khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ ĐỀ TÀI: “KHẢO SÁT ĐẶC ĐIỂM ỔN ĐỊNH CỦA MÔ HÌNH TRẠNG THÁI GIÁN ĐOẠN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỐNG BỘ ROTOR LỐNG SÒC” Học viên: QUÁCH ĐÀO SƠN Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH. NGUYỄN PHÙNG QUANG THÁI NGUYÊN 2011 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP ***** CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Học viên : Quách Đào Sơn Lớp : CHTĐH-K12 Chuyên ngành : Tự động hoá Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Ngày giao đề tài : 01/02/2010 Ngày hoàn thành: 01/08/2011 NGƢỜI HƢỚNG DẪN GS.TSKH: Nguyễn Phùng Quang HỌC VIÊN Quách Đào Sơn TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn M ỤC L ỤC Trang MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined.2 1. Tính cấp thiết của đề tài. 2 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. 2 3. Mục đích nghiên cứu. 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu. 3 CHƢƠNG 1. MÔ HÌNH LIÊN TỤC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC TRÊN HỆ TỌA ĐỘ CỐ ĐỊNH αβ VÀ HỆ TỌA ĐỘ TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR dq . 5 1.1. Vector không gian và các đại lƣợng ba pha 5 1.2. Hệ phƣơng trình cơ bản của động cơ xoay chiều ba pha 16 1.3. Mô hình trạng thái liên tục của động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc trên hệ toạ độ Stator cố định và hệ toạ độ đồng bộ từ thông 22 CHƢƠNG 2. MÔ HÌNH TRẠNG THÁI GIÁN ĐOẠN THÍCH HỢP VỚI ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC 34 2.1. Khái quát về phƣơng thức mô tả trên không gian trạng thái 34 2.3. Mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc trên hệ tọa độ tựa từ thông Rotor dq 47 CHƢƠNG 3. ĐẶC ĐIỂM ỔN ĐỊNH CỦA MÔ HÌNH THỜI GIAN GIÁN ĐOẠN 58 3.1. Phƣơng trình đặc trƣng cùng các thông số động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc phục vụ cho việc mô phỏng bằng matlab & simulink 58 3.2. Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình gián đoạn tìm đƣợc nhờ gián đoạn hóa mô hình liên tục động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq 63 3.3 Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình gián đoạn động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq tìm đƣợc bằng phƣơng pháp chuyển hệ tọa độ cho mô hình gián đoạn trên hệ αβ 84 3.4. Khảo sát ổn định cấu tróc ®éng c¬ theo quü ®¹o ®iÓm cùc 103 3.5 . NhËn xÐt…………………………………………………………………………… 108 KẾT LUẬN 10106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài. Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc (KĐB-RLS) có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn nhƣng vấn đề điều khiển lại gặp rất nhiều khó khăn do động cơ KĐB-RLS là một đối tƣợng phi tuyến phức tạp. Trong những năm gần đây, điện tử công suất và kỹ thuật vi xử lý đã có bƣớc phát triển rất mạnh mẽ, do đó nó cho phép thực hiện phƣơng pháp điều khiển số với khối lƣợng tính toán lớn, và do đó bộ điều khiển động cơ xoay chiều đã dần thay thế bộ điều khiển động cơ một chiều trong phần lớn những ứng dụng công nghiệp. Thực hiện điều khiển số cho động cơ KĐB-RLS đƣợc thực hiện khá thành công trong các tài liệu [1], [3], [6]. Mô hình trạng thái gián đoạn (TTGĐ) là xuất phát điểm khi thiết kế hệ thống điều khiển (ĐK) thời gian thực và có ý nghĩa quyết định tới chất lƣợng của hệ thống ĐK số (Digital Control) của động cơ KĐB Rotor lồng sóc (KĐB-RLS). Tuy nhiên các công trình đó đều chƣa xét đến đặc điểm ổn định của mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB-RLS. Do đó, “Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc” là một đề tài mang tính cấp thiết. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. a. Ý nghĩa khoa học: Đề tài góp phần hoàn thiện việc xây dựng và đánh giá mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB-RLS, là cơ sở cho việc thiết kế điều khiển số động cơ KĐB- RLS b. Ý nghĩa thực tiễn: Khảo sát đặc điểm ổn định mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB-RLS và ứng dụng để thiết kế điều khiển số cho hệ truyền động điện động cơ xoay chiều ba pha KĐB-RLS 3. Mục đích nghiên cứu. - Nghiên cứu mô hình động cơ KĐB-RLS - Xây dựng mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB-RLS thích hợp với điều khiển thời gian thực. - Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình trạng thái gián đoạn 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - Mô phỏng và đánh giá kết quả 4. Phƣơng pháp nghiên cứu. - Khảo sát phân tích các công trình đã công bố. - Nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa thích hợp - Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng. Trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa hiện nay, tự động hóa các quá trình sản xuất đƣợc đặt ra nhƣ một bƣớc quyết định để đi đến mục đích cuối cùng là nâng cao năng suất và chất lƣợng sản phẩm. Truyền động điện là một môn khoa học ứng dụng các kiến thức mới nhất của lý thuyết tự động điều khiển, các tiến bộ của công nghệ vi điện tử và vi tính đã thay đổi hẳn cách nhìn về động cơ thực hiện dùng điện lƣới xoay chiều - nhất là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. Công nghệ hiện đại đã làm cho động cơ có tính năng cao hơn, đáp ứng đƣợc đòi hỏi mới của quá trính tự động hóa đặt ra cho thiết bị truyền động. Việc áp dụng kỹ thuật vi xử lý tín hiệu (Digital signal Processor) đã cho phép giải quyết các thuật toán phức tạp trong điều kiện thời gian thực với chất lƣợng điều khiển rất cao. Các thuật toán và mô hình đƣợc vi điều khiển xử lý, và chúng chỉ đƣợc tính toán ở các thời điểm gián đoạn. Toàn bộ hệ thống là một hệ trích mẫu. Do đó, ngƣời ta thƣờng ƣu tiên đi tìm các thiết kế gián đoạn cho hệ thống điều chỉnh. Có thể nói, mô hình gián đoạn là xuất phát điểm khi thiết kế hệ thống điều khiển thời gian thực và có ý nghĩa quyết định tới chất lƣợng của hệ thống điều khiển số sau này. Đây cũng chính là nội dung chính của luận văn này. Đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang, Bộ môn Điều khiển tự động, Viện Điện, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội và cùng với sự nỗ lực của bản thân, tôi đã hoàn thành bản luận văn : “Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc” Nội dung bản luận văn đã giải quyết một số vấn đề sau: + Chƣơng 1. Mô hình liên tục động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ cố định stator và hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor. + Chƣơng 2. Mô hình trạng thái gián đoạn thích hợp với điều khiển thời gian thực. + Chƣơng 3. Đặc điểm ổn định của mô hình thời gian gián đoạn. 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Do thời gian và trình độ hạn chế, bản luận văn khó tránh khỏi những sai sót và còn thật nhiều vấn đề cần phải hoàn thiện thêm – tôi rất mong đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cùng các bạn. Cuối cùng một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo hƣớng dẫn GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn tôi thực hiện luận văn này Học viên Quách Đào Sơn 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG 1. MÔ HÌNH LIÊN TỤC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC TRÊN HỆ TỌA ĐỘ CỐ ĐỊNH αβ VÀ HỆ TỌA ĐỘ TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR dq 1.1. Vector không gian và các đại lƣợng ba pha 1.1.1. Xây dựng vector không gian - Hệ toạ độ cố định αβ Động cơ không đồng bộ có cấu tạo gồm hai phần chính: Phần cố định stator và phần quay rotor. Trên stator ngƣời ta đặt các cuộn dây u, v, w lệch nhau một góc 120 0 điện. tor có hai loại: Lồng sóc và dây quấn. Để tổng quát, ta xét một động cơ rotor lồng sóc. Khi có điện áp ba pha xoay chiều cấp vào các cuộn dây stator,sẽ tạo ra một từ trƣờng quay, từ trƣờng này sẽ cảm ứng lên rotor một suất điện động cảm ứng, do rotor kín mạch nên sẽ xuất hiện dòng điện chạy trong rotor. Dòng điện này và từ trƣờng quay tác động với nhau sẽ tạo ra một momen làm quay rotor. Động cơ xoay chiều ba pha dù là động cơ đồng bộ hay không đồng bộ đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha, bố trí không gian tổng quát nhƣ trong hình 1.1: isu isw isv Pha W Pha V Pha U rotor stator Hình 1.1 Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ xoay chiều ba pha Trong hình trên ta không quan tâm đến việc động cơ đƣợc đấu theo hình sao hay hình tam giác. Ba dòng điện i su , i sv , i sw là ba dòng chảy từ lƣới qua đầu nối vào động cơ. Khi chạy động cơ bằng biến tần, đó là ba dòng ở đầu ra của biến tần. Ba dòng điện đó thỏa mãn phƣơng trình: i su (t) + i sv (t) + i sw (t) = 0 (1.1) Trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau: 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn           )240cos()( )120cos()( )cos()( o sssw o sssv sssu titi titi titi    (1.2) Về phƣơng diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang), động cơ xoay chiều ba pha có ba cuộn dây lệch nhau một góc 120 o trong không gian. Nếu trên mặt cắt đó ta thiết lập một hệ tọa độ phức với trục thực đi qua trục cuộn dây u của động cơ, ta có thể xây dựng vector không gian sau: i s (t) =   oo j sw j svsu etietiti 240120 )()()( 3 2  = |i s | e jγ (1.3) Theo công thức (1.3), vector i s (t) là một vector có modul không đổi quay trên mặt phẳng phức (cơ học) với tốc độ góc ω s = 2πf s và tạo với trục thực (đi qua trục cuộn dây pha u) một góc pha γ = ω s t. Trong đó f s là tần số mạch stator. Việc xây dựng vector i s (t) đƣợc mô tả trong hình 1.2. Hình 1.2 Thiết lập vector không gian từ các đại lượng ba pha Qua hình 1.2 ta dễ dàng thấy đƣợc các dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector mới thu đƣợc lên trục của cuộn dây pha tƣơng ứng. Đối với các đại lƣợng khác của động cơ nhƣ: điện áp, dòng rotor, từ thông stator hoặc từ thông rotor, ta đều có thể xây dựng các vector không gian tƣơng ứng nhƣ đối với dòng điện kể trên. Ngƣời ta đặt tên cho trục thực của mặt phẳng phức nói trên là trục α và trục ảo là trục β và hãy quan 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn sát hình chiếu của vector dòng ở trên xuống hai trục đó. Hai hình chiếu đó đƣợc gọi là hai dòng i sα và i sβ (hình 1.3). Hình 1.3 Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian với các phần tử i sα và i sβ thuộc hệ tọa độ stator cố định Có thể nhận thấy rằng hai dòng điện kể trên là hai dòng hình sin. Nhƣ trong lý thuyết máy điện đã đề cập đến một cách kỹ lƣỡng: ta có thể hình dung ra một động cơ điện tƣơng ứng với hai cuộn dây cố định α và β thay thế cho ba cuộn u, v và w. Điều cần ghi nhớ ở đây là: hệ tọa độ nói trên là hệ tọa độ stator cố định, để phân biệt với các hệ tọa độ quay sẽ đƣợc đề cập đến sau này. Trên cơ sở công thức (1.1) kèm theo điều kiện điểm trung tính của ba cuộn dây stator không nối đất, ta chỉ cần đo 2 trong số 3 dòng điện stator (ví dụ i su và i sv ) là đầy đủ thông tin về vector i s (t) với các thành phần trong công thức (1.4). Cần ghi nhớ rằng công thức (1.4) chỉ đúng khi trục của cuộn dây pha u đƣợc trọn làm trục quy chiếu chuẩn nhƣ trong hình 1.3. [...]... thông stator của cuộn dây pha u Ta sẽ xây dựng hệ phƣơng trình cơ bản của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc nhƣ dƣới đây 1.2.1 Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.9 Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc Ta có 3 phƣơng trình điện áp sau đây cho 3 cuộn dây stator trong hình 1.9: d... tiếp tục đi thiết lập mô hình trạng thái liên tục của động cơ không đồng bộ, mà dƣới đây ta sẽ xét riêng cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc 1.3 Mô hình trạng thái liên tục của động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc trên hệ toạ độ Stator cố định và hệ toạ độ đồng bộ từ thông - Máy điện xoay chiều 3 pha còn đƣợc gọi là máy điện từ trƣờng quay đƣợc mô tả bởi một hệ phƣơng trình vi phân bậc cao Điều... nhƣ đối với động cơ một chiều, nhằm đạt đƣợc các tính năng điều khiển/điều chỉnh tƣơng tự với động cơ một chiều Để làm rõ ƣu thế của phƣơng pháp mô tả T4R, ta sẽ đi đến ngay các công thức cuối cùng của cả hai loại động cơ (động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ) kèm theo cấu trúc điều khiển hệ thống đã đƣợc đơn giản hóa a, Động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc Sau khi xây dựng vector không gian... (1.47) là phƣơng trình điện áp rotor trên hệ tọa độ αβ Đến đây ta đã hoàn thành việc chuyển hai phƣơng trình điện áp từ hệ thống các cuộn dây ba pha sang hai hệ tọa độ αβ và dq Các phƣơng trình (1.43), ( 1.44), ( 1.46) và (1.47) chính là xuất phát điểm để xây dựng mô hình trạng thái liên tục của động cơ không đồng bộ 1.3.1 Mô hình trạng thái liên tục của động cơ không đồng bộ trên hệ hệ toạ độ αβ Hai... hình 1.5, đối với trƣờng hợp động cơ xoay chiều ba pha là động cơ đồng bộ thì trục của từ thông rotor cũng chính là trục của rotor, dù động cơ đồng bộ đó là loại kích thích ngoài hay kích thích vĩnh cửu Trong trƣờng hợp ấy ta có ω = ωs Nếu động cơ xoay chiều ba pha là động cơ không đồng bộ thì sự chênh lệch giữa ω và ωs (giả thiết số đôi cực là 1) sẽ tạo nên dòng điện rotor với tần số f r, dòng điện... Đối tƣợng động cơ không đồng bộ (mô tả trên hệ tọa độ αβ) có mô hình trạng thái với ω trong ma trận hệ thống As đƣợc coi nhƣ là một tham số hàm (biến thiên theo thời gian) có thể đo đƣợc Mô hình trạng thái đó (Hình 1.12) là cơ sở để thiết kế các khâu ĐC, khâu QS trên hệ tọa độ αβ Trên hệ αβ các thành phần của vector trạng thái xs có dạng hình sin 29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên... phần của vector trạng thái xs có dạng hình sin 29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.12 Mô hình trạng thái với hệ số hàm của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ αβ 1.3.2 Mô hình trạng thái liên tục của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ dq Hai phƣơng trình (1.43), (1.46) đƣợc tập hợp lại thành hệ phƣơng trình nhƣ sau: dsf u = Rs i + + js sf dt... trúc ĐC - Để mô tả đối tƣợng ta sử dụng mô hình trạng thái của ĐCXCBP.Trong các hệ thống điều khiển truyền động có sự hỗ trợ của vi tính ở thời kỳ sơ khai, hầu nhƣ các khâu ĐC đều đƣợc thiết kế bắt nguồn từ mô hình trạng thái liên tục Ngày nay cách thức giải quyết vấn đề nhƣ vậy không còn phù hợp nữa Trong chƣơng này,trƣớc hết ta sẽ tìm cách xây dựng mô hình trạng thái liên tục của động cơ, để rồi từ... trúc của mô hình 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.11 Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ αβ Các thành phần α và β của điện áp stator, dòng stator và từ thông rotor có thể đƣợc viết lại dƣới dạng vector với thành phần thực nhƣ sau:   x sT  is , is , r/ , r/ ; u ssT  u s , u s  Với vector trạng thái. .. 0  0 1 1 0   Hình 1.14 Mô hình trạng thái dạng phi tuyến yếu của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ dq Nhƣ trên đã nhận xét ,mô hình trạng thái (1.57) với các ma trận (1.58) đã thể hiện rõ đặc điểm bilinear.Theo cách nhìn nhận đó các đại lƣợng đầu vào phải bao gồm usd, usq và ωs Vận tốc góc cơ học ω trong ma trận hệ thống Af đƣợc coi là tham số hàm có thể đo đƣợc Điểm khác hình thức giữa (1.52) . cơ KĐB Rotor lồng sóc (KĐB-RLS). Tuy nhiên các công trình đó đều chƣa xét đến đặc điểm ổn định của mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB-RLS. Do đó, Khảo sát đặc điểm ổn định của mô. giá mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB-RLS, là cơ sở cho việc thiết kế điều khiển số động cơ KĐB- RLS b. Ý nghĩa thực tiễn: Khảo sát đặc điểm ổn định mô hình trạng thái gián đoạn của. rotor lồng sóc phục vụ cho việc mô phỏng bằng matlab & simulink 58 3.2. Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình gián đoạn tìm đƣợc nhờ gián đoạn hóa mô hình liên tục động cơ không đồng bộ