Nghiên ứu hệ thống điều khiển vé tơ động ơ không đồng bộ với xét đến bão hòa mạh tử

NGUYỄN XUÂN TRÍ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN XUÂN TRÍ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA BÃO HÒA MẠCH TỪ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KHOÁ 2010 Hà Nội – Năm 2013 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061132004421000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN XUÂN TRÍ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA BÃO HÒA MẠCH TỪ Chuyên ngành : ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN MẠNH TIẾN Hà Nội – Năm 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tơi làm hướng dẫn thầy giáo TS NGUYỄN MẠNH TIẾN Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Vũng tàu, ngày 17 tháng 03 năm 2013 Tác giả luận văn Nguyễn Xuân Trí MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ .9 1.1.Tổng quan 1.2.Các phương pháp điều khiển ĐCKĐB 10 1.2.1 Điều chỉnh tốc độ động với tần số không đổi 10 1.2.1.1 Hệ thống điều chỉnh khởi động động điện áp stato : 10 1.2.1.2 Hệ thống điều chỉnh khởi động động điện trở phụ roto : 11 1.2.2 Điều chỉnh tốc độ động với tần số thay đổi 12 1.2.2.1 Điều khiển vô hướng động không đng (scalar) 12 1.2.2.2.Nguyên lý điều khiển tần số 13 1.2.2.3 Phương pháp điều khiển véctơ 19 CHƯƠNG 2- MÔ TẢ TỐN HỌC ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ .25 2.1 Mơ hình động khơng đng khơng xét ảnh hưởng bão hòa từ 25 2.1.1.Hệ phương trình khơng gian véctơ 27 2.1.1.1.Hệ phương trình cân điện áp dạng véctơ 27 2.1.1.2.Hệ tọa độ quay chuẩn 28 2.1.1.3 Hệ phương trình véctơ trạng thái 29 2.2.Mơ hình động khơng đng xét ảnh hưởng bão hòa từ .32 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ CÓ TÍNH CHẾ ĐỘ BÃO HỊA TỪ 34 3.1 Cấu trúc hệ điều khiển véctơ trực tiếp khơng xét đến bão hịa từ 34 3.2 Tính tốn từ thơng theo mơ hình quan sát đủ bậc 35 3.3 Mơ hình quan sát từ thơng với tính đến ảnh hưởng bão hòa từ 37 3.4 Mơ hình tính tốn lượng đặt dịng điện 39 3.5 Hệ thống điều khiển véctơ có xét bão hịa từ 40 CHƯƠNG – MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 42 4.1 Mơ hình mơ 42 4.1.1 Mơ hình động khơng đng xét ảnh hưởng bão hòa từ 42 4.1.2 Mơ hình mơ khâu tính lượng đặt dịng điện I*ds I*qs 45 4.1.3 Mơ hình mơ tính thành phần từ thơng từ hóa dịng từ hóa 45 4.1.4 Mơ hình quan sát từ thơng chế độ khơng bão hòa từ 46 4.1.5 Mơ hình quan sát từ thơng chế độ bão hòa từ 47 4.2 Mô hệ thống điều khiển véctơ trực tiếp khơng xét bão hịa từ .48 4.2.1.Sơ đ mô 48 4.2.2 Thông số động 49 4.2.3 Kết mô 50 4.2.4 Kết luận 53 4.3.Mô hệ thống điều khiển véctơ trực tiếp xét ảnh hưởng bão hịa từ 53 4.3.1.Sơ đ mơ 53 4.3.2 Kết mơ chưa có thuật tốn bù ảnh hưởng bão hòa từ 55 4.3.3 Kết mơ có thuật tốn bù ảnh hưởng bão hòa từ 58 KẾT LUẬN 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt: Động không đng : ĐCKĐB Sức điện động : sđđ Điều khiển véctơ trực tiếp : ĐKVTTT Điều khiển véctơ gián tiếp : ĐKVTGT Ký hiệu: Uđm : điện áp định mức ; Pđm : Công suất định mức Sth : hệ số trượt tới hạn ; nđm : Tốc độ quay định mức Mnm : Mơ men ngắn mạch; J : Mơ men qn tính Mkđ : Mô men khởi động ; Rs : điện trở stato Rf : điện trở phụ ; LsM : Điện cảm tản dây quấn stato Mc : Mô men cản ; Ts : Hằng số thời gian stato M : Mômen động ; Tr : Hằng số thời gian roto M : Tốc độ thực ; Lmn : Điện cảm định mức * M : Tốc độ đặt ; s : Véctơ từ thông stato sl : Tốc độ trượt chuẩn ; m : véctơ từ thơng từ hóa f : Tần số ; ψ αr : Từ thông roto trục α fđm : Tần số định mức ; ψ βr : Từ thông roto trục β Pp : số đôi cực từ ; σ : Hệ số tản từ toàn phần Es : sđđ stato θm : Từ thông cực đại θs : Góc quay từ trường Ids : Dịng điện stato trục d Iqs : Dòng điện stato trục q i as : Dòng điện stato pha a i bs : Dòng điện stato pha b i cs : Dòng điện stato pha c i αs : Dòng điện stato trục α i βs : Dòng điện stato trục β uas : Điện áp stato trục a ubs : Điện áp stato trục b ucs : Điện áp stato trục c Ls : Điện cảm mạch stato Lr : Điện cảm mạch roto quy đổi stato Lm : Điện cảm từ hóa LrM : Điện cảm tản dây quấn roto quy đổi phía stato TsM : Hằng số thời gian tản mạch stato DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1- Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 101 Hình 1.2- Sơ đ đặc tính điều khiển điện áp stato 11 Hình 1.3 - Sơ đ đặc tính thay đổi điện trở phụ 12 Hình 1.4 - Sơ đ khối hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng 13 Hình 1.5 - Đặc tính động có cơng suất trung bình nhỏ với luật U/f = const .15 Hình 1.6 - Đặc tính U(f) lý tưởng (1) thực tế(2) 16 Hình 1.7 - Đặc tính động điều khiển từ thông khe hở không đổi 18 Hình 1.8 - Sự tương tự phương pháp điều khiển động chiều điều khiển vectơ 20 Hình 1.9 - Đ thị pha phương pháp điều khiển vectơ 20 Hình 1.10 - Sơ đ khối hệ điều khiển vectơ - động khơng đng 212 Hình 1.11 - Đ thị góc pha phương pháp điều khiển gián tiếp 223 Hình 2.1 - Biểu diễn vectơ không gian 266 Hình 2.2 - Hệ tọa độ chuẩn 29 Hình 3.1 - Hệ thống điều khiển vectơ kiểu trực tiếp 34 Hình 3.2 - Tính tốn r theo mơ hình quan sát .37 Hình 3.3 - Sơ đ mơ hình quan sát có xét đến bão hòa từ 38 Hình 3.4 - Sơ đ tính tốn lượng đặt dòng điện 39 Hình 3.5 - Sơ đ cấu trúc hệ thống điều khiển véctơ trực tiếp .40 Hình 4.1 - Quan hệ từ thơng với dịng điện từ hóa 44 Hình 4.2- Sơ đ mô động xét đến bão hịa từ 44 Hình 4.3 - sơ đ mơ tính lượng đặt dịng điện I*ds I *qs 45 Hình 4.4 - Sơ đ mơ tính thành phần từ thơng từ hóa 45 Hình 4.5 - Sơ đ mơ tính thành phần dịng từ hóa 46 Hình 4.6 - Mơ hình quan sát từ thơng chế độ khơng bão hịa từ .47 Hình 4.7 - Sơ đ mơ mơ hình quan sát từ thơng có xét đến bão hịa từ 47 Hình 4.8 - Sơ đ cấu trúc hệ điều khiển véctơ trực tiếp - ĐCKĐB khơng xét bão hịa từ 48 Hình 4.9 - Mơ hình động khơng đng chế độ khơng bão hịa từ .49 Hình 4.10 – Mô men động .50 Hình 4.11 – Tốc độ động 51 Hình 4.12 – Từ thơng roto 51 Hình 4.13 – Dịng sinh từ thơng 52 Hình 4.14 – Dịng sinh mơmen .52 Hình 4.15- Sơ đ cấu trúc hệ điều khiển véc tơ trực tiếp - ĐCKĐB có xét bão hịa từ 54 Hình 4.16 - Đặc tính từ hóa động 55 Hình 4.17 – Mơ men động chưa có bù bão hịa 56 Hình 4.18 – Tốc độ động chưa có bù bão hịa 56 Hình 4.19 – Từ thơng rơto chưa có bù bão hịa 57 Hình 4.20 – Dịng sinh từ thơng chưa có bù bão hịa .57 Hình 4.21 – Dịng sinh mơmen chưa có bù bão hịa 58 Hình 4.22 – Mơmen động có bù bão hịa 59 Hình 4.23 – Tốc độ động có bù bão hịa 60 Hình 4.24 – Từ thơng rơto có bù bão hịa .60 Hình 4.25 – Dịng sinh từ thơng có bù bão hịa 61 Hình 4.26 – Dịng sinh mơmen có bù bão hịa .61 Hình 4.27 - Đ thị tổng hợp từ thông chế độ mô 62 Hình 4.28 - Đ thị tổng hợp dịng sinh mơmen Iqs 63 MỞ ĐẦU Động không đng ngày sử dụng rộng rãi cơng nghiệp thay cho động khác có nhiều ưu điểm khởi động đơn giản, vận hành tin cậy, rẻ tiền kích thước gọn nhẹ Nhược điểm đặc tính phi tuyến mạnh nên trước đây, với phương pháp điều khiển đơn giản, loại động phải nhường chỗ cho động điện chiều Nhưng với việc phát triển lý thuyết điều khiển, truyền động cộng với tiến khoa học kỹ thuật kỹ thuật vi xử lý, điện tử công suất nên hạn chế nhược điểm trên, đưa động không đng trở thành phổ biến.Trước thường điều khiển động cách điều chỉnh điện áp Đây phương pháp đơn giản chất lượng điều chỉnh kể tĩnh lẫn động không cao Để điều khiển xác hiệu phải nói đến phương pháp thay đổi tần số điện áp ngun cung cấp Do tốc độ động không đng xấp xỉ tốc độ đng nên động làm việc với độ trượt nhỏ tổn hao công suất trượt mạch rotơ nhỏ Tuy nhiên phương pháp cịn phức tạp đắt tiền, thiết bị dùng để biến đổi tần số nghịch lưu, nghịch lưu trực tiếp gián tiếp Ta sử dụng biến tần thiết bị tích hợp chỉnh lưu, nghịch lưu lẫn điều khiển Luật điều khiển biến tần tuỳ thuộc vào nhà sản xuất Hiện nay, để điều khiển động có nhiều biến tần bán sẵn thị trường, phải thiết kế theo phương pháp kinh điển Biến tần đơn giản thường điều khiển tốc độ theo luật Uf/ để đảm bảo động sinh momen tốt cho hệ truyền động yêu cầu cao có biến tần điều khiển theo vectơ Trong hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ phương pháp thay đổi tần số, có phương pháp điều khiển: ➢ Phương pháp điều khiển véctơ trực tiếp : Nguyên lý dựa phương pháp xác định trực tiếp góc quay từ trường s từ thành phần từ thông khe hở từ thông rôto hai trục hệ toạ độ vng góc hai trục  Có nhiều phương pháp xác định từ thơng rơto : Dùng Cảm biến Hall; tính từ