Luận văn:Điều khiển mờ động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc doc

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN THẾ ANH ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ROTOR LỒNG SÓC C C h h u u y y ê ê n n n n g g à à n n h h : : T T ự ự ñ ñ ộ ộ n n g g h h ó ó a a M M ã ã s s ố ố : : 60.52.60 T T Ó Ó M M T T Ắ Ắ T T L L U U Ậ Ậ N N V V Ă Ă N N T T H H Ạ Ạ C C S S Ĩ Ĩ K K Ỹ Ỹ T T H H U U Ậ Ậ T T Đà Nẵng - Năm 2011 2 Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PSG.TS.ĐOÀNQUANG VINH Phản biện 1: Phản biện 2: Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Tự ñộng hóa họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 05 năm 2011. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng. - Thư viện trường Đại Học Bách Khoa Đà nẵng, Đại học Đà Nẵng. 3 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trước ñây, các hệ truyền ñộng ñiện thường sử dụng ñộng cơ ñiện một chiều. Những năm gần ñây, ñộng cơ một chiều ñược thay thế dần bởi ñộng cơ không ñồng bộ (ĐCKĐB) ba pha vì những ưu ñiểm nổi bật của nó như: hiệu suất cao, kết cấu ñơn giản, gọn nhẹ, giá thành chế tạo và chi phí vận hành thấp, làm việc tin cậy, sử dụng tốt trong môi trường công nghiệp. Bên cạnh những ưu ñiểm trên, nó có nhược ñiểm là phức tạp trong ñiều khiển do ñặc tính phi tuyến mạnh. Như vậy, việc ñiều khiển ñộng ĐCKĐB ba pha là một chiến lược hết sức cần thiết và quan trọng hiện nay. Trong hệ thống truyền ñộng ñiện, chất lượng ñiều khiển của hệ thống vẫn còn bị ảnh hưởng bởi sự thay ñổi biến tham số ñộng cơ như moment quán tính J, ñiện trở rotor R r . Để giải quyết vấn ñề này trên ta sử dụng bộ ñiều khiển mờ ñể ñiều khiển tốc ñộ ĐCKĐB ba pha nhằm nâng cao chất lượng ñiều khiển. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU + Nghiên cứu mô hình của ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc. + Nghiên cứu nguyên lý, cấu trúc của hệ thống ñiều khiển vô hướng ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc. + Nghiên cứu lý thuyết ñiều khiển mờ và ứng dụng bộ ñiều khi ển mờ vào hệ thống ñiều khiển ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc. + Tìm hiểu phần mềm Matlab và ứng dụng ñể mô phỏng. 4 3. ĐẶT TÊN ĐỀ TÀI Căn cứ vào mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu ở trên, người nghiên cứu chọn tên ñề tài: “Điều khiển mờ ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha rotor lồng sóc”. 4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU a. Đối tượng nghiên cứu + Khảo sát trên ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc. + Nghiên cứu và ứng dụng phần mềm Matlab ñể mô phỏng hệ thống. b. Phạm vi nghiên cứu + Điều khiển vô hướng dùng bộ ñiều khiển mờ + Xây dựng bộ ñiều khiển và mô phỏng trên Matlab. 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU a. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Ở phương pháp này người nghiên cứu tìm hiểu các tài liệu hỗ trợ có liên quan ñến ñề tài. Qua ñó người thực hiện ñưa ra những nhận ñịnh và rút ra ñược nội dung cần trình bày trong luận văn. Bên cạnh việc rút ra những nhận ñịnh, phương pháp nghiên cứu lý thuyết còn giúp cho người nghiên cứu hiểu ñược cách thức thực hiện mô phỏng trong môi trường Matlab. b. Phương pháp nghiên cứu tổng hợp hệ thống Người nghiên cứu tìm hiểu kết quả của các công trình ñi trước, từ ñó so sánh với kết quả ñã ñạt ñược. Qua kết quả so sánh ñó, ng ười nghiên cứu ñiều chỉnh lại phương pháp nghiên cứu lý thuyết và cân chỉnh lại kết quả mô phỏng ñể ñạt ñược kết quả thích hợp. 5 c. Phương pháp nghiên cứu quan sát kiểm nghiệm Sau khi ñạt ñược kết quả thích hợp, người nghiên cứu sẽ trình bày trước giới có chuyên môn cao ñể ñược nghe nhận xét và ñóng góp ý kiến về kết quả ñã ñạt ñược. Qua ñó kết quả mô phỏng một lần nữa ñược cân chỉnh ñể hoàn thiện hơn. 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI a. Ý nghĩa khoa học + Sử dụng phương pháp ñiều khiển vô hướng. + Ứng dụng lý thuyết ñiều khiển mờ. b. Giá trị thực tiễn Góp phần xây dựng vào các giải pháp nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng của các thiết bị ñiện, tạo thêm một hướng mới trong kỹ thuật ñiều khiển ĐCKĐB mà hiện nay trong lĩnh vực công nghiệp rất quan tâm. 7. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Nội dung chính của ñề tài bao gồm như sau: Ngoài phần mở ñầu và kết luận, luận văn gồm 3 chương: CHƯƠNG 1: MÔ TẢ TOÁN HỌC VÀ MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC. CHƯƠNG 2: HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VÔ HƯỚNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRONG H Ệ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÔ HƯỚNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC. 6 CHƯƠNG 1: MÔ TẢ TOÁN HỌC VÀ MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC 1.1. XÁC ĐỊNH VECTOR KHÔNG GIAN 1.1.1. Biểu diễn vector không gian cho các ñại lượng ba pha 1.1.2. Hệ tọa ñộ cố ñịnh stator 1.1.3. Hệ quy chiếu quay 1.1.4. Biểu diễn các vector không gian trên hệ toạ ñộ từ thông rotor 1.2. MÔ HÌNH CỦA ĐCKĐB BA PHA 1.2.1. Các phương trình cơ bản của ñộng cơ KĐB ba pha 1.2.2. Phương trình ñiện áp stator 1.2.3. Phương trình ñiện áp rotor 1.3. MÔ HÌNH TRẠNG THÁI CỦA ĐCKĐB BA PHA TRÊN HỆ TỌA ĐỘ αβ  Mô phỏng ĐCKĐB ba pha trên hệ toạ ñộ αβ: Hình 1.9. Sơ ñồ khối mô phỏng ĐCKĐB ba pha trên hệ toạ ñộ αβ 7 1.4. MÔ HÌNH TRẠNG THÁI CỦA ĐCKĐB BA PHA TRÊN HỆ TỌA ĐỘ dq  Mô phỏng ĐCKĐB ba pha trên hệ toạ ñộ dq: Hình 1.19. Sơ ñồ khối mô phỏng ĐCKĐB ba pha trên hệ toạ ñộ dq • Kết quả mô phỏng: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -500 0 500 1000 1500 2000 Rotor Speed (RPM) Time (s) Hình 1.24. Tốc ñộ Rotor 8 CHƯƠNG 2: HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VÔ HƯỚNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC 2.1. BIẾN TẦN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB BA PHA 2.1.1. Giới thiệu chung 2.1.2. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) 2.1.3. Biến tần gián tiếp 2.1.3.1. Biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu ñiều khiển  Mô phỏng ñiều khiển nghịch lưu nuôi ĐCKĐB ba pha theo nguyên tắc thông thường: Hình 2.5. Sơ ñồ khối mô phỏng ñiều khiển nghịch lưu nuôi ĐCKĐB ba pha theo nguyên tắc thông thường 9 • Kết quả mô phỏng: 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 Amplitude(V) Time(s) Hình 2.7 . Điện áp pha U a 2.1.3.2. Biến tần dùng chỉnh lưu không ñiều khiển có thêm bộ biến ñổi xung ñiện áp 2.1.3.3. Biến tần dùng chỉnh lưu không ñiều khiển với nghịch lưu PWM  Mô phỏng ñiều khiển nghịch lưu nuôi ĐCKĐB ba pha theo phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung (PWM): Hình 2.11. Sơ ñồ khối mô phỏng ñiều khiển nghịch lưu nuôi ĐCKĐB ba pha theo phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung 10 • Kết quả mô phỏng: 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 Time(s) Amplitude(V) Hình 2.13 . Điện áp pha U a 2.1.3.4. Biến tần ñiều khiển vector 2.2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÔ HƯỚNG ĐCKĐB BA PHA 2.2.1. Phương pháp ñiều khiển vô hướng Trị số hiệu dụng sức ñiện ñộng stator là: E s = ω s Φ m K w N 1 / 2 = 4.44K w f s N 1 Φ m (2.3) Từ (2.3) thấy rằng Φ m sẽ tỉ lệ với tỉ số E s /ω s hoặc E s /f s Khi ñiều khiển tần số, nếu giữ từ thông khe hở không ñổi thì ñộng cơ sẽ ñược sử dụng hiệu quả nhất, tức là khả năng sinh moment lớn nhất. Từ thông khe hở không ñổi khi duy trì tỉ số E s /f s không ñổi. Nếu sụt áp trên trở kháng từ bé có thể bỏ qua thì sức ñiện ñộng E s sẽ xấp xỉ bằng ñiện áp U s . Do ñó từ thông khe hở sẽ ñược duy trì gần không ñổi khi duy trì tỉ số U s /f s là hằng số. Đây là nội dung cơ bản c ủa luật ñiều khiển ñiện áp - tần số không ñổi. [...]... m 17 CHƯƠNG 3: NG D NG B ĐI U KHI N M TRONG H TH NG ĐI U KHI N VÔ HƯ NG Đ NG CƠ KHÔNG Đ NG B BA PHA ROTOR L NG SÓC 3. 1 CÁC KHÁI NI M CƠ B N 3. 1.1 Đ nh nghĩa t p m 3. 1.2 Các thu t ng trong logic m 3. 1 .3 Bi n ngôn ng 3. 1.4 Các phép toán trên t p m 3. 1.5 Lu t h p thành 3. 1.5.1 M nh ñ h p thành 3. 1.5.2 Lu t h p thành m 3. 1.6 Gi i m 3. 1.6.1 Phương pháp c c ñ i 3. 1.6.1 Phương pháp tr ng tâm 3. 1.7 Mô hình... Tagaki-Sugeno 3. 2 GI I THI U V B ĐI U KHI N M 3. 2.1 C u trúc m t b ñi u khi n m 3. 2.2 Nguyên lý ñi u khi n m 3. 2 .3 Thi t k b ñi u khi n m 18 3. 3 H TH NG ĐI U KHI N VÔ HƯ NG ĐCKĐB BA PHA ROTOR L NG SÓC DÙNG B ĐI U KHI N M 3. 3.1 Đ t v n ñ Trong h th ng truy n ñ ng ĐCKĐB ba pha, ch t lư ng ñi u khi n c a h th ng b nh hư ng b i s thay ñ i bi n tham s ñ ng cơ như moment quán tính J trong quá trình ñ ng cơ làm...  23 3 .3. 4 Sơ ñ kh i ñi u khi n Mô ph ng h th ng ñi u khi n: Hình 3. 14 Sơ ñ kh i mô ph ng h th ng ñi u khi n ĐCKĐB ba pha dùng b ñi u khi n m • K t qu mô ph ng: Mô ph ng h th ng dùng b ñi u khi n m v i các giá tr J thay ñ i và so sánh v i h th ng ch dùng b ñi u khi n PI 180 n-dat n-PID n-Fuzzy 170 Rotor Speed (Rad/s) 160 150 140 130 120 110 100 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Time (s) 0 .3 0 .35 0.4 Hình 3. 17... ñi u khi n ñ ng cơ ñi n không ñ ng b ba pha rotor l ng sóc th t s là v n ñ c n thi t trong giai ño n hi n nay K t qu nghiên c u s góp ph n nâng cao hi u su t s d ng các thi t b ñi n và cũng là m t cách th c c i ti n phương pháp ñi u khi n ñ ng cơ không ñ ng b trong công nghi p Trong ph m vi lu n văn, ngư i nghiên c u ñã th c hi n các công vi c sau: • Mô hình hóa ĐCKĐB ba pha rotor l ng sóc và mô ph ng... 0.2 0 .3 0.4 0.5 Time (s) 0.6 0.7 Hình 2.24 T c ñ Rotor 0.8 0.9 1 14 400 Udm Us 30 0 250 200 150 0 0.1 0.2 0 .3 0.4 0.5 0.6 Time (s) 0.7 0.8 0.9 1 Hình 2.25 Giá tr ñi n áp Us - Nh n xét: T k t qu mô ph ng, ta th y Us = Uñm = 38 0 ωrñ < ωñm : Ch n ωrñ = 142 (Rad/s) 160 140 Rotor Speed (Rad/s) Amplitude (V) 35 0 n-dat ndm-152 n-142 120 100 80 60 40 0 0.1 0.2 0 .3 0.4 0.5 Time (s) 0.6 0.7 Hình 2.26 T c ñ Rotor. .. 0.1 0.15 0.2 0.25 Time (s) 0 .3 0 .35 0.4 Hình 3. 17 T c ñ Rotor v i J = 0.01 0.45 0.5 24 180 n-dat n-PID n-Fuzzy 170 Rotor Speed (Rad/s) 160 150 140 130 120 110 100 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Time (s) 0.25 0 .3 0 .35 0.4 Hình 3. 18 T c ñ Rotor v i J = 0.005 K t lu n: S d ng b ñi u khi n m k t h p v i b PI kinh ñi n v i c u trúc và thông s thích h p, t c ñ ñ ng cơ ñư c ñi u khi n bám theo t c ñ ñ t r t t t Các thông... ba pha • Sơ ñ kh i mô ph ng: Hình 2.18 Sơ ñ kh i mô ph ng h th ng ñi u khi n vô hư ng ĐCKĐB ba pha 13 • K t qu mô ph ng: V i giá tr t c ñ ñ t ωrñ = ωñm = 152 (Rad/s) (hay n = 1450 vòng/phút): 200 Toc do dat Toc do Rotor 100 50 0 -50 0 0.1 0.2 0 .3 0.4 0.5 Time (s) 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Hình 2.22 T c ñ Rotor V i giá tr t c ñ ñ t ωrñ thay ñ i: ωrñ > ωñm : Ch n ωrñ = 162 (Rad/s) 180 160 Amplitude (Rad/s) Rotor. .. tính J s nh hư ng ñ n ch t lư ng ñi u khi n Ví d ta mô ph ng h th ng v i ωrñ = ωñm và các thông s J thay ñ i 200 Rotor Speed (Rad/s) 150 Toc do dat Toc do Rotor 100 50 0 -50 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0 .3 Time (s) 0 .35 0.4 0.45 0.5 Hình 2.29 T c ñ Rotor (J =0.004) - Nh n xét: Ta thu ñư c k t qu không t t như mong mu n Như v y khi moment quán tính J thay ñ i thì các thông s c a h th ng cũng thay ñ i d n... T c ñ Rotor 0.8 0.9 1 15 400 U = 36 1 30 0 s Amplitude f = 47.5 s 200 100 0 0 0.1 0.2 0 .3 0.4 0.5 0.6 Time (s) 0.7 0.8 0.9 1 Hình 2.27 Giá tr ñi n áp Us và t n s fs - Nh n xét: T k t qu mô ph ng, ta có t s Us/fs = const Us 36 1 38 0 U = = = 7 6 = ñm = const fs 47 5 50 f ñm V i giá tr t c ñ ñ t ωrñ gi nguyên, thay ñ i moment t i Mc: Ch n ωrñ = 152 (Rad/s), MC =10N.m 180 Rotor Speed (Rad/s) 160 140 120... công vi c sau: • Mô hình hóa ĐCKĐB ba pha rotor l ng sóc và mô ph ng trên Matlab • Xây d ng c u trúc và mô ph ng h th ng ñi u khi n vô hư ng ĐCKĐB ba pha rotor l ng sóc • Thi t b ñi u khi n m ng d ng vào h th ng ñi u khi n vô hư ng ĐCKĐB ba pha rotor l ng sóc 2 KI N NGH Hi n t i do ñi u ki n khách quan nên quy mô tri n khai mô hình chưa th ñáp ng các nhu c u th c t hi n nay m t cách toàn di n và chưa . ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRONG H Ệ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÔ HƯỚNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR. ñiều khiển mờ. 17 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÔ HƯỚNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC 3. 1. CÁC