Tham số của động cơ điện IPM

Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP  ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Tạ Cao Minh Sinh viên thực : Nguyễn Minh Khuê Lớp : ĐK&TĐH 2-K56 MSSV : 20112613 Hà Nội - 2015 Nguyễn Minh Khuê-MSSV 20112613 Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Mục lục Lời nói đầu Đề bài: Tham số động điện IPM: Chương 1: Cấu tạo nguyên lý làm việc động IPM 1.1 Cấu tạo động IPM 1.2 Nguyên lý làm việc động IPM Chương 2: Thuyết minh nguyên lý làm việc hệ truyền động động IPM phương pháp vector 2.1 Chuyển tọa độ abc sang dq 2.2 Thuyết minh nguyên lý làm việc hệ truyền động động IPM điều khiển phương pháp vector 2.2.1 Điều khiển vecto với Ids=0 2.2.2 Điều khiển vecto Ids ≠ với tỉ số M cực đại Is Chương 3: Mô hình hóa hệ truyền động phương pháp hàm truyền 3.1 Hệ phương trình động 3.2 Tính toán hàm truyền biến đổi cảm biến 10 Chương 4: Xây dựng cấu hình điều khiển tính toán điều khiển dòng điện, tốc độ 12 4.1 Thiết kế điều khiển dòng điện 12 4.2 Thiết kế mạch vòng tốc độ 14 Mô kiểm nghiệm mô hình Matlab Simulink 16 Tổng kết 20 Tài liệu tham khảo 21 Nguyễn Minh Khuê-MSSV 20112613 Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Lời nói đầu Những năm gần đây, với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, vi xử lý, công nghệ bán dẫn kĩ thuật điều khiển tạo chuyển biến hướng cho giải pháp tự động hóa công nghiệp Nhiều phương pháp điều khiển đại đề xuất cho việc điều khiển hệ truyền động Và năm gần đây, phương pháp điều khiển động sử dụng điều khiển vector (vector control) đặc biệt quan tâm Với ưu điểm vượt trội so với động khác với việc sử dụng cấu trúc điều khiển đại động đồng kích thích nam châm vĩnh cửu sử dụng nhiều hệ truyền động yêu cầu xác vị trí tốc độ đặc biệt có ưu tuyệt đối ứng dụng điều khiển oto điện Trong đồ án này, chúng em xây dựng cấu trúc hệ điều khiển với mạch vòng dòng điện tốc độ dùng phương pháp vetor mô hệ điều khiển Simulink Chúng em xin chân thành cảm ơn !!! Hà Nội, tháng năm 2015 Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Đề bài: Cho thông số động IPM Hãy xác định tham số động truyền động Thuyết minh nguyên lý làm việc hệ truyền động, điều khiển phương pháp vector Mô hình hóa hệ truyền động phương pháp hàm truyền Xây dựng cấu hình điều khiển với mạch vòng (dòng điện, tốc độ) Mô hệ truyền động Simulink, lấy đặc tính điều khiển (tốc độ, dòng điện) vùng tốc độ Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Tham số động điện IPM: Điện áp vào (V) 240 Công suất lớn (kW) 80 Momen lớn (N.m) 220 Tốc độ quay lớn (rpm) 11000 Dòng điện lớn (A) 400 Công suất định mức (kW) 40 Momen định mức (N.m) 133 Tốc độ định mức (rpm) 2600 Dòng điện định mức (A) 216 Số đôi cực Từ thông cực (Wb) 0.07 Tần số đóng cắt (kHz) Điện cảm trục d (Ld) [  H ] 375 Điện cảm trục q (Lq) [  H ] 835 Điện trở stator (Rs) [mΩ] 29,5 Momen quán tính(Kg.m2) 0,1 Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Chương 1: Cấu tạo nguyên lý làm việc động IPM 1.1 Cấu tạo động IPM Động xoay chiều đồng nam châm vĩnh cửu (ĐB NCVC) có rotor NCVC dây quấn pha stator Trong động đồng NCVC thường kèm theo cảm biến vị trí cảm biến tốc độ sử dụng cho hệ truyền động servo ĐBNCVC thường cấp điều khiển từ biến tần nguồn áp nguồn dòng với điều khiển tần số điện áp theo quy luật yêu cầu Hình 1.1: Cấu tạo động đồng NCVC cực từ bố trí mặt cưc chìm bên trong( SPM IPM) Động IPM ( Interior Permanent Magnet), gọi động đồng nam châm vĩnh cửu cực chìm, thuộc loại động đồng ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu Trong phần cảm kích thích phiến nam châm bố trí bề mặt rotor Các nam châm thường làm đất hiếm, nam châm có hiệu suất lượng cao giảm tối đa hiệu ứng khử từ Rotor động IPM thường làm thép hợp kim chất lượng cao, rèn thành khối trụ sau gia công phay rãnh để đặt nam châm Khi nam châm ẩn rotor đạt cấu trúc học bền vững hơn, kiểu thường sử dụng động cao tốc Tốc độ loại thường cao nên để hạn chế lực li tâm rotor thường có dạng hình trống với tỉ số “chiều dài/đường kính” lớn Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh 1.2 Nguyên lý làm việc động IPM ĐBNCVC làm việc dựa tương tác từ trường quay cuộn stator từ trường NCVC đặt roto tạo nên Khi số đôi cực từ trường stator rotor nhau, vận tốc quay từ trường nhau, xuất lực kéo điện từ cực từ stator rotor hình thành momen điện từ Động khởi động tác dụng momen không đồng hình thành tương tác từ trường rotor dòng điện dây quấn stator Khi đạt tới tốc độ gần đồng nhờ tác dụng từ trường quay stator cực từ nam châm vĩnh cửu, rotor kéo vào đồng Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Chương 2: Thuyết minh nguyên lý làm việc hệ truyền động động IPM phương pháp vector 2.1 Chuyển tọa độ abc sang dq Tại cần chuyển hệ tọa độ abc sang dq? Khó khăn điều khiển động IPM số phương trình mô tả động 10 phương trình việc mô hình hóa điều khiển động trở lên khó khăn, ta cần qui đổi hệ tọa độ động hệ tọa độ mà việc mô hình động đơn giản hóa Hệ tọa độ dq đời để giải vấn đề Hình 2.1 Dạng dòng điện điện áp chuyển từ hệ tọa độ abc sang dq U a  sin t  2   U b  sin  t    2  U c  sin  t       I s  I a  Ib  I c I s quay làm I a , I b , I c thay đổi Xét hệ tọa độ quay dq : Is  Id  Iq I d  I q  I a  Ib  I c I s quay không làm thay đổi I d , I q hệ trục tọa độ dq quay tốc độ quay từ trường với I s Suy hình chiếu I s xuống dq không đổi (khi Is= const ) Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Vì xây dựng động IPM hệ tọa độ quay dq số phương trình mô tả động : phương trình điện áp : disd  s Lsqisq dt di usq  Rsisq  Lsq sq  s Lsd isd  s p dt usd  Rsisd  Lsd phương trình điện từ : 3 mM  p( sd isq  sq isd )  p  p isq  isd isq ( Lsd  Lsq )  2 phương trình động học : d M  Mc  J dt Do xây dựng mô hình động IPM hệ tọa độ dq việc thiết lập mô hình động mô hình điều khiển kèm trở nên đơn giản 2.2 Thuyết minh nguyên lý làm việc hệ truyền động động IPM điều khiển phương pháp vector Momen điện từ động sinh tương tác từ trường rotor nam châm vĩnh cửu dòng stator: M 3 p( sd isq  sq isd )  p  p isq  isd isq ( Lsd  Lsq )  2 Ta nhận thấy momen quay động đồng bao gồm thành phần: Momen tương tác: M1  Momen từ trở: M  p p I q p  Ld  Lq  I d I q Do cấu tạo roto mà động IPM Lq>Ld (không đẳng hướng) 2.2.1 Điều khiển vecto với Ids=0 Điều khiển tốc độ vùng tốc độ bản, ta đặt dòng điện Id = M  M1  p p I q Vậy việc điều khiển dòng điện Iq điều khiển momen điện từ động Phương trình động lực học M  M c  J Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 d dt Page Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Việc điều khiển tốc độ động vùng tốc độ (Id = 0) việc điều khiển dòng điện Iq 2.2.2 Điều khiển vecto Ids ≠ với tỉ số M cực đại Is Để điều khiển tốc độ tốc độ bản, ta đưa dòng Id R  J ; Ktd K 2Ts Bộ điều khiển thu P điều khiển tốc độ theo chuẩn tối ưu module không khử hết nhiễu tải Ta cần thiết kế điều khiển khác xử lý vấn đề Chọn tiêu chuẩn tối ưu đối xứng Fch   4  s  4  s  8  s  8  s Ta tính hàm điều khiển  4  s Fch  4  s  8  s  8  s R   So (1  Fch )  Ktd K   4  s 1  2 3  1  Ts s  Js   4  s  8  s  8  s  Rút gọn thu R  1  4  s 1  Ts s  Js Ktd K 8  s 1    s  Chọn    Ts ta có R  J 1  4Ts s  J  Ktd K 8Ts s Ktd K 2Ts Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613   1    4Ts s  Page 15 Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Mô kiểm nghiệm mô hình Matlab Simulink Mô hình mạch vòng điều khiển tốc độ dòng điện động IPM sau Hình Mô hình cấu trúc hai mạch vòng điều khiển động IPM File m để nhập thông số: clc; % Tham so dong co 80KW(PMSM for FCEV) U=240; Idm=216; ws=2600/9.55; Rs=29.5e-3; Lsd=375e-6; Lsq=835e-6; Tsd=Lsd/Rs; Tsq=Lsq/Rs; p=6; phi_p=0.07; J=0.1; % Tham so bo dieu khien Udk=10; Knl=U/Udk; Tnl=1/(1e3); Ki=Udk/(2.5*Idm); Ti=0.001; wdm=ws; Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 16 Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Kw=Udk/(1152); Tw=0.002; Ktd=3*p*phi_p/(2*Ki); Tsi=Ti+Tnl; Tsw=2*Tsi+Tw; Mski=Knl*Ki*2*Tsi/Rs; Với lượng đặt   dm  272,251; M t  M dm  133  Nm  ; ta thu đáp ứng hệ thống sau Hình Dòng Isd Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 17 Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Hình Dòng Isq Hình 5 Tốc độ quay Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 18 Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Hình Momen động Momen tải Nhận xét, đánh giá kết mô - Dòng điện đáp ứng tính toán, không bị ảnh hưởng tác động lẫn dòng isd isq - Tốc độ động bám sát giá trị đặt, độ điều chỉnh tốc độ có tham gia khâu tạo trễ - Bị sụt tốc độ đóng tải sau tốc độ đáp ứng trở lại - Sai lệch tĩnh e∞  Như vậy, điều khiển thiết kế đáp ứng yêu cầu hệ thống Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 19 Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Tổng kết Như nội dung đồ án chúng em trình bày việc mô hình hóa động IPM hệ trục tọa độ dq quay đồng thiết kế điều khiển dòng điện tốc độ Mô hình mô kiểm nghiệm xây dựng phần mềm Matlab Simulink chứng minh tính đắn điều khiển Đồ án phát triển lên thiết kế điều khiển dòng Isd âm cho vùng tốc độ thiết kế mạch điều khiển thực tế cho động IPM tương ứng Trong trình thực đồ án, chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn nhiệt tình thầy Tạ Cao Minh giúp chúng em hoàn thành đồ án Tuy nhiên kiến thức hạn chế thời gian có hạn nên không tránh khỏi thiếu sót Mong nhận xét góp ý thầy cô để đồ án hoàn chỉnh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 20 Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Phùng Quang, Matlab Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học kĩ thuật 2005 [2] Bùi Quốc Khánh & Nguyễn Văn Liễn , Cơ sở Truyền động điện ,NXB khoa học kỹ thuật 1994 [3] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải & Dương Văn Nghi Điều chỉnh tự động truyền động điện , NXB khoa học kỹ thuật 2008 [4] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính,NXB khoa học kỹ thuật [5] Nguyễn Phùng Quang, Điều chỉnh tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, NXB Giáo Dục 1998 [6] Nguyễn Phùng Quang, Truyền động điện thông minh, NXB Khoa Học Kĩ thuật 2006 [7] Tạ Cao Minh, Bài giảng truyền động điện, Tháng 8/2013 Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 21 [...]... 4.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện Theo mô hình động cơ đã đưa ra ở trên, ta có cấu trúc hàm truyền của đối tượng dòng điện động cơ như sau Hình 4 3 Mô hình dòng điện động cơ IPM Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 12 Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Do hằng số thời gian của khâu nghịch lưu và khâu đo dòng là rất nhỏ, ta có thể thiết kế bộ điều khiển dòng điện và bộ bù xen kênh để điều... Minh Chương 3: Mô hình hóa hệ truyền động bằng phương pháp hàm truyền 3.1 Hệ phương trình cơ bản của động cơ Do luôn tồn tại hướng xác định của từ thông rotor ( từ thông cực) nên đối với động cơ đồng bộ ta chỉ sử dụng phương thức mô tả toán học thu được trên cơ sở các quan sát từ hệ trục tọa độ dq Với động cơ đồng bộ thì  s cũng chính là  Ta có: Phương trình điện áp trên hệ trục tọa độ từ thông... Matlab và Simulink Mô hình mạch vòng điều khiển tốc độ và dòng điện của động cơ IPM như sau Hình 5 2 Mô hình cấu trúc hai mạch vòng điều khiển động cơ IPM File m để nhập các thông số: clc; % Tham so dong co 80KW(PMSM for FCEV) U=240; Idm=216; ws=2600/9.55; Rs=29.5e-3; Lsd=375e-6; Lsq=835e-6; Tsd=Lsd/Rs; Tsq=Lsq/Rs; p=6; phi_p=0.07; J=0.1; % Tham so bo dieu khien Udk=10; Knl=U/Udk; Tnl=1/(1e3); Ki=Udk/(2.5*Idm);... Hàm truyền động cơ truyền động 1/ Rs Ts  1 1/ Rs 1/ Rs Giq ( s)  Suy ra: Gid ( s)  Tsq s  1 Tsd s  1 Hàm truyền động cơ: Gd ( s)  Trong đó: Rs= 29,5mΩ; Lsd=0,375mH; Lsq=0,835mH Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 11 Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Chương 4: Xây dựng cấu hình điều khiển và tính toán bộ điều khiển dòng điện, tốc độ Hình 4 1.Câu trúc hệ truyền động động cơ IPM 4.1 Thiết... Momen động cơ và Momen tải Nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng - Dòng điện đáp ứng đúng tính toán, không bị ảnh hưởng tác động lẫn nhau giữa 2 dòng isd và isq - Tốc độ động cơ bám sát giá trị đặt, không có độ quá điều chỉnh tốc độ do có sự tham gia của khâu tạo trễ - Bị sụt tốc độ khi đóng tải nhưng sau đó tốc độ đáp ứng trở lại - Sai lệch tĩnh e∞  0 Như vậy, bộ điều khiển thiết kế đáp ứng yêu cầu của. .. án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Phùng Quang, Matlab Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học kĩ thuật 2005 [2] Bùi Quốc Khánh & Nguyễn Văn Liễn , Cơ sở Truyền động điện ,NXB khoa học và kỹ thuật 1994 [3] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải & Dương Văn Nghi Điều chỉnh tự động truyền động điện , NXB khoa học kỹ thuật 2008 [4] Nguyễn Doãn... vậy trong nội dung của đồ án chúng em đã trình bày về việc mô hình hóa động cơ IPM trên hệ trục tọa độ dq quay đồng bộ cũng như thiết kế bộ điều khiển dòng điện và tốc độ Mô hình mô phỏng và kiểm nghiệm xây dựng trên phần mềm Matlab và Simulink cũng đã chứng minh được tính đúng đắn của bộ điều khiển Đồ án có thể phát triển lên khi thiết kế điều khiển dòng Isd âm cho vùng trên tốc độ cơ bản cũng như thiết... Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính,NXB khoa học kỹ thuật [5] Nguyễn Phùng Quang, Điều chỉnh tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, NXB Giáo Dục 1998 [6] Nguyễn Phùng Quang, Truyền động điện thông minh, NXB Khoa Học và Kĩ thuật 2006 [7] Tạ Cao Minh, Bài giảng truyền động điện, Tháng 8/2013 Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 21 ... si sq   2Tsi s Rs 4.2 Thiết kế mạch vòng tốc độ Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta coi toàn bộ mạch vòng dòng điện là hàm theo chuẩn tối ưu module và coi thành phần Ws.Ls là nhiễu nên ta có được mạch vòng điều khiển tốc độ như sau Hình 4 5.Cấu trúc mạch vòng tốc độ của động cơ IPM Hàm truyền của mạch vòng tốc độ là: S0  3 p. p 1 K 1/ Ki Ktd K Ktd K   2 2 1  2Tsi s  2Tsi s 2 Js 1  T s 1... Tsq  Lsq / Rs : hằng số thời gian trục q của mạch stator Ta có phương trình moment: 3 3 p( sd isq  sq isd )  p  p isq  isd isq ( Lsd  Lsq )  2 2 J d Phương trình chuyển động: M  M c  s dt M Ta nhận thấy rằng momen quay của động cơ đồng bộ bao gồm 2 thành thành phần: thành phần chính với tích  p isq và thành phần phản kháng do sự chênh lệch điện cảm stator L sd  Lsq  gây ra Nguyễn ... bài: Tham số động điện IPM: Chương 1: Cấu tạo nguyên lý làm việc động IPM 1.1 Cấu tạo động IPM 1.2 Nguyên lý làm việc động IPM Chương... Minh Đề bài: Cho thông số động IPM Hãy xác định tham số động truyền động Thuyết minh nguyên lý làm việc hệ truyền động, điều khiển phương pháp vector Mô hình hóa hệ truyền động phương pháp hàm... dòng điện, tốc độ Hình 1.Câu trúc hệ truyền động động IPM 4.1 Thiết kế điều khiển dòng điện Theo mô hình động đưa trên, ta có cấu trúc hàm truyền đối tượng dòng điện động sau Hình Mô hình dòng điện