đồ án kỹ thuật điện điện tử phương pháp điều khiển trực tiếp momen đối với hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

LỜI NÓI ĐẦU Trước đây, trong các hệ truyền động chất lượng cao thì động cơ một chiều chiếm ưu thế tuyệt đối so với động cơ xoay chiều ba pha do khả năng điều khiển dễ dàng và đạt độ chính xác cao. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật chế tạo van bán dẫn và sự hoàn thiện của các thuật toán điều khiển động cơ xoay chiều ba pha, ưu thế đó của động cơ một chiều không còn nữa. Động cơ xoay chiều ba pha mà cụ thể là động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ cũng có thể được điều khiển một cách dễ dàng và chính xác gần như động cơ một chiều, do đú chúng đang được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và đang dần thay thế triệt để động cơ một chiều [TL - 4]. Những năm gần đây, động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu đã được quan tâm nghiên cứu cả về phương diện thiết kế chế tạo lẫn thuật toán điều khiển. Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có cả ưu thế của động cơ không đồng bộ và động cơ một chiều. So với động cơ không đồng bộ thì động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có hiệu suất cao hơn do không có tổn hao đồng ở Rotor, đặc tính điều khiển ít nhạy với các tham số của động cơ. Hơn nữa, do từ thông Rotor là không đổi nên việc điều chỉnh tốc độ của động cơ dễ dàng và thuận lợi hơn. So với động cơ một chiều thì động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu làm việc tin cậy hơn, ít phải bảo dưỡng hơn do không có hệ thống vành trượt – chổi than. Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có thể làm việc trực tiếp với điện áp của lưới điện mà không cần các bộ biến đổi để cấp nguồn một chiều. Sự phát triển của công nghệ vật liệu mới đã tạo ra các nam châm vĩnh cửu có mật độ năng lượng cao. Điều đó đồng nghĩa với việc động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu ngày càng có kết cấu nhỏ gọn, làm việc chắc chắn, độ tin cậy cao, giá thành sản xuất ngày càng thấp. Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu thường được ứng dụng cho các hệ truyền động chất lượng cao ở dải công suất nhỏ như trong các máy công cụ, trong chế tạo Robot… Kỹ thuật điều khiển động cơ xoay chiều ba pha rất phong phú và đa dạng. Trong thực tế, với hệ truyền động điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh tần số 1 nguồn cung cấp có hai phương pháp đạt được chất lượng điều khiển khá cao là phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor và phương pháp điều khiển trực tiếp momen. Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor dựa trên việc chia tách dòng điện Stator làm hai thành phần, một thành phần tạo từ thông Rotor và một thành phần tạo momen quay. Sự chia tách này nhằm mục đích điều khiển riêng rẽ từ thông và momen của động cơ qua đó làm cho động cơ xoay chiều ba pha có thể đạt được những đặc tính điều khiển/điều chỉnh tốt gần như động cơ một chiều. Khác với phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor, phương pháp điều khiển trực tiếp momen lại dựa trên ảnh hưởng trực tiếp của điện áp đầu vào lên từ thông Stator để điều khiển được góc lệch giữa vector từ thông Stator và vector từ thông Rotor, qua đó điều khiển trực tiếp được momen của động cơ. Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor được đưa ra từ cuối những năm 60 đến đầu những năm 70 của thế kỷ 19 và cho đến hiện nay phương pháp này đã gần như hoàn thiện và đã được áp dụng trong hầu hết các bộ biến tần chất lượng cao. So với phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor thì phương pháp điều khiển trực tiếp momen ra đời muộn hơn (1986) và là phương pháp còn khá mới mẻ. Phương pháp điều khiển trực tiếp momen có cấu trúc đơn giản, dễ thực hiện, cho đáp ứng momen nhanh, tuy nhiên độ đập mạch của momen lại khá cao. Đã có rất nhiều phương án để giảm độ đập mạch của momen như phương án tạo hình cho các nam châm vĩnh cửu, uốn các nam châm lượn chéo theo trục Rotor hay bằng các thiết kế thích hợp cho dây quấn Stator [TL - 5]. Những phương án này đều liên quan đến việc thay đổi cấu tạo của động cơ do đó không thể áp dụng rộng rãi được. Trong khuôn khổ bản đồ án tốt nghiệp này em xin được trình bày về phương pháp điều khiển trực tiếp momen đối với hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, trên cơ sở đó đưa ra giải pháp bằng thuật toán điều khiển để làm giảm độ đập mạch của momen. 2 Do thời gian và trình độ có hạn nên trong đồ án, em chỉ tập trung vào các nội dung sau: 1. Tỡm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu. 2. Phương pháp điều khiển trực tiếp momen đối với hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu. 3. Giải pháp làm giảm độ đập mạch của momen. Trên cơ sở đó đồ án của em có cấu trúc chương mục với nội dung chủ yếu như sau: Chương 1: Trình bày về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dụng của động cơ đồng bộ, động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu. Thành lập mô hình toán học của động cơ. Chương 2: Trình bày về nguyên lý điều chỉnh tốc độ ĐCĐB – KTVC, về cấu trúc bộ biến tần bán dẫn, phương pháp điều khiển vector đối với bộ biến tần. Các phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, bao gồm: phương pháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor và phương pháp điều khiển trực tiếp momen. Chương 3: Trình bày về phương pháp điều khiển trực tiếp momen, tổng hợp và mô phỏng hệ thống. Chương 4: Trình bày về giải pháp nhằm giảm độ đập mạch momen đối với hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu điều khiển trực tiếp momen. Dựa vào kết quả mô phỏng đưa ra các kết luận, đánh giá về giải pháp. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ Động cơ vừa là khâu chấp hành vừa là đối tượng điều khiển của các hệ truyền động. Nhằm phục vụ cho việc thiết kế luật điều khiển, dưới đây ta sẽ đề cập đến cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Động cơ đồng bộ (ĐCĐB), Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCĐB - KTVC), và mô tả ĐCĐB - KTVC dưới dạng các phương trình toán học. 1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Động cơ đồng bộ Giống như hầu hết các loại động cơ khác, ĐCĐB được cấu tạo từ hai phần chính: phần không chuyển động gọi là Stator và phần chuyển động gọi là Rotor. Stator của ĐCĐB bao gồm hệ thống dây quấn ba pha đặt trong lừi thộp. Lừi thép là phần dẫn từ. Nếu từ trường trong lừi thộp là từ trường xoay chiều thỡ lừi thộp được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau nhằm giảm tổn hao do dũng xoỏy. Nếu từ trường trong lừi thộp là từ trường một chiều thỡ lừi thộp được làm bằng thép đúc nguyên khối. Từ trường trong lõi thép của ĐCĐB là từ trường quay nên lừi thép được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm, hai mặt có phủ sơn cách điện. Hình 1.1 Stator của ĐCĐB Rotor của ĐCĐB cũng gồm lừi thép và dây quấn và được chia làm hai loại: Rotor cực lồi và Rotor cực ẩn. 4 Lõi thép Stator Dây quấn Stator Rotor cực lồi: Hình 1.2 Rotor cực lồi Cực từ được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 1,5 mm đặt trờn lừi thộp Rotor. Lừi thộp Rotor được làm bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hay khối hình trụ. Dây quấn kích từ quấn trờn cỏc cực từ và nhận nguồn điện một chiều từ bên ngoài qua hệ thống vành trượt - chổi than. Do dây quấn tập trung nên lực ly tâm lớn, ĐCĐB Rotor cực lồi có tốc độ quay thấp: n < 500 vũng/phỳt. Rotor cực ẩn: Hình 1.3 Rotor cực ẩn Lừi thép Rotor được làm từ hợp kim chất lượng cao, được gia công thành khối hình trụ trên đó có xẻ một số rãnh để đặt dây quấn kích từ. Phần không phay rãnh của Rotor hình thành mặt cực từ. Do dây quấn kích từ quấn rải nên lực ly tâm bé, ĐCĐB Rotor cực ẩn có tốc độ quay lớn: n > 500 vũng/phỳt. Ngoài dây quấn kích từ, trên Rotor của ĐCĐB còn có dây quấn mở máy kiểu lồng sóc. Quá trình mở máy của ĐCĐB sẽ diễn ra theo hai giai đoạn. Giai đoạn 5 Lõi thép Rotor Cực từ Dây quấn kích từ S N N S Lõi thép Rotor Dây quấn kích từ N S thứ nhất quá trình mở máy của ĐCĐB diễn ra như quá trình mở máy của động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB), giai đoạn thứ hai là khi tốc độ của động cơ đạt đến gần tốc độ đồng bộ thỡ đúng nguồn kích từ vào để đưa tốc độ của động cơ lên tốc độ đồng bộ. Nguyên lý hoạt động của Động cơ đồng bộ: Đặt điện áp xoay chiều ba pha vào dây quấn Stator. Trong dây quấn Stator sẽ cú cỏc dòng điện xoay chiều lệch nhau 120 0 về thời gian. Dòng điện này sẽ tạo nên từ trường quay với tốc độ n 1 = 60f/p. Dây quấn kích từ được nối với nguồn một chiều nên dòng điện trong dây quấn kích từ sẽ sinh ra từ trường cực từ. Tác dụng của hai từ trường này sẽ sinh ra momen quay và momen quay đó sẽ kéo Rotor quay với tốc độ đúng bằng tốc độ của từ trường quay: n = n 1 . 2. Các đặc tính của Động cơ đồng bộ Đặc tính cơ của Động cơ đồng bộ: Động cơ đồng bộ làm việc ở tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ nên trong phạm vi momen cho phép M ≤ M max , đặc tính cơ là tuyệt đối cứng β=∞. Khi momen vượt quá trị số cho phép M max thì tốc độ động cơ sẽ mất đồng bộ. Hình 1.4 Đặc tính cơ của ĐCĐB Đặc tính góc của Động cơ đồng bộ: 6 Trong hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ người ta còn sử dụng đặc tính góc M=f(θ). Đặc tớnh góc biểu diễn quan hệ giữa momen động cơ với góc lệch giữa vector điện áp pha của lưới điện và vector sức điện động cảm ứng trong dây quấn Stator do từ trường một chiều sinh ra. Phương trình đặc tính góc có dạng như sau: ]2sin) 11 ( 2 sin[ 3 2 11 1 θθ ω dqd XX U X EU M −+= (1.1) Trong đó: U 1 là điện áp pha lưới điện, E là sức điện động pha Stator, θ là góc lệc pha giữa U 1 và E, X d , X q là điện kháng dọc trục và ngang trục. Đường cong biểu diễn M là tổng của 2 thành phần: θ ω sin 3 1 1 1 d X EU M = và θ ω 2sin) 11 ( 2 3 1 2 1 2 dq XX U M −= (1.2) Hình 1.5 Đặc tính góc của ĐCĐB Đối với ĐCĐB cực ẩn, khe hở không khí được coi là gần đều nên X d = X q do đó: M = M 1 . Thực tế thường M 2 rất nhỏ nên có thể bỏ qua, khi đó đặc tính góc của ĐCĐB cực ẩn và ĐCĐB cực lồi là như nhau: M = M m sin θ với s m X EU M 1 1 3 ω = . 7 M 1 π 2 0 2 π M 2 M θ M m M m đặc trưng cho khả năng quá tải của động cơ, khi tải tăng thỡ gúc lệch θ tăng, khi 2 π θ > thì momen giảm. ĐCĐB thường làm việc định mức với θ đm = 20 0 → 25 0 , hệ số quá tải về momen: 5,22 ÷== dm m M M M λ . 3. Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu Ta thấy rằng để cho động cơ quay được thì cần phải có hai từ thông: từ thông Stator sinh bởi dòng điện xoay chiều ba pha và từ thông Rotor sinh bởi dòng điện một chiều. Dòng điện xoay chiều ba pha có thể lấy trực tiếp từ lưới điện nhưng để có dòng điện một chiều cung cấp cho dây quấn kích từ thì phải có nguồn điện một chiều riêng và hệ thống vành trượt - chổi than. Điều này khá là bất tiện vì đi kèm với động cơ lại phải có hệ thống tạo nguồn điện một chiều, hơn nữa chỗ tiếp xúc giữa vành trượt - chổi than thường phát sinh ra tia lửa điện và chổi than sẽ bị mòn theo thời gian. Để khắc phục nhược điểm này thì hệ thống nguồn điện một chiều, vành trượt - chổi than và dây quấn kích từ được thay thế bằng các nam châm vĩnh cửu. Nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ các loại vật liệu như Ferrit, AlNiCo, SmCo 5 , NdFeB… và có thể được bố trí đều đặn trên bề mặt Rotor hay bố trí chìm bên trong Rotor. Với những cách bố trí khác nhau ta có thể có được động cơ với những đặc tính khác nhau. Nếu các phiến nam châm được bố trí trên bề mặt thì có thể coi khe hở không khí là đều và động cơ sẽ mang tính chất của ĐCĐB cực ẩn. Nếu các phiến nam châm được bố trí chìm bên trong Rotor thì khe hở không khí không thể coi là đều được, động cơ sẽ mang tính chất của ĐCĐB cực lồi. 8 Dây quấn Stator Nam châm vĩnh cửu Rotor Stator Hình 1.6 ĐCĐB - KTVC với các nam châm được bố trí trên bề mặt Rotor Để tăng độ bền cho Rotor thì khoảng giữa các thanh nam châm được lấp đầy bằng vật liệu không dẫn từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao, cũng có thể bắt vít lờn cỏc thanh nam châm để cố định chỳng trờn lừi thộp Rotor. Ngày nay hầu hết các ứng dụng đều sử dụng ĐCĐB - KTVC với các nam châm vĩnh cửu được gắn trên bề mặt Rotor. Các nam châm bề mặt thường được từ hoá hướng kính nhằm sinh ra từ thông khe hở đều hơn, qua đó giảm độ đập mạch của momen. Khi bố trí các nam châm chìm trong Rotor thì Rotor có cấu trúc bền vững hơn, do đó có thể làm việc với tốc độ cao hơn. Dưới đây là một vài cách bố trí nam châm vĩnh cửu trên bề mặt Rotor hay chìm trong Rotor. Hình 1.7 Các cách bố trí nam châm vĩnh cửu khác nhau Với việc sử dụng nam châm vĩnh cửu để sinh ra từ trường cực từ thì động cơ không cần có dây quấn kích từ nờn khụng gõy tổn hao đồng ở Rotor. Tổn thất sắt và tổn thất đồng chỉ tập chung ở Stator nên làm mát thuận tiện hơn. Những 9 ưu điểm trên làm cho ĐCĐB - KTVC có hiệu suất cao hơn và giảm được kích thước của máy [TL - 5]. Phạm vi sử dụng chính của ĐCĐB - KTVC là dùng trong công nghiệp chế tạo máy chế biến (Máy gia công cắt gọt kim loại, Máy đóng bao gói, Máy gia công chớnh xỏc…). Trong các ứng dụng này ĐCĐB - KTVC luôn được sử dụng kèm theo các thiết bị điều khiển chất lượng cao [TL - 7]. 4. Mô tả toán học Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu Trong các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ thì động cơ chính là đối tượng điều chỉnh. Do vậy để thiết kế được các luật điều chỉnh thì động cơ cần được mô tả dưới dạng các phương trình toán học. Khi mô tả ĐCĐB - KTVC dưới dạng các phương trình toán học ta chấp nhận các giả thiết sau:  Các cuộn dây stato được bố trí đối xứng trong không gian.  Các tổn hao sắt từ và sự bão hoà có thể bỏ qua.  Dòng từ hoá và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ.  Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi. 4.1 Xây dựng vector không gian từ các đại lượng xoay chiều ba pha Sơ đồ bố trí cuộn dõy của Stator ĐCĐB – KTVC: Hình 1.8 Bố trí cuộn dây stator ĐCĐB Ba cuộn dây Stator được bố trí đối xứng trong không gian nên dòng điện trong các cuộn dây này sẽ thoả món cỏc phương trình: 10 [...]... giảm tần số trong khi với Biến tần gián tiếp tần số được điều chỉnh dễ dàng nhờ mạch điều khiển Do vậy trong thực tế các bộ biến tần được sử dụng hầu hết là các bộ biến tần gián tiếp Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần gián tiếp Điện áp xoay chiều được chuyển thành điện áp một chiều nhờ bộ chỉnh lưu, sau đó qua bộ lọc rồi mới được chuyển thành điện áp xoay chiều với tần số mong muốn nhờ bộ nghịch lưu Tần. .. dụng với hai phương pháp điều khiển chính là: Điều khiển tựa theo từ thông Rotor (T4R) (gốc: Rotor Flux Oriented - RFO) và Điều khiển trực tiếp momen (Direct Torque Control - DTC) Đây là hai phương pháp điều khiển được dùng trong hầu hết các bộ biến tần chất lượng cao Dưới đây ta sẽ chỉ khảo sát hai phương pháp điều khiển chủ yếu này 3.1 Hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ điều khiển tựa theo từ... nghiệp biến tần được sử dụng để điều chỉnh tần số nguồn điện cung cấp cho động cơ xoay chiều ba pha, qua đó điều chỉnh được tốc độ động cơ 20 Dựa vào cách thức biến đổi tần số mà biến tần được chia làm hai loại: Biến tần trực tiếp (biến đổi tần số không thông qua khâu trung gian một chiều) và Biến tần gián tiếp (biến đổi tần số thông qua khâu trung gian một chiều) Với Biến tần trực tiếp chỉ có thể điều. .. chỉnh tần số nguồn cung cấp hay điều chỉnh số cặp cực của động cơ Thực tế không thể điều chỉnh trơn tốc độ của động cơ bằng điều chỉnh số cặp cực nờn cỏch hữu hiệu hơn cả là điều chỉnh tần số nguồn cung cấp Do vậy trong cấu trúc của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ bao giờ cũng có bộ biến tần 2 Bộ biến tần bán dẫn 2.1 Bộ biến tần bán dẫn Biến tần là thiết bị biến đổi năng lượng điện từ tần số này sang tần. .. động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu điều khiển trực tiếp momen Trong hệ truyền động biến tần ĐCĐB – KTVC sử dụng phương pháp DTC ta không cần tới thiết bị xác định vị trí của Rotor, các bộ điều chỉnh dòng điện và bộ điều chế vector không gian nên hệ thống đơn giản và làm việc tin cậy hơn Phương pháp DTC cũng cũn cú những nhược điểm sau: 1 Hệ thống luôn làm việc ở chế độ động nên độ đập mạch của momen. .. momen của hệ thống chậm 2 Đặc tính điều khiển bị ảnh hưởng bởi nhiều tham số của máy điện như điện trở, điện cảm, độ bão hoà của mạch từ 3 Cần phải biết vị trí của Rotor bằng cách sử dụng máy đo góc tuyệt đối (Resolver) gây phức tạp và làm giảm độ tin cậy của hệ truyền động 3.2 Hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ điều khiển trực tiếp momen Trong phương pháp điều chỉnh tựa theo từ thông Rotor, điện. .. trúc, phương pháp điều khiển biến tần, đưa ra các phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCĐB - KTVC sử dụng bộ biến tần bán dẫn 1 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu 2πf s Tốc độ quay của ĐCĐB được tính theo biểu thức: ω s = p c Trong đó: fs là tần số nguồn cung cấp, pc là số đôi cực của động cơ Từ biểu thức trên ta thấy rằng: để điều chỉnh được tốc độ của động cơ thì phải điều chỉnh... so sánh với giá trị của các Timer này Tại thời điểm có sự bằng nhau của các tín hiệu đầu vào, tín hiệu đầu ra của bộ so sánh sẽ đảo trạng thái, tạo thành xung điều khiển van 30 Hình 2.11 Tính thời gian đóng ngắt van 3 Các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu Hiện nay trong các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều ba pha, biến tần được sử dụng với hai phương. .. trực tiếp momen là dựa trên ảnh hưởng trực tiếp của điện áp đầu vào để điều khiển vector từ thông Stator, qua đó trực tiếp điều khiển momen quay Do vector từ thông ở Stator của động cơ đáp ứng trực tiếp mỗi sự thay đổi điện áp phía Stator nên hệ sẽ có đáp ứng nhanh hơn Trong phương pháp T4R xung kích thích van được tạo từ các giá trị điện áp do khâu điều chỉnh dòng đưa tới khâu ĐCVTKG Với phương pháp DTC... tác động trực tiếp tới dòng điện Stator, sau đó dòng điện Stator tác động để sinh ra từ thông Stator Sự tác động này bị giới hạn bởi hằng số thời gian của cuộn dây Stator nên thời gian đáp ứng momen chậm Đối với các công nghệ yêu cầu đáp ứng momen nhanh thì phương pháp này bị hạn chế, do đó cần có một phương pháp điều khiển được momen với đáp ứng nhanh hơn Bản chất của phương pháp điều khiển trực tiếp . được trình bày về phương pháp điều khiển trực tiếp momen đối với hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, trên cơ sở đó đưa ra giải pháp bằng thuật toán điều khiển để làm giảm. cửu. 2. Phương pháp điều khiển trực tiếp momen đối với hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu. 3. Giải pháp làm giảm độ đập mạch của momen. Trên cơ sở đó đồ án của em có cấu. khiển. Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có cả ưu thế của động cơ không đồng bộ và động cơ một chiều. So với động cơ không đồng bộ thì động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có hiệu suất cao hơn