Mô phỏng cấu trúc biến tần – động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu sử dụng Matlab & Simulink

LỜI MỞ ĐẦU2CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐCĐB KÍCH THÍCH VĨNH CỬU (PMSM)31.1. Giới thiệu về động cơ PMSM31.2. Vector không gian của các đại lượng ba pha41.2.1. Xây dựng vector không gian41.2.2. Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian51.2.3. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor61.3. Xây dựng mô hình của động cơ PMSM61.3.1. Lý do xây dựng mô hình61.3.2. Hệ phương trình cơ bản của động cơ71.3.3. Các tham số của động cơ71.3.4. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor (dq)81.3.5. Đặc điểm phi tuyến của mô hình PMSM11CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ BIẾN TẦN – BIẾN TẦN NGUỒN ÁP122.1. Mô tả về cấu trúc bộ biến tần122.2. Mạch động lực biến tần nguồn áp132.3. Xây dựng mô hình bộ biến tần14CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ PMSM MÔ HÌNH MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK183.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển tựa theo từ thông rotor183.2. Xây dựng thuật toán điều khiển193.3. Mô hình mô phỏng trên Matlab – Simulink213.3.1. Mô hình động cơ đồng bộ213.3.2. Mô hình mạng tính áp213.3.3.Chuyển đổi hệ tọa độ điện áp213.3.4. Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện213.3.5. Kết quả mô phỏng21Kết luận24Tài liệu tham khảo25

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Đối với những kỹ sư điều khiển tự động hóa nói riêng và

những người nghiên cứu khoa học kỹ thuật nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép khảo sát các đối tượng, hệ thống hay quá trình kỹ thuật vật lý, mà không nhất thiết phải có đối tượng hay hệ thống thật Được trang bị một công cụ

mô phỏng mạnh và những hiểu biết về các phương pháp mô hình hóa, người kỹ sư

sẽ có khả năng rút ngắn thòi gian và giảm chi phí nghiên cứu – phát triển sản phẩm một cách đáng kể Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi sản phẩm là các hệ thống thiết bị phức hợp với giá trị kinh tế lớn Các khái niệm mô phỏng Off-line, Software - in-the-Loop, Hardware-in-the-Loop và Prototyping, đã thể hiện rõ nét các bước của quá trình phát triển sản phẩm với sự hỗ trợ của máy tính.

Trong nhiều năm qua phần mềm mô phỏng đã được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực giảng dạy cũng như nghiên cứu các thiết bị điện của giáo viên và sinh viên ngành kỹ thuật Vì thế trong bài tập lớn này em sẽ sử dụng một công cụ rất mạnh của matlab đó là Simulink để mô phỏng mô hình của một “Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu”.

Với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy TS PHẠM TÂM THÀNH đã giúp em tìm hiễu rõ và sâu sắc hơn về động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, cũng như công cụ

mô phỏng matlab và simulink Từ đó em đã có cơ sở xây dựng bài tập lớn này Trong nội dung của bài tập lớn môn học: “Tổng hợp hệ điện cơ” mà em trình bày dưới đây sẽ thấy được những kiến thức về kết cấu, công dụng cũng như mô hình toán học của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu Đồng thời cũng giới thiệu tổng quan về matlab và đặc biệt là simulink và đưa ra kết quả của quá trình mô

những sai sót và nhầm lẫn Vì thế em mong thầy tiếp tục giúp đỡ em nhiều hơn nữa

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐCĐB KÍCH THÍCH VĨNH CỬU

(PMSM)

1.1 Giới thiệu về động cơ PMSM

- Động cơ đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu (PMSM) có kết cấu phía statogiống như động cơ dị bộ Phía rôto, nơi động cơ dị bộ phải dựa vào sự trượt tốc

độ giữa rôto và hệ thống véc tơ phía stato để tạo từ thông rôto, PMSM có một hệthống nam châm vĩnh cửu gắn chặt trên bề mặt Nghĩa là: từ thông luôn luôn tồntại, không còn nhu cầu trượt tốc độ để cảm ứng từ stato sang rôto nữa và động cơhoạt động hoàn toàn đồng bộ

- Phạm vi sử dụng chính của PMSM là công nghiệp chế tạo máy, chế biến (vídụ: Máy gia công cắt gọt kim loại, máy đóng bao gói, máy gia công chính xác ).Trong các ứng dụng đó, PMSM gần như tuyệt đối và chỉ được sử dụng kèm theothiết bị điều khiển (ví dụ: nghịch lưu có điều chỉnh) chất lượng cao

- Cấu trúc của động cơ đồng bộ được mô tả theo hình vẽ:

a) Ba pha b) Biến đổi α,β c) Biến đổid,q

Hình 1.0: Cấu tạo động cơ đồng bộ ba pha

1.2 Vector không gian của các đại lượng ba pha

1.2.1 Xây dựng vector không gian

- Động cơ xoay chiều ba pha đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bố tríkhông gian:

- Dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector dòng stator s

i

mới thuđược lên trục của cuộn dây pha tương ứng

- Gọi trục thực của mặt phẳng phức nói trên là trục α và trục ảo là trục β Chiếu

Hình 1.2: Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian ở hệ tọa độ αβ

1.2.2 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian

- Ta xây dựng một hệ tọa độ mới dq có chung điểm gốc với hệ tọa độ αβ và nằmlệch đi một góc θs

- Dễ dàng chuyển tọa độ αβ sang tọa độ dq:

1.2.3 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor

Hình 1.3: Biểu diễn các vector trên hệ tọa độ từ thông rotor

- Giả thiết động cơ quay với tốc độ

d dt

θ

ω=

Từ thông rotor r

ψ quay với tốc độ

góc

d f dt

- Để xây dựng, thiết kế bộ điều khiển cần phải có mô hình tả đối tượng điều khiển

1.3.2 Hệ phương trình cơ bản của động cơ

sq sd

Hình 1.4: Mô hình động cơ đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu trên hệ tọa độ dq

- Phương trình (1.9) được viết lại dưới dạng mô hình trạng thái sau:

Hình 1.5: Mô hình trạng thái liên tục của động cơ đồng bộ trên hệ tọa độ dq

- Mô hình trạng thái gián đoạn:

Để thiết kế một hệ thống điều khiển cho động cơ đồng bộ trên cơ sở sử dụng vi xử

lý thì cần phải có một mô hình gián đoạn để có thể mô tả một cách chính xác đốitượng tại các thời điểm

(1.13)

Hình 1.6: Mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ đồng bộ trên hệ tọa độ dq.

1.3.5 Đặc điểm phi tuyến của mô hình PMSM

a) Cấu trúc phi tuyến, tham số phi tuyến, phi tuyến rác

i

là các đại lượng một chiều

+ Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như không đổi, trong quá trình quá độ,các giá trị này có thể biến đổi theo một thuật toán điều khiển đã được định trước

CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ BIẾN TẦN – BIẾN TẦN NGUỒN ÁP

2.1 Mô tả về cấu trúc bộ biến tần

- Biến tần là thiết bị biến đổi điện năng xoay chiều từ tần số này sang tần số khác

- Biến tần được chia làm hai loại:

+ Biến tần trực tiếp:

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc biến tần trực tiếp.

+ Biến tần gián tiếp:

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc biến tần gián tiếp.

- Biến tần nguồn áp:

Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc biến tần nguồn áp.

2.2 Mạch động lực biến tần nguồn áp

- Mạch động lực của biến tần nguồn áp ba pha gồm 6 Thyristor công suất T1 : T6.Các van này có nhiệm vụ đóng hay cắt từng khoảng điện áp đặt lên tải Các vanđược lựa chọn tùy thuộc vào công suất của phụ tải

- Các Điốt D1 : D6 là các Điốt công suất được nối ngược với các van Thyristor cótác dụng khép mạch dòng điện tải , trả phần năng lượng tích lũy của tải về nguồntrong trường hợp tải có tính cảm Khi các Thyristor ở trạng thái khóa thì dòng tải sẽđược duy trì qua các điot này Nguồn cung cấp cho bộ nghịch lưu là nguồn áp cógiá trị U ổn định, hoặc bộ nguồn có thể điều chỉnh được điện áp nhờ bộ chỉnh lưu

có điều khiển

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mach động lực biến tần.

Hình 2.5: Sóng điện áp ba pha đối xứng.

2.3 Xây dựng mô hình bộ biến tần

a) Khối tạo dao động

- Ta chọn vi mạch tạo dao động 555: Bộ định thời 555 hoạt động với nguồn mộtchiều có điện áp từ 5 đến 8V Vì vậy nó tương thích với những mức logic thôngthường và cả những mức điện áp của các bộ khuếch đại thuật toán

- Đầu dương của nguồn nuôi nối vào chân số 8 (+Uc), cực âm mắc vào chân số 1(nối đất) Đầu nối đất được dùng làm điểm chung để so sánh các điện thế trên cácđiểm khác của mạch Đầu ra có thể có một trong hai mức là mức cao và mức thấp,mức cao xấp xỉ với Uc (khoảng 4,5V), mức thấp khoảng 0,1V

Hình 2.6: Vi mạch tạo dao động 555.

Hình 2.7: Dạng xung của khối tạo dao động.

Hình 2.9: Dạng xung của điện áp ra.

c) Khối tạo Sin

- Phần tạo Sin gồm 3 khối hoàn toàn giống nhau cho pha A, B, C Khối này lấy tínhiệu từ khối dịch pha và chia pha ở dạng số

Hình 2.10: Khối tạo sin.

- Khối tạo sin được tạo thành bởi các bộ khuếch đại thuật toán OA, OA đầu vào cónhiệm vụ biến đổi xung vuông thành xung lưỡng cực và nó được nối thành mộtTrigo Smith.

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch Trigo Smith và đặc tính truyền đạt điện áp.

d) Khối dịch pha và chia pha

- Khối này sử dụng 3 IC4013 cung cấp xung đơn cực cho 3 bộ tạo sin chuẩn củapha A,B,C

e) Khối nhân tần

- Sử dụng 1 IC4016 kết hợp với 1 IC4013 nhằm nâng cao tần số đầu vào

f) Khối phát xung răng cưa

- Sử dụng 2 IC741 với các mác như IC1 và IC2 của bộ tạo xung hình sin

g) Khối so sánh và tạo xung

- Tổng hợp và so sánh tín hiệu từ khối tạo sóng dạng răng cưa và khối tạo sin nhằmcấp xung điều khiển đến đóng mở các Tranzitor của mạch động lực

CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ PMSM & MÔ

HÌNH MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB - SIMULINK

3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển tựa theo từ thông rotor

- Cần sử dụng một khâu điều chỉnh dòng nhằm áp đặt nhanh 2 dòng

(ĐCid và ĐCiq) kiểu PI, trong đó giá trị cần và giá trị

thực là các đại lượng hình sin Các đầu ra của ĐCid và Đciq được gọi là d

y

và

q

y

Hình 3.1: Cấu trúc truyền động động cơ đồng bộ nuôi bởi biến tần nguồn áp và

điều khiển tựa theo từ thông rotor.

3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển

- Mạch vòng điều khiển tốc độ:

Hình 3.2: Mạch vòng điều khiển tốc độ.

- Đặt:

31;

Bộ điều khiển tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng:

w w

pT

σ σ σ σ

ω ω

=

(3.2)

ω ω

- Khâu điều chỉnh tốc độ quay (ĐCω):

- Khối mạng tính áp Mtu được xây dựng từ biểu thức (3.1)

3.3.3.Chuyển đổi hệ tọa độ điện áp

- Khối đổi hệ tọa độ điện áp CTĐu được xây dựng từ biểu thức (3.4) và (3.5)

3.3.4 Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện

- Khối đổi hệ tọa độ dòng điện CTĐi được xây dựng từ biểu thức (3.2) và (3.3)

3.3.5 Kết quả mô phỏng

Hình 3.3: Nguồn ba pha

Hình 3.4: Điện áp Ud, Uq

Hình 3.5: Dòng điện isd

Hình 3.6: Dòng điện isq

Hình 3.7: Momen của động cơ

Hình 3.8: Tốc độ góc của động cơ

Kết luận

Qua các bước phân tích và mô phỏng ở trên đã giải quyết được các vấn đềsau: Nghiên cứu cấu trúc điều khiển động cơ xoay chiều ba pha kích thích vĩnh cửudựa trên nguyên lý tựa theo từ thông rô-to, xây dựng hệ thống mô phỏng trênmatlab và simulink hệ truyền động đồng bộ, cài đặt và tiến hành thử nghiệm một

số cấu trúc điều khiển điển hình cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Các thông số và kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống hoạt động tốt, ổn định

Tài liệu tham khảo

+ [1] Nguyễn Phùng Quang - Andreas Dittrich; Truyền Động Điện Thông Minh;NXB Khoa học kỹ thuật; 2002

+ [2] 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

+ [3] Nguyễn Phùng Quang; Matlab & Simulink dành cho Kỹ sư ĐKTĐ; NXBKhoa học kỹ thuật; 2006