổi xung áp (Chopper)
Bộ chopper giảm áp
Bộ chopper tăng áp
Hãm tài sinh dùng bộ chopper tăng áp
Mạch cầu H điều khiển động cơ DC làm việc ở 4 góc phần tư
Chương III: Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ một chiều
III.1: Mô hình động của động cơ DC
III.2: Bộ điều khiển PID
III.1: Điều khiển vòng kín động cơ DC
Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ DC
Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ DC
Điều khiển moment động cơ DC
Điều khiển vị trí động cơ DC
Bộ điều khiển động cơ DC (DC Drive)
Chương IV: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha
IV.1: Động cơ không đồng bộ ba pha (ĐCKĐB)
Đặc tính cơ tĩnh ĐCKĐB ba pha
Khởi động mềm ĐCKĐB ba pha
IV.1: Điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha
Điều khiển khởi động bằng cách thay đổi điện trở rotor
Điều khiển điện áp phần ứng
Điều khiển tần số bằng phương pháp V/f
Chương V: Điều khiển vector động cơ không đồng bộ ba pha
V.1: Bộ nghịch lưu ba pha và Vector không gian
Bộ nghịch lưu ba pha.
Vector không gian và hệ toạ độ satator (αβ).
V.2: Hệ qui chiếu quay
Hệ toạ độ từ thông rotor (dq).
Chuyển đổi hệ toạ độ αβ ↔ dq.
V.3: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong hệt toạ độ từ thông rotor
Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu.
Mô hình động cơ trong HTĐ từ thông rotor (Ψr).
V.4: Điều khiển định hướng từ thông (FOC) động cơ không đồng bộ ba pha
Điều khiển PID
Điều khiển FOC động cơ không đồng bộ ba pha.
V.5: Bộ biến tần
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Truyền động điện - Trần Công Binh (Bản đẹp)
ĐẠI HỌC NHA TRANG Bài giảng TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DC & AC Biên soạn: ThS. Trần Công Binh THÁNG 8 NĂM 2010 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 1 TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN (DC & AC) Chương I: Động học hệ thống động cơ - tải cơ I.1: Đặc tính cơ của tải I.2: Đặc tính cơ của động cơ Chương II: Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ một chiều II.1: Động cơ một chiều (động cơ DC) Đặc tính cơ tĩnh động cơ DC Điều khiển tốc độ động cơ DC Các trạng thái hãm II.2: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ chỉnh lưu Giới thiệu Bộ chỉnh lưu 1 pha Bộ chỉnh lưu 3 pha II.3: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ biến đổi xung áp (Chopper) Bộ chopper giảm áp Bộ chopper tăng áp Hãm tài sinh dùng bộ chopper tăng áp Mạch cầu H điều khiển động cơ DC làm việc ở 4 góc phần tư Chương III: Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ một chiều III.1: Mô hình động của động cơ DC III.2: Bộ điều khiển PID III.1: Điều khiển vòng kín động cơ DC Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ DC Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ DC Điều khiển moment động cơ DC Điều khiển vị trí động cơ DC Bộ điều khiển động cơ DC (DC Drive) Chương IV: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha IV.1: Động cơ không đồng bộ ba pha (ĐCKĐB) Đặc tính cơ tĩnh ĐCKĐB ba pha Khởi động mềm ĐCKĐB ba pha IV.1: Điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha Điều khiển khởi động bằng cách thay đổi điện trở rotor Điều khiển điện áp phần ứng Điều khiển tần số bằng phương pháp V/f Chương V: Điều khiển vector động cơ không đồng bộ ba pha V.1: Bộ nghịch lưu ba pha và Vector không gian Bộ nghịch lưu ba pha. Vector không gian và hệ toạ độ satator (αβ). V.2: Hệ qui chiếu quay Hệ toạ độ từ thông rotor (dq). Chuyển đổi hệ toạ độ αβ ↔ dq. V.3: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong hệt toạ độ từ thông rotor Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu. Mô hình động cơ trong HTĐ từ thông rotor (Ψr). V.4: Điều khiển định hướng từ thông (FOC) động cơ không đồng bộ ba pha Điều khiển PID Điều khiển FOC động cơ không đồng bộ ba pha. V.5: Bộ biến tần Chương VI: Điều khiển động cơ đồng bộ ba pha Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 2 Chương I: Động học hệ thống động cơ - tải cơ I.1: Đặc tính cơ của tải I.1.1: Đơn vị của các đại lượng cơ học: I.1.2: Phương trình moment cơ bản dt dJMM cco ω=− Mcơ > Mc tải cơ tăng tốc. Mcơ < Mc tải cơ giảm tốc. Mcơ = Mc tải cơ chạy với tốc độ ổn định – xác lập – trạng thái tĩnh. I.1.3: Các thành phần của moment cản Mc: 2 mstmsktc .CMM.BMM ω+++ω+= Mt Moment tải B.ω Moment ma sát nhớt Mmsk Moment ma sát khô Mmst Moment ma sát tĩnh C.ω2 Moment cản của quạt gió làm mát Thông thường, các đại lượng khác khá nhỏ, nên khi bỏ qua: ω+= .BMM tc I.1.4: Một số dạng đặc tính tải thường gặp: Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 3 Tải moment hằng số Tải moment thay đổi theo tốc độ (Thang máy, cần cẩu, băng chuyền,) (Bơm, quạt,) I.1.5: Moment quán tính: ∑∑ == ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ω+= k 1j 2 j j n 1i 2 i im 2 v m 2 JJJ Jm moment quán tính của trục động cơ. Ji , ωi moment quán tính, tốc độ của phần tử quay thứ i. mj , vj khối lượng, tốc độ của phần tử chuyển động tịnh tiến thứ j. I.1.6: Các chế độ làm việc: ω Mt ωđm Mđm ω Mt ωđm m Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 4 a) Hãm tái sinh: _ Pđiện < 0: trả năng lượng về nguồn. _ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải. b) Hãm ngược: _ Pđiện > 0: tiêu thụ công suất từ nguồn. _ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải. Công suất điện + cơ chuyển thành nhiệt. c) Hãm động năng: _ Pđiện = 0: cách ly với nguồn. _ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải. Công suất cơ chuyển thành nhiệt. I.1.7: Điều kiện ổn định tĩnh: ω>ω d dM d dM coc I.1.8: Thông số của hệ thống điện cơ: _ Độ cứng đặc tính cơ: ω=β d dM _ Công suất định mức. . I.2: Đặc tính cơ của động cơ I.2.1: Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập, NCVC: I, Mcơ 0 ωolt ωo ωđm Iđm, Mđm I0 Ikđ, Mkđ ω Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 5 Kích từ độc lập: ( ) co2u Mk R k U Φ−Φ=ω uco IkM Φ= ωΦ= kE I.2.2: Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp: Kích từ nối tiếp: kt ntu cokt k.k RR Mk.k U +−=ω 2uktco Ik.kM = I.2.3: Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ hỗn hợp: U Rư Iu E Int Rnt I, Mcơ ω 0 ωolt ωo ωđm Iđm I0 U Rư Iu E Ikt Rkt Ukt ω Φkt U Rư Iu E Int Rnt Ikt Rkt Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 6 Ví dụ 1: Một động cơ DC kích từ độc lập, 230V, điện trở phần ứng 0,2Ω, tốc độ không tải lý tưởng là 1000 vòng/phút. Ở chế độ định mức dòng điện phần ứng là 40A. Biết từ thông kích từ không đổi và bằng định mức. Tính tốc độ và momen điện từ (moment cơ) định mức của động cơ? Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ? Ví dụ 2: Một động cơ DC kích từ độc lập có các thông số định mức 500V, 100A, 1000 vòng/phút. Điện trở phần ứng 1Ω. Từ thông kích từ không đổi và bằng định mức. Tính momen và công suất định mức của động cơ? Tính hiệu suất của động cơ ở định mức nếu công suất tổn hao của cuộn kích từ là 5kW. Động cơ mang tải và có dòng điện phần ứng là 40A. Tính tốc độ, momen và hiệu suất của động cơ khi đó? Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ? Vẽ đặc tuyến momen - tốc độ và chỉ ra các điểm đã tính trên. KPhi = 3.8197 E = 400 Pout = 40000 w = 104.7198 M = 381.9719 HS = 0.7273 Ec = 460 nc = 1150 Poutc = 18400 wc = 120.4277 Mc = 152.7887 HSc = 0.7360 Ikd = 500 Mkd = 1.9099e+003 Ví dụ 3: Một động cơ DC kích từ nối tiếp, có điện trở phần ứng là 0, 2Ω và điện trở cuộn kích từ là 0,1Ω. Thông số định mức của động cơ là 450V, 40A, 1000 vòng/phút. Khi động cơ vận hành ở định mức : Tính tốc độ và momen của động cơ? Tính công suất và hiệu suất của động cơ? Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ? KPhi = 4.1826 E = 438 Pout = 17520 w = 104.7198 M = 167.3037 Pout = 17520 Pin = 18000 HS = 0.9733 Ikd = 1.5000e+003 Mkd = 2.3527e+005 Ví dụ 4: Một động cơ DC kích từ nối tiếp vận hành ở chế độ định mức 161,2 Nm, 1000 vòng/phút, 41A, 420V. Tổng điện trở phần ứng và cuộn kích từ là 0,2Ω. Tính tốc độ và dòng điện của động cơ khi momen điện 87 Nm? Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 7 I.2.4: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha: Mạch tương đương của động cơ không đồng bộ ba pha. Giả sử Rm > Xm): ( )mss m st XXjR X.jUU ++= && và ( )( )mss mss ttt XXjR X.jX.jR X.jRZ ++ +=+= Mạch tương đương ĐCKĐB ba pha khi bỏ qua nhánh từ hoá: ( )2'rs2'rs ' r2 s s co XX s RR s RU3 1M ++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ω= Rs sI& jXs sU& ' rI& ' rR jX’r Mạch tương đương động cơ KĐB ' rRs s1− RFe jXm mI& FeI& Rs sI& jXs Rm mI& sU& jXm ' rI& ' rR jX’r Mạch tương đương của động cơ KĐB ' rRs s1− Rt jXt tU& tI& s R 'r jX’r Sử dụng biến đổi Thevenin cho mạch stator Rs jXs sU& ' rI& s R 'r jX’r Mạch tương đương đơn giản của động cơ KĐB Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 8 Độ trượt tới hạn: sp ứng với Tmax 0ds dT = , hay 0 dn dT = ( )2'rs2s ' r p XXR Rs ++ = ( )2'rs2ss 2 s s max XXRR U2 31T +++ = ω ( ) ( )2'rs2'rs ' r 2 s s st XXRR RU31T +++= ω s s s s 2 T T p p max + = 0 ω ωđm Mkđ Mmax Mcơ ωs ωp Mđm TL A T Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 9 Chương II: Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ một chiều II.1: Động cơ một chiều (động cơ DC) II.1.1: Đặc tính cơ tĩnh động cơ DC a) Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập, NCVC: Kích từ độc lập: Φ −=Φ=ω k IRU k E uu ⇒ n~~E ω ( ) co2u Mk R k U Φ−Φ=ω uco IkM Φ= Φđm Ikt Φ 0 I, Mcơ ω 0 ωolt ωo ωđm Iđm I0 U Rư Iu E Ikt Rkt Ukt ω Φkt Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 10 b) Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp: Kích từ nối tiếp: kt ntu cokt k.k RR Mk.k U +−=ω 2uktco Ik.kM = II.1.2: Điều khiển tốc độ động cơ DC kích từ độc lập a) Điều khiển điện áp phần ứng: ( ) co2u Mk R k U Φ−Φ=ω U giảm ⇒ ω giảm b) Điều khiển từ thông kích từ: ( ) co2u Mk R k U Φ−Φ=ω Φ giảm ⇒ ω tăng U Rư Iu E Ikt Rkt Ukt ω Φkt Mcơ ω 0 ωolt ωđm Mđm U giảm I, Mcơ 0 ωolt ωo ωđm Iđm, Mđm I0 Ikđ, Mkđ ω U Rư Iu E Int Rnt Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 11 Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông Điều khiển thay đổi tốc độ ω thông qua: _ điều khiển điện áp phần ứng U khi: ω < ωđm. _ điều khiển từ thông kích từ Φ khi: ω > ωđm. ω Mcơ 0 Mđm ωđm Pđm Iưđm Mđm ωmax Điều khiển U Điều khiển Φ U Rư Iu E Ikt Rkt Ukt ω Φkt VR Mcơ ω 0 ωolt ωđm Mđm Φ giảm Pmax ωmax Mmax Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 12 c) Điều khiển điện trở phần ứng: ( ) co2u Mk R k U Φ−Φ=ω Rư tăng ⇒ ω giảm d) Khởi động đông cơ DC kích từ độc lập: Dòng điện khởi động không lớn hơn khả năng chịu dòng của chổi than (thường là 3Iđm). Moment khởi động không lớn hơn khả năng chịu đựng của tải (thường là 3Mđm). II.1.3:Các trạng thái hãm của động cơ DC kích từ độc lập: a) Hãm tái sinh: _ Pđiện < 0: trả năng lượng về nguồn. _ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải. Iư, Mcơ ω 0 ωolt ωđm Iưđm, Mđm VR tăng U Rư Iu E Ikt Rkt Ukt ω Φkt VR Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 13 b) Hãm ngược: _ Pđiện > 0: tiêu thụ công suất từ nguồn. _ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải. U Rư Iu E Ikt Rkt Ukt ω Φkt Mcơ Mđm ω 0 ωolt ωđm Φ giảm U giảm I II Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 14 Công suất điện + cơ chuyển thành nhiệt. c) Hãm động năng: _ Pđiện = 0: cách ly với nguồn. _ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải. Công suất cơ chuyển thành nhiệt. Rư Iu E Ikt Rkt Ukt ω Φkt Rph U Rư Iu E Ikt Rkt Ukt ω Φkt Rph Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 15 d) Hệ động cơ - máy phát (Ward-Leonard): II.2: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ chỉnh lưu II.2.1: Giới thiệu Phần này trình bày bộ chỉnh lưu 1 pha và 3 pha, biến điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp một chiều (DC) để cấp cho động cơ. Đồng thời bộ chỉnh lưu có điều khiển sẽ điều khiển được độ lớn điện áp DC để điều khiển thay đổi các đại lượng làm việc của động cơ như tốc độ, moment, Mcơ U giảm Mđm ω 0 ωolt ωđm Φ giảm I II IIII Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 16 Bộ chỉnh lưu biến điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp một chiều (DC) dạng gợn sóng. Bộ chỉnh lưu thường làm méo dạng điện áp nguồn. Khi phân tích sòng hài sẽ tồn tại sóng hài cơ bản (hài bậc 1, 50Hz) và sóng hài hoạ tần bậc cao. Độ méo dạng được định nghĩa: 1 2 1 2 I II THD −= II.2.2: Bộ chỉnh lưu 1 pha a) Bộ chỉnh lưu tia 1 pha: π= RMS_phase tb_dc U2 U Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 17 b) Bộ chỉnh lưu tia 1 pha có điều khiển: ( )α+π= cos12 U2 U RMS_phasetb_dc c) Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha: π= RMS_phase tb_dc U22 U Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 18 d) Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển bán phần: ( )α+π= cos1 U2 U RMS_phasetb_dc d) Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần: απ= cos U22 U RMS_phasetb_dc Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 19 II.2.3: Bộ chỉnh lưu 3 pha a) Bộ chỉnh lưu tia 3 pha: b) Bộ chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển: απ= cos2 U233 U RMS_phasetb_dc c) Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha: π RMSphase tbdc U U __ 233= d) Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển bán phần: ( )α+π= cos12 U233 U RMS_phasetb_dc Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 20 d) Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần: απ= cos U233 U RMS_phasetb_dc Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 21 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 22 Dạng dòng điện ngõ vào: e) Bộ chỉnh lưu kép 1 pha: Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 23 f) Bộ chỉnh lưu kép 3 pha: Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 24 II.3: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ biến đổi xung áp (Chopper) Bộ biến đổi DC/DC: Các bộ biến đổi DC-DC có thể chia làm ba loại: + Bộ tăng áp Uo > Ui (Boost converter). + Bộ hạ áp Uo < Ui (Buck converter). + Bộ tăng - giảm áp (Buck- Boost converter). II.3.1: Bộ chopper giảm áp (lớp A) T T U U ON DC tb_d = Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 25 E - + MOTOR 24VDC D1 FC307 R1 10K MOSFET IRF540 R2 0.1/2W D2 FC307 24V KICH MOSFET 220 10W GND_100V J1 AC24V 1 2 GND_100V L1 Q1 IRF460/TO D6 - + D1 50A 10W 3 2 1 4 GND_12V +C1 400V 4700uF + C10 D4 30A CB 1 3 2 4 Fast DIODEA - + D C M O T O R 1 2 C9 103 2KV GND_100V Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 26 II.3.2: Bộ chopper tăng áp (lớp B) T T1 1 U U ONDC tb_d − = II.3.3: Hãm tài sinh dùng bộ chopper tăng áp II.3.4: Bộ chopper kiểu đảo dòng (lớp C) T T U U ON DC tb_d = TON T DCM L N C Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 27 II.3.5: Bộ chopper kiểu đảo áp (lớp D) Cách 1 (S1 và S2 được kích đồng thời, giống lớp C): T T U U ON DC tb_d = Cách 2 (kiểu đảo áp 1 – S1 và S2 đóng ngắt lệch pha): 1T T2 U U ON DC tb_d −= II.3.6: Mạch chopper kiểu tổng quát (lớp E) Dạng mạch cầu H, điều khiển động cơ DC làm việc ở 4 góc phần tư. Điều khiển cách 1 (kiểu đảo dòng): T T U U ON DC tb_d = Điều khiển cách 2 (kiểu đảo áp 1&2): 1T T2 U U ON DC tb_d −= Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 28 Bài tập: Cho động cơ DC như trên, có điện trở phần ứng 3Ω. Kích từ độc lập không đổi. a) Điện áp phần ứng được cấp từ bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần, nguồn 380Vrms, 50Hz. Tính góc kích để động cơ vận hành ở 1/2 điện áp định mức? b) Với điện áp như câu a, khi động cơ mang tải và có dòng điện phần ứng là 17A: Tính tốc độ (vòng/phút)? c) Tính điện áp để động cơ đạt 500 vòng/phút ở 17A. Tính góc kích khi đó? d) Tính tốc độ lớn nhất mà động cơ có thể đạt được khi có tải 17A với bộ chỉnh lưu trên. e) Tính điện áp để dòng điện khởi động bằng dòng 2 lần định mức. Tính góc kích tương ứng? f) Tính điện áp để MOMENT khởi động bằng dòng 3 lần định mức. Tính góc kích tương ứng? g) Tính thời hằng điện, biết Lư = 30mH? h) Tính thời hằng cơ, biết J = 0,1 kgm2, B = 0,01? Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 29 i) Tính lại câu a, b với điện áp định mức. j) T ... vector không gian điện áp. Để không quá điều chế, biên độ điện áp phải nằm trong vòng tròn nội tuyến của lục giác: 3 dc s Uu ≤ U1 (100) us T1 T2 U2 (110) U3 (010) U6 (101) U5 (001) U4 (011) CCW CW U0 (000) U7 (111) α su r Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 55 V.1.2: Vector không gian và hệ toạ độ stator (αβ). a) Vector không gian: Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha có ba (hay bội số của ba) cuộn dây stator bố trí trong không gian như hình vẽ sau: Hình 1.8: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCKĐB ba pha. (Ba trục của ba cuộn dây lệch nhau một góc 1200 trong không gian) rotor stator Pha A Pha B Pha C usc usa usb Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 56 Ba điện áp cấp cho ba đầu dây của động cơ từ lưới ba pha hay từ bộ nghịch lưu, biến tần; ba điện áp này thỏa mãn phương trình: usa(t) + usb(t) + usc(t) = 0 Trong đó: Với ωs = 2πfs; fs là tần số của mạch stator; |us| là biên độ của điện áp pha, có thể thay đổi. (điện áp pha là các số thực) Vector không gian của điện áp stator được định nghĩa như sau: [ ]00 240120 )()()(32)( jscjsbsas etuetututu ++=r (1.4) A B C N A B C N usa(t) = |us| cos(ωst) usb(t) = |us| cos(ωst – 1200) usc(t) = |us| cos(ωst + 1200) Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 57 b) Hệ toạn độ satator (αβ). Hình 1.9: Vector không gian điện áp stator su r và các điện áp pha. suy ra V.2: Hệ qui chiếu quay V.2.1: Hệ toạ độ từ thông rotor (dq). Với dt d r r φ=ω (tốc độ quay của từ thông rotor so với stator đứng yên), với φr là góc hợp bởi trục từ thông rotor (trục d) với trục chuẩn stator (trục α) (là trục cuộn dây pha A). 0 jβ α su r usa = usα usβ usc usb Cuộn dây pha A Cuộn dây pha B Cuộn dây pha C usa = usα usb = βα ss u2 3u 2 1 +− usα = usa usβ = ( )sbsa u2u3 1 + Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 58 Hình 1.10: Biểu diễn vector không gian si r trên hệ toạ độ từ thông rotor, còn gọi là hệ toạ độ dq. V.2.2: Chuyển đổi hệ toạ độ αβ ↔ dq. V.3: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ toạ độ từ thông rotor V.3.1: Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu. si r isβ Cuộn dây pha A Cuộn dây pha B Cuộn dây pha C 0 α isα d jq isd isq θ rψr ωr =ωa ω φr Trục từ thông rotor Truïc rotor jβ ∫ dt d r r φ=ω fsd = fsαcosφr + fsβsinφr fsq = - fsαsinφr + fsβcosφr fsα = fsdcosφr - fsqsinφr fsβ = fsdsinφr + fsqcosφr Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 59 Hình 2.1: Mô hình đơn giản của động cơ KĐB ba pha mL s Rr rLσsLσsR sv si ri mi Hình 2.2: Mạch tương đương của động cơ KĐB ba pha Các thông số của ĐCKĐB ba pha: Rs điện trở cuộn dây pha của stator (Ω). Rr điện trở rotor đã qui đổi về stator (Ω). Lm hỗ cảm giữa stator và rotor (H). Lσs điện cảm tản của cuộn dây stator (H). Lσr điện cảm tản của cuộn dây rotor đã qui đổi về stator (H). P số đôi cực của động cơ. J momen quán tính cơ (Kg.m2). Các thông số định nghĩa thêm: Ls = Lm + Lσs điện cảm stator. Lr = Lm + Lσr điện cảm rotor. Ts = s s R L hằng số thời gian stator. Tr = r r R L hằng số thời gian rotor. σ = 1 – rs 2 m LL L hệ số từ tản tổng. stator Cuộn dây pha A isa usa irA isc usc isb usb Cuộn dây pha C Cuộn dây pha B rotor irC irB stator ω θ Trục chuẩn Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 60 V.3.2: Mô hình động cơ trong HTĐ từ thông rotor (Ψr). Trong hệ tọa độ dq, ψrq=0 do vuông góc với vector frψr nên frψr =ψrd . dt disd = ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ σ σ−+σ− rs T 1 T 1 isd + ωsisq + rd mrLT 1 Ψσ σ− + sd s u L 1 σ dt disq = ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ σ σ−+σ− rs T 1 T 1 isq−ωsisd− rd mL 1 Ψωσ σ− + sq s u L 1 σ rd r sd r mrd T 1i T L dt d Ψ−=Ψ Khi ψrd = const: sdmrdr iL=ψ=ψ dt d rqΨ = 0 và rdslsq r m i T L Ψ= ω Khi ψrd = const sd sq r sl i i T 1=ω sqrd r m co iL LP 2 3M ψ= dt dJ dt d P JMM codiencco ω=ω=− sqrd r m co iL LP 2 3M ψ= r sq r m sl i T L ψω = Ưu điểm của mô hình ĐCKĐB trong HTĐ dq so với HTĐ αβ: 1. Các đại lượng không biến thiên dạng sin theo thời gian. 2. Hệ phương trình đơn giản hơn (ψrq=0). 3. Phân ly điều khiển từ thông rotor rψr và momen Te (tốc độ ω). 4. Gần giống với điều khiển động cơ một chiều. sd r m rdr isT1 L +=ψ=ψ dt dJ dt d P JMM codiencco ω=ω=− isd → rψr isq → Mcơ → ω Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 61 V.4: Điều khiển định hướng từ thông (FOC) động cơ không đồng bộ ba pha V.4.1: Điều khiển PID Xem phần trước. V.4.2: Điều khiển FOC động cơ không đồng bộ ba pha. ĐC KĐB == 3~ Udc Điều khiển M 3~ a b c Nghịch lưu 2= 3 isa isb isα isβ rje φ− isd isq φr αβ → dq abc→ αβ Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 62 ψr , Te , φr=??? K1 , K2 =??? ω, ωmech =??? Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 63 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 64 Hình : Hệ thống điều khiển ĐCKĐB ba pha dùng phương pháp FOC. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -10 0 10 M T M e (N m ) momen tai momen dien i 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0.5 1 F i r (W b) tu thong dat tu thong dap ung 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 500 1000 time (s) n (R P M ) toc do dat toc do dap ung 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -200 0 200 time (s) U A U B ( V ol t) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -10 0 10 I A I B ( A m pe re ) dong dien pha A dong dien pha B dien ap pha A dien ap pha B Hình : Đáp ứng của hệ thống điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha khi dùng phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) Ví dụ 1: Một động cơ 3 pha, 4 cực, nối Y, 380V, 50Hz, 2,1A, 5,07Nm, J = 0,1kgm2. Rs = 10Ω, Rr = 6,3Ω, Xσs = 13,5Ω, Xσr = 12,6Ω, Xm = 132Ω. Khi vận hành ở định mức: Tính (biên độ) isd, isq, ψr, ωsl, K1, K2 và tốc độ ωcơ, n? (Chú ý, khi vận hành ở công suất định mức: isdn < isqn ) Rs sI& jXσs sU& ' rI& ' rR jX’σr Mạch tương đương động cơ KĐB với tổn hao sắt từ ' rRs s1− RFe jXm mI&FeI& Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 65 f2 X L mm π= f2 X L ss π σ σ = sms LLL σ+= r s s R L T = f2 X L rr π σ σ = rmr LLL σ+= r r r R L T = sT1 iL r sdm rd +=ψ Từ thông không đổi, ⇒ dsmr iL=Ψ sdm e m r r e m r sq iL T L L P3 2T L L P3 2i == ψ ⇒ e2m r sdsq TL L P3 2ii = Mà s 2 ds 2 sqs I2iii =+= Khi biết momen điện Te và dòng điện Is, Từ 2 phương trình trên tính được isd và isq và Ψr. Chú ý: khi động cơ vận hành ở định mức, thì isd thường nhỏ hơn isq. Thông thường isd bằng 40-60% Is định mức. Và tính được rr qsm sl T iL Ψ=ω . Từ đó tính được tốc độ góc trựơt cơ: p sl co_slsl ωω ==Ω và tính được tốc độ động cơ. m rrdrd sd L sT i ψψ += r e r m sq T L L p2 3i ψ= sd sq r r rr qs r m sl i i T 1L T i L L =Ψ=ω Từ thông không đổi: *dsm * r iL=Ψ *e1 * qs TKi = ⇒ * ds 2 m r * e * qs 1 i 1 L L p3 2 T i K == *qs2 * sl iK=ω ⇒ * dsr m * rr m * qs * sl 2 iT L T L i K =Ψ== ω vì *sl * rr * qsm TiL ωΨ= Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 66 V.5: Bộ biến tần Bộ điều khiển Bộ xử lý FOC PWM QEP ADC SCI I/O ADC L3 L2 L1 N L Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 67 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 68 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 69 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 70 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 71 Tốc độ đặt Tốc độ đặt Phản hồi tốc độ + - PID Tín hiệu momen điều ể Hạn chế Tốc độ đặt Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 72 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 73 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 74 Bài tập 5.1: Bộ biến tần dùng ở Việt Nam, 3 pha 380V (ngõ vào, chỉnh lưu cầu diode). Được cấp nguồn 3 pha 380V, 50Hz. a) Tụ lọc nguồn nhỏ: _ Tính điện áp trung bình trên DC Link? _ Tính biên độ điện áp pha lớn nhất (chưa quá điều chế)? _ Tính điện áp hiệu dụng pha lớn nhất? _ Tính điện áp hiệu dụng dây lớn nhất? b) Tụ lọc nguồn đủ lớn: tính lại câu a). a) Tụ lọc nhỏ: _ dc RMS_lineRMS_phase tb_dc V513 380*23U23U233U =π=π=π= _ m_fadcs UV2963 513 3 UU ===≤ ? _ V210 2 296U RMS_fa =≤ _ V3633210U RMS_d =≤ 3*sqrt(2)*380/pi/sqrt(3)/sqrt(2)*sqrt(3) b) Tụ lọc đủ lớn: tính lại câu a). _ dcRMS_linetb_dc V537380*2U2U === _ m_fadcs UV3103 537 3 UU ===≤ ? _ V219 2 310U RMS_fa =≤ _ V3803219U RMS_d =≤ Bài tập 5.2: Bộ biến tần dùng ở Việt Nam, 1 pha 220V (ngõ vào, chỉnh lưu cầu diode). Được cấp nguồn 1 pha 220V, 50Hz. a) Tụ lọc nguồn nhỏ: _ Tính điện áp trung bình trên DC Link? _ Tính biên độ điện áp pha lớn nhất (chưa quá điều chế)? _ Tính điện áp hiệu dụng pha lớn nhất? _ Tính điện áp hiệu dụng dây lớn nhất? Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 75 b) Tụ lọc nguồn đủ lớn: tính lại câu a). Bài tập 5.3: Bộ biến tần Nhật 3 pha 220V. Khi đem về Việt Nam thì phải dùng nguồn 1 pha 220V, 50Hz. a) Tụ lọc nguồn nhỏ: _ Tính điện áp trung bình trên DC Link? _ Tính biên độ điện áp pha lớn nhất (chưa quá điều chế)? _ Tính điện áp hiệu dụng pha lớn nhất? _ Tính điện áp hiệu dụng dây lớn nhất? b) Tụ lọc nguồn đủ lớn: tính lại câu a). Bài tập 5.4: Điện áp pha 220Vrms và tần số fs = 50Hz. usa(t) = |us| cos(ωst) usb(t) = |us| cos(ωst – 2π/3) usc(t) = |us| cos(ωst + 2π/3) Với ωs = 2πfs (rad/s) Tại thời điểm t = 4ms = 0,004s, Tính usa, usb, usc, usα , usβ và biên độ điện áp su r ? us = 311.1270 usa = 96.1435 usb = 208.1846 usc = -304.3281 us_afa = 96.1435 us_bta = 295.8993 Bài tập 5.5: Điện áp pha 220Vrms và tần số fs = 50Hz. usa(t) = |us| cos(ωst) usb(t) = |us| cos(ωst – 2π/3) usc(t) = |us| cos(ωst + 2π/3) Với ωs = 2πfs (rad/s) Tại thời điểm t = 3ms = 0,003s, a) Tính usa, usb, usc, usα , usβ và biên độ điện áp su r ? b) Tính usd , usq biết góc hệ toạ độ quay (trục d) là 30o? |us| = 311.1270 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 76 usa = 182.8759 usb = 126.5467 usc = -309.4226 us_afa = 182.8759 us_bta = 251.7070 gama = 54.0000 theta = 30 v = 0.5236 usd = 284.2286 usq = 126.5467 Bài tập 5.6: Ví dụ 1: Một động cơ 3 pha, 4 cực, nối Y, 380V, 50Hz, 2,1A, 5,07Nm, J = 0,1kgm2. Rs = 10Ω, Rr = 6,3Ω, Xσs = 13,5Ω, Xσr = 12,6Ω, Xm = 132Ω. Khi vận hành ở định mức: Tính (biên độ) isd, isq, ψr, ωsl, K1, K2và tốc độ ωcơ, n,? mL s Rr rLσsLσsR sv si ri mi Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 77 ωcơ = ωs - ωsln(mech) = 2*π*f/P – 7.1337 = 2*π*50/2 – 7.1337 = 150(rad/s) πω= 2 60n co Bài tập 5.7: Cho động cơ không đồng bộ ba pha, 4 cực, 380V, 50Hz, nối Y, 2,1A. Moment định mức là 4,** Nm (với ** là 2 số cuối của mã số sinh viên). Trong hệ tọa độ từ thông rotor, khi động cơ vận hành ở định mức, tính: a) Dòng điện isd và isq ? (Biết ở định mức, isd < isq). b) Độ lớn từ thông rotor |ψr| ? c) Tốc độ trượt ωsl và tốc độ động cơ n ? d) Hệ số K1, K2 như hình vẽ? Cho biết động cơ có các thông số: Rs = 10Ω, Rr = 6,3Ω, Lσs = 0,043H, Lσr = 0,04H, Lm = 0,42H. Ket qua _________________________________________________________ Te = 4.00 a) id = 1.302790 (chọn isd < isq!, thông thường ở định mức, isd bằng 20-40% Is định mức) Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 78 a) iq = 2.668846 b) PHIr = 0.547172 c) Wsl = 28.056382 d) n = 1366.040644 e) K1 = 0.667211 e) K2 = 4.415272 Bài giải: clc clear all % Cau5 P = 2 U_line = 380 %V, Noi Y Is_RMS = 2.1 %A f = 50 %Hz Rs = 10 %Ohm Rr = 6.3 Lxs= 0.043 Lxr= 0.04 Lm = 0.42 Te = 4.00 %Te = 5.00 Lr = Lm + Lxr Tr = Lr/Rr disp('Bai giai _________________________________________________________') % a) isd, isq idiq = 2/3/P*Lr/Lm/Lm*Te is = sqrt(2)*Is_RMS % id^2 + (idiq/id)^2 = is^2 % Hay id^4 - (is^2)*id^2 + idiq^2 = 0 a = 1 b= -is^2 c = idiq^2 delta = b^2 - 4*a*c id2 = (-b-sqrt(delta))/2/a iq2 = (-b+sqrt(delta))/2/a id = sqrt(id2) % id < iq iq = sqrt(iq2) % b) PHIr PHIr = Lm*id % c) Wsl Wsl = Lm*iq/(Tr*PHIr) % d) n ns = 60*f/P n = ns - 60/2/pi*(Wsl/P) % e) K1, K2 K1 = iq/Te K1 = 2/3/P*Lr/Lm/Lm/id K2 = 1/Tr/id K2 = Wsl/iq %delta disp('Ket qua _________________________________________________________') TEXT = sprintf('a) id = %f', id); disp(TEXT) TEXT = sprintf('a) iq = %f', iq); disp(TEXT) TEXT = sprintf('b) PHIr = %f', PHIr); disp(TEXT) TEXT = sprintf('c) Wsl = %f', Wsl); disp(TEXT) TEXT = sprintf('d) n = %f', n); disp(TEXT) TEXT = sprintf('e) K1 = %f', K1); disp(TEXT) TEXT = sprintf('e) K2 = %f', K2); disp(TEXT) Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 79 Chương VI: Điều khiển động cơ đồng bộ ba pha VI.1: Động cơ đồng bộ 3 pha. N S A+ B+ C+ B- A- C- Flux Φ f ns N S A+ B+ C+ B- A- C- A B C N N S Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 80 θe αe X Axe bobine a a' a a' γe Axe bobine b b' Axe bobine c c' b b' c c' Axe inducteur N S N S A- B+ A+ C+ C- B- A B C Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 81 VI.2: Mô hình động cơ trong HTĐ từ thông rotor (Ψr). Ký hiệu: f2s πω = pΨ từ thông rotor (nam châm vĩnh cửu). s sd sd R LT = với Lsd là điện cảm dọc trục. s sq sq R L T = với Lsq là điện cảm ngang trục. sd sd sq sd sq ssd sd sd u L 1i L L i T 1 dt di ++−= ω sq p ssq sq sq sq sd sq sd s sq L u L 1i T 1i L L dt di Ψ−+−−= ωω psdsdsd Li Ψ+=ψ sqsqsq Li=ψ Ua Ra jXs Ia If Rf Uf Φaf Eaf n Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 82 ( )sdsqsqsdco iiP23M ψψ −= dt dJMM cocco ω=− VI.3: Điều khiển FOC động cơ đồng bộ ba pha. isd → sψr isq → Mcơ → ωco Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 83 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 26/09/2010 84 Tài liệu tham khảo: 1. Phan Quốc Dũng, Tô Hữu Phúc, “Truyền Động Điện”, NXB ĐHQG TP.HCM, 2008. 2. Nguyễn Văn Nhờ, “Cơ sở Truyền Động Điện”, NXB ĐHQG TP.HCM, 2003. 3. Nguyễn Phước Vĩnh Tùng, “Biến Tần ALTIVAR”, Schneider Electric, 2010. 4. Bài giảng điện tử của Siemens. 5. Lê Minh Phương, Bài giảng “Truyền Động Điện”, ĐH Bách Khoa TP.HCM. 6. Trần Công Binh, Bài giảng “Kỹ Thuật Điện 2”, ĐH Bách Khoa TP.HCM. 7. Trần Công Binh, Bài giảng “Hệ Thống Điều Khiển Sô” , ĐH Bách Khoa TP.HCM. 8. Trần Công Binh, Bài giảng “Điều khiển động cơ một chiều” , ĐH Bách Khoa TP.HCM. 9. Trần Công Binh, Bài giảng “Điều khiển các máy điện xoay chiều” , ĐH Bách Khoa TP.HCM. 10. Tài liệu từ internet.
File đính kèm:
- bai_giang_truyen_dong_dien_tran_cong_binh_ban_dep.pdf