›
›

Giáo trình Truyền động điện - Chương 4: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

pdf 70 trang huongle 4750
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Truyền động điện - Chương 4: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_truyen_dong_dien_chuong_4_dieu_khien_toc_do_dong.pdf

Nội dung text: Giáo trình Truyền động điện - Chương 4: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

  1. Chương 4 ĐiỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1
  2. Động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ 3 pha gồm 2 loại: Rotor lồng sóc Rotor dây quấn Động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc 90kW, 1484v/ph, 630kg (Nguồn: ABB motors) 2
  3. Động cơ không đồng bộ 3
  4. Động cơ không đồng bộ 4
  5. Động cơ không đồng bộ 5
  6. Động cơ không đồng bộ Theo đặc tính cơ, tiêu chuẩn NEMA của Mỹ chia động cơ không đồng bộ thành 4 lớp A, B, C, D: Lớp B: loại thông dụng (general purpose) Lớp A: có momen tới hạn cao và độ trượt định mức thấp, dùng trong các ứng dụng có yêu cầu momen tới hạn cao như máy ép phun (injection molding machine) Lớp C: dùng trong các ứng dụng yêu cầu momen khởi động cao, như băng tải, thang cuốn Lớp D: có độ trượt định mức cao, dùng trong cơ cấu nâng hạ hoặc các tải có chu kỳ như máy đột dập (punch press machines) 6
  7. Động cơ không đồng bộ Đặc tính cơ tiêu biểu của ĐC KĐB lớp A, B, C, D (tiêu chuẩn NEMA – Mỹ) 7
  8. Mạch tương đương của ĐC KĐB R '2 s Áp dụng định lý Thevenin: VX m Vt 2 2 RXX1 1 m 1 XX1 m t tan 2 R1 jXm R1 jX 1 Rt jX t R1 j() X 1 X m R '2 s Vt t 8
  9. Giản đồ vector R '2 s X1I1 R1I1 E I’ I V 2 1 Momen động cơ: ' MKIKI .2 .sin 2  . 1 .sin  1 Im Hay : ' MKI .2 .cos  2 9
  10. Các công thức tính toán cơ bản về ĐC KĐB Tốc độ đồng bộ: 2 f   1 db p p Độ trượt (slip):   s db db Tốc độ trượt: sl  db  s  db Tốc độ động cơ (tốc độ quay của rotor):  (1 s ) db 10
  11. Các công thức tính toán cơ bản về ĐC KĐB Quan hệ giữa dòng stator và dòng rotor: R''' s j X X I 2 2m 2 I1 jX m Công suất truyền qua khe hở không khí (công suất điện từ): ' '2 R2 PIdt 3 2 s Tổn hao đồng rotor: '2 ' PIRCu r 3 2 2 Công suất cơ (công suất đưa ra trục động cơ): '2 ' Pc P dt 3 I2 R 2 (1 s ) P dt Momen sinh ra trên trục động cơ (momen điện từ): ' PPc dt 3 '2 R2 MI 2 11  db  db s
  12. Các công thức tính toán cơ bản về ĐC KĐB Momen cực đại của động cơ: 3 V 2 M t max 2 2db 2 ' RRXXt t t 2 Độ trượt tại đó momen động cơ đạt cực đại: ' R2 sm 2 ' 2 RXXt t 2 12
  13. Khởi động và hãm ĐC KĐB • Khởi động: – Động cơ KĐB rotor dây quấn: thêm điện trở vào mạch rotor – Động cơ KĐB rotor lồng sóc: giảm áp stator • Đổi nối Y- • Dùng biến áp tự ngẫu • Các chế độ hãm: – Hãm tái sinh – Hãm ngược – Hãm động năng 13
  14. Hãm động năng ĐC KĐB – Mạch tương đương  db1 db1 ' X X 2 1  db db  '  db1 X R db1 m 2   db db1 Mạch tương đương của động cơ ở tần số đb1, suy ra từ mạch tương đương ở tần số đb 14
  15. Hãm động năng ĐC KĐB – Mạch tương đương db R1 ' db1 X1 X 2   R' db db V X 2 m db1  db1 Mạch tương đương của động cơ ở tần số đb1, suy ra từ mạch tương đương ở tần số đb 15
  16. Hãm động năng ĐC KĐB – Mạch tương đương ' R1 X 2 I’2 Im R' Iđt 2 E X m 1 s Iđt: dòng xoay chiều (tần số db ) tạo ra sức từ động tương đương với dòng một chiều Id chạy trong cuộn dây stator ở chế độ hãm động năng. ' Dấu – trong thành phần R2 (1 s ) chỉ ra động cơ lúc này nhận năng lượng từ tải (chế độ hãm). Khi đã lưu ý là momen lúc này có chiều ngược lại so với chế độ động cơ, sẽ không cần kể tới dấu – này trong mạch tương đương. 16
  17. Hãm động năng ĐC KĐB – Mạch tương đương Trình tự tính toán đặc tính cơ của động cơ ở chế độ hãm động năng khi biết đặc tính từ hóa E(Im) của động cơ: Lấy một giá trị Im, Suy ra giá trị E tương ứng theo đặc tính từ hóa, E Tính Xm: X m Im 2 2 '2 IIdt m Tính I’2: I 2 2X ' 1 2 X m R' Tính độ trượt s: s 1 2 '2 '2 EIX/ 2 2 Tính tốc độ động cơ tương ứng:  (1 s ) db ' 3 '2 R2 Tính momen động cơ: MI 2 db 1 s 17
  18. Điều khiển tốc độ động cơ KĐB Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB: 1. Điều khiển điện áp stator 2. Điều khiển tần số 3. Điều khiển điện trở stator 4. Điều khiển công suất trượt 18
  19. Điều khiển điện áp stator . Thường sử dụng với tải bơm hay quạt gió . Phạm vi điều chỉnh tốc độ không cao . Momen tải quạt gió: 2 2 Mc C (1 s )  db 19
  20. Điều khiển điện áp stator Vdm .75 Vdm .5 Vdm M(Nm) Đặc tính động cơ không đồng bộ khi điều khiển bằng cách thay đổi điện áp stator 20
  21. Điều khiển điện áp stator Bỏ qua ma sát trên trục động cơ, tổn hao do quạt gió Có thể chứng minh được dòng rotor tính bởi công thức: C3 (1 s ) s I ' db 2 3 ' R2 R '2 s 21
  22. Điều khiển điện áp stator ' Nếu bỏ qua dòng từ hóa, xem II2 1 , có thể chứng minh được: I (1 s ) s 1 Idm (1 sdm ) s dm Tỉ số này đạt cực đại tại s = 1/3, khi đó: I 2 max Idm 3 3(1 sdm ) s dm 22
  23. Điều khiển điện áp stator 1.4 m d I / 1 I 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 23
  24. ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp f . Gọi a . fdm . Với a 1 (f>fđm): động cơ được điều khiển với V = const = Vđm, 24
  25. ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp Họat động với a<1 . Từ thông không đổi dòng từ hóa = định mức, . Có thể chứng minh được: E E dòng từ hóa = định mức const dm f fdm E . Nếu bỏ qua sụt áp trên điện trở và điện kháng stator, nguyên lý const có thể thay f V bằng const f 25
  26. ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp Họat động với a<1 . Hai phương pháp điều khiển tần số và điện áp động cơ KĐB: E o Phương pháp từ thông không đổi: const f V o Phương pháp const f 26
  27. ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp E Phương pháp từ thông không đổi: const f . Dòng qua động cơ: ' Edm II1 2 R'2 2 X '2 ()sa 2 2 . Momen động cơ: 2 ' ERdm 2 3 M as  R'2 db 2 X '2 ()sa 2 2 ' . Với cùng một giá trị của sa, momen M, dòng rotor I2 và dòng stator I1 là không đổi. 27
  28. ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp E Phương pháp từ thông không đổi: const f . Lưu ý: adb   sl sa sadb  sl = tốc dộ trượt db  db ' . Vậy, suy ra: với cùng một giá trị của tốc độ trượt, momen M, dòng rotor I2 và dòng stator I1 là không đổi. '' . Nếu xem R2 s X 2 , momen động cơ có thể tính như sau: 2 3Edm M 2 ' () asdb const  sl db R2 28
  29. ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp E Phương pháp từ thông không đổi: const f . Độ trượt tại đó động cơ đạt Mmax là: ' R2 sm ' aX 2 . Momen cực đại của động cơ: 3 Edm M max ' 2db X 2 29
  30. ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp E/f = const (từ thông không đổi) 350 300 250 ) s / 200 d a r ( 150 100 50 0 -500 0 500 30
  31. ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp E/f = const (từ thông không đổi) 200 a = f/fđm 180 160 ) s 140 / d a r ( 120 a = 1 100 80 .75 60 40 .25 .5 20 .1 0 0 100 200 300 400 500 M(Nm) Họ đặc tính cơ khi điều chỉnh theo quy luật E/f = const (a = f/fđm < 1: điều chỉnh dưới tần số định mức) 31
  32. ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp V Phương pháp const f R1 aX1 aX’2 I’2 I1 Im R' E 2 V Xm s 32
  33. ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp V Phương pháp const f . Momen động cơ: R' V 2 2 3 dm M as ' 2  2 db RR1 2 ' XX1 2 a sa . Momen cực đại của động cơ: 2 3 Vdm M max 2 2 2db ' R1 a R 1 a X 1 X 2 33
  34. ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp – V/f = const 350 300 250 ) s 200 / d a r ( 150 100 50 0 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 34
  35. ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp – V/f = const 200 a = f/fđm 180 160 a = 1 140 ) s 120 / d a r ( 100 .75 80 60 .5 40 .25 20 .1 0 0 50 100 150 200 250 M(Nm) Họ đặc tính cơ khi điều chỉnh theo quy luật V/f = const Thông số động cơ: 4 cực, sđm = 0.05, fđm = 50Hz R1=0.4 Ohm ,X1=0.8 Ohm, R’2=0.25 Ohm, X’2 = 0.8 Ohm, Xm = 20 Ohm 35
  36. ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp – V/f = const 200 180 160 140 120 ) s / 100 d a r ( 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 36
  37. ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp Họat động với a>1 . Momen động cơ: R' V 2 2 3 dm M as ' 2  2 db R2 ' RXX1 1 2 s . Momen cực đại của động cơ: 2 3 Vdm M max 2 2 2db 2 ' R1 R 1 a X 1 X 2 37
  38. ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp Điều chỉnh trên tần số định mức 350 a = f/f 2.0 đm 300 1.75 250 1.5 ) s 200 / d a r ( 1.25 150 100 a = 1 50 0 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 M(Nm) Họ đặc tính cơ khi điều chỉnh theo quy luật V/f = const (a = f/fđm > 1: điều chỉnh trên tần số định mức) 38
  39. (rad/s) Điều chỉnh Điềutrên tần số chỉnh định mức ĐC KĐB & Biến tần nguồnáp 39
  40. ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp Sơ đồ khối mạch điều khiển (kiểu vòng hở) + + Vo + - K v Khâu đ tạo trễ f 40
  41. ĐC KĐB & Biến tần nguồn áp Sơ đồ khối mạch điều khiển (kiểu vòng kín) Chỉnh lưu PWM Khâu hiệu chỉnh vòng điện áp V* + - Vht v Nghịch lưu + + đ sl - + f Khâu hiệu chỉnh vòng tốc độ Hồi tiếp áp Hồi tiếp tốc độ 41
  42. ĐC KĐB & Biến tần nguồn dòng Đặc tính cơ ở tần số định mức Do sự phi tuyến giữa E và Im, đặc tính của động cơ ở tần số định mức tính theo các bước: Chọn giá trị Im (Im < I1), Tính E và Xm từ đặc tính từ hóa 2 2 ' II1 m Tính I’2: I 2 2X ' 1 2 X m R' Tính s từ công thức: s 2 ' 2 '2 ()EIX2 2 ' 3 '2 R2 Momen động cơ: MI 2 db s 42
  43. ĐC KĐB & Biến tần nguồn dòng Đặc tính cơ ở tần số định mức Để động cơ hoạt động với từ thông không đổi: ' 2 R2 '2 X 2 s II2 2 m ' 1 2 R2 ' XXm 2 s 43
  44. ĐC KĐB & Biến tần nguồn dòng Đặc tính cơ ở tần số định mức 60 50 40 ) A ( 1 I 30 20 10 0 -15 -10 -5 0 5 10 15 44
  45. ĐC KĐB & Biến tần nguồn dòng Đặc tính cơ ở tần số định mức Momen động cơ khi đó: 2 2 ' 3 I1 Xm R 2 s M  ''2 2 db R2 s Xm X 2 45
  46. ĐC KĐB & Biến tần nguồn dòng Đặc tính cơ ở tần số f < fđm Tại tần số f = a fđm: 2 R' 2 X '2 as 2 II2 2 m ' 1 2 R2 ' XXm 2 as Tại tần số f = fđm (nghĩa là a = 1): 2 ' R2 '2 X 2 2 s1 2 II m ' s1 R 2 2 ' XXm 2 s 1 s1 : độ trượt tại tần số định mức 46
  47. ĐC KĐB & Biến tần nguồn dòng Đặc tính cơ ở tần số f < fđm Với dòng stator không đổi, nghĩa là I1 = Is1 , để dòng từ hóa Im không đổi với mọi giá trị của a, ta cần có: 2 ' 2 ' R2 '2 R2 '2 X 2 X 2 as s1 ' ' 2 2 R2 ' R2 ' XXm 2 XXm 2 as s 1 Đẳng thức này dẫn đến: sa = s1 Hay: asdb s1  db Tốc độ trượt tại tần số afđm = Tốc độ trượt tại tần số fđm = sl Nghĩa là quan hệ I()1 sl để động cơ làm việc với từ thông không đổi tại tần số định mức cũng đúng với mọi tần số khác. 47
  48. ĐC KĐB & Biến tần nguồn dòng 60 50 40 ) A ( 1 I 30 20 10 0 -15 -10 -5 0 5 10 15 48
  49. ĐC KĐB & Biến tần nguồn dòng Momen động cơ khi hoạt động với tần số khác định mức: 2 2 ' 3 I1 Xm R 2 sa M  ''2 2 db R2 sa Xm X 2 Với: a = f/fđm 49
  50. ĐC KĐB & Biến tần nguồn dòng 350 300 250 200 ) s / d a r ( 150 100 50 0 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 50
  51. ĐC KĐB & Biến tần nguồn dòng 160 I1 = 1.25 Iđm Iđm 140 0.5Iđm 120 0.25Iđm ) s / 100 d a r ( 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 M(Nm) Đặc tính động cơ không đồng bộ hoạt động với biến tần nguồn dòng (vẽ tại tần số định mức) 51
  52. ĐC KĐB & Biến tần nguồn dòng Khâu hiệu chỉnh vòng dòng điện Id* Mạch Chỉnh + kích lưu - Iht Hồi tiếp dòng Khối tạo hàm điều khiển từ thông Nghịch sl lưu đ + + - + f Khâu hiệu chỉnh vòng tốc độ Hồi tiếp tốc độ 52
  53. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRUỢT ĐỘNG CƠ ROTOR DÂY QUẤN • Điều khiển xung điện trở rotor • Hệ nối tầng tĩnh 53
  54. ĐIỀU KHIỂN XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR Các giả thiết khi giải tích hệ thống: 1. Bỏ qua hiện tượng trùng dẫn xảy ra trong cầu chỉnh lưu diode, 2. Dòng Id xem là liên tục và phẳng 3. Momen động cơ sinh ra do sự tương tác giữa hài bậc 1 của dòng rotor và từ thông trong khe hở không khí giữa stator và rotor, 4. Tổn hao trên cầu diode và khóa bán dẫn không đáng kể 54
  55. ĐIỀU KHIỂN XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR Năng lượng hấp thụ bởi R trong một chu kỳ T: 2 WR I d R() T t on Công suất trung bình hấp thụ bởi R: 1 P I2 R( T t ) I 2 R (1  ) với  t/ T RT d on d on Giá trị đẳng trị của điện trở R: RR* (1  ) 55
  56. ĐIỀU KHIỂN XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR 56
  57. ĐIỀU KHIỂN XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR 57
  58. ĐIỀU KHIỂN XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR Giá trị hiệu dụng của dòng pha rotor: 2 II rms3 d Giá trị hiệu dụng của hài bậc 1 dòng pha rotor: 6 II 2 d Suy ra: 3 II 2 rms Công suất tiêu thụ trên 1 pha rotor: 1 PRRIRRI  (1  ) 2 0.5 (1  ) 2 e3 d d d rms Điện trở đẳng trị trên mỗi pha rotor: * RRRdt 0.5 d (1  ) 58
  59. ĐIỀU KHIỂN XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR Mạch tương đương của động cơ khi họat động với hệ xung điện trở suy ra trên nguyên tắc bảo tòan công suất, bao gồm: 1. Công suất cơ do hài bậc 1 của dòng rotor gây ra, 2. Tổn hao trên điện trở do hài bậc 1 và sóng hài gây ra. Công suất điện từ truyền qua khe hở không khí = Công suất tiêu thụ bởi mạch rotor 2 * Pdt 3 EI2 cos r 3 I rms ( R 2 R dt ) P c 3 Mà: II 2 rms Nên: 2 3EI cos I2 ( R R * ) P 2 r3 2 2 dt c 2 P EIcos I2 ( R R * ) c 2 r9 2 2 dt 3 59
  60. ĐIỀU KHIỂN XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR Công suất trượt tương ứng với dòng hài cơ bản (bậc 1) của dòng rotor: 2 * sPdt1 3 I 2 ( R 2 R dt ) Trong đó: Pđt1: Công suất điện từ ứng với hài cơ bản của dòng rotor, Công suất cơ sinh ra bởi hài cơ bản của dòng rotor: (1 s ) P (1 s ) P 3 I2 ( R R * ) c dt2 2 dt s Từ đó, ta có công suất điện từ truyền qua khe hở không khí là: 2 * *()RR2 dt 2 R f 2 EI2cos r 1 ( R 2 Rdt ) I 2 R h I 2 9 s s 60
  61. ĐIỀU KHIỂN XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR ' R f s Mạch tương đương 1 pha của ĐC KĐB khi sử dụng mạch điều khiển xung điện trở rotor 61
  62. ĐIỀU KHIỂN XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR Mạch tương đương 1 pha của ĐC KĐB khi sử dụng mạch điều khiển xung điện trở rotor 2 * RRRh 1 (2 dt ) 9 * RRRf ()2 dt Quy đổi về stator: ' 2 R aT1 R h h ' 2 Rf a T1 R f Lưu ý: aT1: tỉ số vòng stator/ rotor, 62
  63. HỆ NỐI TẦNG TĨNH 63
  64. HỆ NỐI TẦNG TĨNH Các giả thiết khi giải tích hệ thống: 1. Bỏ qua hiện tượng trùng dẫn xảy ra trong cầu chỉnh lưu diode, 2. Dòng Id xem là liên tục và phẳng 3. Momen động cơ sinh ra do sự tương tác giữa hài bậc 1 của dòng rotor và từ thông trong khe hở không khí giữa stator và rotor, 4. Tổn hao trên cầu diode và khóa bán dẫn không đáng kể, 5. Biến áp được giả thiết là lý tưởng (bỏ qua điện kháng tản, tồn hao) 6. Bỏ qua hiện tượng trùng dẫn trên cầu nghịch lưu 64
  65. HỆ NỐI TẦNG TĨNH - Nguyên lý hoạt động Điện áp ngõ ra bộ chỉnh lưu: Điện áp phía DC của cầu nghịch lưu: 3 6 sV 3 6 V V V cos d a I T1 aT2 V: điện áp pha cung cấp cho stator aT1: tỉ số vòng dây stator/rotor Nếu bỏ qua Rd, ta có: VVd I 0 Suy ra độ trượt s (nghĩa là tốc độ động cơ) có thể điều chỉnh theo góc kích : aT1 s cos aT cos aT 2 Công suất điện từ do động cơ sinh ra: VI P d d dt s Momen điện từ động cơ sinh ra: P3 6 VI M dt d db a T1  db 65
  66. HỆ NỐI TẦNG TĨNH – Mạch tương đương Công suất điện từ truyền sang phía rotor: PPPPdt c cur r Pc: công suất cơ, Pcur : tổn hao đồng trên rotor, Pr : công suất trả về lưới, Lưu ý là công suất cơ (và tương ứng là momen cơ) do thành phần hài cơ bản của dòng rotor sinh ra, còn tổn hao đồng rotor do dòng rotor hiệu dụng sinh ra. 66
  67. HỆ NỐI TẦNG TĨNH – Mạch tương đương Công suất điện từ Pđt có thể tính như sau: 2 23 2 VI2 PRRIRRIdt 3 1 (2 0.5 d ) 2 ( 2 0.5 d ) 2 cos 9 s aT 2 Suy ra, công suất điện từ trên 1 pha rotor là: 2 2(RR2 0.5d ) 2 1V cos EI2cos r 1 ( R 2 0.5 Rd ) I 2 I 2 I 2 9 s s aT 2 Hay: R V EIcos R I2 f I 2 r I 2 rh 2s 2 s 2 Trong đó: 2 RRRh 1 (2 0.5 d ) 9 RRRf (2 0.5 d ) V cos Vr aT 2 Quy đổi sang phía stator: R' ' ' ' '2f '2Vr ' EI2cos r Rh I 2 I 2 I 2 s s 67
  68. HỆ NỐI TẦNG TĨNH – Mạch tương đương ' Rf s ' Vr s 68
  69. HỆ NỐI TẦNG TĨNH – Mạch tương đương Để vẽ đặc tính cơ của động cơ với góc kích cho trước: - Lấy giá trị của độ trượt s, - Tính ra giá trị dòng rotor I’2: VRVRRXVV 2 2 ( 2 2 )( 2 2 ) I ' td td2 td 2 RX2 2 Trong đó: R' RRR ' f 1 h s V ' V r td s ' XXX 1 2 - Công suất cơ sinh ra: (1 s ) PIRVI 3 '2 ' ' ' c 2 f r 2 s - Momen động cơ sinh ra: P 3 c '2 ' ' ' MIRVI 2f r 2 (1 s )db s  db 69
  70. HỆ NỐI TẦNG TĨNH – Mạch tương đương 160 140 120 ) s 100 / d a r ( 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 70