Nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc dùng biến tần dựa trên nguyên tắc tựa từ thông rô to

MỤC LỤCI .TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU CHỈNH TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆNII.VÀI NÉT SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO LỒNG SÓC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ III.MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VÀ PHÉP CHUYỂN VỊ TỌA ĐỘIV.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘV.LUẬT ĐIỀU KHIỂN FOCVI. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BIẾN TẦN DÙNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC

TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ Đề tài:Nghiên cứu hệ thống điều khiển động không đồng rô to lồng sóc dùng biến tần dựa nguyên tắc tựa từ thơng rơ to Nhóm 23:  Nguyễn Xn Hịa  Đinh Xuân Linh Giáo viên hướng dẫn:Nguyễn Đăng Toàn Lời nói đầu Như ta biết động khơng đồng rơ to lồng sóc với ưu điểm bật giá thành hạ,cấu tạo đơn giản ,vận hành tin cậy rẻ so với động điện chiều dung trực tiếp điện pha mà khơng cần chỉnh lưu động sử dụng rộng rãi thực tế sản xuất Nhược điểm động khó điều chỉnh tốt khó khăn mặt khống chế trình độ tiêu khởi động xấu động điện chiều.vấn đề hạn chế đáng kể từ biến tần xuất đạt chất lượng điều chỉnh tương đương với điều chỉnh động điện chiều bật hệ biến tần – động khơng đồng có điều khiển véc tơ coi có chất lượng cao phức tạp nhất.nội dung báo cáo nghiên cứu đặc điểm khái niệm hệ thống điều khiển động không đồng rô to lồng sóc dùng biến tần dựa nguyên tắc tựatừ thông rô to phương pháp sử dụng phổ biến hệ thống yêu cầu độ xác cao tốc độ đáp ứng tốt mô men Tuy loại biến tần bày bán sử dụng rộng rãi thị trường hãng Toshiba, Omron, Siemens với nhiều phương pháp điều khiển khác : theo luật U/f không đổi, điều khiển vectơ tựa từ thơng roto việc tìm hiểu để chọn phương pháp thích hợp nghiên cứu tìm phương pháp điều khiển cho tối ưu giá thành, độ xác, độ tin cậy cịn tranh luận loại có ưu nhược khác nhau.Bản đồ án chúng em xin trình bày rỏ - Xây dựng sở lý thuyết thuật tốn FOC - Mơ Matlab đánh giá đáp ứng hệ thống biến tần dùng thuật toán điều khiển FOC để chứng minh việc đắn cơng việc làm - Đi đánh giá ưu nhược điểm biến tần sử dụng luật FOC củng vị trí ứng dụng MỤC LỤC I TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU CHỈNH TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN II.VÀI NÉT SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO LỒNG SÓC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ III.MƠ TẢ TỐN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA VÀ PHÉP CHUYỂN VỊ TỌA ĐỘ IV.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ V.LUẬT ĐIỀU KHIỂN FOC VI MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BIẾN TẦN DÙNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN FOC I.hƯ ®iỊu chØnh tù ®éng trun động điện 1.Khái niệm phân loại 1.1Cấu trúc chung hệ thống điều chỉnh tự động TĐĐ ã S đồ cấu trúc gồm: phần lực: động truyền động quay máy sản xuất(MSX), biến đổi lượng BBD(chỉnh lưu, ĐAXC, ĐAMC, biến tần ) Phần điều khiển: thiết bị đo lường( biến dòng, máy phát tốc), điều chỉnh R tín hiệu điều khiển hệ thống gọi tín hiệu đặt ngồi cịn có tín hiệu nhiễu loạn (như moment cản) • Hoạt động hệ thống mơ tả sau: Tín hiệu điều khiển lấy từ điều chỉnh R điều chỉnh R nhận tín hiệu thông báo sai lệch trạng thái làm việc chuyển động thơng qua so sánh tín hiệu đặt tín hiệu đo lường đại lượng truyền động Tín hiệu sai lệch qua điều chỉnh khuyếch đại tạo hàm chức điều khiển cho đảm bảo chất lượng động tĩnh hệ thống truyền động • Phân loại: -Phân loại theo động có hệ truyền động chiều, hệ truyền động xoay chiều Phân loại theo tín hiệu điều chỉnh có điều chỉnh tương tự điều chỉnh số -Phân loại theo thuật tốn điều chỉnh có hệ truyền động thích nghi, hệ truyền động điều chỉnh vectơ 1.2 vấn đề chung thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cần phải đảm bảo hệ thực tất yêu cầu đặt ra, u cầu cơng nghệ , tiêu chất lượng yêu cầu kinh tế Chất lượng hệ thống thể trạng thái động tĩnh Trạng thái tĩnh yêu cầu quan trọng độ xác điều chỉnh Đối với trạng thái động có yêu cầu ổn định tiêu chất lượng động độ điều chỉnh , tốc độ điều chỉnh, thời gian điều chỉnh số lần dao động II.TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 2.1.khái niệm bản: Động khơng đồng hay cịn gọi động dị bộ, ứng dụng rộng rãi trongcông nghiệp từ cơng suất nhỏ đến cơng suất trung bình Động không đồng chiếm tỉ lệ lớn so với động khác, nhờ ưu điểm Kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn dễ chế tạo vận hành an tồn, tin cậy giảm chi phí vận hành sửa chữa Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha, không cần tốn thiết bị biến đổi Được khai thác hết tiềm nhờ phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất kỹ thuật điện tử Hình1 ảnh động khơng đồng • cấu tạo: động khơng đồng gồm hai phần : Phần tĩnh(stato) phần quay(roto) Dây quấn lõi thép Stato a.lõi thép stato: gồm thép kĩ thuật điện ghép lại thành hình trụ,mặt có rãnh đặt dây quấn dây quấn stato:dây quấn stato động không đồng dây đồng phủ sơn điện,gồm ba cuộn dây AX,BY,CZ đặt lệch 1200 rãnh stato rô to lồng sóc rơ to dây quấn b.lõi thép roto: làm thép kĩ thuật điện,mặt ngồi có xẻ rãnh,ở có lỗ để lắp trục,ghép lại thành hình trụ dây quấn roto: có hai kiểu: - dây kiểu roto lồng sóc - dây kiểu roto dây  Rơto kiểu dây quấn : Rơto dây quấn có kiểu giống dây quấn stato có số cực số cực stato Trong động trung bình lớn dây quấn quấn theo kiểu sóng hai lớp để bớt đầu nối , kết cấu dây quấn chặt chẽ Trong động nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm lớp Dây quấn ba pha động thường đấu hình , ba đầu nối với ba vịng trượt đồng thau gắn trục rôto Ba vòng trượt cách điện với với trục ,tỳ ba vịng trượt ba chổi than Thơng qua chổi than đưa điện trở phụ vào mạch rơto,có tác dụng cải thiện tính mở máy , điều chỉnh tốc độ , hệ số công suất thay đổi cấu tạo rô to dây cấu tạo rơto lồng sóc  rơ to lồng sóc: Kết cấu rơ to lồng sóc khác với dây quấn stato dây quấn đồng hay nhôm đặt rãnh lõi thép rôto Hai đầu dẫn nối với vòng đồng hay nhơm gọi vịng ngắn mạch Như dây quấn rơto hình thành lồng quen gọi lồng sóc M= 3U w1[(R1 + Nhận xét: từ phương trình momen động : R'2 S R'2 ) + X nm ] S ta dựa vào để điều khiển moomen cách thay đổi thông số ,điện áp statotor ,điện trở phụ,tốc độ trượt,và tần số nguồn cấp 2.2.những phương án thường sử dụng để điều chỉnh tốc độ động không đồng công nghiệp : - Điều chỉnh điện áp cấp cho động - Điều chỉnh điện trở mạch rôto - Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động không đồng a.Điều chỉnh điện áp cấp cho động (dùng biến đổi tristo) Mômen động không đồng tỷ lệ với bình phương điện áp stato, điều chỉnh mơmen tốc độ động không đồng ba pha cách điều chỉnh giá trị điện áp stato nguyên tần số Hình 2-1 Điều chỉnh điện áp động khơng đồng a) sơ đồ khối nguyên lý b)đặc tính điều chỉnh Để điều chỉnh điện áp động không đồng ba pha phải dùng biến đổi điện áp xoay chiều Nếu coi điện áp xoay chiều nguồn áp lý tưởng (Z = 0) vào b biểu thức mơmen tới hạn, có quan hệ sau : M th.u /M 2 = (U /U ) ; hay M * = u * th b dm th b Trong đó: Udm: điện áp định mức động ub: điện áp đầu điện áp xoay chiều Mth: mômen tới hạn điện áp định mức Mu: mômen động ứng với điện áp điều chỉnh Mth: mômen điện áp định mức , điện trở phụ Rf tốc độ động điều chỉnh cách giảm độ cứng đặc tính , tốc độ khơng tải lý tưởng đặc tính tốc độ từ trường quay Tổn thất điều chỉnh : ∆P =M (n -n)=P [s/(1-s)] r c • Nếu đặc tính phụ tải có dạng gần x x M =M (n/n ) = M (n/n ) c cđm đm cđm Thì tổn thất mạch rơto điều chỉnh điện áp : x ∆P = M (n/n ) n (1-n/n ) r cđm 1 Tổn thất cưc đại: ∆P max =M n=P cđm đm Như tổn thất tương đối mạch là: x ∆P /n = (n/n ) (1-n/n ) r 1 x ∆P * = (n*) (1-n*) r • Quan hệ mơ tả đồ thị ứng với loại phụ tải có tính chất khác : • Hình 2-2 Sự phụ thuộc rôto tốc độ điều chỉnh Phương pháp điều chỉnh điện áp thích hợp với truyền động mà mômen tải hàm tăng theo tốc độ như: quạt gió , bơm ly tâm Có thể dùng biến áp tự ngẫu, điện kháng biến đổi bán dẫn làm điện áp xoay chiều Trong lý kỹ thuật kinh tế mà điều áp kiểu van bán dẫn phổ biến b.Điều chỉnh điện trở mạch rơto: • • điều chỉnh điện trở mạch rơto : Có thể điều chỉnh tốc độ động không đồng ba pha cách điều chỉnh điện trở mạch rôto biến đổi xung tristo, ta khảo sát việc điều chỉnh trơn điện trở mạch rôto van bán dẫn ưu điểm : dễ tự động việc điều chỉnh • Điện trở mạch rơto động không đồng : Trong phương pháp phải xác định vị trí góc vecto từ thơng góc tổng vị trí góc trục dây quấn rooto góc trượt: υ s = υ m + υ sl dυ s = ωs dt ; dυ m =ω dt ; dυ sl = ω sl dt Biên độ từ thông rooto tính tốn nhận dạng mơ hình từ thơng (MHTT) để cung cấp tín hiệu phản hồi cho điều chỉnh giữ biên độ từ thông không đổi Mặt khác để ý đoạn làm việc đặc tính coi tuyến tính moomen tải tỷ lệ thuận với độ trượt s, hay tốc độ trượt ωsl Tổng hợp phân tích xây dựng sơ đồ khối đơn giản phương pháp điều khiển tựa từ thông rooto Ở ta không thấy “Rõ” kênh điều khiển chỉnh tần số, nhiên trình điều chỉnh tần số “ẩn” việc điều is khiển thành phần isy túc làm cho vec tơ có đầu mút vẽ lên đoạn quỷ đạo cho điều khiển momen mà từ thông rooto không đổi Quá trình mơ tả sau, với giả thiết vị trí véc tơ từ thơng rooto biến thiên chậm so với véc tơ dòng điện (và điện áp) stator Giả thiết muốn tăng tốc độ, cần tạo moomen điện từ lớn moomen tải, ta phải vùa is tăng biên độ is, vừa quay nhanh véc tơ cho góc γ lớn trước, để làm việc cần tăng tần số chuyển mạch biến tần Kết moomen điện từ tăng lên gia tốc trở nên dương tốc độ ro to bắt đầu tăng lên, Khi tốc độ tăng lên đồng thời làm cho góc γ giảm dần, góc đạt giá trị ban đầu ( Trước tăng tốc) moomen điện từ cân moomen tải, hệ thống làm việc xác lập với tần số (ωs) tốc độ (ω) lớn giá trị ban đầu Hinh 3.59 Điều khiển tựa từ thơng roto trực tiếp Mơ hình từ thơng (MHTT) thành lập từ hai phương trình thứ hai (3-97) cách cộng vào hai vế phương trình lượng tương ứng Lm R r i sx Lr Lm R r i sy Lr , ta được: L R dψ ' rx Rr + ( Lm i sx + Lr i rx ) − ω sL ψ ' ry = m r is x dt Lr Lr L R dψ ' ry Rr + ( Lm i sy + Lr iry ) − ω sL ψ ' rx = m r is y dt Lr Lr Trong đó: Tr = Lr/Rr số thời gian điện từ mạch roto Để ý biễu thức ngoặc đơn hai phương trình tương ứng thành phần dọc trục thành phần ngang trục vecto từ thông rooto \, nên ta có: ψ r = ψ rx + ψ ry Mơ hình hình 3.60 biễu diễn giải hai phương trình vi phân Nhận xét thấy mơ hình có nhược điểm nhạy với biến thiên thông số động cơ, điện trở rơ to thay đổi đến 50% giá trị chuẩn thay đổi nhiệt độ hiệu ứng mặt ngồi Tuy nhiên mơ hình có ưu điểm đơn giản, phù hợp cho vùng tốc độ tốc độ Điều khiễn vec tơ tựa từ thông rô to cho ta họ đặc tính động khơng đồng giống hệt họ đặc tính động chiều kích từ độc lập vùng từ thơng khơng đổi ω fđm Mth M Hình 3.61 Họ đặc tính hệ thống biến tần – động không đồng điều khiển theo FOC VI.MÔ PHỎNG MATLAB HỆ FOC Đặt vấn đề: Nguyên lý điều khiển tựa theo từ trường (Field Orientated Control) xác nhận phương pháp áp dụng nhiều sản phẩm thương mại Trong đáng kể phương pháp tựa theo từ thơng rotor có khả điều khiển cách ly hai q trình tạo từ thơng mômen Khi biết đầy đủ tham số đối tượng ta sử dụng Matlab - Simulink để mô hình hóa mơ phỏng, tổng hợp điều khiển để điều khiển chất lượng động học ĐCXCBP giống chất lượng động học động điện chiều Qua ứng dụng mơ hình nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất Xây dựng hệ truyền động sử dụng ĐCKĐBBP điều khiển vectơ với điều khiển PID Để có kết luận ban đầu chất lượng hệ truyền động sử dụng động ĐCKĐBBP điều khiển vectơ, chọn điều khiển K1(s), K2(s) điều khiển PID Mô thực Matlab & Simulink Xét động có tham số sau: Từ tham số hệ học cho ta tính tốn tham số hệ truyền động dùng ĐCKĐBBP * Các tham số tính tốn cho hệ truyền động sử dụng ĐCKĐBBP điều khiển vectơ sau: - Điện cảm tương đương động cơ: Hằng số thời gian stato: Hằng số thời gian roto: momen quán tính quy đổi phía trục động cơ: hệ số: Từ thông số động cho số liệu tính tốn đây, ta có sơ đồ cấu trúc động học hệ truyền động dùng ĐCKĐBBP điều khiển vectơ với vòng điều khiển vị trí tốc độ dùng điều khiển PID xem hình 3.4 Phản ứng đầu hệ mơ hình động học theo tác động vào giả thiết thể hình 3.5, 3.6, 3.7, 3.8 Dựa kết mô sơ đồ động học hệ truyền động dùng ĐCKĐBBP với vòng điều khiển tốc độ vị trí dùng PID ta có nhận xét sau: tín hiệu đặt hàm nấc độ điều chỉnh 18% lớn hệ chiều,thời gian độ xấp xỉ 2s lớn hệ chiều ảnh hưởng nhiễu momen cản đến hệ khơng đáng kể,hệ ổn định Hình 3.4 - Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động dùng ĐCKĐBBP điều khiển vectơ với điều khiển tốc độ vị trí dùng PID Hình 3.5 - Đáp ứng hệ truyền động dùng ĐCKĐB tín hiệu đặt hàm nấc Hình 3.6 - Đáp ứng hệ truyền động dùng ĐCKĐB tín hiệu đặt hàm sin Khi tín hiệu đặt hàm sin: hệ hoạt động ổn định, đáp ứng sai lệch góc động nhỏ tương đương hệ chiều - Khi tín hiệu đặt hàm sin : hệ hoạt động ổn định, đáp ứng sai lệch góc động nhỏ tương đương hệ chiều - Đáp ứng hệ tín hiệu vào hàm xung tương tự đáp ứng tác động vào hàm nấc, hệ ổn định - Khi tín hiệu đặt hàm tuyến tính đáp ứng sai lệch góc động 0,10 tương đương hệ chiều, thời gian độ xấp xỉ 1s lớn hệ chiều, sai lệch tĩnh nhỏ hệ chiều đáp ứng yêu cầu kỹ thuật hệ truyền động Từ nhận xét khẳng định ĐCKĐBBP thay động chiều hệ truyền động hoàn toàn hợp lý Chất lượng hệ truyền động dùng ĐCKĐB với vòng điều khiển vị trí tốc độ dùng PID chưa hồn tồn vượt trội so với hệ truyền động chiều, đặc biệt đáp ứng hệ tín hiệu đặt hàm sin sai lệch tĩnh tương đối lớn, tiêu thời gian độ lớn hệ chiều Hình 3.7- Đáp ứng hệ truyền động dùngĐCKĐB tín hiệu đặt hàm xung Hình 3.8 - Đáp ứng hệ truyền động ĐCKĐB tín hiệu đặt hàm tuyến tính Hình 3.9 - Mơ hình vật lý hệ truyền động ĐCKĐBBP điều khiển véc tơ với vòng điều khiển tốc độ vị trí dùng PID Để kiểm tra tính đắn điều khiển tổng hợp, sử dụng điều khiển PID vừa tổng hợp xây dựng mơ hình vật lý hệ truyền động động điều khiển vectơ (Hình 3.9) Kết mơ hình 3.10, 3.11, 3.12, 3.13, 3.14 ta có nhận xét sau: - Đáp ứng vị trí góc theo tín hiệu đầu vào hàm nấc thời gian độ xấp xỉ 1,2s nhỏ kết khảo sát mơ hình động học (2s), hệ ổn định, sai lệch tĩnh hệ lớn xấp xỉ 0,002 rad (0,4 độ) chưa đạt yêu cầu đề Như chất lượng hệ khảo sát hai mơ hình động học mơ hình vật lý thỏa mãn yêu cầu chất lượng đề thời gian độ, độ chỉnh tương đương hệ chiều, riêng sai số tĩnh khảo sát mơ hình vật lý lớn giá trị cho phép Hình 3.10 - Kết mơ mơ hình vật lý đáp ứng vị trí góc hệ truyền động dùng điều khiển PID tín hiệu đặt hàm nấc Hình 3.11 - Kết mơ mơ hình vật lý tốc độ động Hình 3.12 - Kết mơ mơ hình vật lý mômen động - Tuy nhiên mô cần phải thay đổi hệ số điều khiển PID vị trí thu kết mong muốn - Tốc độ động biến đổi chia thành ba giai đoạn: giai đoạn khởi động t 1=0,1s tăng đến giá trị định mức, giai đoạn bám tốc độ giảm giá trị 95rad/s, giai đoạn độ thứ hai vị trí góc giá trị đặt tốc độ giảm - Mômen điện từ khởi động tăng lần mơmen định mức, sau giảm nhỏ, giai đoạn hãm mômen tăng mạnh (sau 0,85s) - Điện áp dây Uab stato biên độ giá trị đặt 400V, tần số biến đổi tuyến tính theo hai giai đoạn đến 0,85s từ sau 0,85s tần số tăng kết kết mô mơ mơ mơ hình hình vật stato Uab dòng điện lý điện áp vật lý stato Dòng stato giai đoạn khởi động tăng đột biến lớn xấp xỉ 45A, sau biên độ giảm nhỏ ổn định ±15A, tần số trung bình đến 0,85 s, sau tần số lớn biên độ có thay đổi theo mômen điện từ để đưa hệ bám theo giá trị góc đặt Từ kết mơ cho thấy sai lệch tĩnh vị trí góc tương đối lớn dịng điện stato mơmen điện từ có dao động lớn sau vị trí góc đạt giá trị đặt tốc độ giảm MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB FOC Ta sử dụng mô SimpowerSyrtem với sản phản MathWorks khác với hướng dẫn có sẵn phần mềm matlab Ta vào matlap mở simulink chọn simpowersystem lấy khối vào nối chúng atlap để mô đáp ứng hệ thống biến tần thuật toán điều khiển FOC lại hình : Các đầu vào thuật tốn mơ sử dụng khối nguồn Simulink Để thay cho tín hiệu đầu vào thuật toán này, sử dụng biến số điểm cố định lấy thư viện c28xdmlib simulink với thơng số bình thường, khối DMC chờ đợi tín hiệu thay đổi từ 0-1 góc mở điện thay đổi từ đến *pi Vì , tín hiệu vị trí chuyển đổi bình thường mà chứng tỏ cách sử dụng Q17 định dạng cố định điểm Các đầu vào Ia Ib đại diện cho dòng giai đoạn A B Khối pass Thought Control subsysterm xây dựng với mơ hình Với thông số cài đặt đầu vào sau: Khối nguồn Ia: Khối nguồn Ib: Kết mô ta thu dạng song với thông số sau Dạng sóng đầu Dịng theo trục Q,D Dạng sóng đầu vào: