ĐỒ án TRUYỀN ĐỘNG điện đề tài tìm HIỂU bộ điều KHIỂN FOC (số LIỆU 1)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA TỰ ĐỘNG HÓA & ĐIỀU KHIỂN - - ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU BỘ ĐIỀU KHIỂN FOC (SỐ LIỆU 1) Giảng viên hướng dẫn : Thầy Mai Hồng Cơng Minh Sinh viên thực : Lê Đình Trường MSV : 18810430236 Khoa : ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HĨA Lớp : D13 TDH&TBDKCN3 Khố : 2018 – 2023 Hà Nội 06/2021 Mục lục Danh mục hình vẽ Danh mục từ viết tắt LỜI NÓI ĐẦU Phương pháp FOC (Field Oriented Control) cho động không đồng pha giải pháp hàng đầu hệ thống truyền động điện đại ngày Nó dần thay hệ truyền động dùng động DC với giá thành cao độ tin cậy thấp Cùng với phát triển mạnh mẽ công nghệ bán dẫn kỹ thuật vi xử lý đặc biệt đời máy tính số với tốc độ xử lý cao, việc thực hệ thống điều khiển sử dụng lý thuyết vector trở nên dễ dàng tạo bước nhảy vọt kỹ thuật điều khiển động Động không đồng pha rotor lồng sóc với ưu điểm giá thành thấp, khơng cần bảo trì thường xun, khả làm việc cao lựa chọn tốt để ứng dụng điều khiển vector hệ truyền động công nghiệp Điều khiển vector theo nguyên lý định hướng trường xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thông moment điều khiển moment tối ưu trạng thái độ xác lập Phần mềm Simulink/Matlab sử dụng để mô phỏng, khảo sát phân tích đáp ứng hệ thống điều khiển có tham số khơng đổi Nó cho kết phù hợp với lý thuyết thực tiễn Trong phạm vi đồ án sâu vào tìm hiểu cấu trúc điều khiển FOC thuật toán điều khiển cho động KĐB xoay chiều pha Được hướng dẫn nhiệt tình Thầy Mai Hồng Cơng Minh ,Trường đại học Điện Lực ,em hoàn thành xong đề tài với yêu cầu TÌM HIỂU BỘ ĐIỀU KHIỂN FOC Em xin cân thành cảm ơn! Sinh viên thực Lê Đình Trường CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA 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 thảnh rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao gần khơng cần bảo trì Dải cơng suất rộng từ vài Watt đến 10000hp.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, cịn có vỏ máy, nắp máy trục máy Hình 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 rôto 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 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 Hình Vỏ máy động KĐB 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 dập rãnh để đặt dây quấn, có dập lỗ để lắp trục Trục máy điện không đồng làm thép, gắn lõi thép rơto Dây quấn rotor máy điện khơng đồng có hai kiểu : rotor ngắn mạch gọi rotor lồng sóc rotor dây quấn Rotor lồng sóc: gồm đồng nhôm 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 Rotor động KĐB Rotor dây quấn: quấn dây giống dây quấn ba pha stator có số cực từ dây quấn stator Dây quấn kiểu nầy ln ln 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 nầy để dẫn điện vào biến trở nối nằm động để khởi động điều chỉnh tốc độ 1.2 Nguyên lý làm việc động KĐB Khi dòng điện pha dây quấn stator → khe hở khơng khí xuất từ trường quay với tốc độ Từ trường quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt lõi sắt rotor, làm cảm ứng dây quấn rotor sđđ Do rotor kín mạch nên dây quấn có dịng điện hợp với từ thơng stator tạo thành từ thơng khe hở Dịng điện dây quấn rotor tác dụng với từ thông khe hở sinh momen Tác dụng có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n rotor 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 Các trường hợp hệ số trượt: n = n1 → s = n=0→s=1 n > n1 → s < n < → s > (rotor quay ngược chiều từ trường quay) Roto quay chiều từ trường quay, tốc độ n < n1 (0 < s < 1) Giả thiết chiều quay n1 từ trường khe hở F rotor n hình bên Theo qui tắc bàn tay phải, xác định chiều sđđ E2 I2; Theo qui tắc bàn tay trái, xác định lực Fđt momen M Ta thấy F chiều quay rôto, điện đưa tới stator, thông qua từ trường biến đổi thành trục làm quay rôto theo chiều từ trường quay n1 → Máy làm việc chế độ động  Roto quay chiều từ trường quay, tốc độ n > n1 (s < 0) Dùng động sơ cấp quay rôto máy điện không đồng vượt tốc độ đồng n > n1 Chiều từ trường quay quét qua dây quấn rôto ngược lại, sức điện động dịng điện dây quấn rơto đổi chiều nên mômen M ngược chiều n1, nghĩa ngược chiều rotor, nên momen 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 ngun nhân mà rotor máy điện quay ngược chiều từ trường quay, lúc chiều sđđ, dịng điện mơmen giống chế độ động điện Vì mơmen sinh ngược chiều quay với rơto 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 1.3 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 rôto Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển 3.1 Phương pháp điều khiển Trong phương pháp điều khiển vector động KĐB pha, để điều khiển động cách tối ưu người ta phân tích việc điều khiển động thành điều khiển thành phần, thành phần sinh từ thông thành phần sinh mô men tương đương với việc điều khiển động điện chiều kích từ độc lập Trong phương pháp điều khiển vector người ta chia thành phương pháp điều khiển phương pháp điều khiển véc tơ trực tiếp phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp Dựa vào việc phân tích chuyển đổi hệ tọa độ từ tọa độ tĩnh abc sang hệ tọa độ quay dq với gốc tọa độ Người ta phân tích thành phần bên phía stator véc tơ điện áp véc tơ dòng điện thành véc tơ dòng áp hệ tọa độ dq kết hợp với việc chọn trục véc tơ từ thông rô to trùng với trục d hệ tọa độ quay dq phân tích chương Phương pháp điều khiển vector gián tiếp Trong phương pháp điều khiển vector gián tiếp, góc lệch trục từ thông rotor trục day quấn pha A stator góc tính thơng qua tốc độ đo từ trục động tốc độ trượt Công thức liên hệ sau : == Vận tốc trượt tính theo phương trình sau: Ở chế độ xác lập Thay vào phương trình ta Từ phương trình tốn xây dựng ta dựng nên sơ đồ điều khiển véc tơ gián tiếp cho động KĐB Phương pháp điều khiển vector trực tiếp Phương pháp điều khiển vector trực tiếp động KĐB pha , góc quay xác định dựa vào từ thông rotor Từ thông rotor ước lượng qua điện áp dịng điện động , ngồi ta cịn ước lượng từ thơng rotor thơng qua dịng điện tốc đọ động Ta xây dựng đồ thị góc phương pháp điều khiển vector trực tiếp Từ đồ thị rút phương trình sau: Khi biên độ từ thơng rotor : Từ hình vẽ cos sin xác định góc pha từ thơng rotor Vector đơn vị quay để hướng dòng theo trục d dòng theo trục q Phương pháp tính tốn cos sin từ vector từ thơng phản hồi gọi phương pháp điều khiển vector trực tiếp Tuy nhiên để biết hướng vector từ thông rotor ta phải biết biên độ vector việc đo từ thơng rotor có nhiều hạn chế Do ta phải ước lượng từ thơng rơ to qua đại lượng đo dịng điện stator tốc độ quay rơ to, sau sơ đồ hệ điều khiển véc tơ trực tiếp tựa theo từ thông rô to sử dụng quan sát từ thông 3.4 Thiết kế điều khiển Động KĐB rotor lồng sóc điều khiển phương pháp điều khiển vector RFOC thiết kế hai mạch vòng mạch vòng điều khiển dòng điện với mạch vòng nhỏ , mạch vịng điều khiển dịng điện mạch vòng điều khiển dòng điện ; tương tự động chiều, dịng điện đóng vai trị dịng kích từ dịng phần ứng Vịng ngồi vịng điều khiển tốc độ, mạch vịng có thời gian trễ nhiều lần so với mạch vịng phía Cụ thể xét mục sau 3.4.1.Cấu trúc điều khiển vector không gian Như sơ đồ ta thấy hai mạch vòng điều khiển rõ ràng riêng biệt, mạch vòng điều khiển tốc độ mạch vòng điều khiển dịng điện, sử dụng thuật tốn luật điều khiển PI 3.4.2 Thiết kế bù từ thơng Mơ hình dịng Coi thành phần nhiều Thành phần từ thơng có tác động đến thành phần dịng Vì thiết kế bù từ thông để triệt tiêu ảnh hưởng Mơ hình dịng stator sau bù từ thơng Hình Mơ hình dịng stator sau bù từ thơng  Mơ hình dịng =Coi thành phần nhiễu Thành phần từ thơng có tác động đến thành phần dịng Vì thiết kế bù từ thơng triệt tiêu ảnh hưởng Mơ hình dịng sau bù từ thơng Hình Mơ hình dịng stator sau bù từ thông 3.6.3 Thiết kế điều khiển dòng điện  Bộ điều khiển dòng điện mạch vòng dòng sau: = Laplace vế phương trình : s=-+ ⇨= ⇨ Hàm truyền đối tượng dòng điện là: Đối tượng khâu quán tính bậc nên ta sử dựng điều khiển PI Sơ đồ điều khiển mạch vịng Hình Bộ điều khiển dòng isd Coi trễ thiết bị Đối tượng điều khiển có hàm truyền = với k= khâu PT2 nên thiết kế BĐK PI theo phương pháp tối ưu module PI : ; Tính tốn ta ; Đáp ứng đối tượng với tín hiệu bước nhảy Hình 10 Đáp ứng bước nhảy đối tượng có điều khiển  Bộ điều khiển dịng điện mạch vịng Sau bù từ thơng , mơ hình dịng điện sau: = Lapplace vế phương trình được: s= ⇨= ⇨ Hàm truyền đối tượng dòng điện = Đối tượng khâu quán tính bậc nên ta sử sụng điều khiển PI Sơ đồ điều khiển mạch vòng dòng điện Hình 11 Bộ điều khiển dịng isq Coi trễ thiết bị Đối tượng có hàm truyền == với k= khâu PT2 nên thiết kế BĐK PI theo phương pháp tối ưu module PI : ; Tính tốn ta ; Đáp ứng đối tượng với tín hiệu bước nhảy Hình 12 Đáp ứng bước nhảy đối tượng có điều khiển 3.4.4.Thiết kế điều khiển tốc độ Coi vòng điều khiển dòng khâu PT1 với hàm truyền: với =0,005 Hàm truyền đối tượng vận tốc = với K= Thiết kế điều khiển PI theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng Chọn a = ; Hình 13 Đáp ứng bước nhảy đối tượng vận tốc có điều khiển 3.4.5 Thiết kế điều khiển từ thông Từ công thức = ⇨= Đối tượng từ thông Thiết kế BĐK PI theo chuẩn tối ưa module = ; =11,23 với k=1 Hình 14 Đáp ứng bước nhảy đối tượng từ thơng có điều khiển 3.4.6 Khâu dẫn từ thông Khi điều khiển động vùng tốc độ dải tốc độ định mức, từ thông giữ không đổi từ thông định mức Khi điều khiển động vùng tốc độ dải tốc đội định mức , từ thơng suy giảm với tỷ lệ Hình 15 Khâu dẫn từ thơng 3.4.7 Chống bão hịa tích phân Do tính khả thi thực thiết bị, tín hiệu bị giới hạn Do gặp phải tượng bão hịa tích phân thành phần I BĐK Giải pháp đề thiết kế phần chống bão hịa tích phân Hình 16 Bộ điều khiển PI có chống bão hịa tích phân CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ... vector động KĐB Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển 3.1 Phương pháp điều khiển Trong phương pháp điều khiển vector động KĐB pha, để điều khiển động cách tối ưu người ta phân tích việc điều khiển. .. pháp điều khiển vector RFOC thiết kế hai mạch vòng mạch vòng điều khiển dòng điện với mạch vịng nhỏ , mạch vịng điều khiển dòng điện mạch vòng điều khiển dòng điện ; tương tự động chiều, dòng điện. .. hoàn thành xong đề tài với yêu cầu TÌM HIỂU BỘ ĐIỀU KHIỂN FOC Em xin cân thành cảm ơn! Sinh viên thực Lê Đình Trường CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA Động KĐB xoay