Chuyên đê : Các phương pháp điều khiển động cơ điện bằng ứng dụng điện tử công suất

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CÔNG TY CƠ KHÍ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU THUỶ o0o BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU “CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN BẰNG ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT” Thuộc đề tài cấp nhà nước “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO MÁY MÓC VÀ CÁC THIẾT BỊ TÀU THUỶ” (Ứng dụng điện tử công suất lớn) Mã số: KC.06.23.CN Chủ nhiệm Đề tài: Th.s Nguyễn Văn Thắng Thực hiện chuyên đề: KS. PHẠM THU PHƯƠNG 6981-3 08/9/2008 Hà nội, tháng 05/2008 1 Mục lục Lời Mở đầu 3 I. Động cơ công suất lớn và các phơng pháp điều khiển: 4 1.1. Động cơ 1 chiều 4 1.1.1. Mô hình toán học 4 1.1.1.1. Động cơ điện 1 chiều ở chế độ xác lập 4 1.1.1.2. Động cơ điện 1 chiều ở chế độ quá độ: 5 1.1.2. Các phơng pháp điều khiển động cơ 1 chiều 7 1.1.2.1 Sử dụng bộ điều chỉnh tốc độ tỷ lệ: 8 1.1.2.2. Sử dụng bộ điều chỉnh tốc độ tích phân tỷ lệ PI: 9 1.1.2.3. Hệ thống điều chỉnh tốc độ khi không có mạch vòng dòng điện: 9 1.1.2.4. Hệ thống điều chỉnh tốc độ điều chỉnh 2 thông số: 10 1.1.3. ứng dụng trong truyền động kéo 12 1.2. Động cơ đồng bộ 13 1.2.1. Mô hình toán học động cơ đồng bộ 13 1.2.2. Động cơ đồng bộ trong chế độ xác lập 15 1.2.3. Phân loại hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 17 1.2.4. Hệ truyền động động cơ đồng bộ với bộ biến đổi tần số nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên 17 1.2.4.1. Quá trình chuyển mạch 18 1.2.4.2. Mômen của động cơ 20 1.2.4.3. Giới hạn của chuyển mạch tự nhiên và vấn đề khởi động 21 a) Khởi động dùng chuyển mạch cỡng bức 21 b) Khởi động dùng phơng pháp dòng gián đoạn. 21 c) Khởi động bằng phơng pháp khởi động không đồng bộ. 21 1.2.5. Cấu trúc mạch điều chỉnh tốc độ truyền động động cơ đồng bộ dùng biến tần nguồn dòng 22 1.3. Động cơ không đồng bộ rô to ruột quấn 23 1.3.1. Mô tả toán học động cơ không đồng bộ rô to ruột quấn 23 1.3.2. Vec tơ không gian và các hệ toạ độ biểu diễn ĐCKĐB rô to ruột quấn 26 1.3.3. Mô hình trạng thái ĐCKĐB rô to ruột quấn trên các hệ toạ độ 27 1.3.4. Điều khiển động cơ KĐB rô to dây quấn 30 1.3.4.1. Phơng pháp điều chỉnh điện áp stator động cơ bằng bộ điều áp xoay chiều 30 1.3.4.2. Điều chỉnh điện trở mạch rotor 32 1.3.4.3. Điều chỉnh công suất trợt 34 1.3.4.4. Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ 37 2 1.4. Động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc 37 1.4.1. Vector không gian và hệ toạ độ từ thông 37 1.4.2. Mô hình toán học động cơ KĐB rotor lồng sóc 39 1.4.3. Các phơng pháp điều khiển động cơ KĐB rô to lồng sóc 42 II. Phơng pháp điều khiển động cơ KĐB rôto lồng sóc bằng các thiết bị điện tử công suất lớn 42 2.1. Nhắc lại mô hình toán học 42 2.1.1. Xây dựng vector không gian 45 2.1.2. Chuyển vị tuyến tính các hệ toạ độ 46 2.1.3. Mô hình động cơ trong hệ toạ độ cố định gắn với stator ( ) 48 2.1.4.Mô hình động cơ trong hệ toạ độ gắn với từ thông rotor 51 2.1.5. Mô hình động cơ trong hệ toạ độ gắn với trục rôtor xy 54 2.2. Các phơng pháp điều khiển 56 2.2.1. Phơng pháp điều khiển vô hớng (điều chỉnh tần số - điện áp) 56 2.2.1.1. Luật điều chỉnh tần số điện áp theo khả năng quá tải không đổi 56 2.2.1.2. Luật điều chỉnh từ thông không đổi 58 2.2.1.3. Luật điều chỉnh tần số trợt không đổi 59 2. 2.2. Phơng pháp điều khiển vector (điều khiển tựa theo từ trờng) 59 2.2.3. Phơng pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC) 64 2.2.3.1. Nguyên lý điều khiển trực tiếp mômen 64 2.2.3.2. Điều khiển trực tiếp mômen theo bảng chọn 66 a. Sơ đồ nguyên lý : 66 b. Ước lợng từ thông stator và mômen sử dụng tốc độ và dòng điện : 67 c. Ước lợng từ thông stator và mômen sử dụng điện áp và dòng điện : 68 d. Xây dựng bảng chọn : 68 2.3. Mô phỏng bằng Matlab Simulink phơng pháp điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ 70 2.3.1. Mô hình mô phỏng: 70 2.3.1.1. Mô hình tổng thể: 70 2.3.1.2. Mô hình bảng chọn : 70 2.3.1.3. Mô hình khối tính dòng điện: 72 2.3.1.4. Mô hình khối tính điện áp: 73 2.3.1.5. Mô hình khối ớc lợng từ thông stator: 73 2.3.1.6. Mô hình khối ớc lợng mômen: 74 2.3.2. Kết quả mô phỏng: 74 2.3.3. Nhận xét, đánh giá 77 3 Lời Mở đầu Trong công nghiệp nói chung và trên tàu thuỷ nói riêng, hầu nh mọi máy móc thiết bị đều đợc dẫn động bởi động cơ điện. Với sự phát triển không ngừng của tự động hoá, việc truyền động bằng động cơ điện là chủ yếu ở trong mọi lĩnh vực của các ngành công nghiệp Do yêu cầu của từng hệ thống truyền động điện, việc điều khiển động cơ, điều khiển truyền động đợc thực hiện với nhiều phơng pháp khác nhau. Tuy nhiên, việc điều khiển các động cơ công suất lớn luôn là vấn đề quan tâm hàng đầu. Trên tàu thuỷ với nguồn điện là các trạm phát điện có công suất hữu hạn phù hợp với các không gian, tích chất hoạt động của tàu, việc khởi động, điều khiển các thiết bị công suất lớn, động cơ công suất lớn càng đòi hỏi cấp thiết vì chức năng điều khiển, không gian, trọng lợng, độ bền và độ tin cậy của thiết bị điều khiển. Ngày nay, việc ngày càng nghiên cứu cải tiến các phơng pháp điều khiển tối u cho các thiết bị, động cơ, máy móc tàu thuỷ ứng dụng các phần tử điện tử công suất lớn là nhằm giải quyết các yêu cầu đó. 4 I. Động cơ công suất lớn và các phơng pháp điều khiển: 1.1. Động cơ 1 chiều 1.1.1. Mô hình toán học Hiện nay, động cơ 1 chiều (Đ) vẫn đợc sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền động điện chất lợng cao, do có dải công suất rộng. Hình 1.1 là sơ đồ kết cấu chung của Đ, phần ứng đợc biểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E, ở phần stato có thể có dây quấn kích từ: dây quấn kích từ độc lập, dây quấn kích từ nối tiếp, dây quấn cực từ phụ và dây quấn bù. Hệ thống phơng trình mô tả Đ thờng là phi tuyến, trong đó các đại lợng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thờng là điện áp phần ứng U, điện áp kích thích U k , tín hiệu ra thờng là tốc độ góc của động cơ w, mô men quay M, dòng điện phần ứng I, hoặc trong 1 số trờng hợp là vị trí của rô to . Mô men tải M c là mô men do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mô men tải là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ truyền động điện tự động. 1.1.1.1. Động cơ điện 1 chiều ở chế độ xác lập Khi đặt lên dây quấn kích từ 1 điện áp u k nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện i k và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông . Đặt 1 giá trị U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua. Tơng tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mô men điện từ, giá trị của mô men điện từ đợc tính theo công thức: IkI a Np M == 2 ' (1.1); trong đó: p số đôi cực của động cơ N số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng K = pN/2a hệ số kết cấu của máy Mô men điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức điện động: == k a Np E 2 ' (1.2); trong đó: - tốc độ góc của rô to Trong chế độ xác lập, có thể tính đợc tốc độ góc qua phơng trình cân bằng điện áp phần ứng: 5 = k IRU u (1.3); trong đó: R - điện trở mạch phần ứng của động cơ 1.1.1.2. Động cơ điện 1 chiều ở chế độ quá độ: Giữ nguyên các thông số của động cơ, mạch kích từ có 2 biến dòng điện kích từ i k và từ thông máy là phụ thuộc phi tuyến của bởi đờng cong từ hoá của lõi sắt: U k (p) = R k I k (p) + N k .P. (p) (1.4); trong đó: N k số vòng dây cuộn kích từ R k - điện trở cuộn dây kích từ Mạch phần ứng : U(p) = R I(p) + L I(p) N N p I(p) + E(p) (1.5) Hoặc dạng dòng điện: )]()()([ 1 /1 )( pEppNpU pT R pI N u u + = (1.6); trong đó: L - điện cảm mạch phần ứng N N số vòng dây cuộn kích từ nối tiếp T L /R hằng thời gian mạch phần ứng Phơng trình chuyển động của hệ thống: M(p) M c (p) =Jpw (1.7); trong đó J là mô men quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ. Thông qua các phơng trình, thành lập sơ đồ cấu trúc của động cơ 1 chiều 6 X X K K N P Jp 1 K u u p R +1 /1 K N N N K pN 1 U K - - U M M C Hình 1.1- Sơ đồ cấu trúc của động cơ 1 chiều Đối với động cơ 1 chiều kích từ độc lập (N N = 0) thì có thể viết các phơng trình: Mạch phần ứng: )]()].[([)]([)]([)( 0000 ppKpIIpLpIIRpUU Buu + + + + + +== (1.8) Mạch kích từ: )]([)]([)( 000 pIIpLpIIRpUU kkkkkkkk + + +=+ (1.9) Phơng trình chuyển động cơ học: )]([)]([)]()][([ 0 BJpMMpIIpK BpcBo + = + ++ (1.10) Trờng hợp khi từ thông kích từ không đổi Khi dòng điện kích từ động cơ không đổi hoặc khi động cơ đợc kích thích bằng nam châm vĩnh cứu thì từ thông kích từ là hằng số. u CconstK == (1.11) )()1)(()( pCpTpIRpU uuu + + = (1.12) )()()( pJppMpIC cu = (1.13) [...]... 1.3.4 Điều khiển động cơ KĐB rô to dây quấn Dới đây là các phơng pháp điều khiển động cơ không đồng bộ rô to ruột quấn hay đợc ứng dụng trong thực tế 1.3.4.1 Phơng pháp điều chỉnh điện áp stator động cơ bằng bộ điều áp xoay chiều Động cơ không đồng bộ khi hoạt động với tần số không đổi thì mômen tỉ lệ với bình phơng điện áp stator Do vậy ta có thể điều chỉnh đợc mômen và tốc độ động cơ không đồng bộ bằng. .. tải, cấu tạo của động cơ và công suất động cơ, ta có các biện pháp khởi động thích hợp a) Khởi động dùng chuyển mạch cỡng bức Làm việc của nghịch lu chuyểnmạch cỡng bức giống nh trong truyền động điều khiển tần số động cơ không đồng bộ Biện pháp khởi động này dùng cho mọi loại động cơ, ở các giải công suất khác nhau b) Khởi động dùng phơng pháp dòng gián đoạn Nội dung của phơng pháp này l : Dựa vào tín... Mặc dù lúc đó điện áp thấp nhng dòng Id đã giảm về 0, nên chuyển mạch đã thực hiện đợc, phơng pháp khởi động này thờng thực hiện ở công suất lớn, tải nhẹ c) Khởi động bằng phơng pháp khởi động không đồng bộ Phơng pháp này giống nh khởi động động cơ đồng bộ ta thờng gặp Nhng nó chỉ ứng dụng với động cơ có cuộn dây khởi động (hoặc rôto có lồng sóc khởi động) và động cơ vận hành với lới điện áp xoay chiều... bộ điều chỉnh thích nghi hoặc các bộ điều chỉnh phi tuyến Điều chỉnh dòng điện kích từ đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống truyền động công suất không đổi hoặc khi cần điều khiển đồng bộ tốc độ nhiều động cơ trên một dây truyền công nghệ Điều chỉnh sức điện động: Để giữ đợc giá trị sức điện động là hằng số cần phân phối hợp điều chỉnh tốc độ và từ thông Do sức điện động là hàm của hai biến (E... 6-7.4 Quy luật điều khiển Việc nghiên cứu quy luật điều khiển ở đây, tơng tự nh trong truyền động điều khiển tần số động cơ không đồng bộ Tức là cần phải lập luật điều khiển nh thế nào đó để trong suốt giải điều chỉnh động cơ sinh ra mô men khắc phục mômen phụ tải và tổn 21 thất là nhỏ nhất Đối với truyền động động cơ đồng bộ dùng bộ biến đổi dòng điện chuyển mạch tự nhiên, mômen động cơ phụ thuộc vào... với Phơng trình mô men quay: { } { } (3.23) Phơng trình chuyển động: mM = mC + J d Z p dt (3.24) mM, mc: mô men điện từ và mô men tải động cơ j: mô men quán tính động cơ : tốc độ góc cơ học (của rô to) Một cách tổng quát ta biểu diễn các đại lợng vật lý của động cơ trên một hệ toạ độ quay với tốc độ góc k bất kỳ Khi đó áp dụng các công thức chuyển hệ toạ độ nh ở (3.18) ta đợc: uss = u sk e jk (3.25)... lệch giữa điện áp và sức điện động, còn gọi là phụ tải, góc là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp, là góc lệch pha giữa dòng điện và sức điện động (Đối với máy cực ẩn Xd = Xq) 15 1.2.3 Phân loại hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ rất phong phú, có cấu trúc và đặc tính điều chỉnh khác nhau tuỳ thuộc vào công suất, tải và phạm vi điều chỉnh... công thức tính mômen : 2 3U1 R'2 M= 1 (R1 + R'2 /2)2 + X 2 s nm [ ] (3.39) Khi tốc độ quay của động cơ là không đổi : 2 M * = u* , = const, M * = u b u Trong đó : Mu M gh (3.40) Uđm - điện áp định mức của động cơ Ub - điện áp đầu ra của điều áp xoay chiều Mthđm - mômen tới hạn khi điện áp là định mức Mu - mômen động cơ ứng với điện áp điện áp điều chỉnh Mgh - mômen khi điện áp là định mức và có điện. .. mức và có điện trở phụ Rf 30 Vì đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ có độ trợt tới hạn sth bé, nên khi sử dụng phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp động cơ thì dải điều chỉnh nhỏ nên phơng pháp này không áp dụng cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc Để tăng dải điều chỉnh ngời ta thờng nối thêm điện trở phụ mạch rotor đối với động cơ rotor lồng sóc để làm tăng sth Trên đồ... tắc điều khiển thì phơng pháp điều chỉnh công suất trợt hay còn gọi là sơ đồ nối tầng tơng đơng với phơng pháp điều chỉnh điện trở rotor Bản chất của 2 phơng pháp này là điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh tổn hao năng lợng phía rotor Đối với phơng pháp điều chỉnh điện trở rotor thì năng lợng đó đợc toả nhiệt thông qua điện trở rotor Còn với phơng pháp điều chỉnh công suất trợt thì năng lợng này lại . cấp nhà nước “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO MÁY MÓC VÀ CÁC THIẾT BỊ TÀU THUỶ” (Ứng dụng điện tử công suất lớn) Mã số: KC.06.23.CN. KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CÔNG TY CƠ KHÍ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU THUỶ o0o BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU “CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN BẰNG ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT”. của thiết bị điều khiển. Ngày nay, việc ngày càng nghiên cứu cải tiến các phơng pháp điều khiển tối u cho các thiết bị, động cơ, máy móc tàu thuỷ ứng dụng các phần tử điện tử công suất lớn là