Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển
Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền
Trang 1
Lời nói đầu
ộng cơ không đồng bộ có nhiều u điểm so với động cơ một
chiều : hệ số công suất, trọng lợng cao vận hành tin cậy, giá
thành chế tạo và chi phí vận hành thấp. Tuy nhiên do cấu trúc phi tuyến với
đa thông thông số,nên điều khiển động cơ không đồng bộ là khó khăn.
Những năm gần dây, với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn
công suất lớn.Vi mạch điện tử và lý thuyết điều khiển, nhiều phơng pháp
điều khiển hiệu quả đã đợc đề suất cho điều khiển động cơ không đồng bộ.
Chính vì vậy động cơ không đồng bộ đã đợc sử dụng rộng rãi trong hệ
thống truyền động điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần
động cơ một chiều, ví dụ nh ở các thiết bị của dây chuyền sản xuất xi
măng...
Điều khiển điện áp nguồn cumg cấp cho động cơ là môt phơng pháp
đơn giản và kinh tế, nhng chất lợng điều chỉnh tĩnh và động không cao.
Phơng pháp này thích hợp cho cac phụ tải là quạt gió, máy bơm .
Phơng pháp điều khiển hiệu quả là thay đổi tần số điện áp nguồn
cung cấp cho động cơ. Do tốc độ động cơ xấp xỉ bằng tốc độ đồng bộ, nên
động cơ làm việc với độ trơt và tổn hao công suất trợt trong mạch rotor
nhỏ. Tuy nhiên phơng pháp này phức tạp và đắt tiền. Trong hệ thống
kênh điều khiển độc lập: điều khiển mômen và điều khiển từ thông rotor,
kênh điều khiển mômen gồm một mạch vòng điều chỉnh tốc độ và mạch
vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh từ thông. Nh vậy hệ thống
truyền động điện động cơ không đồng bộ có thể tạo ra đợc những đặc tính
tĩnh và động cao so sánh đợc với động cơ một chiều .
Sau quá trình học tập em đã đợc nhận đề tài tốt nghiệp: Nghiên cứu
và khảo sát hệ thống cân bằng định lợng của nhà máy xi măng Lu Xá.
Trên cơ sở đó thiết kế hệ thống truyền động cho băng tải của hệ thống cân
bằng định lợng này . Qua một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu và đợc sự
giúp đỡ của thầy giáo hớng dẫn thạc sĩ: Lê Xuân Quý cùng với các thầy
cô giáo trong bộ môn, bạn bè đồng nghiệp, đến nay đồ án của em đã hoàn
thành.
Với khả năng kiến thức còn có hạn, do đó bản đồ án này của em chắc
sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Bởi vậy em rất mong đợc sự góp ý,
giúp đỡ của các thầy các cô và các bạn đồng nghiệp.
Ngày 6 tháng 3 năm 2000 Nguyễn Đức Quyền
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển
Những loại máy điện nh vậy gọi là động cơ điện không đồng bộ.
Các máy điện không đồnh bộ kiểu khác đợc gọi là Máy điện không đồng
bộ đặc biệt các máy không đồng bộ có thể làm động cơ hoặc máy phát
điện nhng chủ yếu dùng làm động cơ, còn dùng làm máy phát thì rất hãn
hữu, động cơ không đồng bộ xoay chiều là thông dụng nhất.
Trong phạm vi của đồ án này ta không đi sâu vào máy phát mà chỉ
chủ yếu đi sâu về động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB).
2. Tóm tắt quá trình phát triển của ĐCKĐB.
Nguyên lý làm việc dụng của động cơ không đồng bộ đã dựa trên
hiện tợngtừ tính quay mà F.Đ.Aragô phát hiện năm 1824 và sau đó đợc
M.Farađây giải thích vào năm 1931. Nhng trong những thí nghiệm của
Aragô đĩa bằng đồng đã đợc chuyển động nhờ nam châm quay chứ không
phải từ trờng quay tạo nên bằng thiết bị đứng yên là stator nh các máy
điện hiện này. Một thời gian dài hiện tợng Aragô không đợc ứng dụng
vào thực tế. Chỉ đến năm 1979 U.Bêli ( ngời Anh ) mới phát hiện ra 1
dụng cụ trong đó việc dịch chuyển trong không gian của từ trờng nhờ 1
thiết bị đứng yên gồm 4 nam châm điện đợc đặt trên khoảng cách nh
nhau so với trụ quay của đĩa bằnh đồng.
Để tạo nên từ trờng quay ngời ta sử dụng một thiết bị chuyển mạch
đặc biệt cung cấp cho nam châm điện những xung điện một chiều có biên
độ và chiều tơ
ng ứ
ng. Nhà bác học ngời ý Gfecrarix, nhà bác học ngời
Nam t Ntecla sống và làm việc chủ yếu ở Mỹ đã phát hiện ra hiện tợng từ
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển
bộ đợc cung cấp từ hệ 3 pha do ông đề nghị. Trong một thời gian ngắn
nghiên cứu theo hớng này đã hoàn thành một phát minh rất quan trọng là
động cơ không đồng bộ ba pha có : rotor kiểu lồng sóc (năm 1889), stator
có kiểu dây quấn dải kiểu hình trống, còn loại rotor có dây quấn ba pha
đợc lấy ra từ các vành trợt, biến trở mở máy đợc đa vào rotor khi mở
máy động cơ (năm 1890).
Vậy nguyên lý đợc phát hiện năm 1824 và năm 1890. Động cơ
không đồng bộ ngày càng đợc xây dựng và phát triển về kết cấu, công
suất, công nghệ và ngày các càng phát huy đợc tác dụng, càng hoàn thiện
hơn cho tới ngày nay.
Động cơ không đồng bộ đã đợc sử dụng rất rộng rãi trong thực tế
bởi u điểm nổi bật của nó là : cấu tạo đơn giản hơn so với động cơ điện
một chiều thì giá thành hạ, vận hành tin cậy chắc chắn. Ngoài ra các nhà
máy điện hiện nay thờng sản suất ra lới điện xoay chiều do vậy không
cần trang bị các bộ biến đổi kèm theo.
Tuy nhiên hiện nay với sự phát triển nh vũ bão của kỹ thuật vi tính
đặc biệt là kỹ thuật vi sử lý tín hiệu (Digital Signal processer ). Đã cho phép
giải quyết các thuật toán phức tạp điều khiển động cơ xoay chiều ba pha,
trong thời gian thực với chất lợng điều khiển cao. Điều đó dẫn đến xu
hớng thay thế triệt để truyền động điện một chiều bởi truyền động điện ba
pha có mọi u điểm của truyền động điện một chiều và ít phải bảo dỡng dễ
chế tạo cùng mọi u điểm khác.
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển
Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền
Đờng đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ là quan hệ giữa tốc độ
quay và mômen động cơ : = f(M).
M
1
S
dm
M
th
M
dm
0
S
th
S
Hình 1. đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
- ảnh hởng điện trở điện kháng stator ( nối thêm điện trở phụ R
1
và điện kháng X
1
vào mạch stator).
- ảnh hởng của mạch rotor ( nối thêm điện trở R
2
và điện kháng
X
2
vào rotor với động cơ rotor dây quấn).
- ảnh hởng của sự suy giảm điện áp lới cấp cho động cơ.
- ảnh hởng của độ trợt S.
- ảnh hởng của tần số lới điện cấp cho động cơ.
- Ngoài ra việc thay đổi số đối cực sẽ thay đổi tốc độ động cơ và
ảnh hởng đến đặc tính cơ(xẩy ra với động cơ nhiều tốc độ).
Hiện nay trong công nghiệp thờng sử dụng 4 hệ truyền động điều chỉnh
tốc độ đó là :
+ Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ.
+ Điều chỉnh điện trở rotor.
+ Điều chỉnh công suất trợt.
+ Điều chỉnh tần số nguồn.
Trong phạm vi của đồ án này chủ yếu ta đi sâu nghiên cứ phơng
pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn bằng các
bộ biến tần, còn các phơng pháp khác chỉ nêu qua.
1. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi
điện áp U
1
.
Sơ đồ nguyên lý của hệ điều chỉnh nh sau:
Nếu coi điện áp xoay chiều là nguồn áp lý tởng thì theo biểu thức
mômen tới hạn ta có quan hệ sau:
2
=
dmm
b
th
thu
U
U
M
MNếu tốc độ của động cơ là không đổi : = const thì M
cho động cơ rotor dây quấn ta cần nối thêm R
f
để mở rộng giới hạn điều
chỉnh tốc độ và mômen. Lúc đó độ cứng đặc tính cơ giảm đi trong đó tốc độ
không tải lý tởng của mọi đặc tính cơ đều nh nhau và bằng tốc độ từ
trờng quay. Ta có đờng đặc tính cơ nh sau:
U
b
U
lới
R
f
R
f
R
f
= 0
M
M
th2
M
th1
M
th
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển
Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền
Trang 8
Nhng phơng pháp này có nhợc điểm là giảm khả năng quá tải của
động cơ dải điều chỉnh tốc độ hẹp (từ S = 0 ữ S
đm
), tăng tổn hao ở rotor
(P
đ2
= P
đtừ
=
.
Trong đó:
- S
th
là hệ số trợt tới hạn.
- R
v
là điện trở rotor.
- R
t
là điện trở đa vào thêm.
- X
nm
là điện kháng mạch stator.
Từ biểu thức trên ta thấy: khi R
f
càng lớn thì S
th
càng lớn mà mômen
tới hạn không đổi do đó đờng đặc tính cơ mềm hơn và có dạng nh hình
vẽ:
th
S
tth
S
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển
Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền
Trang 9
Nếu giữ cho dòng rotor không đổi thì mômen không đổi và không
phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Vì vậy ta có thể áp dụng phơng pháp náy
cho những truyền động có mômen tải không đổi.
3. Điều chỉnh công suất trợt làm thay đổi tốc độ động cơ .
Trong trờng hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng
cách làm mềm đặc tính và giữ nguyên tốc độ không tải lý tởng thì công
suất trợt P
s
= S.P
dt
đợc tiêu tán ở trên mạch rotor. Các hệ truyền động
công suất lớn tổn hao này là đáng kể vì thế để vừa điều chỉnh đợc tốc độ
truyền động vừa tận dụng đợc công suất trợt ngời ta sử dụng các sơ đồ
đợc
điều chỉnh bởi góc mở của nghịch lu phụ thuộc. Đặc tính cơ của hệ nối
tầng dùng thiristor ứng với các góc mở khác nhau nh hình vẽ :
2
=100
0
n
=140
0
1
=90
0
đặc tính cơ tự nhiên
4- điều chỉnh tốc độ động cơ không đòng bộ bằng phơng pháp
thay đổi tần số.
Các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có yêu cầu cao về
dải điều chỉnh và tính chất động học, chỉ có thể thực hiện đợc với bộ biến
tần. Các hệ thống này sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, kết
cấu đơn giản, vững chắc giá thành rẻ, có thể hoạt động trong mọi môi
trờng, kể cả mọi trờng có hoạt tính cao nh nớc .
Biểu đồ so sánh kinh tế trên cùng với sự phát triển của và sự tiến bộ
của khoa học kỹ thuật, ngày nay cho ta thấy truyền động tần số dần thay thế
triệt để truyền động điện một chiều.
Yêu cầu chính đối với đặc tính truyền động tần số là : đảm bảo độ
0
0
Giá thành động cơ
Giá thành phần điều khiển
Giá thành động cơ
Giá thành phần điều khiển
Khi điều chỉnh tần số thì trở kháng và từ thông dòng điện,...của động
cơ thay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm cho động
cơ bị quá dòng thì phải điều chỉnh cả điện áp.
Với hệ biến tần nguồn áp thờng có yêu cầu giữ cho khả năng quá tải
về mômen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ. Mômen cực đại
mà động cơ sinh ra chính là mômen tới hạn, khả năng quá tải về mômen
đợc quy định bởi hệ số quá tải mômen. Các khoá bán dẫn thờng sử dụng
các van là tranzitor, còn ở công suất lớn thờng sử dụng các van thiristor.
Việc đóng ngắt các van thờng đợc thực hiện bằng các mạch điện ngắt đặc
biệt nh tụ điện hay thiristor phụ.thời gian gần đây đợc sử dụng các van
thiristor đặc biệt là các van khoá đợc bằng các xung điều khiển (GTO).
Giá trị điện áp của động cơ đợc điều chỉnh hoặc bởi điều chỉnh biên
độ điện áp một chiều bằng chỉnh lu điều khiển hoặc bởi bộ băm xung áp.
Điện áp cũng có thể điều chỉnh bằng điều chỉnh thời gian đóng của các van
hoặc điều bằng chế độ rộng các xung áp bằng chính nghịch lu. Phơng
pháp điều chỉnh điều chỉnh từ thông là phơng pháp điều chỉnh đợc sử
dụng rộng rãi nhất trong các truyền động, nhất là ở các truyền động công
suất nhỏ. Do có u điểm nổi bật là vừa điều chỉnh đợc điện áp, vừa làm sin
hóa điện áp đặt vào động cơ. Với số lợng các xung có thể làm triệt tiêu các
sống hài bậc cao.
Chế độ định mức là chế độ làm việc tối u của động cơ không đồng
bộ, trong chế độ này từ thông là định mức và mạch từ là tối đa về công suất.
Luật điều chỉnh điện áp tần số là luật gần đúng giữ từ thông không đổi
trong toàn dải điều chỉnh. Tuy nhiên từ thông trên động cơ, trên mỗi đặc
tính còn phụ thuộc rất nhiều vào độ trợt tức là mômên tải trên trục động
cơ. vì thế trong các hệ điều chỉnh yêu cầu chất lợng cao ta phải tìm cách
bù từ thông . Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
I
s
: dòng stator
r
: từ thông rotor
s
: vận tốc góc stator
L
m
: hỗ cảm giữa stator và rotor
T
r
: hắng số thời gian rotor
Muốn giữ cho từ thông không đổi thì dòng điện stator phải đợc đều
chỉnh theo độ trựơt đó là quy luật điều chỉnh từ thông. Nguyên lý điều
chỉnh từ thông động cơ đợc gián tiếp thông qua điện áp của động cơ.
b
U
d
U
AN
D2 D4
D5 D3
S6
S
1
S
2
S
3
S
S
5
D
1
D6
U
d /
U
d /
ĐK
Sơ đồ nguyên lý biến đổi tần số-điện
á
I
tới hạn không phụ thuộc vào tần số mà chỉ phụ thuộc vào bình phơng dòng
điện stator khi biến tần nguồn dòng việc với tải là động cơ xoay chiều thì
điện áp ra của tải xuất hiện các xung nhọn tại các thời điểm chuyển mạch
giữa các pha. Trong thực tế kỹ thuật sử dụng không hoàn toàn nh vậy cần
có các mạch khoá cỡng bức van bán dẫn, bảo đảm chuyển mạch dòng điện
giữa các pha một cách chắc chắn trong phạm vi điều chỉnh tần số và dòng
điện đủ rộng .
Tơng tự nh biến tần nguồn áp biến tần nguồn dòng cũng có yêu
cầu giữ cho khả năng quá tải về mômen không đổi trong suốt dải điều
chỉnh. Ta có thể dùng công thức dòng stator:
2
2
m
r
z
).T(1
L
I +
=
Mặt khác mỗi đặc tính cơ ứng với một giá trị cố định của dòng điện
stator, do đó động cơ lầm việc ở điểm tới hạn của đặc tính, thì khả năng
sinh mômen là max.
Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi tần số-dòng điện đợc trình bày nh
hình vẽ sau:
RI
T
5
D3 D5
D6
D2
T
4
T
6
T
2
i
d
i
d
L
NL ĐK
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển
Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền
có thể lớn hơn f
1
nhng độ phức tạp rất cao. Trong biến tần trực tiếp thì
đờng cong điện áp ra là đờng ghép nối các đoạn hình sin của điện áp
nguồn bằng cách nối tải vào các pha của nguồn một cách luân phiên nhờ
các van bán dẫn. Các van bán daaxntrông biến tần đợc chuyển mạch một
tự nhiên.
Biến tần trực tiếp có hiệu suất rất cao vì chỉ có một lần biến đổi năng
lợng và cho phép thực hiện hãm tái sinh mà không cần các mạch phụ cũng
có thể thực hiện điều chỉnh điệp áp và tần số đầu ra của biến tần với dạng
sóng gần sin. Tuy nhiên cũng có nhiều nhợc điểm nh : hệ số công suất
thấp, dải điều chỉnh tần số bị giới hạn trên của nguồng cung cấp và điều
khiện chuyển mạch của các van.
Trong biến tần chuyển mạch tự nhiên mỗi nửa sóng dẫn của các van
thyristor ,vì vậy tần số cơ bản của dòng tải đợc lấy các giá trị gián đoạn.
Về nguyên tắc cũng có thể điều chỉnh trơn các tần số điện áp ra, tuy vậy khi
đó thờng suất hiện sự mất đối xứng giữa nửa sóng dơng và nửa sóng âm
của chu kỳ dòng và áp. ở các tần số không tải là ớc số của tần số nguồn có
thể xuất hiện biến điệu tần số thấp. Việc điều chỉnh điện áp ra của biến tần
trực tiếp đợc thực hiện bằng cách thay đổi góc pha xung, trong chế chỉnh
lu và nghịch lu phụ thuộc. đồ thị điện áp đầu ra có chứa phổ bíên các
sóng hài bậc lẻ, biên độ các sóng hài tỷ lệ nghịch với biên độ của chúng.
Nếu tải ba pha đối xứng và không dây trung tính thì điện áp ra không chứa
thành phần sóng hài bậc hai và bậc ba. Dới đây là sơ đồ ba pha của biến
tần trực tiếp 6 đỉnh xung và 3 đỉnh xung.
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển
4.2.2- Bộ biến đổi tần số gián tiếp.
Trong biến tần loại này điện áp xoay chiều đầu tiên đợc biến thành
điện áp một chiều nhờ chỉnh lu sau đó qua bộ lọc và cuối cùng thành điện
áp xoay chiều nhờ nghịch lu. Biến tần loại này cho phép biến đổi về tần số
f
2
không phụ thuộc vào tần số trong một dải rộng cả trên và dới f
1
chỉ phụ
thuộc vào mạch điều khiển.
Sơ đồ chỉ số 6
Nguồn
ba pha
B
A
C
pha 2
pha 2
pha 1
N
Sơ đồ chỉ số 3
C
B
A
trong sơ đồ để thực hiện việc trả năng lợng phản kháng
của tải về nguồn điện 1 chiều khi tải không phải là tải thuần trở và duy trì
điện áp cung cấp cho nghịch lu là ổn định.
Điện áp ra của nghịch lu áp không có dạng hình sin mà đa số là
dạng chữ nhật các van bán dẫn chuyên dùng tranzitor ngời ta tánh dùng
tristor. Nghịch lu áp 3 pha ngời ta thờng dùng sơ đồ cầu, quá trình điện
từ trong nghịch lu phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nh đặc tính tải,
cách đấu tải, kiểu đấu biến áp ra nguồn cung cấp và nguyên tắc điều khiển.
Nghịch lu dòng : là là bộ nghịch lu định hình dòng điện trên tải là
những xung vuông còn hình dáng điện áp và góc pha của tải thì do thông số
của tải quyết định. Trong công nghiệp ngời ta thờng sử dụng chỉnh lu có
mắc cuộn kháng có giá trị dủ lớn ở đầu ra. Dòng điện tải có dạng nhật hình sin và do tính tự đóng ngắt tự quyết
định. Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và ứng dụng kỹ
thuật số, vi xử lý dùng van tranzitor đã phát huy đợc những u điểm nổi
bật của loại biến tần này vì đa số các biến tần là có khâu trung gian là 1
chiều ngời ta tránh dùng thyritor.
Dới đây là sơ đồ nguyên lý bộ biến đôi tần số gián tiếp nguồn áp ba
pha dùng các van dẫn là tranzitor.
C
L=
Trang 17
III. kết luận
Nh vậy : trong truyền động điện với những chỉ tiêu kinh tế và kỹ
thuật có u điểm nổi bật của động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba
pha, ngày nay đợc sử dụng rộng rãi và dần thay thế động cơ điện một
chiều trong lĩnh vực điều chỉnh truyền động điện xoay chiều. Bởi vì nhợc
điểm chính của động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha là điều
chỉnh tốc độ và khống chế quá trình quá độ khó khăn. Nhng ngày nay với
sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì đã giải quyết đợc các thuật toán
phức tạp, điều chỉnh tốc độ không còn là khó khăn.
Trong các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có yêu
cầu cao về dải điều chỉnh và tính chất động học chỉ có thể thực hiện với
phơng pháp điều chỉnh tần số bằng thiết bị biến tần. Các hệ thống này sử
dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có kết cấu đơn giản và các u
điểm khác. Trong các luật, các phơng pháp điều chỉnh tần số vì ở đây động
cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha nên không tồn tại các quan hệ
minh bạch giữa dòng xoay chiều và từ thông, giữa dòng xoay chiều và
mômen nh ở động cơ một chiều. Mà ở đây tồn tại một cấu trúc mạch và
các đại lợng ba pha phức tập, thì phơng pháp điều chỉnh tần số dựa trên
phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phơng pháp thay đổi tần số
dựa trên phơng thức thay đổi góc pha của từ thông rotor là tối u nhất, bởi
2
D
6
D
1
T
3
T
4
T
1
T
6
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển
Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền
Trang 18
Phần II
Mô tả các đại lợng ba pha
của động cơ không đồng bộ
rotor lồng sóc
I. Xây dựng vector không gian
i
su
+ i
sv
+ i
sw
= 0 (2.1)
Trong đó tờng dòng điện thoả mãn các công thức sau:
i
su
(t) =
i
s
.cos(
s
t) (2.2a)
i
sv
(t) =
i
s
.cos(
s
t + 120
" Bộ môn đo lờng v điều khiển
Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền
Trang 19
Một cánh lý tởng thì ba cuộn dây của động cơ xoay chiều ba pha đặt
lệch nhau 1 góc 120
0
trên mặt cắt ngang nếu trên mặt phẳng đó ta thiết lập
một hệ trục toạ độ phức với trục đi qua cuận dây u của động cơ ta có thể
dựng vector không gian sau đây:
i
s
(t) =
3
2
[ i
su
(t) +i
sv
(t)
e
j120
+ i
Qua hình (2-2) ta thấy rằng các dòng điện ba pha chính là hình chiếu
của vector mới thu đợc trên cuộn dây pha đó. Đối với các đại lợng khác
của động cơ nh điện áp, dòng rotor, từ thông stator, từ thông rotor đều có
thể xây dựng các vector tơng ứng đối với dòng điện kể trên. Ta đặt tên cho
trục thực của một mặt phẳng là
còn trục ảo là
, ta hãy quan sát hình
chiếu của các vector dòng ở trên xuống hai trục đó, hai hình chiếu đợc đặt
tên là i
s
2
i
sv
(t).
e
3
2
i
sw
(t).
e
j 120
0
j 120
0
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển
Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền
Trang 20
quy chiếu chuẩn nh trong hình vẽ (2.3), điều này có ý nghĩa trong toàn bộ
quá trình xây dựng hệ thống điều khiển/ điều chỉnh sau này:
i
s
= i
su
(2.4.a)
i
s
=
3
1
(i
su
+ i
sv
) (2.4.b)
Tơng tự với các vector stator các vector điện áp stator, dòng rotor, từ
thông stator, từ thông rotor đều đợc biểu diễn bằng các phần tử thuộc hệ
toạ độ cố định(TĐST).
i
s
= i
s
+ ji
+
r
(2-5d)
s
=
s
+
s
(2-5e)
120
0
120
0
i
sv
120
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển
Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền
Trang 21
II. chuyển hệ toạ độ cho vector không gian.
Mục đích ở đây là đa ra cách quan sát các đại lợng vector trên hệ
toạ độ statar về quan sát trên hệ toạ độ quay đồng bộ với từ thông stator .
Xét hệ toạ độ tổng quát xy hình dung có một hệ toạ độ khác là x
*
y
*
có chung điểm gốc và lệch đi một góc là V
*
so với hệ toạ độ xy.
Quan sát 1 góc V
bất kỳ ta thu đợc :
Trên hệ xy : V
xy
= x + j y (2-6)
Trên hệ x
(2-8.a)
y
*
= -xsinv
*
+ ycosv
*
(2-8.b)
thay (2-8.a) và (2-8.b) vào (2-7) ta đợc:
v
*
= (xcosv
*
+ ysinv
*
) + j(-xsinv
*
+ ycosv
*
) (2-9.a)
= (x+jy)(cosv
*
- jsinv
*
) = v
xy
. e
-jv*
(2-9.b)
Một cách tổng quát ta thu đợc từ (2-9.a) và (2-9.b) công thức chuyển
=
dt
*dv
trờng hợp đó hệ toạ độ x
*
y
*
là hệ toạ độ qay tròn với tốc độ
góc
*
xung quanh điểm gốc của hệ toạ độ xy.
jy
v
jy
y
*
x
V
y
x
*
x
Hình 2-4. Chuyển hệ toạ độ cho vector không
*
=
dt
dv
*
s
= 2
f
s
=
dt
dv
Trong đó: f
s
là tần số mạch điện stator
Ta thấy ở hình vẽ dới đây với trờng hợp ĐCXCBP là động cơ đồng
bộ thì trục của từ thông rotor cũng chính là trục rotor, dù động cơ đó là loại
kích thích ngoài hay vĩnh cửu. Trong trờng hợp ấy ta có
=
s
nếu
ĐCXCBP là ĐCKĐB thì sự chênh lệch giữa
và
s
sẽ tạo nên dòng điện
với tần số f
s
dòng điện đó cũng có thể biểu diễn dới dạng vector i
r
i
sq
r
i
sd
Cuộn dây
pha V
s
j
i
s
i
s
s
Trục rôtor
Hình 2-5. Biểu diễn vector không gian trên hệ toạ độ
từ thông rotor còn gọi là hệ toạ độ dq
Trục từ thông rôtor
jq
và đặt
tên cho các trục mới là dq. Ta thấy rằng hệ trục toạ độ mới này quay xung
quanh điểm gốc với tốc độ góc
s
và vector i
s
có các phần tử mới sẽ là i
sd
và
i
sq
. Để rễ nhận thấy vector đang đợc quan sát ở hệ toạ độ nào thì ta quy
ớc thêm 2 chỉ số f và s và hệ toạ độ từ thông rotor thí dụ i
s
s
: vector dòng
quan sát trên hệ toạ độ
, i
s
f
là vector dòng quan sát trên hệ toạ độ dq.
Từ đó ta có :
i
s
s
= i
s
s
(2.12)
Hoặc một cách chi tiết hơn ta có:
i
sd
= i
s
sin
s
+i
s
cos
s
(2.13.a)
i
sq
= i
s
cos
s
+i
s
sin
s
i
sq
i
sd
Pt(2.10)
Pt(2.4)
e
-j
s
2
3
i
s
Trang 24
Một u điểm rễ nhận thấy của hệ toạ độ mới ở chỗ do các vector i
s
và
r
cũng nh hệ toạ độ dq quay đồng bộ với nhau với tốc độ
s
quanh
điểm gốc, các phần tử của vector (ví dụ i
sd
, i
sq
) là các đại lợng một chiều.
Trong chế độ vận hành xác lập, các phần tử thậm chí có thể là không đổi.
Trong quá trình quá độ chúng có thể biến thiên theo thuật toán đã đợc định
trớc. Mặt khác trên cơ sở của hình (2.6) ta có thể nhận thấy ngay đợc khó
khăn của việc xác định i
sd
, i
sq
và góc
s
. trong trờng hợp động cơ không
đồng bộ góc
r
một cách chính xác, đó là cơ sở của hệ thống điều khiển/ điều
chỉnh tựa theo từ thông rotor(viết tắt : T
4
R). Một cách tơng tự nh đối với
vector dòng stator, ta có thể biểu diễn tất cả các vector còn lại trên hệ toạ độ
dq.
u
s
f
= u
sd
+ ju
sq
(2.14.a)
i
s
f
= i
sd
+ j
sq
(2.14.b)
r
f
=
rd
III. Khái quát u thế của việc mô tả động cơ xoay
chiều ba pha trên hệ toạ độ từ thông rotor
Với ĐCXCBP không tồn tại các quan hệ minh bạch ( giữa dòng và từ
thông , giữa dòng và mômen) nh ở động cơ một chiều mà là cấu trúc mạch
và các đại lợng phức tạp. Phơng pháp mô tả trên hệ dq cho phép mô tả
dẫn tới các tơng quan giống nh động cơ một chiều nhằm đạt đợc các
tính năng điều chỉnh/ điều khiển giống nh động cơ một chiều.
Thuyết minh đồ án tốt nghiệp
#
" Bộ môn đo lờng v điều khiển
Sinh viên thiết kế:
Nguyễn Đức Quyền
Trang 25
Sau khi xây dựng vector không gian cho các đại lợng dòng áp từ
thông động cơ và chuyển các vector đó sang quan sát trên hệ toạ độ dq ta
thu đợc các quan hệ đơn giản gia mômen quay, từ thông và các phần tử
của vector dòng stator.
r
=
r
sdM
PT1
: phần tử d và q của vector dòng stator.
M
M
: mômen quay của động cơ.
L
r
,L
m
: điện cảm rôtor, hỗ cảm giữa stator và rôtor.
P
c
: số đối cc của động cơ.
T
r
: hằng số thời gian của rôtor.
P : toán tử laplace.
Phơng trình (2.16.a) cho ta thấy là từ thông rotor có thể tăng giảm
gián tiếp thông qua tăng giảm i
sd
, quan hệ trong (2.16.a) là quan hệ trễ bậc
nhất với hằng số thời gian T
r
. Nếu thành công trong việc áp đặt nhanh và
chính xác dòng i
sd
có thể coi i
sd
là đại lợng điều khiển của từ thông rotor.
Dòng i
sd
M
.i
M
của động cơ một chiều. Các đặc tính trên cho phép ta xây
dựng cấu trúc hệ thống nh hình vẽ sau:
Toàn bộ quá trình diễn giải trên đợc tổng kết trên hình sau.
Copyright: Tài liệu đại học ©