Ứng dụng thuật toán điều khiển FOC điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc

Trong những năm gần đây quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ. Do đó động cơ điện năng đóng vai trò rất quan trọng trong các ngành sản xuất cũng như đời sống. Vì vậy các loại động cơ điện được chế tạo ngày càng hoàn thiện hơn, trong đó động cơ điện không đồng bộ 3 pha chiếm tỉ lệ lớn trong các ngành công nghiệp do động cơ không đồng bộ 3 pha có nhiều ưu điểm như việc khởi động dể dàng,giá thành rẻ, vận hành êm,kích thước nhỏ gọn, làm việc chắc chắn,đặc tính làm việc tốt, bảo quản đơn giản, chi phí vận hành và bảo trì thấp.tuy vậy nó có nhược điểm đặc tính cơ phi tuyến mạnh nên trước đây, với các phương pháp điều khiển còn đơn giản, loại động cơ này phải nhường chỗ cho động cơ điện một chiều và không được ứng dụng nhiều. với sự phát triển mạnh của ngành khoa học kỉ thuật ngày nay như ngành kỉ thuật vi xử lý, điện tử công suất cộng các lý thuyết điều khiển, truyền động thì việc ứng dụng động cơ không đồng bộ 3 pha là được ứng dụng rộng rải trong hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần động cơ một chiều. Có nhiều phương pháp điều chỉnh vận tốc động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc. Bản đồ án này nhóm em: “Ứng dụng thuật toán điều khiển FOC điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc” Gồm các phần chính sau:

GVHD: Nguyễn Hữu Quảng LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ. Do đó động cơ điện năng đóng vai trò rất quan trọng trong các ngành sản xuất cũng như đời sống. Vì vậy các loại động cơ điện được chế tạo ngày càng hoàn thiện hơn, trong đó động cơ điện không đồng bộ 3 pha chiếm tỉ lệ lớn trong các ngành công nghiệp do động cơ không đồng bộ 3 pha có nhiều ưu điểm như việc khởi động dể dàng,giá thành rẻ, vận hành êm,kích thước nhỏ gọn, làm việc chắc chắn,đặc tính làm việc tốt, bảo quản đơn giản, chi phí vận hành và bảo trì thấp.tuy vậy nó có nhược điểm đặc tính cơ phi tuyến mạnh nên trước đây, với các phương pháp điều khiển còn đơn giản, loại động cơ này phải nhường chỗ cho động cơ điện một chiều và không được ứng dụng nhiều. với sự phát triển mạnh của ngành khoa học kỉ thuật ngày nay như ngành kỉ thuật vi xử lý, điện tử công suất cộng các lý thuyết điều khiển, truyền động thì việc ứng dụng động cơ không đồng bộ 3 pha là được ứng dụng rộng rải trong hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần động cơ một chiều. Có nhiều phương pháp điều chỉnh vận tốc động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc. Bản đồ án này nhóm em: “Ứng dụng thuật toán điều khiển FOC điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc” Gồm các phần chính sau: Page | 1 GVHD: Nguyễn Hữu Quảng 1. Xây dựng cơ sở lý thuyết biểu diễn véc tơ động cơ KĐB, Sơ đồ nguyên lý biến tần điều khiển véc tơ, thuật toán FOC 2.Mô phỏng bằng Matlap đánh giá đáp ứng hệ thống biến tần dùng thuật toán điều khiển FOC 3.Đánh giá ưu nhược điểm biến tần sử dụng luật FOC và vị trí ứng dụng. Do kiến thức có hạn củng như chưa có kinh nghiệm thực tế nên bản đồ án này của chúng em không tránh khỏi nhửng thiếu sót,em kính mong thầy giáo xem xét và góp ý để chúng em hoàn thành đồ án này được tốt hơn sau này. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo. Page | 2 GVHD: Nguyễn Hữu Quảng Động cơ không đồng bộ 3 pha chia thành: • Động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc • Động cơ không đồng bộ 3 pha roto dây quấn ở đây ta tập trung vào nghiên cứu về động cơ 3 pha roto lồng sóc Nguyên lý hoạt động: Page | 3 GVHD: Nguyễn Hữu Quảng Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau 120 o trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ trường quay. Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn. Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay. Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua. Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây quấn phần cảm nữa nên sdd cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, momen quay cũng không còn. Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường. Đồng cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KDB) hay động cơ xoay chiều. Page | 4 GVHD: Nguyễn Hữu Quảng Hình 1-1: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ω o (rad/s) hay n o (vòng/phút) thì tốc độ quay của roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ω o ; n < n o ). Sai lệch tương tối giữa hai tốc độ gọi là độ trượt s: o o s ω − ω = ω (1-1) Từ đó ta có: ω = ω o (1 – s) (1-2) hay n = n o (1 – s) (1-3) Page | 5 GVHD: Nguyễn Hữu Quảng Với: 2 n 60 ω = π (1-4) o 1 o 2 n 2 f 60 p ω = π π = (1-5) f 1 - tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato. Tốc độ ω o là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu không có lực cản nào. Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ. Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1. Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay: o 2 1 np(n f 6 ) s 0 f − = = (1-6) Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha Phương trình đặc tính cơ: Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn Page | 6 GVHD: Nguyễn Hữu Quảng thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ 1-2 Hình 1-2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ Trong đó: U 1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V) I µ , I 1 , I ’ 2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã quy đổi về stato (A) X µ , X 1 , X ’ 2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đã quy đổi về stato (Ω) R µ , R 1 , R ’ 2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch roto đã quy đổi về stato (Ω). Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng: ' ' 2 1 2 2 2 o 1 nm 3U M R s R X s R ,[Nm] =     ω +    ÷       + (1-7) Page | 7 GVHD: Nguyễn Hữu Quảng Trong đó: X nm – điện kháng ngắn mạch, X nm = X 1 + X ’ 2 Đường đặc tính cơ: Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá trị của M. Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1-4, đó là đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha. Hình 1-3: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó dM 0 ds = (1-8) Page | 8 GVHD: Nguyễn Hữu Quảng Giải phương trình ta có: 2 th 2 2 1 nm ' R R s X+ ±= (1-9) Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có: 2 1 th 2 2 o 1 1 nm 3U M 2 (R R X )+ω ± = (1-10) Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị s th và M th của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+). Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KDB là một đường cong phức tạp có hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định.Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 ( s = 1 ) và momen mở máy: 1.2 VÀI NÉT SƠ BỘ VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO LỒNG SÓC. Ta đi tổng quan về động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn trong đó chỉ có dây quấn stato (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lưới với tần số f s , dây quấn rôto (dây quấn thứ cấp) được nối ngắn mạch (hoặc được Page | 9 GVHD: Nguyễn Hữu Quảng khép kín qua điện trở). Dòng điện trong dây quấn rôto được lấy cảm ứng từ phía dây quấn stato, có tần số f r và là hàm của tốc độ góc rôto ω r . So với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có ưu điểm về mặt cấu tạo và giá thành,làm việc tin cậy và chắc chắn. Khuyết điểm chính cuả động cơ KĐB là đặc tính mở máy xấu và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn so với động cơ một chiều. Trong thời gian gần đây, với sự hỗ trợ của một số nghành khoa học khác như: Điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý đã làm tăng khả năng sử dụng đối với động cơ không đồng bộ ngay cả trong những trường hợp có yêu cầu điều chỉnh tự động tốc độ trong dải rộng với độ chính xác cao mà trong các hệ truyền động trước đây vẫn thường phải sử dụng động cơ một chiều. Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điện xoay chiều,làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ,có tốc độ của roto khác với tốc độ từ trường quay trong máy. Động cơ không đồng bộ 3 pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì chế tạo đơn giản,giá rẻ,độ tin cậy cao,vận hành đơn giản,hiệu suất cao,và gần như không bảo trì.dải công suất rất rộng. Các chi tiết chính của động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc như hình Page | 10 [...]... có giá trị không đổi ,moment sẽ tỷ lệ với dòng phần ứng Động cơ điện tương tự như 1 nguồn moment điều khiển được Yêu cầu điều khiển chính xác giá trị moment tức thời của động cơ đặt ra trong các hệ truyền động có đặc tính truyền động cao và sử dụng phương pháp điều khiển vị trí trục roto Việc điều khiển moment ở xác lập có thể mở rộng cho quá độ được thực hiện trong Việc điều khiển động cơ theo nguyên... điều chỉnh tốc độ ở 2 vùng: vùng dưới tốc độ cơ bản : giử từ thông không đổi qua điều khiển tỷ số sức điện động khe hở/tần số là hằng số vùng trên tốc độ cơ bản :giử công suất động cơ không đổi,điện áp được duy trì không đổi,từ thông động cơ giảm theo tốc độ +theo khả năng quá tải : Để đảmbảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá tải dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện áp.đối với biến... hình toán học sẽ trở nên đơn giản hơn vì có thể loại bỏ 1 số nhánh trong mô hình tổng quát 1.4.2 XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN FOC 1.4.2.1 MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Đối với các hệ truyền động điện đã được số hoá hoàn toàn, để điều khiển biến tần người ta sử dụng phương pháp điều chế vectơ không gian Khâu điều khiển biến tần là khâu nghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển/ điều chỉnh... truyền động điều khiển tần số,phương pháp điều khiển theo từ thông roto có thể cho ta đặc tính tỉnh và động của động cơ tốt 1.4 XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN FOC 1.4.1 TỔNG QUAN VỀ FOC Moment sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dòng trong cuộn ứng và từ thông sinh ra trong hệ thống kích từ động cơ Từ thông phải được giữ ở mức tối ưu nhằm đảm bảo sinh ra moment tối đa và giảm tối thiểu mức độ bão... gắn trên rotor (thành dạng "cái lồng nhốt con sóc" nên gọi là "lồng sóc" ): Page | 12 GVHD: Nguyễn Hữu Quảng 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Ta có từ phương trình momen của động cơ : M = 3U 1 2 R' 2 S R' w1[( R1 + 2 ) 2 + X 2 nm ] S ta có thể dựa vào đó để điều khiển moomen bằng cách thay đổi các thông số như điện trở phụ ,tốc độ trượt,và tần số nguồn cấp • Điều khiển điện... suất trượt Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt ∆ ps= δ pđt được tiêu tán trên điện trở mạch roto. ở các hệ thống truyền động điện công suất lớn,tổn hao này là đáng kể.vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động điện,vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ công suất trượt... để tạo Pcơ : được gọi là truyền động nối cấp cơ. phương pháp này không có nghỉa nhiều vì khi ω giảm còn 1/3 ω1 thì Ps = 2/3.P1 tức là công suất động cơ 1 chiều dùng để Ps phần gần đúng bằng động cơ Page | 14 GVHD: Nguyễn Hữu Quảng chính xoay chiều.nếu không nên điều chỉnh ω xuống.trong thực tế ta không dùng phương pháp này • Điều chỉnh tần số nguồn cấp stator Khi điều chỉnh tần số động cơ đồng bộ thường... bơm,quạt gió • Điều khiển điện trở roto Sử dụng trong cơ cấu dịch chuyển cầu trục,quạt gió,bơm nước;bằng việc điều khiển tiếp điểm hoặc trisistor làm ngắn mạch/hở mạch điện trở phụ ,của roto ta điều khiển được tốc độ động cơ, phương pháp này có ưu điểm mạch điện an toàn,giá thành rẻ.nhược điểm:đặc tính điều chỉnh không tốt,hiệu suất thấp,vùng điều chỉnh không rộng Page | 13 GVHD: Nguyễn Hữu Quảng • Điều chỉnh... thường phải điều chỉnh cả điện áp,dòng điện,hoặc từ thông trong mạch stator do trở kháng,từ thông,dòng điện của động cơ bị thay đổi -luật điều chỉnh tần số - điện áp ở hệ thống điều khiển điện áp/tần số,sức điện động stator động cơ được điều chỉnh tỉ lệ với tần số đảm bảo duy trì từ thông khe hở không đổi .động cơ có khả năng sinh momen như nhau ở mọi tần số định mức.có thể điều chỉnh tốc độ ở 2 vùng:... áp stator Do momen động cơ không đồng bộ tỷ lệ bình phương điện áp stato,do đó có thể điều chỉnh được momen và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stato trong khi giử nguyên tần số.đây là phương pháp đơn giản nhất.chỉ sử dụng một bộ biến đổi điện năng (biến áp,triristor)để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn stator.phương pháp này kinh tế nhưng đặc tính cơ thu được không tốt,thích hợp . Động cơ không đồng bộ 3 pha chia thành: • Động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc • Động cơ không đồng bộ 3 pha roto dây quấn ở đây ta tập trung vào nghiên cứu về động cơ 3 pha roto lồng sóc Nguyên. nhóm em: Ứng dụng thuật toán điều khiển FOC điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc Gồm các phần chính sau: Page | 1 GVHD: Nguyễn Hữu Quảng 1. Xây dựng cơ sở lý thuyết. truyền động điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần động cơ một chiều. Có nhiều phương pháp điều chỉnh vận tốc động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc. Bản đồ án này nhóm em: “Ứng