1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRẦN MINH NHỰT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
TRONG CẦU TRỤC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN A VƯƠNG
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU ÁP STATOR
VÀ XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR

Chuyên ngành : Tự động hóa
Mã số: 60.52.60
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2012 2


MỞ ĐẦU

1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Ngày nay hầu hết trong cầu trục đều sử dụng biến tần để điều khiển
động cơ nâng hạ. Với một số ưu thế tuyệt đối là khởi động mềm và
điều chỉnh tốc độ động cơ vô cấp, đường đặc tính cơ mềm hơn rất
nhiều so với các hệ còn lại, nhưng khi sử dụng bộ biến tần thì giá
thành đắt, khó sửa chửa khi sự cố xảy ra, hầu hết là phụ thuộc vào
nhà sản xuất. Với đề tài “Điều khiển động cơ không động bộ 3 pha
trong cầu trục nhà máy thủy điện A Vương bằng phương pháp
điều áp stator và xung điện trở rotor”, luận văn góp phần xây dựng
hệ điều khiển có thể thay thế phương pháp trên nhưng vẫn đạt yêu
cầu về khởi động và điều chỉnh tốc độ vô cấp, giá thành hạ, dể sửa
chửa khi có sự cố.
2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là động cơ không đồng bộ ba pha
(động cơ nâng hạ) trong cầu trục nhà máy thủy điện
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hệ thống tự động điều chỉnh dòng
khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha với
momen không đổi
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu tổng quan về động cơ không đồng bộ ba pha và các
đặc tính khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ
Nghiên cứu phương pháp điều khiển PID trong động cơ không
đồng bô ba pha
Xây dựng mô hình trên matlab simulik để đánh giá trên quả thu
được
4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ TÀI
2


Hình 1.1: Cấu tạo cầu trục
Với: G=150 tấn, G
0
= 500Kg, R
t
= 0,4m, u = 12, v
n
= 0,2m/phút,
i = 340
4

với
2
t
n
R n
i
u v

 

12 0, 2 340
2 2 3,14 0, 4
n
t
i u v
n

Hình 1.2: Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng-hạ
M
M
C
5

CHƯƠNG 2:
TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG
Chọn công suất động cơ phù hợp với yêu cầu truyền động là một
khâu quan trọng trong quá trình tiến hành thiết kế hệ thống. Việc
chọn công suất động cơ bao hàm cả việc chọn loại động cơ.
2.1. CHỌN LOẠI ĐỘNG CƠ
2.2. XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ PHỤ TẢI TĨNH
Khi nâng tải: v
n
= 0,2m/phút
M
n
=
c
t
iu
RGG


)(
0

= 17,35 (Kg.m) = 170,3(N.m)
P

(N.m)
P
h
=
1000
).(
0 h
vGG 
(2 -
c

1
) = 30,9 (Kw)
Khi hạ không tải hoặc nâng không tải, công suất động cơ thay đổi.
Hệ số mang tải:
K =
đm
GG
G

0
0
= 0,0033

co

=
1
1
a


.
.0
= 1,634(Kgm) = 16,02 (Nm )
P
no
=
co
n
vG

.1000
.
0
= 4,1 (Kw)
+ Khi hạ không tải:
M
ho
=
i
u
RG
t
.
.
0
( 2-
co

1

r
 

- Điện kháng của dây quấn stator :
1
0 ,1 6
x
 

7

- Điện trở roto qui đổi về stator :
,
2
0 , 0 7 7 4
r
 

- Điện kháng của dây quấn rotor :
,
2
0 , 2 3 7
x
 

- Độ trượt định mức :
0, 035
dm
s 


3.1.1. Các yêu cầu mở máy cơ bản
3.1.2. Các phương pháp mở máy
a. Phương pháp “khởi động cứng”
b. Xây dựng mô hình vật lý khởi động động cơ trong matlab
bằng phương pháp đóng điện trực tiếp
Từ những thông số động cơ đã chọn ở chương 2, ta đi xây dựng mô
hình khởi động trên matlab
Continu ous
powergui
Torque
step
Scope3
-K-
Gain1
m
A
B
C
a
b
c
Tm
Dong co 55Kw
0
Constant
torque
CBA
Iabc (A)
<Rotor speed (wm)>


c. Phương pháp “Khởi động mềm”
d. Lựa chọn phương án
3.2. KHỞI ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNGNG BỘ BẰNG CÁCH
BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP NGUỒN ĐẶT LÊN CUÔN STATOR
3.2.1. Nguyên lý điều chỉnh
3.2.2. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha
3.2.3. Đặc tính cơ khi điều chỉnh điện áp stator
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1

ak
Thyristor3
g m
a k
Thyristor2
gm
ak
Thyristor1
g m
a k
Thyristor
Out1
Subsystem1
Scop e3
Scop e2
Pulse
Gene rator1
DongphaA
DongphaB
DongphaC
Udk
DX
TA+
TA-
TB+
TB-
TC+
TC-
Khoi ph at xung
-K-

dong khoi dong bang phuong phap ha dien ap dat vào

Hình 3.11: Kết quả mô phỏng khởi động động cơ bằng phương điều
áp xoay chiều
3.3. HỆ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG
PHÁP XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR
3.3.1 .Nguyên lý điều chỉnh
3.3.2 Đánh giá và phạm vi ứng dụng
3.3.3 Mô tả toán học động cơ điện và bộ điều khiển xung điện
trở rotor
a. Đặc tính điều chỉnh xung điện trở rotor
b. Nguyên lý làm việc hệ điều chỉnh tốc độ xung điện trở rotor
3.4. ĐIỀU ÁP STATOR VÀ XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR CÓ
ĐỔI CHIỀU QUAY
3.4.1. Sơ đồ mạch lực
11 Hình 3.15: Sơ đồ điều áp stato và xung điện trở roto
3.4.2. Đặc tính điều chỉnh

Hình3.16: Đặc tính cơ của hệ truyền động ĐAXC và xung điện trở
roto
3.4.3. Nguyên lý điều chỉnh điều áp stator và xung điện trở
rotor
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

12

CHƯƠNG 4:

3,89 4,4 5 5,56 6,11 6,67 7,22 7,78 8,33 8,89
U
(1)
(V)
66 120 190 243 294 340 380 380 380 380
Từ các số liệu ở bảng trên ta vẽ được các đặc tính điều chỉnh với
các góc  tương ứng.
4.1.3. Thiết kế hệ điều khiển khởi động mềm sử dụng điều
áp xoay chiều
a. Sơ đồ khối của hệ
13
b. Nguyên lý hoạt động của mạch
4.2. TÍNH CHỌN CÁC THÔNG SỐ VÀ HÀM TRUYỀN ĐẠT
CỦA HỆ THỐNG
4.2.1. Khâu phản hồi dòng điện
Vậy ta có hàm truyền của khâu phản hồi dòng:

phi
=
0,02.
1 0,047

 

4.2.4. Hàm truyền của động cơ
a. Hàm truyền của động cơ khi có phản dòng điện
W
đc
=
23,8
1 0,012
p


Ta có sơ đồ khối của vòng phản hồi dòng điện :
KNi

W
đc
(
W
bbđ

ph

KN

phi
(
U
đk
b. Hàm truyền của động cơ khi có phản hồi tốc độ
Vậy hàm truyền của động cơ trong mạch vòng phản hồi tốc độ:
0 , 4 4
W
1 0 , 0 1 9
d c
p



Ta có sơ đồ cấu trúc của hệ khi chỉ có phản hồi tốc độ:

c. Hàm truyền của toàn hệ thống
+ Xét mạch vòng phản hồi dòng điện :
Hàm truyền của hệ hở:

hi
= W
bbđ
.W



0,05.K
ca

U
đk
U
đặt
U
ph
-



56,9
1 0,0033
p


23,8
1 0,012
p


KNi
0 , 0 2.
1 0, 0 4 7
ca i
K

cai
K
p p p K

 

   

+ Xét mạch vòng phản hồi tốc độ:
Hàm truyền của hệ hở:

h
= W
bbđ
.W
đc
.
ph5 2
1,234.
6,27.10 0,0223. 1
ca
h
K
p p




Ta thu được đáp ứng bước
dap ung he thong Kcai=0,5
Time (sec)
Amplitude
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6Các chỉ tiêu chất lượng:
- Sai lệch tĩnh: e = 1,39%
- Độ quá điều chỉnh( overshoot) :  = 64,44 %
- Thời gian điều chỉnh(setting time) : 0,225 s
+ Khi K
cai
= 0,3 :
Hình 4.8
: Đ
áp
ứng b
ư
ớc của hệ thống khi có


Amplitude
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
Các chỉ tiêu chất lượng:
- Sai lệch tĩnh: e = 1,8 %
- Độ quá điều chỉnh( overshoot) : = 0%
- Thời gian điều chỉnh: 0,0436s
- Khi
ca
K

= 0,3 :
Hình 4.9:
Đ
áp
ứng b
ư
ớc của hệ thống khi có



Các chỉ tiêu chất lượng:
- Sai lệch tĩnh: e = 1,85 %
- Độ quá điều chỉnh( overshoot):  = 0
- Thời gian điều chỉnh: 0,0538 s
4.3. XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR
4.3.1. Tính điện trở điều chỉnh
Vì mômen của cơ cấu nâng hạ trong quá trình điều chỉnh là như
nhau M = const nên ta có:
2
2
2 2
2 2
1 1
3 ( )
3
f
dm B
I r R
I r
S S
 



Suy ra:
2
2 2
2
1 1

R
- r
2
) = 1,5675- 0,0606 = 1,507 ()
4.3.2. Tính điện trở một chiều quy đổi về rotor
Vậy: R
f
=
fd
d
RR
R
2
2


Thay số: R
d
= 2.1,507= 3,014 ()
Hình 4.10:
Đáp
ứng b
ư
ớc của hệ thống khi có phản hồi
dòng điện với K
caw
= 0,3
18

4.3.3. Tính toán bộ chỉnh lưu rotor

T
d
=
3 3
2.9, 75.10 20, 2.10
0, 00 855
2.0, 0606 1, 507 3, 01 4
 


 

1
'
2
2
'
2
2
1
f
nm
U
I
R
r X
s

 
 

2 2
2
1
1
. ( )
( )
i f
nm
R
K U r
I
s s
C
R
R
r X
s


  

 
 
 
 

19

2
3

6
1
2
2


2 2
1 1 1
2
2
2
1 1
3. .
. .
f nm
nm
R
U R R X
S
M
B
R
R
S R X
S

 
 
 
 

 
 
 
 

 
 
  

 
 
 
 
 
 
 
 

c. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện và tốc độ xung điện trở
rotor
Do ảnh hưởng của khâu
s
I



và
C
M là không đáng kể nên
để dễ cho việc tổng hợp mạch vòng ta có thể bỏ qua. vậy ta có sơ đồ

s s
F
p p
 

 

Trong đó:
sdsf
TTT  ),min(


Thay vào ta có:

1 . 1 1
2 . 2 2 . 2 .
d d
i R
S S s S
T p T
R K
KT p T K T K p T K p

    

Vậy bộ điều chỉnh dòng điện có dạng khâu PI:
KT
T
K
s

Ta thấy rằng:
. 24 ,1 3.0, 0 0 9 7
0 , 0 0 1 9
1 2 2
B T d
C
 
là nhỏ có thể bỏ qua
Hàm truyền:
2 2
( ) /
(1 . )(1 . 2 . )
o
i S S
K A C B C
S
K J P T p T p T p





  

Áp dụng tiêu chuẩn Modun đối xứng
F

=
2 3
1 4 .



  

  

Vậy R

(p) có dạng khâu PI
Đặt
2 . 0 , 0 1 2 .0 , 0 0 1 5 0, 0 1 3 ( )
f S
T T s


    

1 1
1 , 3 5 0 , 0 7 0 3
R
P

 

22

4.4.3. Mô phỏng hệ thống điều chỉnh tốc độ xung điện trở
rotor trên matlab
a. Sơ đồ hệ thống mô phỏng
0.0 005s+1

Gai n
1478
<Rotor speed (wm)>

Hình 4.24: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ trên
matlab
b. Đồ thị tốc độ

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-100
0
100
200
300
400
500
600
Thoi gian (s)
Toc do (vong/phut)
Dap ung toc do voi Udk=4 V
Hình 4.25: Kết quả mô phỏng điều chỉnh tốc độ ứng với
4
dk
U V

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-200
0
200
400

dong dien roto

Hình 4.27: Kết quả mô phỏng dòng roto
4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG IV
Với kết quả mô phỏng trên ta nhận thấy rằng với hệ thống điều
khiển “điều áp stator và xung điện trở rotor” như đã thiết kế thì chất
lượng hệ thống luôn luôn được đảm bảo đáp ứng được tốc độ và
momen khi ta thay đổi vị trí đặt tại tín hiều đầu vào.
Kết quả mô phỏng thu được hoàn toàn phù hợp với các kết quả
nghiên cứu lý thuyết, điều này chứng tỏ thuật toán và cách thức xây
dựng bộ điều chỉnh là đúng và chính xác.