Mục lục Lời cám ơn Trang Phần mở đầu Chơng Giới thiệu động không đồng rotor lång sãc 1.1 CÊu t¹o 1.1.1 CÊu t¹o stator 1.1.2 Cấu tạo rotor 1.2 Nguyên lý làm việc động không đồng rotor lồng sóc 1.3 Đặc tính động không đồng 10 1.4 ảnh hởng thông số đến đặc tính 15 1.4.1 ảnh hởng suy giảm điện áp 15 1.4.2 ảnh hởng điện trở, điện kháng phụ mạch rotor 16 1.4.3 ảnh hởng số đôi cực 17 1.4.4 ảnh hởng tần số lới f1 cấp cho động 17 1.5 Kết luận 18 Chơng Khởi động phơng pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng 2.1 Các phơng pháp khởi động 2.1.1 Phơng pháp khởi động trực tiếp 20 2.1.2 Khởi động dùng phơng pháp giảm dòng khởi động 20 2.1.3 Khởi động động có rÃnh sâu động rÃnh sâu 24 2.2 Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động 26 2.2.1 Điều chỉnh điện áp động không đồng 27 20 2.2.2 Điều chỉnh tốc độ phơng pháp tần số 28 2.2.3 Điều chỉnh tốc độ thay đổi điện áp mạch rotor 30 2.2.4 Điều chỉnh tốc độ thay đổi số đôi cực 31 Chơng Điều chỉnh tốc độ động không đồng rotor lồng sóc giữ từ thông không đổi phơng pháp điều chỉnh dòng stator is theo tần số trợt rotor f( r) 3.1 Giới thiệu phơng pháp 32 3.1.1 Ba phơng pháp gián tiếp giữ từ thông stator s = const 3.1.2 Phơng pháp điều khiển trực tiếp từ thông 35 3.2 Các hệ thống truyền động động cấp điện từ biến tần 36 32 điều chỉnh dòng điện 3.3 Tính chất động hệ thống truyền động ổn định từ 40 thông gián tiếp thay đổi dòng stator theo tần số độ trợt 3.4 Kết luận 42 Chơng Mô hệ truyền động điện động không đồng điều chỉnh dòng stator theo tần số độ trợt 4.1 Giới thiệu Matlab 44 4.2 Bộ biến tần PWM mô hình Matlab 45 4.2.1 Cơ sở điều chỉnh độ rộng xung 45 4.2.2 Nguyên tắc điều khiển 46 4.2.3 Bộ biến tần điều chỉnh độ rộng xung pha 48 4.2.4 Mô hình biến tần Matlab 49 4.3 Động dị mô hình Matlab 50 4.3.1 Mô hình toán động dị 50 4.3.2 Mô động thực thông số 57 4.4 Các chuyển đổi hệ toạ độ vector không gian 60 4.5 Mô hình Matlab điều chỉnh dòng điện 62 4.6 Mô động cơ, biến tần hệ thống tổng hợp 62 4.6.1 Mô động 62 4.6.2 Mô biến tần 65 4.6.3 Mô tổng hợp hệ thống 67 Kết luận 74 Tài liệu tham khảo 75 Lời cám ơn Với kiến thức đà đợc học khoa Điện - Điện tử trờng Đại Học Dân Lập Hải Phòng với bảo nhiệt tình thầy GS TSKH Thân Ngọc Hoàn thầy THS Nguyễn Đồng Khang phơng pháp nghiên cứu triển khai công việc em đà hoàn thành đề tài tốt nghiệp đợc giao Với lòng nhiệt thành em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hớng thầy TH.S Nguyễn Đồng Khang Em xin cảm ơn quan tâm giúp đỡ động viên thầy cô tổ môn Điện - Điện tử trờng Đại Học Dân Lập Hải Phòng cộng tác bạn giúp em hoàn thành đồ án Mặc dù đà cố gắng, song thời gian có hạn kiến thức hạn chế, nên đề tài em không tránh khỏi sai sót Em mong đợc thầy cô giáo bạn đóng góp ý kiến để đề tài em đợc hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng ngày 07 tháng 08 năm 2007 Sinh viên Bùi Đức Bảo Phần mở đầu Trong việc nghiên cứu, ứng dụng động - Động không đồng pha rotor lồng sóc lĩnh vực đợc sâu nghiên cứu tính khả thi sản xuất đời sống Có thể nói, ngày thị trờng, động không ®ång bé R«to lång sãc ®ang chiÕm u thÕ tut đối Với lí dễ chế tạo, không cần bảo dỡng, làm việc tin cậy, đơn giản vận hành, an toàn, kích thớc nhỏ nhiều so với động khác có công suất, giá thành hạ Nhợc điểm tồn lớn loại động dòng khởi động lớn I kđ = (4 ữ 7) Iđm gây tải máy biến áp, sụt áp lới, tăng tổn thất đờng dây, ảnh hởng tới tình trạng làm việc bình thờng thiết bị khác có chung lới điện Tuy nhiên với phát triển nh vũ bÃo kü tht ®iƯn tư, vi xư lý ®· cho phÐp thực thành công kỹ thuật điều chỉnh phức tạp động không đồng Rôtor lồng sóc Ngày với phát triển ứng dụng thông tin khoa học kỹ thuật đặc biệt kỹ thuật điện có bớc tiến nhảy vợt bậc Một ứng dụng quan trọng khởi động động biến tần có điều chỉnh dòng áp Vậy lại sử dụng biến tần vào điều khiển động cơ? Và lại bớc nhảy lớn ứng dụng kỹ thuật đại? Bộ biến tần thiết bị biến đổi lợng điện từ điện áp u1, tần số f1 thành lợng điện có điện áp u2 tần số f2 Cùng với tiến công nghệ vi mạch công nghệ tiên tiến khác, phát triển lý thuyết điều khiển, hệ thống truyền động điện xoay chiều đại nạp từ biến tần đà có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt cho phép cạnh tranh với hệ thống truyền động điện dòng chiều có nhiều u điểm trớc Khi sử dụng biến tần ta dễ dàng điều chỉnh tham số nhờ tính toán đặt trớc phản hồi trình làm việc Mô phơng pháp nghiên cứu khoa học đợc áp dụng rộng rÃi nhờ phát triển công nghệ thông tin Mô giúp nghiên cứu hệ thống cách chủ động, giải khó khăn tiến hành nghiên cứu xây dựng mô hình thực đồng thời giúp tiếp cận với trình góc độ khác Hiện việc xây dựng mô hình, viết chơng trình để thực mô đà đợc trợ giúp đắc lực phần mềm khác Nhờ có phần mềm đà giúp cho công việc mô hệ thống điện tử công suất ngày thuận lợi Trong đề tài em sử dụng phần mềm Matlap & Simulik để xây dựng mô hình mô Trong thực tế công nghiệp việc ứng dụng loại động quan tâm hàng đầu.Với trợ giúp phơng pháp mô giải pháp tối u để nắm phần chủ động định lựa chọn xây dựng mô hình vật lý, đáp ứng đợc yêu cầu khắt khe máy công cụ sản xuất Trong đồ án em nghiên cứu Mô hệ thống truyền động điện động không đồng rotor lồng sóc giữ từ thông không đổi điều chỉnh dòng stator is theo tần số độ trợt f( r) Nội dung đồ án nh sau: Chơng 1: Giới thiệu động không đồng rotor lồng sóc Chơng 2: Khởi động phơng pháp điều chỉnh tốc độ động Chơng 3: Điều chỉnh tốc độ động không đồng rotor lồng sóc giữ từ thông không đổi phơng pháp điều chỉnh dòng stator is theo tần số độ trợt f(r) Chơng 4: Mô hệ thống truyền động điện động không đồng điều chỉnh dòng stator theo tần số độ trợt Sau nội dung đồ án: Chơng Giới thiệu động không đồng rotor lồng sóc Căn vào cách thực rotor, ngời ta phân biệt loại: loại rotor lồng sóc loại rotor dây quấn Cuộn dây rotor dây quấn cuộn dây cách điện, thực theo nguyên lý cuộn dây dòng xoay chiều Cuộn dây rotor lồng sóc gồm lồng nhôm đặt rÃnh mạch từ rotor, cuộn dây ngắn mạch cuộn dây nhiều pha có số pha số rÃnh Động rotor lồng sóc có cấu tạo đơn giản rẻ tiền 1.1 Cấu tạo Động không đồng rotor lồng sóc gồm phần bản: phần quay (rotor) phần tĩnh (stator) Giữa phần tĩnh phần quay khe hở không khí Dới nghiên cứu phần riêng biệt Hình 1.1 Lá thép stator rotor động không đồng 1-Lá thép stator; 2-RÃnh; 3-Răng; 4-Lá thép rotor 1.1.1 Cấu tạo stator Stator gồm phần bản: mạch từ mạch điện Mạch từ: Mạch từ stator đợc ghép thép kỹ thuật có chiều dày khoảng 0,3 - 0,5mm, đợc cách điện mặt để chống dòng Fucô Lá thép stator có dạng hình vành khăn, phía đợc đục rÃnh Để giảm dao động từ thông, số rÃnh stator rotor không đợc Mạch từ đợc đặt vỏ máy máy có công suất lớn, lõi thép đợc chia thành nhiều phần đợc ghép lại với thành hình trụ thép nhằm tăng khả làm mát mạch từ Vỏ máy đợc làm gang đúc hay thép, vỏ máy có đúc gân tản nhiệt Để tăng diện tích tản nhiệt Tuỳ theo yêu cầu mà vỏ máy có đế để gắn vào bệ máy hay nhà vị trí làm việc Trên đỉnh có móc để giúp di chuyển thuận tiện Ngoài vỏ máy có nắp máy, nắp máy có giá đỡ ổ bi Trên vỏ máy gắn hộp đấu dây Mạch điện: Mạch điện cuộn dây máy điện đợc đặt vào rÃnh lõi thép đợc cách điện tốt với lõi 1.1.2 Cấu tạo rotor M¹ch tõ: Gièng nh m¹ch tõ stator, m¹ch tõ rotor gồm thép điện kỹ thuật cách điện ®èi víi R·nh cđa rotor cã thĨ song song với trục nghiêng góc định nhằm giảm dao động từ thông loại trừ số sóng bậc cao Các thép điện kỹ thuật đợc gắn với thành hình trụ, tâm thép mạch từ đợc đục lỗ để xuyên trục, rotor gắn trục máy có công suất lớn rotor đục rÃnh thông gió dọc thân rotor Mạch điện: Mạch điện loại rotor đợc làm nhôm đồng thau Nếu làm nhôm đợc đúc trực tiếp vào rÃnh rotor, đầu đợc đúc vòng ngắn mạch, cuộn dây hoàn toàn ngắn mạch, gọi rotor ngắn mạch Nếu làm đồng đợc làm thành dẫn đặt vào rÃnh, hai đầu đợc gắn với vòng ngắn mạch kim loại Bằng cách hình thành cho ta lồng loại rotor gọi tên rotor lồng sóc Loại rotor ngắn mạch thực cách điện dây dẫn lõi thép 1.2 Nguyên lý làm việc động không đồng rotor lồng sóc Khi cung cấp vào cuộn dây dòng ®iƯn cđa hƯ thèng ®iƯn pha cã tÇn sè f1 máy điện sinh từ trờng quay với tốc độ 60f/p Từ trờng cắt dẫn rotor stator, sinh cuộn dây stator sđđ tự cảm e1 cuộn dây rotor sđđ e2, có giá trị hiệu dụng nh sau: E1 = 4,44W1φf1kcd E2 = 4,44W2φf1kcd Do cuén rotor kín mạch, nên có dòng điện chạy dẫn cuộn dây Sự tác động tơng hỗ dòng điện chạy dây dẫn rotor từ trờng, sinh lực, ngẫu lực (2 dẫn nằm cách đờng kính rotor) nên tạo mô men quay Mô men quay có chiều đẩy stator theo chiều chống lại tăng từ thông móc vòng với cuộn dây Nhng stator gắn chặt rotor lại treo ổ bi, rotor phải quay với tốc độ n theo chiều quay từ trờng Tuy nhiên tốc độ tèc ®é quay cđa tõ trêng, bëi nÕu n = ntt từ trờng không cắt dẫn nữa, sđđ cảm ứng, E2 = dẫn đến I2 = mô men quay không, rotor quay chậm lại, rotor quay chậm lại từ trờng lại cắt dẫn, nên có sđđ, có dòng mô men nên rotor lại quay Do tốc độ quay rotor khác tốc độ quay từ trờng nên xuất độ trợt đợc định nghĩa nh sau: s= ntt n 100 0 ntt Do ®ã tèc ®é quay cđa rotor có dạng: n = ntt(1- s) Bây xem dòng điện rotor biến thiên với tần số Do n ntt nên (ntt - n) tốc độ cắt dẫn rotor từ trờng quay Vậy tần số biến thiên sđđ cảm ứng rotor biĨu diƠn bëi: f2 = ( ntt − n ) p = ntt ( ntt − n ) p = ntt p ( ntt − n ) = sf 60 ntt 60 60 ntt Khi rotor cã dßng I2 ch¹y, nã sinh mét tõ trêng quay víi tèc ®é: ntt2 = 60 f 60 sf1 = = sntt p p So với điểm không chuyển động stator, từ trờng quay với tốc độ: ntt2s = ntt2 + n = sntt + n = sntt + ntt(1- s) = ntt Nh vËy so víi stator, từ trờng quay rotor có giá trị với tốc độ quay từ trờng stator 1.3 Đặc tính động không đồng rotor lồng sóc Để thành lập phơng trình đặc tính động không đồng ta sử dụng sơ đồ thay Trên hình 1.2 sơ đồ thay pha động không đồng Khi nghiên cứu ta đa số giả thiết sau đây: - pha động đối xứng - Các thông số động không đổi nghĩa không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở rotor không phụ thuộc vào tần số dòng điện rotor: mạch từ không bÃo hoà nên điện kháng X1, X2 không đổi - Tổng dẫn mạch từ hoá không thay đổi, dòng điện từ hoá không phụ thuộc tải mà phụ thuộc điện áp đặt vào stator động - Bá qua tỉn thÊt ma s¸t, tỉn thÊt lõi thép - Điện áp lới hoàn toàn hình sin đối xứng ba pha Với giả thiết ta có sơ đồ thay pha động nh sau: X1 I1 R1 X'2 I2 Ià Xà R'2 s uf Rà Hình 1.2 Sơ đồ thay pha động không đồng Trong đó: Uf1 - trị số hiệu dụng điện áp pha stator Ià, I1, I2 - dòng điện từ hoá, stator dòng điện rotor đà quy đổi stator Xà, X1, X2 - điện kháng mạch từ hoá, điện kháng tản stator điện kháng tản rotor đà quy đổi stator Rà, R1, R2 - điện trở tác dụng mạch từ hoá cuộn dây stator rotor đà quy đổi stator s - độ trợt động 10 56 Us Us usq Ls1 Ls1 -1p Hình 4.11 Mô hình MĐDB Rotor lồng sóc hệ toạ độ dq ϑ s usd Tr1 1+pTT σ σ 1+pTT σ σ isd isq + 1pTr Tr ψ 'rd 1- σ σ ω r isq ω ω s 3PcLm2Lr mM -mT pcpJ 4.3.2 Mô động thực thông số a) Các thông số định mức động Thông số Giá trị Điện áp định mức Uđm 380v Công suất định mức Pđm 2,2kW Tần số dòng điện fđm 50hz 0,8 Hệ số công suất cos Tốc độ định mức n 1380 vòng/phút Điện trở stator Rs 1.26 Điện trở rotor Rr 0,2 Số đôi cực 2.pc Mô men quán tính J 0.017 kgm2 Điện cảm rò phía stator Lr 4,7mH Điện cảm rò phía rotor Ls 4,7mH b) Các thông số tính toán động Điện cảm stato thông rotor: Ls = Lr = Ls σ + Lm = 54,7mH = 0.0547(H) H»ng sè thêi gian rotor: Tr = Lr/Rr = 0.2735 H»ng sè thêi gian stator: Ts = Ls/Rs = 0.0434 HƯ sè t¶n tõ: σ =1- L2 m = 0.1645 Ls Lr Dòng kích từ định møc Is®m: Is®m = IN 1− cos ϕ Is®m = 3.78 1− 0,8 Is®m = 2.39 TÝnh dòng định mức tạo mô men quay Isqn Isqn = 2.I N − I sdn Isqn = 4,78 Tính tốc độ góc định mức rotor 57 p n   ω rN = 2π  f N − c N  60   ωrN = 25,12 Tính điện kháng I U X σ =  sin ϕ − 100ϕ sdn  N  I sqn  3.I N X σ = 6.72 c) Các hệ số hệ phơng trình mô tả ®éng c¬ = 111,1585 σ L s 1 1−σ = + Tσ σTs σTr ⇒ Tσ = 0,0063 = 3.6536 Tr pc = 117,6471 J Tr = 5,47 Lm pc Lm 2.Lr = 2.7422 d) Động xây dựng Matlab 58 4.4 Các chuyển đổi hệ toạ độ vector không gian 59 Để thực mô động dị nạp từ nguồn hình sin hệ toạ độ từ thông rotor dq ta thực nh sau Tạo khối nguồn điều hoà ba pha lấy từ nguồn có giá trị biên ®é b»ng nhng lƯch pha kh«ng gian 1200 ®iƯn - Khèi chun ®ỉi pha sang pha ngợc lại - Khối chuyển đổi hệ toạ độ xy sang hệ toạ độ dq ngợc lại - Khèi chun ®ỉi tõ hƯ ba pha (A, B, C) sang hệ toạ độ stator cố định xy ngợc lại Để thực việc chuyển đổi đại lợng từ hệ trục ba pha ba cuộn dây A, B, C qua c«ng thøc sau: usa = ua ; usb = isa = isx ; isc = ( ub − uc ) 1 3 isx isy ; isc = - isx isy 2 2 Các công thức hoàn toàn áp dụng cho tính đổi điện áp, từ thông Chuyển đổi từ hệ toạ độ stator cố định xy sang hệ toạ độ từ thông rotor dq ngợc lại Để thực việc chuyển đổi đại lợng từ hệ trục hai pha cố định xy sang hệ toạ độ từ thông rotor dq ta cần phải thông qua góc s =sdt qua công thức sau: isd = isy sinυs + isx cosυs isx = isd cosυs - isq sinυs isq = isy cosυs – isx sinυs isy = isd sins + isq coss Sau khối thể việc chuyển đổi 60 Mô hình khối chun ®ỉi hƯ pha sang hƯ pha xy Mô hình khối chuyển đổi hệ pha cố định sang pha Mô hình khối chuyển đổi hệ pha xy sang hệ pha dq Mô hình chuyển ®ỉi hƯ pha dq sang hƯ pha xy 4.5 Mô hình Matlab điều chỉnh dòng điện 61 Hình 4.13 Mô hình điều chỉnh dòng Matlab 4.6 Mô Phỏng động cơ, biến tần hệ thống tổng hợp 4.6.1 Mô động Hình 4.14 Mô động 62 Hình 4.15 Đặc tính tốc độ, mô men, từ thông ứng với Mc = 63 Hình 4.16 Đặc tính tốc độ, mô men, tõ th«ng øng víi Mc = 10 4.6.2 M« pháng biến tần 64 Hình 4.17 Mô biến tần Các dạng tín hiệu mô biến tần 65 Hình 4.18 Các dạng tín hiệu biến tần 66 4.6.3 Mô tổng hợp hệ thống: Động - biến tần điều chỉnh giữ từ thông không đổi thay đổi dòng stator theo tần số độ trợt 67 68 Hình 4.20 Đặc tính tốc độ, mô men, từ thông động với r*=530 69 70 Hình4.21Đặctínhquáđộcủatốcđộứngvới r*=250