tổng hợp điện cơ_hệ biến tấn-động cơ ứng dụng hệ mờ

MỤC LỤC Trang Lời nói đầu 3 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ BIẾN TẦN-ĐỘNG CƠ…… 4 1.1.Khái quát chung về hệ biến tấn-động cơ………………… …………… 4 1.1.Khái niệm………………………………………………… ……………….4 1.2.Phân loại………………………………………………… ……………… 4 CHƯƠNG II : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN……… ……… …… 15 2.1.Tổng quan về lý thuyết điều khiển mờ……………… … …… …… 15 2.1.1.Các khái niệm cơ bản…………………………………… …… ……….16 2.1.2.Định nghĩa tập mờ…………………………………………… ……….16 2.1.3.Các thuật ngữ trong Logic mờ………………………………… …… 16 2.1.4.Biến ngôn ngữ………………………………………… …… …………17 2.1.5.Các phép toán trên tập mờ…………………………………… ……… 18 2.1.6.Luật hợp thành……………………………………………………… … 19 2.1.7.Giải mờ………………………………………………… …… …… … 20 2.1.8. Mô hình mờ Tagaki-Sugeno…………………………… …… ……… 22 2.2. Bộ điều khiển mờ………………………………………………………… 23 2.2.1. Cấu trúc một bộ điều khiển mờ……………………………………… 23 2.2.2. Nguyên lý điều khiển mờ……………………………………………… 24 2.2.3. Thiết kế bộ điều khiển mờ………………………………………………. 24 2.3.Thiết kế bộ điều khiển………………………………………………… 25 2.3.1.Yêu cầu thiết kế…………………………………………………………. 25 2.3.2.Thiết kế bộ điều khiển mờ …………………………………………… 26 2.3.2.1.Các biến vào/ra và các giới hạn tới hạn…………………………… 26 2.3.2.2.Chọn hàm liên thuộc và biến ngôn ngữ……………………………… 26 2.3.2.3.Luật điều khiển……………………………………………………… 26 2.3.2.4.Luật hợp thành và giải mờ………………………………………… 27 2.3.2.5.Tối ưu 27 KẾT LUẬN 28 LỜI NÓI ĐẦU Vào những năm đầu của thập kỷ 90 , một ngành điều khiển kỹ thuật mới được phát triển rất mạnh mẽ và đã đem lại nhiều thành tựu bất ngờ trong lĩnh vực điều khiển , đó là điều khiển mờ . Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các phương pháp điều khiển kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác . Ngành kỹ thuật mới mẻ này có nhiệm vụ chuyển giao nguyên tắc xử lý thông tin , điều khiển của hệ sinh học sang hệ kỹ thuật . Khác với kỹ thuật điều khiển kinh điển là dựa vào sự chính xác tuyệt đối của thông tin mà trong nhiều ứng dụng không cần hoặc không thể có được điều khiển mờ chỉ cần xử lý các thông tin “ không chính xác”hay không đầy đủ đã có thể đưa ra quyết định chính xác.Chính khả năng này đã làm cho điều khiển mờ giải quyết được các bài toán mà trước đây không giải quyết được và cũng chính khả năng này đã đưa điều khiển mờ lên vị trí xứng đáng là kỹ thuật điều khiển của hôm nay và tương lai. Sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia phụ thuộc rất nhiều vào mức độ công nghiệp hóa, hiện đại hóa và tự động hoá các quá trình sản xuất. Với vai trò là mũi nhọn của kỹ thuật hiện đại, lĩnh vực tự động hoá đang phát triển với tốc độ ngày càng cao. Những thành tựu của lý thuyết Điều khiển tự động, Tin học công nghiệp, Điện tử công suất, Kỹ thuật đo lường đã và đang được triển khai trên quy mô rộng lớn, tạo nên những thiết bị và dây chuyền công nghiệp sản xuất tự động với năng suất cao và chất lượng tốt. Trong quá trình sản xuất, việc tự động hoá một dây chuyền sản xuất đóng vai trò rất quan trọng. Nó là cầu nối giữa các hạng mục sản xuất, giữa các phân xưởng trong nhà máy, giữa các máy công tác trong một dây chuyền. Việc điều khiển hoạt động của các dây chuyền hiện đại, tiên tiến cũng ngày càng đa dạng và phức tạp.Để làm quen với đó trong môn học Tổng hợp hệ điện cơ em đã được giao nhiệm vụ thực hiện đồ án “điều khiển mờ cho hệ điều chỉnh vị trí dùng bộ biến tần-động cơ”. Trong quá trình thiết kế, với sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Tự động hoá XNCN đặc biệt là thầy PHẠM TÂM THÀNH , cộng với sự nỗ lực của bản thân, em đã hoàn thành được bản đồ án này. Tuy nhiên, do thời gian tương đối ngắn và trình độ chuyên môn còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi thiếu sót. Em mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo để bản đồ án này được hoàn thiện hơn. Sinh viên Bùi văn Trượng CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN-ĐỘNG CƠ 1.1.Khái quát chung về biến tần 1.1.1.Khái niệm Khi nghiên cứu điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha (động cơ điện xoay chiều 3 pha roto lồng sóc) ta cần quan tâm các hệ cơ bản sau : 2 1 0 1 (1 ) (1) . . (2) . . (3) . (4) p t t s U k f M k I k dt ω ω φ φ θ ω = − = = = ∫ Trong đó ω là tốc độ góc của động cơ 0 ω là tố độ từ trường quay 0 60. f p ω = θ - góc quay của động cơ p U - giá trị hiệu dụng điện áp pha stato f - tần số của điện áp đặt vào stato M - mômen quay của động cơ I - giá trị hiệu dụng của điện áp một pha stato φ - Từ thông stato động cơ p - số đôi cực k - Hằng số chế tạo động cơ 1 k - Hằng số tính toán s - Hệ số trượt (Với động cơ lồng sóc thì s tương đối nhỏ và hầu như không đổi trong vùng làm việc) Ta thấy rằng tốc độ động cơ hoàn toàn tỉ lệ với điện áp đặt vào stato do vậy phương pháp điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều tiên tiến nhất hiện nay là điều chỉnh tần số nguồn cấp . Bộ biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác mà có thể thay đổi được gọi là bộ biến đổi hay bộ biến tần . Với các bộ biến tần dùng cho việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì ngoài việc thay đổi tần số của chúng còn có thể thay đổi cả điện áp ra khác điện áp mới cấp vào bộ biến tần . Hợp bộ biến tần-động cơ để điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có tên thường gọi là hệ biến tần- động cơ. 1.2.Phân loại Biến tần được chia thành 2 nhóm + Biến tần máy điện + Biến tần van → Biến tần máy điện : Nguyên lý chung của nó là dùng máy điện xoay chiều làm nguồn cung cấp điện có tần số biến đổi . Việc sử dụng cũng như điều khiển các loại máy này rất phức tạp vì phải sử dụng nhiều máy điện , diện tích lắp đặt lớn , hiệu suất làm việc thấp , gây ồn , nền móng kiên cố nên giá thành cao → Biến tần van : Nguyên lý làm việc dùng tín hiệu điều khiển để đóng mở các van (thường là Thyristor hoặc Transistor) biến đổi năng lượng điện xoay chiều ở tần số này thành năng lượng điện xoay chiều ở tần số khác Biến tần van có 2 loại là biến tần van biến đổi trực tiếp và biến tần van biến đổi gián tiếp. Ưu điểm nổi bật có thể thấy của biến tần loại này là nhỏ gọn , không gây ồn , hệ số khuếch đại công suất lớn , hiệu suất cao vì thế chúng được sử dụng rộng rãi . a) Biến tần van biến đổi trực tiếp là loại biến tần có tần số vào 1 f được biến đổi thành tần số 2 f f2 một cách trực tiếp mà không phải qua khâu trung gian ta có 2 1 (0 0,5)f f= → Thường dùng cho truyền động có công suất lớn tần số làm việc thấp. U ~ f 1 M a c h V a n Các nhóm van P , N có thể được điều khiển chung hoặc riêng . Khi điều khiển riêng thì không cần cuộn kháng cân bằng . Khi điều khiển chung thì cuộn kháng cân bằng để hạn chế dòng điện cân bằng xuất hiện do sự chênh lệch điện áp tức thời lúc đóng nhóm này mở nhóm kia mà quá trình quá độ không xảy ra tức thời . Nhóm van P tạo nửa chu kì dương của điện áp tải nhóm van N tạo nửa chu kì âm của điện áp tải . Trong mạch điều khiển người ta dùng dấu của dòng điện tải để quyết định nhóm van nào được làm việc . Khi một nhóm van được chỉ định làm việc thì nó làm việc ở chế độ chỉnh lưu và chế độ nghịch lưu phụ thuộc . Thời điểm phát xung mở Thyristor trong mỗi nhóm phải có phân bố sao cho điện áp Nhóm N Nhóm P U I t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t U,I CL NL CL NL Hình 2 : Các giai đoạn làm việc của các nhóm van trên tải là hình sin nhất và giá trị trung bình của điện áp đầu ra luôn tương thích với giá trị tức thời của điện áp mong muốn ( 2 *sin w m U U t= ). Để điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều , ta dùng bộ biến tần 3 pha gồm 3 bộ biến đổi song song ngược . Ưu điểm của sơ đồ này là có hiệu suất cao không dùng tụ chuyển mạch. Nhược điểm của sơ đồ là gam tần số hẹp 2 20f Hz< phải dùng nhiều Thyristor và nhạy cảm với sự biến động của lưới điện . b)Biến tần van gián tiếp Sơ đồ của mạch Trong biến tần này điện áp xoay chiều đầu tiên được chuyển thành 1 chiều nhờ mạch chỉnh lưu qua mạch lọc rồi mới biến đổi trở lại thành tần số 2 f .Điện áp đầu ra được điều chỉnh nhờ sự thay đổi góc thông của các van trong nhóm chỉnh lưu hoặc điều chế độ rộng xung .Việc phải biến đổi 2 lần làm giảm hiệu suất của biến tần song bù lại biến tần cho phép dễ dàng thay đổi tần số 2 f không phụ thuộc vào 1 f mà phụ thuộc vào mạch điều khiển . Sơ đồ chức năng Z a Z b Z c Hình 3 : Sơ đồ nguyên lý mạch lực bộ biến tần trực tiếp 3 pha dùng cho động cơ 3 pha f1 f1 ~ ,u1 = = f2 ,u2 ~ f2 Chỉnh lưu Lọc Nghịch lưu Hỡnh 4 : S chc nng b bin tn giỏn tip Tựy theo tớnh cht ca b chnh lu v dng tớn hiu ra m b bin tn c lp c chia lm 2 loi : - B bin tn ngun ỏp (hay l b nghch lu ngun ỏp) - B bin tn ngun dũng (hay l b nghch lu ngun dũng) B nghch lu ngun dũng Chỳng ta s xem xột mt mch tiờu biu hay c s dng l b nghch lu ngun dũng 3 pha . Khối nghịch lu dòng dùng để biến đổi dòng điện một chiều sau bộ lọc thành dòng điện xoay chiều để cung cấp cho động cơ không đồng bộ ba pha . Trong các hệ thống truyền động điện điều chỉnh thì nghịch lu dòng thờng dùng cho các hệ thống công suất lớn và có sơ đồ cầu ba pha, trong đó các van bán dẫn là các van điều khiển hoàn toàn . ở đây ta dùng các tiristor . Nguồn điện một chiều U d thông qua cuộn dây có điện cảm lớn cung cấp cho cầu biến tần dòng điện hằng I d . Trong cầu biến tần , mỗi tiristor đợc nối thêm một diode , gọi là diode chặn. Các tiristor đợc điều khiển mở theo trình tự : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, Hình 5. Sơ đồ phân phối xung cho các Thyristor. ~ u 1 ,f 1 F K ~ u 2 ,f 2 Chnh lu Lc Nghch lu iu khin A Hình 6. Sơ đồ dòng điện trên các pha tải Tại bất kỳ thời điểm nào, trừ giai đoạn trùng dẫn , chỉ có hai tiristor dẫn dòng . Dòng điện tải có dạng sóng gần sin chữ nhật gồm hai khối. Các khối cách nhau một khoảng , trờng hợp lý tởng , bằng /3, trong khoảng này dòng điện pha tải bằng 0. Các pha stator của động cơ lần lợt nhận các dòng điện sin chữ nhật lệch nhau góc 2 /3 , tạo ra từ trờng quay mà tốc độ của nó quyết định bởi nhịp điệu cấp xung điều khiển cầu biến tần. Động cơ điện sản sinh ra ở các pha các sức điện động tơng ứng tsinU2u R = = 3 2 2 tsinUu S = 3 4 2 tsinUu T Hoạt động của bộ nghịch lu dòng ba pha: Nguồn cung cấp cho nghịch lu là nguồn dòng điện, nguồn điện một chiều không phụ thuộc vào tổng trở của tải. Để thực hiện đợc điều này thờng thì điện cảm Ld phải có giá trị đủ lớn và phải sử dụng các mạch vòng điều chỉnh dòng điện . Dòng điện tải có dạng hình chữ nhật và do trình tự đóng cắt của các van từ T 1 đến T 6 quyết định. Giá trị hiệu dụng của dòng điện tải: 3 2 ds II = Giá trị hiệu dụng của thành phần sóng cơ bản dòng điện trong phân tích Fourie là: 6 1 ds II = Từ đây ta suy ra: 1 1 cos 63 d s U U = Khi nghịch lu nguồn dòng làm việc với tải là động cơ điện xoay chiều thì trên đồ thị điện áp tải có xuất hiện các xung nhọn tại các thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa các pha. Trong thực tế kỹ thuật thờng dùng các van điều khiển không hoàn toàn vì vậy cần có các mạch khóa cỡng bức các van đang dẫn , đảm bảo chuyển mạch giữa các pha một cách chắc chắn trong phạm vi điều chỉnh tần số và dòng điện đủ rộng . Trong sơ đồ cầu này ngoài các tiristor lực T 1 ữT 6 còn sử dụng các diode cách ly hay diode chặn từ D 1 ữ D 6 nhằm để cách ly giữa các tụ điện chuyển mạch và dây quấn các pha của động cơ không đồng bộ ĐK để chúng không tạo thành mạch cộng hởng làm ảnh hởng đến quá trình chuyển mạch . Để xét sự hoạt động của bộ nghịch lu dòng ba pha này ta xét quá trình chuyển dòng điện từ pha R sang pha S , và từ pha T sang pha R . H×nh 7. S¬ ®å chuyÓn m¹ch tõ pha R sang pha S T 1 D 1 D 4 T 4 C 1 C 2 C 3 A I d E d T 3 D 3 D 6 T 6 T 5 D 5 D 2 T 2 C 4 C 6 B C A' B' C' C 5 U S U R U T R S T ~ ~ ~ i R i S i T u C1 u C3 u C2 0 0 0 0 0 0 2π 2π 2π 2π 2π_ 2π t 1 t 4 t 2 t 3 U Cmax π π/3 t t t t t t Hình 8. Sơ đồ điện áp và dòng điện đi qua các phần tử của mạch và các . pha trong quá trình chuyển mạch * Chuyển dòng điện từ pha R sang pha S: Giả thiết T 1 , D 1 , D 2 và T 2 đang mở cho dòng chảy qua. Dòng điện I d chảy vào tải pha R và từ tải pha T chảy ra. Lúc này , điện áp trên các tụ điện nh sau: 01 Uuu BAC == 0 2 == BCC uu 03 Uuu CAC == Khi t = t 1 , cho xung điều khiển mở T 3 .Tiristor này mở , đặt điện áp u BA =-U 0 lên T 1 để khoá T 1 . Dòng điện I d , từ nguồn , lập tức chuyển qua T 3 , rồi rẽ thành hai nhánh . Nhánh thứ nhất , I C1 = 2 I d / 3 , nạp điện cho C 1 ; nhánh thứ hai , I C2 = I C3 = I d /3 nạp điện cho C 2 nối tiếp C 3 . Dòng điện hai nhánh hợp lại chảy qua D 1 để vào tải pha R rồi ra ra tải pha T qua D 2 và T 2 để trở về nguồn .Tụ điện C 1 và C 3 đợc nạp ngợc so với trớc đó. Lúc này (t=t 1 ) ,D 3 vẫn cha dẫn dòng . Trong mạch vòng BARSB ta có phơng trình: RSCD uuu += 13 Khi t t 2 , u D3 0, diode D 3 bắt đầu dẫn dòng . Dòng I s từ zero tăng dần đến trị I d còn dòng I R từ trị I d giảm dần xuống zero .Khi t = t 3 , kết thúc quá trình chuyển mạch . Lúc này T 3 và T 2 dẫn dòng : U BA = -U 0 , U CB = U 0 , U CA =0. Chuyển dòng điện từ pha T sang pha R Lúc này T 2 và T 3 đang dẫn dòng , ta có : U AB =0 , U BC =U 0 , U CA = -U 0 . Khi t=t 4 , cho xung điều khiển mở T 4 . Tiristor này đặt điện áp - U 0 lên T 2 để khoá T 2 . Dòng điện I d chảy qua D 2 , chia thành hai nhánh .Nhánh thứ nhất I C5 = I C4 =I d /3 nạp điện cho C 5 và C 4 . Nhánh thứ hai ,I C6 =2 I d /3 nạp điện cho C 6 Lúc này (t=t 4 ), D 4 vẫn cha dẫn dòng . Trong mạch vòng ACTRA ta có phơng trình : RTCD uuu += 64 Khi t t 5 , u D4 0, diode D 4 bắt đầu dẫn dòng . Dòng I R tăng dần đến trị I d , còn dòng I T từ trị I d giảm xuống zero .Khi t = t 6 , kết thúc quá trình chuyển mạch. Lúc này T 3 và T 4 dẫn dòng: U BA = U 0 , U CB = 0 , U CA = U 0 . Khi sử dụng sơ đồ biến tần dòng ba pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ, trị cực đại của mổi tụ điện chuyển mạch có thể đợc tính theo công thức sau: [...]... [ Im- dòng điện từ hoá , I m = I n 1 cos 2 ] In- dòng điện định mức của động cơ điện ; L - điện cảm tản một pha (stator + roto); Um -biên độ cực đại của điện áp dây B nghch lu ngun ỏp Bộ biến tần nguồn áp hay là bộ nghịch l điện áp có đặt điểm là dạng điện áp ra tải đợc định hình sẵn, còn dạng dòng điện tải lại phụ thuộc tính chất tải Nguồn cấp điện cho bộ biến tần phải là nguồn sức điện động với... trở nhỏ Nếu sử dụng chỉnh lu làm nguồn cho bộ nghịch lu độc lập thì cần phải mắc thêm một tụ điện C 0 ở đầu vào nghịch lu để một mặt đảm bảo điện áp nguồn ít bị thay đổi, mặt khác để trao đổi năng lợng phản kháng với điện cảm tải ( với tải R hoặc động cơ điện ) Điện áp ra của bộ nghịch lu độc lập không có dạng hình sin nh mong muốn mà đa số là dạng xung chữ nhật Để đánh giá sóng hài của điện áp ra ngời... t Hình 10 Dạng điện ra trên tải sau bộ nghịch lu Điện áp dây và điện áp pha nh sau: Khai triển Furie điện áp dây và điện áp pha: u AB = uA = 2 3 1 1 1 ud Sint Sin 5t Sin7t Sin11t 5 7 11 2 1 1 1 ud Sint + Sin 5t + Sin7t + Sin11t 5 7 11 Tần số điện áp ra có thể đợc thay đổi bằng cách thay đổi nhịp điệu đóng cắt của các van trong bộ nghịch lu Khi điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay... thờng dùng hệ số sau: Kq = Uq U1 trong đó Uq , U1 là trị hiệu dụng của sóng hài bậc q và bậc 1 ( sóng cơ bản ) Các van bán dẫn dùng trong bộ nghịch lu độc lập có thể là tiristor hoặc các transisto ( bipolar , MOSFET, IGBT) , nhng phù hợp và u việc hơn cả là dùng transisto do đó ngời ta tránh dùng tiristor Các sơ đồ nghịch lu độc lập phần lớn có dạng tơng tự nh ở mạch chỉnh lu , thông dụng nhất là... đổi bằng cách thay đổi nhịp điệu đóng cắt của các van trong bộ nghịch lu Khi điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số thì phải thay đổi cả điện áp đặt vào động cơ Điện áp có thể đợc điều chỉnh bằng các phơng pháp sau: + Điều chỉnh biên độ điện áp một chiều bằng bộ chỉnh lu có điều khiển hoặc bằng bộ băm xung + Điều chỉnh thời gian đóng, mở của các van CHNG II : THIT K B IU KHIN 2.1.Tng quan... UZ31 UZ12 2 3 UZ23 Hình 9 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lu ápba pha Nếu van có chỉ số thuộc nhóm lẻ thông hoặc Diod ngợc đi kèm nó thông thì điện áp đầu ra tơng ứng của pha đó với điểm không là U d/2 Ngợc lại nếu van có chỉ số chẵn thông hoặc Diod đi kèm với nó dẫn thì điện áp đầu ra của pha đó đối với điểm không là -Ud/2 Ta có: UZ12 = U10 - U20 UZ23 = U20 - U30 UZ31 = U30 - U10 U Z 12 = U Z 1 U Z 2 U . trong môn học Tổng hợp hệ điện cơ em đã được giao nhiệm vụ thực hiện đồ án “điều khiển mờ cho hệ điều chỉnh vị trí dùng bộ biến tần-động cơ . Trong quá. đổi cả điện áp ra khác điện áp mới cấp vào bộ biến tần . Hợp bộ biến tần-động cơ để điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có tên thường gọi là hệ biến tần-