đồ án môn hoc
Tổng hợp hệ điện cơ
Lời nói đầu
Trong những năm gần đây có sự ra đời và ngày càng
hoàn thiện của các bộ biến đổi điện tử công suất, với kích
thớc gon nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễ dàng ghép nối với
các thiết bị vi sử lý... các hệ thuyền động ngày nay thờng
sử dụng nguyên tắc sử dụng véc tơ cho các động cơ xoay
chiều. Phần lớn các điều khiển này thơng dùng kĩ thuật số
với chơng trình phần mền linh hoạt, dễ dàng thay đổi cấu
trúc tham số hoặc luật điều khiển. Vì vậy tăng độ chính
xác và tác động nhanh cho hệ truyền động.

2 . Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phơng pháp tần số:
Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến
đổi tần nguồn áp, cho phép mở rộng phạm vi sử dụng động
cơ KĐB trong nhiều ngành công nghiệp. Nó cho phép mở
rộng dải điều chỉnh và nâng cao tÝnh chÊt ®éng häc cđa
hƯ thèng ®iỊu chØnh tèc độ động cơ xoay chiều nói chung
và động cơ KĐB nói riêng. Trớc hết chúng ta ứng dụng cho các
thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc
nh các truyền động của nhóm máy dệt, băng tải, bánh lăn ...
phơng pháp này còn đợc ứng dụng cho cả các thiết bị đơn lẻ
nhất là những cơ cấu có yêu cầu tốc tốc độ cao nh máy ly
tâm , máy mài . Đặc biệt là hệ thống điều chỉnh tốc độ
động cơ bằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử dụng cho
động cơ KĐB rôto lồng sóc sẽ có kết cấu đơn giản vững
chắc giá thành hạ có thể làm việc trong nhiều môi trờng
Nhợc điểm cơ bản của hệ thống này là mạch điều khiển rất
phức tạp
Đối với hệ thống này động cơ không nhận điện từ lới chung

mà từ một bộ biến tần. Bộ biến tần này có khả năng biến
đổi tần số và điện áp ra một cách độc lập với nhau . Trong
phần này đề cập đến hai nội dung : Nguyên lý ®iÒu chØnh


tốc độ động cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số và các loại
biến tần dùng trong hệ truyền động biến tần - động cơ KĐB
a . Nguyên lý điều chỉnh tần số:
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách biến
đổi tần số fi của điện áp stato đợc rút ra từ biểu thức xác
định động cơ KĐB
s = 2..fs
Vậy sức điện động của dây quấn stato của động cơ tỷ lệ
với tần số ra và từ thông Es = C..fs
Mặt khác nếu bỏ qua độ sụt áp trên tổng trở dây quấn stato
tức coi
Vậy đồng thời với việc điều chỉnh tần số ta phải điều
chỉnh cả điện áp nguồn cung cấp. Từ công thức trên ta thấy
khi điều chỉnh tần số mà giữ nguyên điện áp nguồn Us
không đổi thì từ thông động cơ sẽ biến thiên
*Khi s giảm từ thông của động cơ lớn lên làm cho mạch từ
bÃo hoà và dòng điện từ hoá lớn lên. Do các chỉ tiêu năng lợng
xấu đi và đôi khi nhiều động cơ còn phát năng lợng quá mức
cho phép.
*Khi s tăng từ thông của động cơ giảm xuống và nếu
mômen phụ tải không đổi thì theo biểu thức M =
k..I.n.cos ta thấy dòng điện rôto Ir phải tăng lên.Vậy trong
trờng hợp này dây quấn động cơ chịu quá tải còn lõi thép
thì phải non tải. Ngoài ra cũng vì lý do trên mômen cho
phép và khả năng quá tải của động cơ giảm xuống.

Vì vậy để tận dụng khả năng động cơ một cách tốt nhất là
khi điều chỉnh tốc độ bằng phơng pháp biến đổi tần số
ngời ta còn phải điều chỉnh cả điện áp và dòng điện theo
hàm của tần số và phụ tải
Việc điều chỉnh này chỉ theo hàm của tần số có đặc máy
sản xuất có thể đợc thực hiện trong hệ kín . Khi đó nhờ các
mạch hồi tiếp điện áp ứng với một tần cho trớc nào đó sẽ biến
đổi theo phụ tải
Yêu cầu chính đối với đặc tính của truyền động điều
chỉnh tần số đảm bảo độ cứng đặc tính cơ và khả năng
quá tải trong toàn bộ dải điều chỉnh tần số và phụ tải ngoài
ra còn có thể có vài yêu cầu về điều chỉnh tối u trong chế
độ tĩnh
b. Các loại biến tần :
gồm hai loại: Biến tần trực tiếp
Biến tần gián tiếp
I.Biến tần trực tiÕp:


Điện áp vào BT có điện áp U 1 và tần số f1 chỉ qua một mạch
van là ra ngay tải với tần số f2,U2.
Đặc điểm:
Hiệu suất biến đổi năng lợng cao do chỉ có một lần biến
đổi điện năng .Thực hiện hÃm tái sinh năng lợng mà không
cần mạch điện phụ.
Hệ số công suất thấp,tần số đIều chỉnh bị giới hạn trên bởi
tần số nguồn cung cấp.Thờng dùng cho hệ truyền động công
suất lớn,tốc độ làm việc thấp.
II.Biến tần gián tiếp:
Biến tần nguồn áp:


Đặc điểm là điện áp ra trên tải đợc định hình sẵn còn
dạng dòng điện tải lại ít phụ thuộc vào tính chất tải .Việc
điều chỉnh tần số điện áp ra trên tải đợc thực hiện dễ dàng
bằng điều khiển qui luật mở van của phần nghịch lu .Phơng
pháp điều khiển này thay đổi dễ dàng tần số mà không
phụ thuộc vào lới
Biến tần nguồn dòng :

Sơ đồ đơn giản, làm việc tin cậy, ®· tõng ®ỵc sư dơng
réng r·i ®Ĩ ®iỊu khiĨn tèc độ động cơ xoay chiều 3 pha,
rôto lồng sóc .Sơ đồ gồm một cầu chỉnh lu và một cầu biến
tần, mỗi tiristor đợc nối tiếp thêm một một điôt gọi là điôt
chặn.
MTKb 512.8

380/220V 50Hz TĐ 25%

Pđm = 37 kW


= 3,6
=3,3
U®m=380 V;n®m = 720v/p
Istdm = 104 A ;
Rs=0,08
;Xs=0,17
;Rr=0,19
2
J = 1,32 kgm


;Xr=0,16

1. Tính toán các phần tử mạch nghịch lu

* Dòng chảy qua các van T 1
T6 và D1 D6 chính bằng dòng
chảy qua các pha của stato động cơ I = 91A.
* Điện áp ngợc mở van phải chịu = Ud = 370 V
* Chän hƯ sè dù tr÷ về dòng và áp k = 2
Dùng để chọn cả T và D
Chọn Diôt loại B - 200 có các thông số sau:
LoạI

Itb(A)

Uim(V)

U(V)

B200

200

100-1000

0.7

Tốc
quạt(m/s)

12

độ

Chọn Tiristor loại TL - 250 có các thông số sau:
Loại

I(A)

TL.25
0

250

Uim(V)
3001000

U(V) Toff(s)

Ig(V)

Ug(V)

0,82

0,4

8

70250


* Tụ chuyển mạch C1 - C6 đợc tính theo công thức

Trong đó:
- fn: tần số định møc = 50Hz

du/
dt(V/s)
20-200


-

fmax: tần số cực đại = 100Hz
Im: dòng từ hoá
In: dòng định mức = 91A
L: điện cảm một pha (rôto+stato) = 2x7,3.10-3H
Um: biên độ cực đại điện áp dây = 380V
=212 F

Chọn C = 200 F
* Quận kháng L
Trong đó Id=(0,05 - 0,1) Id

2. Tính toán các phần tử mạch chỉnh lu
* Theo tính toán phần trên ta có:
Id = 116,7 (A); Ud = 370 (V)
* Khi lấy điện áp cung cấp từ trớc ~380V
cần sử dụng MBA.


có thể không

Ta có:
=65,30
- Dòng trung bình chảy qua T1-T0
- Điện áp ngợc đặt lên mỗi van:
- Chọn KI=2; KU=1,6
IC=2x38,9=78,980 (A)
UC=1,6x930,81500 (V)
Chọn Tiristor Loại T-250 có các thông số sau:
Loại

I(A)

T.250

250

Uim(V)
1002200

U(V) Toff(s)
1

150250

Ig(V)

Ug(V)


0,3

5

3. Tính toán các tham số cần thiết cho tổng hợp.

du/
dt(V/s)
20-500


UN=220V PN=37kW n=720v/p
IN=91A
f=50Hz cos=0,78
1. Tính dòng kích từ danh định.
2.Tính dòng danh định tạo mômen quay IsqN.
3. Hằng số thời gian roto Tr ở chế độ danh định.

4. Tính điện kháng phức tiêu tán toàn phần X ở chế độ
danh định.

5.Tính điện kháng phức Xh.

6. Tính hệ số tiêu tán tổng và Ts.

7.Điện cảm tản stato động cơ

4 . Tính các thiết bị đo:
a, Máy phát tốc:



Máy phát tốc là thiết bị đo tốc độ trong hệ truyền
động . Mạch nguyên lý đo tốc độ bằng máy phát tốc một
chiều.

Khi từ thông máy phát tốc không đổi điện áp đầu ra
máy phát tốc
Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền máy phát tốc
K hệ số tû lƯ K = U/ U = 10V

f lµ h»ng sè thêi gian cđa bé läc vµ <5ms

Chän f = 0,001s = 1ms
Hàm truyền máy phát tốc:

b.Phản hồi dòng:


Sử dụng mạch phản hồi dòng một chiều có cấu tạo đợc trình
bày trên hình vẽ

Nguyên lý hoạt động:Dòng Id sau mạch chỉnh lu đợc cho
qua đIện trở Rsun sẽ tạo ra một đIện áp vi sai có độ lớn trong
khoảng từ 0-75mV.ĐIện áp vi sai này đợc đa vào đầu vào
của khuyếch đạI thuật toán để khuyếch đạI tạo ra đIện áp
ra tỉ lệ với dòng Id.
Chọn đIện áp vào vi sai bằng 75mV.
điện áp ra sau khuyếch đại thuật toán bằng 10V
=>hệ số khuyếch đại của OA bằng:
Chọn R1=1k


=> R2=133k

Chơng V: Tổng hợp hệ điều khiển
I. Luật điều chỉnh từ thông không đổi.


Từ các quan hệ tính mômen có thể kết luận rằng nếu
giữ từ thông máy hoặc từ thông stator
không đổi thì
mômen sẽ không phụ thuộc vào tần số và mômen tới hạn sẽ
không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh. Nếu coi R S = 0
thì:
Tuy nhiên ở vùng tần số làm việc thấp khi mà sụt áp trên
điện trở stator có thể so sánh đợc sụt áp trên điện cảm
mạch stator khi đồng thời từ thông cũng giảm đi và do đó
mômen tới hạn cũng giảm đi.
Có thể thiết lập đợc chiến lợc điều chỉnh để giữ biên
độ từ thông rotor không đổi:
. ở phần mô tả động
cơ không đồng bộ, hoặc dựa vào sơ đồ thay thế ta có thể
tính đợc từ thông rotor và phơng trình cân bằng mạch rotor
ở dạng các thành phần vector trên các trục toạ độ ox và oy:
và

Nếu giữ đợc biên độ vector từ thông
thì
và ta có phơng trình cân bằng mạc rotor:

=0


trong đó:
Tách các số hạng dòng điện sang một vế, sau đó bình
phơng 2 vế của từng phơng trình và cộng hai phơng trình
với nhau, đồng thời để ý rằng:
Ta cã thĨ rót ra biĨu thøc ci cïng:
VËy khi gi÷ biên độ từ thông rotor không đổi thì
vector từ thông rotor luôn vuông pha với vector dòng điện
rotor và do đó momen điện từ của động cơ hoàn toàn tỷ lệ
với biên độ dòng điện rotor.
Điều chỉnh từ thông là trờng hợp giữ từ thông luôn
không đổi và bằng giá trị từ thông định mức, nh vậy có thể
khai thác hết công suất mạch từ của động cơ KĐB.


* Trong thiết kế môn học này chọn phơng pháp điều khiển
tần số thông qua từ thông động cơ cụ thể là điều chỉnh từ
thông không đổi qua quan hệ dòng chính lu Id và tần số trợt
f2.
- Bản chất của phơng pháp này là thông qua việc duy trì
quan hệ giữa dòng điện stato I 1 và tần số trợt f2 sao cho từ
thông của máy điện đợc giữ không đổi.
Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tần số động cơ KĐB qua
quan hệ I1 (f2).


- Sơ đồ cấu trúc điều khiển gồm hai kênh ®iỊu khiĨn:
* Kªnh ®iỊu khiĨn biªn ®é bao gåm hai mạch vòng điều
chỉnh: mạch vòng điều chỉnh tốc độ và mạch vòng điều
chỉnh dòng điện. Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển tốc

độ R là tín hiệu đặt của mạch vòng điều chỉnh dòng
điện. Tín hiệu ra của bộ điều chỉnh dòng điện là tín hiệu
điều khiển biên độ a dòng Id.
* Kênh điều khiển tần số thực hiện quan hệ:
Trongđó fm:

tần số quay r

f 2:

tần số trợt
Tín hiệu tỉ lệ với dòng điện lấy ra từ đầu ra bộ điều
chỉnh tốc độ R đợc đa qua khâu đạo hàm phi tuyến
Ta có quan hệ:
trong đó
- Để đơn giản trong việc tổng hợp các bộ điều chỉnh dòng
điện Ri và tốc độ R ta giả thiết rằng:
Kênh điều chỉnh tần số do phần cứng đảm nhiệm sẽ
đợc đề cập đến ở chơng 5. Vì vậy ta sẽ tiến hành tổng hợp
bộ điều chỉnh dòng điện Ri và bộ điều chỉnh tốc độ R
theo kênh 1.
Căn cứ vào biểu thức tính toán mômen và dòng điện ta
có thể thành lập đợc sơ đồ cấu trúc của hệ thống:

II. Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng dòng điện.


- Để tiện cho việc tính toán, thiết kế đợc bộ điều chỉnh
dòng điện R1, ngời ta dùng sơ đồ đơn giản sau:
Ld

Rd
2L1t
2R1
2L2t
2R2/ S0
Ud

CL+ĐK
Uđk
Ri

Iđo
Irđ

Id


Ui® +

Uir
-

Ui®

Ri

Uu®
k

K CL

1  pTCL

1/ R 

Uud

Uid

1  pT

o

Trong ®ã Ld, Rd: điện cảm, điện trở cuộn kháng lọc
Kđo
L1t, R1: ®iƯn c¶m t¶n, ®iƯn trë 1 pha stato
L2t, R2: ®iƯn cảm tản, điện trở 1 pha roto quy đổi về
stato
s: hệ số trợt
* Ta có hàm truyền đạt bộ chính lu
Ud: điện áp đầu ra CL
Udk: điện ạp điều khiển chính lu
KCL, TCL: hệ số điều khiển và hằng số t
- Việc tổng hợp chính xác mạch vòng dòng điện rất phức tạp
vì thành phần điện trở của mạch vòng dòng điện phụ thuộc
vào S => Một cách gần đúng ta bỏ qua các thành phần điện
trở và điện kháng tán.
Ta đợc:

Ta có:


trong đó

=> Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển mạch vòng dòng điện.


III. Thành lập sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ.
* Mômen điện từ ở chế độ tĩnh có dạng
s: tốc độ truyền của động cơ
Tr: hằng số thời gian mạch roto
=> Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng
điện, tốc độ

Kdo
Uiđ
Uđ

R

Ri

K CL / R

1 pTCL 1  pT 

Id

2 3


X


IS

IS2

-U
S

FM
MC

X

3 L2m
2 Rr

+

1
Jp

K
1  pT

Trong đó:

- Khâu phi tuyến Id(f2) hay Id(ws) có thể đợc tuyến tính hoá
thành khâu khuếch đại đơn giản
- Tuyến tính hoá biểu thức tính mômen động cơ (tại điểm
định mức)

tại (M®m, ws®m, I1®m) ta cã


* Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng điện
và tốc độ sau khi đà tuyến tính hoá (bỏ qua hệ số thời gian
điện từ)

Kdo

Uđt
-

R

K
1 pT


Fi

+

S

-

RI

K CL / R I
1  pTCL 1  pT 


Id

+

A

1
Jp

2 3


IS

+

-

B

MC

IV. Tính toán các tham số trong sơ đồ tuyến tính hoá.
1. Hệ số máy biến dòng điện (đo dòng một chiều)

2. Máy phát tốc.
3. Khâu khuếch đại tuyến tính Fi



Isdm: dòng điện định mức Idđm = 117 A (khi Is
= đm = 91A)

4. Khâu chỉnh lu

trong đó

5. Tính các hệ số A, B.
- Chọn điểm tuyến tính hoá là ®iĨm ®Þnh møc, ta cã:

6. TÝnh T quy ®ỉi hƯ thống.
V. Tổng hợp mạch vòng dòng điện.
- Ta có sơ đồ tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện R r:
Uid

Uir
-

Ri

Uuđk

Ki
(1  pTCL )(1  pT )

Uud


Với
=> Hàm truyền của đối tợng điều chỉnh:

* áp dụng tiêu chuẩn môdun tối u với hàm truyền:
=> Hàm truyền đạt bộ điều chỉnh dòng điện R i là khâu tỉ
lệ tích phân (PI):

Vậy hàm truyền
=> Hàm truyền của mạch vòng dòng điện:
*kiểm nghiệm bộ điều chỉnh dòng Ri bằng Matlab-Simulink:

Đặc tính quá độ của dòng điện:


VI. Tổng hợp mạch vòng tốc độ.
ở trên, ta dùng tiêu chuẩn môdun tối u để tổng hợp mạch
vòng dòng điện:
- Khi tiến hành tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta coi gần đúng
hàm truyền hệ kín mạch vòng điều chỉnh tốc độ là khâu
quán tính bậc nhất.

trong đó
Ta có mạch vòng tốc độ sau khi đà tổng hợp mạch vòng
dòng điện.

Uđ
R

KF

2 3



Wi(p)

U

K
1 pT


A

1
Jp

+

+

+

-

B

MC

- Khi bỏ qua MC ta có sơ đồ tơng đơng sau:
Uđ
U

Wi(p).C.KF+A





* Hàm truyền của đối tợng cần điều khiển:

* áp dụng tiêu chuẩn môdun tối u đối xứng với hàm trun:

Ta thÊy

nhá => cã thĨ bá qua

=>
víi
Chän

lµ h»ng sè thêi gian bé.

Ta thấy hàm truyền R(p) có dạng một khâu trƠ nèi tiÕp víi
mét kh©u PI.
Ta cã:


Ta thÊy thêi gian trƠ nhá cã thĨ bá qua.

§Ĩ giảm độ quá điều chỉnh
=> Dùng thêm một khâu lọc có hàm truyền

*Kiểm nghiệm bộ điều chỉnh tốc độ R bằng MatlabSimulink


Đồ thị quá độ của tốc độ trớc và sau khi cã bé läc