Nghiên cứu hệ truyền động đồng bộ kích từ nối tiếp (1)

Bộ giáo dục đào tạo Trờng Đại học Bách khoa Hµ Néi Trần Xuân Minh Nghiên cứu hệ truyền động đồng bé kÝch tõ nèi tiÕp LuËn ¸n tiÕn sÜ kü thuật Hà Nội - Năm 2007 Bộ giáo dục đào tạo Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội Trần Xuân Minh Nghiên cứu hệ truyền động đồng kích từ nối tiếp Chuyên ngành: Tự động hoá Mà số: 62.52.60.01 Luận ¸n tiÕn sÜ kü thuËt Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: PGS TS Bïi Qc Kh¸nh PGS TS Ngun Văn Liễn Hà Nội - Năm 2007 LờI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận án hoàn toàn trung thực cha đợc công bố công trình khác Tác giả luận án Trần Xuân Minh Mục lục Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan Mơc lơc ……………………………………………………………… Danh mơc c¸c ký hiƯu chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị 12 Mở Đầu Chơng - Khái Quát chung hệ truyền động tốc độ cao cho tải máy bơm quạt gió 15 1.1 Hệ truyền động động xoay chiều làm việc tốc độ đồng xuất phát điểm đề tài 15 1.1.1 Đặt vấn đề 15 1.1.2 Các đặc tính hệ truyền động cho bơm cao áp 16 1.1.3 Hệ truyền động bơm điều chỉnh lu lợng 17 1.2 Phân tích phơng án truyền động ®iƯn xoay chiỊu thùc hiƯn ®iỊu tèc trªn tèc ®é đồng 20 1.2.1 Hệ biến tần-động xoay chiều điều chỉnh tốc độ 20 1.2.2 Hệ truyền động điều chỉnh công suất trợt đồng động không đồng rotor dây quấn 21 1.2.3 Hệ truyền động dùng động xoay chiều cảm ứng rotor dây quấn đấu dây đặc biệt 24 Ch−¬ng - đặc tính động đồng kích 30 từ nối tiếp 2.1 Mô tả toán học SCSM 30 2.1.1 Sơ đồ đấu dây SCSM 30 2.1.2 Các giả thiết xây dựng mô hình toán SCSM 30 2.1.3 Các phơng trình mô tả quan hệ SCSM 31 2.1.4 Mô tả toán học SCSM 37 2.2 Xây dựng đặc tính SCSM 39 2.2.1 Mô hình mô SCSM 39 2.2.2 Xây dựng đặc tÝnh cđa SCSM …………………………… 41 Ch−¬ng - HƯ trun động điều khiển tần số động 51 đồng kÝch tõ nèi tiÕp b»ng ®iỊu khiĨn Vector … 3.1 Xác định quy luật điều chỉnh hệ truyền ®éng biÕn tÇn ®iỊu khiĨn vector - SCSM ……………………………………… 52 3.1.1 Mô tả toán học SCSM hệ d-q ……………………… 52 3.1.2 Quy lt ®iỊu chØnh hệ truyền động biến tần điều khiển vector - ®éng c¬ ®ång bé nèi nèi tiÕp ……………………………… 57 3.2 CÊu tróc ®iỊu khiĨn vector cđa hƯ trun ®éng biÕn tần SCSM 57 3.3 Các đặc tính hệ truyền động biến tần - SCSM điều khiển vector 59 3.3.1 Đặc tính động hệ thống 60 3.3.2 Đặc tính tĩnh hệ thống 62 Chơng - Xây dựng cấu trúc hệ Truyền động điện 64 biến tần - Động đồng kích từ nối tiếp 4.1 Các yêu cầu ®èi víi ®éng c¬ hƯ trun ®éng ®iƯn biÕn tần SCSM 64 4.2 Yêu cầu biến tần hệ thống truyền động biến tần SCSM chọn biến tần 65 4.2.1 Yêu cầu biến tần hệ truyền động điện biến tần SCSM 65 4.2.2 Các phơng án biến tần cho hệ truyền động 66 4.2.3 Chọn biến tần cho hƯ trun ®éng ………… 71 4.3 Cấu trúc hoàn chỉnh hệ truyền động biến tần - SCSM 71 4.3.1 Sơ đồ khối hệ truyền động biến tần - SCSM 72 4.3.2 Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực hệ biến tần - SCSM …… 73 4.3.3 Khèi ®iỊu khiĨn chØnh l−u PWM 73 4.3.4 Các đặc tính hệ truyền động biến tần 4Q - SCSM 75 Chơng - Nghiên cứu thực nghiệm hệ truyền động điện biến tần - động đồng kích từ nối tiếp 80 5.1 Mục đích thực nghiệm bớc tiến hành 80 5.1.1 Mục đích thực nghiệm 80 5.1.2 Các bớc tiến hành thực nghiệm 80 5.2 Cấu trúc tổng thể mô hình thực nghiệm 81 5.3 Xây dựng mô hình thực nghiệm 82 5.3.1 Xây dựng phần cứng 82 5.3.2 Xây dựng phần mềm 87 5.4 Các kết thực nghiệm 91 5.4.1 Các đặc tính thời gian 91 5.4.2 Đặc tính 95 Kết luận kiến nghị 97 Danh mục công trình tác giả 99 Tài liệu tham khảo 100 Phô lôc 102 DANH MơC C¸C Ký HIƯU Và CHữ VIếT TắT x(t), x Giá trị tức thời X*, x* α θ θe ε δ γ ϕ ω ωl ω1 ω2 ω ®b ωe ωr ψ a ψb ψ c ψA ψ B ψC ψr ψ ψ rd rq ψs ψ sd ψ sq ψL ψL α ψL β ψ ψ Ld Lq cos ϕ C DPC DTC f FOC Giá trị đặt Góc pha vector chuẩn Góc lệch trục cuộn dây rotor stator pha A Góc lệch điện Góc pha điều khiển phần chỉnh lu PWM Góc lệch vector từ thông rotor stator Góc pha vector áp nguồn phần chỉnh lu PWM Góc pha dòng điện áp Tần số góc điện áp xoay chiều ba pha cấp cho động Tần số góc điện áp lới điện cÊp cho bé chØnh l−u Tèc ®é gãc cđa tõ thông stator so với stator Tốc độ góc từ thông rotor so với rotor Tốc độ góc đồng động làm việc chế độ không đồng bé Tèc ®é gãc ®iƯn Tèc ®é gãc rotor ®éng Từ thông stator pha A Từ thông stator pha B Tõ th«ng stator pha C Tõ th«ng rotor pha A Tõ th«ng rotor pha B Tõ th«ng rotor pha C Giá trị hiệu dụng từ thông pha rotor Thành phần trục d vector từ thông rotor Thành phần trục q vector từ thông rotor Giá trị hiệu dụng từ thông pha stator Thành phần trục d vector từ thông stator Thành phần trục q vector từ thông stator Vector từ thông ảo Thành phần trục vector từ thông ảo hệ trục toạ độ - Thành phần trục vector từ thông ảo hệ trục toạ độ - Thành phần trục d vector từ thông ảo hệ trục toạ độ d-q Thành phần trục q vector từ thông ảo hệ trục toạ độ d-q Hệ số công suất Tụ điện Điều khiển trực tiếp công suất (viết tắt Direct Power Control) Điều khiển trực tiếp mômen (viết tắt Direct Toque Control) Tần số Điều khiển tựa từ trờng (viết tắt Field Oriented Control) H ¸p lùc ¸p lùc tÜnh, áp lực cản Giá trị dòng điện tức thời Dòng ba pha a, b, c cuộn dây stator Dòng ba pha A, B, C cuộn dây rotor L Vector dòng ®iƯn l−íi I i ,, La b c Dßng ba pha A, B, C lới điện xoay chiều phần chỉnh lu PWM i Thành phần trục vector dòng điện lới hệ trục toạ độ - L i Thành phần trục vector dòng điện lới hệ trục toạ độ - L i Ld Thành phần trục d vector dòng điện lới hệ trục toạ độ d-q i Lq Thành phần trục d vector dòng điện lới hệ trục toạ độ d-q id Thành phần trục d vector dòng stator động i Giá trị dòng điện chiều dc i Thành phần trục q vector dòng stator động q I Giá trị hiệu dụng dòng điện pha động j Đơn vị ảo J Mô men quán tính k Hệ số qui đổi rotor-stator L Giá trị điện cảm; hỗ cảm cực đại cuộn dây stator động L ,L Điện cảm tản cuộn dây stator rotor s r M Mô men, mô men động M Mô men cản tác động lên trục động (mô men tải) c M đt Mô men điện từ động M đm Mô men định mức M max Mô men cực đại n b Tốc độ máy bơm, quạt gió nr Tốc độ, tốc độ rotor động Ns Số vòng cuộn dây pha stator N r Số vòng cuộn dây pha rotor X, x Sai lệch kP, kI Hệ số khuyếch đại, hệ số tích phân p(t), p Công suất tác dụng tức thời P Công suất tác dụng Số đôi cực từ động pm PWM Điều chế độ rộng xung (viết tắt Pulse Width Modulation) q(t), q Công suất phản kháng tức thời Q Công suất phản kháng; lu lợng R Điện trở s Toán tử Laplace Hc i(t), i ia, ib, ic iA, iB, iC S Công suất biểu kiến Sa,Sb,Sc Trạng thái đóng cắt biến đổi Động đồng kích từ nối tiếp hay động đồng nối SCSM nối tiếp (Viết tắt Series Connected Synchronous Motor) Giá trị thời gian tức thời t Chu kỳ T Vector điện áp đặt vào động U Sóng hài bậc điện áp đầu khối nghịch lu biến U1 tần Thành phần trục d vector điện áp đặt vào động ud hệ trục toạ độ d - q Thành phần trục q vector điện áp đặt vào động uq hệ trục toạ độ d - q Vector điện áp lới UL u L u Lβ u Ld u Lq Us u sα u sβ u sd u Thành phần trục vector điện áp lới hệ trục toạ độ Thành phần trục vector điện áp lới hệ trục toạ độ - Thành phần trục d vector điện áp lới hệ trục toạ độ d - q Thành phần trục q vector điện áp lới hệ trục toạ độ d - q Vector điện áp vào chỉnh lu PWM Thành phần trục vector điện áp đầu vào chỉnh lu hệ trục toạ độ - Thành phần trục vector điện áp đầu vào chỉnh lu hệ trục toạ độ - Thành phần trục d vector điện áp đầu vào chỉnh lu hệ trục toạ độ d - q Thành phần trục q vector điện áp đầu vào chỉnh lu hệ trục toạ độ d - q Điện áp chiều dc v(t), v Giá trị điện áp tức thời Điện nguồn ba pha cấp cho động V a, b, c Điều khiển định hớng từ thông ảo (viết tắt Virtual Flux VFOC Oriented Control) Điều khiển tựa theo điện áp lới (viết tắt Voltage VOC Oriented Control) W, Wđt Năng lợng, lợng điện từ Bốn góc phần t (viết tắt Four(4) Quater) 4Q U sq Danh mục bảng Bảng 1.1 Số liệu thực nghiệm đặc tính SCSM . 27 Bảng 4.1 Điện áp chiều Udcmin với hệ số qui đổi rotor-stator khác 67 Bảng 5.1 Số liệu thực nghiệm đặc tính tần số điện áp f=5Hz 94 Bảng 5.2 Số liệu thực nghiệm đặc tính tần số điện áp f=15Hz 94 Bảng 5.3 Số liệu thực nghiệm đặc tính tần số điện áp f=25Hz 94 Bảng 5.4 Số liệu thực nghiệm đặc tính tần số điện áp f=28,6Hz. 95 Danh mục hình vẽ Đồ thị Hình 1.1a Cấu trúc hệ thống bơm điều chỉnh lu lợng van tiết lu Hình 1.1b Đặc tính làm việc hệ thống bơm điều chỉnh lu lợng van tiết lu . Hình 1.2a Cấu trúc hệ thống bơm điều chỉnh lu lợng điều chỉnh tốc độ bơm sử dụng hộp số có điều chỉnh. Hình 1.2b Cấu trúc hệ thống bơm điều chỉnh lu lợng điều chỉnh tốc độ bơm sử dụng hệ biến tần-động xoay chiều điều tốc đồng Hình 1.2c Đặc tính làm việc hệ thống bơm điều chỉnh lu lợng điều chỉnh tốc độ bơm .. Hình 1.3 Đặc tính Mcp động hệ biến tần-động điều chỉnh tốc độ đặc tính máy bơm . Hình 1.4 Hệ thống điều chỉnh công suất trợt đồng động không đồng ba pha rotor dây quấn Hình 1.5 Biểu đồ công suất hệ truyền động điều tốc nối cấp đồng Hình 1.6 Đặc tính hệ truyền động điều điều tốc nối cấp đồng Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý máy phát điện sức gió sử dụng máy điện rotor dây quấn, đấu nối phơng pháp tự kích từ Hình 1.8 Sơ đồ đấu dây đặc biệt động cảm ứng rotor dây quấn Hình 1.9 Đặc tính thực nghiệm SCSM f= 50Hz, điện áp pha b»ng 270V ……………………… Hình 1.10 Biểu đồ công suất động xoay chiều cảm ứng Hình 1.11 Biểu đồ công suất SCSM Hình 2.1 Sơ đồ đấu SCSM để xây dựng mô tả toán học động Hình 2.2 Mô hình SCSM SIMULINK-MATLAB Hình 2.3 Sơ đồ mô xác định quan hệ mô men M theo góc e0 Hình 2.4 Mô men động thay đổi góc lệch ban đầu e0 (ứng với f=50Hz Uf=355V Hình 2.5 Đặc tính động f = 50Hz, U f = 355V…………… H×nh 2.6 Quan hƯ dòng điện pha động I theo mô men M 17 17 18 18 18 21 22 23 23 24 25 26 27 28 30 40 42 42 43 f = 50Hz, Uf = 355V……………………………………………………… H×nh 2.7 HƯ sè c«ng st cosϕ theo m« men M công suất P ứng với tần số nguồn 50Hz Hình 2.8 Từ thông stator theo m« men M f = 50Hz, U f = 355V Hình 2.9 Từ thông rotor theo mô men M f = 50Hz, U f = 355V .… Hình 2.10 Từ thông stator s theo dòng điện pha I Hình 2.11 Từ thông rotor r theo dòng điện pha I . Hình 2.12 Đặc tính động với tần số khác (f=15, 20, 30, 40 50 Hz) Hình 2.13 Quan hệ dòng điện-mô men động với tần số khác (f=15, 20, 30, 40 50 Hz) . Hình 2.14 Quan hệ dòng điện mô men động ứng với giá trị khác cđa hƯ sè quy ®ỉi rotor-stator k (f=50Hz) …………… Hình 2.15 Quan hệ công suất cho phép Pcp mô men cho phép Mcp theo tốc độ góc r Hình 3.1 Đồ thị vector SCSM Hình 3.2 Sơ đồ thay SCSM hệ toạ đô quay pha d-q Hình 3.3 Mô hình SCSM hệ toạ độ d-q Hình 3.4 Cấu trúc điều khiển vector hệ truyền động điện biến tần SCSM Hình 3.5 Mô hình mô hệ truyền động biến tần - SCSM ®iỊu khiĨn vector b»ng phÇn mỊm MATLAB ……………………… Hình 3.6 Chi tiết khối PLECS circuit mô hình hình 3.5 Hình 3.7a Tốc độ nr tốc ®é gãc ωr cđa ®éng c¬ khëi ®éng cã tải định mức (11,4Nm) điều chỉnh nhảy cấp mô men tải Hình 3.7b Mô men động M mô men tải M c khởi động có tải định mức (11,4Nm) điều chỉnh nhảy cấp mô men tải Hình 3.8a Tốc độ nr tốc độ góc r động khởi động điều chỉnh tốc độ với tải dạng máy bơm, quạt gió Hình 3.8b Mô men động M mô men tải M c khởi động điều chỉnh tốc độ với tải dạng máy bơm, quạt gió Hình 3.9 Đặc tính SCSM thực điều khiển vector Hình 3.10 Dòng điện id, iq theo mô men tải với tốc độ đặt khác Hình 3.11.Từ thông stator theo mô men tải với tốc độ đặt khác Hình 3.12 Từ thông rotor theo mô men tải với tốc độ đặt khác Hình 4.1 Phơng án biến tần gián tiếp với khối chỉnh lu ốt có máy biến áp tăng áp đầu vào Hình 4.2 Phơng án biến tần gián tiếp sử dụng chỉnh lu tích cực PWM Hình 4.3 Sơ đồ phần lực chỉnh lu tích cực PWM Hình 4.4 Các phơng pháp điều khiển chỉnh lu PWM 43 44 44 44 45 45 45 45 47 48 53 56 56 58 59 60 61 61 62 62 62 62 63 63 67 68 69 70