›
›

Bài giảng Tổng hợp hệ điện cơ 1 - Chương 9: Hệ thống điều tốc nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dây quấn

pdf 68 trang phuongnguyen 6401
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Tổng hợp hệ điện cơ 1 - Chương 9: Hệ thống điều tốc nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dây quấn", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_tong_hop_he_dien_co_1_chuong_9_he_thong_dieu_toc_n.pdf

Nội dung text: Bài giảng Tổng hợp hệ điện cơ 1 - Chương 9: Hệ thống điều tốc nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dây quấn

  1. Chương 9 hệ thống điều tốc nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dây quấn 9.1. Nguyên lý điều tốc nối cấp và các dạng cơ bản của nó yy4y01=== x+ 0 9.1.1. Sự làm việcy0 = xcủa động cơ không đồng bộ khi rotor có thêm sức điện động Lúc động cơ không đồng bộ làm việc, sức điện động pha mạch rotor của nó là: E2 = sE20 (9.1) trong đó s là hệ số trượt của động cơ không đồng bộ; E20 là sức điện động pha của động cơ không đồng bộ rotor dây quấn khi rotor đứng yên, hay gọi là sức điện động mạch hở, s.đ.đ. định mức mạch rotor nếu đặt vào mạch stator điện áp xoay chiều với tần số và giá trị điện áp bằng định mức.
  2. Chương 9 9.1.1. Sự làm việc của động cơ không đồng bộ khi rotor có thêm sức điện động Công thức (9.1) chứng tỏ, trị số của sức điện động E2 của rotor tỷ yy4y01=== x+ 0 y0 = x lệ thuận với hệ số trượt s, đồng thời tần số f2 của nó cũng tỷ lệ thuận với s: f2 = sf1. Lúc rotor được nối dây bình thường, phương trình dòng điện pha rotor là: sE I 20 2 2 2 R2 (sX 20 ) trong đó R2 là điện trở mỗi pha của cuộn dây rotor; X20 là điện kháng tản của mỗi pha cuộn dây rotor khi s = 1.
  3. Chương 9 9.1.1. Sự làm việc của động cơ không đồng bộ khi rotor có thêm sức điện động 3 Khi đưa vào mạch rotor một sức yy4y01=== x+ 0 y0 = x điện động phụ Eph điều khiển được và ĐK mắc nối tiếp với sức điện động E2 của E =sE mạch rotor. Eph có cùng tần số, nhưng có 2 20 I2 thể cùng pha hoặc ngược pha với E2, như E trên hình 9.1. Trong trường hợp này,    ph phương trình dòng điện sẽ là: Hình 9.1: Sơ đồ đấu s.đ.đ. phụ sE E 20 ph (E ) trong mạch rotor động I2 ph 2 2 cơ không đồng bộ R2 (sX 20 )
  4. Chương 9 9.1.1. Sự làm việc của động cơ không đồng bộ khi rotor có thêm sức điện động Khi mô men phụ tải Mc là hằng số, có thể coi dòng điện rotor I2 yy4y01=== x+ 0 y = x cũng là hằng. Giả0 thiết trước khi có sức điện động phụ, động cơ đang làm việc ổn định với giá trị hệ số trượt s = s1. Sau khi đưa sức điện động phụ ngược dấu vào, do mô men phụ tải là hằng số, vế trái công thức (9.2) là hằng số (I2), vì thế hệ số trượt của động cơ buộc phải tăng lên và ổn định với s=s2 (s2>s1), quan hệ giữa s1, s2 và s.đ.đ. phụ thỏa mãn biểu thức: s E E s E 2 20 ph I 1 20 2 22 2 2 R2 (s 2 X 20 ) R 2 (s 1 X 20 )
  5. Chương 9 9.1.2. Tạo lập sức điện động phụ và hệ thống truyền động điều tốc nối cấp Đưa sức yđy4y01iện=== x+ 0 động phụ vào mạch rotor động cơ không đồng bộ y0 = x rotor dây quấn rõ ràng là có thể làm thay đổi tốc độ quay của động cơ, nhưng do tần số của sức điện động cảm ứng E2 của mạch rotor động cơ điện thay đổi theo hệ số trượt, nên tần số của sức điện động phụ Eph cũng buộc phải thay đổi theo tốc độ quay của động cơ.
  6. Chương 9 9.1.2. Tạo lập sức điện động phụ và sơ đồ hệ thống truyền động điều tốc nối cấp Để giải quyếtyy4y01=== x+ 0 vấn đề này một cách đơn giản nhất, trong hệ thống y0 = x thực tế, đầu tiên điện áp xoay chiều trong mạch cuộn dây rotor động cơ được biến đổi thành sức điện động một chiều, sau đó so sánh nó với sức điện động phụ một chiều, điều khiển giá trị biên độ sức điện động phụ một chiều là có thể điều chỉnh được tốc độ quay của động cơ. Như vậy đã chuyển vấn đề thay đổi được tần số và giá trị của s.đ.đ. phụ xoay chiều sang vấn đề điều chỉnh giá trị của s.đ.đ. phụ một chiều không liên quan gì đến tần số, làm cho việc phân tích và điều khiển dễ dàng đi rất nhiều.
  7. Chương 9 9.1.2. Tạo lập sức điện động phụ và sơ đồ hệ thống truyền động điều tốc nối cấp 3 3 yy4y01=== x+ 0 y0 = x BĐ1 Id BĐ2 ĐK BA + + Tải E2=sE20 cơ I2 học Ud1 Ud2 - CK - Hình 9.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động nối cấp động cơ không đồng bộ
  8. Chương 9 9.1.2. Tạo lập sức điện động phụ và sơ đồ hệ thống truyền động điều tốc nối cấp Ud1 = Ud2 + IdR; K1sE20 =K2U2cos + IdR yy4y01=== x+ 0 y0 = x trong đó: K1, K2 là các hệ số phụ thuộc vào loại sơ đồ bộ biến đổi BĐ1 và BĐ2, khi BĐ1 và BĐ2 đều dùng chỉnh lưu cầu 3 pha thì: K1 = K2 = 2,34 Ud1 - điện áp chỉnh lưu trung bình đầu ra của BĐ1; U2 - giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp của máy biến áp nghịch lưu BA; Ud2 - điện áp nghịch lưu trung bình đầu ra của BĐ2;  - góc điều khiển nghịch lưu của BĐ2; R - điện trở tương đương của mạch rotor quy đổi về phía một chiều một chiều.
  9. Chương 9 9.1.3. Các dạng khác của hệ thống điều tốc nối cấp 3 yy4y01=== x+ 0 y0 = x Hình 9.3: Sơ đồ nguyên BA lý hệ thống truyền động CK1 nối cấp điện lực với BĐ2 mắc theo sơ đồ tia ba pha ĐK CK2 Tải cơ E2=sE20 học I2 BĐ1 BĐ2
  10. Chương 9 9.1.3. Các dạng khác của hệ thống điều tốc nối cấp yy4y01=== x+ 0 y0 = x Bộ chỉnh lưu kiểu quay Hình 9.4: Hệ thống điều thống nối cấp điện lực thời kỳ đầu
  11. Chương 9 9.1.3. Các dạng khác của hệ thống điều tốc nối cấp 3 yy4y01=== x+ 0 y = x 0 Đ ĐK + - Tải cơ E2=sE20 i học I2 KF CKĐ BĐ1 Hình 9.5: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều tốc nối cấp cơ khí
  12. Chương 9 9.2. Chất lượng hệ thống điều tốc nối cấp 9.2.1. Đặc tính cơ của hệ thống điều tốc nối cấp Phương trình cân bằng sức điện động của mạch điện một chiều yy4y01=== x+ 0 y = x phía rotor khi làm0 việc không tải lý tưởng: s0 E 20 U 2 cos  U2 cos s0 E20 Trong đó s0 là hệ số trượt không tải lý tưởng, U2 là điện áp hiệu dụng thứ cấp máy biến áp nghịch lưu BA. Có thể thấy, với các góc  khác nhau, đường cong Mđt=f(s) khi điều tốc nối cấp động cơ không đồng bộ là gần như song song, tương tự như đường đặc tính cơ của điều tốc điều áp động cơ điện một chiều.
  13. Chương 9 9.2.1. Đặc tính cơ của hệ thống điều tốc nối cấp -s 0 -s s0=0, =90 0 0 Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ yyy=== x+ 0 s0=0.2 401 0.2 y = x 0.2 0 s =0.2 0 s0=0, 0.4 s0=0.4 0.4 0 Đặc tính cơ tự nhiên =90 s =0.6 s0=0.4 0.6 0 của động cơ 0.6 s =0.8 s0=0.6 0.8 0 0.8 s0=0.8 1.0 M* 1.0 M* 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 đt 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 đt a) b) Hình 9.6: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp a) động cơ lớn; b) động cơ bé
  14. Chương 9 9.2.2. Máy biến áp nghịch lưu Để đơn giản dễ thấy, có thể dựa vào trạng thái làm việc không tải lý tưởng để tính chọn điện áp pha phía thứ cấp U2 của máy biến áp yy4y01=== x+ 0 y = x nghịch lưu: 0 s0 E 20 s 0max E 20 U2 cos cos min trong đó: s0max là hệ số trượt không tải lý tưởng cực đại ứng với tốc độ quay cực tiểu ở chế độ không tải lý tưởng của động cơ được xác định theo phạm vi điều tốc của hệ thống; min là góc nghịch lưu khi làm việc với hệ số trượt cực đại, lúc 0 này góc nghịch lưu nhỏ nhất thường chọn: min = 30 .
  15. Chương 9 9.2.3. Dung lượng (công suất) thiết bị điều tốc nối cấp Dung lượng của máy biến áp nghịch lưu là: yyy=== x+ 0 401 Sđm 3U 2đm I 2đm y0 = x s0max E 20 s 0max E 20 1 U2 đm 0 1,15sE 0 m ax 20 1,15E(1 20 )  m in cos 30 D 1 do đó: S 3, 45E I (1 ) đm 20 2đm D
  16. Chương 9 9.2.4. Hiệu suất của hệ thống điều tốc nối cấp: P PF v Pv yy4y01=== x+ 0 P1 y = x 0 Q F P1 PF P BA 2 P ĐK đt PF P1 Ps P P s BĐ1 BĐ2 cơ CK P P + P cơ P2 2 s a b Hình 9.7: Phân tích hiệu suất hệ thống điều tốc nối cấp a) Hướng đi của công suất hệ thống điều tốc nối cấp b) Biểu đồ năng lượng hệ thống
  17. Chương 9 9.2.4. Hiệu suất của hệ thống điều tốc nối cấp: P Pco P co Pđt (1 s) P co  2 yy4y01=== x+ 0  100% y = x 100% 100% nc 0 Pv PP 1 F (PP)(PPP)đt 1 s 2 s  P (1 s) P P (1 s) đt co 100% đt 100% P(1s)đt P 1 P 2 P s P(1s) đt P s  P2 Pđt (1 s) P co  R 100% 100% PPv 1  P (1 s) P đt co (1 s) 100% PPđt 1 
  18. Chương 9 9.2.4. Hiệu suất của hệ thống điều tốc nối cấp:  (%) nc yy4y01=== x+ 1000 y0 = x 80 60  40 R 20 0 1 0,5 0 -s Hình 9.8: Đường cong  = f(s) của hệ thống điều tốc nối cấp điện lực và điều tốc điện trở phụ trong mạch rotor
  19. Chương 9 9.2.4. Hiệu suất của hệ thống điều tốc nối cấp: yy4y01=== x+ 0 y0 = x
  20. Chương 9 9.3.1. Điện áp và dòng điện của mạch điện chỉnh lưu rotor động cơ không đồng bộ: a) Trạng thái làm việc thứ nhất: e 2sE sin(s  t ) yy4y01=== x+ 0 2 a 20 1 y0 = x 6 iD1 iD3 iD5 I 2X sI d  cos 1 (1 D o d ) D 1 D3 D5 6E s e 20 2a i a a 2X I * cos 1 (1 D o d ) e2b ib b 6E 20 * e2c 6E ic c I 20 (1 cos  ) * d 2XDo XDo D D4 D6 2 i i i 3X s D4 D6 D2 UI D0 d d Hình 9.9: Mạch điện chỉnh lưu rotor 3X s U 2,34sE D0 I d1 20 d
  21. Chương 9 9.3.1. Điện áp và dòng điện của mạch điện chỉnh lưu rotor động cơ không đồng bộ yy4y01=== x+ 0 y0 = x Hình 9.10: Đồ thị điện áp và dòng điện sơ đồ chỉnh lưu rotor ứng với các góc chuyển mạch khác nhau a)  < 60o; b)  = 60o;
  22. Chương 9 9.3.1. Điện áp và dòng điện của mạch điện chỉnh lưu rotor động cơ không đồng bộ yy4y01=== x+ 0 y0 = x Hình 9.10: Đồ thị điện áp và dòng điện sơ đồ chỉnh lưu rotor ứng với các góc chuyển mạch khác nhau a)  60o
  23. Chương 9 9.3.1. Điện áp và dòng điện của mạch điện chỉnh lưu rotor động cơ không đồng bộ: b) Trạng thái làm việc thứ hai: yy4y01=== x+ 0 y = x - Dòng điện0 chỉnh lưu trung bình: 6E 6E I 20 cos cos  20 sin d p p p 2XD0 2X D0 6 - Điện áp chỉnh lưu trung bình: cos p cos p  3sX U 2,34sE 2,34sE cos D0 I d1 202 20 p d 0 Trong hai công thức trên, tương ứng với: p 0,  = 60 .
  24. Chương 9 9.3.1. Điện áp và dòng điện của mạch điện chỉnh lưu rotor động cơ không đồng bộ: b) Trạng thái làm việc thứ hai: yy4y01=== x+ 0 y0 = x Hình 9.11: Bộ chỉnh lưu rotor Id = f() , Id =f( p)
  25. Chương 9 9.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp yyy=== x+ 0 3 401 3 y = x sXD00 2 U X 2RD 2 UD T BA 2RBA LCK RCK Id Ud1 Ud2 K1sE20cos p K2U2cos Hình 9.12: Sơ đồ thay thế tương đương của hệ thống điều tốc nối cấp điện lực
  26. Chương 9 9.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp yy4y01=== x+ 0 - Điện áp đầu ra củay0 = x bộ chỉnh lưu rotor ở vùng làm việc thứ II: 3 U sU cos 2 U I ( X .s 2R ) d1 d0 p D d D0 D - Điện áp phía dòng một chiều bộ nghịch lưu: 3 U 2,34U cos  2 U I ( X 2R ) d2 2 T d BA BA Và có: Ud1 = Ud2 + IdRCK
  27. trong đó: Udo là điện áp chỉnh lưu trung bình đầu ra không tải của bộ chỉnh lưu rotor khi s =1, ở đây Udo = K1E20 = 2,34E20; UD, UT là sụt điện áp trên mỗi đi ôt chỉnh lưu và tiristor, thường chọn UD = UT , cũng có thể bỏ qua; yy4y01=== x+ 0 XD0 là yđ=iện x kháng tản trên mỗi pha của động cơ không đồng 0 1 bộ chuyển đổi về phía rotor khi s =1, XXXD0 ; D12 20 KD KD là tỷ số số vòng quấn của cuộn dây mỗi pha trên stator và rotor; RCK là điện trở của bộ điện kháng san bằng dòng điện trong mạch một chiều CK; RD là điện trở tương đương mỗi pha động cơ quy đổi về phía rotor, RD= R2+ sR'1. Khi R1 rất nhỏ, có thể coi RD= R2; XBA là điện kháng tản tương đương trên mỗi pha của máy biến áp nghịch lưu quy đổi về phía thứ cấp: XBA = X'BA1+ XBA2; RBA là điện trở tương đương mỗi
  28. Chương 9 9.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp XBA là điện kháng tản tương đương trên mỗi pha của máy biến áp yy4y01=== x+ 0 y0 = x nghịch lưu quy đổi về phía thứ cấp, XBA = X'BA1+ XBA2; RBA là điện trở tương đương mỗi pha máy biến áp nghịch lưu quy đổi về phía thứ cấp, RBA = R'BA1+ RBA2. 3 2,34U2 cos I d ( X BA 2R BA 2R D R CK ) s 3 2,34E cos X .I 20 p D0 d n n Với: s 0 n0
  29. Chương 9 9.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp Đặc tính tốc độ của động cơ trong hệ điều tốc nối cấp: yy4y01=== x+ 0 y = x 0 3 3 2,34(E20 cos p U 2 cos  ) I d ( X D0 X BA 2R BA 2R D R CK ) n n 0 3 2,34E cos X .I 20 p D0 d Trong công thức trên đã bỏ qua ảnh hưởng của UD, UT và R1'. 0 Trong công thức trên, khi cho p = 0 , ta được công thức đặc tính tốc độ quay của hệ thống điều tốc nối cấp ở vùng làm việc thứ I. Giả thiết: U = 2.34(E20cos p – U2cos)
  30. Chương 9 9.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp Giả thiết: U = 2.34(E20cos p – U2cos) yy4y01=== x+ 0 y0 = x 3X 3X R D0 BA 2R 2R R  BA D CK 3 C'e 2,34E 20 cos P X D0 I d Đặc tính tốc độ rút gọn của động cơ trong hệ thống điều tốc nối cấp: UIR d  1 n n0 ( ) (U I d R ) C'Ce e
  31. Chương 9 9.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp Để tìm mô men điện từ của động cơ không đồng bộ trong hệ thống điều tốc nối cấp, có thể bắt đầu từ quan hệ công suất Ps của mạch yy4y01=== x+ 0 y = x điện chỉnh lưu rotor0 . 3X s P (sU cos D0 I )I s d0 p d d Ps  Mđt s0  1 3X (U cos D0 I )I d0 p d d 0 
  32. Chương 9 9.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp Để tìm mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi bộ chỉnh lưu rotor ở trạng thái làm việc thứ I, ta cho p=0. yy4y01=== x+ 0 y0 = x 13XD0 1 3X D0 Mđt (U d0 I)I d d U(1 d0 I)I d d 0  0U d0 Giá trị cực đại của mô men điện từ trong công thức trên có thể dM tìm được khi đặt đt 0 dId 6E 27E2 II 20 MM 20 d d.1m đt đt.1m 6  X 2XD0 0 D0 (Ud0 = 2,34E20)
  33. Chương 9 9.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp 2 27E 20 2 2 Mđt [cos p cos( p  )] yyy=== x+ 0 401 6  0 X D0 y0 = x Để tìm mô men điện từ cực đại, từ công thức trên ta lấy đạo hàm dM đt bậc nhất của mô men theo p và cho bằng không ( ), đồng thời0 d p thay  = 60o, có thể tìm được khi p = 15o thì mô men cực đại Mđt.2m ở vùng làm việc thứ II: 2 9 3E 20 M đt.2m 4  0 X D 0 Cường độ dòng điện của mạch một chiều tương ứng là: 3E 20 Id.2 m 2X D 0
  34. Chương 9 9.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp Giao tiếp giữa vùng làm việc thứ I và thứ II chính là điểm làm yy4y01=== x+ 0 việc giới hạn củay0s=ơ x đồ chỉnh lưu rotor, khi bắt đầu phát sinh hiện tượng cưỡng bức mở chậm các van. Mô men tại điểm này gọi là mô men o o chuyển tiếp Mđt.1-2. Chỉ cần lấy điều kiện = 60 , p= 0 thay vào công thức (9.25) và (9.14) , là có thể tìm được: 2 27E20 6E20 Mđt.1 2 Id.1 2 8 0 X D0 4XD0 Dựa vào cách chứng minh trên, có thể rút ra được hệ thức: M M đt.2m 0,866 đt.1 2 0,75 M Mđt.1m đt.1m
  35. Chương 9 9.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp Mô men cực đại của đặc tính vốn có ban đầu của động cơ không yy4y01=== x+ 0 đồng bộ khi bỏ quay0 = xđiện trở của rotor: 2 1 3E 20 M đt .m  2 0 X D 0 M có thể tìm được: đt.1m 0,955 M đt.m M đt.2m 0,826 Mđt.m M đt.1 2 0,716 M đt.m
  36. Chương 9 9.3.2. Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp -s n Chế độ dòng gián Đường đặc tính cơ ban đoạn đầu yyy=n== x+ 00 0 401 y0 = x  vùng s10 1 A làm việc thứ II B C 2<1 Mđt.1-2 Mđt.2m Mđt M 1 0 0.5 0.71 6 0.826 1,0 đt.m Hình 9.13 Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp điện lực
  37. Chương 9 9.3.3. Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điều tốc nối cấp o 9.3.3.1. Phương trình đường đặc tính cơ ở vùng làm việc thứ I ( 60 , p = yyy=== x+ 0 o 401 y = x 0 ) 0 M 4 đt M s s đt.1m 1m 1 2 s1 s 1m trong đó s1m= s1m- s10 là số gia hệ số trượt của động cơ không đồng bộ từ không tải lý tưởng đến mô men cực đại tính toán; s1 = s - s10 là số gia của hệ số trượt do phụ tải gây ra; s10 là hệ số trượt không tải lý tưởng ứng với trị số ; s1m là hệ số trượt tới hạn khi mô men cực đại tính toán Mđt.1m tương ứng: 3X BA 2R 2R R D BA CK s1m 2s 10 3XD0 /
  38. Chương 9 o o 9.3.3.2. Phương trình đặc tính cơ ở vùng làm việc thứ II ( = 60 , p=0  30o) M 4cos2 đt p M s s đt.1m 2m 2 2 yyy=== x+ 0 401 s s y0 = x 2 2m trong đó s2m= s2m- s20 là số gia của hệ số trượt cực đại tương ứng với một trị số p nào đó xét tới hiện tượng cưỡng bức mở chậm; s2 = s - s20 là số gia của hệ số trượt do phụ tải gây ra trong vùng làm việc thứ II ứng với góc  và p; s20 là hệ số trượt không tải lý tưởng ứng với với góc  và p. 3X BA 2 RDBACK 2R R U2 cos  s 20 s2 m 2s 10 E20 cos p 3XD 0 /
  39. Chương 9 Do với giá trị cho trước của , s20 thay đổi theo p, nên s2m cũng thay đổi theo p. Giá trị s2m không phải biểu thị hệ số trượt thực tế khi mô men đạt cực đại M , nó chỉ là một đại lượng dùng để tính toán yy4y01=== x+ 0 đt.2m y = x xuất hiện trong quá0 trình biến đổi toán học mà thôi. Biểu thức thông dụng về đường đặc tính cơ: 1 1 (M /M )/cos 2 s đt đt .1m p  s 2 m 1 1 (Mđt /M đt .1m )/cos p 0 Khi cho p = 0 , công thức trên phù hợp cho việc tính toán đặc 0 tính cơ vùng làm việc thứ I, lúc đó sm= s1m, s = s1. Nếu p = 0  30o, công thức trên phù hợp cho việc tính toán đặc tính cơ vùng làm việc thứ II, khi đó sm = s2m, s = s2.
  40. Chương 9 9.4 Hệ thống kín điều tốc nối cấp với hai mạch vòng Do hệ số trượt đặc tính tĩnh của hệ thống điều tốc nối cấp là khá lớn, cho nên hệ thốngyy4y01=== x+ 0 điều khiển mạch hở chỉ được dùng vào trường hợp y0 = x độ chính xác điều tốc yêu cầu không cao. Để nâng cao độ chính xác điều tốc trạng thái tĩnh và để nhận được đặc tính động tốt hơn, có thể dùng điều khiển phản hồi. Cũng giống như hệ thống điều tốc một chiều, thường dùng phương thức điều khiển hai mạch vòng kín là phản hồi dòng điện và phản hồi tốc độ quay.
  41. Chương 9 9.4.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển mạch vòng kín  BA ĐK yy4y01=== x+ 0 y0 = x FT R pn Cn Rpi C + i -n Rv2 - Rv3 ucđ FX OA1 - Rv1 + OA2 = R Rv4 + RI Rv01 Rv02 Hình 9.14: Hệ thống điều tốc nối cấp điều khiển hai mạch vòng kín
  42. Chương 9 9.4.2. Mô hình toán học trạng thái động của hệ thống điều tốc nối cấp   Trong hệ thống trên hình 9.14, bộ chỉnh lưu có điều khiển, bộ yy4y01=== x+ 0 điều chỉnh và sơy0đ= ồx cấu trúc trạng thái động của khâu phản hồi giống như trong hệ thống điều tốc một chiều, vì thế ở đây không trình bày lại. Nhưng một phần mạch điện một chiều rotor của động cơ vì có liên quan tới hệ số trượt nên phải xử lý riêng. 9.4.2.1. Hàm số truyền của mạch một chiều rotor Dựa vào sơ đồ tương đương như trên hình 9.12 có thể đưa ra phương trình cân bằng điện áp trạng thái động của mạch điện một chiều rotor trong hệ thống điều tốc nối cấp: dI sU U Ld R I d0 d2 dt  d
  43. Chương 9 Trong đó: : Điện áp không tải của đầu ra bộ nghịch lưu ; Ud2 2,34U 2 cos   : Tổng điện cảm tương đương của mạch điện yyy=== x+ 0 một chiều rotor; 401 L LCK 2Ly0 = D0 x 2L BA LD0: Điện cảm tản của mỗi pha động cơ tính chuyển đổi về phía rotor; LBA: Điện cảm tản của mỗi pha máy biến áp nghịch lưu tính chuyển đổi về phía thứ cấp; LCK: Điện cảm của cuộn kháng san bằng; R: Điện trở tương đương của mạch điện một chiều rotor khi hệ số trượt là s.
  44. Chương 9 9.4.2.1. Hàm số truyền của mạch một chiều rotor   3X 3X R D0 BA 2R 2R R  D T CK yy4y01=== x+ 0 y0 = x n dId UUULRId0 d0 d2   d (*) n0 dt Biến đổi Laplace cho hai vế của biểu thức (*), có thể tìm được hàm số truyền cho mạch điện một chiều rotor: I (s) K d Lr U d0 TLr s 1 Ud0  n(s) U d2 (s) n0 L Với:  và 1 TLr K Lr R  R 
  45. Chương 9 9.4.2.1. Hàm số truyền của mạch một chiều rotor   Ud0 n yyy=== x+ 0 401 n0 y0 = x Ud2 Id K Lr 1 TLr s Ud0 Hình 9.15: Sơ đồ cấu trúc mạch điện một chiều rotor Cần phải chỉ ra rằng hằng số thời gian TLr và hệ số khuếch đai KLr trong hàm số truyền của mạch điện một chiều rotor trong hệ thống điều tốc nối cấp đều là hàm số của tốc độ quay n, chúng không phải là hằng số xác định.
  46. Chương 9 9.4.2.2. Hàm số truyền của động cơ không đồng bộ   Mô men điện từ của động cơ không đồng bộ là: yyy=== x+ 0 401 1 3X y0 = x D0 MUIICIđt d0 d d M d 0 1 3X D 0 Trong đó: CUIM d 0 d 0 Phương trình chuyển động của hệ thống truyền động điện: GD2 dn MM  đt c 375 dt GD2 dn Hoặc: C(II)  M d c 375 dt trong đó Ic là dòng điện phụ tải tương ứng với mô men phụ tải Mc.
  47. Chương 9 9.4.2.2. Hàm số truyền của động cơ không đồng bộ   n(s) 1 K M I (s) I (s)GD2 1 s yyy=d== x+ 0 c 401  s y0 = x 375 C M 1 Trong đó: K M G D2 1  375 C M Cần chú ý, hệ số CM là hàm số của dòng điện Id, cho nên KM cũng là hàm số của Id.
  48. Chương 9 9.4.2.3. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống  Bộ Bộ Bộ Bộ Bộ Nhiễu điện đặt điều đặt điều nghịch áp trượt Ud0 tốc chỉnhyy4y01=== x+ 0 dòng chỉnh lưu y = x n0 độ tốc0 độ điện dòng tiristor điện U d2 Ic * Un (s) 1 K K K n(s) Kn (1  n s) 1 Ki (1  i s) b Lr M Ton s 1 s 1 T s 1 s 1 s Tốc n oi i s 1 TLr s 1 độ Phản hồi âm Ud0(s) đặt Id dòng điện Kfi Bộ tổng hợp tín hiệu dòng điện Toi s 1 Kfn Phản hồi âm tốc độ quay Ton s 1 Bộ tổng hợp tín hiệu phản hồi tốc độ Hình 9.16: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều tốc nối cấp
  49. Chương 9 9.4.3. Xác định các tham số bộ điều chỉnh của hệ thống điều tốc  9.4.3.1. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện Bộ điều chỉnhyy4y01=== x+ 0 dòng điện có thể thiết kế theo hệ thống điển hình y0 = x loại I hoặc hệ thống điển hình loại II. Nếu thiết kế theo hệ thống loại I sẽ có đặc điểm là độ tác động nhanh cao, lượng quá điều khiển nhỏ, còn theo hệ thống loại II thì có khả năng chống nhiễu tốt. Dựa vào yêu cầu chung, mạch vòng dòng điện thường thiết kế theo hệ thống điển hình loại I. Theo sơ đồ hình 9.16 có thể viết ra hàm số truyền mạch hở của mạch vòng dòng điện là: K ( s 1) K K W(s) i i  i  Lr is T i s 1 T Lr s 1
  50. Chương 9 9.4.3. Xác định các tham số bộ điều chỉnh của hệ thống điều tốc  9.4.3.1. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện yy4y01=== x+ 0 y = x K ( s 1) 0 i i là hàm số truyền của bộ điều chỉnh dòng điện; is Ki là hàm số truyền tương đương của khâu quán tính Ti s 1 nhỏ mạch vòng dòng điện; K Lr là hàm số truyền mạch điện chính một chiều. TLr s 1
  51. Chương 9 9.4.3. Xác định các tham số bộ điều chỉnh của hệ thống điều tốc 9.4.3.1. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện  Hàm số truyền được biểu diễn bằng công thức trên, nếu chọn yy4y01=== x+ 0 y = x đúng các tham số0 (chẳng hạn lấy i =TLr) chính là cấu trúc của hệ thống điển hình loại I. Nhưng bởi vì tính bất định của TLr, nên cách làm thông thường ấy là không thể chấp nhận được. Trong công thức trên, nếu trị số TLr khá lớn, và thoả mãn điều kiện TLr > hTi (h là độ rộng trung tần), thì có thể chọn i=hTi, khi đó có thể thiết kế mạch vòng dòng điện theo hệ thống điển hình loại II. Có thể chứng minh như sau: Do TLr là khá lớn, có thể coi gần đúng hàm số truyền của mạch điện chính một chiều như là một khâu tích phân, công thức hàm truyền mạch vòng dòng điện có thể viết thành:
  52. Chương 9 9.4.3. Xác định các tham số bộ điều chỉnh của hệ thống điều tốc 9.4.3.1. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện  K(s1)i i K i K Lr K(s1) I  i yyy=== x+ 0 Wk (s) 401   y = x 2 0 is Ts1Ts i Lr s(Ts1)  i KKKKKi i Lr i  i Trong đó: K I là hệ số KĐ mạch vòng dòng. iT Lr hT i L  Nếu không thoả mãn điều kiện TLr > hTi, thì thực hiện thiết kế hệ theo hệ thống điển hình loại I. Dựa vào việc phân tích các tư liệu và số liệu thực nghiệm liên quan đã cho thấy lúc đó có thể dựa vào cận dưới của phạm vi điều tốc, tức là xác định giá trị của KLr và TLr theo s0max, hoặc theo s0max/2, sau đó coi mạch vòng dòng điện là hệ thống xác lập để đi thiết kế các tham số bộ điều chỉnh dòng điện.
  53. Chương 9 9.4.3. Xác định các tham số bộ điều chỉnh của hệ thống điều tốc  9.4.3.2. Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ Để có đưyy4ợcy01=== x+ 0 khả năng kháng nhiễu tốt, mạch vòng tốc độ đều y0 = x thiết kế theo hệ thống điển hình loại II. Vì hệ số KM của khâu động cơ chưa xác định, nên khi thiết kế có thể chọn một trị số TM ứng với dòng điện làm việc thực tế Id, sau đó thiết kế theo hệ thống đã xác lập. Như vậy hệ thống sau khi được hiệu chỉnh có khả năng nhận được đặc tính động gần như mong muốn.
  54. Chương 9 9.5. Hệ thống điều tốc nối cấp siêu đồng bộ  Hệ thống điều tốc nối cấp ở phần trên đã khảo sát thực hiện điều tốc bằng cách lợi dụng điện áp nghịch lưu sinh ra trong thiết bị điều tốc yy4y01=== x+ 0 y0 = x nối cấp để điều khiển công suất trượt trong rotor động cơ không đồng bộ. Lúc này công suất trượt từ đầu ra của rotor đi qua thiết bị điều tốc nối cấp chuyển trả về lưới điện, động cơ làm việc ở trạng thái động cơ. Chúng ta gọi hệ thống điều tốc này là hệ thống điều tốc nối cấp thứ đồng bộ. Khác với hệ thống đó còn có hệ thống điều tốc siêu đồng bộ, nó không những khống chế phương chiều truyền tải công suất mà còn có thể nhận được các trạng thái làm việc khác nhau của hệ thống điều tốc nối cấp và trạng thái làm việc khác nhau của động cơ.
  55. Chương 9 9.5.1. Nguyên lý làm việc điều tốc nối cấp siêu đồng bộ  Trong hệ thống điều tốc nối cấp đã xét, BĐ1 là không điều khiển, nó chỉ có thể tiếpyy4y01=== nhậnx+ 0 công suất trượt từ phía xoay chiều (mạch rotor y0 = x động cơ) và truyền sang phía một chiều và sau đó được đưa trở lại mạng điện. Nếu BĐ1 là chỉnh lưu có điều khiển, có thể làm cho nó làm việc ở trạng thái chỉnh lưu hoặc nghịch lưu, tương ứng nó có thể tiếp nhận công suất trượt từ phía rotor của động cơ hoặc cấp công suất trượt cho rotor. Khi BĐ1 làm việc ở chế độ nghịch lưu truyền công suất trượt cho rotor động cơ, còn stator động cơ vẫn tiếp nhận công suất từ lưới điện, thì công suất đầu ra trên trục động cơ là P2= P1+ Ps (giả thiết bỏ qua tất cả các
  56. Chương 9 9.5.1. Nguyên lý làm việc điều tốc nối cấp siêu đồng bộ  thất trong động cơ). Muốn thỏa mãn quan hệ này, hệ số trượt s phải là âm, nghĩa là độngyy4y01=== cx+ 0 ơ phải làm việc vượt quá tốc độ đồng bộ, lúc này cả y0 = x rotor và stator đều tiếp nhận điện năng và biến đổi thành cơ năng trên trục động cơ, động cơ ở vào trạng thái “rotor và stator song hồi”, nhưng vẫn làm việc ở trạng thái động cơ. Do tác dụng song hồi của stator và rotor đã làm tăng công suất đầu ra trên trục động cơ vượt cả công suất định mức ghi trên nhãn mác của nó. Đây là một ưu điểm của phương pháp này. Các hệ thống điều tốc nối cấp có thể đưa công suất vào từ phía rotor đều có tên chung là hệ thống điều tốc nối cấp siêu đồng bộ.
  57. Chương 9 9.5.1. Nguyên lý làm việc điều tốc nối cấp siêu đồng bộ  Lúc này bộ chỉnh lưu BĐ1 phía rotor của hệ thống buộc phải là có điều khiển, vàyy4y01=làm== x+ 0 việc ở trạng thái nghịch lưu, còn bộ chỉnh lưu có y0 = x điều khiển BĐ2 ở phía máy biến áp BA làm việc ở chế độ chỉnh lưu. Cần phải hết sức chú ý: không phải dựa vào động cơ làm việc ở phía trên hay phía dưới tốc độ quay đồng bộ để phân biệt là điều tốc nối cấp siêu đồng bộ hay điều tốc nối cấp thứ đồng bộ, mà phân theo phương hướng truyền công suất của rotor.
  58. Chương 9 9.5.1. Nguyên lý làm việc điều tốc nối cấp siêu đồng bộ  yy4y01=== x+ 0 BA y0 = ĐKx BĐ1 BĐ2 sE20 CK Hình 9.17: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều tốc nối cấp siêu đồng bộ U2 cos 2 sE20 cos  1 U 2 cos 2 s E20 cos 1
  59. Chương 9 9.5.2. Sự làm việc ở chế độ hãm tái sinh của hệ thống điều tốc nối cấp siêu đồng bộ Hệ thống điều tốc nối cấp như hình 9.17 cũng có thể làm việc ở yy4y01=== x+ 0 y = x trạng thái thứ đồng0 bộ, chỉ cần BĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu, BĐ2 làm việc ở chế độ nghịch lưu là được. Lúc động cơ làm việc ở trạng thái động cơ ứng với một hệ số trượt s1 nào đó (1> s1 >0), nếu lúc đó đột nhiên thay đổi trạng thái làm việc của BĐ1 và BĐ2, làm cho chúng thứ tự làm việc ở chế độ nghịch lưu và chỉnh lưu, và thoả mãn quan hệ: U2cos 2>s1E20cos1 (chú ý cực tính của hai điện áp này đã đổi chiều). Động cơ sẽ tiếp nhận công suất từ phía rotor, hệ thống ở vào trạng thái làm việc “điều tốc nối cấp siêu đồng bộ” thấp hơn tốc độ quay đồng bộ.
  60. Chương 9 9.5.2. Sự làm việc ở chế độ hãm tái sinh của hệ thống điều tốc nối cấp siêu đồng bộ Bây giờ hãyyy4y01=== x+ 0 phân tích trạng thái làm việc hiện tại của động cơ y0 = x Ps 1 không đồng bộ. Mô men điện từ của động cơ Mđt , nếu lấy s o công suất trượt ở đầu ra của rotor khi động cơ làm việc ở trạng thái động cơ là “dương”, mô men điện từ dương là mô men động cơ, hiện tại do sự đổi chiều của công suất trượt làm cho mô men điện từ cũng thành giá trị âm, điều đó chứng tỏ mô men mà động cơ sinh ra là mô men hãm, tức là lúc này động cơ ở vào trạng thái hãm 1> s1 >0,
  61. Chương 9 -s -1 Chế P1 PF độ BA động ĐK cơ siêu yy4y01=== x+ 0 (1+s)P1 đồng y0 = x BĐ1 BĐ2 bộ sP1 CK 0 Chế Chế P1 PF P1 PF độ độ hãm BA BA động tái ĐK ĐK cơ thứ sinh đồng (1-s)P siêu (1-s)P1 1 bộ đồng BĐ1 BĐ2 BĐ1 BĐ2 bộ sP1 CK sP1 CK 1 -Mđt 0 Mđt Hình 9.18: Các chế độ làm việc của hệ thống điều tốc nối cấp
  62. Chương 9 9.6. Một số vấn đề đặc biệt của hệ thống điều tốc nối cấp 9.6.1. Hệ số công suất của hệ thống điều tốc nối cấp và phương hướng nâng cao hệ số công suất của nó yy4y01=== x+ 0 y = x 0 P PP cos 1 F nc S 2 2 (P1 P F ) (Q 1 Q F ) P – tổng công suất tác dụng hệ thống nhận được từ lưới điện; S – tổng công suất toàn phần của hệ thống; P1– công suất tác dụng của động cơ điện nhận được từ lưới điện; PF – công suất tác dụng qua bộ nghịch lưu phản hồi về lưới điện; Q1– công suất phản kháng của động cơ điện tiếp nhận từ lưới điện; QF – công suất phản kháng phía máy biến áp nghịch lưu tiếp nhận từ lưới điện.
  63. Chương 9 9.6.1. Hệ số công suất của hệ thống điều tốc nối cấp và phương hướng nâng cao hệ số công suất của nó Thông thường hệ số công suất khi hệ thống điều tốc nối cấp làm yy4y01=== x+ 0 y = x việc ở tốc độ cao0 là 0,60,65, giảm khoảng 0,1 so với hệ số công suất của động cơ điện khi nối dây thông thường, khi ở tốc độ thấp có thể giảm xuống tới 0,4  0,5 (đối với hệ thống phạm vi điều tốc là 2:1). 9.6.1.1. Phép phân tích đồ thị hệ số công suất của hệ thống điều tốc nối cấp (1) Mô men tải trên trục động cơ là hằng số; (2) Không xét tới các tổn thất của hệ điều tốc nối cấp; (3) Cho trước công suất tác dụng và công suất phản kháng của động cơ nhận từ lưới điện.
  64. 9.6.1.1. Phân tích đồ thị hệ số công suất của hệ thống điều tốc nối cấp s=0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.75 0.50 0.25 s=0 s =0.75 N max N3 Qv S = Q Sv F F s =0.5 N2 N’ max N 2 S 0 F max = 180 - min N 3 N 0 2 N1 30 s =0.25 N1 Q max 1 M 300 S v Q1 M S 1 Sv S v S1 nc nc nc P’ PF nc 0 P1 0 P1 Hình 9.19: Phương pháp tích phân Hình 9.20: ảnh hưởng của phạm đồ thị hệ số công suất của hệ thống vi điều tốc đối với hệ số công suất điều tốc nối cấp của hệ thống
  65. 9.6.1.2. Phương hướng nâng cao hệ số công suất của hệ thống điều tốc nối cấp ĐK yy4y01=== x+ 0 BA1 y0 = x BA2 BĐ1 BĐ21 sE20 1 90 1 Đầu 60 30 CK ra bộ 0 BĐ22 điều 0 2 4 6 8 chỉnh 2 90 dòng 2 điện 60 30 0 0 2 4 6 8 Hình 9.21: Mối liên kết dọc của bộ nghịch lưu trong hệ thống điều tốc nối cấp
  66. 9.6.1.2. Phương hướng nâng cao hệ số công suất của hệ thống điều tốc nối cấp yy4y01=== x+ 0 Id y0 = x BA ĐK BĐ1 BĐ2 XA t sE20  T Hình 9.22: Sơ đồ nguyên lý hệ thống Hình 9.23: Đồ thị Id =f(t) khi điều tốc điều khiển sóng gấp khúc điều tốc nối cấp sóng gấp khúc rotor
  67. Chương 9 9.6.2. Khởi động hệ thống điều tốc nối cấp 9.6.2.1. Khởi động gián tiếp yy4y01=== x+ 0 Ks 9.6.2.1. Khởi độngytrực0 = x tiếp Kc BA ĐK BĐ1 BĐ2 K Hình 9.25: Sơ đồ nguyên lý sE20 2 hệ thống điều tốc nối cấp CK K điều khiển khởi động gián 1 tiếp R