Bài Tập Lớn
Đề 82: Mô phỏng hệ điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha rotor lồng
sóc khi thay đổi tần số điện áp cấp vào stator
•

Thông số kỹ thuật:

-

Pdm = 2200w

-

Udm = 380 V

-

Số cặp cực Pc = 2

-

Tốc độ ndm = 1430 vòng/phút

-

Điện trở stator Rs = 0.877 Ω

-

Điện trở rotor Rr = 1.47 Ω


Tính toán bộ điều khiển

-

Mô phỏng đáp ứng của hệ với bộ điều khiển đã tính

1


Mục Lục
Lời nói đầu…………………………………………………………………..4
Chương 1. Động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc………………….5
1.1.

1.2.

Khái niệm, cấu tạo và nguyên lý làm việc.............................................5
1. Khái niệm………………………………………………………….5
2. Cấu tạo………………………………………………………….....5
3. Nguyên lý làm việc………………………………………………..6
Điều chỉnh tốc độ quay động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc...6
1. Sơ đồ nguyên lý…………………………………………………...6
2. Các quy luật điều khiển biến tần…………………………………..8
a. Giữ cho biện độ từ trường quay không đổi………………….…8
b. Giữ cho hệ số quá tải không đổi…………………………….…9
3. Các đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh tần số……………..10
4. Biến tần bán dẫn làm việc với động cơ KĐB 3 pha……………...11

Chương 2. Xây dựng cấu trúc điều khiển……………………………….14
2.1.

Tài liệu tham khảo………………………………………………………..32

3


Lời nói đầu
Ngày nay, trên tất cả các nước trên thế giới nói chung và nước ta nói riêng ở
đó các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp, nông
nghiệp và cả trong lĩnh vực sinh hoạt. Các nhà máy, xí nghiệp đã ứng dụng ngày
càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện tử công suất. Ứng dụng Điện tử
công suất trong truyền động điện – điều khiển tốc độ động cơ điện là lĩnh vực quan
trọng và ngày càng phát triển. Các nhà sản xuất không ngừng cho ra đời các sản
phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất và các thiết bị điều khiển
đi kèm. Là sinh viên khoa Điện – Điện tử được thầy giáo giao cho bài tập lớn với
đề tài “Mô phỏng hệ điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha rotor lồng
sóc khi thay đổi tần số điện áp cấp vào stator”, em đã cố gắng gắng tìm hiểu kĩ
về các phương pháp sao cho bài tập đảm bảo đúng yêu cầu được giao. Với hy vọng
bài tập lớn này là một bản thiết kế kĩ thuật có thể áp dụng được trong thực tế nên
chúng em đã cố gắng mô tả và tính toán cụ thể các thông số. Mặc dù em đã rất nỗ
lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi và quyết tâm cao nhất tuy nhiên kiến
thức còn hạn chế nên em không thể tránh khỏi những sai sót. Em mong nhận được
sự phê bình góp ý của các thầy để giúp em hiểu rõ hơn các vấn đề trong bài tập lớn
cũng như những ứng dụng thực tế của nó để em được hoàn thiện hơn. Trong quá
trình làm bài tập, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của thầy Trần Tiến Lương.
Em xin chân thành cảm ơn thầy và hi vọng thầy sẽ giúp đỡ em và các bạn sinh viên
khác có được nhiều kiến thức bổ ích hơn trong các môn học.

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Ngọc Sơn


cách điện với nhau. Mặt trong lõi thép được đục các rãnh để đặt dây quấn.
Dây quấn: Chức năng là mạch điện, nhiệm vụ là dẫn điện. Dây quấn là dây
đồng có bóc cách điện và được rải đều chu vi mặt trong của lõi thép. Các

b)
-

cuộn dây được đặt lệch nhau 120˚ trong không gian
Các bộ phận khác như: 2 nắp máy ở 2 đầu trục, trụ đấy dây, đê máy, biển
máy…
Phần quay – Rotor
Rotor gồm: trục máy, lõi thép, dây quấn và các bộ phần khác.
Trục máy: Nhiệm vụ là đỡ Rotor, được làm bằng thép, hay hợp kim của thép
có độ bền cơ khí cao, 2 đầu trục là 2 vòng bi. Đầu trục máy có lắp quạt làm

-

mát.
Lõi thép: Được làm từ các là thép kĩ thuật điện ghép lại với nhau thành hình
trụ đặc và chu vi mặt ngoài được xẻ các rãnh đều đặn để đặt dây quấn Rotor,
ở giữa các là thép được đục một lỗ tròn để đặt trục máy

5


-

Dây quấn: Là các thanh nhôm, hoặc các thanh đồng đặt trong các rãnh của
lõi thép Rotor, dây quấn Rotor lồng sóc không cách điện với lõi thép. Hai



6


-

BBT: Bộ biến tần có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện có tần số cố định thành
nguồn điện có tần số thay đổi cấp cho động cơ điều chỉnh tốc độ quay động

•
-

-

cơ
+ Biến tần điện cơ
+ Biến tần bằng bán dẫn: • Biến tần trực tiếp
• Biến tần gián tiếp
Đ: Động cơ không đồng bộ 3 pha Rotor lồng sóc
Khi động cơ không động bộ 3 pha làm việc với tần số thay đổi:
Tốc độ từ trường quay:
f1: tần số
p: số đôi cực
+ Khi f1 thay đổi => ω1 thay đổi => ω = (1 – s)ω1 thay đổi
Từ phương trình cân bằng điện áp pha dây quấn Stator
U1 = -E1 + I1.Z1 ; Z1 = R1 + JX1
+ Nếu bỏ qua sụt áp: I1.Z1 ≈ 0
=>U1 = -E1 => U1 = E1 ; E1 = 4,44.ω1kdq1f1ØT
Với U1 = U1đm = E1 = k.ØT.f1 = const => ØTổng = C = const
+ Khi thay đổi: f1 > f1đm => ØTổng < ØTổng đm => Động cơ bị quả tải về mômen

Bộ chỉnh lưu: biến đổi nguồn điện 3 pha thành nguồn 1 chiều có điều khiển

-

được Ura, đây là cơ sở để điều khiển Ura biến tần.
Khối nghịch lưu: khối tạo tần số cơ bản cung cấp cho đông cơ. Như vậy
trong biến tần gián tiếp điều chỉnh tần số ở khối nghịch lưu còn điều chỉnh

a)

điện áp ở khối chỉnh lưu.
Giữ cho biên độ từ trường quay không đổi:
ØTổng = C = C = const
=> =

<=> U1= f1

=> Tỷ lệ điều chỉnh điện áp bằng tỷ lệ điều chỉnh tần số
M = kM.ØT.I2.cosφ2
Nếu trên 1 giá trị tải: I2 = const ; cosφ2 = const
=> Phương pháp này chỉ phù hợp khi tải dạng thế năng phản kháng

8


b)

Quy luật điều khiển giữ cho hệ số quá tải không đổi

λM => An toàn cho động cơ.


Mth =

=> Mth = Mth đm = Mth đm = Mth đm
Sth =

;

Sth đm =

=> =
=> Sth = Sth đm =

f1 > f1đm => > 1
f1 < f1đm => < 1

•
-

Nhận xét:
Khi điều chỉnh tần số kết hợp điều chỉnh điện áp thì M th thay đổi phụ thuộc
vào dạng phụ tải, còn độ trượt tới hạn khi tần số tăng hơn định mức đặc tính

-

cơ cứng và ngược lại đặc tính cơ mềm.
Khi X = 0 => Mth = Mth đm = const

-



-

biện pháp điều khiển sao cho điện áp đặt vào động cơ có dạng gần sin.
Để kết hợp điều chỉnh tần số và điện áp thì điện áp được điều chỉnh ở phía
chỉnh lưu Uđ, còn tần số điều chỉnh chu kỳ của các khóa S.

12


Chương 2. Xây dựng cấu trúc điều khiển
2.1.
•

Đề xuất cấu trúc điều khiển
Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tần số động cơ KĐB qua quan hệ I1(f2).

13


Trong đó:
-

Rω: bộ điều khiển tốc độ
Ri: bộ điều khiển dòng điện
CL: khối chỉnh lưu
NL: khối nghịch lưu
A/D – D/A: bộ chuyển đổi dòng xoay chiều thành một chiều và một chiều

-

trúc của hệ thống:

• Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng dòng điện:

-

Để tiện cho việc tính toán, thiết kế được bộ điều chỉnh dòng điện R i, người ta
dung sơ đồ đơn giản sau:

Trong đó: Ld, Rd: điện cảm, điện trở của cuộn kháng lọc
15


L1t, R1: điện cảm tản, điện trở 1 pha stato
L2t, R2: điện cảm tản, điện trở 1 pha roto quy đổi về stato
s: hệ số trượt
Ta có hàm truyền đạt bộ chỉnh lưu:
Ud: điện áp đầu ra chỉnh lưu
Uđk: điện áp điều khiển chỉnh lưu
KCL, TCL: hệ số điều khiển và hằng số thời gian
- Việc tổng hợp chính xác mạch vòng dòng điện rất phức tạp vì thành phần
điện trở của mạch vòng dòng điện phụ thuộc vào s => Một cách gần đúng ta
bỏ qua các thành phần điện trở và điện kháng tản
Ta được:
RΣ = Rd + 2R
LΣ = Ld + 2L1t
Ta có:

=> Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển mạch vòng dòng điện



∂M
∂M
∆ωs +
∆I s
∂ωs
∂I s

tại (Mđm, ωsđm, Iđm) ta có:

1− ω T
∂M 3 Lm 2
=
I s dm
=A
∂ωs 2 R r
(1 + ω T )
2

2
2
s dm r
2
2 2
s dm r

∂M 3 Lm 2 2I s dmωs dm
=
=B
∂I s 2 R r 1 + ωs2dmTr2



-

Khi tiến hành tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta coi gần đúng hàm truyền hệ kín
mạch vòng điều chỉnh tốc độ là khâu quán tính bậc nhất
WKi =

-

Ki
1 + pTi

Ở trên, ta dùng tiêu chuẩn module tối ưu để tổng hợp mạch vòng dòng điện:
WKi (p) =

2.3.

1
1
.
2
K do 1 + 2pTCL + 2p 2 TCL

Tổng hợp mạch vòng dòng điện

•

Ta có sơ đồ tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện Ri:


S oω =
.
(1 + Ti p )(1 + pTω )
Jp

•

Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng với hàm truyền:
S kω = FDX ( p) =

1 + 4Tσ p
1 + 4Tσ p + 8Tσ2 p 2 + 8Tσ3 p 3

1 + 4Tσ p
1 + 4Tσ p + 8Tσ2 p 2 + 8Tσ3 p 3
Rω ( p ) =


1 + 4Tσ p

S oω 1 −
2 2
3 3 
 1 + 4Tσ p + 8Tσ p + 8Tσ p 
1 + 4Tσ p
Rω ( p ) =
( CK F K ir + A + ATi p ) Kω 1 (
.
1 + Tσ p ) 8Tσ2 p 2
(1 + Ti p )(1 + pTω )

Hằng số thời gian rotor: Tr = Lr / Rr = 0,165142 / 1,47 = 0,1123
Iđm = Pđm / Uđm = 2200 / 380 = 5,789 (A)
ωđm = nđm / 9.55 = 1430 / 9,55 = 149,738 (rad/s)
21


Tính toán các phần tử mạch nghịch lưu:

•

I s1 = I d
U s1 =

I .π
6
⇒ I d = s1 = 116,7 A
π
6

U 3 6 cos ϕ
π Ud
⇒ U d = s1
= 370,5V
π
3 6 cos ϕ1

Dòng chảy qua các khóa S1 – S6 và D1 – D6 chính là dòng chảy qua các pha stato
động cơ I=91A.
Điện áp ngược van phải chịu = Ud = 370,5V
=> Chọn Diot loại B-200 có các thông số sau:

314 × 0,05 × 116,7
0,134 ×

•

Tính toán các phần tử mạch chỉnh lưu:

Theo tính toán phẩn trên ta có: Id = 116,7(A) và Ud = 370(V)
Khi lấy điện áp cung cấp từ trước ~380V => Có thể không cần sử dụng máy biến
áp
Ud =

Ta có:

U ×π
3 6U 2
cos α ⇒ cos α = d
= 0,41
π
3 6U 2
22

=> α =65,3o


I tb =

Dòng trung bình chay qua T1 – T6:

Điện áp ngược trên mỗi van:

5
20-500

Tính toán thiết bị đo:
Máy phát tốc là thiết bị đo tốc độ trong hệ truyền động điện. Mạch nguyên lý
đo tốc độ bằng máy phát tốc 1 chiều.

Ta có: Uω = Kω .ω là điện áp đầu ra của máy phát tốc khi từ thông không đổi
=> Kω = Uω / ω Với Uω = 10V
Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền của máy phát tốc là
Fft(p) =
τfω là hằng số thời gian của bộ lọc và < 5ms
Có: ω = 2πnđm / 60 = 2π.1430 / 60 = 149,75 (rad/s)
=> Kω = 10 / 149,75 ≈ 0,0667
Chọn τfω = 0,001s = 1ms
23


=> Hàm truyền của máy phát tốc là:
Fft(p) =
=> Từ các thông số trên, ta chọn máy phát tốc GTB 9 có các thông số sau:
-

Dung sai tuyến tính: ≤ 0.15 %..

-

Hệ số nhiệt độ: ± 0.05 % / K.

-


10v

+

24


K=

Ur
10
R2
=
= 133 =
Uv 0.075
R1

-

Sử dụng mạch phản hồi dòng 1 chiều có cấu tạo

như hình trên

Nguyên lý hoạt động: dòng Id sau chỉnh lưu được cho qua điện trở Sun sẽ tạo

-

ra 1 điện áp vi sai có độ lớn khoảng từ 0 ÷ 75mV. Điện áp vi sai này được
đưa vào đầu vào của khuếch đại thuật toán để khuếch đại tạo ra điện áp tỷ lệ


Khâu chỉnh lưu
WCL =

K CL
1 + pTCL

với KCL = 37,05, TCL = 0,005(s)
25