Điều khiển động cơ IPM sử dụng pp cực đại tỉ số momendòng điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hà Nội, 6-2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ IPM SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MOMEN TRÊN DÒNG ĐIỆN CỰC ĐẠI Trưởng bộ môn : TS. Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : ThS. Lê Minh Hà Sinh viên thực hiện : Đỗ Văn Trường Lớp : ĐK - TĐH6 - K55 MSSV : 20102391 Hà Nội, 6-2015 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Tên đề tài: ” Thiết kế điều khiển động cơ IPM sử dụng phương pháp momen trên dòng điện cực đại” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo ThS. Lê Minh Hà. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế. Để hoàn thành đồ án 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. Hà Nội, ngày 17 tháng 06 năm 2015 Sinh viên thực hiện Đỗ Văn Trường MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iii iii LỜI NÓI ĐẦU 4 Chương 1 5 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM 5 1.1.Sơ lược về các loại động cơ đồng bộ 5 1.1.1.Khái quát về động cơ xoay chiều đồng bộ 3 pha 5 1.1.2.Phân loại động cơ đồng bộ 5 1.2.Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 6 1.2.1.Cấu tạo động cơ IPM 7 1.2.2.Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ 8 1.2.3.Đặc tính cơ của động cơ IPM 9 1.2.4.Ứng dụng cho động cơ IPM 11 VECTOR KHÔNG GIAN - MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ 12 2.1.Vector không gian của các dại lượng xoay chiều ba pha 12 2.1.1.Xây dựng vector không gian 12 2.1.2.Chuyển hệ tọa độ cho các vector không gian 15 2.2.Mô hình toán học của động cơ IPM 17 2.2.1.Đặt vấn đề 17 2.2.2.Mô hình hóa động cơ IPM trên hệ tọa độ d-q 19 CÁC CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ 23 3.1.Tổng hợp các phương pháp điều khiển cho động cơ 23 3.2.Chiến lược điều khiển MTPA 24 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CHO ĐỘNG CƠ 33 4.1.Thiết kế bộ điều khiển cho động cơ 33 4.1.1.Mạch vòng dòng điện 34 4.1.2.Mạch vòng tốc độ 38 4.2.Kết quả mô phỏng 40 4.2.1.Kết quả hiển thị 40 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 PHỤ LỤC 51 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ i Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ii Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ĐB NCVC Đồng bộ nam châm vĩnh cửu PM Permanent-Magnet Động cơ nam châm vĩnh cửu SPM Surface Permanent-Magnet Động cơ nam châm vĩnh cửu bề mặt MTPA Maximun torque per amp Cực đại momen trên dòng F-W Flux-Weakening Vùng giảm từ thông FOC Field Orientated Control Điều khiển định hướng từ thông FOC DTC Direct Torque Control Điều khiển mô men trực tiếp iii Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Những năm gần đây cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, vi sử lý, công nghệ bán dẫn và kĩ thuật điều khiển đã tạo nên sự chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho giải pháp tự động hóa công nghiệp. Trong những hệ thống điều khiển TĐĐ cần sự chính xác về vị trí cũng như tốc độ ví dụ như điều khiển robot, cơ cấu nâng hạ, dây chuyền sản xuất,… thì việc sử dụng hệ truyền động servo là phù hợp những yêu cầu này.Với những ưu điểm vượt trội so với các động cơ khác cùng với việc sử dụng cấu trúc điều khiển hiện đại thì động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu được sử dụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực. Vì vậy có nhiều phương pháp điều khiển hiện đại được đề xuất cho việc điều khiển các hệ truyền động. Trong các phương pháp điều khiển đó em được giao đề tài đồ án tốt nghiệp với nội dung: ” Thiết kế điều khiển động cơ IPM sử dụng phương pháp momen trên dòng điện cực đại”. Nội dung gồm các chương : • Chương 1 : Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm • Chương 2 : Không gian vector - Mô hình hóa động cơ IPM • Chương 3 : Các chiến lược điều khiển cho động cơ IPM • Chương 4 : Thiết kế bộ điều khiển và kết quả mô phỏng cho động cơ Trong quá trình làm đồ án, được sự giúp đỡ tận tình của thầy ThS. Lê Minh Hà đến nay em đã hoàn thành được đồ án tốt nghiệp với đầy đủ nội dung yêu cầu. Tuy nhiên do khả năng kiến thức bản thân còn hạn chế, thời gian có hạn nên đồ án còn nhiều thiếu sót. Rất mong sự góp ý của thầy cô và các bạn để bổ xung những phần thiếu sót trong đề tài này. Hà Nội, ngày 17 tháng 06 năm 2015 Sinh viên thực hiện Đỗ Văn Trường 4 Chương 1:Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM 1.1. Sơ lược về các loại động cơ đồng bộ 1.1.1. Khái quát về động cơ xoay chiều đồng bộ 3 pha Động cơ đồng bộ 3 pha có tốc độ quay của roto (n) bằng tốc độ quay của từ trường (n1). Ở chế độ xác lập động cơ điện đồng bộ có tốc độ quay của roto luôn luôn không đổi khi tải thay đổi, tùy thuộc vào tần số của nguồn và số đôi cặp cực. Tốc độ quay động cơ được tính bằng biểu thức sau: 2 s s c f p π ω = (1.1) Trong đó: s f là tần số nguồn cung cấp, c p là số đôi cặp cực của động cơ. Động cơ đồng bộ nói chung, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng là những máy phát điện xoay chiều gồm hai phần stator và rotor, phần cảm đặt ở rotor và phần ứng đặt ở stator. Với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì phần cảm ứng được kích thích bằng những phiến nam châm bố trí trên bề mặt hoặc dưới bề mặt phần cảm ứng. Các thanh nam châm được làm bằng đất hiếm ví dụ như Samariu- cobalt(SmCO 5 , SmCO 7 ) hoặc Neodymium-iron-boron (NdFeB), là các nam châm có năng suất năng lượng cao và tránh được khử từ, thường được gắn trên về mặt hoặc bên trong lõi thép rotor để đạt được độ bền cơ khí cao, nhất là khi tốc độ làm việc cao thì khe hở giữa các nam châm có thể đắp bằng vật liệu từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao , ví dụ như sợi thủy tinh hoặc bắt bu lông vít lên các thanh nam châm. 1.1.2. Phân loại động cơ đồng bộ Động cơ đồng bộ xoay chiều 3 pha có thể phân loại làm hai loại chính: - Loại roto có kích từ bằng điện với dải công suất lớn từ vài trăm tới vài MW. Cuộn kích từ được cuốn theo cực ẩn hay cực lồi. - Loại roto nam châm vĩnh cửu với dải công suất nhỏ. 5 [...]... chiến lược điều khiển cho động cơ Chương 3 CÁC CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ 3.1 Tổng hợp các phương pháp điều khiển cho động cơ Ngày nay động cơ điện đồng bộ được sử dụng nhiều trong lĩnh vực điều khiển trong công nghiệp vì nó có những đặc điểm vượt trội như hiệu suất, cos ϕ cao, tốc độ ít phụ thuộc vào điện áp Cũng như các hệ thống điều khiển khác, chất lượng các hệ điều khiển truyền động điện phụ... pháp momen cực đại thì tốc độ lớn hơn do công suất của động cơ phương pháp điều khiển này cải thiện hơn nhiều so với phương pháp điều khiển isd=0 Do vậy huy động công suất lớn hơn Bởi vì lý do này nên động cơ IPM sẽ được ứng dụng lớn trong động cơ ô tô do khi khởi động, leo dốc cần lượng lớn momen nên và điều kiện dòng nhỏ nhất sẽ tăng thời gian hoạt động cho acquy của ô tô Vậy điều khiển cực đại tối... điều khiển được khi i sd=0 lúc này M2=0 momen của động cơ chỉ có thành phần M1 phương pháp này vẫn chưa tối ưu cực đại giá trị của momen Vậy nên với động cơ IPM chúng ta nên điều khiển khi dòng i sd≠0 để tận dụng tối ưu thành phần momen từ trở vào tổng momen cho động cơ Phương pháp này được gọi là sử dụng phương pháp momen trên dòng cực đại (MTPA) Sử dụng phương pháp MTPA sẽ tối ưu được momen đạt cực. .. phép M≤Mmax, đặc tính cơ là cứng tuyệt đối, đặc tính cơ của động cơ đồng bộ như sau: 9 Chương 1:Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm Hình 1.5:Đặc tính cơ của động cơ IPM Khi momen vượt qua giá trị Mmax tốc độ động cơ sẽ mất dần tính đồng bộ Trong hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ người ta còn sử dụng đặc tính góc: M = f (θ ) Hình 1.6: Đồ thị vector của động cơ IPM Từ đồ thị vector... -0.00249378105 -0.05 1.494868251 -0.573545527 0.95 1.618033989 -0.618033988 1 Cấu trúc điều khiển của động cơ: 30 Chương 3: Các chiến lược điều khiển cho động cơ M  Hình 3.5: Cấu trúc điều khiển động cơ IPM với  max  cực đại  Is  Giới hạn dòng và áp của động cơ IPM Hình 3.6: Giới hạn dòng và điện áp cho động cơ 31 ... về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm Hiện nay còn có động cơ đặc biệt( động cơ bước) 1.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Dựa vào loại sức phản điện động trên stator động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha(PMAC) có thể chia làm 2 loại dạng hình sin (PMSM) và dạng hình thang (BLDC) Hình 1.1: Phân loại động cơ nam châm vĩnh cửu Loại động cơ có sức phản điện động hình thang (PMAC) còn được gọi là động. .. hệ giữa dòng điện stator để momen đạt cực đại: 28 Chương 3: Các chiến lược điều khiển cho động cơ Hình 3.4: Quan hệ hàm số giữa các thành phần dòng điện stato và momen để đạt cực đại tỉ số “ momen/dòng điện Từ tín hiệu đặt M* các dòng điều khiển i*sd và i*sq được phát từ máy phát hàm FU1 và FU2 tương ứng Các máy phát hàm sử dụng các đường cong dựa vào quan hệ giữa các thành phần dòng điện và momen.Các... điều khiển, ở đó hệ thống phải tạo ra được khả năng thay đổi tốc độ trơn, mịn với phạm vi điều chỉnh rộng Có nhiều giải thuật điều khiển động cơ đồng bộ đã được nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực truyền động điện như: U ) f - Phương pháp điều khiển vô hướng ( - Phương pháp điều khiển trực tiếp DTC - Phương pháp điều khiển vector FOC Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DCT) là dựa trên tác động. .. phân động cơ có sức phản điện động hình sin(PMAC) thành 2 loại động cơ đồng bộ nam châm bề mặt (SPMSM) và động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM) - Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ bố trí mặt ngoài ( SPM: Simusoidal Surface Magnet Machine) 6 Chương 1:Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm - Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực. .. U: là điện áp pha E = 2π fK w Nφ : sức điện động phần ứng I: Dòng chạy trong mạch phần ứng R: Điện trở phần ứng X: Điện kháng phần ứng Từ phương trình 1.2 ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ như sau: Hình 1.4: Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ 1.2.3 Đặc tính cơ của động cơ IPM Khi đóng stator động cơ đồng bộ vào nguồn điện có tần số f s không đổi, động cơ sẽ quay với tốc độ đồng bộ là: ω1 = 2π . viên hướng dẫn : ThS. Lê Minh Hà Sinh viên thực hiện : Đỗ Văn Trường Lớp : ĐK - TĐH6 - K55 MSSV : 20102391 Hà Nội, 6-2015 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Tên đề tài: ” Thiết kế