Tổng hợp và mô phỏng hệ truyền động điện tự động động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha điều khiển theo phương pháp FOC

Phương pháp FOC (Field Oriented Control) cho động cơ không đồng bộ 3 pha đã và đang là giải pháp hàng đầu trong các hệ thống truyền động hiện đại ngày nay. Nó dần thay thế các hệ truyền động điện dùng động cơ DC với giá thành cao và độ tin cậy thấp. Điều khiển FOC theo nguyên lý hướng từ trường xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thông và momen cũng như điều khiển momen tối ưu trong cả hai trạng thái quá độ và xác lập.

MỤC LỤ MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU PHA ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP FOC 1.1 Sơ lược động không đồng ba pha 1.1.1 Cấu tạo động không đồng ba pha 1.1.2 Nguyên lý hoạt động: 1.1.3 Đặc tính động điện khơng đồng ba pha 1.2 Vài nét động không đồng ba pha rôt lịng sóc 1.3 Các phương pháp điều khiển tốc độ động không đồng 1.4 Tổng quan FOC 12 1.4.1 Cấu trúc sơ đồ hệ thống điều khiển động KDB xoay chiều pha điều khiển theo phương phá FOC 13 CHƯƠNG II: XÂY DỤNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA HỆ THỐNG 14 2.1 Mơ hình động 14 2.1.1 Các phép biến đổi tuyến tính không gian vector .15 2.1.2 Hệ phương trình cảu động khồn gian vector 17 2.1.3 Cấu trúc hệ thống đêìu khiển vector động không đồng 24 2.2 Bộ điều khiển PI 29 2.3 Mơ hình tốn học khâu phản hồi dịng điện Isd 29 2.4 Mơ hình tốn học khâu phản hồi tốc độ 30 2.5 Mơ hình tốn học khâu phản hồi dòng điện Isq 30 2.6 Xây dựng tính tốn từ thơng tốc độ động 30 CHƯƠNG III: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU MODUN KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU ĐỐI XỨNG 33 3.1 Nghiên cứu phương pháp tổng hợp điều khiển 33 3.1.1 Nguyên lý tối ưu Môdun 33 3.1.2 Nguyên lý tối ưu đối xứng 34 3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện tốc độ cho động 35 3.2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện: .36 3.2.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 38 3.2.3 Tính tốn tham số điều khiển .39 CHƯƠNG 4: KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB- SIMULINK 42 4.1 Xây dựng mơ hình hệ truyền động Simulink phần mềm Matlab .42 4.1.1 Mơ hình tổng quan 42 4.1.2 Tổng quan khối vector control 43 4.1.3 Tổng quan khối SVPWM 44 4.2 Cài đặt tham số động cơ, tham số điều khiển v.v vào mơ hình hệ truyền động Simulink 46 4.3 Kết mô 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 LỜI NĨI ĐẦU Truyền động điện có nhiệm vụ thực công đoạn cuối công nghệ sản xuất, đặc biệt dây chuyền sản xuất tự động Cùng với phát triển Khoa học cơng nghệ 4,0 hệ truyền động điện ngày phát triển xuất nhiều dây chuyền sản xuất với mức độ tự động hóa cao Và 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 với thuật toán phức tạp trở nên dễ dàng, tạo bước nhảy vọt kỹ thuật điều khiển động Phương pháp FOC (Field Oriented Control) cho động không đồng pha giải pháp hàng đầu hệ thống truyền động đại ngày Nó dần thay hệ truyền động điện dùng động DC với giá thành cao độ tin cậy thấp Điều khiển FOC theo nguyên lý hướng từ trường xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thông momen điều khiển momen tối ưu hai trạng thái độ xác lập Nhóm chúng em giao thực đề tài tiểu luận: “Tổng hợp mô hệ truyền động điện tự động động không đồng xoay chiều pha điều khiển theo phương pháp FOC” thực nội dung sau: - Tổng quan hệ truyền động điện tự động động không đồng xoay chiều pha điều khiển theo phương pháp FOC - Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống - Tổng hợp điều khiển theo phương pháp tối ưu modun kết hợp phương pháp tối ưu đối xứng - Kiểm tra, đánh giá chất lượng hệ truyền động phần mềm MatlabSimulink hiệu chỉnh hệ thống Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo: Tiến sĩ Trần Duy Trinh, Trưởng khoa Điện Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Vinh thành viên nhóm giúp đỡ, cung cấp cho em nhiều kiến thức quý báu Trong trình thực đề tài số vấn đề thiếu sót cần bổ sung hồn thiện Kính mong thầy giáo tổ môn cho em đánh giá để tiểu luận nhóm đạt kết tốt Em xin chân thành cảm ơn! TP Vinh, ngày 02 tháng 11 năm 2022 Học viên Nguyễn Văn Ngọc CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU PHA ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP FOC 1.1 Sơ lược động không đồng ba pha 1.1.1 Cấu tạo động khơng đồng ba pha Hình 1.1: Cấu tạo động không đồng pha Động không đồng pha chia thành:  Động không đồng pha roto lồng sóc  Động khơng đồng pha roto dây quấn Ở ta tập trung vào nghiên cứu động pha roto lồng sóc 1.1.2 Nguyên lý hoạt động: Như biết vật lý, cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch 120o khơng gian từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo từ trường quay Nếu từ trường quay có đặt dẫn điện từ trường quay quét qua dẫn điện làm xuất sức điện động cảm ứng dẫn Nối dẫn với làm trục quay dẫn có dịng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải Từ trường quay lại tác dụng vào dịng điện cảm ứng lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái tạo momen làm quay roto theo chiều quay từ trường quay Tốc độ quay roto nhỏ tốc độ quay từ trường qua Nếu roto quay với tốc độ tốc độ từ trường quay từ trường quét qua dây quấn phần cảm nên sdd cảm ứng dòng điện cảm ứng khơng cịn, momen quay khơng cịn Do momen cản roto quay chậm lại sau từ trường dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất lại có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường với tốc độ nhỏ tốc độ từ trường Đồng làm việc theo nguyên lý gọi động không đồng (KDB) hay động xoay chiều Hình 1.2: Nguyên lý làm việc động không đồng ba pha Nếu gọi tốc độ từ trường quay ω o (rad/s) hay no (vịng/phút) tốc độ quay roto ω ( hay n ) nhỏ ( ω < ω o ; n < no ) Sai lệch tương tối hai tốc độ gọi độ trượt s: ω 0−ω ω0 (1-1) ω = ωo (1 – s) (1-2) hay n = no (1 – s) (1-3) 2n 60 (1-4) s= Từ ta có: Với:   o  2n o 2f1  60 p (1-5) Trong đó: f1-tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato Tốc độ ωo tốc độ lớn mà roto đạt khơng có lực cản Tốc độ gọi tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị ≤ s ≤ Dòng điện cảm ứng cuộn dây phần ứng roto dòng điện xoay chiều với tần số xác định tốc độ tương đối roto từ trường quay: f2  p(n o  n ) sf1 60 (1-6) 1.1.3 Đặc tính động điện khơng đồng ba pha  Phương trình đặc tính cơ: Theo lý thuyết máy điện, coi động lưới điện lý tưởng, nghĩa ba pha động đối xứng, thông số dây quấn điện trở điện kháng khơng đổi, tổng trở mạch từ hóa khơng đổi, bỏ qua tổn thất ma sát tổn thất lõi thép điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, sơ đồ thay pha động hình vẽ Hình 1.3: Sơ đồ thay pha động khơng đồng Trong đó:  U1 – trị số hiệu dụng điện áp pha stato (V)  Iµ, I1, I’2 – dịng điện từ hóa, dịng điện stato rotor quy đổi stato (A)  Xµ, X1, X’2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato điện kháng roto quy đổi stato (Ω) )  Rµ, R1, R’2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato mạch roto quy đổi stato (Ω) ) Phương trình đặc tính động khơng đồng biểu diễn mối quan hệ mômen quay tốc độ động có dạng: M 3U12 R '2   R '2  so   R   X nm  s     ,[Nm] (1-7) Trong đó: Xnm – điện kháng ngắn mạch, Xnm = X1 + X’2  Đường đặc tính cơ: Với giá trị khác s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho giá trị M Đường biều diễn M = f(s) trục tọa độ sOM hình vẽ 1-4, đường đặc tính động điện xoay chiều khơng đồng ba pha Hình 1-4: Đường đặc tính động khơng đồng ba pha Đường đặc tính có điểm cực trị gọi điểm tới hạn K Tại điểm dM 0 ds (1-8) Giải phương trình ta có: s th  R '2 R12  X nm (1-9) Thay vào phương trình đặc tính ta có: M th  3U12 2o (R  R12  X 2nm ) (1-10) Vì ta xem xét giới hạn ≤ s ≤ ( chế độ động ) nên giá trị s th Mth đặc tính hình ứng với dấu (+) Đặc tính động điện xoay chiều KDB đường cong phức tạp có hai đoạn AK BK, phân điểm tới hạn K Đoạn AK gần thẳng cứng Trên đoạn momen động tăng tốc độ giảm ngược lại Do động làm việc đoạn ổn định Đoạn BK cong với độ dốc dương Trên đoạn động làm việc khơng ổn định Trên đường đặc tính tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = (s = ) momen mở máy 1.2 Vài nét động khơng đồng ba pha rơt lịng sóc Ta tổng quan động khơng đồng loại máy điện xoay chiều hai dây quấn có dây quấn stato (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lưới với tần số f s, dây quấn rôto (dây quấn thứ cấp) nối ngắn mạch (hoặc khép kín qua điện trở) Dịng điện dây quấn rơto lấy cảm ứng từ phía dây quấn stato, có tần số fr hàm tốc độ góc rơto r So với động chiều, động khơng đồng có ưu điểm mặt cấu tạo giá thành, làm việc tin cậy chắn Khuyết điểm cuả động KĐB đặc tính mở máy xấu khống chế q trình q độ khó khăn so với động chiều Trong thời gian gần đây, với hỗ trợ số nghành khoa học khác như: Điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý làm tăng khả sử dụng động không đồng trường hợp có yêu cầu điều chỉnh tự động Tốc độ dải rộng với độ xác cao mà hệ truyền động trước thường phải sử dụng động chiều Động không đồng pha máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ roto khác với tốc độ từ trường quay máy Động không đồng pha dùng nhiều sản xuất sinh hoạt chế tạo đơn giản, giá rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao, gần không bảo trì dải cơng suất rộng Hình 1.5: Cấu tạo động KDB pha lịng sóc 1.3 Các phương pháp điều khiển tốc độ động không đồng 3U M= w [(R + R '2 12 S R' 2 ) + X nm Ư ] S Từ phương trình momen động : ta dựa vào để điều khiển moomen cách thay đổi thông số điện trở phụ,tốc độ trượt,và tần số nguồn cấp  Điều khiển điện áp stator Do momen động không đồng tỷ lệ bình phương điện áp stato,do điều chỉnh momen tốc độ không đồng cách điều chỉnh điện áp stato giử nguyên tần số.đây phương pháp đơn giản nhất.chỉ sử dụng biến đổi điện (biến áp,triristor)để điều chỉnh điện áp đặt vào cuộn stator.phương pháp kinh tế đặc tính thu khơng tốt,thích hợp với phụ tải máy bơm,quạt gió  Điều khiển điện trở roto Sử dụng cấu dịch chuyển cầu trục, quạt gió,bơm nước;bằng việc điều khiển tiếp điểm trisistor làm ngắn mạch/hở mạch điện trở phụ ,của roto ta điều khiển tốc độ động cơ,phương pháp có ưu điểm mạch điện an tồn,giá thành rẻ.nhược điểm:đặc tính điều chỉnh khơng tốt,hiệu suất thấp,vùng điều chỉnh không rộng  Điều chỉnh công suất trượt Trong trường hợp điều chỉnh tốc độ động khơng đồng cách làm mềm đặc tính để ngun tốc độ khơng tải lý tưởng cơng suất trượt Δ ps= δ pđt tiêu tán điện trở mạch roto.ở hệ thống truyền động điện cơng suất lớn,tổn hao đáng kể.vì để vừa điều chỉnh tốc độ truyền động điện,vừa tận dụng công suất trượt người ta sử dụng sơ đồ công suất trượt (sơ đồ nối tầng / nối cấp) P1 = Pcơ + Ps = P1(1 –s) +sP1 = const (1-11) Nếu lấy Ps trả lại lưới tiết kiệm lượng • Khi điều chỉnh với ω < đồng (lấy lượng Ps phát lên lưới) ω1 :được gọi điều chỉnh nối cấp ω • Khi điều chỉnh với ω > (s