đặt vấn đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ công suất lớn, có thể khẳng định rằng rất khó và cũng rất đắt để thiết kế và chế tạo các bộ biến đổi công suất lớn tương xứng.2 Giải pháp truyền thống Để giải quyết yêu cầu truyền động công suất lớn này thì người ta thường dùng 02 hoặc nhiều động cơ truyền động. Xong với 02 động cơ truyền động, để cân bằng phụ tải trong quá trình làm việc của 02 động cơ này thì 02 động cơ này phải có những yêu cầu như sau: 1) Tất cả truyền động thành phần đều phải giữ tỷ lệ không đổi trong cả chế độ tĩnh và chế độ động, ta gọi là yêu cầu đồng bộ hóa tốc độ. 2) Đối với dây chuyền sản xuất các vật liệu thay đổi, hoặc bề dày vật liệu thay đổi dẫn đến yêu cầu thay đổi tốc độ làm việc thường tỷ lệ này thay đổi không lớn, vùng điều chỉnh tốc độ O (2:1 đến 6:1) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 2 3) Một số dây chuyền yêu cầu chất lượng sản phẩm cao như độ đồng đều vật liệu cao sai số ít. Như vậy hệ truyền động phải đảm bảo có độ chính xác điều chỉnh cao.
4) Một số vật liệu được sản xuất trong dây chuyền liên tục có yêu cầu về chủng loại, tính chất đặt ra yêu cầu phải giữ sức căng không đổi. Vì vậy yêu cầu hệ truyền động phải điều chỉnh cả tốc độ và lực kéo. Tóm lại, để 02 động cơ làm việc khi nối cứng trục thì quá trình phụ tải thay đổi (tốc độ động cơ thay đổi) thì phải có đặc tính tĩnh hoàn toàn như nhau để giữ cho lực kéo của 02 động cơ này không đổi. [2] Việc dùng 02 động cơ để thay thế 01 động cơ công suất lớn thì có những ưu điểm sau: Tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng như bộ biến đổi đi kèm có công suất nhỏ hơn; quá trình vận chuyển, lắp ráp, vận hành dễ dàng hơn.
Đặc biệt là đối với giải pháp đề xuất, bằng cách lựa chọn tổ nối dây của máy biến áp lực một cách hợp lý cho phép giảm thiểu ảnh hưởng của thành phần sóng hài bậc 3 do bộ biến đổi tạo ra đối với lưới điện. Hình 1-1: Sơ đồ 02 động cơ xoay chiều nối cứng trục Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 3 Trong thực tế việc chọn 02 động cơ có đặc tính cơ như nhau trong quá trình làm việc thì tốc độ không đổi nhưng khi phụ tải thay đổi thì lực kéo của 02 động cơ này không thể tự cân bằng như nhau được, vì vậy chúng ta phải thiết kế một hệ tự động truyền động để tự động điều chỉnh lực căng giữa 02 động cơ khi phụ tải thay đổi. Có nhiều cách xây dựng hệ tự động điều chỉnh này và một trong những hệ điều chỉnh lực căng đó. Hình 1-2: Cấu trúc hệ thống điều khiển truyền thống Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 4 Nguyên lý làm việc của sơ đồ: Một trong các thiết kế đã áp dụng đó là sử dụng cấu trúc với 02 mạch vòng điều khiển, mạch vòng tốc độ chung bên ngoài, mạch vòng dòng điện kép bên trong, tín hiệu ra của mạch vòng tốc độ là tín hiệu đặt cho các mạch vòng dòng điện (Hình 1-2).
Sự sai khác về dòng điện của hai động cơ được hiệu chỉnh bằng cách thay đổi thông số của các bộ điều khiển dòng 1 mạch vòng dòng điện một cách phù hợp. Với giải pháp này đã đáp ứng được yêu cầu của sản xuất. Tuy nhiên, do thông số của các bộ điều khiển dòng 1 là cố định, trong quá trình vận hành khi thông số của hệ thống thay đổi, dẫn đến sự sai khác tương đối lớn về dòng điện của các động cơ (đôi khi có thể lên đến 15%). Chính vì vậy, cùng với quá trình vận hành, cán bộ kỹ thuật cần phải chỉnh định lại thông số của các bộ điều khiển sao cho hệ thống làm việc ổn định theo mong muốn Đây là nhược điểm cơ bản của thiết kế trên.3 Giải pháp đề xuất Giải pháp đề xuất trình bày trong nghiên cứu này được phát triển dựa theo giải pháp vừa nêu tuy nhiên có sự thay đổi.
Cụ thể, giữ nguyên cấu trúc điều khiển hai mạch vòng điều khiển, bộ điều khiển PID mạch vòng tốc độ bên ngoài chung cho cả 02 động cơ với thông số cố định, hai bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện bên trong riêng cho 02 động cơ, bộ điều khiển dòng điện động cơ 1 với thông số cố định, tín hiệu ra của bộ điều khiển này là tín hiệu mẫu, thông số bộ điều khiển dòng của động cơ thứ hai được hiệu chỉnh dựa trên sai lệch về dòng điện giữa 02 động cơ (Hình 1-3). Nói một cách khác, bộ điều khiển dòng của động cơ thứ 2 là bộ điều khiển thích nghi được thiết kế dựa trên mô hình mẫu được tạo bởi bộ điều khiển dòng động cơ thứ nhất cùng một phần thông số của động cơ đó. Với cấu trúc này trong quá trình vận hành, dòng điện động cơ thứ nhất được xem là dòng mẫu, dòng động cơ thứ 2 luôn bám dòng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 5 động cơ 1 với sai số nhỏ nhất. Có nghĩa dòng phần ứng của cả hai động cơ luôn bằng nhau – điều mà chúng ta mong đợi.
Hình 1-3:Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 6 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU 2.1 Máy điện đồng bộ 2.1 Định nghĩa Máy điện đồng bộ là loại máy điện mà tốc độ quay của roto bằng tốc độ quay của từ trường quay trong máy. Ngày nay nguồn năng lượng điện được sử dụng trên thế giới chủ yếu là năng lượng điện xoay chiều thì máy phát điện đồng bộ là nguồn chính để phát ra năng lượng đó. Máy đồng bộ cũng có tính chất thuận nghịch. Tức là có thể làm việc như một máy phát hoặc như một động cơ.
Ngoài ra nó còn có thể dùng làm nguồn công suất kháng gọi là máy bù đồng bộ. Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Phạm vi ứng dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng , nghĩa là làm máy phát điện. Điện năng 3 pha chủ yếu dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống hằng ngày được sản suất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi, tuabin khí hoặc tubin nước.
Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết bị công suất lớn, thiết bị lớn. Máy điện đồng bộ có khả năng phát ra công suất phản kháng, thông thường máy đồng bộ được tính toán sao cho chúng có thể phát ra công suất phản kháng gần bằng công suất tác dụng. trong một số trường hợp người ta dùng máy điện đồng bộ đặt gần các khu công nghiệp lớn để chỉ phát ra công suất phản kháng đủ bù hệ số cos cho lưới điện là hợp lý. Những máy đó là máy bù đồng bộ.
Các động cơ đồng bộ công suất nhỏ (đặc biệt là các động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu) cũng được sử dụng rộng rãi trong các trang bị tự động và điều khiển. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: a) Cấu tạo Cấu tạo của máy điện đồng bộ gồm có 2 phần: Phần quay (roto) và phần tĩnh (stato) Hình 2-1: Cấu tạo của máy điện đồng bộ - Stato gồm có: vỏ, lõi và dây quấn + Vỏ: làm bằng thép đúc, dung bảo vệ mạch từ và các phần khác trong máy. Trên vỏ có gắn biển đề ghi các thông số của máy điện + Lõi stato: dung để dẫn từ, được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện với nhau theo hình trụ rỗng, mặt trong được đặt các rãnh để đặt cuộn dây stato Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 8 + Dây quấn: được quấn thành tứng các mô bin, các cạnh của các mô bin đó được đặt vào các rãnh của lõi thép stato. Các mô bin được cách điện với nhau vad cách điện với vỏ - Roto gồm có: Nếu phần quay là phần cảm thì nó gồm: lõi và dây quấn Roto có 2 loại: cực lồi và cực ẩn + Loại cực lồi: Dây quấn được quấn xung quanh cực từ.
Ở máy điện lớn thì trên cực còn được sẽ rãnh để đặt cuộn khởi động. Loại máy này tốc độ quay thấp + Loại cực ẩn: Người ta sẽ rãnh ở 2/3 chu vi roto. Roto của loại này thường làm bằng thép chất lượng cao để đảm bảo lực li tâm khi tốc độ lớn b) Nguyên lý hoạt động Trong máy điện đồng bộ, thường cực từ đặt ở rôto, còn dây quấn phần ứng được đặt trên phần tĩnh (stato) gồm ba cuộn dây đặt lệch nhau trong không gian 1200 góc độ điện, đấu thành hình sao (Y) hay tam giác (Δ). Cũng giống như các máy điện quay khác, máy điện đồng bộ cũng có tính chất thuận nghịch: có thể làm việc ở chế độ máy phát hợc chế độ động cơ điện.
Khi động cơ sơ cấp quay rôto máy phát với tốc độ định mức, đồng thời cho dòng điện một chiều vào dây quấn rôto (dây quấn kích thích), rôto trở thành nam châm điện, từ trường của rôto quét qua các thanh dẫn của dây quấn stato và cảm ứng nên trong chúng các s. Khi dây quấn phần ứng của máy được nối với tải bên ngoài, dòng điện ba pha đối xứng lệch nhau về thời gian 120𝑜 điện chạy trong dây quấn ba pha đặt lệch nhau trong không gian một góc 120𝑜 điện sẽ sinh ra từ trường quay.3 Phân loại: - Theo chức năng người ta phân thành: Máy phát, động cơ, máy bù đồng bộ. - Theo số pha: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 9 Máy đồng bộ một pha, máy đồng bộ 3 pha. - Theo công suất: Máy đồng bộ công suất nhỏ, máy đồng bộ công suất trung bình, máy đồng bộ công suất lớn.
- Theo cấu tạo: Máy đồng bộ cực lồi, máy đồng bộ cức ẩn.2 Động cơ điện đồng bộ Các động cơ điện xoay chiều dùng nhiều trong sản xuất thường là những động cơ điện không đồng bộ, vì loại động cơ này có đặc điểm cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ. Tuy nhiên các động cơ điện đồng bộ trong thời gian gần đây cũng được sử dụng nhiều và cũng có thể so sánh với động cơ không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động điện.