đồ án môn hoc
Tổng hợp hệ điện cơ
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 thớc gon nhẹ, độ tác động nhanh cao,
dễ dàng ghép nối với các thiết bị vi sử lý các hệ thuyền động ngày nay th-
ờng sử dụng nguyên tắc sử dụng véc tơ cho các động cơ xoay chiều. Phần
lớn các điều khiển này thơng dùng kĩ thuật số với chơng 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 ph ơng pháp tần số:
Phơng 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. Trớc hết chúng ta ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc
độ nhiều động cơ cùng một lúc nh các truyền động của nhóm máy dệt, băng
tải, bánh lăn phơng pháp này còn đợc ứng dụng cho cả các thiết bị đơn lẻ
nhất là những cơ cấu có yêu cầu tốc tốc độ cao nh 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 trờng
Nhợc 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 lới 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 đợc rút ra từ biểu thức xác định động cơ KĐB

thực hiện trong hệ kín . Khi đó nhờ các mạch hồi tiếp điện áp ứng với một tần
cho trớc 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 u 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 lợng cao do chỉ có một lần biến đổi điện năng .Thực
hiện hãm tái sinh năng lợng 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.Thờng dùng cho hệ truyền động công suất lớn,tốc độ làm việc thấp.
II.Biến tần gián tiếp:
Biến tần nguồn áp:
Đặc điểm là điện áp ra trên tải đợc 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 đợc thực
hiện dễ dàng bằng điều khiển qui luật mở van của phần nghịch lu .Phơng pháp
điều khiển này thay đổi dễ dàng tần số mà không phụ thuộc vào lới

NL
L
CL
NL
U
1
,f
1
U
2
,f
2
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

6
.
6
1
1
1
1
1
===
===






* 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 ngợc mở van phải chịu = U

(V)
U(V) T
off
(às)
I
g
(V) U
g
(V)
du/dt(V/às)
TL.250 250 300-1000 0,82 70-250 0,4 8 20-200
* Tụ chuyển mạch C1 - C6 đợc tính theo công thức
2
mn
m
maxm
1m
max
L
If
U
202,0L
fU
fI
91,0666,0C






10.6,14
50.5,63
380
202,010.6,14
100.380
50.5,63
91,0666,0C






+=

=212
à
F
Chọn C = 200
à
F
3




* Quận kháng L
d
d
d

= 116,7 (A); U
d
= 370 (V)
* Khi lấy điện áp cung cấp từ trớc ~380V

có thể không cần sử dụng
MBA.
Ta có:
41,0
63
coscos
63
2
2
=
ì
==
U
U
U
U
d
d




=65,3
0
- Dòng trung bình chảy qua T

im
(V)
U(V) T
off
(às)
I
g
(V) U
g
(V)
du/dt(V/às)
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


U
N
=220V P
N
=37kW n=720v/p
I
N

I
I
T
sdNrN
sqN
r
01822,0
1,689,87
7,113
=
ì
==

srad
n
f
NrN
/9,87
60
3
2 =






=

4. Tính điện kháng phức tiêu tán toàn phần X








= 342,0
91.3
220
2,109
1,68
72,062,0
5.Tính điện kháng phức X
h
.
=== 296,2342,0
1,68.3
220.2
3
2

X
I
U
X
sdN
N
h
)(022,0

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
===
=
ì
ìì
==
==
===



( )
( )
Pj
K
P
P
P
fF
U
F




+
==
1
R
C
R
T
W
f là hằng số thời gian của bộ lọc và <5ms
Chọn f = 0,001s = 1ms
Hàm truyền máy phát tốc:
b.Phản hồi dòng:
Sử dụng mạch phản hồi dòng một chiều có cấu tạo đợc trình bày trên hình vẽ
Nguyên lý hoạt động:Dòng Id sau mạch chỉnh lu đợc 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 đợc đa vào đầu vào của khuyếch đạI thuật toán để khuyếch đạI tạo

r2
r1
75mV
10v
r
sun
i
d
1
2
133
075.0
10
R
R
Uv
Ur
K ====
Chơng V: Tổng hợp hệ điều khiển
I. Luật điều chỉnh từ thông không đổi.
I
s
/I
sđm
w
sth
O
w
s
Từ các quan hệ tính mômen có thể kết luận rằng nếu giữ từ thông máy

đồ thay thế ta có thể tính đợc từ thông rotor và phơng trình cân bằng mạch
rotor ở dạng các thành phần vector trên các trục toạ độ ox và oy:







++=
++=
+=
+=


rxsryryr
rysrxrxr
ryrsymry
rxrsxmrx
pi.R0
pi.R0
i.LiL
i.LiL
Nếu giữ đợc biên độ vector từ thông
const
r
=
thì
r
p

R
L
T


=
Tách các số hạng dòng điện sang một vế, sau đó bình phơng 2 vế của
từng phơng trình và cộng hai phơng trình với nhau, đồng thời để ý rằng:





=+
=+
2
p
2
ry
2
rx
2
1
2
sy
2
sx
Iii
Ta có thể rút ra biểu thức cuối cùng:
2

Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tần số động cơ KĐB qua quan hệ I
1
(f
2
).
- Sơ đồ cấu trúc điều khiển gồm hai kênh điều khiển:
* Kênh điều khiển biên độ bao gồm hai mạch vòng điều chỉnh: mạch vòng
điều chỉnh tốc độ và mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Tín hiệu đầu ra của bộ
8
điều khiển tốc độ R

là tín hiệu đặt của mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Tín
hiệu ra của bộ điều chỉnh dòng điện là tín hiệu điều khiển biên độ a dòng I
d
.
* Kênh điều khiển tần số thực hiện quan hệ:
m21
fff +=
Trongđó f
m
: tần số quay
r
f
2
: tần số trợt
Tín hiệu tỉ lệ với dòng điện lấy ra từ đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ R

đợc đa
qua khâu đạo hàm phi tuyến
( )

=
- Để đơn giản trong việc tổng hợp các bộ điều chỉnh dòng điện R
i
và tốc độ R

ta giả thiết rằng:
Kênh điều chỉnh tần số do phần cứng đảm nhiệm sẽ đợc đề cập đến ở
chơng 5. Vì vậy ta sẽ tiến hành tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện R
i
và bộ
điều chỉnh tốc độ R

theo kênh 1.
Căn cứ vào biểu thức tính toán mômen và dòng điện ta có thể thành lập
đợc sơ đồ cấu trúc của hệ thống:
)(FT1
L
I
si
2
s
2
r
m
rdm
S
=+

=
2

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 trợt
* Ta có hàm truyền đạt bộ chính lu
CL
CL
dk
d
dkcr
pT1
K
U
U
W
+
==
+
U
d
: điện áp đầu ra CL




+
=
+
=
trong đó



=
R
L
T
=> Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển mạch vòng dòng điện.
10
I
rđ
U
d
U
đk
CL+ĐK
R
i
L
d
R
d

U
id
i
R
CL
CL
pT1
K
+
K
đo
III. Thành lập sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ.
* Mômen điện từ ở chế độ tĩnh có dạng
2
r
2
s
2
ss
2
2
m
T1
I
.
R
L
'p
2
3

M =
+

=
- Khâu phi tuyến I
d
(f
2
) hay I
d
(w
s
) có thể đợc tuyến tính hoá thành khâu khuếch
đại đơn giản
sdm
sdm
F
I
K

=
- Tuyến tính hoá biểu thức tính mômen động cơ (tại điểm định mức)
s
s
s
s
I
I
MM
M

S
U
đ
R
i
R

( )
( )


++ pT1pT1
R/K
CL
CL

32
F
M
X
X
r
2
m
R
L
2
3
Jp
1

s
22
r
2
sdm
2
r
2
sdm
2
sdm
r
2
s
=
+

=


=
+

=


* 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)
IV. Tính toán các tham số trong sơ đồ tuyến tính hoá.
1. Hệ số máy biến dòng điện (đo dòng một chiều)

+
=


3. Khâu khuếch đại tuyến tính F
i
sdm
sdm
F
I
K
i

=
I
sdm
: dòng điện định mức I
dđm
= 117 A (khi I
s
= đm = 91A)
s/rad4,75
55,9
720
55,9
n
s/rad7,104
3
f2
S

( )( )

++ pT1pT1
R/K
CL
ICL

32
B
F
i
A
+

pT1
K
Jp
1
_
+
r2
r1
75mV
10v
r
sun
i
d
12,3
3,29

pT1
R/1
I


+
=
trong đó


+=
+=
1d
1d
L2LL
R2RR
1
1
2 2 0,08 0,16
2 0,028 2 0,00054 0,02908
0,18175
1/
37,5 6,25
.
1 1 1 0,005 1 0,18175
d
CL
T
CL
R R

19,0
022,0
2
3
1
.2
2
3
*
86,13
01822,0.1,291
01822,0.1,291
91
19,0
022,0
2
3
1
1
2
3
*
22
2
22
2
2
22
22
2

L
B
A
T
T
J
R
L
A




6. Tính T quy đổi hệ thống.
2
qd
kgm8,1T =
V. Tổng hợp mạch vòng dòng điện.
- Ta có sơ đồ tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện R
r
:
Với
887,20.
1
.
2
==
doCLi
K
R

U
uđk
U
ir
U
id
-
R
i
)pT1)(pT1(
K
CL
i

++
=> Hàm truyền đạt bộ điều chỉnh dòng điện R
i
là khâu tỉ lệ tích phân (PI):
p
p
W
p
p
pT
pT
TK
T
W
ir
CLi






+
=

TTT
p
p
pR
CLs
i
=> Hàm truyền của mạch vòng dòng điện:
22
05,0.2005,0.21
1
)(
pp
pS
KI
++
=
*kiểm nghiệm bộ điều chỉnh dòng Ri bằng Matlab-Simulink:
Đặc tính quá độ của dòng điện:
VI. Tổng hợp mạch vòng tốc độ.
ở trên, ta dùng tiêu chuẩn môdun tối u để tổng hợp mạch vòng dòng điện:
2
CL

CLi
do
i
01,01
7,11
01,0005,02.2
7,11
08569,0
11
+
=
=ì==
===
Ta có mạch vòng tốc độ sau khi đã tổng hợp mạch vòng dòng điện.
- Khi bỏ qua M
C
ta có sơ đồ tơng đơng sau:
* Hàm truyền của đối tợng cần điều khiển:
( )
( )( )
JppTpT
KpATAKCK
S
pT
K
Jp
AKC
pT
S
i

+
+
=
* áp dụng tiêu chuẩn môdun tối u đối xứng với hàm truyền:
( )
( )( )
( )
22
3322
3322
3322
81
1
.
11
41
)(
8841
41
1
8841
41
)(
8841
41
)(
pp
JppTpT
KpATAKCK
p







+
++
++
+
=








+++
+

+++
+
=
+++
+
==
15
U

+

Jp
1
M
C

R


32
KF
A
B
Ta thấy
00001,0001,0005,02. =ìì=

TTi
nhỏ => có thể bỏ qua
=>
( )
( )
( )
[ ]
( )
22
81.
1
.
1

TT
( ) ( )
( )
( )








+
+







+
+
+
+
+





ss
s
irF
i






1
1
1
)8
2
1
1
)''8''8
4
1
1
2
22
Ta thấy hàm truyền R

(p) có dạng một khâu trễ nối tiếp với một khâu PI.
Ta có:
0002139,0
86,13
08569,0

=
+
=
P
PR
pAKCKTK
J
T
AKCKTK
J
K
irFs
irFs
R
04619,0
1
9525,0)(
04619,0
)8
1
9525,0
2
2





Để giảm độ quá điều chỉnh
=> Dùng thêm một khâu lọc có hàm truyền

0.044s+1
0.04619s
Transfer Fcn
Step
Scope2
Scope
K
Matrix
Gain3
K
Matrix
Gain2
K
Matrix
Gain1
K
Matrix
Gain
0
Constant
18
Chơng 5: Mạch điều khiển
Sơ đồ khối mạch điều khiển:
A. Mạch điều khiển chính lu
* Mạch điều khiển đợc sử dụng để dóng mở các thyristor đúng theo góc mở
yêu cầu, tạo dòng điện và điện áp ra tải đúng với mục đích điều khiển. Mạch điều
khiển quyết định độ tin cậy, chất lợng của toàn bộ biến đổi. Với yêu cầu điều
khiển hệ chính lu cần 3 pha thyristor, yêu cầu phải có 2 thyristor cùng dẫn trong
1 thời điểm. Điều kiện mở là:
- Xung điện áp dùng đờng đa vào cực phải đủ lớn về biên độ và độ rộng.

trị kinh tế. Vì vậy ở đây chọn bộ đếm môdun 16.
- Khi tần số tăng thì thời gian đếm hết 16 giảm do đó bé và ngợc lại. Khi góc
biến thiên từ 0-180 với tần số ??? f=50Hz => thời gian t tơng ứng từ 0->0,01s
Hz6,1
t
16
f
min
==
chọn f
min
=2Hz.
- Khi tần số f càng cao thì càng nhỏ => chọn
lHz64f
max
=
khi góc nhỏ nhất

min
:
oo5
3
min
0014,0)rad(10.25
10.64
1
16 ==ì=

- Sau khi đếm song 16 đầu ra của bộ đếm cho một xung vuông (F). Khi có xung
vuông F => D đạt mức logic 1 cho đến khi xung từ ???(khoá) đồng pha thay đổi

C
D1 R
R
G
K
555
8
4
7
6
2
3
5
C
+15
S
R
T
A
A
B
B
C
C
A
B
C
_
+
+

t
t
22
FX: Bộ phát chủ đạo, phát xung có tần số thích hợp với yêu cầu của tần số bộ
biến tần.
FFX: Phân phối xung từ FX đến các Tiristor.
TX: Trộn giữa xung của FFX với xung của DĐ để tạo xung chùm.
DĐ: Bộ tạo xung dao động có tần số không đổi.
KĐ: Khuyếch đại xung có biên độ thích hợp để mở Tiristor.
2. Yêu cầu đối với mạch điều khiển.
a. Bộ FX: Tự động phát ra xung có tần số thay đổi đợc.
Chu kỳ dòng điện ra của bộ biến tần nguồn dòng:
f
1
T =
f: tần số ra của BBT 3 pha.
Chu kỳ bộ FX:
f6
1
6
T
T
fx
==
b. Bộ DĐ: Phát ra xung có tần số không đổi cung cấp cho TX.
RC4,1
1
f =
Thay đổi R trong mạch sẽ đợc tần số ra thay đổi.
c. Bộ FFX:

D3
Q3
Q3
Q2
Q2
Q3
Q3
23
1 1 0 0 0 1 1
2 1 1 0 0 0 1
3 1 1 1 0 0 0
4 0 1 1 1 0 0
5 0 0 1 1 1 0
6 0 0 0 1 1 1
Để tạo ra xung phát lần lợt vào T
1
, T
2
, T
3
, T
4
, T
5
, T
6
cách nhau /3 hay góc dẫn
của mã Tiristor là 120
o
=> Tạo ra 3 xung A, B, C lệch nhau 120

1Q
T4=
1Q
AND
2Q
T5=
2Q
AND
3Q
T6=
3Q
AND Q1
- Bộ FFX ngoài nhiệm vụ phát xung tuần tự đến các Tiristor nh trên còn có nhiệm
vụ phân phối xung trong các chế độ tơng ứng của động cơ đó là: Động cơ quay
thuận, động cơ quay ngợc, 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 ngợc ta chỉ
cần đổi thứ tự phát xung vào các Tiristor bằng cách đổi pha B cho pha C. Việc
này đợc thực hiện dễ dàng bằng MUX 74157 đợc trình bày nh trên hình vẽ.
- Để hãm tái sinh năng lợng, phải ??? (trang 28) chậm các Tiristor của bộ nghịch
lu do đó làm giảm tần số của bộ nghịch lu sao cho động cơ quay quá tốc độ đồng
bộ và trở thành máy phát. Trong chế độ hãm tái sinh ta chỉ cần đảo các xung A,
B, C. Việc này cũng đợc thực hiện bằng vi mạch ??? kênh MUX 74157 đợc
trình bày nh hình vẽ.
d. Bộ trộn xung.
Xung từ bộ FFX đợc trộn với xung đến từ bộ dao động bằng mạch AND để đi tới
bộ KĐX.
e. Bộ KĐX:
- Bộ KĐX làm nhiệm vụ khuếch đại xung điều khiển có biên độ, độ rộng thích
hợp cho việc điều khiển mở Tiristor.

115
2
3
4
56
7
1110
9
14
AE
12
13
A A C B B C C C B B A A
' '
' '
'
'
T1 T2 T3 T4 T5 T6
PR
24
1 2 3 4 5 6
CLK
Q1
Q3
Q2
Q1
Q3
Q2
T1
T2