Giáo trình Tổng hợp hệ điện cơ 2 - Trần Xuân Minh

258 trang ngocly 3370

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Tổng hợp hệ điện cơ 2 - Trần Xuân Minh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_tong_hop_he_dien_co_2_tran_xuan_minh.pdf

Nội dung text: Giáo trình Tổng hợp hệ điện cơ 2 - Trần Xuân Minh

Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 1
Tổng hợp hệ điện cơ là môn học chuyên ngành của ngành Tự động hóa, đây có thể xem là kiến thức tổng hợp của nhiều học phần cơ sở ngành và chuyên ngành. Trong nhiều năm qua, đã có khá nhiều tài liệu trong và ngoài nước đề cập đến kiến thức thuộc lĩnh vực này, tuy nhiên một giáo trình chuẩn và đầy đủ phù hợp với chương trình đào tạo kỹ sư điện chuyên ngành Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp còn thiếu. Để đáp ứng yêu cầu đào tạo, đặc biệt là đào tạo theo hệ thống tín chỉ, Bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện đã biên soạn xong giáo trình học phần Tổng hợp hệ điện cơ 1 và đã được sử dụng có hiệu quả cho việc giảng dạy của giáo viên và việc học tập của sinh viên đại học và học viên cao học. Học phần Tổng hợp hệ điện cơ này là học phần thứ 2 của môn học, học phần này được phân bố chương trình là 3 tín chỉ với nội dung gồm 5 chương. Với thời gian ngắn, điều kiện về tài liệu tham khảo bị hạn chế nên giáo trình này chắc chắn còn nhiều thiếu sót, mong bạn đọc và các đồng nghiệp thông cảm và cho ý kiến đóng góp để chúng tôi hoàn thiện nội dung của giáo trình này được tốt hơn. Xin chân thành cảm ơn! Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 2
Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 3
- S¸ch, gi¸o tr×nh chÝnh: Gi¸o tr×nh Tæng hîp hÖ ®iÖn c¬ do bé m«n Tù ®éng ho¸ XNCN - Khoa §iÖn biªn so¹n (®ang biªn so¹n). - S¸ch tham kh¶o: [1]. TrÇn Thä, Vâ Quang L¹p (biªn kh¶o); C¬ së ®iÒu khiÓn tù ®éng truyÒn ®éng ®iÖn; NXB Khoa häc vµ kü thuËt, Hµ Néi, 2004 [2]. Bïi Quèc Kh¸nh, NguyÔn V¨n LiÔn, Ph¹m Quèc H¶i, D¬ng V¨n Nghi; §iÒu chØnh tù ®éng truyÒn ®éng ®iÖn; NXB Khoa häc vµ kü thuËt, Hµ Néi, 2002. [3]. Bïi §×nh TiÕu; C¬ së truyÒn ®éng ®iÖn tù ®éng; NXB Khoa häc vµ kü thuËt, Hµ Néi, 1984. [4]. Vâ Quang L¹p, TrÇn Xu©n Minh; Gi¸o tr×nh Kü thuËt biÕn ®æi; Trêng ®¹i häc Kü thuËt C«ng nghiÖp, Th¸i Nguyªn, 1998. [5]. Cyril W. Lander; Power Electronics; 1993. [6]. Μ. Γ. Чиликин, Μ. Μ. Соклов, В. Μ. Терехов, А. В. Шинянский; ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕТРОПРИВОДА; Энергия, Москва, 1974. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 4
1.1. Khái quát về hệ thống tuỳ động 1.2. Đo kiểm tín hiệu vị trí 1.3. Hệ thống tuỳ động vị trí sensin và phương pháp thiết kế 1.4. Hiệu chỉnh trạng thái động của hệ thống tùy động vị trí Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 5
1.1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TUỲ ĐỘNG 1.1.1. Ứng dụng của hệ thống tuỳ động Hệ thống tùy động, thực chất là hệ thống ĐCTĐ TĐĐ thực hiện điều khiển vị trí với lƣợng đặt trƣớc biến thiên tùy ý. Hệ thống tuỳ động đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong thực tiễn. Nhiệm vụ cơ bản của hệ là thực hiện điều khiển cơ cấu chấp hành bám sát chính xác đối với lƣợng đặt vị trí, đại lƣợng điều khiển (lƣợng đầu ra) thƣờng là vị trí không gian của cơ cấu sản xuất, lúc lƣợng đặt thay đổi trong quá trình làm việc thì hệ thống có thể làm cho đại lƣợng điều khiển bám sát và duy trì một một cách chính xác vị trí của cơ cấu sản xuất theo yêu cầu. Ví dụ điều khiển cơ cấu ép trục cán, trong quá trình cán kim loại, phải làm cho khe hở giữa hai trục có thể tiến hành tự điều chỉnh; điều khiển quỹ tích gia công của máy cắt điều khiển số và điều khiển bám của máy chép hình; cơ cấu lái tự động trên tàu thuyền; cơ cấu điều khiển anten rađa của cụm súng pháo hay kính viễn vọng điện tử nhằm đúng mục tiêu; điều khiển động tác của ngƣời máy. Những ví dụ trên đây đều là những ứng dụng cụ thể về hệ thống điều khiển tuỳ động vị trí. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 6
1.1.2. Các bộ phận chủ yếu của hệ thống tuỳ động vị trí và nguyên lý làm việc của nó Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 7
(1) Bộ đo kiểm vị trí: Do chiết áp RP1 và RP2 tạo thành bộ đo kiểm vị trí (góc), trong đó trục quay của chiết áp RP1 nối với bánh điều khiển làm góc cho trƣớc (góc đặt), trục quay của chiết áp RP2 thông qua cơ cấu nối với bộ phận phụ tải làm phản hồi góc quay, hai bộ chiết áp đều đƣợc cấp điện nhờ nguồn điện một chiều U, nhƣ vậy có thể chuyển tham số vị trí trực tiếp thành đại lƣợng điện ở đầu ra. (2) Bộ khuếch đại so sánh điện áp: Do 2 bộ khuếch đại 1A, 2A tạo thành, trong đó bộ khuếch đại 1A chỉ làm nhiệm vụ đảo pha, còn 2A có tác dụng so sánh và khuếch đại điện áp, tín hiệu đầu ra làm tín hiệu điều khiển bộ khuếch đại công suất cấp tiếp theo, đồng thời có khả năng nhận biết cực tính điện áp (phƣơng vị âm dƣơng của góc pha). Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 8
(3) Bộ khuếch đại công suất đảo chiều: Để cung cấp cho động cơ chấp hành của hệ thống tuỳ động chỉ có khuếch đại điện áp là chƣa đủ, còn phải khuếch đại công suất, các bộ khuếch đại công suất này thƣờng dùng chỉnh lƣu điều khiển hoặcbộ biến đổi xung áp điều chế độ rộng xung nếu động cơ truyền động là động cơ một chiều, trƣờng hợp dùng động cơ xoay chiều thì bộ khuếch đại công suất thƣờng là biến tần. (4) Cơ cấu chấp hành: Động cơ bám Đ (động cơ điện một chiều, từ trƣờng vĩnh cửu) để truyền động cơ cấu chấp hành mang phụ tải (dàn anten ra đa), giữa động cơ và phụ tải thƣờng có bộ phận truyền lực (hộp giảm tốc). (1), (2), (3), (4): Là các bộ phận chủ yếu, không thể thiếu để tạo nên hệ thống điều khiển tuỳ động vị trí, chỉ có linh kiện hoặc thiết bị cụ thể là có thể khác nhau, ví dụ, có thể dùng các bộ đo kiểm vị trí khác nhau, dùng động cơ điện một chiều hoặc xoay chiều v.v Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 9
1.1.3. So sánh hệ thống tuỳ động vị trí với hệ thống điều tốc Qua các phân tích trên dễ dàng nhận ra những chỗ khác nhau và giống nhau giữa hệ thống tuỳ động vị trí (sau đây gọi tắt là hệ thống tuỳ động) và hệ thống điều tốc. Cả hai đều là hệ thống kín (có phản hồi), tức là thông qua việc so sánh lƣợng đầu ra của hệ thống với lƣợng cho trƣớc (lƣợng đặt) để tạo ra tín hiệu điều khiển hệ thống, vì vậy nguyên lý của hai hệ thống này là giống nhau. Đại lƣợng cho trƣớc của hệ thống điều tốc là hằng số, dù cho mức độ nhiễu nhƣ thế nào, đều mong đại lƣợng đầu ra ổn định, vì thế chất lƣợng chống nhiễu của hệ thống luôn tỏ ra quan trọng nhất. Còn trong hệ thống tuỳ động thì tín hiệu đặt vị trí là thƣờng xuyên thay đổi, là đại lƣợng “thay đổi tuỳ ý”, yêu cầu lƣợng đầu ra bám chính xác theo sự thay đổi của lƣợng cho trƣớc, tính nhanh nhậy, tính linh hoạt, tính chính xác thích nghi đầu ra trở thành đặc trƣng chủ yếu của hệ thống tuỳ động. Hay nói cách khác chất lƣợng bám là chỉ tiêu chủ yếu của hệ thống này. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 10
Từ hình 6.1 có thể thấy, hệ thống tuỳ động có thể xây dựng trên cơ sở hệ thống điều tốc cài thêm mạch vòng vị trí, mạch vòng vị trí là đặc trƣng cấu trúc chủ yếu của hệ thống tuỳ động. Vì vậy hệ thống tuỳ động thƣờng phức tạp hơn hệ thống điều tốc. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 11
1.1.3. Phân loại hệ thống tuỳ động vị trí Hình 1.2: Cấu trúc điển hình của hệ tùy động kiểu mô phỏng Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 12
1.1.4. Phân loại hệ thống tuỳ động vị trí Hệ thống tuỳ động điều khiển góc pha kiểu số: Bàn máy Bộ Bộ Số liệu Động cơ D Nhận diện Điều khiển cho trước chấp hành A pha tốc độ Đo vị trí (Thiết bị đồng bộ cảm ứng) Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống tùy động điều khiển góc pha Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 13
1.1.4. Phân loại hệ thống tuỳ động vị trí Hệ thống tuỳ động điều khiển xung số: Bàn máy Bộ Bộ Số liệu D* Động cơ Thuật toán D Điều khiển cho trước chấp hành đảo chiều A tốc độ D Đo kiểm vị trí (Thiết bị quang trở) Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý hệ thống tùy động điều khiển xung số Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 14
1.1.4. Phân loại hệ thống tuỳ động vị trí Hệ thống tuỳ động điều khiển kiểu mã số: Bàn máy Bộ Bộ Số liệu D* Động cơ Thuật toán D Điều khiển cho trước chấp hành đảo chiều A tốc độ D Đo kiểm vị trí (Đĩa mã quang điện) Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động điều khiển mã số Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 15
1.2 ĐO KIỂM TÍN HIỆU VỊ TRÍ 1.2.1. Sensin (SS) Cuộn dây stator Sensin là một bộ cảm biến chuyển vị góc S, trong hệ thống tuỳ động thƣờng dùng theo Cuộn dây từng cặp đối nhau. Sensin có rotor nối với bộ rotor phận điều khiển thì đƣợc gọi là sensin phát (máy phát tin), còn sensin có rotor nối với trục cơ cấu chấp hành thì có tên là sensin thu (máy phát tin). Hình 1.6: Nguyên lý cấu tạo sensin Sensin một pha: Gồm một cuộn dây kích từ một pha và một bộ cuộn dây chỉnh bƣớc, cuộn dây kích từ lắp đặt trên rotor, cực từ kích thích thƣờng làm thành dạng cực ẩn, nhƣ vậy có thể làm cho trở kháng đầu vào không thay đổi theo vị trí của rotor, cuộn dây chỉnh bƣớc là cuộn dây 3 pha, thƣờng đƣợc quấn rải, bố trí trên stator, lệch pha nhau 120o, đấu theo kiểu Y. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 16
1.2.1. Sensin (SS) Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý nối sensin kiểu điều khiển Hình 1.8: Vị trí góc của máy tự chỉnh góc 0 uss = Ussm sin(t - + 90 ) cos(1 -2 ) (6.1) 0 uss = Ussm sin  sin(t - + 90 ) (6.2) Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 17
1.2.2. Bộ biến áp quay (Br) Ubr  R1 U2 S2 R2 S1 U1 Hình 1.9: Bộ biến áp quay Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 18
1.2.2. Bộ biến áp quay (Br) ubr(t) = m[u1(t)cos + u2(t)sin] = mUm cos(ot +) (6.3) o Ubrm = kUfm cos(  - 90 ) = kUfm sin  (6.4) Hình 1.10: Thiết bị đo kiểm sai số góc do biến áp quay tạo thành Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 19
1.2.3. Bộ đồng bộ cảm ứng (BIS) Hình 1.11: Bộ đồng bộ cảm ứng kiểu đường thẳng Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 20
1.2.4. Đĩa mã quang điện 1.2.4.1. Đĩa mã kiểu gia số Hình 6.12: Nguyên lý làm việc đĩa mã quang kiểu gia số a) Sơ đồ nguyên lý; b) Đồ thị lượng ra Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 21
1.2.4. Đĩa mã quang điện 1.2.4.2. Đĩa mã kiểu trị tuyệt đối Hình 1.13: Đĩa mã quang điện trị tuyết đối a) Đĩa mã chế độ nhị phân b) Đĩa mã chế độ tuần hoàn Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 22
1.2.4. Đĩa mã quang điện 1.2.4.2. Đĩa mã kiểu trị tuyệt đối Bảng 1.1: Bảng đối chiếu vị trí trục đĩa mã quang điện và mã số Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 23
1.3 HỆ THỐNG TUỲ ĐỘNG VỊ TRÍ SENSIN VÀ PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ 1.3.1. Cấu tạo và mô hình toán học của hệ thống tuỳ động vị trí sensin 1.3.1.1. Sensin Hình 1.14: Hệ thống tuỳ động vị trí sensin Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 24
1.3.1.1. Sensin a) Quan hệ giữa biên độ điện áp đầu ra với m; b) Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của sensin Hình 1.15: Khâu đo kiểm sai số góc bằng sensin Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 25
1.3.1. Cấu tạo và mô hình toán học của hệ thống tuỳ động vị trí sensin 1.3.1.2. Khuếch đại nhạy pha Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 26
1.3.1. Cấu tạo và mô hình toán học của hệ thống tuỳ động vị trí sensin 1.3.1.3. Khuếch đại công suất đảo chiều Có thể là bộ chỉnh lƣu điều khiển có đảo dòng hoặc các bộ xung điện áp đảo chiều, Với chỉnh lƣu điều khiển thì hàm truyền của bộ KĐCS: Kb  s1 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 27
1.3.1. Cấu tạo và mô hình toán học của hệ thống tuỳ động vị trí sensin 1.3.1.4. Cơ cấu chấp hành Là động cơ truyền động, còn gọi là động cơ bám. Thƣờng sử dụng động cơ một chiều, xoay chiều, các động cơ đặc biệt, khi dùng động cơ một chiều thì hàm truyền của động cơ là: 1/ Ce 2 Tm T e s T m s 1 Đơn giản hóa gần đúng là: 1/ Ce Tm s 1 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 28
1.3.1. Cấu tạo và mô hình toán học của hệ thống tuỳ động vị trí sensin 1.3.1.5. Bộ giảm tốc Khâu nối giữa động cơ và cơ cấu sản xuất, nếu cơ cấu sản xuất chuển động tịnh tiến thì nó còn có nhiệm vụ biến đổi dạng chuyển động. Cấu trúc và hàm truyền của bộ giảm tốc từ tốc độ góc sang góc quay là: Hình 1.17: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động bộ giảm tốc Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 29
1.3.1. Cấu tạo và mô hình toán học của hệ thống tuỳ động vị trí sensin Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của toàn bộ hệ thống tùy động vị trí sensin đƣợc mô tả trên hình 1.18, trong đó Rp là bộ điều chỉnh vị trí. Cách thiết kế nó cùng các tham số của nó sẽ đƣợc trình bày cụ thể ở phần sau. Mô hình cấu trúc trạng thái động Hình 1.18: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động hệ thống tùy động vị trí sensin Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 30
1.3.2. Phân tích sai số trạng thái ổn định và tính toán tham số của hệ thống tuỳ động vị trí sensin 1.3.2.1. Sai số nguyên lý (sai số hệ thống) Bảng 6.2: Phạm vi sai số các loại linh kiện đo kiểm Hình 6.19: Cấu trúc hệ thống tùy động Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 31
1.3.2. Phân tích sai số trạng thái ổn định và tính toán tham số của hệ thống tuỳ động vị trí sensin 1.3.2.1. Sai số nguyên lý (sai số hệ thống) Hình 1.20: Các dạng tín hiệu vào điển hình a) đầu vào là vị trí b) đầu vào là vận tốc c) đầu vào là gia tốc Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 32
1.3.2. Phân tích sai số trạng thái ổn định và tính toán tham số của hệ thống tuỳ động vị trí sensin 1.3.2.1. Sai số nguyên lý (sai số hệ thống) Sai số hệ thống với hệ loại I: Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 33
1.3.2. Phân tích sai số trạng thái ổn định và tính toán tham số của hệ thống tuỳ động vị trí sensin 1.3.2.1. Sai số nguyên lý (sai số hệ thống) Sai số hệ thống với hệ loại II: 1 s2 D(s) es lims 0 s0 s22 s D(s) KN(s) 1 s2 D(s) esv lims   0 s0 s22 s D(s) KN(s) 1 s2 D(s) 1 esa lims   s0 s32 s D(s) KN(s) K Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 34
1.3.2. Phân tích sai số trạng thái ổn định và tính toán tham số của hệ thống tuỳ động vị trí sensin 1.3.2.1. Sai số nguyên lý (sai số hệ thống) Hệ số phẩm chất tốc độ Kv và hệ số phẩm chất gia tốc Ka: * * m  K K m v e a sv esa * m Kv lims 1 W(s) * 1 s0 limsm s0 s2 1 W(s) * m 2 Ka lims 1 W(s) * 1 s0 limsm s0 s2 1 W(s) Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 35
1.3.2. Phân tích sai số trạng thái ổn định và tính toán tham số của hệ thống tuỳ động vị trí sensin 1.3.2.2. Sai số nhiễu Hình 1.21: Tác động của nhiễu lên hệ thống tùy động Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 36
1.3.2. Phân tích sai số trạng thái ổn định và tính toán tham số của hệ thống tuỳ động vị trí sensin 1.3.2.2. Sai số nhiễu Ta có: m2(s) W (s) I(s)Rc d (Ts e 1) 1 W(s)W(s) 1 2 Hình 1.22: Ảnh hưởng của nhiễu phụ Hình 1.23: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động tải đối với hệ thống tùy động vị trí ở trạng thái nhiễu phụ tải Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 37
1.3.2. Phân tích sai số trạng thái ổn định và tính toán tham số của hệ thống tuỳ động vị trí sensin 1.3.2.2. Sai số nhiễu Sai số do nhiễu phụ tải Ic=const IR Hệ thống loại I: e cd c K 1 Hệ thống loại II: ec = 0 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 38
1.4. HIỆU CHỈNH TRẠNG THÁI ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÙY ĐỘNG VỊ TRÍ 1.4.1. Hiệu chỉnh nối tiếp (hiệu chỉnh bằng bộ điều chỉnh) Sơ đồ cấu trúc Hình 1. 25: Sơ đồ cấu trúc hệ thống tuỳ động một mạch vòng vị trí Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 39
1.4. HIỆU CHỈNH TRẠNG THÁI ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÙY ĐỘNG VỊ TRÍ 1.4.1. Hiệu chỉnh nối tiếp (hiệu chỉnh bằng bộ điều chỉnh) Làm gần đúng mẫu số hàm truyền đối tƣợng điều khiển: 2 2 TmTes + Tms + 1  TmTes + (Tm + Te)s +1 = (Tms + 1)( Tes + 1) Điều kiện gần đúng là: Te Tm / 10 Hàm truyền đối tƣợng đơn giản hóa: Kđt Wđt (s) s(Tpm s 1)(T s 1) Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 40
1.4. HIỆU CHỈNH TRẠNG THÁI ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÙY ĐỘNG VỊ TRÍ 1.4.1. Hiệu chỉnh nối tiếp (hiệu chỉnh bằng bộ điều chỉnh) a) Sơ đồ mạch điện b) Đặc tính tần biên logarit Hình 1.26: Bộ điều chỉnh PID Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 41
1.4. HIỆU CHỈNH TRẠNG THÁI ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÙY ĐỘNG VỊ TRÍ 1.4.1. Hiệu chỉnh nối tiếp (hiệu chỉnh bằng bộ điều chỉnh) Ta có phƣơng trình viết cho mạch điện ở dạng toán tử Laplace: Trong đó: Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 42
1.4. HIỆU CHỈNH TRẠNG THÁI ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÙY ĐỘNG VỊ TRÍ 1.4.1. Hiệu chỉnh nối tiếp (hiệu chỉnh bằng bộ điều chỉnh) Sau khi biến đổi, ta tìm đƣợc hàm số truyền của bộ điều chỉnh vị trí: Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 43
1.4. HIỆU CHỈNH TRẠNG THÁI ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÙY ĐỘNG VỊ TRÍ 1.4.1. Hiệu chỉnh nối tiếp (hiệu chỉnh bằng bộ điều chỉnh) Do đó: Trong đó: Ta có cấu trúc hệ thống tuỳ động có bộ điều chỉnh vị trí PID: Hình 1. 27: Sơ đồ cấu trúc hệ thống tuỳ động hiệu chỉnh nối tiếp bằng bộ PID Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 44
1.4. HIỆU CHỈNH TRẠNG THÁI ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÙY ĐỘNG VỊ TRÍ 1.4.2. Hiệu chỉnh song song (phản hồi) 1.4.2.1. Hiệu chỉnh song song bằng phản hồi âm tốc độ Ta có sơ đồ cấu trúc trạng thái động: Hình 1.28: Hệ thống động có hiệu chỉnh mắc song song Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 45
1.4. HIỆU CHỈNH TRẠNG THÁI ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÙY ĐỘNG VỊ TRÍ 1.4.2. Hiệu chỉnh song song (phản hồi) 1.4.2.1. Hiệu chỉnh song song bằng phản hồi âm tốc độ Ta có sơ đồ cấu trúc trạng thái động: Hình 1. 29: Sơ đồ cơ cấu trúc trạng thái động hệ thống tuỳ động có phản hồi âm tốc độ quay Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 46
2.1. Loại hình cơ bản của hệ điều tốc động cơ không động bộ 2.2. Hệ thống kín điều tốc bằng điều chỉnh điện áp xoay chiều - hệ thống điều tốc kiểu tiêu hao công suất trượt Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 47
2.1. LOẠI HÌNH CƠ BẢN CỦA HỆ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỘNG BỘ Các loại hệ thống điều tốc động cơ không đồng bộ: 1. Điều tốc giảm điện áp; 2. Điều tốc sử dụng bộ ly hợp trƣợt điện từ; 3. Điều tốc điện trở nối tiếp mạch rotor động cơ dây quấn động cơ không đồng bộ; 4. Điều tốc nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dây quấn; 5. Điều tốc thay đổi số đôi cực; 6. Điều tốc biến tần v.v Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 48
2.1. LOẠI HÌNH CƠ BẢN CỦA HỆ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỘNG BỘ Các hệ điều tốc động cơ không đồng bộ theo góc độ chuyển đổi năng lượng: 1. Hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trƣợt - toàn bộ công suất trƣợt chuyển thành nhiệt năng tiêu hao mất. 2. Hệ thống điều tốc kiểu tái sinh - một bộ phận của công suất trƣợt bị tiêu hao đi, phần lớn còn lại nhờ có thiết bị chỉnh lƣu đƣợc trả về mạng điện hoặc chuyển hoá thành dạng cơ năng để dùng vào việc có ích khác. 3. Hệ thống điều tốc công suất trƣợt không thay đổi - trong hệ thống này không tránh khỏi tiêu hao công suất trên vòng đồng rotor, nhƣng sự tiêu hao công suất trƣợt hầu nhƣ không phụ thuộc vào tốc độ cao hay thấp, vì thế hiệu suất khá cao. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 49
2.2. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BẰNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU - HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC KIỂU TIÊU HAO CÔNG SUẤT TRƢỢT Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý điều tốc biến áp động cơ không đồng bộ BATN - Biến áp tự ngẫu; KBH - Bộ điện kháng bão hoà; BĐXC - Bộ điều áp xoay chiều dùng triac Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 50
2.2. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BẰNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU - HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC KIỂU TIÊU HAO CÔNG SUẤT TRƢỢT Các hệ điều tốc động cơ không đồng bộ theo góc độ chuyển đổi năng lƣợng: Hình 2.2: Mạch điện tương đương trạng thái ổn định động cơ điện cảm ứng Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 51
2.2. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BẰNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU - HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC KIỂU TIÊU HAO CÔNG SUẤT TRƢỢT 2.2.1. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi thay đổi điện áp Phƣơng trình đặc tính cơ điện: U II 1 12 R (R 2 )2  2 (L L ) 2 1s 1 1 2 Phƣơng trình đặc tính cơ: PR3n 3n U2 R / s MI m2 p 2 p 1 2 đt 2 s R 11 (R 2 )2  2 (L L ) 2 1 1s 1 1 2 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 52
2.2. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BẰNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU - HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC KIỂU TIÊU HAO CÔNG SUẤT TRƢỢT 2.2.1. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi thay đổi điện áp Hệ số trƣợt tới hạn: R s 2 t 2 2 2 R1  1 (L 1 L 2 ) Mô men tới hạn (mô men cực đại): 2 3np1 U Mt 2 R R2  2 (L L ) 2 1 1 1 1 1 2 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 53
2.2. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BẰNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU - HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC KIỂU TIÊU HAO CÔNG SUẤT TRƢỢT 2.2.1. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi thay đổi điện áp Hình 2.3: Đường đặc tính cơ của động Hình 2.4: Đường đặc tính cơ của động cơ cơ điện cảm ứng với các giá trị khác điện cảm ứng với rotor điện trở cao khi thay nhau của điện áp trên stator đổi giá trị điện áp trên stator Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 54
2.2. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BẰNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU - HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC KIỂU TIÊU HAO CÔNG SUẤT TRƢỢT 2.2.2. Hệ thống kín điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp và đặc tính tĩnh của hệ Hình 2.5: Hệ thống kín điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp có phản hồi âm tốc độ a) sơ đồ nguyên lý; b) đặc tính tĩnh Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 55
2.2. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BẰNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU - HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC KIỂU TIÊU HAO CÔNG SUẤT TRƢỢT 2.2.2. Hệ thống kín điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp và đặc tính tĩnh của hệ Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc trạng thái tĩnh hệ thống điều tốc động cơ không đồng bộ bằng thay đổi điện áp stator Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 56
2.2. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BẰNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU - HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC KIỂU TIÊU HAO CÔNG SUẤT TRƢỢT 2.2.3. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động gần đúng Hình 2. 7: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động gần đúng của hệ thống điều tốc động cơ không đồng bộ bằng thay đổi điện áp stator Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 57
2.2. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BẰNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU - HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC KIỂU TIÊU HAO CÔNG SUẤT TRƢỢT 2.2.3. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động gần đúng Hàm truyền BBĐ: Kb Wb (s)  s1 Hàm truyền phản hồi tốc độ:  W (s) fn T s 1 fn Hàm truyền động cơ: 2sA1 1 KĐK WĐK (s) 2 U1AJR12 T m s 1 22s1 3np U 1A Với: 2s  2   và JR2 K A1 1A T 12 ĐK m 3n22 U UU1A 1A p 1A Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 58
2.2. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BẰNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU - HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC KIỂU TIÊU HAO CÔNG SUẤT TRƢỢT 2.2.3. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động gần đúng Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động tuyến tính hoá gần đúng của động cơ KĐB Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 59
3.1. Phương trình điều khiển cơ bản của hệ thống truyền động biến tần – Động cơ không đồng bộ ba pha 3.2 Các bộ biến tần kiểu tĩnh 3.3. Nghịch lưu điều chế độ rộng xung hình sin (spwm) 3.4. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ở chế độ tĩnh khi điều khiển phối hợp tần số và điện áp 3.5. Hệ thống hở điều tốc biến tần điều khiển tỷ số điện áp / tần số không đổi 3.6. Hệ thống kín điều tốc biến tần điều khiển tần số trượt 3.7. Mô hình toán học nhiều biến số của động cơ không đồng bộ ba pha và phép biến đổi toạ độ 3.8. Hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 60
3.1. PHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN-ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Giá trị hiệu dụng của sức điện động cảm ứng của mỗi pha stator động cơ không đồng bộ ba pha là: Ef = 4,44f1N1kN1m Trong đó: Ef là giá trị hiệu dụng của sức điện động cảm ứng do từ thông ở khe hở không khí trong mỗi pha stator động cơ không đồng bộ ba pha gây ra, đơn vị đo là V; f1: là tần số mạch stator, đơn vị do là Hz; N1 là số vòng quấn của mỗi cuộn dây mỗi pha stator; kN1 là hệ số cuộn dây đối với sóng cơ bản; m là từ thông ở khe hở không khí mỗi cực, đơn vị là Wb. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 61
3.1. PHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN-ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 3.1.1. Điều tốc thấp hơn tần số cơ bản Quy luật điều chỉnh: E U1 f const const f f1 1 Hình 3.1: Đặc tính điều khiển tỷ số điện áp và tần số hằng số: a) không bù sụt áp mạch stator; b) có bù sụt áp mạch stator Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 62
3.1. PHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN-ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 3.1.2. Điều tốc cao hơn tần số cơ bản Hình 3.2: Đặc tính điều khiển điều tốc biến tần động cơ không đồng bộ Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 63
3.2 CÁC BỘ BIẾN TẦN KIỂU TĨNH 3.2.1. Thiết bị biến tần gián tiếp (thiết bị biến tần xoay chiều -một chiều - xoay chiều) Hình 3.3: Thiết bị biến tần gián tiếp Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 64
3.2 CÁC BỘ BIẾN TẦN KIỂU TĨNH 3.2.1. Thiết bị biến tần gián tiếp (thiết bị biến tần xoay chiều -một chiều - xoay chiều) Hình 3.4: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều a) Biến tần dùng chỉnh lưu điều khiển bằng tiristor b) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp c) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu điều chế PWM Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 65
3.2 CÁC BỘ BIẾN TẦN KIỂU TĨNH 3.2.2. Bộ biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) Hình 3.5: Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 66
3.2 CÁC BỘ BIẾN TẦN KIỂU TĨNH 3.2.2. Bộ biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) Hình 3.7: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều - xoay chiều hình sin Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 67
3.2 CÁC BỘ BIẾN TẦN KIỂU TĨNH 3.2.3. Bộ biến tần nguồn điện áp và nguồn dòng điện Hình 3.8: Cấu trúc biến tần xoay gián tiếp a) Bộ biến tần nguồn điện áp b) Bộ biến tần nguồn dòng điện Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 68
3.3. NGHỊCH LƢU ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HÌNH SIN (SPWM) Hình 3.9: Cấu trúc biến tần gián tiếp bằng tiristor thường sử dụng Hình 3.10: Cấu trúc biến tần gián tiếp với nghịch lưu PWM Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 69
3.3. NGHỊCH LƢU ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HÌNH SIN (SPWM) 8.3.1. Nguyên lý làm việc của bộ nghịch lưu SPWM Hình 3.11: Thứ tự sắp xếp các xung hình chữ nhật cùng biên độ tương đương với sóng hình sin: a) Sóng hình sin; b) Đồ thị sóng tương đương của SPWM Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 70
3.3. NGHỊCH LƢU ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HÌNH SIN (SPWM) 8.3.1. Nguyên lý làm việc của bộ nghịch lưu SPWM Hình 3.12a: Sơ đồ nguyên lý mạch lực khối nghịch lưu SPWM Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 71
3.3. NGHỊCH LƢU ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HÌNH SIN (SPWM) 8.3.1. Nguyên lý làm việc của bộ nghịch lưu SPWM Hình 3.12b: Sơ đồ khối mạch khống chế nghịch lưu SPWM Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 72
3.3. NGHỊCH LƢU ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HÌNH SIN (SPWM) 8.3.1. Nguyên lý làm việc của bộ nghịch lưu SPWM Hình 3.13: Phương pháp điều chế độ rộng xung và đồ thị với trường hợp điều chế một cấp a) Sóng mang tam giác và sóng điều chế hình sin; b) Đồ thị sóng đầu ra SPWM Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 73
3.3. NGHỊCH LƢU ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HÌNH SIN (SPWM) 8.3.1. Nguyên lý làm việc của bộ nghịch lưu SPWM Hình 3.14: Đồ thị xung điện áp đầu ra của SPWM khi điều khiển một cực Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 74
3.3. NGHỊCH LƢU ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HÌNH SIN (SPWM) 8.3.1. Nguyên lý làm việc của bộ nghịch lưu SPWM Hình 3.15: Đồ thị sóng đầu ra 3 pha khối nghịch lưu SPWM kiểu hai cực: a) Sóng điều chế 3 pha và sóng tải tam giác; b) uA0= f(t); c) uB0= f(t); d) uC0= f(t); e) điện áp dây uAB= f(t) Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 75
3.3. NGHỊCH LƢU ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HÌNH SIN (SPWM) 8.3.1. Nguyên lý làm việc của bộ nghịch lưu SPWM N 2Ud 2i 1 k u(t)   sin(k  )sin i1 sin k  t k 1k i 1 2 N 2 N 2Ud 2i 1 i U1m  sin(  ) i1 2 N 2 NNN 2Ud 2i 1 Um 2i 1 2U m2 2i 1 2U m 1 U1m  sin( ) sin  sin (  ) 1 cos(2i 1) i 1 i 1 i 1 2NNU2N d N 2N N2 N 1 N Um 1  cos(2i 1) NNi1 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 76
3.3. NGHỊCH LƢU ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HÌNH SIN (SPWM) 3.3.2. Điều chế đồng bộ và không đồng bộ của bộ nghịch lưu SPWM Điều chế phân đoạn đồng bộ: Hình 3.16: Quan hệ đường cong giữa fm và ft khi điều chế phân đoạn đồng bộ Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 77
3.3. NGHỊCH LƢU ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HÌNH SIN (SPWM) 3.3.3. Mô thức điều chế của SPWM và cách thực hiện nó Hình 3.17: Phương pháp lấy mẫu tự nhiên tạo thành sóng của SPWM Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 78
3.3. NGHỊCH LƢU ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HÌNH SIN (SPWM) 3.3.3. Mô thức điều chế của SPWM và cách thực hiện nó Hình 3.18: Phương pháp lấy mẫu quy tắc tạo sóng SPWM a) Phép lấy mẫu quy tắc I, b) Phép lấy mẫu quy tắc II Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 79
3.3. NGHỊCH LƢU ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HÌNH SIN (SPWM) 3.3.3. Mô thức điều chế của SPWM và cách thực hiện nó Hình 3.19: Đồ thị sóng SPWM 3pha Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 80
3.3. NGHỊCH LƢU ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HÌNH SIN (SPWM) 3.3.3.3. Phương pháp loại bỏ sóng hài chỉ định (Harmonic Elimination Method) Hình 3.20: Đồ thị sóng SPWM kiểu một cựcvới 3 xung trong một nửa chu kỳ Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 81
3.3. NGHỊCH LƢU ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HÌNH SIN (SPWM) 3.3.4. Bộ nghịch lưu spwm điều khiển vòng trễ (Hyserresis-band) dòng điện tần số đóng cắt cao Hình 3.21: Sơ đồ khối bộ điều khiển dòng điện một pha bộ nghịch lưu SPWM điều khiển vòng trễ dòng điện: DHC là bộ so sánh vòng trễ Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 82
3.3. NGHỊCH LƢU ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG HÌNH SIN (SPWM) 3.3.4. Bộ nghịch lưu spwm điều khiển vòng trễ (Hyserresis-band) dòng điện tần số đóng cắt cao Hình 3.22: Đồ thị dòng điện và điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu khi điều khiển vòng trễ dòng điện Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 83
3.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Ở CHẾ ĐỘ TĨNH KHI ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP Ta có: U s R 12 1 2 Mđt 3n p ( ) 2 2 2 2 1(sR 1 R 2 ) s  1 (L l L 2 ) Khi s rất nhỏ: Us112  Mđt 3n p ( ) 12R Khi s tiến gần đến 1: UR 1 M 3n (1 )2 1 2 đt p  2 2 , 2 s 1 s R1  1 (L l1 L l2 ) Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 84
3.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Ở CHẾ ĐỘ TĨNH KHI ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP Hình 3.23: Đặc tính cơ của động cơ Hình 3.24: Đặc tính cơ điều tốc biến không đồng bộ ba pha khi tần số và tần khi điều khiển tỷ số điện áp và tần điện áp không đổi số không đổi Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 85
3.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Ở CHẾ ĐỘ TĨNH KHI ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP 3.4.2. Đặc tính cơ khi phối hợp điều khiển điện áp và tần số 2 U s R M 3n 1 1 2 cp 2 2 2 2 1(sR 1 R 2 ) s  1 (L 1 L 2 ) Khi U1/1 = const: RM 2 đt s 1 2 U1 3n p 1 2 31 U Mn 1 tp 2 2 1 RR11 2 (L12 L ) 11 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 86
3.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Ở CHẾ ĐỘ TĨNH KHI ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP 3.4.2. Đặc tính cơ khi phối hợp điều khiển điện áp và tần số Sơ đồ thay thế một pha động cơ: Hình 3.25: Mạch điện tương đương ở trạng thái ổn định của động cơ điện cảm ứng và sức điện động cảm ứng Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 87
3.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Ở CHẾ ĐỘ TĨNH KHI ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP 3.4.2. Đặc tính cơ khi phối hợp điều khiển điện áp và tần số E I f Khi Ef /1 = const: 2 2 R 2 2 (L)12 s 2 3n 2 p Ef R 2 E f s 1 R 2 Mđt   3n p 2 s  R 2 s 2  2 L '2 1 R 2 2 '2 1 2 1 2 12L s Khi s rất nhỏ: 2 Esf1 Mđt 3n p s  R 12 Khi s tiến gần đến 1: 2 2 31 E ERf2 1 f M 3n Mntp đt p 2L 1s 1 L 2 s 12 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 88
3.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Ở CHẾ ĐỘ TĨNH KHI ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP 3.4.2. Đặc tính cơ khi phối hợp điều khiển điện áp và tần số Khi Er /1 = const: E I r 2 R / s 2 2 3n 2 p Er R 2 E r s 1 Mđt 2  3n p sR 1 R 2 1 2 s Er  4,44f 1 N 1 kN 1 rm Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 89
3.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Ở CHẾ ĐỘ TĨNH KHI ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP 3.4.2. Đặc tính cơ khi phối hợp điều khiển điện áp và tần số Hình 3.26: Đặc tính cơ ở các chế độ điều chế phối hợp điện áp - tần số khác nhau: a) điều khiển U1/1 = const; b) điều khiển Ef/1 = const; c) điều khiển Er/1 = const Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 90
3.5. HỆ THỐNG HỞ ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỶ SỐ ĐIỆN ÁP / TẦN SỐ KHÔNG ĐỔI 3.5.1. Hệ thống điều tốc biến tần gián tiếp nguồn điện áp Hình 3.27: Hệ thống hở điều tốc biến tần gián tiếp nguồn điện áp -động cơ không đồng bộ GI- bộ tích phân tín hiệu đặt; GAB - bộ biến đổi trị tuyệt đối Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 91
3.5. HỆ THỐNG HỞ ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỶ SỐ ĐIỆN ÁP / TẦN SỐ KHÔNG ĐỔI 3.5.1. Hệ thống điều tốc biến tần gián tiếp nguồn điện áp Hình 3.28 Sơ đồ nguyên lý bộ tích phân tín hiệu đặt Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 92
3.5. HỆ THỐNG HỞ ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỶ SỐ ĐIỆN ÁP / TẦN SỐ KHÔNG ĐỔI 3.5.1. Hệ thống điều tốc biến tần gián tiếp nguồn điện áp Hình 3.29: Đồ thị điện áp của bộ tích phân tín hiệu đặt Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 93
3.5. HỆ THỐNG HỞ ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỶ SỐ ĐIỆN ÁP / TẦN SỐ KHÔNG ĐỔI 3.5.1. Hệ thống điều tốc biến tần gián tiếp nguồn điện áp Hình 3.30: Bộ biến đổi giá trị tuyệt đối Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 94
3.5. HỆ THỐNG HỞ ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỶ SỐ ĐIỆN ÁP / TẦN SỐ KHÔNG ĐỔI 3.5.1. Hệ thống điều tốc biến tần gián tiếp nguồn điện áp Hình 3.31: Khâu điều khiển điện áp của hệ thống điều tốc biến tần nguồn áp Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 95
3.5. HỆ THỐNG HỞ ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỶ SỐ ĐIỆN ÁP / TẦN SỐ KHÔNG ĐỔI 3.5.1. Hệ thống điều tốc biến tần gián tiếp nguồn điện áp Hình 3.32: Bộ tạo hàm TH: a) sơ đồ nguyên lý; b) đặc tính đầu vào đầu ra Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 96
3.5. HỆ THỐNG HỞ ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỶ SỐ ĐIỆN ÁP / TẦN SỐ KHÔNG ĐỔI 3.5.1. Hệ thống điều tốc biến tần gián tiếp nguồn điện áp Hình 3.33: Khâu điều khiển tần số khối nghịch lưu tiristor UFC: Bộ chuyển đổi điện áp tần số; PPX: Bộ phân phối xung; DPI: Bộ nhận biết cực tính; KĐX: bộ khuếch đại xung; RF: Bộ điều chỉnh khối điều chỉnh tần số Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 97
3.5. HỆ THỐNG HỞ ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỶ SỐ ĐIỆN ÁP / TẦN SỐ KHÔNG ĐỔI 3.5.1. Hệ thống điều tốc biến tần gián tiếp nguồn điện áp Hình 3.34: Bộ nghịch lưu nguồn áp - động cơ không đồng bộ Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 98
3.6. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TRƢỢT 3.6.1. Khái niệm cơ bản về điều khiển tần số trượt Phƣơng trình chuyển động cơ bản: Jd MMđt c np dt Với: ' M®t C m  m I 2 cos 2 Eff sE I'2 2R 2  (s L ) 2 R 2 2 2 1 2 (L) 2 s R 22 / s R cos 2 2 2 22 R 2  (s 1 L 2 ) R 2 (L) 2 s Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 99
3.6. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TRƢỢT 3.6.1. Khái niệm cơ bản về điều khiển tần số trượt sE R Ta có: MC  f2 đt m m R 22  (s L ) 2 1 2 4,44 1 Vì: E4,44fNK   NK   NK  f 11N1m2 11Nm2 11N1m 1 2 sR12 MCNKđt  m 1 N1 m 22 2 R  (s L ) 2 1 2 Đặt s = s1, đồng thời định nghĩa đó là tần số trƣợt, thì: 2 s2R MKđt  m m 22 R(L) 2  s 2 2 s MKđt  m m R 2 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 100
3.6. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TRƢỢT 3.6.2. Quy luật điều khiển tần số trượt Hình 3.35: Đặc tính M đt = f(s) điều khiển theo giá trị m = const Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 101
3.6. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TRƢỢT 3.6.2. Quy luật điều khiển tần số trượt EE I I I ; I ff ; I 1 2 2 2R 0 jL 2 jL 1m s 12 . R 2 j  (L L ) 11 s 1 m 2 IEE1 f f  RR jL 22 j  L 1m j  L ( j  L ) ss1 2 1 m 1 2 R 2 j  (L L ) 1 m 2 R j  (L L ) Is I 2 s m 2 00R R '  j L 2 jL 2 s 2 s 12 2 2 2 R 2  s (L m L 2 ) II10 2 2 2 RL 2  s 2 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 102
3.6. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TRƢỢT 3.6.2. Quy luật điều khiển tần số trượt Hình 3.36: Đường cong hàm số I1 = f(s), khi duy trì m= const Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 103
3.6. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TRƢỢT 3.6.1. Khái niệm cơ bản về điều khiển tần số trượt (1) Sử dụng bộ biến tần nguồn dòng, làm cho đối tƣợng điều khiển có khả năng thích nghi nhanh ở trạng thái động và tiện cho việc hãm tái sinh, đó là cơ sở để nâng cao chất lƣợng động của hệ thống. (2) Cũng giống nhƣ hệ thống điều tốc hai mạch vòng kín của động cơ điện một chiều, mạch vòng ngoài là vòng tốc độ quay, mạch vòng trong là vòng dòng điện. Đầu ra của bộ điều chỉnh tốc độ quay R là giá trị cho trƣớc của tần số trƣợt đại diện cho mô men đặt. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 104
3.6. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TRƢỢT 3.6.1. Khái niệm cơ bản về điều khiển tần số trượt Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 105
3.6. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TRƢỢT 3.6.1. Khái niệm cơ bản về điều khiển tần số trượt Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 106
3.6. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TRƢỢT 3.6.1. Khái niệm cơ bản về điều khiển tần số trượt Hình 3.37: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều tốc biến tần điều khiển tần số trượt Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 107
3.6. HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ TRƢỢT 3.6.1. Khái niệm cơ bản về điều khiển tần số trượt Hình 3.38: Đặc tính làm việc trên bốn góc phần tư của hệ thống điều khiển tần số trượt Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 108
3.7. MÔ HÌNH TOÁN HỌC NHIỀU BIẾN SỐ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA VÀ PHÉP BIẾN ĐỔI TOẠ ĐỘ 3.7.1. Tính chất của mô hình toán học trạng thái động của động cơ không đồng bộ Hình 3.39: Sơ đồ cấu trúc điều khiển Hình 3.40: Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống điều nhiều biến của động cơ không đồng bộ tốc biến tần của động cơ không đồng bộ nhiều biến Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 109
3.7. MÔ HÌNH TOÁN HỌC NHIỀU BIẾN SỐ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA VÀ PHÉP BIẾN ĐỔI TOẠ ĐỘ 3.7.1. Tính chất của mô hình toán học trạng thái động của động cơ không đồng bộ Hình 3.41: Mô hình vật lý động cơ không đồng bộ 3 pha Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 110
3.7. MÔ HÌNH TOÁN HỌC NHIỀU BIẾN SỐ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA VÀ PHÉP BIẾN ĐỔI TOẠ ĐỘ 3.7.2. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha Phƣơng trình đối xứng điện áp của nhóm cuộn dây mạch stator 3 pha là: d u i R A A A 1 dt dB uB i B R 1 dt d u i R C C C 1 dt Phƣơng trình đối xứng điện áp của nhóm cuộn dây mạch rotor 3 pha sau khi tính chuyển đổi về mạch stator d là: u i R a a a 2 dt d u i R b Hình 3.41: Mô hình vật lý động cơ b b 2 dt không đồng bộ 3 pha d u i R c c c 2 dt Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 111
3.7.2. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha 3.7.2.1. Phương trình cân bằng điện áp Phƣơng trình điện áp đƣợc viết ở dạng ma trận uiAAA R 0 0 0 0 0  ui 0 R 0 0 0 0  BBB uiCCC 0 0 R 0 0 0  p uia 0 0 0 R 0 0 a  a ui 0 0 0 0 R 0  b b b uic 0 0 0 0 0 R c  c Hoặc có thể viết: u = Ri + p Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 112
3.7.2. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha 3.7.2.2. Phương trình từ thông Phƣơng trình từ thông đƣợc viết ở dạng ma trận: A L AA L AB L AC L Aa L Ab L Ac i A  L L L L L L i B BA BB BC Ba Bb Bc B C L CA L CB L CC L Ca L Cb L Cc i C  a L aA L aB L aC L aa L ab L ac i a  L L L L L L i b bA bB bC ba bb bc b c L cA L cB L cC L ca L cb L cc i c Hoặc có thể viết:  = Li Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 113
3.7.2. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha 3.7.2.2. Phương trình từ thông Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 114
3.7.2. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha 3.7.2.2. Phương trình từ thông Phƣơng trình từ thông hoàn chỉnh viết dƣới dạng ma trận khối: Trong đó: Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 115
3.7.2. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha 3.7.2.2. Phương trình từ thông 11 11 LLLL LLLL m1 t122 m1 m1 m1 t222 m1 m1 1111 LLLLL LLLLL ss 22 m1 m1 t1 m1 rr 22 m1 m1 t2 m1 11 11 LLLLm1 m1 m1 t1 LLLLm1 m1 m1 t2 22 22 cos cos(  12000 ) cos(  120 ) L LT L cos(  120 0 ) cos  cos(  120 0 ) rs sr m1 00 cos( 120 ) cos(  120 ) cos  Thay phƣơng trình từ thông vào phƣơng trình điện áp, ta đƣợc: di dL di dL uRip(Li)RiL iRiL  i dt dt dt d Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 116
3.7.2. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha 3.7.2.3. Phương trình chuyển động Trong trƣờng hợp tổng quát, phƣơng trình chuyển động của hệ thống truyền động điện có dạng: J d D K MMđt c   np dt n p n p Trong đó: Mc là mô men phụ tải (mô men cản); J là mô men quán tính của hệ thống; D là hệ số cản mô men cản tỷ lệ với tốc độ quay; K là hệ số đàn hồi mô men quay; np là số đôi cực từ động cơ. Đối với phụ tải mô men không đổi, D = 0, K = 0, thì: Jd MMđt c np dt Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 117
3.7.2. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha 3.7.2.4. Phương trình mô men 11 W iTT  i Li m 22 WW Mn mm đt p  m i const i const  0Lsr 1TT L 1  M n i i n i  i đt22 p p  L0  rs 1 TTLLrs sr Mđt n p i r i s i s i r 2   00 npm1AaBbCc L [(i i i i i i )sin  (i AbBcCa i i i i i )sin(  120 ) (i AcBaCb i i i i i )sin(  120 )] Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 118
3.7.2. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha 3.7.2.5. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha Mô hình toán học nhiều biến số của động cơ không đồng bộ 3 pha khi chịu tải mô men không đổi: di L u Ri L  i dt  d  1 L J d n iT i M dt 2pc n dt p Mô hình động cơ biểu diễn bằng không gian trạng thái: di L L 11 (R  )i L u dt  dLnT n 0 iT ip M dt 2J J c d  dt Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 119
3.7.3. Phép biến đổi toạ độ và ma trận chuyển đổi 3.7.3.1. Khái niệm cơ bản và nguyên tắc của phép biến đổi toạ độ Hình 3.42: Mô hình vật lý động cơ điện một chiều hai cực: F- cuộn dây kích từ, A - cuộn dây rotor, C- cuộn dây bù Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 120
3.7.3. Phép biến đổi toạ độ và ma trận chuyển đổi 3.7.3.1. Khái niệm cơ bản và nguyên tắc của phép biến đổi toạ độ Hình 3.43: Mô hình vật lý các cuộn dây động cơ điện xoay chiều, mô hình tương đương và mô hình động cơ điện một chiều a) Mô hình các cuộn dây xoay chiều ba pha b) Mô hình tương đương xoay chiều hai pha c) Mô hình cuộn dây động cơ một chiều quay tròn Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 121
3.7.3. Phép biến đổi toạ độ và ma trận chuyển đổi 3.7.3.2. Ma trận chuyển đổi toạ độ trong điều kiện công suất bất biến u i 1 1 u i1 1 u i i 2 2 u 2 2 u i u i u i i n n u n n Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 122
3.7.3. Phép biến đổi toạ độ và ma trận chuyển đổi 3.7.3.3. Phép chuyển đổi 3 pha/2 pha (phép chuyển đổi 3/2) Hình 3.44: Vị trí vector không gian của hệ toạ độ 3 pha và 2 pha cùng với sức từ động cuộn dây Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 123
3.7.3. Phép biến đổi toạ độ và ma trận chuyển đổi 3.7.3.3. Phép chuyển đổi 3 pha/2 pha (phép chuyển đổi 3/2) Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 124
3.7.3. Phép biến đổi toạ độ và ma trận chuyển đổi 3.7.3.3. Phép chuyển đổi 3 pha/2 pha (phép chuyển đổi 3/2) 11 1 22 1 0 K N 33 N 13 C0 3 CCK 1T 3 3/ 2 3/ 2 3/ 2 N2 2 2 N 2 2 2 KKK 13 K 22 11 3 1 00 22 1 0 K 2 22 1 0 0 12NNN3 3 3 1 3 3 3 3 3 CC()03/ 2 3/ 2 K 00 010I N 2 2 2 2 N 2 2 N 2 2 2 2 2 0 0 2K K K K 13 0 0 3K K 22 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 125
3.7.3. Phép biến đổi toạ độ và ma trận chuyển đổi 3.7.3.3. Phép chuyển đổi 3 pha/2 pha (phép chuyển đổi 3/2) 2 3 N N3 2 Vì vậy: 3 1 2N 2 N32 1 Và: 2K2 1 nên: K 2 11 1 1 10 22 2 2 3 3 1 2 1 3 1 C0 CC2/3 3/ 2 3/ 2 3 2 2 3 2 2 2 1 1 1 1 3 1 2 2 2 222 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 126
3.7.3. Phép biến đổi toạ độ và ma trận chuyển đổi 3.7.3.3. Phép chuyển đổi 3 pha/2 pha (phép chuyển đổi 3/2) 11 i 1 A i 2 22 i B i 3 33 0 iC 22 10 iA 2 1 3 i iB 3 2 2 i i  C 13 22 3 3 0 0 i i 2 iA iA 2  i i i  1 iB B 11  2 2 62 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 127
3.7.3. Phép biến đổi toạ độ và ma trận chuyển đổi 3.7.3.3. Phép chuyển đổi 2 pha/2 pha Hình 3.45: Hệ toạ độ cố định và hệ toạ độ quay 2 pha và vector không gian sức từ động Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 128
3.7.3. Phép biến đổi toạ độ và ma trận chuyển đổi 3.7.3.3. Phép chuyển đổi 2 pha/2 pha i cos sin ii MMC i 2r / 2s  sin cos iiTT cos sin C2r / 2s sin cos 1 i cos sin ii cos sin M  ii iT sin cos  sin cos Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 129
3.7.3. Phép biến đổi toạ độ và ma trận chuyển đổi 3.7.3.5. Phép chuyển đổi toạ độ vuông góc/tọa độ cực (phép chuyển đổi K/P) 22 i1 i M i T Có thể sử dụng công thức khác để tìm :    sin1p sin 1p (2cos 1p ) sin i tg 1p 2 2 2 1p T 2   1 cos  i i cos1p cos 1p (2cos 1p ) 1p T M 2 2 2 1 iT  1p 2tg iiTM Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 130
3.7.3. Phép biến đổi toạ độ và ma trận chuyển đổi 3.7.3.6. Phép chuyển đổi từ hệ toạ độ cố định 3 pha bất kỳ sang hệ toạ độ quay 2 pha (phép chuyển đổi 3s/2r) Trƣớc tiên chuyển từ hệ tọa độ ba pha ABC sang hệ tọa độ hai pha cố định , sau đó thực hiện chuyển từ hệ hai phai cố định  sang hệ hai pha quay dq. Và: Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 131
3.7.3. Phép biến đổi toạ độ và ma trận chuyển đổi 3.7.3.6. Phép chuyển đổi từ hệ toạ độ cố định 3 pha bất kỳ sang hệ toạ độ quay 2 pha (phép chuyển đổi 3s/2r) 11 1 22 i iAA i 2 3 3 i C i 0 i  3/ 2 B 3 2 2 B i0 i C i C 1 1 1 2 2 2 1 1 3 1 3 1 1 cos  sin  cos  sin  cos  2 2 2 2 2 2 cos sin 0 2 3 3 2 1 3 1 3 C  sin cos 0 0  sin sin  cos  sin  3s/ 2r 3 2 2 3 2 2 2 2 0 0 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 cos cos  12000 cos  120 2 sin sin  12000 sin  120 3 1 1 1 2 2 2 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 132
3.7.3. Phép biến đổi toạ độ và ma trận chuyển đổi 3.7.3.6. Phép chuyển đổi từ hệ toạ độ cố định 3 pha bất kỳ sang hệ toạ độ quay 2 pha (phép chuyển đổi 3s/2r) cos cos  12000 cos  120 2 00 C3s/ 2r sin  sin  120 sin  120 3 1 1 1 2 2 2 Ma trận chuyển đổi ngƣợc (từ 2 pha quay sang 3 cố định) của nó là: 1 cos sin  2 1 T21 0 0 C2r/3s C 3s/2r C 3s/2r cos  120 sin  120 3 2 001 cos  120 sin  120 2 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 133
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.4.1. Phương trình điện áp trên hệ toạ độ dq0 Ta có quan hệ chuyển đổi điện áp stator là: 1 cos sin  2 uuA d1 21 00 uB cos  120 sin  120 u q1 3 2 uuC 01 001 cos  120 sin  120 2 21 u (u cos  u sin  u ) A3 d1 q12 01 21 i (i cos  i sin  i ) A3 d1 q12 01 21 A (  d1 cos   q1 sin   01 ) 3 2 Trong hệ toạ độ ABC, phƣơng trình điện áp pha A là: uA i A R 1 p  A Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 134
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.4.1. Phương trình điện áp trên hệ toạ độ dq0 Lấy các công thức chuyển đổi của uA, iA, A thay vào biểu thức và biến đổi ta đƣợc: 1 uRipd1d   dq pcos  uRip q1q   qd psin  (uRip)0 0110101  1 1 1 1 1 1 1 1 2 Đặt p =11 là tốc độ góc của hệ toạ độ quay tƣơng đối với stator; vì  là bất kỳ, nên 3 công thức sau đây lần lƣợt đƣợc thành lập: ud1 R 1 i d1 p  d1  11  q1  uq1 R 1 i q1 p  q1  11  q1  u01 R 1 i 01 p  01  ud2 R 2d2 i p  d2  12q2   uq2 R 2q2 i p  q2  12q2   u02 R 2 i 02 p  02  Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 135
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.4.2. Phương trình từ thông trên hệ toạ độ dq Ma trận chuyển đổi từ thông từ tọa độ 3 pha quay sang hệ tọa độ 2 pha quay với tốc độ quay khác nhau, ma trận chuyển đổi là C3r/2r, dựa theo tốc độ quay tƣơng đối giữa hai hệ tọa độ để xem xét, về hình thức C3r/2r giống với C3s/2r, chỉ cần đổi góc 1 thành góc giữa trục d và trục là 2. cos cos(  12000 ) cos(  120 ) 2 1 1 1 C sin  sin(  12000 ) sin(  120 ) 3s/ 2r3 1 1 1 1 1 1 2 2 2 cos cos(  12000 ) cos(  120 ) 2 2 2 2 C sin  sin(  12000 ) sin(  120 ) 3r / 2r3 2 2 2 1 1 1 2 2 2 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 136
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.4.2. Phương trình từ thông trên hệ toạ độ dq Vì thế ta có: d1 A  q1 B 01 C0 3s/ 2r C  d2 0C 3r / 2r a  q2 b 02 c d1 i d1  i q1 q1 1 01 C 3s/ 2r 0 L ss L sr C03s/ 2r i 01   0 C L L 1 i d2 3r/2rrsrr 0C3r / 2r d2  i q2 q2 02 i 02 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 137
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.4.2. Phương trình từ thông trên hệ toạ độ dq 11 1 cos sin  LLLLm1 t1 m1 m1 1 cos cos(  12000 ) cos(  120 ) 22 2 1 1 1 12 0 0 1 1 001 C3s/2rss3s/2r L C   sin 1 sin( 1 120 )  sin( 1 120 ) L m1 L m1t1 L L m1 cos(  1 120 ) sin( 1 120 ) 3 2 2 2 1 1 1 11 LLLL 001 2 2 2 m1 m1 m1 t1 cos(11 120 ) sin(  120 ) 22 2 3 L L 0 0 t12 m1 3 C L C 1 0 L L 0 3s/2rss 3s/2r t12 m1 0 0 L t1 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 138
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.4.2. Phương trình từ thông trên hệ toạ độ dq 3 L L 0 0 t22 m1 3 C L C 1 0 L L 0 3r/2rrr 3r/2r t22 m1 0 0 L t2 3 L 0 0 2 m1 3 C L C 1 0 L 0 3s/ 2r sr 3r / 2r 2 m1 0 0 0 3 L 0 0 2 m1 3 C L C 1 0 L 0 3r/2rrs 3s/2r 2 m1 0 0 0 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 139
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.4.2. Phương trình từ thông trên hệ toạ độ dq  L 0 0 L 0 0 i d1 s m d1  0 L 0 0 L 0 i q1 s m q1 01 0 0 L t1 0 0 0 i 01 d2 L m 0 0 L r 0 0 i d2  0 L 0 0 L 0 i q2 m r q2 02 0 0 0 0 0 L t2 i 02 Trong đó: Lm=(3/2)Lm1 - Hỗ cảm giữa các cuộn dây stator và rotor đẳng trị trên hệ trục toạ độ dq0; Ls=Lt1+(3/2)Lm1 - Tự cảm các cuộn dây stator 2 pha tƣơng đƣơng trên hệ toạ độ dq0; Lr=Lt2+(3/2)Lm1 - Tự cảm các cuộn dây stator 2 pha tƣơng đƣơng trên hệ toạ độ dq0; Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 140
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.4.2. Phương trình từ thông trên hệ toạ độ dq Cần chú ý, hỗ cảm Lm có trị số bằng 3/2 lần giá trị cực đại hỗ cảm Lm1 giữa hai pha tuỳ ý trong nhóm các cuộn dây 3 pha ban đầu. Từ hai hàng thứ ba và thứ sáu trong công thức (3.102) có thể thấy thành phần trên trục 0 của từ thông là: Tõ c«ng thøc tÝnh tõ th«ng cã thÓ thÊy: 01 = Lt1i01 vµ 02 = Lt2i02 , chóng ®éc lËp víi nhau, kh«ng cã ¶nh h- ëng g× ®èi víi trôc d, q sau nµy trong m« h×nh to¸n häc sÏ kh«ng xÐt tíi. V× vËy: Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 141
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.4.2. Phương trình từ thông trên hệ toạ độ dq Cần chú ý, hỗ cảm Lm có trị số bằng 3/2 lần giá trị cực đại hỗ cảm Lm1 giữa hai pha tuỳ ý trong nhóm các cuộn dây 3 pha ban đầu. Từ hai hàng thứ ba và thứ sáu trong công thức (3.102) có thể thấy: 01 = Lt11i01 và 02 = Lt21i02 chúng độc lập với nhau, không có ảnh hƣởng gì đối với trục d, q sau này trong mô hình toán học sẽ không xét tới. Vì vậy:  L i L i d1 Lsm 0 L 0 i d1 d1 s d1 m d2   L i L i q10 Lsm 0 L i q1 q1 s q1 m q2  HoÆc:   i d2Lmr 0 L 0 d2 d2 L m i d1 L r i d2  0 L 0 L i q2 mr q2 q2 L m i q1 L r i q2  Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 142
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.4.2. Phương trình từ thông trên hệ toạ độ dq0 Hình 3.46: Mô hình vật lý của động cơ không đồng bộ chuyển đổi sang trục dq Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 143
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.4.2. Phương trình từ thông trên hệ toạ độ dq0 Phƣơng trình điện áp của trục d, q: uid1 R1 L s p  11 L s L m p  11 L m d1 ui L R L p  L L p q1  11 s 1 s 11 m m q1 uid2 Lm p  12 L m R 2 L r p  12 L r d2 ui q2 12L m L m p  12 L r R 2 L r p q2 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 144
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.4.3. Phương trình mô men và phương trình chuyển động trên hệ tọa độ dq0 00 Mđt nL[(ii pm1AaBbCc ii ii)sin  (ii AbBcCa ii ii)sin(  120) (ii AcBaCb ii ii)sin(  120 )] -1 -1 Sö dông c¸c ma trËn C 3s/2r vµ C 3r/2r cña phÐp biÕn ®æi ngîc, ta ®- îc: 1 cos sin  112 iiA d1 21 00 iB cos  1 120 sin  1 120  i q1 3 2 iiC 01 001 cos  1 120 sin 1 120 2 1 cos sin  222 ia id2 21 00 ib cos  2 120 sin  2 120  iq2 3 2 ic i02 001 cos 22 120 sin  120 2 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 145
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.4.3. Phương trình mô men và phương trình chuyển động trên hệ tọa độ dq0 Sử dụng 2 phƣơng trình ma trận trên đổi iA ,iB ,iC ,ia ,ib ic trong công thức mô men thành các thành phần của d, q, 0, đồng thời chú ý tới vị trí tƣơng đối của stator và rotor:  = 1 - 2 Sau khi giản ƣớc, cuối cùng sẽ nhận đƣợc công thức mô men rất đơn giản trên hệ toạ độ dq0: Mđt = npLm(iq1id2 – id1iq2) Jd Mđt n p L m (i q1 i d2 i d1 i q2 ) M c np dt d  dt Và:  = 11 - 12 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 146
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.4.4. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động và mạch điện tương đương trạng thái động của động cơ điện không đồng bộ trên hệ toạ độ dq ud1 R1 0 0 0 i d1 Lsm p 0 L p 0 i d1 0  11 0 0  d1 u 0 R 0 0 i 0 L p 0 L p i  0 0 0  q1 1  q1 sm  q1 11 q1 ud2 0 0 R2 0 i d2 Lmr p 0 L p 0 i d2 0 0 0  12 d2 u0 0 0 R i0 L p 0 L p i 0 0 0  q2 2 q2 sr q2 12 q2 Đặt: T R 0 0 0 Lsm 0 L 0 u [ud1 u q1 u d2 u q2 ] 1 0 R 0 0 0 L 0 L T 1 sm i [id1 i q1 i d2 i q2 ] R , L 0 0 R2 0 Lmr 0 L 0 ψ [ψ ψ ψ ψ ]T d1 q1 d2 q2 0 0 0 R 2 0 Lsr 0 L Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 147
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.4.4. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động và mạch điện tương đương trạng thái động của động cơ điện không đồng bộ trên hệ toạ độ dq Vector sức điện động quay: 0 11 0 0 d1  11  d1  0 0 0    11 q1 11 q1 er  0 0 0 12 d2  12  d2    0 012 0 q2 12 q2 Phƣơng trình cân bằng điện áp: u Ri Lpi er Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 148
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.4.4. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động và mạch điện tương đương trạng thái động của động cơ điện không đồng bộ trên hệ toạ độ dq Hình 3.47: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động nhiều biến số của động cơ không đồng bộ Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 149
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.4.4. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động và mạch điện tương đương trạng thái động của động cơ điện không đồng bộ trên hệ toạ độ dq Hình 3.48: Sơ đồ thay thế trạng thái động của động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ dq a) Sơ đồ thay thế trục d; b) Sơ đồ thay thế trục q Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 150
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.5. Mô hình toán học động cơ điện không đồng bộ trên hệ toạ độ cố định 2 pha Phƣơng trình điện áp: u 1 R 1 i 1 p  1  u1 R 1 i  1 p   1  u 2 R 2 i 2 p  2   2 u R i p   2 2  2  2 2  Phƣơng trình từ thông:  1 L s i 1 L m i 2  1 L s i  1 L m i  2   2 L m i 1 L r i 2 2 L m i  1 L r i  2  Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 151
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.5. Mô hình toán học động cơ điện không đồng bộ trên hệ toạ độ cố định 2 pha ui 11 R1 L s p 0 L m p 0 ui 0 R L p 0 L p 11 1 s m ui 22 Lm p L m R 2 L r p  L r ui 22 Lm L m p  L r R 2 L r p id1 i  1 cos  i 1 sin  iq1 i  1 sin  i 1 cos  id2 i  2 cos  i 2 sin  iq2 i  2 sin  i 2 cos  M n L i i i i ®t p m 1 1  2 2 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 152
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.5. Mô hình toán học động cơ điện không đồng bộ trên hệ toạ độ cố định 2 pha Phƣơng trình điện áp: uid1 R1 L s p  1 L s L m p  1 L m d1 ui L R L p  L L p q1  1 s 1 s 1 m m q1 uid2 Lm p  L m R 2 L r p  s L r d2 ui q2 sL m L m p  s L r R 2 L r p q2 Phƣơng trình mô men: M®t n p L m i i i  i 1 1 2 2 Phƣơng trình chuyển động và công thức vi phân góc quay tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp đối với hệ tọa độ cố định. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 153
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.7. Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ theo định hướng từ trường trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha - mô hình toán học hệ tọa độ M, T uiM1 R1 L s p  1 L s L m p  1 L m M1 uiT11L s R 1 L s p  1 L m L m p T1  uiM2 Lm p  L m R 2 L r p  s L r M2 uiT2 sL m L m p  s L r R 2 L r p T2 Mđt n p L m (i T1 i M2 i M1 i T2 ) Vì: Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 154
3.7.4. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ quay 2 pha bất kỳ của động cơ không đồng bộ 3.7.7. Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ theo định hướng từ trường trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha - mô hình toán học hệ tọa độ M, T uiM1 R1 L s p  1 L s L m p  1 L m M1 ui L R L p  L L p T1  1 s 1 s 1 m m T1 uiM2 Lm p 0 R 2 L r p 0 M2 uiT2 sL m 0  s L r R 2 L r p T2  2L r i M2 L m Mđt nL(ii pmT1M2 ii)nLii M1T2 pmT1M2 (i) T1 LLmr 2mL nLiipm T1M2 i T1 ii) T1M2 n p i T12  . LLrr Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 155
3.8. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN VECTOR 3.8.1. Sơ đồ cấu trúc phép biến đổi tọa độ và mô hình động cơ một chiều tương đương của động cơ không đồng bộ Hình 3.49: Sơ đồ cấu trúc biến đổi tọa độ động cơ không đồng bộ 3/2) Biến đổi 3 pha /2 pha; VR) Biến đổi quay đồng bộ; ) Góc giữa trục M và trục (trục A) Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 156
3.8. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN VECTOR 3.8.2. Ý tưởng về cấu trúc hệ thống điều khiển vector Hình 3.50: Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vector Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 157
3.8. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN VECTOR 3.8.3. Phương trình cơ bản điều khiển vector uM1 R1 L s p  1 L s L m p  1 L m iM1 u L R L p  L L p i T1 1 s 1 s 1 m m T1  0 Lm p 0 R 2 L r p 0 iM2 0 sL m 0 s L r R 2 iT2 T2 p 1 Lm Lr i   2i M1 T M1L 2 T p 1 2 m 2 R 2 Lm iiT2 T1 Lr Lm Mđt  n p i T1 2 Lr Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 158
3.8. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN VECTOR 3.8.3. Phương trình cơ bản điều khiển vector Giải quyết vấn đề điều khiển tần số phối hợp với điều khiển dòng điện, có thể thấy: R  2 i s T2 2 Phƣơng trình điều khiển tần số trƣợt: Lim T1 s T22 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 159
3.8. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN VECTOR 3.8.4. Hệ thống điều tốc biến tần gián tiếp nguồn dòng điện điều khiển mô men dạng tần số trượt mạch vòng hở từ thông Hình 3.51: Hệ thống điều tốc biến tần gián tiếp nguồn dòng R - bộ điều chỉnh tốc độ quay; RI - bộ điều chỉnh dòng điện; K/P - bộ biến đổi tọa độ vuông góc / toạ độ cực Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 160
3.8. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN VECTOR 3.8.5. Mô hình quan sát từ thông rotor  2 L m i 1 L r i 2   2 L m i  1 L r i  2  1  i (  L i ) 2 2 m 1 Lr  1 i (  L i ) 2L  2 m  1 r  Từ ma trận điện áp hệ toạ độ , đồng thời đặt u 2 = 0, u2 = 0, ta đƣợc: Lpi Lpi  Li Li Ri 0 m 1 r 2 m  1 m  2 2 2 Lpi Lpi  Li Li Ri 0 m1 r  2 m 1 m 2 2  2 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 161
3.8. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN VECTOR 3.8.5. Mô hình quan sát từ thông rotor 1 p  (  L i ) 0 2  2 2 m 1 T2 1 p  (  L i ) 0 2 2T  2 m  1 2 Sau khi biến đổi sẽ đƣợc mô hình quan sát từ thông rotor: Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 162
3.8.5. Mô hình quan sát từ thông rotor 3.8.5.1. Mô hình quan sát từ thông rotor trên hệ tọa độ cố định hai pha Hình 3.52: Mô hình quan sát thông rotor trên hệ toạ độ cố định hai pha Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 163
3.8.5. Mô hình quan sát từ thông rotor 3.8.5.1. Mô hình quan sát từ thông rotor trên hệ tọa độ cố định hai pha Hình 3.53: Mô hình quan sát từ thông trên hệ toạ độ quay hai pha theo định hướng từ trường Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 164
3.8.6. Hệ thống điều tốc biến tần PWM với mạch vòng kín từ thông và tốc độ quay kiểu mạch vòng trễ dòng điện Hình 3.54: Hệ thống điều tốc biến tần PWM kiểu vòng trễ dòng điện với mạch vòng kín từ thông và tốc độ quay R – Bộ điều chỉnh tốc độ quay; RM – Bộ điều chỉnh mô men; R – Bộ điều chỉnh từ thông; FT – Bộ cảm biến tốc độ quay Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 165
4.1. Nguyên lý điều tốc nối cấp và các dạng cơ bản của nó 4.2. Chất lượng hệ thống điều tốc nối cấp 4.3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ trong hệ điều tốc nối cấp 4.4. Hệ thống kín điều tốc nối cấp với hai mạch vòng 4.5. Hệ thống điều tốc nối cấp siêu đồng bộ 4.6. Một số vấn đề đặc biệt của hệ thống điều tốc nối cấp Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 166
4.1. NGUYÊN LÝ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP VÀ CÁC DẠNG CƠ BẢN CỦA NÓ 4.1.1. Sự làm việc của động cơ không đồng bộ khi rotor có thêm sức điện động Lúc động cơ không đồng bộ làm việc, sức điện động pha mạch rotor của nó là: E2 = sE20 (9.1) Trong đó: s là hệ số trƣợt của động cơ không đồng bộ; E20 là sức điện động pha của động cơ không đồng bộ rotor dây quấn khi rotor đứng yên, hay gọi là sức điện động mạch hở, s.đ.đ. định mức mạch rotor nếu đặt vào mạch stator điện áp xoay chiều với tần số và giá trị điện áp bằng định mức. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 167
4.1. NGUYÊN LÝ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP VÀ CÁC DẠNG CƠ BẢN CỦA NÓ 4.1.1. Sự làm việc của động cơ không đồng bộ khi rotor có thêm sức điện động Công thức (9.1) chứng tỏ, trị số của sức điện động E2 của rotor tỷ lệ thuận với hệ số trƣợt s, đồng thời tần số f2 của nó cũng tỷ lệ thuận với s: f2 = sf1. Lúc rotor đƣợc nối dây bình thƣờng, phƣơng trình dòng điện pha rotor là: sE I 20 2 22 R2 (sX 20 ) Trong đó R2 là điện trở mỗi pha của cuộn dây rotor; X20 là điện kháng tản của mỗi pha cuộn dây rotor khi s = 1. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 168
4.1. NGUYÊN LÝ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP VÀ CÁC DẠNG CƠ BẢN CỦA NÓ 4.1.1. Sự làm việc của động cơ không đồng bộ khi rotor có thêm sức điện động Khi đƣa vào mạch rotor một sức điện động phụ Eph điều khiển đƣợc và mắc nối tiếp với sức điện động E2 của mạch rotor. Eph có cùng tần số, nhƣng có thể cùng pha hoặc ngƣợc pha với E2, nhƣ trên hình 9.1. Trong trƣờng hợp này, phƣơng trình dòng điện sẽ là: sE E I 20 ph 2 22 R2 (sX 20 ) Hình 4.1: Sơ đồ đấu s.đ.đ. phụ (Eph) trong mạch rotor động cơ không đồng bộ Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 169
4.1. NGUYÊN LÝ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP VÀ CÁC DẠNG CƠ BẢN CỦA NÓ 4.1.1. Sự làm việc của động cơ không đồng bộ khi rotor có thêm sức điện động Khi mô men phụ tải Mc là hằng số, có thể coi dòng điện rotor I2 cũng là hằng. Giả thiết trƣớc khi có sức điện động phụ, động cơ đang làm việc ổn định với giá trị hệ số trƣợt s = s1. Sau khi đƣa sức điện động phụ ngƣợc dấu vào, do mô men phụ tải là hằng số, vế trái công thức (9.2) là hằng số (I2), vì thế hệ số trƣợt của động cơ buộc phải tăng lên và ổn định với s=s2 (s2>s1), quan hệ giữa s1, s2 và s.đ.đ. phụ thỏa mãn biểu thức: s E E sE 2 20 ph I 1 20 2 22 2 2 R2 (s 2 X 20 ) R 2 (s 1 X 20 ) Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 170
4.1. NGUYÊN LÝ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP VÀ CÁC DẠNG CƠ BẢN CỦA NÓ 4.1.2. Tạo lập sức điện động phụ và hệ thống truyền động điều tốc nối cấp Đƣa sức điện động phụ vào mạch rotor động cơ không đồng bộ rotor dây quấn rõ ràng là có thể làm thay đổi tốc độ quay của động cơ, nhƣng do tần số của sức điện động cảm ứng E2 của mạch rotor động cơ điện thay đổi theo hệ số trƣợt, nên tần số của sức điện động phụ Eph cũng buộc phải thay đổi theo tốc độ quay của động cơ. Để giải quyết vấn đề này một cách đơn giản nhất, trong hệ thống thực tế, đầu tiên điện áp xoay chiều trong mạch cuộn dây rotor động cơ đƣợc biến đổi thành sức điện động một chiều, sau đó so sánh nó với sức điện động phụ một chiều, điều khiển giá trị biên độ sức điện động phụ một chiều là có thể điều chỉnh đƣợc tốc độ quay của động cơ. Nhƣ vậy đã chuyển vấn đề thay đổi đƣợc tần số và giá trị của s.đ.đ. phụ xoay chiều sang vấn đề điều chỉnh giá trị của s.đ.đ. phụ một chiều không liên quan gì đến tần số, làm cho việc phân tích và điều khiển dễ dàng đi rất nhiều. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 171
4.1. NGUYÊN LÝ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP VÀ CÁC DẠNG CƠ BẢN CỦA NÓ 4.1.2. Tạo lập sức điện động phụ và hệ thống truyền động điều tốc nối cấp Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động nối cấp động cơ không đồng bộ Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 172
4.1. NGUYÊN LÝ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP VÀ CÁC DẠNG CƠ BẢN CỦA NÓ 4.1.2. Tạo lập sức điện động phụ và hệ thống truyền động điều tốc nối cấp Ta có phƣơng trình cân bằng sức điện động trong mạch điện một chiều chỉnh lƣu nhƣ sau: Trong đó: K1, K2 - các hệ số phụ thuộc vào loại sơ đồ bộ biến đổi BĐ1 và BĐ2, khi BĐ1 và BĐ2 đều dùng chỉnh lƣu cầu 3 pha thì: K1 = K2 = 2,34 Ud1 - điện áp chỉnh lƣu trung bình đầu ra của BĐ1; U2 - giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp của máy biến áp nghịch lƣu BA; Ud2 - điện áp nghịch lƣu trung bình đầu ra của BĐ2;  - góc điều khiển nghịch lƣu của BĐ2; R - điện trở tƣơng đƣơng của mạch rotor quy đổi về phía một chiều một chiều. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 173
4.1. NGUYÊN LÝ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP VÀ CÁC DẠNG CƠ BẢN CỦA NÓ 4.1.3. Các dạng khác của hệ thống điều tốc nối cấp Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động nối cấp điện lực với BĐ2 mắc theo sơ đồ tia ba pha Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 174
4.1. NGUYÊN LÝ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP VÀ CÁC DẠNG CƠ BẢN CỦA NÓ 4.1.3. Các dạng khác của hệ thống điều tốc nối cấp Hình 4.4: Hệ thống điều thống nối cấp điện lực thời kỳ đầu Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 175
4.1. NGUYÊN LÝ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP VÀ CÁC DẠNG CƠ BẢN CỦA NÓ 4.1.3. Các dạng khác của hệ thống điều tốc nối cấp Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều tốc nối cấp cơ khí Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 176
4.2. CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.2.1. Đặc tính cơ của hệ thống điều tốc nối cấp Phƣơng trình cân bằng sức điện động của mạch điện một chiều phía rotor khi làm việc không tải lý tƣởng: s0 E 20  U 2 cos U2 cos s0 E20 Trong đó: s0 là hệ số trƣợt không tải lý tƣởng; U2 là điện áp hiệu dụng thứ cấp máy biến áp nghịch lƣu BA. Có thể thấy, với các góc  khác nhau, đƣờng cong Mđt=f(s) khi điều tốc nối cấp động cơ không đồng bộ là gần nhƣ song song, tƣơng tự nhƣ đƣờng đặc tính cơ của điều tốc điều áp động cơ điện một chiều. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 177
4.2. CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.2.1. Đặc tính cơ của hệ thống điều tốc nối cấp Hình 4.6: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp a) Động cơ lớn b) Động cơ bé Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 178
4.2. CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.2.2. Máy biến áp nghịch lưu Để đơn giản dễ thấy, có thể dựa vào trạng thái làm việc không tải lý tƣởng để tính chọn điện áp pha phía thứ cấp U2 của máy biến áp nghịch lƣu: s0 E 20 s 0max E 20 U2 cos cos min Trong đó: s0max là hệ số trƣợt không tải lý tƣởng cực đại ứng với tốc độ quay cực tiểu ở chế độ không tải lý tƣởng của động cơ đƣợc xác định theo phạm vi điều tốc của hệ thống; min là góc nghịch lƣu khi làm việc với hệ số trƣợt cực đại, lúc này góc nghịch lƣu nhỏ nhất thƣờng chọn: min = 300. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 179
4.2. CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.2.3. Dung lượng (công suất) thiết bị điều tốc nối cấp Sđm 3U 2đm I 2đm s E s E 1 U 0max 20 0max 20 1,15s E 1,15E (1 ) 2đm cos300 0max 20 20 D min Do đó: 1 S 3,45E I (1 ) đm 20 2đm D Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 180
4.2. CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.2.4. Hiệu suất của hệ thống điều tốc nối cấp: Hình 4.7: Phân tích hiệu suất hệ thống điều tốc nối cấp a) Hướng đi của công suất hệ thống điều tốc nối cấp; b) Biểu đồ năng lượng hệ thống Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 181
4.2. CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.2.4. Hiệu suất của hệ thống điều tốc nối cấp: P2 Pco P co Pđt (1 s) P co  nc 100% 100% 100% Pv PP 1 F (PP)(PPP)đt 1 s 2 s P(1s)P P(1s) đt co 100% đt 100% P(1s) P P P P(1s) P đt 1 2 s đt s P2 Pđt (1 s) P co  R 100% 100% PPv1 P (1 s) P đt co (1 s) 100% PPđt 1 Hình 4.8: Đường cong  = f(s) của hệ thống điều tốc nối cấp điện lực và điều tốc điện trở phụ trong mạch rotor Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 182
4.2. CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.2.4. Hiệu suất của hệ thống điều tốc nối cấp: Hiệu suất của hai phƣơng pháp điều tốc khi phụ tải có tính chất khác nhau đƣợc chỉ ra ở bảng dƣới đây: Bảng 4.1: Hiệu suất điều tốc nối cấp điện lực và điều tốc mắc nối tiếp điện trở mạch rotor Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 183
4.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB TRONG HỆ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.3.1. Điện áp và dòng điện của mạch điện chỉnh lưu rotor động cơ không đồng bộ: a) Trạng thái làm việc thứ nhất: e 2sE sin(s  t ) 2a 20 1 6 2X sI  cos 1 (1 Do d ) 6E20 s 2X I cos 1 (1Do d ) 6E20 6E20 Id (1 cos  ) 2XDo 3X s UID0 dd Hình 4.9: Mạch điện chỉnh lưu rotor 3X s U 2,34sED0 I d1 20 d Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 184
4.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB TRONG HỆ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.3.1. Điện áp và dòng điện của mạch điện chỉnh lưu rotor động cơ không đồng bộ: Hình 4.10: Đồ thị điện áp và dòng điện sơ đồ chỉnh lưu rotor ứng với các góc chuyển mạch khác nhau: a)  < 60o; b)  = 60o; Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 185
4.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB TRONG HỆ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.3.1. Điện áp và dòng điện của mạch điện chỉnh lưu rotor động cơ không đồng bộ: Hình 4.10: Đồ thị điện áp và dòng điện sơ đồ chỉnh lưu rotor ứng với các góc chuyển mạch khác nhau: c)  > 60o Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 186
4.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB TRONG HỆ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.3.1. Điện áp và dòng điện của mạch điện chỉnh lưu rotor động cơ không đồng bộ: b) Trạng thái làm việc thứ hai: - Dòng điện chỉnh lƣu trung bình: 6E 6E I 20 cos cos  20 sin d p p p 2XD0 2X D0 6 - Điện áp chỉnh lƣu trung bình: cos pp cos  3sX U 2,34sE 2,34sE cos D0 I d1 202 20 p d 0 Trong hai công thức trên, tƣơng ứng với: p 0,  = 60 . Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 187
4.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB TRONG HỆ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.3.1. Điện áp và dòng điện của mạch điện chỉnh lưu rotor động cơ không đồng bộ: b) Trạng thái làm việc thứ hai: Hình 4.11: Bộ chỉnh lưu rotor: Id = f() , Id =f( p) Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 188
4.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB TRONG HỆ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp Hình 4.12: Sơ đồ thay thế tương đương của hệ thống điều tốc nối cấp điện lực Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 189
4.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB TRONG HỆ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp - Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lƣu rotor ở vùng làm việc thứ II: 3 U sUcos 2U I(X.s2R) d1 d0 p D d D0 D - Điện áp phía dòng một chiều bộ nghịch lƣu: 3 U 2,34U cos  2 U I ( X 2R ) d2 2 T d BA BA - Và có: Ud1 = Ud2 + IdRCK Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 190
4.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB TRONG HỆ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 191
4.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB TRONG HỆ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp Ta có phƣơng trình biểu thị hệ số trƣợt s: 3 2,34Ucos2 I( d X BA 2R BA 2R D R CK ) nn s Với: s 0 3 n 2,34E cos X .I 0 20 p D0 d Ta có đặc tính điều tốc của hệ thống điều tốc nối cấp: 33 2,34(Ecos20 p Ucos)I(X 2  d D0 X BA 2R BA 2R D R CK ) nn 0 3 2,34E cos X .I 20 p D0 d Trong công thức trên đã bỏ qua ảnh hƣởng của UD, UT và R1'. 0 Và khi cho p = 0 , ta đƣợc công thức đặc tính tốc độ quay của hệ thống điều tốc nối cấp ở vùng làm việc thứ I. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 192
4.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB TRONG HỆ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp Giả thiết: Ta có đặc tính tốc độ rút gọn của động cơ trong hệ thống điều tốc nối cấp: UIR d  1 n n0d ( ) (U I R ) C'Cee Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 193
4.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB TRONG HỆ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp Để tìm mô men điện từ của động cơ không đồng bộ trong hệ thống điều tốc nối cấp, có thể bắt đầu từ quan hệ công suất Ps của mạch điện chỉnh lƣu rotor. 3XD0 s Ps (sU d0 cos p I d )I d P1 3X M s (U cos D0 I )I đts  d0 p d d 00 Để tìm mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi bộ chỉnh lƣu rotor ở trạng thái làm việc thứ I, ta cho p=0. 113XD0 3X D0 Mđt (U d0 I)I d d U(1 d0 I)I d d 0  0U d0 Giá trị cực đại của mô men điện từ trong công thức trên có thể tìm đƣợc khi đặt: dM đt 0 dId Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 194
4.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB TRONG HỆ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp 2 6E20 27E20 Khi đó: IId d.1m và: MMđt đt.1m 2XD0 6X 0 D0 Quan hệ giữa hai đại lƣợng đó là Ud0 = 2,34E20. 2 27E20 22 Từ đó ta đƣợc: Mđt [cos p cos ( p  )] 6X 0 D0 Để tìm mô men điện từ cực đại, từ công thức trên ta lấy đạo hàm bậc nhất của mô dMđt o men theo p và cho bằng không ( 0 ), đồng thời thay  = 60 , có thể tìm đƣợc d p o khi p = 15 thì mô men cực đại Mđt.2m ở vùng làm việc thứ II: Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 195
4.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB TRONG HỆ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp Cƣờng độ dòng điện của mạch một chiều tƣơng ứng là: 3E I 20 d.2m 2X D0 Giao tiếp giữa vùng làm việc thứ I và thứ II chính là điểm làm việc giới hạn của sơ đồ chỉnh lƣu rotor, khi bắt đầu phát sinh hiện tƣợng cƣỡng bức mở chậm các van. Mô men tại điểm này gọi là mô men chuyển tiếp Mđt.1-2. Chỉ cần lấy điều o o kiện = 60 , p= 0 thay vào công thức (9.25) và (9.14) , là có thể tìm đƣợc: 2 27E20 Mđt.1 2 8X 0 D0 6E20 Id.1 2 4XD0 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 196
4.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB TRONG HỆ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp Dựa vào cách chứng minh trên, có thể rút ra đƣợc hệ thức: Mđt.2m 0,866 Mđt.1m M đt.1 2 0,75 Mđt.1m Mô men cực đại của đặc tính vốn có ban đầu của động cơ không đồng bộ khi bỏ qua điện trở của rotor: 2 1 3E20 Mđt.m  2X0 D0 Có thể tìm đƣợc: M M M đt.1m 0,955 đt.2m 0,826 đt.1 2 0,716 Mđt.m Mđt.m Mđt.m Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 197
4.3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB TRONG HỆ ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp Hình 4.13 Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp điện lực Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 198
4.3.3. Phương trình đặc tính cơ của động cơ KĐB khi điều tốc nối cấp 0 0 4.3.3.1. Phương trình đường đặc tính cơ ở vùng làm việc thứ I ( 60 , p = 0 ) M 4 đt M ss1m 1 đt.1m 2 ss1 1m Trong đó: s1m= s1m- s10: là số gia của hệ số trƣợt của động cơ không đồng bộ từ không tải lý tƣởng đến mô men bằng mô men cực đại tính toán; s1 = s - s10: là số gia của hệ số trƣợt do phụ tải gây ra; s10: là hệ số trƣợt không tải lý tƣởng ứng với trị số ; s1m: là hệ số trƣợt tới hạn khi mô men cực đại tính toán M đt.1m tƣơng ứng: 3X BA 2R 2R R D BA CK s1m 2s 10 3XD0 / Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 199
4.3.3. Phương trình đặc tính cơ của động cơ KĐB khi điều tốc nối cấp 0 0 0 4.3.3.2. Phương trình đặc tính cơ ở vùng làm việc thứ II ( = 60 , p= 0 30 ) M 4cos2 đt p M ss đt.1m 2m 2 2 ss 2 2m Trong đó: s2m= s2m- s20 là số gia của hệ số trƣợt cực đại tƣơng ứng với một trị số p nào đó xét tới hiện tƣợng cƣỡng bức mở chậm; s2 = s - s20: là số gia của hệ số trƣợt do phụ tải gây ra trong vùng làm việc thứ II ứng với góc  và p; s20 là hệ số trƣợt không tải lý tƣởng ứng với với góc  và p. U2 cos s20 E20 cos p 3X BA 2R 2R R D BA CK s2m 2s 10 3XD0 / Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 200
4.3.3. Phương trình đặc tính cơ của động cơ KĐB khi điều tốc nối cấp 0 0 0 4.3.3.2. Phương trình đặc tính cơ ở vùng làm việc thứ II ( = 60 , p= 0 30 ) Do với một giá trị cho trƣớc của  thì s20 thay đổi theo p, nên s2m cũng thay đổi theo p. Giá trị s2m không phải biểu thị hệ số trƣợt thực tế khi mô men đạt cực đại M đt.2m, nó chỉ là một đại lƣợng dùng để tính toán xuất hiện trong quá trình biến đổi toán học mà thôi. Biểu thức thông dụng về đƣờng đặc tính cơ tiện hơn cho tính toán: 1 1 (M /M )/cos2 ss đt đt.1m p  2 m 1 1 (Mđt /M đt.1m )/cos p 0 Khi cho p = 0 , công thức trên phù hợp cho việc tính toán đặc tính cơ vùng làm việc thứ I, lúc đó sm= s1m, s = s1. 0 Nếu cho p = 0  300, công thức trên phù hợp cho việc tính toán đặc tính cơ vùng làm việc thứ II, khi đó sm = s2m, s = s2. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 201
4.4 HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC NỐI CẤP VỚI HAI MẠCH VÒNG Do hệ số trƣợt đặc tính tĩnh của hệ thống điều tốc nối cấp là khá lớn, cho nên hệ thống điều khiển mạch hở chỉ đƣợc dùng vào trƣờng hợp độ chính xác điều tốc yêu cầu không cao. Để nâng cao độ chính xác điều tốc trạng thái tĩnh và để nhận đƣợc đặc tính động tốt hơn, có thể dùng điều khiển phản hồi. Cũng giống nhƣ hệ thống điều tốc một chiều, thƣờng dùng phƣơng thức điều khiển hai mạch vòng kín là phản hồi dòng điện và phản hồi tốc độ quay. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 202
4.4 HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC NỐI CẤP VỚI HAI MẠCH VÒNG 4.4.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển mạch vòng kín Hình 4.14: Hệ thống điều tốc nối cấp điều khiển hai mạch vòng kín Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 203
4.4 HỆ THỐNG KÍN ĐIỀU TỐC NỐI CẤP VỚI HAI MẠCH VÒNG 4.4.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển mạch vòng kín Trong hệ thống trên hình 9.14, bộ chỉnh lƣu có điều khiển, bộ điều chỉnh và sơ đồ cấu trúc trạng thái động của khâu phản hồi giống nhƣ trong hệ thống điều tốc một chiều, vì thế ở đây không trình bày lại. Nhƣng một phần mạch điện một chiều rotor của động cơ vì có liên quan tới hệ số trƣợt nên phải xử lý riêng. 4.4.2.1. Hàm số truyền của mạch một chiều rotor Dựa vào sơ đồ tƣơng đƣơng nhƣ trên hình 9.12 có thể đƣa ra phƣơng trình cân bằng điện áp trạng thái động của mạch điện một chiều rotor trong hệ thống điều tốc nối cấp: dId sUd0 U d2 L  R  I d dt Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 204
4.4.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển mạch vòng kín 4.4.2.1. Hàm số truyền của mạch một chiều rotor Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 205
4.4.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển mạch vòng kín 4.4.2.1. Hàm số truyền của mạch một chiều rotor Biến đổi Laplace cho hai vế của biểu thức (*), có thể tìm đƣợc hàm số truyền cho mạch điện một chiều rotor: I (s) K d Lr U T s 1 U d0  n(s) U (s) Lr d0n d2 0 L Với: TLr R  1 Và: K Lr R  Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 206
4.4.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển mạch vòng kín 4.4.2.1. Hàm số truyền của mạch một chiều rotor Hình 4.15: Sơ đồ cấu trúc mạch điện một chiều rotor Cần phải chỉ ra rằng hằng số thời gian TLr và hệ số khuếch đai KLr trong hàm số truyền của mạch điện một chiều rotor trong hệ thống điều tốc nối cấp đều là hàm số của tốc độ quay n, chúng không phải là hằng số xác định. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 207
4.4.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển mạch vòng kín 4.4.2.2. Hàm số truyền của động cơ không đồng bộ Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ là: 1 3XD0 MUIICIđt d0 d d M d  0 Trong đó: 1 3XD0 CUIM d0 d  0 Phƣơng trình chuyển động của hệ thống truyền động điện: GD2 dn MM  đt c 375 dt Hoặc: GD2 dn C (I I )  M d c 375 dt trong đó Ic là dòng điện phụ tải tƣơng ứng với mô men phụ tải Mc. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 208
4.4.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển mạch vòng kín 4.4.2.2. Hàm số truyền của động cơ không đồng bộ Ta có: n(s) 1 KM 2 Idc (s) I (s)GD 1 s  s 375 CM Trong đó: 1 K M GD2 1  375 CM Cần chú ý, hệ số CM là hàm số của dòng điện Id, cho nên KM cũng là hàm số của Id. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 209
4.4.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển mạch vòng kín 4.4.2.3. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống Hình 4.16: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều tốc nối cấp Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 210
4.4.3. Xác định các tham số bộ điều chỉnh của hệ thống điều tốc 4. 4.3.1. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện Bộ điều chỉnh dòng điện có thể thiết kế theo hệ thống điển hình loại I hoặc hệ thống điển hình loại II. Nếu thiết kế theo hệ thống loại I sẽ có đặc điểm là độ tác động nhanh cao, lƣợng quá điều khiển nhỏ, còn theo hệ thống loại II thì có khả năng chống nhiễu tốt. Dựa vào yêu cầu chung, mạch vòng dòng điện thƣờng thiết kế theo hệ thống điển hình loại I. Theo sơ đồ hình 9.16 có thể viết ra hàm số truyền mạch hở của mạch vòng dòng điện là: Ki ( i s 1) K i K Lr W(s)   is T i s 1 T Lr s 1 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 211
4.4.3. Xác định các tham số bộ điều chỉnh của hệ thống điều tốc 4. 4.3.1. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện Hµm sè truyÒn ®îc biÓu diÔn b»ng c«ng thøc trªn, nÕu chän ®óng c¸c tham sè (ch¼ng h¹n lÊy i =TLr) chÝnh lµ cÊu tróc cña hÖ thèng ®iÓn h×nh lo¹i I. Nhng bëi v× tÝnh bÊt ®Þnh cña TLr, nªn c¸ch lµm th«ng thêng Êy lµ kh«ng thÓ chÊp nhËn ®îc. Trong c«ng thøc trªn, nÕu trÞ sè TLr kh¸ lín, vµ tho¶ m·n ®iÒu kiÖn TLr > hTi (h lµ ®é réng trung tÇn), th× cã thÓ chän i=hTi, khi ®ã cã thÓ thiÕt kÕ m¹ch vßng dßng ®iÖn theo hÖ thèng ®iÓn h×nh lo¹i II. Cã thÓ chøng minh nh sau: Do TLr lµ kh¸ lín, cã thÓ coi gÇn ®óng hµm sè truyÒn cña m¹ch ®iÖn chÝnh mét chiÒu nh lµ mét kh©u tÝch ph©n, c«ng thøc hµm truyÒn m¹ch vßng dßng ®iÖn cã thÓ viÕt thµnh: K(s1)i i K i K Lr K(s1) I  i Wk (s)   2 is Ts1Ts i Lr s(Ts1) i Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 212
4.4.3. Xác định các tham số bộ điều chỉnh của hệ thống điều tốc 4. 4.3.1. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện Trong ®ã: KKKKK K i  i Lr ilµ hÖ i sè K§ m¹ch vßng dßng. I  T hT L i Lr i NÕu kh«ng tho¶ m·n ®iÒu kiÖn TLr > hTi, th× thùc hiÖn thiÕt kÕ hÖ theo hÖ thèng ®iÓn h×nh lo¹i I. Dùa vµo viÖc ph©n tÝch c¸c t liÖu vµ sè liÖu thùc nghiÖm liªn quan ®· cho thÊy lóc ®ã cã thÓ dùa vµo cËn díi cña ph¹m vi ®iÒu tèc, tøc lµ x¸c ®Þnh gi¸ trÞ cña KLr vµ TLr theo s0max, hoÆc theo s0max/2, sau ®ã coi m¹ch vßng dßng ®iÖn lµ hÖ thèng x¸c lËp ®Ó ®i thiÕt kÕ c¸c tham sè bé ®iÒu chØnh dßng ®iÖn. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 213
4.4.3. Xác định các tham số bộ điều chỉnh của hệ thống điều tốc 4.4.3.2. Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ Để có đƣợc khả năng kháng nhiễu tốt, mạch vòng tốc độ đều thiết kế theo hệ thống điển hình loại II. Vì hệ số KM của khâu động cơ chƣa xác định, nên khi thiết kế có thể chọn một trị số TM ứng với dòng điện làm việc thực tế Id, sau đó thiết kế theo hệ thống đã xác lập. Nhƣ vậy hệ thống sau khi đƣợc hiệu chỉnh có khả năng nhận đƣợc đặc tính động gần nhƣ mong muốn. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 214
4.5. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NỐI CẤP SIÊU ĐỒNG BỘ Hệ thống điều tốc nối cấp ở phần trên đã khảo sát thực hiện điều tốc bằng cách lợi dụng điện áp nghịch lƣu sinh ra trong thiết bị điều tốc nối cấp để điều khiển công suất trƣợt trong rotor động cơ không đồng bộ. Lúc này công suất trƣợt từ đầu ra của rotor đi qua thiết bị điều tốc nối cấp chuyển trả về lƣới điện, động cơ làm việc ở trạng thái động cơ. Chúng ta gọi hệ thống điều tốc này là hệ thống điều tốc nối cấp thứ đồng bộ. Khác với hệ thống đó còn có hệ thống điều tốc siêu đồng bộ, nó không những khống chế phƣơng chiều truyền tải công suất mà còn có thể nhận đƣợc các trạng thái làm việc khác nhau của hệ thống điều tốc nối cấp và trạng thái làm việc khác nhau của động cơ. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 215
4.5. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NỐI CẤP SIÊU ĐỒNG BỘ 4.5.1. Nguyên lý làm việc điều tốc nối cấp siêu đồng bộ Trong hệ thống điều tốc nối cấp đã xét, BĐ1 là không điều khiển, nó chỉ có thể tiếp nhận công suất trƣợt từ phía xoay chiều (mạch rotor động cơ) và truyền sang phía một chiều và sau đó đƣợc đƣa trở lại mạng điện. Nếu BĐ1 là chỉnh lƣu có điều khiển, có thể làm cho nó làm việc ở trạng thái chỉnh lƣu hoặc nghịch lƣu, tƣơng ứng nó có thể tiếp nhận công suất trƣợt từ phía rotor của động cơ hoặc cấp công suất trƣợt cho rotor. Khi BĐ1 làm việc ở chế độ nghịch lƣu truyền công suất trƣợt cho rotor động cơ, còn stator động cơ vẫn tiếp nhận công suất từ lƣới điện, thì công suất đầu ra trên trục động cơ là P2= P1+ Ps (giả thiết bỏ qua tất cả các tổn thất trong động cơ). Muốn thỏa mãn quan hệ này, hệ số trƣợt s phải là âm, nghĩa là động cơ phải làm việc vƣợt quá tốc độ đồng bộ, lúc này cả rotor và stator đều tiếp nhận điện năng và biến đổi thành cơ năng trên trục động cơ, động cơ ở vào trạng thái “rotor và stator song hồi”, nhƣng vẫn làm việc ở trạng thái động cơ. Do tác dụng song hồi của stator và rotor đã làm tăng công suất đầu ra trên trục động cơ vƣợt cả công suất định mức ghi trên nhãn mác của nó. Đây là một ƣu điểm của phƣơng pháp này. Các hệ thống điều tốc nối cấp có thể đƣa công suất vào từ phía rotor đều có tên chung là hệ thống điều tốc nối cấp siêu đồng bộ. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 216
4.5. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NỐI CẤP SIÊU ĐỒNG BỘ 4.5.1. Nguyên lý làm việc điều tốc nối cấp siêu đồng bộ Lúc này bộ chỉnh lƣu BĐ1 phía rotor của hệ thống buộc phải là có điều khiển, và làm việc ở trạng thái nghịch lƣu, còn bộ chỉnh lƣu có điều khiển BĐ2 ở phía máy biến áp BA làm việc ở chế độ chỉnh lƣu. Cần phải hết sức chú ý: Không phải dựa vào động cơ làm việc ở phía trên hay phía dƣới tốc độ quay đồng bộ để phân biệt là điều tốc nối cấp siêu đồng bộ hay điều tốc nối cấp thứ đồng bộ, mà phân theo phương hướng truyền công suất của rotor. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 217
4.5. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NỐI CẤP SIÊU ĐỒNG BỘ 4.5.1. Nguyên lý làm việc điều tốc nối cấp siêu đồng bộ Hình 4.17: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều tốc nối cấp siêu đồng bộ U22 cos sE20 cos  1 U 2 cos 2 s E20 cos 1 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 218
4.5. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NỐI CẤP SIÊU ĐỒNG BỘ 4.5.2. Sự làm việc ở chế độ hãm tái sinh của hệ thống điều tốc nối cấp siêu đồng bộ Hệ thống điều tốc nối cấp nhƣ hình 9.17 cũng có thể làm việc ở trạng thái thứ đồng bộ, chỉ cần BĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lƣu, BĐ2 làm việc ở chế độ nghịch lƣu là đƣợc. Lúc động cơ làm việc ở trạng thái động cơ ứng với một hệ số trƣợt s1 nào đó (1> s1 >0), nếu lúc đó đột nhiên thay đổi trạng thái làm việc của BĐ1 và BĐ2, làm cho chúng thứ tự làm việc ở chế độ nghịch lƣu và chỉnh lƣu, và thoả mãn quan hệ: U2cos 2>s1E20cos1 (chú ý cực tính của hai điện áp này đã đổi chiều). Động cơ sẽ tiếp nhận công suất từ phía rotor, hệ thống ở vào trạng thái làm việc “điều tốc nối cấp siêu đồng bộ” thấp hơn tốc độ quay đồng bộ. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 219
4.5. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NỐI CẤP SIÊU ĐỒNG BỘ 4.5.2. Sự làm việc ở chế độ hãm tái sinh của hệ thống điều tốc nối cấp siêu đồng bộ Bây giờ hãy phân tích trạng thái làm việc hiện tại của động cơ không đồng bộ. Mô men điện từ của động cơ: Ps 1 Mđt  s o Nếu lấy công suất trƣợt ở đầu ra của rotor khi động cơ làm việc ở trạng thái động cơ là “dương”, mô men điện từ dƣơng là mô men động cơ, hiện tại do sự đổi chiều của công suất trƣợt làm cho mô men điện từ cũng thành giá trị âm, điều đó chứng tỏ mô men mà động cơ sinh ra là mô men hãm, tức là lúc này động cơ ở vào trạng thái hãm 1>s1>0, Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 220
4.5. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NỐI CẤP SIÊU ĐỒNG BỘ 4.5.2. Sự làm việc ở chế độ hãm tái sinh của hệ thống điều tốc nối cấp siêu đồng bộ Hình 4.18: Các chế độ làm việc của hệ thống điều tốc nối cấp Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 221
4.6. MỘT SỐ VẤN ĐỀ ĐẶC BIỆT CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC NỐI CẤP 4.6.1. Hệ số công suất của hệ thống điều tốc nối cấp và phương hướng nâng cao hệ số công suất của nó Ta có: P PP cos 1F nc S 22 (P1 P F ) (Q 1 Q F ) P – tổng công suất tác dụng hệ thống nhận đƣợc từ lƣới điện; S – tổng công suất toàn phần của hệ thống; P1– công suất tác dụng của động cơ điện nhận đƣợc từ lƣới điện; PF – công suất tác dụng qua bộ nghịch lƣu phản hồi về lƣới điện; Q1– công suất phản kháng của động cơ điện tiếp nhận từ lƣới điện; QF – công suất phản kháng phía máy biến áp nghịch lƣu tiếp nhận từ lƣới điện. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 222
4.6.1. Hệ số công suất của hệ thống điều tốc nối cấp và phương hướng nâng cao hệ số công suất của nó 4.6.1.1. Phép phân tích đồ thị hệ số công suất của hệ thống điều tốc nối cấp Thông thƣờng hệ số công suất khi hệ thống điều tốc nối cấp làm việc ở tốc độ cao là 0,60,65, giảm khoảng 0,1 so với hệ số công suất của động cơ điện khi nối dây thông thƣờng, khi ở tốc độ thấp có thể giảm xuống tới 0,4  0,5 (đối với hệ thống phạm vi điều tốc là 2:1). (1) Mô men tải trên trục động cơ là hằng số; (2) Không xét tới các tổn thất của hệ điều tốc nối cấp; (3) Cho trƣớc công suất tác dụng và công suất phản kháng của động cơ nhận từ lƣới điện. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 223
4.6.1. Hệ số công suất của hệ thống điều tốc nối cấp và phương hướng nâng cao hệ số công suất của nó 4.6.1.1. Phép phân tích đồ thị hệ số công suất của hệ thống điều tốc nối cấp Hình 4.19: Phương pháp tích phân đồ thị hệ số Hình 4.20: ảnh hưởng của phạm vi điều tốc công suất của hệ thống điều tốc nối cấp đối với hệ số công suất của hệ thống Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 224
4.6.1. Hệ số công suất của hệ thống điều tốc nối cấp và phương hướng nâng cao hệ số công suất của nó 4.6.1.2. Phương hướng nâng cao hệ số công suất của hệ thống điều tốc nối cấp Hình 4.21: Mối liên kết dọc của bộ nghịch lưu trong hệ thống điều tốc nối cấp Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 225
4.6.1. Hệ số công suất của hệ thống điều tốc nối cấp và phương hướng nâng cao hệ số công suất của nó 4.6.1.2. Phương hướng nâng cao hệ số công suất của hệ thống điều tốc nối cấp Hình 4.22: Sơ đồ nguyên lý hệ thống Hình 4.23: Đồ thị Id =f(t) khi điều tốc điều tốc điều khiển sóng gấp khúc nối cấp sóng gấp khúc rotor Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 226
4.6.2. Khởi động hệ thống điều tốc nối cấp 4.6.2.1. Khởi động gián tiếp 4.6.2.2. Khởi động trực tiếp Hình 4.25: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều tốc nối cấp điều khiển khởi động gián tiếp Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 227
5.1. Điều tốc biến tần động cơ đồng bộ 5.2. Hệ thống điều tốc động cơ đồng bộ với biến tần điều khiển ngoài và điều khiển vector 5.3. Hệ thống điều tốc biến tần tự điều khiển – động cơ không đồng bộ (máy điện một chiều không chổi than) Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 228
5.1. ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ Thiết bị biến tần phối hợp điều tốc động cơ đồng bộ có thể là bộ biến tần nguồn áp, bộ biến tần nguồn dòng, bộ biến tần trực tiếp (bộ biến tần xoay chiều - xoay chiều) hoặc bộ biến tần SPWM, khi nghiên cứu về hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ chỉ chọn một trong những số đó để xem xét, không tiến hành đi sâu nghiên cứu từng loại. Biến tần trong hệ thống điều tốc biến tần - động cơ đồng bộ đƣợc phân thành 2 nhóm lớn là biến tần điều khiển ngoài (độc lập) và biến tần tự điều khiển (phụ thuộc). Hệ thống điều tốc sử dụng bộ biến tần dùng nghịch lƣu độc lập tạo điện áp xoay chiều có điện áp và tần số theo yêu cầu để cấp cho động cơ đồng bộ đƣợc gọi là hệ thống điều tốc biến tần điều khiển ngoài, hệ thống điều tốc với thiết bị biến tần dùng bộ đo kiểm vị trí rotor trên trục động cơ để khống chế việc phát xung điều khiển các van nghịch lƣu gọi là hệ thống điều tốc biến tần tự điều khiển. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 229
5.2. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ VỚI BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN NGOÀI VÀ ĐIỀU KHIỂN VECTOR 5.2.1 . Hệ thống điều tốc nhiều động cơ đồng bộ điều khiển tỷ số điện áp tần số không đổi mạch vòng hở tốc độ quay Đây là loại hệ thống điều tốc biến tần đơn giản nhất, gồm nhiều động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ từ trở đƣợc cung cấp điện áp xoay chiều từ một bộ biến tần chung, do một tín hiệu tốc độ quay * thống nhất cho trƣớc U đồng thời điều chỉnh tốc độ của nhiều động cơ, kèm bộ tạo hàm số TH để bù sụt áp của stator đã khống chế đƣợc tỷ số điện áp Hình 5.1: Hệ thống điều tốc biến tần đảm bảo tỷ số điện áp tần số không đổi của nhóm tần số không đổi. nhiều động cơ đồng bộ Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 230
5.2.2. Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ công suất lớn tốc độ thấp sử dụng bộ biến tần trực tiếp (xoay chiều- xoay chiều) Hình 5.2: Hệ thống điều tốc động cơ đồng bộ công suất lớn tốc độ thấp sử dụng bộ biến tần trực tiếp (xoay chiều- xoay chiều) Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 231
5.2.3. Hệ thống biến tần điều khiển vector - động cơ đồng bộ Để có đƣợc chất lƣợng cao, hệ thống điều tốc biến tần - động cơ đồng bộ cũng có thể sử dụng thuật toán điều khiển vector. Nguyên lý cơ bản của nó cũng giống nhƣ điều khiển vector của động cơ không đồng bộ, cũng có thể thông qua phép biến đổi toạ độ vector không gian dòng điện (đại diện cho sức từ động), chuyển đổi tƣơng đƣơng thành động cơ một chiều, sau đó lại phỏng theo phƣơng pháp điều khiển động cơ một chiều để tiến hành điều khiển. Bởi vì kết cấu của động cơ đồng bộ khác với kết cấu của động cơ không đồng bộ, nên biểu diễn vector của nó có những nét riêng biệt. Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 232
5.2.3. Hệ thống biến tần điều khiển vector - động cơ đồng bộ Hình 5.3: Mô hình vật lý của động cơ đồng bộ hai cực Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 233
5.2.3. Hệ thống biến tần điều khiển vector - động cơ đồng bộ Trong đó: Hình 5.4: Vector không gian và góc pha thời gian gần đúng của động cơ đồng bộ a) Vector không gian từ thông, sức từ động; b) Góc pha dòng điện, điện áp, từ thông Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 234
5.2.3. Hệ thống biến tần điều khiển vector - động cơ đồng bộ Ta có: Us E s 4,44f 1  s Và góc của hệ số công suất của động cơ đồng bộ: 0 90 s Góc pha :   sK  Từ biên độ của is và góc pha  có thể tìm đƣợc dòng điện 3 pha stator: iAs  i cos  0 iBs i cos(  120 ) 0 iCs i cos(  120 ) Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 235
5.2.3. Hệ thống biến tần điều khiển vector - động cơ đồng bộ Dựa vào nguyên lý chuyển đổi cơ năng và điện năng, mô men điện từ của động cơ đồng bộ có thể biểu thị theo quan hệ: M n2  F sin  đt2 p s s Biên độ của sức từ động quay: 3 2N1 k N1 Fiss np Thành phần mô men quay của dòng điện stator: is sin s i sT Từ đó ta có: 3 M  Cvới i : C n N k ; đt m sT m2 p 1 N1 Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 236
5.2.3. Hệ thống biến tần điều khiển vector - động cơ đồng bộ Hình 5.5: Hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector - động cơ đồng bộ R - bộ điều chỉnh tốc độ quay; RI - bộ điều chỉnh dòng điện 3pha; RIk - bộ điều chỉnh dòng điện kích từ; FT- bộ cảm biến tốc độ quay; BQ - bộ đo vị trí rotor (xác định góc của vector từ thông rotor với trục chuẩn) Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 237
5.2.4. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ đồng bộ Phƣơng trình điện áp tổng quát của động cơ đồng bộ: d  u R i A A 1 A dt d Trong đó: u R i B B 1 B dt uA, uB, uC: Phƣơng trình điện áp của các d u R i C cuộn dây A, B, C của stator; C 1 C dt  d UK: Phƣơng trình điện áp một chiều của URI K KKK dt cuộn dây kích từ; dD Hai phƣơng trình cuối là phƣơng trình điện 0 RDD i dt áp của cuộn dây cản. d 0 R i Q QQ dt  Th¸i Nguyªn, 3/22/2013 238