Điều khiển động cơ FOC

LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô khoa điện – điện tử đặc biệt PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ, giảng viên khoa điện – điện tử trường ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM người trực tiếp hướng dẫn hồn thành đồ án mơn học Bản thân kỹ sư điện tương lai, em hiểu rõ tầm quan trọng động không đồng pha rotor lồng sóc cơng nghiệp, q trình sản xuất tầm quan trọng việc điều khiển nó, có phương pháp điều khiển theo vector tựa từ thơng rotor (FOC) Do kiến thức cịn hạn chế chưa có kinh nghiệm thực tế nên báo cáo đồ án em không tránh khỏi thiếu sót, em kính mong thầy giáo xem xét góp ý để em hồn thành đồ án tốt sau Em xin chân thành cảm ơn thầy cô! Sinh viên thực MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, động điện sử dụng rộng rãi mặt đời sống xã hội, đặc biệt ngành sản xuất đại lĩnh vực đời sống thiếu động điện, mà loại động điện ngày chế tạo hồn thiện, động điện không đồng ba pha chiếm tỷ trọng lớn ngành công nghiệp, động không đồng ba pha có nhiều ưu điểm, chẳng hạn khởi động dễ dàng, chi phí thấp, hoạt động êm ái, kích thước nhỏ gọn, chức vững chắc, đặc tính hoạt động tốt, dễ bảo trì, chi phí vận hành bảo trì thấp Tuy nhiên, có nhược điểm đặc tính Do tính phi tuyến tính mạnh nên trước loại động phải nhường chỗ cho động điện chiều cho q trình điều khiển đơn giản khơng sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, việc ứng dụng động không đồng ba pha sử dụng rộng rãi, công nghệ vi xử lý, điện tử công suất, bên cạnh lý thuyết điều khiển truyền động Động phân bố hệ thống truyền lực để điều hòa tốc độ máy sản xuất, thay dần động chiều Nó thường sử dụng để điều khiển động cách điều chỉnh điện áp Đây phương pháp đơn giản chất lượng điều chỉnh tĩnh động không cao Để điều khiển xác hiệu phải nói đến phương pháp thay đổi tần số điện áp nguồn cung cấp Vì tốc độ động khơng đồng xấp xỉ với tốc độ đồng nên động chạy với độ trượt nhỏ, tổn thất công suất trượt mạch rotor nhỏ Tuy nhiên, phương pháp phức tạp tốn Thiết bị dùng để biến đổi tần số biến tần, biến tần trực tiếp gián tiếp Chúng ta sử dụng biến tần thiết bị nhúng Sự kết hợp chỉnh lưu, biến tần điều khiển Điều khiển biến tần phụ thuộc vào nhà sản xuất Nhiều biến tần có sẵn thị trường để điều khiển động Ít thiết kế theo phương pháp cổ điển Các nhà sản xuất chọn biến tần nhiều so với điều khiển tam giác điện trở phụ thiết bị điều khiển khác chúng nhỏ gọn, xác, đáng tin cậy đáp ứng nhu cầu tự động hóa đại hóa ngày tăng ngành điện Biến tần đơn giản thường điều khiển tốc độ theo quy luật U / f để đảm bảo động tạo moment xoắn tốt hệ thống truyền động đòi hỏi khắt khe Để đáp ứng yêu cầu đó, người ta tạo biến tần điều khiển vector dựa từ thơng rotor (FOC) Mục đích đồ án Tuy loại biến tần bày bán sử dụng rộng rãi thị trường hãng Toshiba, Omron, Siemens với nhiều phương pháp điều khiển khác như: theo luật U/f không đổi, điều khiển vector tựa từ thơng rotor việc tìm hiểu để chọn phương pháp thích hợp nghiên cứu tìm phương pháp điều khiển cho tối ưu giá thành, độ xác, độ tin cậy cịn tranh luận loại có ưu nhược khác Bản đồ án em xin trình bày rõ phương pháp biến tần sử dụng phương pháp FOC (điều khiển vector tựa từ thông rotor) bao gồm phần sau: • • Xây dựng sở lý thuyết thuật tốn FOC Mơ PSIM đánh giá đáp ứng hệ thống biến tần dùng thuật toán điều khiển FOC • Đánh giá ưu nhược điểm biến tần sử dụng luật FOC A LÝ THUYẾT Động không đồng Động KĐB xoay chiều pha máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ rotor khác với tốc độ từ trường quay máy Động không đồng pha dùng nhiều sản xuất sinh hoạt chế tạo đơn giản, giá thành rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao gần khơng cần bảo trì Dải công suất rộng từ vài Watt đến 10.000HP Các động từ 5Hp trở lên hầu hết pha động nhỏ 1Hp thường pha 1.1 Cấu tạo động điện KĐB Máy điện không đồng (KĐB) gồm hai phận chủ yếu stator rotor, ngồi cịn có vỏ máy, nắp máy trục máy Hình 1.1: Động điện KĐB Trục làm thép, gắn rotor, ổ bi phía cuối trục có gắn quạt gió để làm mát máy dọc trục Lõi thép stato Dây quấn stato Nắp máy Ổ bi Trục máy Hộp dầu cực Lõi thép rotor Thân máy Quạt gió làm mát 10 Hộp quạt 1.1.1 Stator (phần tĩnh) Stator gồm hai phận lõi thép dây quấn, ngồi cịn có vỏ máy nắp máy Lõi thép stator có dạng hình trụ, từ thép kỹ thuật điện, có dập rãnh bên trong, ghép lại tạo thành rãnh theo hướng trục Lõi thép ép vào vỏ máy Hình 1.2: Stator động KĐB Dây quấn stator thường làm dây đồng có bọc cách điện đặt rãnh lõi thép Dòng điện xoay chiều ba pha chạy dây quấn ba pha stator tạo nên từ trường quay Vỏ máy gồm có thân nắp, thường làm gang 1.1.2 Rotor(phần quay) Rotor phần quay gồm lõi thép, dây quấn trục máy Lõi thép rotor gồm thép kỹ thuật điện lấy từ phần bên lõi thép stator ghép lại, mặt ngồi dập rãnh để đặt dây quấn, có dập lỗ để lắp trục Trục máy điện không đồng làm thép, gắn lõi thép rotor Dây quấn rotor máy điện không đồng có hai kiểu : rotor ngắn mạch cịn gọi rotor lồng sóc rotor dây quấn Rotor lồng sóc: gồm đồng nhơm đặt rãnh bị ngắn mạch hai vành ngắn mạch hai đầu Với đồng nhỏ, dây quấn rotor đúc nguyên khối gồm dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt cánh quạt làm mát Các động công suất 100kW dẫn làm đồng đặt vào rãnh rotor gắn chặt vào vành ngắn mạch Hình 1.3: Rotor động KĐB Rotor dây quấn: quấn dây giống dây quấn ba pha stator có số cực từ dây quấn stator Dây quấn kiểu luôn đấu (Y) có ba đầu đấu vào ba vành trượt, gắn vào trục quay rotor cách điện với trục Ba chổi than cố định tỳ vành trượt để dẫn điện vào biến trở nối nằm động để khởi động điều chỉnh tốc độ 1.2 Phân loại động KĐB • Phân theo kết cấu vỏ máy + Kiểu kín + Kiểu bảo vệ + Kiểu hở • Phân theo số pha + Một pha + Hai pha + Ba pha • Phân theo kiểu dây quấn rotor + Khơng đồng rotor lồng sóc + Khơng đồng rotor dây quấn 1.3 Các đại lượng định mức động KĐB Các trị số định mức nhà máy thiết kế, chế tạo qui định ghi nhãn máy Vì máy điện khơng đồng chủ yếu dùng làm động điện nên nhãn máy ghi trị số định mức động sau : Công suất định mức Pdm(kW,W) Điện áp định mức Udm (V) Dòng điện định mức Idm (A) Tốc độ quay định mức ndm (vòng/phút) Hiệu suất định mức ηđm % Hệ số công suất định mức cosφ đm Đối với động điện không đồng bộ, công suất định mức công suất đầu trục động Còn động ba pha, điện áp dòng điện ghi nhãn máy điện áp dòng điện dây tương ứng với cách đấu hình (Y) hay đấu hình tam giác (Δ) 1.3 Nguyên lý làm việc động KĐB Stator quấn cuộn dây lệch không gian (thường cuộn dây lệch góc 120°) Khi cấp điện áp pha vào dây quấn, lòng Stator xuất từ trường Fs quay tròn với tốc độ n1=60*f1/p, với p số cặp cực dây quấn Stator, f tần số Từ trường móc vịng qua Rotor gây điện áp cảm ứng dẫn lồng sóc rotor Điện áp gây dịng điện ngắn mạch chạy dẫn Trong miền từ trường Stator tạo ra, dẫn mang dòng I chịu tác động lực Bio-SavartLaplace lơi Có thể nói cách khác: dịng điện I gây từ trường Fđt (từ trường cảm ứng Rotor), tương tác F đt Fs gây momen kéo Rotor chuyển động theo từ trường quay Fs Stator quay với tốc độ n Trong phạm vi tốc độ khác chế độ làm việc máy khác Sau ta nghiên cứu tác dụng chúng ba phạm vi tốc độ Hệ số trượt s máy Rotor quay chiều từ trường quay, tốc độ n < n1 (0 < s < 1) Giả thiết chiều quay n1 từ trường khe hở F rơto n hình bên Theo qui tắc bàn tay phải, xác định chiều suất điện động E I2; Theo qui tắc bàn tay trái, xác định lực F đt moment M Ta thấy Fđt chiều quay rotor, điện đưa tới stato, thông qua từ trường biến đổi thành trục làm quay rotor theo chiều từ trường quay n1 → Máy làm việc chế độ động Rotor quay chiều từ trường quay, tốc độ n > n1 (s < 0) Dùng động sơ cấp quay rotor máy điện không đồng vượt tốc độ đồng n > n1 Chiều từ trường quay quét qua dây quấn rơto ngược lại, sức điện động dịng điện dây quấn rôto đổi chiều nên mômen M ngược chiều n1, nghĩa ngược chiều rôto, nên moment hãm Máy biến tác dụng lên trục động điện, động sơ cấp kéo thành điện cung cấp cho lưới điện, nghĩa máy điện làm việc chế độ máy phát điện Roto quay ngược chiều từ trường quay, tốc độ n < (s > 1) Vì nguyên nhân mà rơto máy điện quay ngược chiều từ trường quay, lúc chiều suất điện động, dịng điện mơmen giống chế độ động điện Vì moment sinh ngược chiều quay với rotor nên có tác dụng hãm rơto lại Trong trường hợp này, máy vừa lấy điện lưới điện vào, vừa lấy từ động sơ cấp Chế độ làm việc gọi chế độ hãm điện từ 10 Hình 7.13: Dịng điện pha đầu biến tần Tload = 12 N.m Hình 7.14: điện áp pha đầu biến tần Tload = 12 N.m 49 Hình 7.15: Tốc độ động Tload = 12 N.m Hình 7.16: Dòng điện Id Iq Tload = 12 N.m 50 Hình 7.17: Từ thơng rotor động Tload = 12 N.m Hình 7.18: Moment động tải Tload = 12 N.m 7.1.4 Mơ hình động Tload = N.m moment quán tính J = 0,02 kg.m2 Hình 7.19: Dịng điện pha đầu biến tần T load = N.m J = 0,02 kg.m2 51 Hình 7.20: điện áp pha đầu biến tần Tload = N.m J = 0,02 kg.m2 Hình 7.21: Tốc độ động Tload = N.m J = 0,02 kg.m2 52 Hình 7.22: Dịng điện Id Iq Tload = N.m J = 0,02 kg.m2 Hình 7.23: Từ thơng rotor động Tload = N.m J = 0,02 kg.m2 53 Hình 7.24: Moment động tải Tload = N.m J = 0,02 kg.m2 Tổng kết kết mô phỏng: Giá trị Tload = N.m Tload = N.m Tload = 12 N.m Tload =4 N.m J = 0,02 kg.m2 Chế độ khởi động Dòng khởi động Ikđ (A) Moment khởi động Tkđ (N.m) 42.5 43.5 45.97 42.27 11.41 18.35 31.68 58.33 11.71 11.37 Chế độ xác lập Dòng pha hiệu dụng Is_rms (A) 11.32 11.36 54 Điện áp pha hiệu dụng Vs_rms (V) Tốc độ (rpm) Dòng hiệu dụng Id_rms (A) Dòng hiệu dụng Iq_rms (A) Moment động Te_im (N.m) Moment tải Tload (N.m) Từ Thông (Wb) 353 353 353 353 1000 1000 1000 1000 16 16 16 16 0.175 1.423 4.194 1.431 0.0012 4.001 12.001 4.001 12 3.996 0.1376 0.1399 0.1441 Bảng 7.1: Giá trị thông số mô thay đổi tải tốc độ 1000 rpm 7.2 Khảo sát tổn hao hiệu suất biến tần 55 7.2.1 Khảo sát thay đổi thông số tải Hình 7.7: Cơng suất đầu vào đầu biến tần Tload = Hình 7.14: Cơng suất đầu vào đầu biến tần Tload = N.m 56 Hình 7.21: Cơng suất đầu vào đầu biến tần Tload = 12 N.m Tương tự cách thức mô trường hợp trên, ta thay đổi giá trị Tload khảo sát công suất trường hợp khác, ta có bảng tổng kết sau: Moment tải Tload 12 16 20 24 169.1 591 1442 1869 2303 2740 113.8 534 1379 1803 2234 2668 (N.m) Công suất đầu vào biến tần Pin (W) Công suất đầu biến tần Pstator (W) 57 Công suất đầu động 419 1256 1675 2093 2512 55.3 57 63 66 69 72 67.30 90.36 95.63 96.47 97.00 97.37 70.84 87.10 89.60 90.90 91.68 Protor (W) Tổn hao biến tần Pth (W) Hiệu suất biến tần Hbt (%) Hiệu suất tổng H (%) Bảng 7.2: Công suất, tổn hao hiệu suất mô thay đổi tải tốc độ 1000 rpm Hình 7.29: Biểu đồ hiệu suất phụ thuộc tải 7.2.2 Khảo sát thay đổi thông số tốc độ Tương tự khảo sát tổn hao hiệu suất biến tần thay đổi tải, ta tiến hành mô tổn hao hiệu suất biến tần thay đổi tốc độ, ta có bảng kết sau: Tốc độ 600 800 1000 (rpm) 58 1200 1400 1600 Công suất đầu vào 804 1017 1229 1484 1754 1995 743 958 1168 1417 1681 1918 biến tần Pin (W) Công suất đầu biến tần Pstator (W) Công suất đầu 1047.2 1256.6 1466.0 1675.5 động Protor (W) 628.32 837.76 Tổn hao biến tần Pth (W) 61 59 61 67 73 77 92.41 94.20 95.04 95.49 95.84 96.14 Hiệu suất biến tần Hbt (%) Hiệu suất tổng H (%) 78.15 82.38 85.21 84.68 83.58 83.99 Bảng 7.3: công suất, tổn hao hiệu suất mô thay đổi tốc độ tải cố định Tload = 10 N.m Hình 7.30: Biểu đồ hiệu suất phụ thuộc tốc độ 59 NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN NHẬN XÉT Động với moment tải TLoad= N.m: • Tốc độ động bám sát giá trị đặt (1000 rpm) Thời gian gia tốc từ thông nhanh (khoảng 0,1 giây) Như đáp ứng tốc độ đạt yêu cầu, không vọt lố, khơng có sai số tĩnh • Tại thời điểm bắt đầu khởi động động cơ, moment động tăng nhanh đạt khoảng 12 (N.m) trường hợp không tải, có tải moment động tăng nhanh đạt 18 (N.m) khoảng thời gian 0,1 giây Sau đó, moment bám sát giá trị đặt, không vọt lố Tuy nhiên, moment bị nhiễu động lớn (vọt lố) thời điểm đóng tải Sau đóng tải vào động cơ, moment động tăng theo moment tải, giá trị trung bình moment tải với giá trị đặt trường hợp tải khác với độ vọt lố cho phép • Dịng điện cực đại ba pha động tăng đến 43.5 (A) trình khởi động khoảng thời gian 0,1 giây Sau đó, 60 dịng điện xác lập giá trị gần 20 (A) Như dòng khởi động xấp xỉ lần dịng xác lập • Tại thời điểm đóng tải, từ thơng, tốc độ dịng điện ba pha động không bị ảnh hưởng Động với moment tải TLoad=12 N.m: • Đáp ứng từ thơng, tốc độ, moment thay đổi không đáng kể bám theo giá trị đặt • Dịng điện pha tăng lên (khoảng A) so với dịng khơng tải thời gian đóng tải Động với moment tải Tload = N.m moment quán tính J = 0,02 kg.m2 • Tốc độ động gần với thực tế xuất thời gian trễ Moment động dao động đáng kể (đạt gần 60 N.m) thời điểm khởi động động bám sát giá trị đặt • Dịng điện ba pha động tăng Đánh giá chung • Khi tăng moment tải: dịng điện ba pha động tăng • Khi tăng moment quán tính: moment động dao động thời điểm khởi động động sinh tượng nhiễu xuất thời gian trễ Đánh giá tổn hao, hiệu suất động biến tần tăng moment tải tốc độ: Khi tăng lần lược moment tải, tốc độ động tổn hao hiệu biến tần hiệu suất trình tăng đến mức định giảm dần sau moment tốc độ vượt giá trị cực đại, động làm việc chế độ cưỡng KẾT LUẬN 61 Điều khiển động phương pháp định hướng trường FOC có đặc điểm sau: • Đáp ứng từ thơng tốc độ động tốt, khơng vọt lố, • • khơng có sai số tĩnh Tốc độ động tăng nhanh Đáp ứng moment động đạt yêu cầu độ vọt lố cịn nhiễu động • Dịng điện khởi động khoảng 1,5-2 lần dòng xác lập • Từ thông, moment ước lượng tương tự đại lượng thực • Khi tăng moment tải tăng moment quán tính cho thấy đặc tính động phương điều khiển định hướng trường (FOC) TÀI LIỆU THAM KHẢO PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ (2003), Cơ sở truyền động điện, Nxb Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ (2017), Điện tử công suất 1, Nxb Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh GS.TS Hồ Phạm Huy Ánh (2017), Giáo trình biến đối lượng điện cơ, Nxb Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Nguyễn Hữu Phúc (2007), Máy điện 2, Nxb Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Trần Cơng Binh (2007), Hệ thống điều khiển số, Nxb Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Phan Quốc Dũng – Tơ Hữu Phúc (2003), Truyền động điện Nxb Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh 62 A new approach to direct torque control of induction motor drives for constant inverter switching frequency and torque ripple reduction – Yen Shin Lai and Jian Ho Chen A new approach to direct torque control of induction motor drives for constant inverter switching frequency and torque ripple reduction – Yen Shin Lai and Jian Ho Chen A new approach to direct torque control of induction motor drives for constant inverter switching frequency and torque ripple reduction – Yen Shin Lai and Jian Ho Chen 10 A new approach to direct torque control of induction motor drives for constant inverter switching frequency and torque ripple reduction – Yen Shin Lai and Jian Ho Chen 63 ... dòng để điều khiển tốc độ động KĐB hệ tọa độ vector quay dq gọi phương pháp điều khiển vector FOC – Field Oriented Control 3.2 Phương pháp điều khiển FOC Trong phương pháp điều khiển vector động. .. mô men điện từ M động KĐB điều khiển thành phần Như coi việc điều khiển từ thông rotor điều khiển mô men động KĐB độc lập xét hệ tọa độ dq hai thành phần chiều Vậy việc điều khiển gần độc lập... suất, bên cạnh lý thuyết điều khiển truyền động Động phân bố hệ thống truyền lực để điều hòa tốc độ máy sản xuất, thay dần động chiều Nó thường sử dụng để điều khiển động cách điều chỉnh điện áp Đây