Đang tải... (xem toàn văn)
Vùng tốc độ và momen cao đó loại trừ là cần thiếtvì đắt và bánh răng cơ khí và hộp truyền động phức tạp.1.2 Cấu trúc cơ bản của động cơ từ trở thay đổiHình 1.1 Cấu trúc động cơ 6/4 SRM p
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN Lực KHOA ĐIỀU KHIỂN & Tự ĐỘNG HÓA ĐỢI HỌC ĐIỆn Lực ELECTRIC POWER UNIVERSITY ĐÒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỀ TÀI Thiết kế hệ truyền động cho động từ trở thay đổi (Switched reluctance motor) Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Khốt Nhóm sinh viên/ sinh viên thực hiện: Nhóm 1: Nguyễn Trung Hiếu - MSV: 18810430214 Vũ Nhật Long -MSV: 18810430156 Trần Mạnh Cường - MSV: 18810430166 Lớp: D13TDH&DKTBCN2 HÀ NỘI, 6/2022 MỤC LỤC ĐỀ BÀI BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI 1.1 T quan động từ trở 1.2 Cấu trúc động từ trở thay đổi 1.3 Nguyên lý hoạt động 1.4 Quá trình vật lý 1.4.1 Từ trở thay đổi 1.4.2 Quá trình chuyển đổi lượng .10 1.5 Đ ặc tính SRM 12 1.6 Ưu nhược điểm ứng dụng động srm 13 CHƯƠNG NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SRM .15 2.1 Nguyên tắc điều khiển 15 2.2 Cấu trúc điều khiển hệ truyền động SRM 17 2.3 Bộ biến đổi sử dụng cho SRM .18 2.3.1 Bộ biến đổi phục hồi thụ động 18 2.3.2 Bộ biến đổi hai dây song song 18 2.3.3 Bộ biến đổi cầu không đối xứng 19 2.3.4 Bộ biến đổi C-Dump 19 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SRM BẰNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID 21 3.1 Bộ điều khiển 21 3.2 Tổng hợp điều khiển 21 3.2.1 Phương trình momen điện áp SRM 22 3.2.2 Mơ hình hóa động SRM 23 3.2.3 Sơ đồ khối hệ điều khiển động SRM .25 3.2.4 Thiết kế điều khiển dòng 26 3.2.5 Thiết kế điều khiển tốc độ 30 3.3 MÔ PHỎNG MATLAB SIMULINK 33 3.3.1 Mơ tổng hợp mạch vịng Matlab/Simulink 33 3.3.2 Mơ hình SRM (6/4) với điều khiển PID Matlab/Simulink 38 KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO .44 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc động 6/4 SRM (pha A không thẳng hàng) Hình 1.2 Cấu trúc động 6/4 SRM (Pha A thẳng hàng) Hình 1.3 Vị trí đồng trục Hình 1.4 Vị trí lệch trục Hình 1.5 Quan hệ điện cảm vị trí roto Hình 1.6 Tập đường cong từ hóa cuộn dây pha động SRM .10 Hình 1.7 Năng lượng dự trữ lượng chuyển đổi động SRM 11 Hình 1.8 Đặc tính SRM 12 Hình 2.1 Hoạt động chế độ động máy phát SRM 16 Hình 2.2 Dịng điều khiển truyền đông động SRM .17 Hình 2.3 Mạch vịng điều chỉnh tốc độ SRM 17 Hình 2.4 Bộ biến đổi phục hồi thụ động .18 Hình 2.5 Bộ biến đổi hai dây song song 18 Hình 2.6 Bộ biến đổi cầu không đối xứng .19 Hình 2.7 Bộ biến đổi C-Dump 19 Hình 2.8 Bộ biến đổi dịng cảm ứng dùng Tisistor .20 Hình Sơ đồ khối động SRM tuyến tính .24 Hình Sơ đồ khối hệ điều khiển hai mạch vòng điều chỉnh động SRM 25 Hình 3 Sơ đồ mạch vòng điều khiển dòng 26 Hình Sơ đồ khối mạch vịng dịng điện có tính đến sức điện động độngcơTL=0 27 Hình Sơ đồ khối mạch vịng dòng điện sau biến đổi 27 Hình Sơ đồ khối mạch vịng dịng diện có tính đến sức điện động độngcơ T|.B| (') 28 Hình Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện sau biến đổi 29 Hình Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ 30 Hình Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ có TL 31 Hình 10 Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ 32 Hình 11 Sơ đồ khối mạch vịng điều chỉnh tốc độ có TL 33 Hình 12 mạch vòng dòng điện bỏ qua sức điện động .34 Hình 13 đồ thị dòng điển mạch vòng dòng điện bỏ qua sức điện động cảm ứng 34 Hình 14 Mạch vịng dịng điện có sức điện động, khơng có momen tải 34 Hình 15 đồ thị mạch vịng dịng điện có sức điện động, khơng có momen tải 35 Hình 16 Mạch vịng dịng điện có sức điện động, có monem tải TL=Bro 35 Hình 17 đồ thị dịng điện mạch vịng dịng điện có sức điện động,có monem tải TL=Bro 36 Hình 18 Mạch vịng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng 36 Hình 19 đồ thị mạch vịng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng 37 Hình 20 Mơ hình SRM (6/4) với điều khiển PID Matlab/Simulink 38 Hình 21 Bộ chuyển đổi nguồn ba pha .39 Hình 22 Bộ chuyển đổi nguồn pha 39 Hình 23 Đo phản hồi vị trí 40 Hình 24 Bộ điều khiển PID .40 Hình 25 Đặc tính từ hóa động 41 Hình 26 Kết mơ SRM (6/4) với dịng điện, momen, tốc độ 42 DANH SÁCH BẢNG Bảng 3.1 Thông số động 33 ĐỀ BÀI BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ Đề bài: Thiết kế hệ truyền động cho động từ trở thay đổi (Switched reluctance motor) 1) Giới thiệu chung (tổng quan) động từ trở thay đổi (SRM) Cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại 2) Phân tích nguyên tắc điều khiển tốc độ cho động từ trở thay đổi 3) Lựa chọn mơ hình điều khiển dịng điện, tốc độ cho SRM Tính tốn, mơ phỏng, kiểm nghiệm phương pháp phần mềm MATLAB/Simulink Ngày 04, tháng 03 năm 2022 Giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Ngọc Khoát CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ THAY ĐỔI Trong năm gần đây, động tử trở (SRM) lụi ý để đưa vào ứng dụng công nghiệp điều khiển tốc độ cao Khả trội tính mạnh mẽ chắn, mạch vịng điều khiển kín đơn giản, hiệu kinh tế cao Ngày nay, truyền động SRM động thơng qua ứng dụng tự động quan trọng thiết bị lái điện, phận tích hợp máy phát điện xoay chiều, máy bơm Khuynh hướng tương tự tiến hành lĩnh vực khác công nghiệp thiết bị nội thất, không gian vũ trụ dụng cụ khai thác mỏ công suất lớn Nghiên cứu phát triển toàn giới tiến triển khía cạnh thay đổi truyền động SRM để đạt kết tiến thật 1.1 Tổng quan động từ trở Ra đời cách gần 200 năm, SRM coi loại máy điện giới, SRM không trọng phát triển số nhược điểm mang tính tiền định có nguồn gốc từ nguyên lý động cơ: Momen quay chứa nhiều sóng hài bậc cao gây nhiều tiếng ồn nhiều so với loại động khác Hiệu suất hệ truyền động sử dụng SRM thấp (cosộ ~ 0,5) so với hệ truyền động dùng loại động khác (cosộ ~ 0,7 + 0,8) SRM bắt đầu phát triển vào 1972 Bedfford cấp sáng chế độc quyền SRM nhận quan tâm sau mẫu làm việc đại học Leeds Nottingham năm 1980 Nó tiếp tục nghiên cứu toàn giới, đặc biệt Châu Âu Mỹ Kết công bố khác nhau, dạng cấp sáng chế ứng dụng Sau gần 30 năm nghiên cứu SRM, xuất máy điện SRM đơn giản nhất, nhiên tồn nhiều nhược điểm cần nghiên cứu xa Trong năm gần đây, công nghệ bán dẫn phát triển mạnh mẽ thu nhiều thành cơng đáng kể SRM quan tâm ngày nhiều, biết đến với tên “động từ trở thay đổi” - switched Reluctance Motor (SRM) Máy điện từ trở thay đổi có đặc điểm bật: - Hoạt động trạng thái đóng ngắt liên tục, lý chủ yếu giải thích SRM quan tâm ngày phát triển ngành vật liệu bán đẫn đạt thành công vượt trội - Từ trở: Roto stato có thay đổi từ trở (điện kháng phức tạp) động làm việc, hay nói cách khác SRM loại máy điện có cực phía Bộ truyền động động từ trở tương đối truyền động tốc độ thay đổi Bộ truyền động động từ trở truyền động tốc độ thay đổi với cấu trúc đơn giản, dải tốc độ rộng, hiệu suất lượng tốt, tỷ số momen quán tính lớn tỷ số tương quan nguồn momen cao Cấu trúc đơn giản SRM làm rẻ truyền động tốc độ thay đổi khác đa số nhà cung cấp SRM có tính linh hoạt vận hành truyền động góc phần tư với điều khiển độc lập tốc độ momen vùng tốc độ Vùng tốc độ momen cao loại trừ cần thiết đắt bánh khí hộp truyền động phức tạp 1.2 Cấu trúc động từ trở thay đổi độ Hình 1.1 Cấu trúc động 6/4 SRM (pha A không thẳng hàng) Cũng giống loại động khác, SRM cấu tạo hai phần chính: Stato: Khơng giống loại máy điện ba pha khác - loại máy điện có cuộn dây phân tán tùy theo số đơi cực, stator SRM có cấu tạo nhiều cực từ chứa cuộn dây tập trung Roto: Hoàn toàn khác biệt với Roto loại máy điện khác, Roto SRM không chứa cuộn dây chế tạo vật liệu sắt từ có xẻ với tổng số tổng số cực Stato, việc chế tạo hoàn toàn dựa nguyên tắc hoạt động SRM đề cập đến phần sau Hình 1.1 rõ cấu trúc động từ trở pha 6/4 (6 cực stato cực roto) Như hình 1.1 ta thấy động SRM có cự lồi roto stato, SRM động lồi hai cực Máy điện có cực roto cực stato nên gọi động 6/4 SRM Mỗi cực stato có cuộn dây quấn xung quanh Hai cuộn dây hai cực stato đối ngược nối nối tiếp song song để tạo nên pha stato Khơng có cuộn dây roto từ trường roto Trong hình 1.1, cuộn dây pha C - C’ stato kích thích dịng pha - đổi cực cảm ứng tạo nên cực stato trường điện từ Trường điện từ cảm ứng đôi cực - 1’ roto, trường điện từ làm quay - 1’ roto - phía gần pha C - C Trong suốt trình quay, điện cảm từ thơng móc vịng giảm đạt giá trị nhỏ cực roto thẳng hàng với cực stato VD cực - thẳng hàng với cực C - C’ Sự thay đổi điện cảm trình quay đặc trưng động SRM Nếu pha kích thích liên tiếp, pha C - C’, đến pha A - A’, pha B - B’ đến pha C - C’, roto quay theo bước, bước góc 0s (1.1) Trong đó: q số pha, NR số đơi cực, hình 1, 0s = 30o độ Hình 1.2 Cấu trúc động 6/4 SRM (Pha A thẳng hàng) Hình 1.2, biểu diễn động 6/4SRM với roto thẳng hàng với pha A - A’ Hình 1.2 roto thẳng hàng với soto pha A - A’, ngược lại với hình roto khơng thẳng hàng với stato pha A - A’ Vị trí thẳng hàng điểm trạng thái cân mà dịng pha không cung cấp momen lệch hướng ngỏ roto cung cấp momen để đẩy roto trở lại Trái lại, vị trí khơng thẳng hàng trạng thái khơng cần di chuyển nhỏ roto tạo nên chuyển động SRM có nhiều loại, tùy thuộc theo yêu cầu cụ thể tốc độ, công suất với vùng nguồn từ 100 W đến 75kW với tốc độ khoảng 250 đến 3000 rpm 1.3 Nguyên lý hoạt động Sự chuyển động động SRM gây thay độ tự cảm khe hở khơng khí roto stato Khi cuộn dây stato cấp nguồn, cung cấp trường từ trường đơn cực, momen điện từ sinh khuynh hướng dịch chuyển roto đến vị trí cho từ trở mạch từ nhỏ Khi cực roto có vị trí đồng trục tương ứng với cực stato có dây quấn pha kích từ, hình 1.3, khơng có momen mặt trực giao (coi khe hở nhỏ) Tại vị trí này, độ tự cảm lớn từ trở nhỏ (bỏ qua từ trở mạch từ trường) Nếu dời roto khỏi vị trí đó, sinh momen để có khuynh hướng mang roto quay lại vị trí đồng trục Nếu dịng đưa vào pha vị trí lệch trục, hình 1.3 khơng sinh momen (hoặc ít) Nếu chuyển roto khỏi vị trí lệch trục, momen quay dời roto tới vị trí thẳng hàng stator Vị trí thẳng hàng rotor Hình 1.3 Vị trí đồng trục ▲ Độ tự cảm Hình 1.4 Vị trí lệch trục Momen quay củLmaaSx R- M có đường phân bố bề mặt Roto lặp lại theo chu kỳ Trong cLhmuink-ỳ có hai vị trí: vị trí đồng trục vị trí lệch trục Trong hình 1.4, cực active cực lân cận phía bên phải cực active tại, Roto quay trái góc 1/4 Nghĩa là: Roto quay ngược với chiều trường quay tạo nên từ phái stato Gọi m số pha sVtịattr k,h2ơpngc ltàhẳsnốg hcàựncg pha, từ trường stato quay sau xung góc là: Vc = 306° (1.2) Pcm Nếu số roto z, sau xung roto quay góc: r V = 306 (1.3) zm Tức qua chậm hơn: Vr_ 2Pc ( 1.4) Vs z (1.5) lần so với từ trường quay stato Để đạt tốc độ quay n, tần số điều khiển fs (control frequency) cần thiết phải là: fs = nz Nguyên lỷ hoạt động: Để đảm bảo SRM khởi động vị trí roto đảm bảo momen sinh chuyển mạch cuộn dây pha stato, người ta chế tạo SRM có nhiều cực phía roto stato số cực roto stato không giống số đôi cực stato nhiều số đôi cực roto Một số dạng động phổ biến 6/4 (6 cực stato cực roto), 8/6, 12/10 6/4 8/6 hai loại phổ biến Roto SRM coi nằm vị trí đồng trục so với pha thời điểm điện cảm cuộn dây pha lớn roto gọi vị trí lệch trục với pha xác định điện cảm đạt giá trị nhỏ nhất, cịn vị trí khác roto gọi vị trí đồng trục Khi cuộn dây pha dẫn dòng, roto SRM ln có xu hướng chuyển động phía cực stato có cuộn dây dẫn dịng để giá trị điện cảm lớn (vị trí đồng trục) điều làm cho từ cuộn dây đạt giá trị lớn Tốc độ SRM thay đổi cách thay đổi số đôi cực stato số của roto Tuy nhiên việc làm tăng giá thành động SRM hệ truyền động sử dụng SRM phải tăng số lượng linh kiện rời rạc để xây dựng hệ thay đổi tần số đóng ngắt cuộn dây pha stato vào nguồn chiều Mối quan hệ vận tốc góc roto, với tần số đóng ngắt thể qua công thức (1.5) Như vậy, Khi cuộn dây pha stato đóng vào nguồn rõ ràng Momen sinh kéo roto chuyển động theo hướng làm điện cảm tăng dần giá trị điện cảm lớn Giả thiết khơng có tượng từ dư lõi thép không xét tới chiều dòng điện chảy cuộn dây pha SRM momen ln có chiều hướng kéo roto chuyển động phía vị trí đồng trục gần Vì chiều momen dương (chế độ động cơ) xác định roto nằm vị trí lệch trục vị trí đồng trục chiều với chiều quay roto Hay nói cách khác chế độ động sinh roto quay theo chiều làm điện cảm SRM tăng dần Nếu số cực stato số roto pha stato đóng vào nguồn tạo momen quay nửa phần bề mặt roto tương ứng kết để tạo momen quay cần cặp dây stato cấp nguồn vị trí