Nghiên cứu điều khiển lưu lượng bằng bộ biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển quá trình (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu điều khiển lưu lượng bằng bộ biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển quá trình (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu điều khiển lưu lượng bằng bộ biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển quá trình (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu điều khiển lưu lượng bằng bộ biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển quá trình (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu điều khiển lưu lượng bằng bộ biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển quá trình (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu điều khiển lưu lượng bằng bộ biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển quá trình (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu điều khiển lưu lượng bằng bộ biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển quá trình (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu điều khiển lưu lượng bằng bộ biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển quá trình (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu điều khiển lưu lượng bằng bộ biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển quá trình (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu điều khiển lưu lượng bằng bộ biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển quá trình (Luận văn thạc sĩ)
i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN MINH HƢNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN LƢU LƢỢNG BẰNG BỘ BIẾN ĐỔI TẦN SỐ - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển THÁI NGUYÊN - 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Trần Minh Hưng Sinh ngày: 17 tháng năm 1976 Học viên lớp cao học khóa K15 - Tự động hóa - Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Đại Học Thái Nguyên Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu nêu luận văn trung thực Những kết luận khoa học luận văn chưa cơng bố cơng trình Mọi thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Tác giả luận văn Trần Minh Hƣng Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn, tác giả nhận quan tâm lớn nhà trường, khoa, phòng ban chức năng, thầy giáo, gia đình đồng nghiệp Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Như Hiển, trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiêp tận tình hướng dẫn q trình thực luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn đến thầy cô Khoa Điện Trung tâm thí nghiệm, phịng thí nghiệm Khoa Điện - Điện tử – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp giúp đỡ tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm điều kiện tốt Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Cao dẳng nghề Phú Thọ tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình làm luận văn Mặc dù cố gắng, song điều kiện thời gian kinh nghiệm nghiên cứu thân hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu xót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hồn thiện có ý nghĩa thực tế HỌC VIÊN Trần Minh Hƣng Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục hình vẽ iv Danh mục chữ viết tắt v Mở đầu 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn Chƣơng I: Đối tƣợng nghiên cứu định hƣớng điều khiển lƣu lƣợng hệ thống biên tần – Động không đồng 1.1 Đối tượng nghiên cứu 1.2 Giới thiệu điều khiển tần số động xoay chiều ba pha 1.3 Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC) 11 1.3.1 Vectơ không gian hệ tọa độ từ thông 12 1.3.2 Cấu trúc hệ điều khiển tựa theo từ thông rotor 15 1.4 Kết luận chương 21 Chƣơng II: Mơ hình tốn học động khơng đồng ba pha 22 2.1 Đặc điểm mơ hình tốn học trạng thái động động KĐB 22 2.2 Mơ hình tốn học nhiều biến động không đồng ba pha 23 2.2.1 Phương trình điện áp 24 2.2.2 Phương trình từ thông 25 2.2.3 Phương trình chuyển động 28 2.2.4 Phương trình mơ men 29 2.2.5 Mơ hình tốn học động khơng đồng ba pha 30 2.3 Mơ hình tốn học động không đồng hệ tọa độ quay dq 30 định hướng theo từ trường 2.3.1 Khái niệm nguyên tắc phép biến đổi tọa độ 30 2.3.2 Ma trận chuyển đổi tọa độ điều kiện cơng suất bất biến 34 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 2.3.3 Phép chuyển đổi từ hệ tọa độ cố định pha sang hệ 35 tọa độ quay pha (phép chuyển đổi 3s/2r) 2.4 Mơ hình tốn học động KĐB hệ tọa độ quay pha 37 2.4.1 Phương trình điện áp hệ tọa độ dq0 37 2.4.2 Phương trình từ thơng hệ tọa độ dq0 38 2.4.3 Phương trình mơ men phương trình chuyển động hệ 42 tọa độ dq0 2.4.4 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động mạch điện tương đương 43 trạng thái động động điện không đồng hệ tọa độ dq 2.4.5 Mơ hình tốn học động khơng đồng theo định hướng từ 46 trường hệ tọa độ quay đồng pha 2.5 Kết luận 47 Chƣơng III: Đánh giá chất lƣợng hệ thống mô thực 49 nghiệm 3.1 Đặt vấn đề 49 3.2 Sơ đồ hệ thống truyền động BĐTS- ĐCKĐB 50 3.3 Xây dựng mơ hình mơ Simulink 51 3.3.1 Sơ đồ mô 51 3.3.1.1 Sơ đồ mơ tồn hệ thống 51 3.3.1.2 Khối động không đồng 52 3.3.1.3 Khối điều khiển vectơ (vector control) 52 3.3.1.4 Khối điều khiển tốc độ (Speed control) 53 3.3.2 Kết mô 53 3.3.2.1 Động làm việc không tải tần số khác 53 3.3.2.2 Động làm việc có tải 56 3.3.3 Nhận xét 59 3.4 Đánh giá kết thực nghiệm 60 3.4.1 Cấu hình thực nghiệm điều khiển trung tâm thí nghiệm 60 3.4.2 Giới thiệu thiết bị mơ hình thực nghiệm 63 3.4.3 Kết thí nghiệm 66 3.4.3.1 Kết 01 66 3.4.3.2 Kết 02 67 3.4.4 Nhận xét 67 3.5 Kết luận chương 67 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi Kết luận kiến nghị 68 Tài liệu tham khảo 69 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Giản đồ cơng nghệ thiết bị trộn trình Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền động Biến tần - động Hình 1.3 Cấu trúc điều khiển vơ hướng hệ truyền động biến tần- động không đồng Hình 1.4 Ý tưởng điều khiển vectơ động KĐB rotor lồng sóc 10 Hình 1.5 Xây dựng vector dịng stator từ ba dòng pha 12 Hình 1.6 Vetor dịng stator hệ tọa độ cố định αβ hệ tọa độ quay 14 dq Hình 1.7 Thu thập giá trị thực thành phần dòng isd, isq 15 Hình 1.8 Cấu trúc kinh điển hệ TĐĐXCBP điều khiển kiểu T4R 16 Hình 1.9a Sơ đồ khối cấu trúc hệ TĐĐXCBP điều khiển kiêu T4R hệ tọa độ dq 18 Hình 1.9b Sơ đồ khối cấu trúc hệ TĐĐXCBP điều khiển kiêu T4R hệ tọa độ αβ 19 Hình 1.10 Sơ đồ khối cấu trúc hệ TĐĐXCBP điều khiển kiêu T4R hệ tọa độ dq sử dụng động đồng 20 Hình 1.11 Vectơ dòng stator động đồng làm việc: a) dải tốc độ quay danh định b) lớn tốc độ quay danh định (giảm từ thông cực cách đặt isd < 21 Hình 2.1 Mơ hình vật lý động không đồng pha 24 Mơ hình vật lý động điện chiều hai cực 31 Hình 2.2 F- cuộn dây kích từ, A - cuộn dây rotor C- cuộn dây bù Hình 2.3 Mơ hình vật lý cuộn dây động điện xoay chiều, mơ hình tương đương mơ hình động điện chiều 33 a) Mơ hình cuộn dây xoay chiều ba pha b) Mơ hình tương đương xoay chiều hai pha c) Mơ hình cuộn dây động chiều quay trịn Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii Hình 2.4 Mơ hình vật lý động không đồng chuyển đổi sang trục dq 41 Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động nhiều biến số động không đồng 45 Hình 2.6 Sơ đồ thay trạng thái động động không đồng hệ toạ độ dq 45 a) Sơ đồ thay trục d; b) Sơ đồ thay trục q Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống - ĐCKĐB 50 Hình 3.2 Cấu trúc mơ hệ thống Biến tần – Động xoay chiều ba pha 51 Hình 3.3 Khối động xoay chiều ba pha 52 Hình 3.4 Cấu trúc khối điều khiển vectơ (vector control) 52 Hình 3.5 Cấu trúc khối điều khiển tốc độ (speed control) 53 Hình 3.6 Điện áp tực thời biến tần tần số 50HZ 53 Hình 3.7 Tốc độ động tần số 50HZ 54 Hình 3.8 Mơ men điện từ tần số 50HZ 54 Hình 3.9 Điện áp biến tần khơng tải tần số 30HZ 55 Hình 3.10 Tốc độ động tần số 30HZ 55 Hình 3.11 Mơmen điện từ động tần số 30HZ 56 Hình 3.12 Điện áp đặt vào động tần số 50HZ có tải 56 Hình 3.13 Tốc độ động tần số 50HZ có tải 57 Hình 3.14 Mơmen tải động tần số 50HZ 57 Hình 3.15 Điện áp đặt vào động tần số 30HZ có tải 58 Hình 3.16 Tốc độ động tần số 30HZ có tải 58 Hình 3.17 Mơ men động tần số 30HZ 59 Hình 3.18 Cấu trúc mơ hình thí nghiệm điều khiển 60 Hình 3.19 Kết cấu khí phần tải thí nghiệm 61 Hình 3.20 Giao diện thí nghiệm điều khiển 62 Hình 3.21 Giao diện kết thí nghiệm điều khiển 62 Hình 3.22 Kết thí nghiệm thí nghiệm tần số 25Hz 66 Hình 3.23 Kết thí nghiệm Kp = 2; KI = 3; KD = 0,1 67 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt ASM Asynchronous Machine Động không đồng AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện chiều SFC Scalar Frequency Cotrol Điều khiển vô hướng FOC Field Oriented Control Điều khiển định hướng theo từ trường DTC Direct Toque Control Điều khiển trực tiếp mô men AD Analog to digital Bộ biến đổi tương tự -số THĐ Tín hiệu đặt ĐCXCBP Động xoay chiều bap ĐCMC Động chiều ĐCĐB Động đồng ĐCKĐB Động không đồng TĐĐXCBP Truyền động điện xoay chiều ba pha ĐCVTKG Điều chỉnh vecto không gian ĐTĐK Đối tượng điều chỉnh ĐTS Đặt tần số ĐCA Điều chỉnh biên độ điện áp nghịch lưu ĐC Điều chỉnh Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Trong công nghiệp: Các ngành chế biến thực phẩm hóa chất,… sản phẩm thường dạng dung dịch lỏng cần vận chuyển qua đường ống để đưa đến bình chứa Điều khiển lưu lượng để trì mức dung dịch bình hóa chất thực phẩm, điều khiển tốc độ động xoay chiều ba pha thay đổi tần số toán cần giải thực tiễn Ngày nay, điều chỉnh tốc độ động điện xoay chiều khơng cịn lĩnh vực mẻ lý thuyết điều khiển tự động, ứng dụng thiết kế hệ thống điều chỉnh lúc đầy tiềm Do ưu điểm như: Bộ điều khiển truyền động cho phép dễ dàng thay đổi cấu trúc động cơ, đưa độ tin cậy cao dựa hệ truyền động Các điều khiển động cịn kết nối với phận khác điều khiển trung tâm để xây dựng lên hệ thống điều khiển lớn, phức tạp, thực vai trò điều khiển truyền động hệ thống cung cấp cho người sử dụng,… Trong lĩnh vực điều khiển tốc độ động điện xoay chiều roto lồng sóc, điều khiển tốc độ động ứng dụng phương pháp điều khiển truyền thống, theo yêu cầu ngày cao chất lượng sản phẩm độ xác, dễ dàng thiết kế hệ thống điều khiển Việc nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động điện xoay chiều roto lồng sóc công việc cần thiết, để nhằm khai thác có hiệu trang thiết bị có Trung tâm Thí nghiệm, hướng tới thực chương trình triển khai ứng dụng khoa học công nghệ vào thực tiễn Với lý nêu trên, tác giả mạnh dạn tìm hiểu nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu điều khiển lưu lượng biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển trình’’ với hy vọng ứng dụng rộng rãi thực tế - Việc ứng dụng thuật toán điều khiển đại nâng cao chất lượng số lượng sản phẩm, đưa lại hiệu kinh tế rõ rệt cho cơng nghiệp nước ta Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 Mục tiêu nghiên cứu: - Thiết kế điều khiển lưu lượng chảy qua đường ống cấp cho bình trộn dung dịch có hai thành phần chất có nhiệt độ khác nhau, nhằm trì mức bình trộn điều khiển tần số thông qua biến tần động xoay chiều ba pha - Học đôi với hành, gắn liền lý thuyết thực tế - Mục tiêu trực tiếp góp phần nâng cao chất lượng cho hệ thống thiết bị sản xuất, đồng thời đóng góp phần nâng cao chất lượng luận văn khoa học ngành TĐH - Điều khiển tự động phải có ứng dụng hiệu cho sản xuất, định hướng đề tài là: dùng lý thuyết chuyển hệ trục tọa độ để thiết kế hệ điều khiển động xoay chiều ba pha đối tượng phi tuyến, nhằm cao chất lượng suất Chính mục tiêu học thuật Luận văn Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học: Đề tài “Nghiên cứu điều khiển lưu lượng biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển q trình’’ Mơ Matlab/Simulink kiểm chứng mơ hình thực Ý nghĩa thực tiễn: Ứng dụng vào hệ thống điều khiển điều khiển trình nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống thiết bị sản xuất Cấu trúc luận văn: Luận văn bao gồm phần sau: Chương I: Đối tượng nghiên cứu định hướng điều khiển lưu lượng Chương II: Mơ hình tốn học động không đồng ba pha Chương 3: Đánh giá chất lượng hệ thống mô thực nghiệm Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... chương trình triển khai ứng dụng khoa học công nghệ vào thực tiễn Với lý nêu trên, tác giả mạnh dạn tìm hiểu nghiên cứu đề tài ? ?Nghiên cứu điều khiển lưu lượng biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển. .. chất lượng suất Chính mục tiêu học thuật Luận văn Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học: Đề tài ? ?Nghiên cứu điều khiển lưu lượng biến đổi tần số cho hệ thống điều khiển q trình? ??’... vào hệ thống điều khiển điều khiển trình nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống thiết bị sản xuất Cấu trúc luận văn: Luận văn bao gồm phần sau: Chương I: Đối tượng nghiên cứu định hướng điều khiển