nghiên cứu và chế tạo mô hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm

SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THÀNH ĐOÀN TP. HỒ CHÍ MINH TP. HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH VƯỜN ƯƠM SÁNG TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRẺ \[ * \[ B B Á Á O O C C Á Á O O N N G G H H I I Ệ Ệ M M T T H H U U (Đã chỉnh sửa theo góp ý của Hội đồng nghiệm thu ngày 20 tháng 5 năm 2009) NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BỘ BIẾN TẦN CHO PHÒNG THÍ NGHIỆM CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TRẦN CÔNG BINH CƠ QUAN CHỦ TRÌ: Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 5/ 2009 Nghiên cứu và chế tạo mô hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm I BÁO CÁO NGHIỆM THU Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BỘ BIẾN TẦN CHO PHÒNG THÍ NGHIỆM. Chủ nhiệm đề tài: Trần Công Binh Cơ quan chủ trì: Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ Thời gian thực hiện đề tài: 12.2005-12.2006 Kinh phí được duyệt: 50 000 000 đ Kinh phí đã cấp: theo TB số: TB-SKHCN ngày / / Mục tiêu: (Theo đề cương đã duyệt)  Xây dựng mô hình bộ biến tần phục vụ thí nghiệm và nghiên cứu khoa họ c cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh tại Việt Nam trong lĩnh vực điều khiển truyền động điện hiện đại. Nhằm mục đích trang bị cho sinh viên các kỹ thuật điều khiển hiện đại dùng kỹ thuật số (DSP) trong lĩnh vực điều khiển tự động truyền động điện. Phục vụ công tác đào tạo nguồn nhân lực làm chủ công ngh ệ điều khiển tự động hiện đại. Ứng dụng tại PTN Kỹ thuật điện, Khoa Điện - Điện Tử, ĐH Bách Khoa TpHCM.  Mô hình bộ biến tần của đề tài dùng để kiểm tra các phương pháp khác trong điều khiển động cơ. Phục vụ thí nghiệm và nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực điều khiển truyền động điện hiện đại. Phát triển thành các bài thí nghiệm dành cho học viên cao học. Ứng dụng tại PTN Kỹ thuật điện, Khoa Điện - Điện Tử, ĐH Bách Khoa TpHCM. Nội dung: (Theo đề cương đã duyệt và hợp đồng đã ký) TT Công việc dự kiến Công việc đã thực hiện Nghiên cứu áp dụng phương pháp điều khiển mô hình nội (Internal Model Control - IMC) trong lĩnh vực điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha. Sử dụng phương pháp ước lượng từ thông trong việc điều khiển vòng kín tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha. Mô phỏng khảo sát thuật toán trên Matlab- Simulink. Đã xây dựng thuật toán điều khiển tốc độ động cơ 3 pha dùng mô hình nội và mô phỏng thành công. Thiết kế và chế tạo bộ biến đổi công suất dùng cầu MosFET cân bằng cho động cơ 3 pha công suất trung bình (Voltage Source Inverter - VSI). Đã chế tạo thành công bộ VSI cho động cơ công suất 0.5HP, 220V. Cho Nghiên cứu và chế tạo mô hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm II Bao gồm mạch công suất và mạch kích cho cầu MosFET cần bằng. Thiết kế các mạch sử dụng các kỹ thuật đo lường hồi tiếp hiện đại. phép điều khiển tần số, biên độ điện áp và đo được tốc độ, dòng điện. Viết phần mềm điều khiển tự động theo thời gian thực trên nền bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor - DSP) TMS320LF2407A của Texas Instruments. Lập trình trên phền mềm Code Composer 4.12. Đã lập trình DSP điều khiển được tốc độ động cơ 3 pha. Thiết kế chế tạo mô hình thử nghiệm bộ điều khiển thay đổi và ổn định tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha - bộ biến tần. Xây dựng hệ thống thu thập dữ liệu về máy tính để khảo sát chất lượng điều khiển. Đã chế tạo thành công mô hình bộ biến tần cho phép điều khiển ổn định t ốc độ động cơ 0.5HP và đo lường về máy tính. Viết một bài báo trên một tạp chí khoa học kỹ thuật quốc gia (Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường đại học kỹ thuật). Đã đăng 02 bài báo tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường đại học kỹ thuật, 02 bài báo hội nghị trong nước, 03 bài báo hội nghị nước ngoài (1 bài tại PEDS'07 - IEEE). Nghiên cứu và chế tạo mô hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm III TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đề tài nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm mô hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm. Dựa vào nguyên lý điều khiển mô hình nội của [1], đề tài xây dựng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha dùng mô hình nội phi tuyến. Mô hình thuận và mô hình ngược là các mô hình phi tuyến của ĐCKĐB trong hệ tọa độ từ thông rotor. Giải thuật điều khiển được cài đặt trên bộ xử lý DSP (Digital Signal Processing) TMS320LF2407A của Texas Instruments. Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình có đáp ứng tốc độ tốt và bền vững. Mô hình này đã được sử dụng làm mô hình thí nghiệm cho sinh viên, học viên cao học tại phòng thí nghiệm Kỹ Thuật Điện, Trường ĐH Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh. Đây còn là mô hình thử nghiệm các thuật toán điều khiển các loại động cơ khác hay các bộ biến đổi năng lượ ng. Abstract This project researchs and makes an experimental inverter model for the laboratory. Based on the internal model control (IMC) principle, the research develops a nonlinear internal model controller for 3-phase induction motor. Both forward and inverse models are nonlinear in the rotor flux coordinate. The controller has been implemented using the TMS320LF2407A DSP. Experimental results show that the model has good performances and robustness. This model is used as an experimental model for undergraduate and graduate students in the Electrical Engineering Laboratory, HoChiMinh city University of Technology. This is experimental model for researchers to test new control algorithm for other kind of motors or energy conversions. Nghiên cứu và chế tạo mô hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm IV MỤC LỤC NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BỘ BIẾN TẦN CHO PHÒNG THÍ NGHIỆM. TÓM TẮT ĐỀ TÀI III MỤC LỤC IV DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VII DANH SÁCH BẢNG VIII DANH SÁCH HÌNH IX QUYẾT TOÁN KINH PHÍ XIV PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tên đề tài: 1 Mục tiêu: 1 Nội dung: 1 Sản phẩm: 2 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 4 1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 4 1.1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 4 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước 8 1.2. Nhu cầu thực hiện đề tài 10 1.3. Nội dung nghiên cứu 11 1.3.1. Đối tượng nghiên cứu 11 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu 11 1.4. Ý nghĩa khoa học và khả năng áp dụng 12 1.4.1. Ý nghĩa khoa học 12 1.4.2. Khả năng ứng dụng 12 CHƯƠNG II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13 2.1. Xây dựng thuật toán điều khiển bộ biến tần dùng phương pháp mô hình nội (IMC) 13 2.1.1. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha 13 2.1.1.1. Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng 3 pha 13 2.1.1.2. Biểu diễn vector không gian trên hệ quy chiếu quay 15 2.1.1.3. Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor 16 2.1.1.4. Một số qui ước ký hiệu dùng cho điều khiển ĐCKĐB ba pha 19 2.1.1.5. Các phương trình cơ bản của ĐCKĐB ba pha 21 2.1.1.6. Mô hình liên tục của ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ stator 22 Nghiên cứu và chế tạo mô hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm V 2.1.2. Thuật toán điều khiển động cơ KĐB ba pha dùng phương pháp điều khiển mô hình nội (IMC) 25 2.1.2.1. Giới thiệu phương pháp điều khiển mô hình nội (IMC) 26 2.1.2.2. Giới thiệu thuật toán điều khiển động cơ dùng phương pháp IMC 28 2.1.2.3. Mô hình của ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor 30 2.1.2.4. Mô hình ngược của ĐCKĐB trên hệ tọa độ từ thông rotor 33 2.1.2.5. Bộ chuyển đổi từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ αβ 35 2.1.2.6. Bộ lọc mô hình nội (IMC) 37 2.1.2.7. Bộ ước luợng từ thông rotor dùng khâu quan sát (observer) 38 2.1.3. Mô phỏng thuật toán điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng phương pháp mô hình nội trên Matlab Simulink 42 2.1.4. Kết quả mô phỏng thuật toán điều khiển tốc độ động cơ 45 2.1.4.1. Đáp ứng của hệ thống điều khiển động cơ KĐB ba pha dùng phương pháp mô hình nội 45 2.1.4.2. Đáp ứng của hệ thống điều khiển với sai số mô hình: Rs, Rr, Ls, Lr, Lm, J 46 2.1.4.3. Đáp ứng của hệ thống điều khiển với sai lệch tín hiệu hồi tiếp do nhiễu 47 2.1.4.4. Đáp ứng của hệ thống điều khiển với tấn số lấy mẫu thấp 50 2.1.4.5. So sánh với phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) 51 2.1.5. Nhận xét thuật toán điều khiển bộ biến tần dùng phương pháp IMC 53 2.1.6. Mô phỏng điều khiển bộ biến tần dùng phương pháp IMC có xét đến bộ nghịch lưu PWM 54 2.2. Thiết kế và chế tạo mô hình bộ biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha 59 2.2.1. Giới thiệu mạch phần cứng của bộ biến tần 59 2.2.2. Thiết kế mạch điều khiển bộ biến tần 60 2.2.2.1. Mạch nghịch lưu nguồn áp 3 pha 60 2.2.2.2. Mạch đo và hồi tiếp dòng điện 65 2.2.2.3. Mạch đo và hồi tiếp tốc độ 66 2.2.2.4. Mạch giao tiếp máy tính 67 2.2.2.5. Mạch điều khiển và hiển thị tốc độ 68 2.2.2.6. Mô hình phần cứng bộ biến tần cho phòng thí nghiệm 70 2.2.3. Lập trình bộ biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng DSP TMS320LF2407A 71 2.2.3.2. Giới thiệu DSP TMS320LF2407A 71 2.2.3.1. Hệ thống điều khiển biến tần dùng DSP TMS320LF2407A 72 2.2.3.1. Lập trình DSP cài đặt giải thuật điều khiển biến tần dùng IMC 73 2.2.4. Lập trình giao tiếp máy tính và khảo sát đáp ứng của bộ biến tần 74 Nghiên cứu và chế tạo mô hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm VI 2.2.5. Đáp ứng thực nghiệm của bộ biến tần dùng phương pháp IMC 77 2.2.6. Mô hình bộ biến tần dùng cho phòng thí nghiệm 80 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 84 3.1. Kết quả của đề tài 84 3.1.1. Thuật toán điều khiển bộ biến tần dùng phương pháp mô hình nội 84 3.1.2. Mô hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm 85 3.2. Ứng dụng kết quả của đề tài 88 3.3. Công bố kết quả của đề tài 91 3.4. Đánh giá kết quả đề tài 92 CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 93 4.1. Kết luận 93 4.2. Đề nghị 93 PHỤ LỤC 1: BÀI BÁO 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 Nghiên cứu và chế tạo mô hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm VII DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VIẾT TẮT THUẬT NGỮ TIẾNG VIẾT DSP Digital Signal Processing DTC Direct Torque Control (Điều khiển moment trực tiếp) ĐCKĐB Động Cơ Không Đồng Bộ FOC Field Oriental Control (Điều khiển đính hướng trường) ICE InCremental Encoder IMC Internal Model Control (Điều khiển mô hình nội) KĐB Không Đồng Bộ RMS Trị hiệu dụng RPM Revolution Per Minute PPR Pulses Per Revolution pt Phương trình PWM Pulse Width Modulation SCI Serial Comunication Inteface SVC Sensorless Vector Control V/F Voltage/Frequence (Điều khiển tỷ lệ điện áp /tần số) VSI Voltage Source Inverter Nghiên cứu và chế tạo mô hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm VIII DANH SÁCH BẢNG SỐ TÊN BẢNG SỐ LIỆU TRANG 2.1 Điện áp tương ứng với trạng thái đóng cắt các khóa bán dẫn 63 Nghiên cứu và chế tạo mô hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm IX DANH SÁCH HÌNH TT TÊN HÌNH ẢNH TRANG 1 Hình 1.1: Một số hệ thống truyền động điện cần dùng biến tần điều khiển động cơ 4 2 Hình 1.2: Biến tần MM4 (Siemens) và Biến tần 160S (Allen Bradley) 5 3 Hình 1.3: Mô hình điều khiển động cơ KĐB ba pha dùng biến tần của De Lorenzo (Italy, 35.000EUR) 6 4 Hình 1.4: Mô hình điều khiển động cơ KĐB ba pha dùng biến tần của LUCAS-NÜLLE (Đức, 30.000EUR) 6 5 Hình 1.5: Mô hình điều khiển động cơ KĐB ba pha dùng biến tần của EDIBON (Tây Ban Nha, 10.000EUR) 6 6 Hình 1.6: Mô hình điều khiển động cơ KĐB ba pha dùng biến tần của K&H (Đài Loan, 10.000USD) 7 7 Hình 1.7: Sử dụng biến tần trong dây chuyền sản xuất của công ty Kimberly Clark (VSIP) và tại cần trục của trạm nghiền xi măng Cẩm Phả (KCN Mỹ Xuân A). 8 8 Hình 1.8: Sự cố làm hư hỏng biến tần điều khiển động cơ KĐB 3 pha, 500kW. 9 9 Hình 1.9: Thí nghiệm sử dụng biến tần tại phòng thí nghiệm Kỹ Thuật Điện, ĐH Bách Khoa TP.HCM 9 10 Hình 2.1: Động cơ không đồng bộ ba pha 13 11 Hình 2.2: Hình vẽ sơ đồ cuộn dây, đấu dây và dòng stator của động cơ ba pha. 13 12 Hình 2.3: Biểu diễn vector không gian dòng stator s i r dưới dạng các dòng stator. 14 13 Hình 2.4: Chuyển hệ toạ độ cho vector không gian s i r từ hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq và ngược lại. 16 14 Hình 2.5: Biểu diễn vector không gian s i r trên hệ toạ độ từ thông rotor r ψ r (dq). 17 15 Hình 2.6: Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ tọa độ dq. 18 16 Hình 2.7: Mô hình đơn giản của động cơ KĐB ba pha. 19 17 Hình 2.8: Sơ đồ khối ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ αβ. 25 18 Hình 2.9: Hệ thống điều khiển dùng mô hình nội. 26 19 Hình 2.10: Bộ lọc IMC. 27 20 Hình 2.11: Hệ thống điều khiển động cơ dùng phương pháp mô hình nội (IMC) 28 [...]... dùng biến tần; phục vụ đào tạo nguồn nhân lực sử dụng và nghiên cứu chế tạo biến tần Hay có thể ứng dụng các kỹ thuật này trong các bộ điều khiển động cơ khác, hay trong các thiết bị biến đổi năng lượng như năng lượng tái tạo (năng lượng gió, mặt trời), tiết kiệm năng lượng… 10 Nghiên cứu và chế tạo mơ hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu • Đề tài nghiên. .. pha dùng biến tần của De Lorenzo (Italy, 35.000EUR) (Hình trên chụp tại phòng thí nghiệm Kỹ Thuật Điện, ĐH Bách Khoa TP.HCM) Hình 1.4: Mơ hình điều khiển động cơ KĐB ba pha dùng biến tần của LUCASNÜLLE (Đức, 30.000EUR) Hình 1.5: Mơ hình điều khiển động cơ KĐB ba pha dùng biến tần của EDIBON (Tây Ban Nha, 10.000EUR) 6 Nghiên cứu và chế tạo mơ hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm Hình 1.6: Mơ hình điều... so sánh với các biến tần các hãng khác XII TRANG 71 72 72 74 75 75 76 76 77 78 78 78 78 78 78 79 79 79 79 79 79 80 81 81 82 82 Nghiên cứu và chế tạo mơ hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm TT 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 TÊN HÌNH ẢNH Hình 2.88: Đóng gói mơ hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm Hình 3.1: Hệ thống điều khiển ĐCKĐB dùng bộ dùng phương pháp IMC Hình 3.2: Đáp ứng... phụ tùng, văn phòng phẩm Thiết bị Xét duyệt, giám định, nghiệm thu Hội nghị, hội thảo Đánh máy tài liệu Giao thơng liên lạc Chi phí điều hành Tiết kiệm 5% Kinh phí chuyển sang năm sau 4 5 6 7 8 9 III IV Kinh phí XIV Trong đó Ngân sách Nguồn khác Nghiên cứu và chế tạo mơ hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm PHẦN MỞ ĐẦU Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH BỘ BIẾN TẦN CHO PHỊNG THÍ NGHIỆM Chủ nhiệm... mơ hình cho phòng thí nghiệm còn phải được cung cấp các cơng cụ để đo đạt, khảo sát, và thu thập số liệu về máy tính Vì vậy nên thiết bị giáo dục thường có giá thành rất cao Dưới dây là một số mơ hình điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha (cơng suất 0.5HP) dùng cho phòng thí nghiệm của một số nhà sản xuất nước ngồi 5 Nghiên cứu và chế tạo mơ hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm Hình 1.3: Mơ hình. .. mơ hình thử nghiệm hệ thống điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ ba pha Đề tài chỉ là tiền đề về kỹ thuật để có thể phát triển thành mơ hình thí nghiệm bộ biến tần thương mại dùng trong cơng nghiệp sau này 11 Nghiên cứu và chế tạo mơ hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm 1.4 Ý nghĩa khoa học và khả năng áp dụng 1.4.1 Ý nghĩa khoa học • Đề tài nghiên cứu phương pháp điều khiển mới được nghiên cứu. .. chí và hội nghị khoa học trong và ngồi nước Kết quả của đề tài có thể được ứng dụng để sản xuất các mơ hình thí nghiệm cho các trường đại học ứng dụng trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học Là cơ sở để phát triển chế tạo bộ biến tần dùng cơng nghệ trong nuớc Làm chủ cơng nghệ tiên tiến trong lĩnh vực điều khiển truyền động điện hiện đại 12 Nghiên cứu và chế tạo mơ hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm. .. sát thuật tốn trên Matlab- Simulink Thiết kế và chế tạo bộ biến đổi cơng suất dùng Đã chế tạo thành cơng bộ cầu MosFET cân bằng cho động cơ 3 pha cơng VSI cho động cơ cơng suất trung bình (Voltage Source Inverter - VSI) suất 0.5HP, 220V Cho Cơng việc dự kiến 1 Nghiên cứu và chế tạo mơ hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm Bao gồm mạch cơng suất và mạch kích cho cầu MosFET cần bằng Thiết kế các mạch sử... Khoa TPHCM XIII TRANG 83 84 84 85 86 86 87 87 88 88 89 89 90 90 Nghiên cứu và chế tạo mơ hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm QUYẾT TỐN KINH PHÍ (Phần này Trung tâm Phát triển KHCN sẽ bổ sung) Đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH BỘ BIẾN TẦN CHO PHỊNG THÍ NGHIỆM Chủ nhiệm: Trần Cơng Binh Cơ quan chủ trì: Trung tâm Phát triển Khoa học và Cơng nghệ Trẻ Thời gian đăng ký trong hợp đồng: 12.2005-12.2006... phím điều khiển và LED đơn hiển thị trạng thái điều khiển Hình 2.57: Sơ đồ ngun lý mạch PIC18F4331 giao tiếp DSP và hiển thị tốc độ động cơ Hình 2.58: Sơ đồ ngun lý mạch giao tiếp và hiển thị trên LED 7 đoạn Hình 2.58: Mạch giao tiếp và hiển thị trên LED 7 đoạn Hình 2.59 Mạch điều khiển bộ biến tần cho phòng thí nghiệm Hình 2.60 Mơ hình thực nghiệm bộ biến tần cho phòng thí nghiệm Hình 2.61 Sơ đồ khối . IEEE). Nghiên cứu và chế tạo mô hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm III TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đề tài nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm mô hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm. Dựa vào nguyên. or energy conversions. Nghiên cứu và chế tạo mô hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm IV MỤC LỤC NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BỘ BIẾN TẦN CHO PHÒNG THÍ NGHIỆM. TÓM TẮT ĐỀ TÀI III. sang năm sau Nghiên cứu và chế tạo mô hình bộ biến tần cho phòng thí nghiệm 1 PHẦN MỞ ĐẦU Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BỘ BIẾN TẦN CHO PHÒNG THÍ NGHIỆM. Chủ nhiệm