Thiết kế hệ truyền động cho động cơ từ trở thay đổi (SRM), đã tính toán, có file mô phỏng matlab simulink, dễ hiểu. Liên hệ zalo Hiếu: 0334848388 1) Giới thiệu chung (tổng quan) về động cơ từ trở thay đổi (SRM). Cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại. 2) Phân tích nguyên tắc điều khiển tốc độ cho động cơ từ trở thay đổi. 3) Lựa chọn 1 mô hình điều khiển dòng điện, tốc độ cho SRM. Tính toán, mô phỏng, kiểm nghiệm phương pháp bằng phần mềm MATLABSimulink.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỀ TÀI Thiết kế hệ truyền động cho động từ trở thay đổi (Switched reluctance motor) Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Khốt Nhóm sinh viên/ sinh viên thực hiện: Nhóm 1: Nguyễn Trung Hiếu – MSV: 18810430214 Vũ Nhật Long –MSV: 18810430156 Trần Mạnh Cường – MSV: 18810430166 Lớp: D13TDH&DKTBCN2 HÀ NỘI, 6/2022 MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH BẢNG ĐỀ BÀI BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ Đề bài: Thiết kế hệ truyền động cho động từ trở thay đổi (Switched reluctance motor) 1) Giới thiệu chung (tổng quan) động từ trở thay đổi (SRM) Cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại 2) Phân tích nguyên tắc điều khiển tốc độ cho động từ trở thay đổi 3) Lựa chọn mơ hình điều khiển dịng điện, tốc độ cho SRM Tính tốn, mơ phỏng, kiểm nghiệm phương pháp phần mềm MATLAB/Simulink Ngày 04, tháng 03 năm 2022 Giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Ngọc Khoát CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI Trong năm gần đây, động tử trở (SRM) lụi ý để đưa vào ứng dụng công nghiệp điều khiển tốc độ cao Khả trội tính mạnh mẽ chắn, mạch vịng điều khiển kín đơn giản, hiệu kinh tế cao Ngày nay, truyền động SRM động thơng qua ứng dụng tự động quan trọng thiết bị lái điện, phận tích hợp máy phát điện xoay chiều, máy bơm Khuynh hướng tương tự tiến hành lĩnh vực khác công nghiệp thiết bị nội thất, không gian vũ trụ dụng cụ khai thác mỏ công suất lớn Nghiên cứu phát triển toàn giới tiến triển khía cạnh thay đổi truyền động SRM để đạt kết tiến thật 1.1 Tổng quan động từ trở Ra đời cách gần 200 năm, SRM coi loại máy điện giới, SRM không trọng phát triển số nhược điểm mang tính tiền định có nguồn gốc từ nguyên lý động cơ: Momen quay chứa nhiều sóng hài bậc cao gây nhiều tiếng ồn nhiều so với loại động khác Hiệu suất hệ truyền động sử dụng SRM thấp (cosϕ ∼ 0,5) so với hệ truyền động dùng loại động khác (cosϕ ∼ 0,7 ÷ 0,8) SRM bắt đầu phát triển vào 1972 Bedfford cấp sáng chế độc quyền SRM nhận quan tâm sau mẫu làm việc đại học Leeds Nottingham năm 1980 Nó tiếp tục nghiên cứu tồn giới, đặc biệt Châu Âu Mỹ Kết công bố khác nhau, dạng cấp sáng chế ứng dụng Sau gần 30 năm nghiên cứu SRM, xuất máy điện SRM đơn giản nhất, nhiên tồn nhiều nhược điểm cần nghiên cứu xa Trong năm gần đây, công nghệ bán dẫn phát triển mạnh mẽ thu nhiều thành cơng đáng kể SRM quan tâm ngày nhiều, biết đến với tên “động từ trở thay đổi” – switched Reluctance Motor (SRM) Máy điện từ trở thay đổi có đặc điểm bật: - Hoạt động trạng thái đóng ngắt liên tục, lý chủ yếu giải thích SRM quan tâm ngày phát triển ngành vật liệu bán đẫn đạt thành công vượt trội - Từ trở: Roto stato có thay đổi từ trở (điện kháng phức tạp) động làm việc, hay nói cách khác SRM loại máy điện có cực phía Bộ truyền động động từ trở tương đối truyền động tốc độ thay đổi Bộ truyền động động từ trở truyền động tốc độ thay đổi với cấu trúc đơn giản, dải tốc độ rộng, hiệu suất lượng tốt, tỷ số momen quán tính lớn tỷ số tương quan nguồn momen cao Cấu trúc đơn giản SRM làm rẻ truyền động tốc độ thay đổi khác đa số nhà cung cấp SRM có tính linh hoạt vận hành truyền động góc phần tư với điều khiển độc lập tốc độ momen vùng tốc độ Vùng tốc độ momen cao loại trừ cần thiết đắt bánh khí hộp truyền động phức tạp 1.2 Cấu trúc động từ trở thay đổi Hình 1.1 Cấu trúc động 6/4 SRM (pha A không thẳng hàng) Cũng giống loại động khác, SRM cấu tạo hai phần chính: Stato: Khơng giống loại máy điện ba pha khác - loại máy điện có cuộn dây phân tán tùy theo số đơi cực, stator SRM có cấu tạo nhiều cực từ chứa cuộn dây tập trung Roto: Hoàn toàn khác biệt với Roto loại máy điện khác, Roto SRM không chứa cuộn dây chế tạo vật liệu sắt từ có xẻ với tổng số tổng số cực Stato, việc chế tạo hoàn toàn dựa nguyên tắc hoạt động SRM đề cập đến phần sau Hình 1.1 rõ cấu trúc động từ trở pha 6/4 (6 cực stato cực roto) Như hình 1.1 ta thấy động SRM có cự lồi roto stato, SRM động lồi hai cực Máy điện có cực roto cực stato nên gọi động 6/4 SRM Mỗi cực stato có cuộn dây quấn xung quanh Hai cuộn dây hai cực stato đối ngược nối nối tiếp song song để tạo nên pha stato Khơng có cuộn dây roto từ trường roto Trong hình 1.1, cuộn dây pha C - C’ stato kích thích dịng pha đổi cực cảm ứng tạo nên cực stato trường điện từ Trường điện từ cảm ứng đôi cực - 1’ roto, trường điện từ làm quay - 1’ roto - phía gần pha C - C Trong suốt trình quay, điện cảm từ thơng móc vịng giảm đạt giá trị nhỏ cực roto thẳng hàng với cực stato VD cực - thẳng hàng với cực C C’ Sự thay đổi điện cảm trình quay đặc trưng động SRM Nếu pha kích thích liên tiếp, pha C - C’, đến pha A - A’, pha B B’ đến pha C – C’, roto quay theo bước, bước góc θs 2π θs = qnR (1.1) Trong đó: q số pha, NR số đơi cực, hình 1, θs = Hình 1.2 Cấu trúc động 6/4 SRM (Pha A thẳng hàng) Hình 1.2, biểu diễn động 6/4SRM với roto thẳng hàng với pha A - A’ Hình 1.2 roto thẳng hàng với soto pha A - A’, ngược lại với hình roto không thẳng hàng với stato pha A - A’ Vị trí thẳng hàng điểm trạng thái cân mà dịng pha khơng cung cấp momen lệch hướng ngỏ roto cung cấp momen để đẩy roto trở lại Trái lại, vị trí khơng thẳng hàng trạng thái khơng cần di chuyển nhỏ roto tạo nên chuyển động SRM có nhiều loại, tùy thuộc theo yêu cầu cụ thể tốc độ, công suất với vùng nguồn từ 100 W đến 75kW với tốc độ khoảng 250 đến 3000 rpm 1.3 Nguyên lý hoạt động Sự chuyển động động SRM gây thay độ tự cảm khe hở khơng khí roto stato Khi cuộn dây stato cấp nguồn, cung cấp trường từ trường đơn cực, momen điện từ sinh khuynh hướng dịch chuyển roto đến vị trí cho từ trở mạch từ nhỏ Khi cực roto có vị trí đồng trục tương ứng với cực stato có dây quấn pha kích từ, hình 1.3, khơng có momen mặt trực giao (coi khe hở nhỏ) Tại vị trí này, độ tự cảm lớn từ trở nhỏ (bỏ qua từ trở mạch từ trường) Nếu dời roto khỏi vị trí đó, sinh momen để có khuynh hướng mang roto quay lại vị trí đồng trục Nếu dịng đưa vào pha vị trí lệch trục, hình 1.3 khơng sinh momen (hoặc ít) Nếu chuyển roto khỏi vị trí lệch trục, momen quay dời roto tới vị trí thẳng hàng Hình 1.3 Vị trí đồng trục Hình 1.4 Vị trí lệch trục Momen quay SRM có đường phân bố bề mặt Roto lặp lại theo chu kỳ Trong chu kỳ có hai vị trí: vị trí đồng trục vị trí lệch trục Trong hình 1.4, cực active cực lân cận phía bên phải cực active tại, Roto quay trái góc 1/4 Nghĩa là: Roto quay ngược với chiều trường quay tạo nên từ phái stato Gọi m số pha stato, 2p c số cực pha, từ trường stato quay sau xung góc là: Vc = 306° Pcm (1.2) Nếu số roto z, sau xung roto quay góc: Vr = 306° zm (1.3) Tức qua chậm hơn: Vr Pc = Vs z ( 1.4) lần so với từ trường quay stato Để đạt tốc độ quay n, tần số điều khiển fs (control frequency) cần thiết phải là: f s = nz (1.5) Nguyên lý hoạt động: Để đảm bảo SRM khởi động vị trí roto đảm bảo momen sinh chuyển mạch cuộn dây pha stato, người ta chế tạo SRM có nhiều cực phía roto stato số cực roto stato không giống số đôi cực stato nhiều số đôi cực roto Một số dạng động phổ biến 6/4 (6 cực stato cực roto), 8/6, 12/10 6/4 8/6 hai loại phổ biến Roto SRM coi nằm vị trí đồng trục so với pha thời điểm điện cảm cuộn dây pha lớn roto gọi vị trí lệch trục với pha xác định điện cảm đạt giá trị nhỏ nhất, cịn vị trí khác roto gọi vị trí đồng trục Khi cuộn dây pha dẫn dịng, roto SRM ln có xu hướng chuyển động phía cực stato có cuộn dây dẫn dòng để giá trị điện cảm lớn (vị trí đồng trục) điều làm cho từ cuộn dây đạt giá trị lớn Tốc độ SRM thay đổi cách thay đổi số đôi cực stato số của roto Tuy nhiên việc làm tăng giá thành động SRM hệ truyền động sử dụng SRM phải tăng số lượng linh kiện rời rạc để xây dựng hệ thay đổi tần số đóng ngắt cuộn dây pha stato vào nguồn chiều Mối quan hệ vận tốc góc roto, với tần số đóng ngắt thể qua công thức (1.5) Như vậy, Khi cuộn dây pha stato đóng vào nguồn rõ ràng Momen sinh kéo roto chuyển động theo hướng làm điện cảm tăng dần giá trị điện cảm lớn Giả thiết khơng có tượng từ dư lõi thép khơng xét tới chiều dịng điện chảy cuộn dây pha SRM momen ln có chiều hướng kéo roto chuyển động phía vị trí đồng trục gần Vì chiều momen dương (chế độ động cơ) xác định roto nằm vị trí lệch trục vị trí đồng trục chiều với chiều quay roto Hay nói cách khác chế độ động sinh roto quay theo chiều làm điện cảm SRM tăng dần Nếu số cực stato số roto pha stato đóng vào nguồn tạo momen quay nửa phần bề mặt roto tương ứng kết để tạo momen quay cần cặp dây stato cấp nguồn vị trí roto Vì mà SRM ln có cấu tạo với số đôi cực stato nhiều số roto Như vậy, để tạo momen dương cuộn dây pha stato phải cấp nguồn điện cảm cuộn dây tăng dần Tương tự, để hãm động cơ, cuộn dây pha stato phải cấp nguồn điện cảm cuộn dây giảm dần Chú ý, cuộn dây pha stato tích cực phải ngắt khỏi nguồn trước trình tăng điện cảm cuộn dây kết thúc (trong chế độ động cơ) dịng điện giảm nhanh tránh tạo momen âm khơng mong muốn Nói cách ngắn gọn SRM điều khiển cách đóng ngắt cuộn dây pha cách vào nguồn chiều, đồng với vị trí roto 1.4 Quá trình vật lý 1.4.1 Từ trở thay đổi Từ trở phần từ thông thay đổi theo vị trí roto, đặc biết từ trở dịng điện từ tính: R= F Hl l = = λ BS µ S (1.6) Trong đó: F: lực điện từ λ: từ thông H: cường độ điện trường l: chiều dài phần điện từ B: mật độ từ thông 10 Rω = Fch So (1 − Fch ) Fch = với 1 + sτ o + 2s 2τ o2 Như ta có: 1 + 2sτ o + s 2τ o2 Rω = Kb Hω 1 − ÷ Tm H c s (1 + sTs ) + 2sτ o + 2s 2τ o2 ⇔ Rω = Rω = τ o = Ts Tm H c s(1 + sTs ) K b H ω 2sτ o ( + sτ o ) Tm H c K b H ωTs Thay ta được: Vậy điều chỉnh khâu tỉ lệ • Xét trường hợp TL ≠ , Vr* = Hình Sơ đồ khối mạch vịng điều chỉnh tốc độ có TL ω ( s) = −TL ⇔ sTm 1− Tm H c Hω − ÷ sTm + sTω H c (1 + 2sTr ) K b Hω Ts −ω ( s ) Kb H ω Ts H c (1 + 2sTr )(1 + sTω ) = TL 2Ts K b s (1 + sTω )(1 + 2sTr ) + −ω ( s) = K b H ωTs H c ≠ s →0 TL lim Vậy hệ không khử nhiễu tải b Mạch vịng tốc độ sử dụng điều chỉnh tích phân tỉ lệ PI • Xét trường hợp TL=0 35 Hình 10 Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ Hàm truyền đối tượng: So = Kb H ω Kb Hω = H c (1 + 2sTr )( B + sJ )(1 + sTω ) Tm H c s (1 + 2sTr )(1 + sTω ) ⇔ So = Kb Hω Tm H c s[1 + s (2Tr + Tω ) + 2s 2TrTω 14 43 ] vo _ cung _ be _ bac _ cao ⇔ So = Kb Hω Tm H c s (1 + sTs ) Ts = 2Tr + Tω Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: Rω = Fdx So (1 − Fdx ) Fch = với + sτ o + 4sτ o + 8s 2τ o2 + 8s 3τ o3 Như ta có: + 4sτ o + 4sτ o + 8s 2τ o2 + 8s 3τ o3 Rω = Kb Hω + sτ o 1 − 2 3 ÷ Tm H c s (1 + sTs ) + sτ o + 8s τ o + 8s τ o ⇔ Rω = Thay τ o = Ts Tm H c s (1 + sTs )(1 + 4sτ o ) K b H ω 8s 2τ o2 ( − sτ o ) ta được: T H (1 + 4sTs ) Rω = m c2 8Ts K b H ω s Vậy điều chỉnh tổng hợp khâu PI 36 • Xét trường hợp TL ≠ , Vr* = Hình 11 Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ có TL ω (s) = −TL ⇔ sTm 1− Tm H c (1 + sTs ) Hω − ÷ sTm + sTω H c (1 + sTr ) 8Ts2 K b H ω s 8Ts2 K b H ω sH c (1 + sTr )(1 + sTω ) −ω ( s) = TL (1 + sTs ) + 8Ts2 Kb s (1 + sTω )(1 + sTr ) −ω ( s ) = =0 s →0 TL (1 + sTs ) + lim Vậy dùng điều chỉnh PI khử sai lệch nhiễu tải 3.3 MÔ PHỎNG MATLAB SIMULINK Bảng 3.1 Thông số động Tham số động Công suất định mức Số pha Số cực stator Số cực rotor Điện cảm pha max Điện cảm pha Quán tính Điện trở stator Giá trị 6kW 23.6mH 0.65 0.05kg.m 0.05 Ω Cấp điện áp chiều 240V Momen tải 5N.m 37 3.3.1 Mô tổng hợp mạch vòng Matlab/Simulink a) Mạch vòng dòng điện bỏ qua sức điện động Hình 12 mạch vòng dòng điện bỏ qua sức điện động Với giá trị đặt dòng điện 25A ta kết mơ phỏng: Hình 13 đồ thị dịng điển mạch vòng dòng điện bỏ qua sức điện động cảm ứng Nhận xét: - Thời gian độ 0.008s - Độ điều chỉnh 4.3% - Dòng điện xác lập: 25A b) Mạch vịng dịng điện có sức điện động, khơng có momen tải Hình 14 Mạch vịng dịng điện có sức điện động, khơng có momen tải Kết mơ phỏng: 38 Hình 15 đồ thị mạch vịng dịng điện có sức điện động, khơng có momen tải Nhận xét: - Thời gian độ 0.008s - Độ điều chỉnh 4.3% - Dòng điện xác lập: 25A c) Mạch vịng dịng điện có sức điện động, có monem tải TL=Bω Hình 16 Mạch vịng dịng điện có sức điện động, có monem tải TL=Bω Kết mơ phỏng: 39 Hình 17 đồ thị dịng điện mạch vịng dịng điện có sức điện động, có monem tải TL=Bω Nhận xét: - Thời gian độ 0.008s - Độ điều chỉnh 4.3% - Dòng điện xác lập: 25A d) Mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng Hình 18 Mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng Kết mô với tốc độ đặt 1000 vịng/phút: 40 Hình 19 đồ thị mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng Nhận xét: - Thời gian xác lập 0.48s - Độ điều chỉnh 25% - Tốc độ xác lập: 1000 vịng phút 41 3.3.2 Mơ hình SRM (6/4) với điều khiển PID Matlab/Simulink Điều khiển tốc độ hệ truyền động SRM (6/4) xây dựng matlab/simulink có sơ đồ khối sau: Hình 20 Mơ hình SRM (6/4) với điều khiển PID Matlab/Simulink 42 a Bộ chuyển đổi nguồn Bộ chuyển đổi sử dụng cầu không đối xứng chuyển đổi chuyển đổi dòng điện cung cấp cho pha phù hợp với vị trí rơto Hình 21 Bộ chuyển đổi nguồn ba pha Hình 22 Bộ chuyển đổi nguồn pha 43 b Phản hồi vị trí Hình 23 Đo phản hồi vị trí c Bộ điều khiển PID Hình 24 Bộ điều khiển PID Kết mơ phỏng: 44 Hình 25 Đặc tính từ hóa động Nhận xét: Mơ với: + Tốc độ đặt 3000 vịng/phút + Chạy khơng tải 0,3s đầu, sau momen tải N.m + Điện áp chiều 240V Kết mô phỏng: + Thời gian tăng tốc 0,18s + Sau xác lập tốc độ bám sát giá trị đặt + Độ đâp mạch momen lớn 45 Hình 26 Kết mơ SRM (6/4) với dòng điện, momen, tốc độ 46 KẾT LUẬN Động từ trở thay đổi có nhiều ưu điểm như: cấu tạo đơn giản, kích thước nhỏ gọn, dài điều chỉnh tốc độ rộng, tốc độ lớn có khả tăng tốc Tuy nhiên, có nhược điểm lớn tính phi tuyển mạnh momen hàm dòng, điện cảm vị trí Chính nhược điểm làm cho điều khiển động SRM phức tạp động khác Nhưng với phát triển mạnh mẽ công nghệ điện tử năm gần đây, hệ truyền động động từ trở nghiên cứu hy vọng ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp quan trọng, phát huy hữu hiệu ưu điểm động Trong báo cáo đồ án mơ hình hố động SRM mơ thử nghiệm mơ hình xây dựng Việc tổng hợp mạch vòng điều khiển hệ truyền động động SRM với hai mạch vòng điều chỉnh (tốc độ dòng điện) tổng hợp mô matlab/Simulink Chương cuối đồ án đề xuất phương pháp giảm xung momen cho hệ truyền động động SRM Do hạn chế thân thời gian có hạn nên đồ án cịn có thiếu sót Rất mong góp ý thầy bạn Cuối cùng, nhóm em xin chân thành cám ơn thầy Nguyễn Ngọc Khốt, thầy bạn giúp đỡ nhóm hồn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn! 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2007) - Cơ sở truyền động điện, NXB Khoa học Kỹ thuật Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2002) Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Phùng Quang (2004) - Matlab & Simulink U) dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học Kỹ thuật 48 ... trội - Từ trở: Roto stato có thay đổi từ trở (điện kháng phức tạp) động làm việc, hay nói cách khác SRM loại máy điện có cực phía Bộ truyền động động từ trở tương đối truyền động tốc độ thay đổi. .. ĐỀ BÀI BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ Đề bài: Thiết kế hệ truyền động cho động từ trở thay đổi (Switched reluctance motor) 1) Giới thiệu chung (tổng quan) động từ trở thay đổi (SRM) Cấu tạo, nguyên lý làm... trình vật lý 1.4.1 Từ trở thay đổi Từ trở phần từ thông thay đổi theo vị trí roto, đặc biết từ trở dịng điện từ tính: R= F Hl l = = λ BS µ S (1.6) Trong đó: F: lực điện từ λ: từ thông H: cường