Mô phỏng quá trình “bắt” đồng bộ khi khởi động Động cơ đồng bộ công suất lớn

Chia sẻ: Nhan Chiến Thiên | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo "Mô phỏng quá trình “bắt” đồng bộ khi khởi động Động cơ đồng bộ công suất lớn" giới thiệu mô hình mô phỏng quá trình “bắt” đồng bộ khi khởi động động cơ đồng bộ trên phần mềm Matlab – Simulink. Thời điểm đưa dòng kích từ DC vào cuộn kích từ Rotor để từ trường quay của Stator “bắt” được từ trường của Rotor trong quá trình khởi động được xác định khi tốc độ của động cơ đạt xấp xỉ tốc độ đồng bộ. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Mô phỏng quá trình “bắt” đồng bộ khi khởi động Động cơ đồng bộ công suất lớn

HỘI THẢO KHOA HỌC KHOA ĐIỆN - 30/10/2019 1 Dương Quốc Hưng - KTĐ Mô phỏng quá trình “bắt” đồng bộ khi khởi động Động cơ đồng bộ công suất lớn Dương Quốc Hưng1*, Lê Thị Thu Hà2 Bộ môn Kỹ thuật điện – Khoa Điện - Đại học kỹ thuật công nghiệp Abstract — Matlab - Simulink là một môi + Tần số quay không đổi và ít phụ thuộc trường ứng dụng dùng để mô phỏng và thiết kế các vào dao động tải (trong một giới hạn cho phép nào mô hình động học cũng như các hệ thống nhúng ở đó) trên trục Rotor. nhiều lĩnh vực khác nhau như giao tiếp, điều khiển tự động, điện tử công suất, xử lý tín hiệu số, xử lý video, hình ảnh…. Với một giao diện giao đồ họa trực quan từ thư viện đến các khối chức năng của chương trình, nó cho phép thiết kế, mô phỏng, thực thi chương trình và kiểm tra hệ thống ở các thời điểm khác nhau. Modul Simulink của Matlab tích hợp sẵn các thư viện của các loại máy điện khác nhau, do đó nó cho phép xây dựng mô hình điều khiển quá trình khởi động, làm việc của các loại máy điện này một cách linh hoạt. Kết quả mô phỏng luôn sát với đặc tính làm việc của thiết bị thực. Hình 1. Động cơ đồng bộ So với máy điện không đồng bộ có cùng công Xong nó cũng tồn tại nhược điểm: Vì Rotor có suất, máy điện đồng bộ có nhiều ưu điểm vượt trội, cuộn kích từ và các mạch điện liên quan như mạch tuy nhiên do có cấu tạo phức tạp, đặc biệt có thêm khởi động, mạch diệt từ, mạch góp điện ..., Đặc biệt mạch kích từ phía Rotor nên việc điều khiển nó khi việc khởi động và điều khiển động cơ đồng bộ phức khởi động cũng như trong quá trình làm việc sẽ gặp tạp hơn so với động cơ không đồng bộ do phải xác nhiều khó khăn. Bài báo này giới thiệu mô hình mô định được chính xác thời điểm để bơm dòng kích từ phỏng quá trình “bắt” đồng bộ khi khởi động động vào Rotor (Thời điểm “bắt” và hòa đồng bộ trong cơ đồng bộ trên phần mềm Matlab – Simulink. Thời quá trình khởi động) và trong quá trình làm việc điểm đưa dòng kích từ DC vào cuộn kích từ Rotor phải điều chỉnh dòng kích từ này sao cho ổn định để từ trường quay của Stator “bắt” được từ trường được hệ số công suất Cos ở giá trị tối ưu để dòng của Rotor trong quá trình khởi động được xác định Stator có giá trị nhỏ nhất, tổn hao ít nhất, an toàn khi tốc độ của động cơ đạt xấp xỉ tốc độ đồng bộ. cho động cơ và đem lại hiệu suất làm việc cao nhất. Nên động cơ đồng bộ yêu cầu chi phí vận hành cao Keywords- Synchronous motor, excitation methods hơn so với động cơ không đồng bộ. Tuy nhiên trong of synchronous motor, Modelling and Simulation of các nhà máy công nghiệp, với tải đặc biệt đòi hỏi Static Excitation, Matlab Simulink Model. động cơ điện dẫn động công suất lớn (đôi khi lên đến hàng trăm thậm chí hàng nghìn kW) thì việc sử I. GIỚI THIỆU dụng động cơ không đồng bộ là không cho phép. Động cơ đồng bộ sử dụng phổ biến hiện nay là Động cơ đồng bộ công suất lớn chủ yếu được ứng loại cực lồi với các thanh lồng sóc đặt ở mặt ngoài dụng trong các nhà máy điện, các trạm bơm, các các cực lồi của Rotor, Các thanh lồng sóc này cho máy nén khí cao áp trong ngành công nghiệp hoá phép mô men tăng tốc hình thành trong Rotor khi chất (hình 1). Ưu điểm của nó so với động cơ không dòng xoay chiều của stator vừa tạo ra dòng cảm ứng đồng bộ có cùng công suất là: trong các thanh lồng sóc, do đó khi bắt đầu khởi + Có hiệu suất cao hơn, có khả năng hoạt động nó làm việc như một động cơ không đổng bộ, động ở Cos  1, điều này cho phép nâng cao hệ số cấu tạo của động cơ đồng bộ cực lồi trình bày như Cos của lưới điện nhà máy và giảm kích thước, hình 2. trọng lượng bản thân động cơ do dòng nhỏ hơn. Khi bắt đầu khởi động, người ta không đưa dòng + Độ nhạy với dao động điện áp nguồn một chiều vào các cuộn kích từ của Rotor, Nếu toàn thấp hơn do mô men cực đại tỷ lệ bậc nhất với điện bộ dòng kích từ được bơm vào Rotor trong suốt quá áp. trình khởi động thì động cơ không thể tăng tốc lên được, đồng thời thành phần dao động có giá trị lớn
HỘI THẢO KHOA HỌC KHOA ĐIỆN - 30/10/2019 2 Dương Quốc Hưng - KTĐ trong mômen tại tần số trượt tạo bởi cuộn từ trường Bài báo trình bày một phương pháp “bắt” đồng có thể gây hại đối với động cơ. Việc bơm dòng một bộ khi khởi động động cơ đồng bộ bằng cách xác chiều vào cuộn Rotor thường được trì hoãn cho đến định tốc độ của động cơ khi nó gần đạt tới tốc độ khi Rotor động cơ đạt tới vận tốc có thể tự cuốn vào đồng bộ. Kết quả của việc mô hình hóa động cơ chế độ đồng bộ mà không xảy ra hiện tượng trượt. đồng bộ và đặc tính khởi động được mô phỏng trên Theo kinh nghiệm, thời điểm đề bơm dòng kích từ Matlab - Simulink đã khẳng định đúng đắn về lý thường xác định khi tốc độ đạt xấp xỉ từ 95% tốc độ thuyết của loại động cơ này. định mức hoặc khi tần số Rotor còn khoảng 2,5 đến 4 Hz hoặc dòng khởi động còn khoảng 2 đến 2,5 lần II. MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG dòng định mức của động cơ (hình 3). BỘ Sơ đồ động học của Stator, Roto (Cuộn kích từ và cuộn lồng sóc) đều được quy đổi về phía stator và thể hiện trên hệ trục tọa độ d, q. Các thông số được sử dụng có thể được định nghĩa ngắn gọn như sau: d, q: Lần lượt là các thông số trong hệ tọa độ d, q R, s: Lần lượt là các thông số của Rotor, stator l, m: Lần lượt là các thông số điện cảm cuộn dây, lõi thép f, k: Các thông số của cuộn kích từ và cuộn lồng sóc Theo [1] Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ mô tả trên hệ trục d, q được trình bày như hình 5. Hình 2. Cấu tạo động cơ đồng bộ L'lk d L'lk q 1 1 d i'kd u'kd q1 i'kq u'kq1 rq R'k rd R'k id Rs Ll iq Rs Ll R'fd R'k q2 L'lf L'lk ud Lmd d uq Lmq q2 i'fd i'kq 2 u'fd u'kq2 Trôc d Trôc q Hình 5. Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ trong hệ d, q Hình 3. Dòng điện Rotor khi khởi động 1. Phương trình cân bằng điện áp: Từ sơ đồ thay thế, ta viết được các phương trình Thời điểm thích hợp để “bắt” đồng bộ là khi dòng cân bằng điện áp như sau: điện tạo ra từ trường của Rotor bắt đầu ổn định,  d dòng qua điểm 0 theo chiều dương, có giá trị xấp xỉ u d  R si d  dt d  R q ; d  Ldi d  L md (i 'fd i'kd ) dòng kích từ DC và từ trường của Rotor có giá trị  lớn, ổn định. Lúc này ta bơm dòng kích từ DC vào, u  R i  d     ;   L i  L i ' từ trường của Stator đi qua và “bắt” được từ trường  q s q dt q R d q q q mq kq của Rotor, cuốn động cơ vào chế độ đồng bộ (hình  u 'fd  R 'fd i'fd  d 'fd ; 'fd  L'fd i'fd  L md (i d  i 'kd ) (1) 4)  dt  u '  R ' i'  d ' ; '  L' i' L (i  i' )  kd kd kd dt kd kd kd kd md d fd  d u 'kq1  R 'kq1 i'kq1  'kq1 ; 'kq1  L'kq1 i 'kq1  L mq i q  dt  d u 'kq 2  R 'kq 2 i'kq 2  'kq 2 ; 'kq 2  L'kq 2 i'kq 2  L mq iq  dt 2. Các thông số cơ sở phía stator Gọi: Usbase; Isbase; Zsbase; sbase; Lsbase Lần lượt là điện áp, dòng điện, tổng trở, vận tốc góc, điện cảm cơ sở phía stator, ta có: Hình 4. Dòng điện và từ trường Rotor khi “bắt” đồng bộ
HỘI THẢO KHOA HỌC KHOA ĐIỆN - 30/10/2019 3 Dương Quốc Hưng - KTĐ 2 Sn 2 Rf L lfd U sbase  U n ; Isbase  ; R f _ pu  ; L lfd _ pu  (6) 3 Un 3 (2) Zfbase Lfbase U sbase U 2 n 5. Các thông số điện áp, dòng điện, điện trở, Zsbase   ; ωbase  2f n điện cảm phía rotor quy đổi về stator Isbase Sn Nếu đã biết dòng điện kích từ ifn, Rf , Llfd và tỉ số Zsbase Ns/Nf , Theo Krause [1], điện áp, dòng điện, điện Vì Rs
HỘI THẢO KHOA HỌC KHOA ĐIỆN - 30/10/2019 4 Dương Quốc Hưng - KTĐ (chưa cấp nguồn kích từ) và dập từ dư trong cuộn "Bat" dong bo dây này khi ngừng kích từ và hãm động cơ. Scope Vabc !Q Q Latch Vf (pu) [S] R "Bat" dong bo >= 0.95 [Vabc] From T ai co khi Nguon kich tu DC (pu) Dien tro dap tu: R -0.5 0 -K- 1 Vf (pu) Vf (pu) Rate Limiter 60 kVA 380Vac; 50 Hz Hình 8. Các thông số mô phỏng Vf_ Pm Dong co dong bo Động cơ được khởi động ở chế độ không tải thông qua việc cấp nguồn ở thời điểm 0.1s, lúc này điện trở dập từ được đưa vào hệ thống để dập sức điện động tự cảm trong cuộn kích từ, đồng thời m C A B không đưa nguồn 1 chiều vào. Động cơ được khởi động như 1 động cơ không đồng bộ nhờ cuộn lồng 5 kW sóc. Khi tốc độ gần đạt tốc độ đồng bộ, nguồn kích cC aA bB C B từ DC (1 pu) được đưa vào, đồng thời điện trở dập A từ được loại ra, động cơ được cuốn vào chế độ đồng bộ và đạt tốc độ định mức (1 pu), quá trình khởi động kết thúc. Kết quả mô phỏng được trình bày Nguon cap 3 pha Attomat 3pha a b c như các hình 9, 10, 11. C A B 380Va c; 50 Hz A B C N Hình 7. Sơ đồ mô phỏng quá trình khởi động và “bắt”đồng bộ của động cơ đồng bộ trên Simulink Động cơ sử dụng trong mô phỏng là động cơ đồng bộ (60KVA, 380Vac, 50Hz) với A, B, C - Nguồn cấp 3 pha 380Vac, 50Hz; Pm - Đầu vào của mômen cản (tải cơ khí); Vf -Điện áp kích từ DC; m- Các thông số đầu ra của động cơ (dòng điện, điện áp, mômen điện từ…), Trong sơ đồ mô phỏng, có sử dụng điện trở dập từ để dập sức điện động tự cảm sinh ra trong cuộn kích từ khi bắt đầu khởi động
HỘI THẢO KHOA HỌC KHOA ĐIỆN - 30/10/2019 5 Dương Quốc Hưng - KTĐ 10 0 -10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Dong stator 2 1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Toc do dong co 10 0 -10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Momen dien tu 10 0 -10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Tu truong Rotor 20 0 -20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Vf 1 0.5 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 "bat" dong bo Hình 9. “Bắt” đồng bộ khi tốc độ đạt 85% tốc độ đồng bộ 10 0 -10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Dong stator 1 0.5 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Toc do dong co 10 0 -10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Momen dien tu 10 0 -10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Tu truong Rotor 20 0 -20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Vf 1 0.5 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 "bat" dong bo Hình 10. “Bắt” đồng bộ khi tốc độ đạt 95% tốc độ đồng bộ
HỘI THẢO KHOA HỌC KHOA ĐIỆN - 30/10/2019 6 Dương Quốc Hưng - KTĐ 10 0 -10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Dong stator 1 0.5 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Toc do dong co 10 0 -10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Momen dien tu 10 0 -10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Tu truong Rotor 20 0 -20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Vf 1 0.5 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 "bat" dong bo Hình 11. “Bắt” đồng bộ khi tốc độ đạt 97% tốc độ đồng bộ Kết quả mô phỏng cho thấy, khi khởi động, ở thác triệt để ưu điểm và hạn chế tối đa những nhược thời điểm mà tốc độ động cơ còn cách xa tốc độ điểm của loại động cơ này. đồng bộ, nếu đã cấp dòng kích từ vào Rotor (Hình 9), từ trường Rotor bị dao động, phải mất 1 khoảng TÀI LIỆU THAM KHẢO thời gian từ trường Stator mới bắt được từ trường [1] Matwork, Model the dynamics of three-phase Rotor. Dòng điện Rotor và dòng điện kích từ DC round-rotor or salient-pole synchronous machine, 2010 chưa phù hợp về biên độ, nên xảy ra xung đột tại [2] Krause, P.C., Analysis of Electric Machinery, thời điểm bắt đồng bộ. Khi tốc độ đạt 95% tốc độ McGraw-Hill, 1986, Section 12.5. đồng bộ (hình 10) ta bơm dòng kích từ vào Rotor, [3] Kamwa, I., et al., "Experience with Computer- quá trình “bắt ” đồng bộ đã êm hơn, sự xung đột đã Aided Graphical Analysis of Sudden-Short- giảm đi. Và khi tốc độ đạt 97% tốc độ đồng bộ Circuit Oscillograms of (hình 11) dòng kích từ và dòng Rotor đã hòa vào [4] Large Synchronous Machines," IEEE nhau, không xảy ra xung đột, Hai từ trường Stator Transactions on Energy Conversion, Vol. 10, No. 3, September 1995. và Rotor được cuốn vào nhau và quá trình khởi [5] Kundur, P., Power System Stability and động kết thúc. Control, McGraw-Hill, 1994 [6] S. Yamamura, “Saliency torque and V-curve IV. KẾT LUẬN of permanent-magnet-excited synchronous Động cơ đồng bộ có nhiều ưu điểm vượt trội so motor”, international conference on Unconventional Electromechanical and với động cơ không đồng bộ, tuy nhiên do có cấu tạo Electrical Systems, Russia, June, 2000. phức tạp, nên việc điều khiển nó trong cả quá trình [7] L.Shi-Dong, L.Jian-Zhao, “Analytic khởi động và làm việc đều khó khăn hơn. Bài báo calculation of V-curve for salient-pole đã phân tích, mô hình hóa và mô phỏng quá trình synchronous electric machine”, Proceedings of khởi động động cơ bằng phương pháp xác định tốc the Chinese Society of Electrical Engineering, Vol. 28, no. 18, pp. 110-113, 15 June 2008. độ để “bắt” đồng bộ. Kết quả mô phỏng cho thấy, ở [8] Say M.G. (1983), “ Alternating Current tốc độ ≥95% tốc độ định mức là thời điểm thích Machines”, 5th edn., pp632, London: Pitman. hợp để đưa dòng kích từ vào, tuy niên việc này [9] Enrique L. Carrillo Arroyo, “Modelling and hoàn toàn phụ thuộc vào kinh nghiệm và chỉ mang simulation of permanent magnet synchronous tính tương đối. Với những động cơ khác nhau, motor drive system”, M. Sc. Thesis, University of Puerto Rico, 2006. thông số khác nhau, công suất khác nhau, thì thời [10] H. Macbahi, A. Ba-razzouk, J. Xu, A. Cheriti, điểm “bắt” đồng bộ cũng khác nhau. Do đó cần tiếp and V. Rajagopalan, “A unified method for tục nghiên cứu để đề xuất một thuật toán xác định modeling and simulation of three phase được chính xác góc pha dòng của Rotor để tìm induction motor drives," 2000. đúng thời điểm “bắt” đồng bộ, nhằm nâng cao chất [11] Matlab-Works-Support, “PM Synchronous lượng khi khởi động cũng như khi làm việc để khai Motor.