đồ án điều khiển động cơ không đồng bộ dùng psoc

Trường ĐHGTVT Đồ án tốt

nghiệp

Luận Văn Tốt Nghiệp

Đề Tài: Điều khiển động cơ không

đồng bộ dùng PSoc

SVTH: Vũ Quang Trình 1

Trường ĐHGTVT Đồ án tốt

nghiệp

Mục lục

SVTH: Vũ Quang Trình 1

Trường ĐHGTVT Đồ án tốt

nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU

Nội dung đồ án này là tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần truyền thống ba pha

điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp U/f = const và điều chế

SPWM. Từ cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều

khiển bằng tần số và qua tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũng

như đánh giá các phương pháp điều khiển, nội dung của đồ án đã đề xuất ra mô

hình biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng trong các hệ truyền

động với giá thành thấp, đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của thực tế. Do hạn chế

về mặt thời gian nên trong phạm vi đồ án này chỉ dừng lại ở điều khiển vòng hở

động cơ không đồng bộ ba pha và hi vọng đề tài sẽ được tiếp tục phát triển trong

tương lai.

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô trong bộ môn Trang

thiết bị Điện - Điện Tử trong công nghiệp và giao thông vận tải cùng các thầy cô

trong khoa Điện - Điện tử đã tận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên môn làm

cơ sở để em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em

hoàn tất khóa học.

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Văn Nghĩa,

đã tận tình chỉ bảo, gợi ý, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ em hoàn

thành đề tài này.

Hà nội, ngày 16 tháng 5 năm2009

SVTH: Vũ Quang Trình 1

Trường ĐHGTVT Đồ án tốt

nghiệp

PHẦN I

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG I

Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ ba pha

1. Nguyên lý hoạt động

Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch

nhau 120o

trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ

trường quay. Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường

quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng

trong các thanh dẫn.

Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có

dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải. Từ trường quay

lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo

quy tắc ban tay trái và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường

quay.

Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua. Nếu roto

quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây

quấn phần cảm nữa nên sdd cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, momen

quay cũng không còn. Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các

dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại

có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ

hơn tốc độ từ trường.

SVTH: Vũ Quang Trình 2

Trường ĐHGTVT Đồ án tốt

nghiệp

Đồng cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KDB) hay

động cơ xoay chiều.

Hình 1-1: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha

Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ωo (rad/s) hay no (vòng/phút) thì tốc độ quay

của roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ωo ; n < no ). Sai lệch tương tối giữa hai

tốc độ gọi là độ trượt s:

o

o

s

ω − ω

=

ω

(1-1)

Từ đó ta có:

ω = ωo(1 – s) (1-2)

hay

n = no(1 – s) (1-3)

SVTH: Vũ Quang Trình 3

Trường ĐHGTVT Đồ án tốt

nghiệp

Với:

2 n

60

ω =

π

(1-4)

o 1

o

2 n 2 f

60 p

ω =

π π

= (1-5)

f1 - tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato.

Tốc độ ωo là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu không có lực cản nào.

Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ.

Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1.

Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay

chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay:

o

2 1

p(n n

f

6

)

s

0

f

−

= = (1-6)

2. Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha

2.1. Phương trình đặc tính cơ

Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là

ba pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng

không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong

lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ

như hình vẽ 1-2

SVTH: Vũ Quang Trình 4

Trường ĐHGTVT Đồ án tốt

nghiệp

Hình 1-2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ

Trong đó:

U1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V)

Iµ, I1, I’

2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã quy đổi về

stato (A)

Xµ, X1, X’

2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đã

quy đổi về stato (Ω)

Rµ, R1, R’

2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch roto đã quy

đổi về stato (Ω)

Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ

giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng:

'

'

2

1 2

2

2

o 1 nm

3U M

R

s R X

s

R

= ,[Nm]    

ω +    ÷    

+

(1-7)

Trong đó:

Xnm – điện kháng ngắn mạch, Xnm = X1 + X’

2

2.2. Đường đặc tính cơ

SVTH: Vũ Quang Trình 5

Trường ĐHGTVT Đồ án tốt

nghiệp

Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá trị

của M. Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1-4, đó là

đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.

Hình 1-3: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha

Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó:

dM 0

ds

= (1-8)

Giải phương trình ta có:

2

th 2 2

1 nm

'

R

R

s

+ X

= ± (1-9)

Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:

SVTH: Vũ Quang Trình 6

Trường ĐHGTVT Đồ án tốt

nghiệp

2

1

th 2 2

o 1 1 nm

3U M

2 (R ω ± R X ) +

= (1-10)

Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị sth và

Mth của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+).

Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KDB là một đường cong phức tạp có

hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên

đoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm

việc trên đoạn này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên đoạn này

động cơ làm việc không ổn định.

Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 ( s = 1 ) và

momen mở máy:

2

1 2

mm 2 2

o 1 2

'

nm

'

R

R )

3U

X

M

(R

=

ω   + 

+ 

(1-11)

Điểm A ứng với momen cản bằng 0 ( Mc = 0 ) và tốc độ đồng bộ:

1

o

2 f

p

ω =

π

(1-12)

3. Ảnh hưởng của tần số nguồn f1 đến đặc tính cơ:

Khi thay đổi f1 thì theo (1-5) tốc độ đồng bộ ωo thay đổi, đồng thời X1, X2 cũng

bị thay đổi ( vì X = 2πfL ), kéo theo sự thay đổi của cả độ trượt tới hạn sth và

momen tới hạn Mth.

SVTH: Vũ Quang Trình 7