Nghiên cứu xây dựng hệ thực nghiệm biến tần – động cơ điện xoay chiều, phục vụ cho công tác đào tạo nghề điện công nghiệp của khoa điện, trường cao đẳng nghề yên bái

1 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết cua đề tài Hiện hệ thống truyền động điện xoay chiều trở nên phổ biến nhiều người quan tâm Là giáo viên dạy nghề điện quan tâm đến hệ truyên động điện xoay chiều nói với mục đích nâng cao kiến thức lĩnh vực đồng thời góp phần nâng cao chất lượng đào tạo nhà trường.Vì tơi chọn đề tài : “Nghiên cứu xây dựng hệ thực nghiệm Biến tần – Động điện xoay chiều, phục vụ cho công tác đào tạo nghề Điện công nghiệp khoa Điện, trường Cao đẳng nghề Yên Bái” Mục tiêu luận văn Xây dựng hệ thí nghiệm biến tần động xoay chiều phục vụ cho công tác đào tào nghề điện trường Cao đẳng nghề Yên Bái Đối tượng nghiên cứu - Biến tần pha, Động xoay chiều pha, Điều khiển hệ Biến tần - động xoay chiều Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Nâng cao chất lượng đào tạo nghề nhà trường Đáp ứng yêu cầu thực tế sản xuất Kết cấu luận văn luận văn Chương 1: Thực trạng yêu cầu đào tạo nghề Điện trường Cao đẳng nghề Yên Bái Chương 2: Nghiên cứu điều khiển hệ truyền động biến tần - động không đồng ba pha Chương 3: đánh giá chất lượng hệ thống mô thực nghiệm Chương 4: Xây dựng hệ thực nghiệm biến tần - động xoay chiều ba pha Kết luận kiến nghị CHƯƠNG THỰC TRẠNG VÀ YÊU CẦU ĐÀO TẠO NGHỀ ĐIỆN CỦA TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ YÊN BÁI 1.1.1 Quá trình phát triển trường Cao đẳng nghề Yên Bái Trường Cao đẳng nghề Yên Bái thành lập theo Quyết định số 670/QĐ-LĐTBXH ngày 27/5/2009 Bộ Lao động - Thương binh Xã hội - trường cao đẳng nghề cơng lập tỉnh n Bái - Có nhiệm vụ tổ chức đào tạo nghề theo cấp trình độ : Cao đẳng nghề, trung cấp nghề sơ cấp nghề với nghề: Điện công nghiệp, điện dân dụng, điện tử cơng nghệ thơng tin, khí, công nghệ ô tô, sư phạm kỹ thuật, xây dựng, giao thơng, kế tốn doanh nghiệp 1.3 Chương trình đào tạo nghề điện cơng nghiệp Chương trình đào tạo kết hợp lý thuyết thực hành Gồm 36 mơ đun mơ đun 26 Truyền động điện Thời gian mô đun: 150giờ; (Lý thuyết: 60 giờ; Thực hành: 90 giờ) Bài : Bộ biến tần (Thời gian: 20 giờ) 1.5 Kết luận chương Phần thực hành điều khiển động xoay chiều hệ : biến tần - động xoay chiều cần thiết thực tế sử dụng nhiều CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1 Điều chỉnh tốc độ động không đồng ba pha Điều chỉnh tốc độ động xoay chiều KĐB ba pha (ASM) thực nhiều phương pháp khác : Điều chỉnh điện áp đặt vào dây stato; Điều chỉnh số đôi cực từ; Điều chỉnh điện trở phụ mạch rotor loại động rotor dây cuốn; Điều chỉnh tần số f nguồn cung cấp cho động Trong thực tế việc điều chỉnh tần số nguồn cung cấp thực biến đổi tần số 2.2 Điều khiển hệ BĐTS – ĐCKĐB Điều khiển hệ BĐTS - ĐCKĐB có phương pháp chủ yếu sau - Điều khiển vô hướng (SFC: Scalar Frequency Control) - Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC: Field Oriented Control) - Điều khiển trực tiếp momen (DTC: Direct Toque Control) 2.3 Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC) 2.3.1 Vectơ không gian hệ tọa độ từ thông * * * Ba dịng pha hình sin phía stator isu , isv , isw động xoay chiều ba pha khơng nối điểm trung tính: isu ( t ) + isv ( t ) + isw ( t ) = Hình 2.4 Mơ tả vector dịng điện stator (2.1) Có thể mơ tả dạng vectơ is(t) quay khơng gian với tần số stator fs (Hình 2.4): is = 2π isu ( t ) + isv ( t )e jγ + isw ( t )e j 2γ  ; γ = Tương tự  3 ta biểu diễn đại lượng ba pha us , ψ s , ψ r dạng thành phần sau: us = usd + ju sq  is = isd + jisq  ψ  s =ψsd + jψsq  =ψ + jψ ψ rd rq  r (2.3) Hình 2.5:Vetor dịng stator hệ tọa độ cố định αβ hệ tọa độ quay dq Chuyển sang hệ tọa độ αβ isα isβ: i  sα =isu   i  sβ = ( isu +2isv )  (2.6) iss = isα + jis β - Hệ tọa độ dq: is = isd + jisq f Từ hình 2.5 thu : isd = isα cosϑs + is β sin ϑs   isq = −isα sin ϑs + isβ cosϑs  (2.7) Từ ta có: isf = isα cosϑs + isβ sin ϑs  + is β sin ϑs − isα cosϑs      isf = isα + jisβ  + [ cosϑs − j sin ϑs ] = iss e −ϑs   ⇒ u s = u f e jϑs ⇔ u f = u s e − jϑs (2.8) 2.3.2 Cấu trúc hệ điều khiển tựa theo từ thông rotor Động KĐB Đo tốc độ quay Hình 2.7 Cấu trúc kinh điển hệ TĐĐXCBP điều khiển kiểu T4R CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BẰNG MƠ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 3.2 Sơ đồ cơng nghệ hệ thống truyền động BĐTS- ĐCKĐB Hình 3.1: Sơ đồ công nghệ hệ thống BĐTS- CKĐB 3.3 Kiểm tra chất lượng mơ 3.3.1 Xây dựng mơ hình mơ 3.3.1.1 Sơ đồ mơ tồn hệ thống: Sơ đồ mô hệ thống Biến tần – Động xoay chiều ba pha hình 3.2 T orque referenc e DC bus Voltage Controller P_chop VBus Alpha Bctrl VBus_f Ctrl VBus* Six step generator V_Bus* VBus_f S_sp S peed referenc e Bctrl N* Gates Ctrl Is_a N Alpha Bctrl A pulse_out B C P_chop Three-phas e thyris tor rectifier + A Tem Meas Three-phas e inverter Bctrl g B C - V_bridge- V_bus- dem ux1 Do thi A B B C Vdc Tm + V_bridge+ Motor Induction m achine A V_bus+ g A Conv Braking chopper Bridge firing unit B C m C - 22 0V 60 z H Hình 3.2: Cấu trúc mơ hệ thống BĐTS - ĐCKĐB 3.3.1.2 Khối động không đồng bộ: ASM A Induction machine powers domain ys B Tm C A m B i [tp371345] Goto From C tp371343 v m thr,wr Te m_e m_m Source Out1 Meas urement lis t Tm m thr,wr Tm Te ASM echanics _m Hình 3.3: Khối động xoay chiều ba pha m 3.3.1.3 Khối điều khiển vectơ (vector control) DC bus Voltage Controller P_chop VBus Alpha Bctrl VBus_f Ctrl VBus* Volt age C trl Six step generator Ctrl V_Bus* VBus_f S_sp Bctrl SP N* Gates Conv Braking chopper Bridge firing unit Alpha Bctrl A pulse_out B C P_chop Three-phase thyristor rectifier g + Mec_T Induction machine Tm B V_bridge- C B C V_bus- A B A B A V_bridge+ + C Three-phase inverter V_bus+ g A Meas Bctrl C m - Motor Hình khiển tốc độ khối điều khiển 3.3.1.4 Khối điều3.4: Cấu trúc (Speed control): vectơ (vector control) dir Sign N* N* -K- Ramp N* |u| E rro r (rp m ) rpm2hz ki K Ts (z+1) 2(z-1) Integral gain kp -K- Volts* ctrl_sat Freq* Proportional gain E rro r (rp m ) N -Krpm2hz |u| lowpass speed filter num(z) den(z) V o lt a g e re f e re n c e (V ) F re q u e n c y re f e re n c e (H z) S p e e d re f e re n c e (rp m ) Hình 3.5: Cấu trúc khối điều khiển tốc độ (speed control) ctrl 10 3.3.2 Kết mô 3.3.2.1 Động làm việc không tải tần số khác - Tần số 50 Hz 10 -2 -4 -6 -8 -10 1800 1.005 1.01 1.015 1.02 1.025 1.03 1.035 1.04 1.045 1.05 n ndat Hình 3.6: Điện áp tức thời biến tần tần số 50HZ 1600 1400 n(v/ph) 1200 1000 800 600 400 200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 t(s) 1.2 1.4 1.6 Hình 3.7: Tốc độ động tần số 50HZ 1.8 14 Hình 3.14: Mơmen tải động tần số 50HZ 15 10 -5 500 -10 400 -15 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2 1.2 1.4 1.6 1.8 Hình 3.15: Điện áp đặt vào động tần số 15HZ có tải n(v/ph) 300 200 100 -100 0.2 0.4 0.6 0.8 t(s) 15 Hình 3.16: Tốc độ động tần số 15HZ có tải 0 -10 0 0.8 1 Hình 3.17: Mơ men động tần số 15HZ 3.3.3 Nhận xét: - Ở chế độ làm việc không tải, tần số giảm hệ thống làm việc ổn định 16 - Ở chế độ làm việc có tải, hệ thống làm việc ổn định tồn dải cơng suất từ 50Hz trở xuống - Khi mô men phụ tải thay đổi tốc độ đơng thay đổi thể sai lệch tĩnh nhỏ Kết luận : Chỉ tiêu chất lượng động chất lượng tĩnh hệ thống tốt, đáp ứng yêu cầu điều chỉnh chất lượng cao 3.4 Đánh giá kết thực nghiệm: tiến hành thí nghiệm điều chỉnh tốc độ động tần số mơ hình điều chỉnh lưu lượng bơm cấp nước cho bình chứa với điều khiển mức, nhiệt độ lưu lượng phịng thí nghiệm Khoa Điện - trường đại học KTCN 3.4.1 Cấu hình thực nghiệm điều khiển trung tâm thí nghiệm Hình 3.18: Mơ hình thí nghiệm điều khiển mức, nhiệt độ lưu lượng 17 Hình 3.20: Giao diện thí nghiệm điều khiển Hình 3.21 Giao diện kết thí nghiệm điều khiển 18 3.4.2 Giới thiệu thiết bị mơ hình thực nghiệm: Các thiết bị thí nghiệm lấy từ danh mục thiết bị thí nghiệm khoa điện trường ĐHKTCN 3.4.3 Kết thí nghiệm 3.4.2.1 Kết 01 Thực thí nghiệm tần số thay đổi từ 50 Hz xuống 25 Hz (có tải) điều khiển PID có tham số : Kp = 2; K I = 20; KD = 0,1 Hình 3.22: Kết thí nghiệm thí nghiệm tần số 25Hz Thực thí nghiệm với tần số thay đổi từ 50Hz xuống 25 Hz hệ thống có tải điều khiển PID có tham số điều khiển đặt sau : Kp = 2; KI = 3; KD = 0,1 19 3.4.2.2 Kết 02 Thay đổi tham số điều khiển PIDTham số điều khiển: Kp = 2; KI = 3; KD = 0,1 tần số làm việc 25 Hz, phụ tải thay đổi Hình 3.23: Kết thí nghiệm Kp = 2; KI = 3; KD = 0,1 3.5 Kết luận chương mô Matlab – Simulink thực nghiệm trung tâm thí nghiệm trường đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Hệ thống truyền động BĐTS- ĐCKĐB có chất lượng tĩnh động tốt, đáp ứng yêu cầu máy sản xuất đòi hỏi cao tiêu điều chỉnh tốc độ 20 CHƯƠNG XÂY DỰNG BÀI THỰC NGHIỆM BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA 4.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý thí nghiệm Sơ đồ nguyên lý mạch thí nghiệm hình H4.2 A Đặt tần số NL ĐTS C CL × Udc f THĐ B - ĐCA U Driver NL PWM βI XL C Sa,Sb,Sc BĐD ia BĐTS NL SI ib TG ASM Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý hệ BĐTS - ĐCKĐB 4.3 Chọn thiết bị bố trí thiết bị thí nghiệm 21 Sơ đồ nguyên lý Hình 4.4 Sơ đồ lắp ráp thiết bị thực nghiệm 22 Tên thông số thiết bị bảng danh mục thiết bị thí nghiệm) 4.3 Nội dung thí nghiệm 4.3.1 Bài số : Điều khiển tốc độ động thay đổi tần số Phương pháp sử dụng đầu vào số (Digital) để khởi động điều khiển biến tần Các bước thực phương pháp sau: (1) Kiểm tra đầu nối cấp nguồn cho biến tần đầu nối động cơ, thiết bị điện (2) Nối đầu nối điều khiển số tới đầu nối thông qua công tắc thứ ( gọi DIN 1).Công tắc có chức chạy / dừng động (3) Nối đầu nối điều khiển số tới đầu nối thông qua công tắc thứ hai ( gọi DIN 2) Cơng tắc có chức tăng/giảm tốc độ động tẩn số cố định ( gọi tần số cố định 2) (4) Nối đầu nối điều khiển số tới đầu nối thông qua công tắc thứ ba ( gọi DIN 3) Cơng tắc có chức tăng/giảm tốc độ động tẩn số cố định ( gọi tần số cố định 3) (5) Nối đầu nối điều khiển số tới đầu nối thông qua công tắc thứ tư (gọi DIN 4) Công tắc có chức tăng/giảm tốc độ động tẩn số cố định ( gọi tần số cố định 4) (6) Lắp vỏ biến tần đóng nguồn cấp điện cho biến tần (7) Đặt thông số P00304 bảng công suất động 23 (8) Đặt P0010 = để cài đặt thông số đầu vào DIN (9) Đặt P0700 = để xác định tần số làm việc ( DIN2, DIN3, DIN4) (10) Đặt P1000 = để chọn điểm đặt tần số cố định (11) Đặt P0701 = để xác định chức DIN1 điều khiển động quay theo chiều kim đồng hồ (12) Đặt P0702 = 15 xác định chức DIN2 tần số cố định (13) Đặt P0703 = 15 xác định chức DIN3 tần số cố định (14) Đặt P0704 = 15 xác định chức DIN4 tần số cố định (15) Đặt P1002 giá trị tuỳ chọn (5Hz) cho tần số cố định (DIN2) (16) Đặt P1003 giá trị tuỳ chọn (10Hz) cho tần số cố định (DIN3) (17) Đặt P1004 giá trị tuỳ chọn (15Hz) cho tần số cố định (DIN4) (18) Đặt thông số P1300 = để chọn phương pháp điều khiển (19) Bật công tắc DIN1 Bộ biến tần lệnh cho động quay (20) Bật công tắc DIN2 Động quay tần số cố định (5Hz) (21) Bật công tắc DIN3 Động quay tần số cố định (10Hz) (22) Bật công tắc DIN4 Động thêm vào tần số cố định (15Hz) 24 Ứng với tần số cố định ta nhận tốc độ tương ứng, Khi phụ tải thay đổi ta xác định đặc tính hệ thống 4.4.2 Bài số : Điều khiển hệ thống chế độ điều khiển vector AC Inventer Enconder D AC Motor A Hình 4.6: Position điều khiển động Mơ hình Feedback Cài đặt chế độ điều khiển vector (1) Kiểm tra đầu nối cấp nguồn cho biến tần đầu nối động cơ, thiết bị điện (2) Bật Aptomat bàn thí nghiệm Ấn nút START để cấp điện cho biến tần (3) Đặt thông số P0003 = tất thông số biến tần điều chỉnh (4) Đặt thơng số P0304-P0311 theo bảng công suất động (5) Lựa chọn chế độ điều khiển vector (P1300 = 20) (6) Đảm bảo động mát lệnh RUN Việc xác định tự động xẩy lần đầu khởi động P1300 đạt tới 20 Việc ngắt trình tự động kiểm tra cách ngắt nguồn hủy lệnh RUN gây lỗi kiểm tra tự động lặp lại Nếu thông số động thay đổi việc kiểm tra tự động thực lại 25 (7) Giống hệ thống điều khiển, điều khiển vector cần ổn định nhờ việc đặt thông số giới hạn khuếch đại tỷ lệ (P1470) khuếch đại tích phân (P1472) Các giá trị thực giá trị đặt xác định cách kiểm tra, nhiên thường cài đặt sau: (8) Đặt P1452 = 4ms, số thời gian lọc PT1 dùng để cản dịu sai số khâu điều khiển tốc độ làm việc chế độ vectơ không sensor (SLVC) Việc giảm giá trị làm tăng chất lượng động trình điều chỉnh tốc độ Nếu đặt giá trị thấp giá trị cao gây ổn định (9) Đặt P1470 = 3, hệ số khuếch đại khâu điều khiển tốc độ chế độ điều khiển Vector (10) Đặt P1472 = 400ms, số thời gian tích phân khâu điều khiển tốc độ chế độ điều khiển Vector không sensor (11) Đặt P1755 = 5Hz, tần số khởi động chế độ điều khiển vectơ khơng sensor (SLVC), chế độ điều khiển véc tơ khơng sensor chuyển từ vịng hở sang vịng kín tần số 4.6 Kết luận chương Thông qua thực nghiệm sinh viên hiểu nguyên lý làm việc, làm quen với thiết bị thực tế Biết cách điều chỉnh tốc độ động khơng đồng ba pha rotor lồng sóc Kêt thực nghiệm góp phần nâng cao chất lượng đào tạo nghề trường Cao đẳng Vì việc xây dựng thực nghiệm hệ thống BĐTS- ĐCKĐB trường dạy nghề Yên Bái cần thiết cần quan tâm thực / 26 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Nội dung luận văn thể phương pháp điều khiển tốc độ động khơng đồng pha rortor lồng sóc, điều khiển hệ truyền động xoay chiều phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor (T4R) - tác giả đề xuất xây dựng hệ thống thực làm thực nghiệm phục vụ công tác đào tạo trường nghề, nâng cao kỹ cho sinh viên Tất nội dung luận văn tác giả hoàn thành : Chương 1: Thực trạng yêu cầu đào tạo nghề Điện trường Cao đẳng nghề Yên Bái Chương 2: Nghiên cứu điều khiển hệ truyền động biến tần - động không đồng ba pha Chương 3: đánh giá chất lượng hệ thống mô thực nghiệm Chương 4: Xây dựng hệ thực nghiệm biến tần - động xoay chiều ba pha Trong chương tác giả tìm hiều hệ thống thí nghiệm – thực hành trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Trong chương 4, xây dựng thực hành biến tần động xoay chiều ba pha phù hợp với điều kiện trường Cao đẳng nghề Yên Bái Kiến nghị: Với thời gian nghiên cứu cịn ít, kiến thức kinh nghiệm điều khiển có hạn, nội dung luận văn số 27 hạn chế, đề nghị thầy hội đồng dẫn để tác giả tiếp tục nghiên cứu hồn thiện áp dụng tốt kết nghiên cứu vào công tác thực hành thí nghiệm trường Cao đẳng nghề Yên Bái, đồng thời nghiên cứu thêm hệ thống thí nghiệm thực hành khác điều khiển PLC cho đối tượng cơng nghiệp, nhằm nâng cao trình độ, kỹ cho sinh viên sau tốt nghiệp Đề nghị nhà trường cho phép tác giả bảo vệ luận văn trước hội đồng nhận tốt nghiệp thac sĩ kỹ thuật chuyên ngành Tự động hoá 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyen Phung Quang and Jörg-Andreas Dittrich, “Vector Control of Three-Phase AC Machines”, springer [2] Nguyễn Phùng Quang, “Điều khiển tự động truyền động xoay chiều ba pha”, NXB Giáo dục, 1998 [3] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich, “Truyền động điện thông minh”, NXB KHKT, 2006 [4] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 2001 [5] Trần Bá Thời (tác giả), Trần Thọ, Võ Quang Lạp (biên dịch):“Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện” Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [6] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi: “Điều chỉnh tự động truyền động điện” Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [7] Nguyễn Phùng Quang: “Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [8] Trần Xuân Minh, Nguyễn Như Hiển: “Tổng hợp hệ điện cơ” NXB KH&KT, 2011 ... 4: Xây dựng hệ thực nghiệm biến tần - động xoay chiều ba pha Kết luận kiến nghị CHƯƠNG THỰC TRẠNG VÀ YÊU CẦU ĐÀO TẠO NGHỀ ĐIỆN CỦA TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ YÊN BÁI 1.1.1 Quá trình phát triển trường. .. trường Cao đẳng nghề Yên Bái Trường Cao đẳng nghề Yên Bái thành lập theo Quyết định số 670/QĐ-LĐTBXH ngày 27/5/2009 Bộ Lao động - Thương binh Xã hội - trường cao đẳng nghề công lập tỉnh Yên Bái. .. - Có nhiệm vụ tổ chức đào tạo nghề theo cấp trình độ : Cao đẳng nghề, trung cấp nghề sơ cấp nghề với nghề: Điện công nghiệp, điện dân dụng, điện tử công nghệ thông tin, khí, cơng nghệ tơ, sư phạm