Tìm hiểu về hệ truyền động động cơ đồng bộ

Tìm hiểu về hệ truyền động động cơ đồng bộ

Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHỐT BỘ CƠNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Đề tài:Tìm hiểu hệ truyền động động đồng Giảng viên hướng dẫn : TS NGUYỄN NGỌC KHỐT Sinh viên thực : Ngành : CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG Lớp : D8CNTD2 Khoá : 2013 – 2018 Hà Nội, tháng năm 2017 Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHOÁT LỜI MỞ ĐẦU Điều khiển truyền động điện động điện xoay chiều ba pha lĩnh vực nghiên cứu từ nhiều thập kỷ, từ lý thuyết điều khiển kinh điển kỹ thuật đại Ngày nay, điều khiển động điện xoay chiều đạt tiến vượt bậc, chủ yếu nhờ phát triển công nghệ bán dẫn, công nghệ vi xử lý kỹ thuật điều khiển Các biến tần thiết kế ngày hoàn thiện, đáp ứng đòi hỏi khắt khe điều chỉnh tự động, dải công suất tốc độ cho phép điều chỉnh ngày mở rộng, nhiều tính thêm vào biến tần để đáp ứng nhu cầu điều khiển đa dạng thực tế Cấu trúc điều khiển động xoay chiều ba pha nói chung động đồng nói riêng sử dụng robot, q trình sản xuất, tơ điện, cần trục, cầu trục cảng biển… Ở Việt Nam quốc gia khác, đề tài nghiên cứu điều khiển động xoay chiều ba pha nhiều nhà khoa học quan tâm Các cấu trúc điều khiển cho động xoay chiều ba pha đa dạng, phong phú Cấu trúc điều khiển động xoay chiều ba pha tuyến tính, phi tuyến Dưới hướng dẫn bảo nhiệt tình thầy TS Nguyễn Ngọc Khoát với cố gắng nỗ lực thành viên nhóm chúng em hồn thành xong đồ án Tuy nhiên thời gian kiến thức hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót thực đồ án Vì chúng em mong nhận nhiều ý kiến đánh giá, góp ý thầy giáo, bạn bè để đề tài hoàn thiện Em chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2017 Sinh viên Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHỐT Đồ án mơn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHỐT LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực đề tài mặc dù gặp phải nhiều vấn đề khó khăn song với hướng dẫn thầy TS Nguyễn Ngọc Khoát với bảo thầy cô giáo Khoa Công Nghệ Tự Động lỗ lực khơng ngừng nhóm, đến chúng em hoàn thành đề tài Tuy nhiên, kiến thức chúng em hạn chế, nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì chúng em mong nhận ý kiến đóng góp chân thành từ phía thầy TS Nguyễn Ngọc Khốt với bảo thầy cô giáo Khoa Công Nghệ Tự Động bạn đọc để đề tài chúng em ngày hoàn thiện phát triển lên mức cao thời gian gần Những lời nhận xét góp ý hướng dẫn giúp chúng em có định hướng đắn trình thực đồ án, giúp chúng em nhìn ưu khuyết điểm đồ án bước khắc phục để có kết tốt Chúng em xin cảm ơn thầy cô khoa Công Nghệ Tự Động, môn Truyền động điện tận tình bảo, truyền đạt cho chúng em kiến thức chuyên ngành, công nghệ cách làm việc nhóm đề hồn thành tốt đồ án môn học Chúng em xin chân thành cảm ơn! Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHOÁT Đánh giá nhận xét GV hướng dẫn Giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Ngọc Khoát Đồ án mơn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHỐT MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 1.1 Cấu tạo 1.1.1 Stator: .3 1.1.2 Rotor: 1.2 Phạm vi ứng dụng .3 1.3 So sánh ĐCKĐB ĐCĐB 1.3.1 Nhưng điểm giống 1.3.2 Những điểm khác 1.4 Nguyên lý làm việc phương trình cân động điện đồng .6 1.5 Đặc tính động đồng CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG CƠ 10 2.1 Mơ tả tốn học động đồng 10 2.2 Động đồng chế độ xác lập 11 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BẰNG MATLAB & SIMULINK 13 3.1 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ .13 3.1.1 Giới thiệu 13 3.1.2 Sơ đồ mô 13 3.1.3 Các kết mô .15 3.2 PM SYNCHRONOUS MOTOR DRIVE 17 3.2.1 Bộ điều khiển tốc độ 17 3.2.2 Bộ điều khiển vector 17 3.2.3 Các khối vào 18 Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHỐT 3.2.4 Các thơng số kỹ thuật 18 3.2.5 Sơ đồ kết mô Simulink 18 3.3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU TỰA THEO VÉC TƠ TỪ THÔNG ROTOR 21 3.3.1 Mở đầu .21 3.3.2 Cơ sở lý luận phương pháp điều khiển 21 3.3.3 Áp dụng phương pháp để thiết kế điều khiển 23 3.3.4 Sơ đồ kết mô Matlab – Simulink 26 3.3.5 Kết luận .27 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 28 4.1 Kết luận 28 4.2 Phương hướng phát triển 28 Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHOÁT Page Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHỐT DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH HÌNH: Hình 1.1: Cấu tạo Rotor cực ẩn Rotor cực lồi Hình 1.2: Đồ thị vectơ phương trình cân điện áp Hình 1.3:Sơ đồ nối dây đặc tính động đồng (ĐĐB) Hình 1.4: Đồ thị vecto mạch Stator động đồng Hình 1.5: Đặc tính góc động đồng Hình 2.1 Đồ thị véc tơ đơn giản máy đồng Hình 3.1 Sơ đồ mơ máy điện đồng chế độ động Hình 3.2 Khối Pm step Hình 3.3 Thơng số động đồng Hình 3.4 Khối nguồn pha Hình 3.5 Đặc tính tốc độ động Hình 3.6 Đặc tính góc tải Hình 3.7 Đáp ứng dòng điện is Hình 3.8 Cơng suất điện đầu động Hình 3.9: Bộ điều khiển tốc độ Hình 3.10: Bộ điều khiển vector Hình 3.11: Sơ đồ mơ chi tiết Hình 3.12:Sơ đồ mơ tối giản Hình 3.13: Đáp ứng dòng điện Stator Hình 3.14: Các đáp ứng khác Hình 3.15 Cấu trúc hệ thống truyền động cho ĐCĐBNCVC điều chỉnh tự theo từ thơng Rotor Hình 3.16: Mơ hình ĐCĐBNCVC ba pha hệ tọa độ d Hình 3.17: Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động điện Hình 3.18 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện isd Hình 3.19: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện thực tế Hình 3.20 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ Hình 3.21 Sơ đồ mơ Hình 3.22: Đặc tính tốc độ đặc tính mơ men Hình 3.23: Đặc tính dòng điện hệ tọa độ dq tọa độ abc Page Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHOÁT DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền ( 2004 ), Truyền động điện, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi ( 2004 ), Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Trần Khánh Hà, (1997), Máy điện I, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [4] Nguyễn Phùng Quang, ( 2004 ), MATLAB Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [5] Đỗ Đức Tuấn, Vector control of a permanent magnet synchronous motor, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Page Đồ án mơn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHỐT Hình 3.3 Thơng số động đồng  Khối nguồn xoay chiều Hình 3.4 Khối nguồn pha 3.1.3 Các kết mô Page 15 Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHOÁT Chạy mô ta thu đáp ứng thông số RMS current, RMS voltage, speed, load angle , công suất điện động Tốc độ đặt ban đầu 1800 vòng / phút, sau tải gia tăng từ 48.9 kW đến 100 kW thời điểm t = 0.1s, tốc độ động dao động trước ổn định 1800 vòng/ phút Góc tải tăng từ -210 đến -530 Hình 3.5 Đặc tính tốc độ động Hình 3.6 Đặc tính góc tải Page 16 Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHỐT Hình 3.7 Đáp ứng dòng điện is Hình 3.8 Cơng suất điện đầu động 3.2 PM SYNCHRONOUS MOTOR DRIVE 3.2.1 Bộ điều khiển tốc độ Bộ điều khiển tốc độ dựa điều chỉnh PI, hiển thị bên Đầu điều chỉnh điểm đặt mômen áp dụng cho khối điều khiển vector Page 17 Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHỐT Hình 3.9: Bộ điều khiển tốc độ 3.2.2 Bộ điều khiển vector Bộ điều khiển vector bao gồm bốn khối chính, hiển thị bên Các khối mơ tả đây: Hình 3.10: Bộ điều khiển vector Khối dq-abc thực việc chuyển đổi thành phần dòng điện dq khung tham chiếu Rotor thành biến pha abc Khối chuyển đổi góc độ sử dụng để tính tốn góc quay điện từ góc Rotorr học Khối điều khiển Chuyển mạch sử dụng để giới hạn tần số chuyển đổi biến tần đến giá trị lớn định người dùng 3.2.3 Các khối vào Page 18 Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHỐT  SP: Giá trị đặt tốc độ hoặc mơ men Giá trị đặt tốc độ hàmstep, tỉ số thay đổi tốc độ theo dốc tăng tốc / giảm tốc Nếu mô men tốc độ tải có dấu hiệu ngược lại, mơ men tăng tổng moment điện từ tải  Tm/Wm: Các đầu vào học: mô men tải (Tm) hoặc tốc độ động (Wm)  A, B, C: Các điểm đầu cuối ba pha động  Wm/Te: Công suất cơ: tốc độ động (Wm) hoặc mô men điện từ (Te)  Motor: Các vector đo lường động Vectơ cho phép bạn quan sát cácbiến động sử dụng khối Bus Selector  Conv: Các vector chuyển đổi ba pha  Ctrl: Vector đo lường điều khiển 3.2.4 Các thông số kỹ thuật Thông số Giá trị Biên độ 220 V Tần số 60 Hz Công suất HP Tốc độ 1800 v/p Điện áp 300 V 3.2.5 Sơ đồ kết mơ Simulink Ví dụ pmsm_example minh hoạ mô động PMSM với điều kiện tải tiêu chuẩn Vào thời điểm t = s, điểm đặt tốc độ 300 vòng / phút Page 19 Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHỐT Hình 3.11: Sơ đồ mơ chi tiết Hình 3.12:Sơ đồ mô tối giản Như thể hình đây, tốc độ xác theo đoạn tăng tốc Tại t = 0.5 s, mô men tải danh nghĩa áp dụng cho động Tại t = s, điểm đặt tốc độ đổi thành vòng / phút Tốc độ giảm xuống vòng / phút Tại t = 1.5 s, tải học kéo dài từ 11 N.m đến -11 N.m Giá trị điện áp, dòng điện, mơ men, tốc độ trung bình giống hệt cho hai mơ hình Lưu ý thành phần tín hiệu tần số cao khơng trình bày với chuyển đổi giá trị trung bình Hình 3.13: Đáp ứng dòng điện Stator Page 20 Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHỐT Hình 3.14: Các đáp ứng khác Page 21 Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHOÁT 3.3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU TỰA THEO VÉC TƠ TỪ THÔNG ROTOR Ký hiệu Lsd, LsqĐiện cảm Stator theo trục d q RS Điện trở cuộn dây Stator Tsd, Tsq Hằng số thời gian động mM Mô men tải đặt động pC Số đôi cực từ 3.3.1 Mở đầu Trong khoảng vài thập kỷ gần đây, phương pháp điều khiển cho động ba pha liên tục phát khiến cho động xoay chiều gần thay hoàn toàn hệ thống động chiều trước Phương pháp điều khiển tần số theo luật V/f không đổi phương pháp áp dụng cho động ba pha Tuy nhiên phương pháp sớm bộc lộ nhược điểm chất lượng điều khiển thấp, khả đáp ứng theo tải chậm, hiệu suất Thực tế đòi hỏi cần có hệ thống đáp ứng yêu cầu truyền động chất lượng cao để thay truyền động chiều, hệ thống phải có khả áp đặt momen quay động thật nhanh xác Chính vậy, khoảng 20 năm gần đây, phương pháp điều khiển nghiên cứu áp dụng thực tế, đáp ứng yêu cầu hiệu Các phương pháp chia thành hai nhóm là: + Điều khiển véc tơ (Vector control) + Điều khiển trực tiếp (Direct control) 3.3.2 Cơ sở lý luận phương pháp điều khiển Sau mô tả tất đại lượng pha (dòng điện, điện áp, từ thông v.v ) dạng vector, ta biểu diễn tất vector hệ tọa độ quay (hệ tọa độ dq) có trục thực d trùng với trục vector từ thơng S Ta tách vector i S thành hai thành phần isd isq đóisd giữ vai trò tạo từ thơng S tương tự dòng kích từ i k, isq giữ vai trò tạo moomen mM tương tự dòng phần ứng i động chiều kích từ độc lập Trong hai dòng ik iư sử dụng trực tiếp làm đại lượng điều khiển cho từ thông momen quay động Như vậy, tư tưởng xuyên suốt phương pháp điều khiển tự theo từ thơng Rotor việc áp đặt xác từ nhanh hai thành phần dòng i sd tạo momen isq tạo từ thông nhằm đem lại chế truyền động dùng động xoay chiều ba pha Page 22 Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHỐT Trên hệ tọa độ từ thơng Rotorr (tọa độ dq) ta thu quan hệ đơn giản momen quay, từ thông phần từ vector dòng Stator: mM = pc.[r.isq + isd.isq.(Lsd – Lsq)] = pc.[p.isq + isd.isq.(Lsd – Lsq)] (3.1) Hình 3.15 Cấu trúc hệ thống truyền động cho ĐCĐBNCVC điều chỉnh tự theo từ thông Rotor 3.3.3 Áp dụng phương pháp để thiết kế điều khiển a Xây dựng cấu trúc mạch tính điện áp MTu Nhiệm vụ khối tính tốn điện áp u sd, usq từ tín hiệu đầu vào yd, yq khâu điều chỉnh dòng (ĐCD) đưa tới Ta có cơng thức: (3.2) Chuyển sang khơng gian Laplace ta có: (3.3) Với Tsd = Lsd/Rs = 5,1 (ms) Page 23 Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHOÁT Tsq = Lsq/Rs = 5,1 (ms) Các đại lượng đầu vào MTu y d; yq đồng với dòng isd; isq sau thời gian trễ Tsd; Tsq; yd yq phải thỏa mãn phương trình sau: = ; = Thay vào cơng thức ta được: (3.4) b Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện ( Risd Risq): Từ sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển véc tơ ĐCĐBNCVC tựa theo từ thơng Rotor (hình 3.15) mơ hình ĐCĐBNCVC (hình 3.16) ta thành lập sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động điện (hình 3.17) trang sau Vì hệ thống truyền động thường có số thời gian học lớn số thời gian điện từ Khi ta coi sức điện động động khơng ảnh hưởng đến q trình điều chỉnh mạch vòng dòng điện (coi E = 0) Nhìn vào sơ đồ hình 3.17 ta thấy hai điều chỉnh dòng điện Ri sq Risq hoàn toàn giống cấu trúc nên ta cần tính tốn thiết kế cho điều chỉnh dòng điện Ri sd suy lại Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh dòng điện Ri sd động mơ tả hình 3.18 Trên thực tế mạch vòng dòng điện có khâu: lọc tín hiệu, tính tốn, quy đổi, đo lường, lấy mẫu… khâu quán tính bậc có số thời gian nhỏ Bộ nghịch lưu coi khuếch đại có hệ số khuếch đại Ku Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện thực tế mơ tả hình 3.19 c Tổng hợp điều chỉnh tốc độ (ĐC) Trong phần ta tổng hợp mạch vòng dòng điện có hàm truyền cơng thức: (P) = Từ sơ đồ hình 3.17 ta có sơ đồ khối cấu trúc hệ điều chỉnh tốc độ (hình 3.20) Page 24 Đồ án mơn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHỐT Hình 3.16: Mơ hình ĐCĐBNCVC ba pha hệ tọa độ dq Hình 3.17: Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động điện Page 25 Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHỐT Hình 3.18 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện isd Hình 3.19: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện thực tế Hình 3.20 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ 3.3.4 Sơ đồ kết mô Matlab – Simulink Hình 3.21 Sơ đồ mơ Thơng số kỹ thuật Công suất định mức Điện áp pha định mức Điện trở cuộn dây Statorr Điện cảm dọc trục Điện cảm ngang trục Mơ men qn tính Giá trị Pđm = 45kW Uđm = 220V Rs = 0.08Ω Lsd = 4.09mH Lsq = 5.13mH J = 0.0002 Kg.m2 Page 26 Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHỐT Từ thơng cực p = 0.951Wb Tốc độ định mức n = 3000v/p Số đôi cực từ pc = Trong hệ ta bổ sung thêm khâu khởi động mềm Soft_start khâu hạn chế dòng điện Limiter Ta áp dụng cho hệ thống tín hiệu đặt * = 628 (rad/s) Sau động khởi động không tải 0.1 giây ta cho động mang tải m T = 10 Nm Kết mơ sau: Hình 3.22: Đặc tính tốc độ đặc tính mơ men Hình 3.23: Đặc tính dòng điện hệ tọa độ dq tọa độ abc 3.3.5 Kết luận Thời gian để động ổn định tốc độ 0.047s - Độ điều chỉnh khoảng 5%, tốc độ lớn 660 rad/s Page 27 Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHOÁT - Khi hệ thống làm việc ổn định tốc độ động bám theo giá trị đặt, - sai lệch tĩnh hệ thống gần không Khi động làm việc có tải thời điểm 0.1 giây, tốc độ động giảm xuống sau lại ổn định bám trở lại tốc độ đặt CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận Sau thời gian thực với nhiều cố gắng nỗ lực nhóm, với tận tình hướng dẫn thầy TS Nguyễn Ngọc Khoát, đồ án hoàn thành thời gian quy định Để thực yêu cầu trên, chúng em tìm hiều mạch động đồng nhiều vấn đề khác có liên quan đến đề tài Qua q trình thực đồ án, chúng em phần hình dung trình để đưa sản phẩm có ứng dụng thực tiễn Đó kinh nghiệm tự rút ra, trải nghiệm thực hành học hỏi nhiều điều hướng dẫn tận tình thầy giáo hướng dẫn Và tạo sở, tảng để chúng em thực đồ án tốt nghiệp sau 4.2 Phương hướng phát triển Động đồng có ứng dụng cao sống ngày Việc nghiên cứu động đồng giúp chúng em có hình dung đầy đủ nguyên lý hoạt động loại động cơ, xu hướng phát triển truyền động điện Đối với thân, hội cho cho em để hệ thống lại kiến thức, hội nghiên cứu, thực nghiệm rèn luyện kỹ làm việc trước bước vào môi trường làm việc thực Page 28 Đồ án môn học Truyền động điện GVHD: TS NGUYỄN NGỌC KHOÁT Page 29 ... PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BẰNG MATLAB & SIMULINK 3.1 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3.1.1 Giới thiệu Sơ đồ mô động đồng power_syncmachine minh họa ứng dụng máy điện đồng chế độ động Hệ thống... NGUYỄN NGỌC KHOÁT CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 1.1 Cấu tạo Cũng loại động điện khác, động đồng gồm hai phần Stator Rotor 1.1.1 Stator: Stator động đồng gồm lõi thép dây quấn a Lõi thép:... việc phương trình cân động điện đồng .6 1.5 Đặc tính động đồng CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ 10 2.1 Mơ tả tốn học động đồng 10 2.2 Động đồng chế độ xác lập