Bài giảng Truyền động điện DC & AC - Trần Công Binh
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
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Truyền động điện DC & AC - Trần Công Binh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Truyền động điện DC & AC - Trần Công Binh
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 Tru ... 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_dc_ac_tran_cong_binh.pdf

