Tổng hợp bài giảng Truyền động điện| Bài giảng môn truyền động điện| Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

EE3510 Fundamental of Electric Drives Chương 1: Mở đầu 2019.2 Nội dung chương 1 1.0 Giới thiệu môn học
1.1 Định nghĩa và phân loại các hệ truyền động điện
1.2 Đặc tính cơ của các động cơ điện thông dụng
1.3 Đặc tính cơ của các phụ tải
1.4 Phương trình động lực học
1.5 Quy đổi các đại lượng và tham số cơ học
1.6 Các chế độ làm việc và điều kiện ổn định tĩnh của hệ truyền động điện
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 2
1.0 Giới thiệu môn học § Mục đích:
₋ Cung cấp những kiến thức cơ bản về hệ truyền động điện công nghiệp
₋ Giúp người học có khả năng phân tích đánh giá và sử dụng các
hệ truyền động điện cơ bản nhất § Hình thức: ₋ Nghe giảng ₋ Tự học ₋ Bài tập ₋ Thí nghiệm § Đánh giá
₋ Thi giữa kỳ (viết): 40%
₋ Thi cuối kỳ (viết): 60%
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 3
1.0 Giới thiệu môn học § Tài liệu tham khảo: Bài giảng
[1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, “Cơ sở Truyền động điện” § Tài liệu tiếng Anh:
[2] B. K. Bose, “Modern Power Electronics and AC Drives”
[3] Gobal K. Dubey, “Fundamentals of Electrical Drives”
[4] Ion Boldea & Syed Abu Nasar, “Electric Drives”
[5] Vedam Subrahmanyam, “Electric Drives. Concepts and Applications”
[6] Ned Mohan, “Electric Machines and Drives, a first course”
[7] Austin Hughes, “Electric Motors and Drives: Fundamentals, Types and Applications”
[8] Ned Mohan, “Power Electronics”
[9] P.C. Sen, “Principles of Electric Machines and Power Electronics”, 3rd Edition
[10] Jrg-andreas Dittrich and Nguyen Phung Quang, “Vector Control of Three-Phase AC Machines”
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 4
1.0 Giới thiệu môn học – Nội dung chính
Chương 1. Những vấn đề chung và khái niệm
Chương 2. Truyền động điện một chiều
Chương 3. Truyền động điện xoay chiều không đồng bộ
Chương 4. Truyền động điện xoay chiều đồng bộ
Chương 5. Các loại động cơ khác BLDC
Chương 6. Tính chọn mạch lực của truyền động điện
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 5
1.0 Giới thiệu môn học – Nội dung chính
Chương 1. Những vấn đề chung và khái niệm
Chương 4. Truyền động điện xoay chiều đồng bộ §
Cấu trúc, phân loại các hệ truyền động điện
§ Phân loại, Nguyên lý sinh mô men và đặc tính cơ của động §
Đặc tính cơ của các phụ tải, cơ đồng bộ (ĐC ĐB) §
Các chế độ làm việc của động cơ, quy đổi các đại lương về trục động cơ
§ Điều chỉnh vec tơ ĐC ĐB kích từ bằng nam châm vĩnh cửu
Chương 2. Truyền động điện một chiều ₋ Nam châm bề mặt §
Cấu tạo, nguyên lý hoạt động ₋ Nam châm chìm §
Sơ đồ tương đương, phương trình
§ Điều khiển động cơ ở vùng tốc độ cao §
Đặc tính cơ và các thông số ảnh hưởng
§ Điều khiển động cơ tối ưu tỉ số moment TĐĐ §
Mở máy, khởi động động cơ § Hãm các chế độ hãm §
Các phương pháp điều khiển tốc độ
Chương 5. Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) §
Tự động điều khiển động cơ điện 1 chiều
§ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
§ Sơ đồ điều khiển dòng điện pha
Chương 3. Truyền động điện xoay chiều không đồng bộ (3 pha)
§ Các vấn đề của động cơ BLDC §
Cấu tạo, nguyên lý hoạt động §
Sơ đồ tương đương, phương trình
Chương 6. Tính chọn mạch lực của truyền động điện §
Đặc tính cơ và các thông số ảnh hưởng §
Mở máy, khởi động động cơ rotor dây quấn công suất lớn
§ Các chế độ làm việc của cơ cấu máy và động cơ điện § Hãm các chế độ hãm
§ Tính chọn công suất động cơ điện § Bộ điều áp xoay chiều
§ Phương án truyền động và chọn bộ biến đổi §
Điều khiển động cơ bằng biến tần
§ Chọn hệ thống bảo vệ §
Phương pháp điều khiển vector §
Điều khiển trực tiếp moment
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 6
Background Information on Electric Motor and Drives 1831 1888 1960s-1970s Michael Faraday’s discovery AC motors was invented by Advent of power electronic of electromagnetic induction Nikola Tesla converters and High performance electric drives
First practical DC motor – M. Commercial 3-phase induction Jacobi motor 1834 1896
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 7
Background Information on Electric Motor and Drives
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 8
Background Information on Electric Motor and Drives
Image coutersy: https://www.globalefficiencyintel.com/new-blog/2017/infographic-energy-industrial-motor-systems
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 9
1.1 Định nghĩa hệ TĐĐ tổng quan 3-phase power supply Coupling Set 𝑇! point 𝑢# Pulse width pulse Control er Power modulation Motor Load Reference Converter 𝜔! 𝑇" 𝜔" 𝑖 𝜔 Feedback signal Control circuit Power circuit § Motor: động cơ
§ 𝜔! : tốc độ quay động cơ [rad/s]
§ Power converter: bộ biến đổi công suất
§ 𝑇! : moment xoắn động cơ (torque)
§ Controller: bộ điều khiển [Nm]
§ Feedback signal: tín hiệu phản hồi
§ 𝜔" : tốc độ quay trên tải qua bộ biến đổi
§ Setpoint/reference: tín hiệu đặt cơ[rad/s]
§ Coupling: bộ biến đổi cơ
§ 𝑇" : moment xoắn trên tải qua bộ biến § Load: tải đổi cơ [Nm]
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 10
1.1 Định nghĩa hệ TĐĐ tổng quan
§ Năng lượng điện biến đổi thành cơ năng (công suất ra): 𝑃!"#$%&'#%( = 𝑇𝜔
§ Công suất điện (công suất vào):
𝑃 = 3𝑈𝐼 cos 𝜑 (AC motor) Hoặc 𝑃 = 𝑈𝐼 (DC motor)
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 11
1.1 Định nghĩa hệ TĐĐ tổng quan
§ Định nghĩa: Truyền động điện là một tập hợp các thiết bị để biến
đổi điện năng thành cơ năng và điều khiển dòng năng lượng ấy Setpoint 𝑢 𝜔 𝑖 Electric drive system 𝑀 𝑓
§ 𝑃%&%'()*'+& = 𝑃,%'-+.*'+& + Δ𝑃
§ Với Δ𝑃 công suất mất mát (power loss), tổn thất sinh ra do nhiệt,
tổn hao sắt, đồng, tổn thất cơ do ma sát
§ Hiệu suất: 𝜂 = /!"# = /&'()*%$(*+ = /&'()*%$(*+ ≈ 0.8 ÷ 0.95 /$% /'+'(#,$(*+ /&'()*%$(*+01/ § Mong muốn: 𝜂 → 1
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 12
Electric Drives in Power System
Transmission & distribution Power Final energy Primary energy Electric Power station electronics machines usage Fossil fuel Controlled Electric Drive Power Steam Electric AC Electric Mechanical Nuclear electronic turbine generator machine load converter Solar Thermal Mechanical Electrical Electrical Mechanical
(constant v & f) (variable v & f)
From primary energy to final use, a chain of conversion processes.
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 13 Typical Applications
§ Process industry – pumps, fans, compressors
§ Heating and air-conditioning – blowers, compressors
§ Paper & Steel industry – hoist, rollers
§ Transportation – elevators, trains, automobiles, more and
more electric aircrafts, ship propulsion…
§ Food industry – conveyer, fans
§ Oil, Gas, Mining – compressors, pumps, cranes, thruster drive for oil-rig platforms…
§ Residential – heat pumps, freezers, washing machine,
grinders, food processors, air-conditioners, hair drier, HDD, DVD/VCD…
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 14 Typical Applications
Train à Grande Vitesse, "high-speed train"
A rubber tyred gantry crane (RTG Cement bal mil 6 ÷ 8 MW under 25 kV
crane) 100 ÷ 600 kW @ 4 ÷ 13𝑘𝑉
10 ÷ 25 MW @ 13 ÷ 25𝑘𝑉 Ship propulsion system 400kW to 5MW @ 6 kV
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 15 Typical Applications
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 16 Typical Applications Power (kW) Pumps-storage
Image courtesy: Ion Boldea et. al., “Electric drives” 100000 hydroeletric plants Cement & ore mil s 10000 Centrifuges Pumps Paper machines 1000 Transportation Fans Cranes Metal urgy 100 processes Elevators Printing 10 Mixers machines Conveyors Textile machines HVAC Packaging machines 1 (heating, ventilation Robotics air conditioner) Machine tools Home appliances 0.1 moderate high Performance
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 17 Typical Applications
§ Đa số các hệ truyền động chạy ở vận tốc không đổi, ví dụ như thang máy, ổ cứng, v.v…
§ Trong nhiều ứng dụng đặc biệt, ví dụ các máy nghiền, máy kéo,
truyền động servo yêu cầu thay đổi tốc độ và thay đổi tải (moment)
§ Tại sao phải có hệ điều chỉnh tốc độ (Variable Speed Drives – VFD):
o Do yêu cầu công nghệ (ví dụ vận chuyển hàng hóa, nguyên vật liệu trong nhà máy)
o Tiết kiệm năng lượng (bơm và điều hòa không khí)
o Nâng cao chất lượng sản phẩm (điều hòa không khí)
§ Khoảng 20-25% các hệ truyền động hiện nay là các hệ điều chỉnh
được tốc độ, tuy nhiên xu hướng sử dụng các hệ VFD ngày càng tăng
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 18
Classification of Motors § DC Machines:
₋ Wound stator: Self-excited (Shunt, series, compound), & separately-excited dc motors ₋ Permanent magnet DC § AC Machines:
₋ Asynchronous motor (Induction motor) 3 phase/single phase • Wounded rotor • Squirrel cage rotor ₋ Synchronous motor • Wound rotor synchronous • Permanent magnet:
• ISPM (interior surface permanent magnet)
• SPM (surface permanent magnet) § BLDC
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 19
Classification of Motors
Image coutersy: Sang-Hoon Kim, “Electric
Motor Control: DC, AC, and BLDC Motors”, Elsevier, 2017.
Hanoi University of Science and Technology © DIA 2019.2 20