Ước lượng từ thông trong điều khiển vector tựa từ thông rôt động cơ không đồng bộ

i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN NGUYỄN THỊ XUÂN THU ĐỀ TÀI: ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG TRONG ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA TỪ THÔNG RÔT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Thái Nguyên - Năm 2014 ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là : Nguyễn Thị Xuân Thu Sinh ngày: 15 tháng 10 năm 1975 Học viên lớp cao học khóa 14 – Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan bản luận văn: Ứơc lƣợng từ thông trong điều khiển vector từ tựa thông roto động cơ không đồng bộ do tôi tự nghiên cứu hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS.Nguyễn Văn Liễn. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế. Để hoàn thành luận văn này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Xuân Thu iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo ở khoa Sau Đại học – Trường Đại học KTCN Thái Nguyên,Cùng các giáo sư, phó giáo sư, tiến sĩ đã quan tâm tổ chức chỉ đạo và trực tiếp giảng dạy khóa cao học của chúng tôi. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn. Thầy đã gợi mở hướng nghiên cứu và đã tận tình hướng dẫn với những ý kiến cụ thể , tạo điều kiện giúp em từng bước hoàn thiện, nâng cao khả năng nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận văn này. Em cũng xin trân trọng cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp – những người đã luôn ủng hộ và động viên em nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tuy nhiên do bản thân mới bắt đầu trên con đường nghiên cứu đầy thách thức, chắc chắn bản luận văn còn nhiều thiếu sót. Rất mong được sự góp ý của các thầy cô giáo và đồng nghiệp. Em xin trân trọng cảm ơn! Học viên Nguyễn Thị Xuân Thu v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các các chữ viết tắt vi Danh mục các hình vẽ và bảng biểu vii Lời nói đầu 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉC TƠ 3 1.1. Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ 3 1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ 3 1.1.2 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ 3 1.1.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 4 1.1.4 Ứng dụng và ưu, nhược điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 5 1.2. Mô hình ba pha của động cơ không đồng bộ 6 1. 3. Đại lƣợng véc tơ không gian 12 1.4. Mô hình động cơ không đồng bộ trong các hệ tọa độ trực giao 16 1.4.1. Mô hình trong hệ tọa độ gắn với stato (  0) 16 1.4.2. Mô hình trong hệ tọa độ quay đồng bộ (dq0 ) 21 1.4. 3. Mô hình trong hệ tọa độ gắn với roto (D, Q, O) 25 CHƢƠNG 2: NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ TỰA TỪ THÔNG ROTO 29 2.1. Nguyên lý điều khiển 29 2.2. Tổng quan về biến tần 33 2.2.1. Biến tần sử dụng trong công nghiệp 33 2.2.2. Các loại biến tần 35 vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.3. Các phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu 37 2.3.1. Phương pháp PWM thông thường 38 2.3.2. Phương pháp điều chế vector không gian SPWM 41 Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 50 3.1. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện sd i và sq i 50 3.1.1. Mô hình gần đúng của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ d,q tựa từ thông roto. 50 3.1.2. Tổng hợp hai bộ điều khiển dòng điện riêng rẽ có bù tách kênh 52 3.2. Thiết kế bộ điều khiển từ thông roto 55 3.3. Ƣớc lƣợng từ thông rô to 57 Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM 60 4.1. Tính toán các thông số động cơ 60 4.1.1.Tính ,, r s m L L L từ mô hình thay thế máy điện 61 4.1.2.Tính 0 0 0 ,, sd sq rd II   62 4.2.Mô phỏng hệ thống điều khiển trên Matlab – Simulink 63 4.2.1.Mô hình mô phỏng 63 4.2.2.Kết quả mô phỏng khi thay đổi mô men động cơ 66 4.2.3.Kết quả mô phỏng khi thay đổi lượng đặt từ thông 68 4.3.Đánh giá kết quả thực nghiệm 71 4.3.1. Cấu hình thực nghiêm về điều khiển véc tơ tựa từ thông rô to động cơ không đồng bộ 71 4.3.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm 74 4.3.3. Các kết quả thực nghiệm 75 4.3.4. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm 76 vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Diễn giảng nội dung 1 IM Induction Motor Động cơ không đồng bộ 2 FOC Field Orientated Control Điều khiển tựa từ thông roto 3 FOC-IM FieldOrientated Control Induction Motor Điều khiển tựa từ thông roto cho động cơ không đồng bộ 4 PWM Pulse Width Modulation Điều chế động rộng xung 5 SVPWM SpaceVectorPulseWidth Modulation Điều biến vector không gian viii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU A, Hình vẽ Số hiệu Nội dung Trang Hình 1.1. Sơ đồ dây quấn tập trung của KĐB 7 Hình 1.2. Sơ đồ 3 pha quy đổi về stato của KĐB 9 Hình 1.3. Mô hình giải thích cách tính sức điện động roto 11 Hình 1.4. (a) Mô hình của điều khiển trong hệ tọa độ cực; (b) các đại lượng véctơ 12 Hình 1.5. Phân bổ mật độ dòng điện khi chỉ có pha a có dòng điện 13 Hình 1.6. Sức từ động toàn phần của stato 14 Hình 1.7. Phân bố mật độ từ thông tổng từ các dòng stato ở hình 1.6 15 Hình 1.8. Biểu diễn vector trên hệ trục αβ 17 Hình 1.9. Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ trong hệ trục (0  ) 18 Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc của động cơ trong hệ tọa độ (0  ) 19 Hình 1.11. Mô hình trạng thái của điều khiển trọng hệ tọa độ (0  ) 21 Hình 1.12. Biểu diễn véc tơ không gian trong hệ trục d, q 22 Hình 1.13. Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ trục tọa độ dq 24 Hình 1.14. Biểu diễn vector không gian trong hệ trục gắn với roto (DQ ) 25 Hình 1.15. Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ tọa độ gắn với roto 26 Hình 1.16. Sơ đồ cấu trúc của điều khiển trong hệ tọa độ gắn với roto 27 Hình 2-1 Đồ thị véc tơ cho trường hợp tựa hệ trục d,q và véc tơ từ thông roto 29 Hình 2-2 . Sự tương đồng giữa động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ tựa từ thông rôto và động cơ một chiều kích từ độc lập 31 x Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vecto tựa từ thông roto 32 Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp 36 Hình 2.5 Điều chế độ rộng Xung ( a. Hai cực tính; b. Một cực tính) 39 Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển nghịch lưu áp ba pha PWM thông thường. 40 Hình 2.7. Dạng điện áp ra của sơ đồ nghịch lưu áp ba pha. 41 Hình 2.8. Nghịch lưu áp ba pha (a) và đồ thị điện áp ra sáu bậc (b). 42 Hình 2.9. Các sectơ và vectơ biên chuẩn trong mặt phẳng  43 Hình 2.10. Các vectơ biên chuẩn và các sectơ 45 Hình 2.11. Mẫu xung trong mỗi sector 49 Hình 3.1. Dòng điện động cơ trên trục d, q 50 Hình 3.2. Sơ đồ thay thế gần đúng của động cơ không đồng bộ 51 Hình 3.3. Mô hình gần đúng của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ tựa từ thông roto. 52 Hình 3.4. Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện sd i và sq i 53 Hình 3.5. Cấu trúc điều khiển dòng điện và tách kênh 53 Hình 3.6. Điều khiển dòng riêng rẽ có bù sức điện động e sd và e sq R 11 và R 12 được lấy theo (3.7). 54 Hình 3.7.(a)Mô hình mạch vòng điều khiển, (b) Sơ đồ khối hàm truyền hệ FOC-IM 54 56 Hình 3.8. Mô hình ước lượng dòng điện stato ˆ sd i và ˆ sq i 58 Hình 3.9. Mô hình ước lượng từ thông 59 Hình 3.10. Mô hình ước lượng momen điện từ 59 [...]... ra động cơ không đồng bộ xoay chiều Ngày nay, các động cơ điện chia làm 2 loại : động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều, động cơ xoay chiều gồm: động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ Cho đến ngày nay, lý thuyết xây dựng động cơ điện vẫn dựa trên các lý thuyết của Oersted, Faraday và Tesla/ Cấu trúc của động cơ không đồng bộ gồm 2 phần chính: Stator đứng yên và phần Rotor quay Động cơ không. .. tổng hợp điều khiển trở nên đơn giản bởi vì các biến điều khiển là tương đối độc lập Các biến điều khiển được mô tả trong hệ tọa độ quay nên chúng là các lượng một chiều [1] Trong hệ điều khiển véc tơ tựa từ thông (FOC) vấn đề điều khiển đã khóa chặt từ thông roto có tính quyết định trong nguyên lý điều khiển Việc sử dụng cảm biến đo trực tiếp là rất phức tạp, do đó ước lượng từ thông phải thông qua... đối với tải và từ không tảI tới đầy tải Điểu này không giống như các động cơ điện một chiều, các động cơ không đồng bộ gặp khó khăn để điều khiển tách bạch các thành phần dòng điện sinh mô men và từ thông Để nâng cao hiệu suất sử dụngt hì hệ truyền động động cơ không đồng bộ thay đổi tốc độ có khả năng cấp cho động cơ điện ba pha có tần số và biên độ có thể thay đổi được, nên bộ điều khiển phức tạp... 61 Hình 4.2 Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ sử dụng thuật toán FOC 64 Hình 4.3 Mô hình động cơ không đồng bộ trên trục dq 64 Hình 4.4 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển dòng điện có bù tách kênh 65 Hình 4.5 Bộ ước lượng từ thông roto 65 Hình 4.6 Khối tính toán góc quay của từ thông rô to 66 Hình 4.7 Đáp ứng tốc độ khi thay đổi momen 66 Hình 4.8 Đáp ứng từ thông khi thay đổi momen 67 Hình... phần mềm mô phỏng để tính toán các đại lượng điện từ của động cơ không đồng bộ, trong trường hợp động cơ roto lồng sóc thì u 'r  0 Từ các phương trình (1 5) và (1.6) ta có thể dựng được mô hình tương đương của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ cực như trên hình 1.4, tất cả các đại lượng điện từ là các véc tơ quay trong mặt phẳng cắt ngang trục động cơ, động cơ có hai dây quấn: dây quấn stato và... ra các động cơ không đồng bộ có thể làm việc trong các môi trường khắc nghiệt dễ cháy nổ vì chúng không có khả năng đánh lửa Do những ưu điểm này mà động cơ không đồng bộ được ưu tiên quan tâm tìm hiểu như bộ biến đổi năng lượng điện cơ Các động cơ không đồng bộ cũng có nhiều nhược điểm, như tốc độ của chúng phụ thuộc vào tần số và biên độ điện áp nguồn cấp mà trong thực tế nhiều lúc năng lượng cơ lại... của động cơ Kết quả đề tài thiết kế xây dựng mô hình hệ thống biến tần điều khiển đông cơ không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc, sử dụng thuật toán điều khiển véc tơ tựa từ thông ro to động cơ không đồng bộ Để làm bộ thí nghiệm giảng dạy trong môn học truyền động điện tại phòng thí nghiệm Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Hóa Chất 2 Mục tiêu nghiên cứu Đề tài nhằm đi sâu vào tìm hiểu phương pháp điều khiển. .. không đồng bộ gồm 2 loại: Động cơ không đồng bộ Rotor dây quấn và Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc (ngắn mạch) 1.1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ gồm 2 phần stator (phần tĩnh) và rotor (phần quay) 1 Stator: Gồm vỏ máy, lõi sắt, dây quấn a Vỏ máy: Thường làm bằng gang Đối với máy công suất lớn (>1000kW) thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ Vỏ máy có tác dụng cố dịnh và không. .. người ta gọi đó là lồng sóc Dây quấn rotor lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt 3 Khe hở: Khe hở trong động cơ không đồng bộ rất nhỏ(0,2mm-1mm) Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là : Điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình khó khăn, đối với động cơ rô to lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu 1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Số hóa bởi Trung tâm Học liệu... động cơ không đồng bộ trong không gian khác nhau Chương 2: Nguyên lý điều khiển véc tơ tựa từ thông Chương 3: Thiết kế điều khiển Chương 4: Mô phỏng và thí nghiệm tại phòng thí nghiệm của trường Đai học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Kết luận và kiến nghị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -3- CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG . quay. Động cơ không đồng bộ gồm 2 loại: Động cơ không đồng bộ Rotor dây quấn và Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc (ngắn mạch) 1.1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ gồm. ra động cơ không đồng bộ xoay chiều. Ngày nay, các động cơ điện chia làm 2 loại : động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều, động cơ xoay chiều gồm: động cơ đồng bộ và động cơ không đồng. HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉC TƠ 3 1.1. Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ 3 1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ 3 1.1.2 Cấu tạo của động