Bài giảng Truyền động điện DC và AC

II.2: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ chỉnh lưu ƒ Giới thiệu ƒ Bộ chỉnh lưu 1 pha ƒ Bộ chỉnh lưu 3 pha II.3: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ biến đổi xung áp (Chopper) ƒ Bộ chopper giảm áp ƒ Bộ chopper tăng áp ƒ Hãm tài sinh dùng bộ chopper tăng áp ƒ Mạch cầu H điều khiển động cơ DC làm việc ở 4 góc phần tư Chương III: Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ một chiều III.1: Mô hình động của động cơ DC III.2: Bộ điều khiển PID III.1: Điều khiển vòng kín động cơ DC ƒ Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ DC ƒ Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ DC ƒ Điều khiển moment động cơ DC ƒ Điều khiển vị trí động cơ DC ƒ Bộ điều khiển động cơ DC (DC Drive) Chương IV: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha IV.1: Động cơ không đồng bộ ba pha (ĐCKĐB) ƒ Đặc tính cơ tĩnh ĐCKĐB ba pha ƒ Khởi động mềm ĐCKĐB ba pha IV.1: Điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha ƒ Điều khiển khởi động bằng cách thay đổi điện trở rotor ƒ Điều khiển điện áp phần ứng ƒ Điều khiển tần số bằng phương pháp V/f Chương V: Điều khiển vector động cơ không đồng bộ ba pha V.1: Bộ nghịch lưu ba pha và Vector không gian ƒ Bộ nghịch lưu ba pha. ƒ Vector không gian và hệ toạn độ satator (αβ). V.2: Hệ qui chiếu quay ƒ Hệ toạ độ từ thông rotor (dq). ƒ Chuyển đổi hệ toạ độ αβ ↔ dq. V.3: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong hệt toạ độ từ thông rotor ƒ Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu. ƒ Mô hình động cơ trong HTĐ từ thông rotor (Ψr). V.4: Điều khiển định hướng từ thông (FOC) động cơ không đồng bộ ba pha ƒ Điều khiển PID ƒ Điều khiển FOC động cơ không đồng bộ ba pha. V.5: Bộ biến tần Chương VI: Điều khiển động cơ đồng bộ ba pha Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 2 Chương I: Động học hệ thống động cơ - tải cơ I.1: Đặc tính cơ của tải I.1.1: Đơn vị của các đại lượng cơ học: I.1.2: Phương trình moment cơ bản dt dJMM cco ω=− Mcơ > Mc tải cơ tăng tốc. Mcơ < Mc tải cơ giảm tốc. Mcơ = Mc tải cơ chạy với tốc độ ổn định – xác lập – trạng thái tĩnh. I.1.3: Các thành phần của moment cản Mc: 2 mstmsktc .CMM.BMM ω+++ω+= Mt Moment tải B.ω Moment ma sát nhớt Mmsk Moment ma sát khô Mmst Moment ma sát tĩnh C.ω2 Moment cản của quạt gió làm mát Thông thường, các đại lượng khác khá nhỏ, nên khi bỏ qua: ω+= .BMM tc I.1.4: Một số dạng đặc tính tải thường gặp: Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 3 Tải moment hằng số Tải moment thay đổi theo tốc độ (Thang máy, cần cẩu, băng chuyền,) (Bơm, quạt,) I.1.5: Moment quán tính: ∑∑ == ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ω+= k 1j 2 j j n 1i 2 i im 2 v m 2 JJJ Jm moment quán tính của trục động cơ. Ji , ωi moment quán tính, tốc độ của phần tử quay thứ i. mj , vj khối lượng, tốc độ của phần tử chuyển động tịnh tiến thứ j. I.1.6: Các chế độ làm việc: ω Mt ωđm Mđm ω Mt ωđm m Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 4 a) Hãm tái sinh: _ Pđiện < 0: trả năng lượng về nguồn. _ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải. b) Hãm ngược: _ Pđiện > 0: tiêu thụ công suất từ nguồn. _ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải. Công suất điện + cơ chuyển thành nhiệt. c) Hãm động năng: _ Pđiện = 0: cách ly với nguồn. _ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải. Công suất cơ chuyển thành nhiệt. I.1.7: Điều kiện ổn định tĩnh: ω>ω d dM d dM coc I.1.8: Thông số của hệ thống điện cơ: _ Độ cứng đặc tính cơ: ω=β d dM _ Công suất định mức. . I.2: Đặc tính cơ của động cơ I.2.1: Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập, NCVC: I, Mcơ 0 ωolt ωo ωđm Iđm, Mđm I0 Ikđ, Mkđ ω Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 5 Kích từ độc lập: ( ) co2u Mk R k U Φ−Φ=ω uco IkM Φ= ωΦ= kE I.2.2: Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp: Kích từ nối tiếp: kt ntu cokt k.k RR Mk.k U +−=ω 2uktco Ik.kM = I.2.3: Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ hỗn hợp: U Rư Iu E Int Rnt I, Mcơ ω 0 ωolt ωo ωđm Iđm I0 U Rư Iu E Ikt Rkt Ukt ω Φkt U Rư Iu E Int Rnt Ikt Rkt Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 6 Ví dụ 1: Một động cơ DC kích từ độc lập, 230V, điện trở phần ứng 0,2Ω, tốc độ không tải lý tưởng là 1000 vòng/phút. Ở chế độ định mức dòng điện phần ứng là 40A. Biết từ thông kích từ không đổi và bằng định mức. Tính tốc độ và momen điện từ (moment cơ) định mức của động cơ? Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ? Ví dụ 2: Một động cơ DC kích từ độc lập có các thông số định mức 500V, 100A, 1000 vòng/phút. Điện trở phần ứng 1Ω. Từ thông kích từ không đổi và bằng định mức. Tính momen và công suất định mức của động cơ? Tính hiệu suất của động cơ ở định mức nếu công suất tổn hao của cuộn kích từ là 5kW. Động cơ mang tải và có dòng điện phần ứng là 40A. Tính tốc độ, momen và hiệu suất của động cơ khi đó? Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ? Vẽ đặc tuyến momen - tốc độ và chỉ ra các điểm đã tính trên. KPhi = 3.8197 E = 400 Pout = 40000 w = 104.7198 M = 381.9719 HS = 0.7273 Ec = 460 nc = 1150 Poutc = 18400 wc = 120.4277 Mc = 152.7887 HSc = 0.7360 Ikd = 500 Mkd = 1.9099e+003 Ví dụ 3: Một động cơ DC kích từ nối tiếp, có điện trở phần ứng là 0, 2Ω và điện trở cuộn kích từ là 0,1Ω. Thông số định mức của động cơ là 450V, 40A, 1000 vòng/phút. Khi động cơ vận hành ở định mức : Tính tốc độ và momen của động cơ? Tính công suất và hiệu suất của động cơ? Tính dòng điện khởi động và moment khởi động của động cơ? KPhi = 4.1826 E = 438 Pout = 17520 w = 104.7198 M = 167.3037 Pout = 17520 Pin = 18000 HS = 0.9733 Ikd = 1.5000e+003 Mkd = 2.3527e+005 Ví dụ 4: Một động cơ DC kích từ nối tiếp vận hành ở chế độ định mức 161,2 Nm, 1000 vòng/phút, 41A, 420V. Tổng điện trở phần ứng và cuộn kích từ là 0,2Ω. Tính tốc độ và dòng điện của động cơ khi momen điện 87 Nm? Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 7 I.2.4: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha: Mạch tương đương của động cơ không đồng bộ ba pha. Giả sử Rm > Xm): ( )mss m st XXjR X.jUU ++= && và ( )( )mss mss ttt XXjR X.jX.jR X.jRZ ++ +=+= Mạch tương đương ĐCKĐB ba pha khi bỏ qua nhánh từ hoá: ( )2'rs2'rs ' r2 s s co XX s RR s RU3 1M ++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ω= Rs sI& jXs sU& ' rI& ' rR jX’r Mạch tương đương động cơ KĐB ' rRs s1− RFe jXm mI& FeI& Rs sI& jXs Rm mI& sU& jXm ' rI& ' rR jX’r Mạch tương đương của động cơ KĐB ' rRs s1− Rt jXt tU& tI& s R 'r jX’r Sử dụng biến đổi Thevenin cho mạch stator Rs jXs sU& ' rI& s R 'r jX’r Mạch tương đương đơn giản của động cơ KĐB Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 8 Độ trượt tới hạn: sp ứng với Tmax 0 ds dT = , hay 0 dn dT = ( )2'rs2s ' r p XXR Rs ++ = ( )2'rs2ss 2 s s max XXRR U2 31T +++ = ω ( ) ( )2'rs2'rs ' r 2 s s st XXRR RU31T +++= ω s s s s 2 T T p p max + = 0 ω ωđm Mkđ Mmax Mcơ ωs ωp Mđm TL A T Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 9 Chương II: Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ một chiều II.1: Động cơ một chiều (động cơ DC) II.1.1: Đặc tính cơ tĩnh động cơ DC a) Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập, NCVC: Kích từ độc lập: Φ −=Φ=ω k IRU k E uu ⇒ n~~E ω ( ) co2u Mk R k U Φ−Φ=ω uco IkM Φ= Φđm Ikt Φ 0 I, Mcơ ω 0 ωolt ωo ωđm Iđm I0 U Rư Iu E Ikt Rkt Ukt ω Φkt Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 10 b) Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp: Kích từ nối tiếp: kt ntu cokt k.k RR Mk.k U +−=ω 2uktco Ik.kM = II.1.2: Điều khiển tốc độ động cơ DC kích từ độc lập a) Điều khiển điện áp phần ứng: ( ) co2u Mk R k U Φ−Φ=ω U giảm ⇒ ω giảm b) Điều khiển từ thông kích từ: ( ) co2u Mk R k U Φ−Φ=ω Φ giảm ⇒ ω tăng U Rư Iu E Ikt Rkt Ukt ω Φkt Mcơ ω 0 ωolt ωđm Mđm U giảm I, Mcơ 0 ωolt ωo ωđm Iđm, Mđm I0 Ikđ, Mkđ ω U Rư Iu E Int Rnt Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 11 ™ Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông Điều khiển thay đổi tốc độ ω thông qua: _ điều khiển điện áp phần ứng U khi: ω < ωđm. _ điều khiển từ thông kích từ Φ khi: ω > ωđm. ω Mcơ 0 Mđm ωđm Pđm Iưđm Mđm ωmax Điều khiển U Điều khiển Φ U Rư Iu E Ikt Rkt Ukt ω Φkt VR Mcơ ω 0 ωolt ωđm Mđm Φ giảm Pmax ωmax Mmax Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 12 c) Điều khiển điện trở phần ứng: ( ) co2u Mk R k U Φ−Φ=ω Rư tăng ⇒ ω giảm d) Khởi động đông cơ DC kích từ độc lập: Dòng điện khởi động không lớn hơn khả năng chịu dòng của chổi than (thường là 3Iđm). Moment khởi động không lớn hơn khả năng chịu đựng của tải (thường là 3Mđm). II.1.3:Các trạng thái hãm của động cơ DC kích từ độc lập: a) Hãm tái sinh: _ Pđiện < 0: trả năng lượng về nguồn. _ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải. Iư, Mcơ ω 0 ωolt ωđm Iưđm, Mđm VR tăng U Rư Iu E Ikt Rkt Ukt ω Φkt VR Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 13 b) Hãm ngược: _ Pđiện > 0: tiêu thụ công suất từ nguồn. _ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải. U Rư Iu E Ikt Rkt Ukt ω Φkt Mcơ Mđm ω 0 ωolt ωđm Φ giảm U giảm I II Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 14 Công suất điện + cơ chuyển thành nhiệt. c) Hãm động năng: _ Pđiện = 0: cách ly với nguồn. _ Pcơ < 0: nhận năng luợng từ tải. Công suất cơ chuyển thành nhiệt. Rư Iu E Ikt Rkt Ukt ω Φkt Rph U Rư Iu E Ikt Rkt Ukt ω Φkt Rph Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 15 d) Hệ động cơ - máy phát (Ward-Leonard): II.2: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ chỉnh lưu II.2.1: Giới thiệu Phần này trình bày bộ chỉnh lưu 1 pha và 3 pha, biến điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp một chiều (DC) để cấp cho động cơ. Đồng thời bộ chỉnh lưu có điều khiển sẽ điều khiển được độ lớn điện áp DC để điều khiển thay đổi các đại lượng làm việc của động cơ như tốc độ, moment, Mcơ U giảm Mđm ω 0 ωolt ωđm Φ giảm I II IIII Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 16 Bộ chỉnh lưu biến điện áp xoay chiều (AC) thành điện áp một chiều (DC) dạng gợn sóng. Bộ chỉnh lưu thường làm méo dạng điện áp nguồn. Khi phân tích sòng hài sẽ tồn tại sóng hài cơ bản (hài bậc 1, 50Hz) và sóng hài hoạ tần bậc cao. Độ méo dạng được định nghĩa: 1 2 1 2 I II THD −= II.2.2: Bộ chỉnh lưu 1 pha a) Bộ chỉnh lưu tia 1 pha: π= RMS_phase tb_dc U2 U Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 17 b) Bộ chỉnh lưu tia 1 pha có điều khiển: ( )α+π= cos12 U2 U RMS_phasetb_dc c) Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha: π= RMS_phase tb_dc U22 U Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 18 d) Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển bán phần: ( )α+π= cos1 U2 U RMS_phasetb_dc d) Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần: απ= cos U22 U RMS_phasetb_dc Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 19 II.2.3: Bộ chỉnh lưu 3 pha a) Bộ chỉnh lưu tia 3 pha: b) Bộ chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển: απ= cos2 U233 U RMS_phasetb_dc c) Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha: π RMSphase tbdc U U __ 233= d) Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển bán phần: ( )α+π= cos12 U233 U RMS_phasetb_dc Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 20 d) Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần: απ= cos U233 U RMS_phasetb_dc Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 21 Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 22 Dạng dòng điện ngõ vào: e) Bộ chỉnh lưu kép 1 pha: Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 23 f) Bộ chỉnh lưu kép 3 pha: Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 24 II.3: Điều khiển động cơ DC dùng Bộ biến đổi xung áp (Chopper) Bộ biến đổi DC/DC: Các bộ biến đổi DC-DC có thể chia làm ba loại: + Bộ tăng áp Uo > Ui (Boost converter). + Bộ hạ áp Uo < Ui (Buck converter). + Bộ tăng - giảm áp (Buck- Boost converter). II.3.1: Bộ chopper giảm áp (lớp A) T T U U ON DC tb_d = Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 25 E - + MOTOR 24VDC D1 FC307 R1 10K MOSFET IRF540 R2 0.1/2W D2 FC307 24V KICH MOSFET 220 10W GND_100V J1 AC24V 1 2 GND_100V L1 Q1 IRF460/TO D6 - + D1 50A 10W 3 2 1 4 GND_12V +C1 400V 4700uF + C10 D4 30A CB 1 3 2 4 Fast DIODEA - + D C M O T O R 1 2 C9 103 2KV GND_100V Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 26 II.3.2: Bộ chopper tăng áp (lớp B) T T1 1 U U ONDC tb_d − = II.3.3: Hãm tài sinh dùng bộ chopper tăng áp II.3.4: Bộ chopper kiểu đảo dòng (lớp C) T T U U ON DC tb_d = TON T DCM L N C Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 27 II.3.5: Bộ chopper kiểu đảo áp (lớp D) Cách 1 (S1 và S2 được kích đồng thời, giống lớp C): T T U U ON DC tb_d = Cách 2 (kiểu đảo áp 1): 1T T2 U U ON DC tb_d −= II.3.6: Mạch chopper kiểu tổng quát (lớp E) Dạng mạch cầu H, điều khiển động cơ DC làm việc ở 4 góc phần tư. Điều khiển cách 1 (kiểu đảo dòng): T T U U ON DC tb_d = Điều khiển cách 2 (kiểu đảo áp 1&2): 1T T2 U U ON DC tb_d −= Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 28 Bài tập: Cho động cơ DC như trên, có điện trở phần ứng 3Ω. Kích từ độc lập không đổi. a) Điện áp phần ứng được cấp từ bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần, nguồn 380Vrms, 50Hz. Tính góc kích để động cơ vận hành ở 1/2 điện áp định mức? b) Với điện áp như câu a, khi động cơ mang tải và có dòng điện phần ứng là 17A: Tính tốc độ (vòng/phút)? c) Tính điện áp để động cơ đạt 500 vòng/phút ở 17A. Tính góc kích khi đó? d) Tính tốc độ lớn nhất mà động cơ có thể đạt được khi có tải 17A với bộ chỉnh lưu trên. e) Tính điện áp để dòng điện khởi động bằng dòng 2 lần định mức. Tính góc kích tương ứng? f) Tính điện áp để MOMENT khởi động bằng dòng 3 lần định mức. Tính góc kích tương ứng? g) Tính thời hằng điện, biết Lư = 30mH? h) Tính thời hằng cơ, biết J = 0,1 kgm2, B = 0,01? Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 29 i) Tính lại câu a, b với điện áp định mức. j) Tính lại câu c, d với dòng điện 10A. k) Tính lại các câu trên nếu dùng bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển toàn phần? l) Tính lại các câu trên nếu dùng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần? m) Tính lại toàn bộ với động cơ sau: Udm = 160 %V Kphi = .432692 % Wb Ru = 1.35216 % Ohm Lu= 0.003272 % H J = 0.15 % kg.m^2 B = 0.01 a) V250cos 220.63cos U233 U RMS_phasetb_dc =απ=απ= Ua = 250 alfa = 1.0635 alfa_do = 60.9342 b) Ib = 17 E = 449 Eb = 199 nb = 522.9844 Wb = 54.7668 c) nc = 500 Wc = 52.3599 Ic = 17 Ec = 190.2542 Uc = 241.2542 alfa_c = 1.0828 alfa_c_do = 62.0423 d) Umax = 514.5999 Ed = 463.5999 nd = 1218.4 Wd = 127.5873 ™ Các bộ điều khiển điện áp chỉnh lưu hay chopper cho phép điều khiển vòng hở động cơ một chiều. Chương sau sẽ tình bày phương pháp điều khiển vòng kín tốc độ động cơ một chiều. Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 30 ™ Chương III: Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ một chiều III.1: Mô hình động của động cơ DC Mạch tương đương của động cơ DC kích từ độc lập: Phương trình mạch vòng điện áp cho phần ứng của động cơ. U = E + Ruiu + Lu u di dt Trong đó : E = k.φ.ω φkt ≈ kkt.ikt Phương trình cân bằng moment trên trục động cơ : Mcơ = Mc + J d dt ω + Bω Trong đó : Mcơ = k.φ.iu J - Moment quán tính của hệ thống quy đổi về trục động cơ. B - Hệ số ma sát Mc - Moment cản quy đổi về trục động cơ. Áp dụng biến đổi laplace, từ các phương trình trên, có mô hình động cơ DC: ( ) ( ) ( ) ( )ssILsIRsEsV uuuu ++= ( ) ( )sKsE φω= ( ) ( ) ( ) ( )s.s.Js.BsMsM cco ω+ω+= ( ) ( )sIksM uco φ= ⇒ ( ) ( ) ( ) uu u RsL sEsVsI + −= ⇒ ( ) ( ) ( ) BJs sMsMs cco + −=ω Sơ đồ khối mô hình động cơ DC kích từ độc lập: Ikt U Rư Iư E = kE.Φkt.ω ≈ k.Ikt.ω Rkt Ukt Φkt ω Lư uu RsL 1 + φ.K φ.K BJs 1 + ( )sω Mco (s) ( )sMc ( )V s I (s) E (s) Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 31 Mô hình động cơ DC trong Matlab/Simulink: III.2: Bộ điều khiển PID Phương trình vi phân mô tả hiệu chỉnh PID: u(t) = KP e(t) + KI ∫ dt)t(e + KD dt )t(de KP: hệ số khâu tỉ lệ. KI: hệ số khâu tích phân. KD:hệ số khâu vi phân. Biến đổi Laplace: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ++== s.T s.T 11K )s(e )s(u)s(G D I p trong đó: P D D I P I K KT, K KT == Vấn đề thiết kế là cần hiệu chỉnh các giá trị K p , K i và K D sao cho hệ thỏa đạt được chất lượng tối ưu. Tóm tắt Vai trò của mỗi khâu hiệu chỉnh (adjustment) trong bộ điều khiển PID: Khâu khuếch đại tỉ lệ Kp (Proportional gain): Khi Kp tăng Sai số xác lập giảm Vọt lố tăng Thời gian lên nhanh Khâu tích phân tỉ lệ Ki (Integral gain): Khi Ki tăng Sai lệch tĩnh giảm (triệt tiêu - vô sai với hàm nấc) Thời gian đáp ứng chậm Khâu vi phân tỉ lệ Kd (Derivative gain): Khi Kd tăng e(t) u(t) PID Đối tượng điều khiển c(t) r(t) Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 32 Vọt lố giảm Thời gian đáp ứng nhanh Bớt nhấp nhô (dao động) Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID Đáp ứng bước Vọt lố Dao động Đáp ứng bước hàm bước 1(t) III.1: Điều khiển vòng kín động cơ DC III.1.1: Điều khiển vòng hở tốc độ động cơ DC Sơ đồ khối mô hình động cơ DC kích từ độc lập: Ví dụ: % Thong so dong co DC Udm = 160 %V Kphi = .432692 % Wb Ru = 1.35216 % Ohm Lu=.003272 % H uu RsL 1 + φ.K φ.K BJs 1 + ( )sω Mco (s) ( )sMc ( )V s I (s) E (s) Ikt U Rư Iư E = kE.Φkt.ω ≈ k.Ikt.ω Rkt Ukt Φkt ω Lư Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 33 J = 0.15 % kg.m^2 %B = 0.01 B = 0 Đáp ứng vòng hở của động cơ DC III.1.2: Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ DC Điều khiển vòng kín tốc độ động cơ DC dùng PID: • Nếu n > ndat thì e < 0. PID sẽ điều khiển GIẢM u để n giảm bớt. • Nếu n 0. PID sẽ điều khiển TĂNG u để n tăng thêm. • Nếu n ≈ ndat thì e ≈ 0. PID sẽ GIỮ NGUYÊN u để n ỔN ĐỊNH. ndat Động cơ + u _ n n PIDtốc độ e Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 34 Một hệ thống có hàm truyền bậc hai ( ) 22 2 2 nn n ss KsH ωξω ω ++= , thì K là độ lợi, ξ là độ giảm chấn, nω là tần số dao động riêng. Khi ξ <1, thì hệ thống có _ thời gian đáp ứng 2 n p 1 2T ξω π −= , và _ độ vọt lố ∞ ∞ξ− ξπ− −==Δ k kke max1 2 . Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 35 Đáp ứng vòng kín tốc độ của động cơ DC Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 36 Đáp ứng vòng hở Đáp ứng vòng kín III.1.3: Điều khiển moment động cơ DC ωdat Động cơ + PIDdòng điện u _ ω ω PIDtốc độ + _ i Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 37 III.1.4: Điều khiển vị trí động cơ DC ωdat Động cơ + PIDdòng điện u _ ω ω PIDtốc độ + _ i Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 38 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -20 0 20 40 60 80 100 120 Time (s) vi tr i(v on g) vi tri dat vi tri dong co Đáp ứng vị trí theo mô hình mô phỏng trên 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Time (s) to c do (v on g/ ph ut ) toc do dong co toc do dat Đáp ứng tốc độ theo mô hình mô phỏng trên III.1.5: Bộ điều khiển động cơ DC (DC Drive) Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 39 Khởi động mềm Dừng mềm Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 40 Chương IV: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha IV.1: Động cơ không đồng bộ ba pha (ĐCKĐB) IV.1.1: Đặc tính cơ tĩnh ĐCKĐB ba pha Rs sI& jXs Rm mI& sU& jXm ' rI& ' rR jX’r Mạch tương đương của động cơ KĐB ' rRs s1− Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 41 ( )2'rs2'rs ' r2 s s co XX s RR s RU3 1M ++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ω= Độ trượt tới hạn: sp ứng với Tmax 0 ds dT = , hay 0 dn dT = ( )2'rs2s ' r p XXR Rs ++ = ( )2'rs2ss 2 s s max XXRR U2 31M +++ω = ( ) ( )2'rs2'rs ' r 2 s s st XXRR RU31M +++ω= s s s s 2 M M p p max + = Rt jXt tU& tI& s R 'r jX’r Sử dụng biến đổi Thevenin cho mạch stator Rs jXs sU& ' rI& s R 'r jX’r Mạch tương đương đơn giản của động cơ KĐB 0 ω ωđm Mkđ Mmax Mcơ ωs ωp Mđm TL A T Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 42 Ở tần số cao, bỏ qua Rs khi tính moment cực đại và từ thông làm việc ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ π=Ψ f U k2 1 dq ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +π= f R LL2 1s ' r ' rs p ( ) 2 s ' rs max f U LL2 2 3 M ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +π= Ở tần số thấp, phải xét đến Rs: Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 43 IV.1.2: Khởi động mềm ĐCKĐB ba pha Không dùng khởi động mềm, moment khởi động tăng đột ngột, dòng khởi động lớn. ™ Khởi động đông cơ rotor dây quấn bằng điện trở mở máy: Nối tiếp thêm điện trở rotor sao cho sp = 1, moment khởi động bằng moment cực đại trong khi dòng điện khởi động giảm. ( ) 1XXR RRs 2' rs 2 s ' kd ' r p =++ += ( )2'rs2ss 2 s s maxkd XXRR U2 31MM +++ω == Rs sI& jXs Rm mI& sU& jXm ' rR jX’r Khởi động: n = 0: s = 1: Is = Ist ' rI& 0 ω ωđm Mkđ Mmax Mcơ ωs ωp Mđm TL A T Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 44 ™ Khởi động động cơ bằng cách giảm điện áp stator: Giảm điện áp để khởi động mềm, moment khởi động tăng từ từ, dòng khởi động nhỏ. 0 n T ns np A1 A2 A3 Us giảm Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 45 Khởi động dùng biến áp tự ngẫu để giảm điện áp khởi động: Khởi động dùng cuộn cảm để giảm điện áp khởi động: Khởi động Y→Δ giảm dòng và mometn khởi động 3 lần: Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 46 Khởi động dùng Bộ khởi động mềm (Thyristor) để giảm điện áp khởi động: Tăng tốc Giảm tốc Hạn dòng Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 47 IV.1: Điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha IV.2.1: Điều khiển khởi động bằng cách thay đổi điện trở rotor Nối tiếp thêm điện trở rotor để thay đổi đặc tuyến tải và thay đổi điểm làm việc của động cơ ⇒ thay đổi tốc độ (bằng cách thay đổi độ trượt). ( )2'rs2s ' nt ' r p XXR RRs ++ += ( )2'rs2ss 2 s s max XXRR U2 31M +++ω = U, I UN Ust Ustop=0,85Ust 0,9UN IB I U tR tB t tAus Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 48 IV.2.2: Điều khiển điện áp phần ứng Điều khiển giảm điện áp stator để thay đổi đặc tuyến tải và thay đổi điểm làm việc của động cơ ⇒ thay đổi tốc độ (bằng cách thay đổi độ trượt). IV.2.3: Điều khiển tần số bằng phương pháp V/f Điều khiển thay đổi tốc độ thông qua thay đổi tần số nguồn điện cấp cho động cơ: ( )s1 P f60n −= . Tuy nhiên phải đảm bảo dm dq f U k2 1 Ψ≤⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ π=Ψ để mạch từ không bảo hòa. 0 n M ns A1 A2 ' rR tăng Mmax 0 n M ns np A1 A2 A3 Us giảm Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 49 Khi tần số lớn hơn định mức, điện áp không tăng hơn địn mức được nên từ thông động cơ suy giảm: Tải moment hằng số Tải moment thay đổi theo tốc độ (Thang máy, cần cẩu, băng chuyền) (Bơm, quạt,) f V, T Te Rs*Ilim TL fđm V/f=const Vđm Tđm V/f=const f V, T Te Rs*Ilim TL fđm Tđm Vđm Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 50 Chương V: Điều khiển vector động cơ không đồng bộ ba pha V.1: Bộ nghịch lưu ba pha và Vector không gian V.1.1: Bộ nghịch lưu ba pha. Biến tần ngõ vào 1 pha, nếu tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là: π RMSphase tbdc U U __ 22= Biến tần ngõ vào 3 pha, nếu tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là: π RMSphase tbdc U U __ 233= Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 51 Nếu tụ lọc đủ lớn (hay khi không tải), điện áp DC sẽ được lọc phẳng. Trị điện áp DC trung bình là trị đỉnh: _ Biến tần ngõ vào 1 pha : RMS_phaseU2 _ Biến tần ngõ vào 3 pha : RMS_phaseRMS_line U32U2 = . Hình 1.1: Sơ đồ bộ nghịch lưu ba pha cân bằng gồm 6 khoá S1→S6. Phương pháp tính mạch điện: Ví dụ 1.1: Tính điện áp các pha ở trạng thái S1, S3, S6 ON và S2, S4, S5 OFF? A B C Udc n N UAN UBN UCN A B C Udc S4 S3 S6 S5 S2 S1 S7 R n n motor N Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 52 Hình 1.2: Trạng thái các khoá S1, S3, S6 ON, và S2, S4, S5 OFF (trạng thái 110). II.2. Vector không gian điện áp Đơn vị (Udc) Va Vb Vc usa usb usc uab ubc uca U Deg us k S1 S3 S5 UAN UBN UCN UAB UBC UCA usα usβ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 U0 U000 1 1 0 0 2/3 -1/3 -1/3 1 0 -1 U1 0o 2 1 1 0 1/3 1/3 -2/3 0 1 -1 U2 60 o 3 0 1 0 -1/3 2/3 -1/3 -1 1 0 U3 120 o 4 0 1 1 -2/3 1/3 1/3 -1 0 1 U4 180 o 5 0 0 1 -1/3 -1/3 2/3 0 -1 1 U5 240 o 6 1 0 1 1/3 -2/3 1/3 1 -1 0 U6 300 o 7 1 1 1 0 0 0 0 0 0 U7 U111 Bảng 1.1: Các điện áp thành phần tương ứng với 8 trạng thái của bộ nghịch lưu. Ví dụ 1.2: Tính các điện áp thành phần usα và usβ tương ứng với 8 trạng thái trong bảng 1.1? ™ Điều chế vector không gian điện áp sử dụng bộ nghịch lưu ba pha Ví dụ 1.3: Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 110: Khi đó các điện áp pha usa=1/3Udc, usb= 1/3Udc, usc=-2/3Udc. Phương pháp hình học: có hình vẽ Hình 1.3: Vector không gian điện áp stator su r ứng với trạng thái (110). Ở trạng thái (110), vector không gian điện áp stator pha 1_phaseu r có độ lớn bằng 2/3Udc và có góc pha là 60o. Ví dụ 1.4: Tìm (độ lớn và góc của) vector không gian điện áp stator )t(us r ứng với trạng thái (101)? (Giải theo phương pháp đại số như trên hay theo phương pháp hình học) A su rB C scu r Udc sau r sbu r scsbsa uuu rrr ++ U2(110) Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 53 ¾ Xét tương tự cho các trang thái còn lại, rút ra được công thức tổng quát 3 )1k(j dck eU3 2U π−= với k = 1, 2, 3, 4, 5, 6. Hình 1.4: 8 vector không gian điện áp stator tương ứng với 8 trạng thái. 3 )1k(j dck eU3 2U π−= k = 1, 2, 3, 4, 5, 6. U0 và U7 là vector 0. Các trường hợp xét ở trên là vector không gian điện áp pha stator. Hình 1.5: Các vector không gian điện áp pha stator. 3 )1k(j dck_phase eU3 2U π−= k = 1, 2, 3, 4, 5, 6 Bằng cách điều khiển chuyển đổi trạng thái đóng cắt các khóa của bộ nghịch lưu dễ dàng điều khiển vector không gian điện áp “quay” thuận nghịch, nhanh chậm. Khi đó dạng điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu có dạng 6 bước (six step). U1 (100) U2 (110) U3 (010) U6 (101) U5 (001) U4 (011) CCW CW U0 (000) U7 (111) Up1 Up2 Up3 Up6 Up5 Up4 Up0 Up7 Trục usa a b c Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 54 Hình 1.6: Các điện áp thành phần tương ứng với 6 trạng thái. ™ Điều chế biên độ và góc vector không gian điện áp dùng bộ nghịch lưu ba pha Hình 1.7: Điều chế biên độ và góc vector không gian điện áp. Để không quá điều chế, biên độ điện áp phải nằm trong vòng tròn nội tuyến của lục giác: 3 dc s Uu ≤ U1 (100) us T1 T2 U2 (110) U3 (010) U6 (101) U5 (001) U4 (011) CCW CW U0 (000) U7 (111) α su r Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 55 V.1.2: Vector không gian và hệ toạn độ satator (αβ). a) Vector không gian: Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha có ba (hay bội số của ba) cuộn dây stator bố trí trong không gian như hình vẽ sau: Hình 1.8: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCKĐB ba pha. (Ba trục của ba cuộn dây lệch nhau một góc 1200 trong không gian) rotor stator Pha A Pha B Pha C usc usa usb Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 56 Ba điện áp cấp cho ba đầu dây của động cơ từ lưới ba pha hay từ bộ nghịch lưu, biến tần; ba điện áp này thỏa mãn phương trình: usa(t) + usb(t) + usc(t) = 0 Trong đó: Với ωs = 2πfs; fs là tần số của mạch stator; |us| là biên độ của điện áp pha, có thể thay đổi. (điện áp pha là các số thực) Vector không gian của điện áp stator được định nghĩa như sau: [ ]00 240120 )()()(32)( jscjsbsas etuetututu ++=r (1.4) A B C N A B C N usa(t) = |us| cos(ωst) usb(t) = |us| cos(ωst – 1200) usc(t) = |us| cos(ωst + 1200) Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 57 b) Hệ toạn độ satator (αβ). Hình 1.9: Vector không gian điện áp stator su r và các điện áp pha. suy ra V.2: Hệ qui chiếu quay V.2.1: Hệ toạ độ từ thông rotor (dq). Với dt d r r φ=ω (tốc độ quay của từ thông rotor so với stator đứng yên), với φr là góc hợp bởi trục từ thông rotor (trục d) với trục chuẩn stator (trục α) (là trục cuộn dây pha A). 0 jβ α su r usa = usα usβ usc usb Cuộn dây pha A Cuộn dây pha B Cuộn dây pha C usa = usα usb = βα ss u2 3u 2 1 +− usα = usa usβ = ( )sbsa u2u3 1 + Bài giảng Truyền Động Điện (ĐH Nha Trang) T©B 31/08/2010 58 Hình 1.10: Biểu diễn vector không gian si r trên hệ toạ độ từ thông rotor, còn gọi là hệ toạ độ dq. V.2.2: Chuyển đổi hệ toạ độ αβ ↔ dq. V.3: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trong hệt toạ độ từ thông rotor V.3.1: Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu. si r isβ Cuộn dây pha A Cuộn dây pha B