Điều khiển động cơ đồng bộ cấp nguồn bởi biến tần đa bậc dùng phương pháp mô hình nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN TRUNG TRỰC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CẤP NGUỒN BỞI BIẾN TẦN ĐA BẬC DÙNG PHƢƠNG PHÁP MÔ HÌNH NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN TRUNG TRỰC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CẤP NGUỒN BỞI BIẾN TẦN ĐA BẬC DÙNG PHƢƠNG PHÁP MÔ HÌNH NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã ngành: 60520202 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA TP HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2015 CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA ( Ký ghi rõ họ tên, học hàm, học vi ) Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại Học Công Nghệ TP HCM ngày … tháng … năm… Thành phần Hội Đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ gồm: ( Ghi rõ họ tên, học hàm , học vị Hội Đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ ) Họ tên TT Chức Danh Hội Đồng PGS.TS Trần Thu Hà Chủ tịch TS Nguyễn Thanh Phƣơng Phản biện TS Nguyễn Minh Tâm Phản biện TS Đinh Hoàng Bách Ủy viên TS Phạm Đình Anh Khôi Thƣ ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau luận văn đƣợc sửa chữa ( có ) Chủ Tịch Hội Đồng Đánh Giá Luận Văn PGS TS Trần Thu Hà TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc TP HCM, ngày… tháng … năm … NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Trung Trực Giới tính: Nam Ngày , tháng, năm sinh: 29 / 04 / 1982 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1341830044 I- Tên đề tài : Điều khiển động đồng cấp nguồn biến tần đa bậc dùng phƣơng pháp mô hình nội II- Nhiệm vụ nội dung: III- Ngày giao nhiệm vụ: 18 / 08 / 2014 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20 / 01 / 2015 V- Cán hƣớng dẫn : PGS.TS Dƣơng Hoài Nghĩa CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ( Ký ghi rõ họ tên ) PGS.TS Dƣơng Hoài Nghĩa KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH ( Ký ghi rõ họ tên ) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận Văn trung thực chưa công bố công trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận Văn cảm ơn thông tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận Văn Nguyễn Trung Trực ii LỜI CẢM ƠN Xin chân thành gửi lời biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Dương Hoài Nghĩa Người tận tình hướng dẫn giúp đỡ em trình thực luận văn.Trong trình thực luận văn, gặp nhiều khó khăn, nhờ hướng dẫn tận tình Thầy PGS.TS Dương Hoài Nghĩa , Thầy cung cấp cho tài liệu vô quý giá để thực suốt thời gian làm luận văn Xin chân thành cám ơn tập thể thầy cô giáo Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP Hồ Chí Minh, giảng dạy truyền đạt kiến thức cho tôi, giúp học tập nghiên cứu trình học cao học trường Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau Đại Học Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP Hồ Chí Minh, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập làm luận văn cao học trường Xin chân thành cảm ơn anh, chị học viên cao học ngành “Kỹ Thuật Điện” đóng góp ý kiến giúp đỡ suốt trình học tập trường Xin chân thành cảm ơn Bố Mẹ gia đình người thân động viên giúp đỡ suốt thời gian học thời gian thực luận văn Cảm ơn người bạn đời, người bạn đồng hành, động viên tạo điều kiện cho suốt thời gian học tập hoàn thành tốt luận văn TP Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2015 Người Thực Nguyễn Trung Trực iii TÓM TẮT Ngày tự động hóa phát triển mạnh điều khiển truyền động điện sản xuất đặt yêu cầu cao độ sát điều khiển hệ thống Ngoài nguồn động lực dùng hệ truyền động điện như: khí nén, thủy lực, động đồng kích thích nam châm vĩnh cửu sử dụng ngày phổ biến Tuy nhiên động đồng kích thích nam châm vĩnh cửu hệ phi tuyến nên việc điều khiển gập nhiều khó khăn Bên cạnh có nhiều phương pháp áp dụng vào điều khiển hệ phi tuyến thu số kết Trong luận văn chủ yếu trình bày phương hướng để giải toán phi tuyến nói chung điều khiển tốc độ động đồng nói riêng phương pháp điều khiển tốc độ động đồng cấp nguồn biến tần đa bậc dùng phương pháp mô hình nội Sau đó, dùng phần mềm MATLAB/SIMULINK 7.11 để mô phương pháp đồng thời cho thấy hệ thống đáp ứng tốt với phương pháp Từ đó, ta khảo sát tính bền vững phương pháp điều khiển thay đổi thông số động iv ABSTRACT Today automation thrives in control of electric drives in production has set high requirements on the accuracy of the observations in the control system In addition to the power source used in electric drives such as pneumatic, hydraulic, motor synchronous permanent magnet excitation is used increasingly popular However synchronous motor permanent magnet excitation is nonlinear systems to control and difficult Besides, there are many methods applied to nonlinear control systems and also obtained some results In this paper mainly presents directions for solving general nonlinear control and speed synchronous motor in particular methods of speed control synchronous motor powered by a multi-level inverter using the internal model approach Then, using the software MATLAB / SIMULINK 7:11 to simulation methods and also showed good response systems approach From there, we will examine the sustainability of control methods as well as changing the motor parameters v MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Tóm tắt luận văn iii ABSTRACT iv Mục lục v Danh mục từ viết tắt viii Danh mục bảng biểu ix Danh mục sơ đồ, hình ảnh x Chương 1: Tổng quan động đồng nam châm vĩnh cửu 1.1.Giới thiệu động đồng bộ.[ 8] 1.2.Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ 1.4 Các phương pháp điều khiển có [ ], [ ] 1.4.1 Phương pháp điều khiển dòng dạng chữ nhật 1.4.2 Điều khiển vô hướng ( V/f ) không dùng cảm biến 1.4.3 Điều khiển vectơ Chương 2: Cơ sở lý thuyết giới thiệu biến tần đa bậc.[ ], [ ] 11 2.1.Giới thiệu 12 2.2 Phân loại 13 2.3 Các cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc 13 2.3.1 Cấu trúc nghịch lưu dạng cascade 14 2.3.2 Cấu trúc dùng tụ thay đổi ( Floating Capacitor Multilevel Inverter ) 15 2.4 Các trạng thái đóng ngắt nghịch lưu áp đa bậc 16 2.4.1 Trạng thái đóng ngắt nghịch lưu áp ba bậc 16 2.4.2 Trạng thái đóng ngắt nghịch lưu áp năm bậc 17 Chương 3: Ứng dụng phương pháp mô hình nội vào điều khiển động đồng bộ.[ ], [ ], [ ], [ ] 19 I.Phương pháp mô hình nội 20 vi I.3.1.Cấu trúc hệ thống điều khiển dùng mô hình nội 20 I.3.2.Điều kiện ổn định nội 21 I.3.3.Chất lượng điều khiển 22 I.3.4 Nguyên lý điều khiển IMC phi tuyến động đồng 23 II Động đồng 24 II.3.1 Các phương trình 24 II.3.2 Mô hình trạng thái động hệ tọa độ rotor (d-q) 25 II.3.3 Mômen điện từ 26 II.3.4 Xây dựng mô hình động đồng 26 II.3.5 Xây dựng mô hình thuận 28 II.3.6 Xây dựng mô hình ngược 30 II.3.7 Xây dựng inverter bậc 33 II.3.8.Xây dựng lọc IMC 37 II.3.9 Kết mô 38 II.3.9.1 Thông số động dùng làm mô 38 II.3.9.2 Đáp ứng danh định 39 II.3.9.3 Khảo sát tính bền vững [ ], [ ] 42 II.3.9.3.1 Tính bền vững R s 42 II.3.9.3.2 Tính bền vững Ls 47 II.3.9.3.3 Tính bền vững J 51 II.3.9.3.4 Tính bền vững thay đổi tất thông số động 55 II.3.9.3.5 Đáp ứng thay đổi tải 57 Kết luận Chương 4: Kết Luận 61 Tài Liệu Tham Khảo 48 isd  A Hình 3.35b: Dòng điện isd Lsdmíi  0.9 Lsdcò , Lsqmíi  0.9 Lsqcò Me ( Nm ) Hình 3.35c: Moment Me Lsdmíi  0.9 Lsdcò , Lsqmíi  0.9 Lsqcò 49 Khi ta thay đổi Lsdmíi  1.6 Lsdcò , Lsqmíi  1.6 Lsqcò trình hình 3.36a, b, c W( rad/s ) Hình 3.36a: Tốc độ Lsdmíi  1.6 Lsdcò , Lsqmíi  1.6 Lsqcò isd  A Hình 3.36b: Dòng điện isd Lsdmíi  1.6 Lsdcò , Lsqmíi  1.6 Lsqcò 50 Me ( Nm ) Hình 3.36c: Moment Me Lsdmíi  1.6 Lsdcò , Lsqmíi  1.6 Lsqcò Nhận xét:  Tốc độ  tiến giá trị đặt cách đơn điệu, không vọt lố, thời gian đáp ứng 0.6s với Lsdmíi  0.9 Lsdcò , Lsqmíi  0.9 Lsqcò thời gian đáp ứng lớn 2s với Lsdmíi  1.6 Lsdcò , Lsqmíi  1.6 Lsqcò Như ta thay đổi Ls lớn thời gian tốc độ đáp ứng chậm  Thời gian đáp ứng dòng điện isd 1.8s Lsdmíi  0.9 Lsdcò , Lsqmíi  0.9 Lsqcò , 1.8s Lsdmíi  1.6 Lsdcò , Lsqmíi  1.6 Lsqcò  Dòng mở máy nhỏ  Moment đạt giá trị xác lập sau khoảng thời gian 1.8s Lsdmíi  0.9 Lsdcò , Lsqmíi  0.9 Lsqcò , 1.8 Lsdmíi  1.6 Lsdcò , Lsqmíi  1.6 Lsqcò  Hệ thống có tính bền vững cao với thay đổi điện cảm dây quấn stator 51  Dựa vào kết mô ta so sánh kết lúc đầu lúc ta thay đổi thông số Ls = 0.7 1.6  Thời gian đáp ứng tốc độ giảm phân nửa so với kết ban đầu Lsdmíi  0.9 Lsdcò , Lsqmíi  0.9 Lsqcò , lớn so với thông số ban đầu Lsdmíi  1.6 Lsdcò , Lsqmíi  1.6 Lsqcò  Thời gian đáp ứng dòng isd so với ban đầu không đáng kể gần  Thời gian đạt giá trị xác lập moment so với ban đầu không đáng kể gần II.3.9.3.3 Tính bền vững J Đáp ứng ngỏ giảm moment quán tính J míi  0.7 J cò trình bày hình 3.37 W( rad/s ) Hình 3.37a: Tốc độ J míi  0.7 J cò 52 isd  A Hình 3.37b: Dòng điện isd J míi  0.7 J cò Me ( Nm ) Hình 3.37c: Moment Me J míi  0.7 J cò 53 Đáp ứng ngỏ giảm moment quán tính J míi  2.1J cò trình bày hình 3.38a, b, c W( rad/s ) Hình 3.38a: Tốc độ J míi  2.1J cò isd  A Hình 3.38b: Dòng điện isd J míi  2.1J cò 54 Me ( Nm ) Hình 3.38c: Moment Me J míi  2.1J cò Nhận xét:  Tốc độ  tiến giá trị đặt cách đơn điệu, không vọt lố, thời gian đáp ứng 0.5s  Thời gian đáp ứng dòng điện isd 1.8s J míi  0.7 J cò , 1.86s J míi  2.1J cò  Moment đạt giá trị xác lập sau khoảng thời gian 1.8s J míi  0.7 J cò , 1.86 J míi  2.1J cò  Hệ thống có tính bền vững cao với thay đổi moment quán tính  Dựa vào kết mô ta so sánh kết lúc đầu lúc ta thay đổi thông số J= 0.7 2.1  Thời gian đáp ứng tốc độ so với kết ban đầu giống  Thời gian đáp ứng dòng isd so với ban đầu không đáng kể gần  Thời gian đạt giá trị xác lập moment so với ban đầu không đáng kể gần 55 II.3.9.3.4 Tính bền vững thay đổi tất thông số động Ta thay toàn thông số động thông số khác để đánh giá tính bền vững hệ thống Điện áp định mức: U dm  220V Điện trở stator: R s  1.3  Điện cảm stator dọc trục d: Lsd  0.012H Điện cảm stator dọc trục q: Lsq  0.012H Số đôi cực: Pc  Moment quán tính: J=0.007Kg m Từ thông:  p  0.19Wb Ta thấy đáp ứng ngõ trình bày hình 3.35 W( rad/s ) Hình 3.39a: Tốc độ thay đổi hết thông số 56 isd  A Hình 3.39b: Dòng điện isd thay đổi hết thông số Me ( Nm ) Hình 3.39c: Moment Me thay đổi hết thông số 57 Nhận xét:  Tốc độ  tiến giá trị đặt cách đơn điệu, không vọt lố, thời gian đáp ứng 0.4s  Thời gian đáp ứng dòng điện isd 1.8s  Moment đạt giá trị xác lập sau khoảng thời gian 1.8s  Hệ thống có tính bền vững cao với thay đổi toàn thông số động  Dựa vào kết mô ta so sánh kết lúc đầu lúc ta thay đổi toàn thông số  Thời gian đáp ứng tốc độ giảm phân nửa so với kết ban đầu  Thời gian đáp ứng dòng isd so với ban đầu không đáng kể gần  Thời gian đạt giá trị xác lập moment so với ban đầu không đáng kể gần II.3.9.3.5 Đáp ứng thay đổi tải W( rad/s ) Hình 3.40a: Tốc độ tải thay đổi 58 isd  A Hình 3.40b: Dòng điện isd thay đổi tải Me ( Nm ) Hình 3.40c: Moment Me thay đổi tải 59 Nhận xét:  Tốc độ  tiến giá trị đặt cách đơn điệu, không vọt lố, thời gian đáp ứng 0.6s  Thời gian đáp ứng dòng điện isd 1.8s  Moment đạt giá trị xác lập sau khoảng thời gian 1.8s  Dựa vào kết mô ta so sánh kết lúc đầu lúc ta thay đổi thông số tải  Thời gian đáp ứng tốc độ giảm 0.4s phân so với kết ban đầu  Thời gian đáp ứng dòng isd so với ban đầu không đáng kể gần  Thời gian đạt giá trị xác lập moment so với ban đầu không đáng kể gần Kết Luận Bảng 3: Bảng khảo sát tính bền vững dùng phƣơng pháp mô hình nội Trạng thái Thời gian đáp ứng Thời gian đáp ứng Độ vọt lố  ( % ) ( s ) isd ( s ) Định mức 1.2 1.8 Rsmíi  0.9 Rscò 1.3 1.86 Rsmíi  2.1Rscò 0.5 1.8 Lsdmíi  0.9 Lsdcò 0.6 1.8 Lsdmíi  1.6 Lsdcò >2 1.8 J míi  0.7 J cò 0.5 1.8 J míi  2.1J cò 0.5 1.86 0.4 1.8 Các thông số thay đổi 60  Nhìn vào bảng ta thấy  Thời gian đáp ứng tốc độ dao động từ 0.6 - >2s, ta thay đổi toàn thông số thời gian đáp ứng tốc độ tốt Còn thay đổi thông số Ls = 1,6 ta thấy giá trị đáp ứng tốc độ lớn 2s  Thời gian đáp ứng dòng isd dao động không đáng kể  Hệ thống đáp ứng nhanh không vọt lố, không dao đông  Khi thay đổi thông số R,L,J hệ thống có tính bền vững cao  Đáp ứng hệ thống tốt ta thay đổi tất thông số động 61 CHƢƠNG : KẾT LUẬN Luận văn thực số nội dung sau:  Xây dựng mô hình toán học động đồng kích thích nam châm vĩnh cửu  Tìm hiểu nguyên lý điều khiển dùng mô hình nội với hệ phi tuyến áp dụng vào điều khiển động  Mô hệ thống điều khiển động đồng phần mềm Matlab/ Simulink  Khảo sát tính bền vững hệ thống điều khiển thay đổi thông số động Kết mô cho thấy:  Hệ thống điều khiển mô hình nội thiết kế có chất lượng tốt bền vững đáp ứng nhanh với thay đổi tất thông số động phạm vi cho phép  Phương pháp IMC có ưu điểm thiết kế đơn giản  Kết mô mang tính chất định tính phạm vi định chưa thể xác định sát thay đổi thông số đối tượng điều khiển sở toán học Hƣớng phát triển đề tài: Có thể dùng phương pháp IMC để tìm hiểu nghiên cứu lựa chọn thông số đối tượng điều khiển sở toán học để đưa đưa kết tối ưu nhất, từ ứng dụng thực tế tốt 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [ ] Phan Quốc Dũng, Tô Hữu Phúc, Truyền Động Điện, Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh, 2012 [ ] Dương Thị Huỳnh Nga, Luận Văn Thạc Sĩ, Điều Khiển Trượt Động Cơ Đồng Bộ Dùng Mạng Neuron, Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh, 7/2006 [ ] Dương Hoài Nghĩa Điều Khiển Hệ Thống Đa Biến, NXB Đại Học Quốc Gia TP.HCM, 2011 [ ] Trương Văn Hiền, Luận Văn Thạc Sĩ , Điều Khiển Động Cơ Đồng Bộ Dùng Mô Hình Nội, Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh, 12/2002 [ ] Bimal K Bose, Modern Power Electronics and AC Drives [ ] W.Leonhard; Control of Electrical Drives; Springer Verlag; 1985 [ ] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Deitrich, Truyền Động Điện Thông Minh, Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật Hà Nội, 2004 [ ] Trần Thế Sang, Nguyễn Trọng Thắng, Máy Điện Và Mạch Điều Khiển, Khoa Điện Công Nghiệp - Điện Tử, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM [ ] Văn Bá Cường, Luận Văn Thạc Sĩ, Điều Khiển Định Hướng Trường Gián Tiếp Động Cơ Cảm Ứng Bằng Biến Tần Đa Bậc NPC, Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh, 07/2008 [ 10 ] Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Phụ, Nguyễn Văn Sáu, Máy Điện, Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật Hà Nội , 2006 ... “ điều khiển động đồng cấp nguồn biến tần đa bậc dùng phƣơng pháp mô hình nội “ làm đề tài 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ Tìm hiểu động đồng nam châm vĩnh cửu, phương pháp mô hình nội điều khiển động đồng. .. khiển mô hình nội ( H.b ) 22 Hình 3.5: Sơ đồ điều khiển mô hình nội 22 Hình 3.6 Mô hình điều khiển động đồng dùng mô hình nội 23 Hình 3.7: Mô hình đơn giản động đồng. .. bày phương hướng để giải toán phi tuyến nói chung điều khiển tốc độ động đồng nói riêng phương pháp điều khiển tốc độ động đồng cấp nguồn biến tần đa bậc dùng phương pháp mô hình nội Sau đó, dùng