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 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN TRUNG TRỰC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CẤP NGUỒN BỞI BIẾN TẦN ĐA BẬC DÙNG PHƯƠNG PHÁP MƠ 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 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN TRUNG TRỰC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CẤP NGUỒN BỞI BIẾN TẦN ĐA BẬC DÙNG PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA TP HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2015 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA ( Ký ghi rõ họ tên, học hàm, học vi ) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường 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 ) TT Họ tên Chức Danh Hội Đồng PGS.TS Trần Thu Hà Chủ tịch TS Nguyễn Thanh Phương Phản biện TS Nguyễn Minh Tâm Phản biện TS Đinh Hoàng Bách Ủy viên TS Phạm Đình Anh Khơi Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau luận văn sửa chữa ( có ) Chủ Tịch Hội Đồng Đánh Giá Luận Văn PGS TS Trần Thu Hà TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM 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 phương pháp mơ 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 hướng dẫn : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ( Ký ghi rõ họ tên ) PGS.TS Dương Hoài Nghĩa KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH ( Ký ghi rõ họ tên ) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận Văn trung thực chưa công bố công trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận Văn cảm ơn thơng 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 Hồi 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 Hồi 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 Cơng 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 tơi suốt q 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 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 tốn 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 mơ hình nội Sau đó, dùng phần mềm MATLAB/SIMULINK 7.11 để mơ 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 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 MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn .ii luận văn Tóm tắt 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 .7 1.4 Các phương pháp điều khiển có [ ], [ ] 1.4.1 Phương pháp điều khiển dòng dạng chữ nhật .7 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 mơ hình nội vào điều khiển động đồng bộ.[ ], [ ], [ 19 ], [ ] I.Phương pháp mơ hình nội 20 Khi ta thay đổi Lsdmíi  1.6 Lsdcò , 3.36a, b, c Lsqmíi  1.6 trình hình Lsqcò W( rad/s ) Hình 3.36a: Tốc độ Lsdmíi  1.6 Lsdcò , isd  A Hình 3.36b: Dòng điện isd Lsdmíi  1.6 Lsdcò , Lsqmíi  1.6 Lsqcò Lsqmíi  1.6 Lsqcò 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, khơng vọt lố, thời gian Lsqmíi  0.9 đáp ứng 0.6s với Lsdmíi  0.9 Lsdcò , thời gian đáp Lsqcò 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 Lsqmíi  0.9 Lsqcò , 1.8s Lsdmíi  1.6 Lsdcò , Lsdmíi  0.9 Lsdcò , Lsqmíi  1.6 Lsqcò Dòng mở máy nhỏ Moment đạt giá trị xác lập sau khoảng thời gian 1.8s Lsdmíi  0.9 Lsdmíi  1.6 Lsdcò Lsqmíi  0.9 Lsqcò , 1.8 , Lsdcò , Lsqmíi  1.6 Lsqcò Hệ thống có tính bền vững cao với thay đổi điện cảm dây quấn stator 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 thơng số ban đầu Lsdmíi  1.6 Lsdcò , Thời gian đáp ứng dòng isd Lsqmíi  1.6 Lsqcò so với ban đầu không đáng kể gần  Thời gian đạt giá trị xác lập moment so với ban đầu khơng đáng kể gần II.3.9.3.3 Tính bền vững J Đáp ứng ngỏ giảm moment qn tính J míi  0.7 J hình 3.37 cò W( rad/s ) Hình 3.37a: Tốc độ J míi  0.7 J cò trình bày 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 Đáp ứng ngỏ giảm moment quán tính J míi  2.1J hình 3.38a, b, c cò 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 trình bày 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 J míi  2.1J cò isd 1.8s J míi  0.7 J cò , 1.86s 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 II.3.9.3.4 Tính bền vững thay đổi tất thơng số động Ta thay tồn thơng 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  Lsd  0.012H Điện cảm stator dọc trục d: Điện cảm stator dọc trục q: Lsq  0.012H Pc  Số đôi cực: Moment quán tính: J=0.007Kg m Từ thơng:  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 isd  A Hình 3.39b: Dòng điện isd thay đổi hết thơng số Me ( Nm ) Hình 3.39c: Moment Me thay đổi hết thông số 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  oment đạt giá trị xác lập sau khoảng thời gian 1.8s M Hệ thống có tính bền vững cao với thay đổi tồn thơng số động Dựa vào kết mô ta so sánh kết lúc đầu lúc ta thay đổi tồn thơng 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 isd  A Hình 3.40b: Dòng điện isd thay đổi tải Me ( Nm ) Hình 3.40c: Moment Me thay đổi tải 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  oment đạt giá trị xác lập sau khoảng thời gian 1.8s M 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 phương pháp mơ hình nội Trạng thái Định mức Thời gian đáp ứng Thời gian đáp ứng (s) isd ( s ) Độ vọt lố  ( % ) 1.2 1.8 Rsmíi  0.9 Rscò 1.3 1.86 Rsmíi  2.1Rscò 0.5 1.8 Lsdmíi  0.9 0.6 1.8 L sdcò  1.6 L Lsdmíi sdcò >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 thơng số thay đổi Nhìn vào bảng ta thấy Thời gian đáp ứng tốc độ dao động từ 0.6 - >2s, ta thay đổi toàn thơng số thời gian đáp ứng tốc độ tốt Còn thay đổi thơng 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  ệ thống đáp ứng nhanh không vọt lố, không dao đông H Khi thay đổi thơng số R,L,J hệ thống có tính bền vững cao Đáp ứng hệ thống tốt ta thay đổi tất thông số động CHƯƠNG : KẾT LUẬN Luận văn thực số nội dung sau: Xây dựng mơ hình tốn học động đồng kích thích nam châm vĩnh cửu Tìm hiểu nguyên lý điều khiển dùng mơ 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 mơ 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 tốn học Hướng 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 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 Mơ 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 phương pháp mơ hình nội “ làm đề tài 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ Tìm hiểu động đồng nam châm vĩnh cửu, phương pháp mơ hình nội điều khiển động đồng. .. bày phương hướng để giải tốn 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 mơ hình nội Sau đó, dùng. .. phương pháp điều khiển cấp nguồn biến tần đa bậc dùng mơ hình nội Kết chứng minh qua kết mô thực nghiệm Do tốc độ động đồng liên quan chặt chẽ với tần số nguồn cấp cho stator nên để điều khiển