CHƯƠNG 1 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều làm việc trên nguyên lý hiện tượng cảm ứng điện từ. Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và vận hành làm cho động cơ không đồng bộ có những ưu điểm nổi bật và được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Hệ điều khiển tự động truyền động điện có sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha là hệ điều chỉnh có nhiều tham số phi tuyến, từ thông và mômen điện từ phụ thuộc vào các tham số động cơ. Trước đây, do khó tạo ra các bộ truyền động chất lượng cao động cơ không đồng bộ thường kém ưu thế so với động cơ một chiều.
Cùng với sự phát triển của các phương pháp điều khiển mới, kỹ thuật điện tử tin học, các linh kiện bán dẫn công suất, động cơ không đồng bộ dần phát huy hết các ưu điểm của mình. Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động động cơ một chiều ở cấp độ các hệ truyền động chất lượng cao. Giới thiệu chung. Động cơ không đồng bộ ba được cấu tạo gồm hai phần : Phần tĩnh: gồm vỏ máy, lõi sắt và dây quấn stator • Vỏ máy: thường làm bằng gang, đối với máy có công suất lớn ( > 1000kW), thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ.
Vỏ máy có tác dụng tạo nên phần kết cấu cho máy, để tản nhiệt và không dùng để dẫn từ Trang 11 • Lõi sắt: Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0.5mm ghép lại. Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường xoay chiều nên để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên thì các lá thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện. Các lá thép được dập rãnh để đặt dây quấn • Dây quấn: được đặt vào các rãnh của lõi sắt và cách điện tốt với lõi sắt.
Dây quấn stator gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120 độ điện • Phần quay: gồm lõi sắt, dây quấn rotor và trục • Trục: làm bằng thép, dùng để đỡ lõi sắt rotor. Trên trục còn có các chi tiết như quạt làm mát, ổ đỡ… • Lõi sắt: Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như ở phần stator. Lõi sắt được ép trực tiếp lên trục. Lõi sắt cũng có rãnh để đặt dây quấn.
• Dây quấn: - Loại rotor kiểu dây quấn: dây quấn rotor cũng có 3 pha như ở stator và thường nối sao, ba đầu ra nối với ba vành trượt bằng đồng, cố định trên trục rotor và được cách điện với trục. Nhờ ba chổi than tỳ vào ba vành trượt này, dây quấn rotor được nối với ba biến trở bên ngoài, để mở máy hay điều chỉnh tốc độ. - Loại rotor kiểu lồng sóc: Mỗi rãnh của lõi sắt được đặt một thanh dẫn bằng đồng hoặc đúc nhôm và được nối tắt ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch bằng đồng hoặc nhôm, làm thành một cái lồng mà người ta gọi là lồng sóc. Dây quấn rotor kiểu lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt.
Nguyên lý hoạt động Khi cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stator, xuất hiện từ 60 f trường quay trong hở stator quay đều với tốc độ n 1 =. Từ trường quay cắt p các thanh dẫn của dây quấn rotor, cảm ứng các sức điện động. Dây quấn rotor nối ngắn mạch, sức điện động cảm ứng sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn rotor. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện ở rotor kéo rotor quay cùng chiều quay từ trường với tốc độ n Hình 1.
Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha Đặc trưng riêng của động cơ không đồng bộ là tốc độ đầu trục động cơ nhỏ hơn so với tốc độ từ trường quay. Quan hệ này được biểu diễn bởi hệ số trượt: − s = n1 n1 n Trong đó n1: Tốc độ từ trường quay ( vòng/phút ) n : Tốc độ đầu trục ( vòng/phút ) Trang 13 p: số đôi cực 1. Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ Đặc tính cơ thể hiện mối quan hệ giữa mômen và tốc độ của động cơ n=f(M). Phương trình đặc tính cơ: 3U1 2 R'2 M= (1-1) R' sω1[ R1 +.
2 )2 + ( X1 + X '2 ) 2 ] s f1 : tần số các đại lượng stator s : hệ số trượt p : số đôi cực động cơ U1 : điện áp pha cung cấp động cơ R1 : điện trở pha stator R2' : điện trở pha dây quấn rotor qui đổi về stator X1 : điện kháng tản stator X 2' : điện kháng tản rotor ứng với tần số stator đã được qui đổi về stator. Đặc tính cơ động cơ ĐCKĐB Trang 14 • ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ: - ảnh hưởng điện trở, điện kháng mạch stator - ảnh hưởng điện trở mạch rotor - ảnh hưởng của suy giảm điện áp lưới cấp cho động cơ - ảnh hưởng của thay đổi tần số lưới cấp cho động cơ 1. Mô hình vectơ không gian của động cơ không đồng bộ ba pha Để tiện cho việc xây dựng các thuật toán điều khiển, các phương trình động học được xây dựng trên cơ sở vectơ không gian. Do cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian, sự móc vòng từ thông giữa các mạch từ, ta cần đưa ra một số giả thiết trước khi xây dựng các phương trình động học: 1.
Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian. Bỏ qua các tổn hao sắt từ và bão hoà từ. Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ. Các giá trị điện cảm, điện trở là bất biến theo theo thời gian và như nhau trên các pha.
Hệ phương trình động học điện Phương trình điện áp trên ba cuộn dây stator dψ sa (t ) 1.2 (c) Trong đó : Rs điện trở cuộn dây pha stator Ψsa , Ψsb , Ψsc từ thông stator của các cuộn dây pha a, b, c. Trang 15 Phương trình điện áp trên ba cuộn dây roto: dψ ra (t ) 1.3 (c) Trong đó : Rr điện trở cuộn dây pha rotor Ψ ra , Ψrb , Ψ rc từ thông rotor của các cuộn dây pha a, b, c. Sử dụng phép biến đổi Park, khảo sát các đại lượng điện từ trong hệ toạ độ hai pha cố định DQ ( hệ toạ độ αβ ). Phương trình điện áp stator và rotor của động cơ không đồng bộ ba pha : (s) dψ s(s ) ( s) u s = i Rs + s (1.5) dt Trong đó : (s ) (s ) ( s) u s , i s , ψ s vectơ điện áp pha, dòng điện, từ thông móc vòng stator.
(s ) (s ) ( s) u r , i r , ψ r vectơ điện áp pha, dòng điện, từ thông móc vòng stator. usD sD ψ sD u s = u ; = i ; ψ s = (1.7) urQ i rQ ψ rQ Trang 16 Phương trình quan hệ từ thông stator và rotor : ψ ( s) = i (s ) ( L + L ) + i( s) L = i( s ) L + i (s ) L s s s ( s) (s ) σs m r m ( s) s r m (1.a – b) ψ r = i r (Lσ r + Lm ) + is Lm = ir Lr + is Lm (s) (s ) Trong đó : Lm hỗ cảm giữa stator và rotor Lσs điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator Lσr điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor Ls= L σs+L m điện cảm stator Lr= L σr+L m điện cảm rotor Chỉ số (s) thể hiện các đại lượng đang được khảo sát trong hệ toạ độ cố định D-Q. Qui ước tất cả các phương trình đều được khảo sát trong hệ toạ độ này, ta bỏ qua các chỉ số (s).8b) thu được: 1 ir = (ψ r − i s Lm ) Lr (1.9) Thay trở lại (1.a): Lm ψ s = i s Ls + (ψ r − i s Lm ) Lr (1.5) d Lm u s = is Rs + dt (i s Ls + L (ψ r − i s Lm ) r 0 1 ψ s m (1.12a-b) s Tr r Tr dt Hệ phương trình cơ Phương trình mômen 3 3 mM = .13) Phương trình chuyển động J dω mM = mT + p dt (1.14) mT : momen tải J : momen quán tính cơ ω : tốc độ góc rotor 1. Hệ truyền động động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Do những ưu điểm nổi bật kết cấu đơn giản, vận hành dễ dàng, phù hợp với lưới điện sẵn, động cơ không đồng bộ ba pha được ứng dụng rộng rãi.
Nhờ sự phát triển của kỹ thuật điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật điều khiển tốc độ tốc độ động cơ không đồng bộ đã ứng dụng cho các hệ truyền động chất lượng cao, có yêu cầu khắt khe về tốc độ và momen, thay thế dần cho các hệ truyền động động cơ một chiều. Một số phương pháp điều chỉnh tốc độ được ứng dụng thực tế: • Phương pháp điều khiển điện áp phần ứng : Khi điện áp lưới suy giảm, momen tới hạn giảm bình phương lần độ suy giảm của điện áp Trang 18 • Phương pháp điều khiển điện trở rotor : thay đổi điện trở rotor không làm giảm momen cực đại mà chỉ làm thay đổi độ trượt s. • Phương pháp điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn điện xoay chiều : thay đổi song song cả tần số và điện áp nguồn cấp để thay đổi tốc độ động cơ Điều khiển điện áp phần ứng và điều khiển điện trở roto là các phương pháp điều khiển đơn giản thích ứng với những hệ truyền động chất lượng thấp. Duy nhất khả năng cho phép điều khiển trơn.
Độ chính xác thấp, vùng làm việc hạn chế và tổn hao năng lượng lớn là những nhược điểm thường thấy khó khắc phục. Thực tế hiện tại, phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn điện xoay chiều được ứng dụng nhiều hơn cả do hiệu suất sử dụng năng lượng cao cũng như khả năng điều chỉnh linh hoạt. Hệ truyền động điều chỉnh tần số còn được gọi là hệ truyền động biến tần bán dẫn do việc thay đổi tần số và điện áp lưới được thực hiện nhờ hoàn toàn vào các thiết bị bán dẫn.