ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔMEN ĐỘNG cơ KHÔNG ĐỒNG bộ

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ THU ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔMEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TÓM TẮT LUẬN VĂN THÁI NGUYÊN - 2014 2 LỜI NÓI ĐẦU Đối với đề tài đƣợc đăt ra là nghiên cứu phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều khiển trực tiếp mômen động cơ thì ta có 1. Tính cấp thiết của đề tài: Mặc dù phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC) đã đƣợc phát hiện từ vài chục năm về trƣớc, song do hạn chế về mặt thiết bị nên các ứng dụng thực tế mới đƣợc phát triển chục năm trở lại đây. Lợi thế của DTC là rất thuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống không dùng cảm biến tốc độ (Sensor less System). Tuy nhiên, vấn đề đập mạch mômen điện từ lại gây ra một số nhƣợc điểm nhất định. Hƣớng nghiên cứu của đề tài nhằm nghiêm cứu, phân tích kỹ về nguyên lý và mô phỏng hệ thống cũng nằm trong xu hƣớng nghiên cứu chung, do đó đề tài có tính cấp thiết. Kết quả thực hiện đề tài góp phần nâng cao năng lực năng lực và nghiên cứu khoa học của học viên. 2. Mục tiêu của đề tài: Trong luận văn này đề cập đến hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC). Luận văn sẽ phân tích và giải thích ngắn gọn về nguyên lý DTC. Thiết lập các bộ điều khiển chính (Từ thông stator và mômen động cơ) và lập các mô hình ƣớc lƣợng các biến đầu ra nhằm tạo thành một phần “lõi DTC” (DTC core). Các mô phỏng và thực nghiệm sẽ đƣợc thực hiện để đánh giá tính đúng đắn của luận văn. Trong khuôn khổ thời gian cho phép luận văn đã đề cập đến các vấn đề sau: Chương 1 : Mô hình động cơ không đồng bộ trong các không gian véctơ Chương 2: Nguyên lý điều khiển trực tiếp mô men. Chương 3: Thiết kế điều khiển Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm 3 CHƢƠNG 1 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉCTƠ 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ - Động cơ không đồng bộ xoay chiều đƣợc Faraday phát minh ra năm 1833. - Ngày nay động cơ xoay chiều đƣợc chia làm hai loại động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ. - Một trong những vấn đề quan trọng trong dây truyền tự động hóa là việc điều chỉnh tốc độ của động. Đặc biệt là động cơ xoay chiều rôto lồng sóc. - Điều khiển động cơ không đồng bộ với hƣớng điều khiển U/f, điều khiển trực tiếp mômen động cơ. 1.1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ gồm 2 phần stator (phần tĩnh) và rôto (phần quay) . 1. Stator:Gồm vỏ máy, lõi sắt, dây quấn. 2. Rôto: Trục, lõi sắt và dây quấn 1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Động cơ không đồng bộ làm việc dựa trên hiện tƣợng cảm ứng điện từ. Khi đặt điện áp 3 pha vào ba dây quấn 3 pha đạt đối xứng trong lõi thép stator, khi đó trong khe hở không khí xuất hiện từ trƣờng quay mà thành phần bậc 1 của từ truờng này quay với tốc độ góc là: 1 2 f p    (1.1) trong đó: f là tần số dòng điện cáp cho stator p là số đôi cực của dây quấn stator 1.1.4 Ứng dụng, ƣu và nhƣợc điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha. * Ƣu điểm: - Giá thành hạ. - Bảo dƣỡng nhanh. - Vận Hành tin cậy, chắc chắn. - Có thể dùng trực tiếp lƣới điện xoay chiều ba pha nên không cần thêm trang thiết bị biến đổi. - Có khả năng làm trong môi trƣờng khắc nghiệt. * Nhƣợc điểm: - Điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn. - Có các chỉ tiêu khởi động xấu so với động cơ một chiều. - Trong công nghiệp động cơ không đồng bộ thƣờng đƣợc dùng làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công nghiệp nhẹ, 4 1.1.5 Mô hình toán học động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Để hiểu và thiết kế điều khiển một động cơ trƣớc hết ta phải hiểu rõ mô hình động học của nó. Một phƣơng pháp điều khiển tốt phải đáp ứng đƣợc sự thay đổi của công nghệ, nên ta có thể nói một mô hình động học tốt cho động cơ sẽ đáp ứng đƣợc vấn đề đó. Thêm vào nữa, mô hình động học phải đáp ứng đủ các hiệu ứng động học quan trọng xảy ra trong cả quá trình dừng và quá trình quá độ. Nó cũng phải đáp ứng đƣợc cho bất cứ sự thay đổi nào của nguồn cấp biến tần nhƣ là điện áp hay dòng điện. Để cho đơn giản, ta coi động cơ không đông bộ có những đặc điểm sau:  Ba cuộn dây cuốn đối xứng nhau.  Bỏ qua ảnh hƣởng của khe hơ không khí.  Độ từ thẩm của phần sắt là cao.  Mật độ từ thông trong khe hở không khí là hƣớng tâm.  Bỏ qua tổn hao sắt. a, Sơ đồ thay thế Hình 1.1. Sơ đồ thay thế đông cơ không đồng bộ(ĐK) b, Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ Ở đây ta nghiên cứu mô hình động cơ không đồng bộ ở chế độ xác lập Từ điều kiện cân bằng công suất của động cơ ta có phƣơng trình mômen động cơ có dạng nhƣ sau: 22 12 2 3 2 11 3' ' nm UR M R R X s s           1.2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉCTƠ: 1.2.1 Mô hình ba pha của động cơ không đồng bộ: x1 x'2 xo 10k ro r1 I o  I 1  I 2  r’ 2 /s o o U 1   o r f ĐK o o U 1 ~ I 1  I 2      5 Động cơ không đồng bộ có các dây quấn ba pha ở rôto và stator, các dây quấn là đối xứng và đƣợc bố trí sao cho từ thông dọc theo chu vi khe hở không khí có dạng hình sin, gọi k là tên dây quấn thì ta có phƣơng trình điện áp nhƣ sau: k k kkk e dt d iRu   Từ thông móc vòng của mỗi dây quấn   k kjkk iL  Mômen điện trở của động cơ : m k k k d d iM   . 2 1   Đặt a s , b s , c s , a r , b r , c r là tên gọi của dây quấn stator và rôto: k=a s /b s /c s /a r /b r /c r j= a s /b s /c s /a r /b r /c r Đặt L: điện cảm chính của các dây quấn pha stator L  : điện cảm tản N s : số vòng dây một pha stator N r : số vòng dây một pha rôto  m : vị trí góc của dây quấn rôto Thì có thể viết đƣợc 6 phƣơng trình điện áp cho ĐK nhƣ sau nếu mạch từ còn chƣa bão hòa (điện cảm là hằng) i as i cs i bs ω θ m U bs U cs U as R e i ar i br i cr U ar U cr U br Hình 1.4.Sơ đồ dây quấn tập trung của ĐK 6 Hình 1.5. Sơ đồ 3 pha quy đổi về stato của ĐK. Căn cứ vào sơ đồ quy đổi và các ký hiệu quy ƣớc, có thể dễ dàng viết ra đƣợc hệ các phƣơng trình cơ bản của điều khiển trong không gian 3 pha quy đổi về stato: ' ' ' ' . . s ss s r r r r r d u R i dt d u R i e dt               (1.23) '' ' ' ' ' ' ' . . . ( ) . . . ( ) s s sm s m m s r s s s r rm mm s r r r r s r L i L i L i L i i L i L i L i L i i                              (1.24) ' ' ' ' ar br cr . ( ). .( ) 3 mb mc ma p M i i i          (1.25) 1.2.2 Đại lƣợng véctơ không gian: e αr R s R r L ϭs L ϭr i αs i αr L m Ψ αr u αs u αr e βr R s R r L ϭs L ϭr i βs i βr L m Ψ βr u βs u βr Ψ αs Ψ βs Hình 1.12. Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ trong hệ trục ,  Các phƣơng trình mô tả động cơ: SSSS dt d iRu   ; rrrrr dt d iRu    . SSSS dt d iRu   ; rrrrS dt d iRu    . (1.30) 7 rMSSS iLiL   ; rMrrr iLiL       SSSSSrSrM ii P iiiiL P M  2 3 . 2 3 '`  R s R r 1 L s 1 s 1 L r XX X X X L m X X X 3p’ 2 R r R s 1 s 1 L r 1 s 1 L s XX X X X L m p’ J.s X X X 1 s u sα u sβ ψ αs ψ βs ψ αs ψ βs i βs i αs i αr i βr M M c ψ βr ψ αr u βr u αr - - - - - - - - - - - Hình 1.13. Sơ đồ cấu trúc của động cơ trong hệ tọa độ ,  b, Mô hình trong hệ tọa độ quay đồng bộ (d, q, 0) Các đại lƣợng véctơ không gian cũng có thể đƣợc biểu diễn trong hệ tọa độ trực giao d, q quay với tốc độ s e dr R s R r L ϭs L ϭr i ds i dr L m Ψ dr u ds u dr e ds e qr R s R r L ϭs L ϭr i qs i qr L m Ψ qr u qs u qr e qs Ψ ds Ψ qs Hình 1.16. Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ trục tọa độ d, q Từ các phân tích và sơ dồ thay thế có thể dẫn ra đƣợc hệ phƣơng trình (1.34) với     T ss j T ass uueuu s    ,,  qss ds dssds dt d iRU    dss qs qssqs dt d iRU    8 qrsl dr drrrs dt d iRU    (1.34) drsl qr qrrqr dt d iRU    drMdssds iLiL   ; drrdsMdr iLiL .   . qs s qs M qr L i L i   ; qrrqsMqr iLiL   R s R r 1 L s 1 s 1 L r L M X X 3p’L m 2L r R r R s 1 s 1 L r 1 s 1 L s L m p’ J.s X X 1 s u ds u qs ψ ds ψ qs ψ Md ψ βs i qs i ds i dr i qr M Mc ψ qr ψ dr u qr u dr - - - - - - - - - - - X X - ω ω s ω sl - ω s Hình 1.17. Sơ đồ cấu trúc của ĐK trong hệ trục tọa độ dq c, Mô hình trong hệ tọa độ gắn với roto (D, Q, O) Hình 1.19. Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ tọa độ gắn với rôto e Ds = -.ψ Qs e Qs = -.ψ Ds Q dt d iRU s SD SDSSD    . D dt d iRU s SQ sQSSQ    . (1.35) 9 dt d iRU rD rDrrD   . dt d iRU rQ rQrrQ   Hình 1.20. Sơ đồ cấu trúc của điều khiển trong hệ tọa độ gắn với rôto 10 CHƢƠNG 2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔMEN 2.1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN: Phƣơng pháp điều khiển véctơ tựa từ thông rôto, ngoài những ƣu điểm nổi bật còn tồn tại một nhƣợc điểm quan trọng là độ tác động nhanh không cao do mô hình phức tạp, phải thực hiện phép quay toạ độ và vẫn phải điều khiển mômen gián tiếp qua điều khiển các thành phần dòng điện. jβs ψ βs ψ αs αs i s ΔΨ s Ψ s ϭ Δϭ ψ r θ sψ ω s Ψ s +ΔΨ s Hình 2.1. Biểu diễn các đại lƣợng trong hệ trục  gắn với stato Mômen động cơ là biến thiên điều khiển cần phải điều khiển bám theo mômen tải Mc yêu cầu, có ba khả năng - Mđ > Mc cần phải giảm mômen,tức là đẩy lùi véc tơ s  - Mđ < Mc cần phải tăng mômen, tức là đẩy tiến véctơ s  - Mđ =Mc giữ nguyên Trong điều khiển trực tiếp mômen, ngƣời ta thiết kế bộ điều khiển trực tiếp mômen theo kiểu đóng cắt ba vị trí, đầu vào có lƣợng đặt mômen là mômen cản (Mc) và lƣợng thực mômen là mômen động cơ ( Mđ) đầu ra tín hiệu điều khiển dm Khi Mđ > Mc + ∆m, dm = -1 (giảm mômen) Khi Mđ < Mc - ∆m, dm = +1 (tăng mômen) Khi Mđ - ∆m,< Mđ < Mc+ ∆m, dm = 0 (giữ nguyên mômen). Trong đó ∆m là bằng trễ. Từ thông stato có thể tính toán đƣợc bằng cách tích phân phƣơng trình điện áp stato trong (1.7): s 0 () t s s s u R i dt    2 3 sin 2 m rs s sr L p M LL         2 3 sin 2 m rs s sr L p M LL         [...]... THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN 3.1 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TỪ THÔNG STATOR Bộ điều khiển của mạch vòng từ thông có hai mức đầu ra tùy thuộc sai lệch từ thông d = 1 khi e > +BT d d = -1 khi e < - BT e 2BT Hình 3.1 Bộ điều khiển dải trễ hai mức 3.2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÔMEN Bộ điều khiển mômen có ba mức đầu ra, tùy thuộc vào sai lệch mômen Đây là mô hình đơn giản nhất của điều khiển trực tiếp mômen Các... 1996 [6] Võ Nhƣ Tiến, Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không cần cảm biến, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng – Số 4/2005 [7] Võ Nhƣ Tiến, Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý tín hiệu số (DSP) điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ, Đề tài NCKH cấp Bộ mã số B2008-ĐN 06-05 [8] Võ Nhƣ Tiến, Bùi Quốc Khánh, Điều khiển trực tiếp mô men động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp... phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ đó là phƣơng pháp điều chỉnh trực tiếp mômen với các nôi dung nhƣ sau: + Đã thực hiện nghiên cứu và tính toán điều khiển DTC bao gồm thuật toán điều khiển DTC, tạo ra một “lõi DTC” trong đó các bộ điều khiển mômen và từ thông stator có đặc tính dạng rơle có trễ với 3 và 2 vị trí + Đã thiết lập đƣợc các mô hình ƣớc lƣợng các đại lƣợng phản hồi (mômen và... nghiệm 4.2.1 Kết quả thí nghiệm: Sau khi thí nghiệm sử dụng biến tần điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ ta có đƣợc kết quả của đáp ứng tốc độ nhƣ hình 4.28 Hình 4.28 Đáp ứng tốc độ Để có đƣợc đáp ứng tốc độ nhƣ hình 4.28 ta đặt tốc độ động cơ nđ=875 (v/ph) Đƣờng đặc tính tốc độ với động cơ thực khi đƣợc điều khiển trực tiếp mômen bằng biến tần đƣợc lấy ra nhờ sự hỗ trợ của PLC S7 300 và máy... DTC là đập mạch mômen điện từ, mặc dù đập mạch này sẽ đƣợc “lọc” bởi quán tính cơ học của truyền động điện Tuy nhiên cũng cần nghiên cứu, phát triển các thuật toán nâng cao để giảm thiểu biên độ đập mạch mômen này Trong điều khiển DTC kinh điển không có các bộ điều khiển dòng điện điều này có thể gây nguy hiểm cho các bộ biến tần, do đó cần bổ sung nghiên cứu thiết lập các bộ điều khiển dòng điện phù... CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 2.2.1 Sơ đồ DTC: + Udc Ψ*s eψ ψs ω* ω 2BTψ eM Rω - dψ dM M Bảng chọn véctơ điện áp Sa NL Sb Sc S(x) BTM Ψs M Mô hình động cơ is ω SP ĐK Hình 2.3 Sơ đồ khối của DTC 2.2.2 Các bộ điều khiển trong sơ đồ 1- Đo điện áp và dòng điện: Dòng điện các pha của động cơ không đồng bộ và điện áp một chiều của biến tần và Switch chuyển mạch của nghịch lƣa đƣợc đƣa vào khâu ƣớc lƣợng từ thông, mômen. .. lƣợng từ thông stator và mômen điện từ - Biên độ từ thông đặt (Wb) và mômen đặt (N.m) sẽ là những giá trị đặt trực tiếp vào mô hình mô phỏng (sơ đồ hình 4.1) - DTC dựa trên bảng tra 2.2 mômen ƣớc lƣợng theo công thức 3.2 - Bộ điều chỉnh mômen là bộ điều chỉnh ba trạng thái có trễ theo bảng 2.2 Bộ điều chỉnh từ thông là hai trạng thái có trễ theo bảng 3.3 Sai lệch từ thông và mômen mong muốn là ±5% -... hiện việc thay đổi mômen đặt 19 Hình 4.20 Đáp ứng mômen khi thay đổi mômen đặt 4.2 ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG QUA THÍ NGHIỆM: 4.2.1 Các trang thiết bị trong phần thực nghiệm: + Bộ biến tần nguồn áp ba pha +Hệ thống dùng để thí nghiệm biến tần (các đèn tín hiệu, các đồng hồ do vôn kế, ămpe kế, Các nút điều chỉnh, các đèn báo) +Động cơ không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc với thông số động cơ: Uđm = 220/380 (V)... Khánh, Cơ sở truyền động điện, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2009 [3] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Ditrich, truyền động điện thông minh, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, 2004 [4] Nguyễn Phùng Quang: MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học & kỹ thuật, 2006 [5] Nguyễn Phùng Quang: Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều 3 pha , NXB Giáo dục 1996 [6] Võ Nhƣ Tiến, Điều khiển động. .. ĐIỀU KHIỂN 11 Hình 2.3 và hình 2.4 diễn giải kỹ thuật điều khiển DTC Tín hiệu đặt của từ thông stato và mômen đƣợc so sánh với các giá trị thực tƣơng ứng, sai lệch của chúng đƣợc xử lý theo kiểu bộ điều khiển dải trễ Bộ điều khiển của mạch vòng từ thông có hai mức đầu ra tùy thuộc sai lệch từ thông d = 1 khi e > +BT : d = -1 khi e < - BT trong đó 2BT = độ rộng của băng trễ của bộ điều khiển . động cơ xoay chiều rôto lồng sóc. - Điều khiển động cơ không đồng bộ với hƣớng điều khiển U/f, điều khiển trực tiếp mômen động cơ. 1.1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ. CHƢƠNG 1 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉCTƠ 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ - Động cơ không đồng bộ xoay chiều. phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều khiển trực tiếp mômen động cơ thì ta có 1. Tính cấp thiết của đề tài: Mặc dù phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC)