Chapter 1 Fundamental concepts of electrical drives

02/2022 TS. Trần Quốc Hoàn
ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
Khoa Điện - Điện tử Viễn thông
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN
034120
Chương 1 - Khái niệm cơ bản
về điều khiển động cơ điện

Nội dung
➢ 1.1. Các phần tử của một hệ truyền động điện
➢ 1.2. Đáp ứng động của hệ thống
➢ 1.3. Trạng thái hoạt động của hệ truyền động điện
2

1.1. Các phần tử của một hệ truyền động điện

1.1 Các phần tử của một hệ truyền động điện
➢ Hệ truyền động điện chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng
và đóng vai trò trung gian giữa hệ thống cung cấp điện, nguồn
năng lượng và cơ cấu chấp hành, cơ cấu tiêu thụ năng lượng.
4

5
➢ Điều khiển tốc độ kiểu truyền thống: động cơ xoay chiều, máy
phát một chiều, động cơ một chiều

6
➢ Điều khiển tốc độ kiểu truyền thống:
✓ Động cơ xoay chiều được cấp nguồn từ nguồn điện xoay chiều, đóng vai
trò truyền chuyển động đến máy phát một chiều.
✓ Tốc độ của động cơ xoay chiều là cố định.
✓ Điện áp ngõ ra máy phát điện một chiều cấp cho động cơ một chiều.
✓ Điện áp này được điều chỉnh bởi dòng điện kích từ.
✓ Khi thay đổi dòng điện kích từ máy phát sẽ thay đổi được độ lớn của
điện áp một chiều cấp cho động cơ.
✓ Do đó, tốc độ của động cơ được điều chỉnh theo mong muốn.

7
➢ Hạn chế của hệ truyền động truyền thống:
✓ Chi phí cao
✓ Hiệu quả thấp
✓ Phức tạp
✓ Yêu cầu bảo trì thường xuyên

8
➢ Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ điện tử công suất, các bộ
biến đổi công suất được sử dụng trong các hệ truyền động.

9
➢ Hệ truyền động hiện đại: gồm có phụ tải cơ khí, động cơ điện, bộ
biến đổi công suất, nguồn điện, và bộ điều khiển.
➢ Nguồn điện cung cấp năng lượng.
➢ Bộ biến đổi công suất kết nối trung gian giữa nguồn điện và động
cơ điện, nhằm biến đổi điện áp, dòng điện hoặc tần số của
nguồn điện thành các giá trị mong muốn.
➢ Bộ điều khiển đóng vai trò giám sát hoạt động của hệ thống,
đồng thời nâng cao hiệu suất và tính ổn định của hệ.

10
➢ Phụ tải cơ khí được xác định bởi tính chất hoạt động của hệ, và
nguồn điện được quyết định bởi điều kiện sẵn có.
➢ Quá trình thiết kế một hệ truyền động là sự lựa chọn 3 thành
phần: động cơ điện, bộ biến đổi công suất, và bộ điều khiển.
➢ Tiêu chí cơ bản để lựa chọn động cơ điện cho một ứng dụng
truyền động là đáp ứng mức công suất và hiệu suất theo yêu cầu
của hoạt động của phụ tải ở trạng thái ổn định và động.

11
➢ Một số tiêu chí để lựa chọn động cơ:
✓ Mômen khởi động: động cơ một chiều được lựa chọn trong
các ứng dụng cần mômen khởi động lớn do khả năng cung
cấp mômen khởi động lớn hơn nhiều so với động cơ KĐB.
✓ Các yếu tố ảnh hưởng bởi môi trường.
✓ Giá thành của các loại động cơ: động cơ KĐB rotor lồng sóc
có giá thành rẻ nhất trong các loại động cơ.

12
➢ Phụ tải cơ khí:
✓ Thể hiện qua các dạng đặc tính tốc độ - mômen:
k
r
r
n
T CT
n
 
=  
 
Typical speed-torque characteristics of mechanical loads
✓ C: hệ số tỉ lệ
✓ Tr: mômen tải tại tốc độ định mức nr
✓ n: tốc độ hoạt động
✓ k: hệ số mũ, thể hiện sự phụ thuộc của
mômen vào tốc độ

13
➢ Phụ tải cơ khí:
✓ Công suất cơ của tải:
; 2
60
n
P T  
= =
Typical speed-power characteristics of mechanical loads

14
➢ Một số loại tải cơ khí:
✓ Mômen độc lập với tốc độ (k=0): thang máy, máy bơm
✓ Mômen phụ thuộc vào bình phương tốc độ (k=2): quạt
✓ Mômen tỉ lệ nghịch với tốc độ (k=-1): máy khoan, tải yêu cầu
mômen lớn tại thời điểm khởi động và tại tốc độ thấp

15
➢ Động cơ điện:
Động cơ KĐB tại thời điểm ban đầu Động cơ KĐB ngày nay

16
➢ Phân loại động cơ điện theo tính chất nguồn điện và nguyên lý
hoạt động:

17
➢ Phân loại theo
công suất và tốc
độ:

18
➢ Đặc tính mômen - tốc
độ:
(I) Động cơ đồng bộ, động cơ từ trở: tốc độ
luôn cố định (hằng số)
(II) Động cơ DC kích từ độc lập hoặc song
song: tốc độ giảm nhẹ khi mômen tăng
(III) Động cơ DC kích từ nối tiếp: tốc độ lớn
tại tải nhẹ, tốc độ thấp tại đầy tải
(IV) Động cơ KĐB: đặc điểm tốc độ phức tạp

19
➢ Nguồn cung cấp điện:
✓ Xoay chiều:
▪ 1 pha, 3 pha…
▪ 50 Hz, 60Hz…
✓ Một chiều

20
➢ Bộ biến đổi công suất:
✓ Chức năng chính là biến đổi nguồn điện thành dạng yêu cầu
của động cơ điện để đạt được hiệu suất mong muốn.
✓ Cung cấp khả năng điều chỉnh điện áp, dòng điện, tần số để
điều khiển tốc độ, mômen, hoặc công suất của động cơ.

21
➢ 4 dạng bộ biến đổi công suất:

22
➢ Bộ biến đổi cấu trúc có thành phần tụ dc-link: hệ thống lưu điện

23
➢ Bộ điều khiển:
✓ Kiểm soát tham số của hệ: so sánh với giá trị mong muốn, điều
chỉnh hoạt động bộ biến đổi công suất cho đến khi đạt được
trạng thái mong muốn.
✓ Tăng tính ổn định cho hệ thống.

1.2. Đáp ứng động của hệ thống

1.2. Đáp ứng động của hệ thống 25
➢ Load speed - torque curve: the relationship between speed and
torque of a load.
➢ Motor speed - torque curve: the relationship between speed and
torque of a motor.
➢ When an electric motor is connected to a mechanical load, the
system operates at a speed - torque status that matches the
characteristic of the motor and the mechanical load.

➢ Speed - torque characteristic of a motor and mechanical loads:
➢ Speed of the system is
not only determined by
the motor, but also is
heavily dependent on
the load characteristics.

➢ Example: ➢ Tm and Tload: torque of motor and
load
➢ Jm and Jload: moment of inertia
➢ ꞷ: angular velocity (rotating speed)
➢ Torque equation:
m load
d
T T J
dt

− =
( )
( )
: total moment of inertia
: accelerating torque
: speed-up
: slow-down
: steady-state
m load
m load
m load
m load
m load
J J J
d
J J
dt
T T
T T
T T

= +
+


=

➢ Example: Tload = 10Nm; total moment of inertia J = 0.05kgm2
( )
( )
: total moment of inertia
: accelerating torque
: speed-up
: slow-down
: steady-state
m load
m load
m load
m load
m load
J J J
d
J J
dt
T T
T T
T T

= +
+


=

1.3. Trạng thái hoạt động của hệ truyền động điện

30
➢ Tính chất hai chiều của mômen tải :
➢ An electric bus driven up-hill and
down-hill.
➢ Force of load: 2 components
✓ F: frictional force
✓ Fl: load torque
➢ Motor torque: Fm

31
➢ Tính chất hai chiều của vận tốc:
➢ An electric bus driven up-hill and
down-hill.
➢ Force of load: 2 components
✓ F: frictional force
✓ Fl: load torque
➢ Motor torque: Fm

32
➢ Khái niệm bốn góc phần tư hoạt động:
➢ When the torque of an electric machine is
in the same direction as the system
speed, the machine consumes electric
power. The electric machine is operating
as a motor.
➢ If the speed and torque of the machine
are in opposite directions, the machine is
consuming mechanical power. The
electric machine is acting as a generator.

33
➢ Example 4.1 (p.111):
➢ Mass of electric bus = 5000 kg
➢ Wheel diameter = 1 m
➢ Speed = 50 km/h
➢ Slope of hill = 300
➢ Friction coefficient = 0.4
➢ Compute power consumed by the
motor.

Chapter 1 Fundamental concepts of electrical drives

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Chapter 1 Fundamental concepts of electrical drives

Similar to Chapter 1 Fundamental concepts of electrical drives (20)

More from Man_Ebook

More from Man_Ebook (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (19)

Chapter 1 Fundamental concepts of electrical drives