Hệ thống điều khiển vector động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ

LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: Hệ thống điều khiển vector - động không đồng không dùng cảm biến tốc độ em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo khơng chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu có phát chép, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Hồng Diện MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv LỜI NÓI ĐẦU Chương ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1 Động không đồng 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Cấu tạo .2 1.1.3 Nguyên lý làm việc 1.2 Điều chỉnh tốc độ động không đồng 1.2.1 Điều chỉnh điện áp stator 1.2.2 Điều khiển tần số nguồn cấp stator 1.3 Hệ thống điều khiển vector .6 1.3.1 Nguyên lý tựa theo từ thông rotor 1.3.2 Cấu trúc hệ điều khiển tựa theo từ thông rotor 11 Chương MƠ HÌNH TỐN HỌC ĐỘNG CƠ VÀ TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 13 2.1 Các phương trình mô tả động không đồng ba pha .13 2.2 Mơ hình trạng thái liên tục động hệ tọa độ cố định  15 2.3 Mơ hình trạng thái liên tục động hệ tọa độ dq 18 2.5 Tổng hợp điều khiển dòng điện 20 2.5.1 Thiết kế điều khiển dòng điện sinh từ thông Isd .20 2.5.2 Thiết kế điều khiển dòng điện sinh mơ men Isq .23 2.6 Tổng hợp điều khiển tốc độ 25 Chương HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ 28 3.1 Tổng quan .28 3.2 Phương pháp quan sát từ thơng thích nghi tốc độ (Luenberger observer) .29 3.2.1 Bộ quan sát Luenberger 29 3.2.2 Thuật toán ước lượng tốc độ, điện trở rotor điện trở stator 31 Chương MÔ PHỎNG - KIỂM NGHIỆM 36 4.1 Tính tốn tham số 36 4.1.1 Thông số động .36 4.1.2 Tính toán tham số động .37 4.1.3 Thông số điều khiển, thông số quan sát 38 4.1.4 Tính tốn dòng tạo từ thơng vùng tốc độ 38 4.2 Mô hệ thống 39 4.2.1 Sơ đồ mô .39 4.2.2 Kết mô 41 4.2.3 Đánh giá kết mô .53 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO .55 PHỤ LỤC 56 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo động khơng đồng Hình 1.2 Stator động không đồng .3 Hình 1.3 Rotor động Hình 1.4 Biểu diễn vector điện áp stator từ ba pha điện áp Hình 1.5 Vector dòng stator hệ tọa độ cố định  hệ tọa độ quay dq .8 Hình 1.6 Cấu trúc hệ điều khiển tựa theo từ thông rotor 11Y Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc mơ tả động hệ tọa độ  17 Hình 2.2 Sơ đồ khối mơ hình trạng thái động hệ tọa độ  18 Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc mơ hình liên tục động hệ dq 19 Hình 2.4 Mơ hình trạng thái động không đồng hệ dq 20 Hình 2.6 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện 22 Hình 2.7 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện 24 Hình 2.11 Mạch vòng điều chỉnh tốc độ Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển khơng dùng cảm biến 29 Hình 3.2 Cấu trúc mơ hình quan sát từ thơng thích nghi tốc độ quay Hình 4.1 Hệ thống sử dụng cảm biến tốc độ .39 Hình 4.2 Hệ thống khơng sử dụng cảm biến tốc độ 39 Hình 4.3 Khối tính tốn tốc độ 40 Hình 4.4 Khối tính tốn R s 40 Danh mục hình vẽ Hình 4.5 Khối tính tốn R r 40 Hình 4.6 Đáp ứng tốc độ hệ thống sử dụng cảm biến tốc độ 42 Hình 4.7 Đáp ứng tốc độ hệ thống khơng có cảm biến tốc độ .42 Hình 4.8 Đáp ứng mơ men hệ thống sử dụng cảm biến tốc độ 43 Hình 4.9 Đáp ứng mơ men hệ thống khơng sử dụng cảm biến 43 Hình 4.10 Đáp ứng từ thông hệ thống sử dụng cảm biến tốc độ 45 Hình 4.11 Đáp ứng từ thông hệ thống không sử dụng cảm biến tốc độ 45 Hình 4.12 Đáp ứng dòng điện Isd , Isq hệ thống sử dụng cảm biến tốc độ .46 Hình 4.13 Đáp ứng dòng điện Isd , Isq hệ thống khơng sử dụng cảm biến tốc độ 46 Hình 4.14 Đáp ứng dòng điện i sabc hệ thống sử dụng cảm biến tốc độ 47 Hình 4.15 Đáp ứng dòng điện i sabc hệ thống khơng sử dụng cảm biến tốc độ .47 Hình 4.16 Giá trị R s ước lượng 48 Hình 4.17 Giá trị R r ước lượng 48 Hình 4.18 Đáp ứng từ thơng .50 Hình 4.19 Đáp ứng tốc độ 50 Hình 4.20 Đáp ứng mô men 51 I Hình 4.21 Đáp ứng dòng Isd sq 51 Hình 4.22 Đáp ứng dòng i sabc .52 Hình 4.23 Giá trị R s 52 Hình 4.24 Giá trị R r 53 Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1.1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động Bảng 4.1 Bảng thông số động 36 Bảng 4.2 Thông số điều khiển PI 38 Bảng 4.3 Thông số quan sát 38 Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT FOC DTC ĐC KĐB MHTT Field Oriented Control Direc Torque Control Động không đồng Mô hình từ thơng Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Động không đồng ba pha đối tượng điều khiển phần lớn truyền động điện xoay chiều cơng nghiệp Lý ưu điểm mà mang lại Tuy nhiên, việc điều khiển động không đồng vấn đề khó khăn phức tạp Đến phương pháp điều khiển vector đời vấn đề điều khiển động không đồng hoàn chỉnh thực dễ dàng Việc nghiên cứu hệ thống điều khiển động không đồng khơng dùng cảm biến tốc độ có ý nghĩa quan trọng thực tiễn công nghiệp Hệ thống cho phép đơn giản hệ thống truyền động sử dụng động khơng đồng Khắc phục khó khăn mà hệ thống truyền động truyền thống mắc phải Chính vậy, đồ án tốt nghiệp mình, em giao đề tài “Hệ thống điều khiển vector - động không đồng không dùng cảm biến tốc độ” để hiểu biết rõ ràng phương pháp điều khiển không dùng cảm biến tốc độ Do thực thời gian ngắn hạn chế mặt kiến thức nên đồ án em không tránh khói sai sót Em mong nhận đóng góp thầy để em hồn thiện đồ án Cuối em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn chi tiết tận tình thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến Chính hướng dẫn thầy giúp em hoàn thành đồ án Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Hồng Diện Chương Điều khiển vector động không đồng ba pha Chương ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1 Động không đồng 1.1.1 Giới thiệu Ước tính 55% lượng điện tiêu thụ động cơ, động không đồng (ĐC KĐB) chiếm tới 70% số động sản xuất Vì ĐC KĐB đóng vai trò quan trọng trọng thực tiễn, sử dụng rộng rãi thực tế sản xuất Ưu điểm bật loại động dễ chế tạo, dễ vận hành, bảo quản chi phí thấp Nó có cấu tạo đơn giản đặc biệt lấy điện trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha mà không cần thơng qua biến đổi Tuy nhiên, vào thời điểm ban đầu, động không đồng khó điều khiển tốc độ khống chế trình độ Ngày nay, với phát triển lĩnh vực điều khiển tự động lĩnh vực công suất bán dẫn, dẫn đến bước tiến lớn việc điều khiển động không đồng 1.1.2 Cấu tạo Động không đồng ba pha làm hai loại: động rotor lồng sóc động rotor dây quấn Hình 1.1 Cấu tạo động khơng đồng Chương Điều khiển vector động không đồng ba pha a) Phần tĩnh (Stator) Stator gồm: Vỏ máy, lõi sắt dây quấn - Vỏ máy: Dùng để cố định lõi sắt dây quấn, định hình cho động Vỏ máy thưởng làm gang - Lõi sắt: phần dẫn từ Để giảm tổn hao dòng Fuco, lõi sắt làm từ thép kỹ thuật điện ghép lại - Dây quấn: Dùng để dẫn điện sinh từ trường Dây quấn đặt vào rãnh lõi sắt cách điện tốt với lõi sắt Hình 1.2 Stator động khơng đồng b) Phần quay (Rotor) Rotor có hai lại chính: Rotor dây quấn rotor lồng sóc a) Rotor dây quấn b) Rotor lồng sóc Hình 1.3 Rotor động - Rotor kiểu dây quấn: Có dây quấn giống stator Dây quấn ba pha rotor thường đấu sao, ba đầu lại nối với ba vành trượt lằm đồng gắn đầu trục, cách điện với với trục Thông qua chổi than vành trượt, nối dây quấn rotor với điện trở phụ bên để cải thiện tính mở máy, điều chỉnh Chương Mơ – Kiểm nghiệm Hình 4.21 Giá trị R s ước lượng Hình 4.22 Giá trị R r ước lượng 49 Chương Mơ – Kiểm nghiệm Hình 4.16 4.17 cho thấy giá trị ước lượng hai điện trở bám với giá trị thực hai điện trở động b) Đưa khâu nhận dạng vào tốc độ ổn định Thời gian mơ phỏng: 5s Quy trình mơ phỏng:  Ban đầu cho giá trị hai điện trở giá trị định mức  Tại thời điểm t=2s kích hoạt khâu nhận dạng hai điện trở vào Kết mô thể thông qua đồ thị đo tồn hệ thống trình bày hình sau: Hình 4.23 Đáp ứng từ thơng Hình 4.24 Đáp ứng tốc độ Hình 4.25 Đáp ứng mơ men I Hình 4.26 Đáp ứng dòng Isd sq Hình 4.27 Đáp ứng dòng i sabc Hình 4.28 Giá trị R s Hình 4.29 Giá trị R r 50 Chương Mơ – Kiểm nghiệm Hình 4.30 Đáp ứng từ thơng Hình 4.31 Đáp ứng tốc độ 51 Chương Mơ – Kiểm nghiệm Hình 4.32 Đáp ứng mơ men I Hình 4.33 Đáp ứng dòng Isd sq 52 Chương Mơ – Kiểm nghiệm Hình 4.34 Đáp ứng dòng isabc Hình 4.35 Giá trị R s 53 Chương Mơ – Kiểm nghiệm Hình 4.36 Giá trị R r Nhận xét: Tại thời điểm t=2s kích hoạt khâu nhận dạng hệ thống có xung dao động lớn, nhiên sau hệ ổn định bám theo giá trị đặt 4.2.3 Đánh giá kết mô Về sai lệch tốc độ ước lượng với tốc độ thực nhỏ bám giá trị đặt Giá trị ước lượng R s R r bám giá trị đặt Khi đưa nhận dạng thời điểm 2s, hệ thống ổn định, giá trị bám giá trị đặt xung ban đầu kết nhận dạng lớn Từ ta thay hệ thống có cảm biến hệ thống khơng cảm biến Áp dụng vào thực tế công nghiệp, tránh nhược điểm mà hệ truyền động ba pha truyền thống mắc phải 54 Kết luận KẾT LUẬN Trong trình thực đồ án tốt nghiệp với đề tài Hệ thống điều khiển vector - động không đồng không dùng cảm biến tốc độ với hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến với làm việc nỗ lực thân, em hồn thành đồ án tốt nghiệp Qua đó, em thu kết sau:      Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động động không đồng Tìm hiểu phương pháp FOC truyền thống Mơ hình hóa động cơ, thiết kế điều khiển dòng điện tốc độ Tìm hiểu phương pháp FOC khơng dùng cảm biến tốc độ Mô hệ thống “không cảm biến” Matlab – Simulink Kết cho thấy, ta thay hệ thống điều khiển truyền thống hệ thống không dùng cảm biến Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến, chúc thầy thật nhiều sức khỏe Cảm ơn gia đình tài trợ cho trình học tập qua trình hồn thành đồ án tốt nghiệp Cảm ơn người bạn giúp đỡ trình học tập Hà Nội, ngày tháng 05 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Hồng Diện 55 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển vector truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất Bách khoa Hà Nội, năm 2016 [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, năm 2009 [3] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, năm 2006 [4] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung, Lý thuyết điều khiển phi tuyến, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, năm 2006 [5] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, năm 2012 [6] Kubota, H.; Matsue, K.; Nakano, T., “DSP – Based Speed Adaptive Flux Observer of Induction Motor”, IEEE Trans On Industry Applications, vol 29, no 2, March/April, 1993, pp 344 – 348 56 Phụ lục PHỤ LỤC P.1 Chương trình m file: %Thong so dong co Pdm=2.2e3;f=50;U=220;n=1430;J=0.048;p=2; Ls=0.3288;Lr=0.3371;Lm=0.32; Rs=3.1;Rr=1.7; Tr=Lr/Rr; Ts=Ls/Rs; sigma=1-(Lm^2)/(Ls*Lr); T_sigma=1/(1/(sigma*Ts)+(1-sigma)/(sigma*Tr)); k=1.16; %Tinh toan thong so bo dieu khien %Bo Dk cho Isd Knl=22; Tnl=0.001; Knl=22; Tnl=0.001; K=Knl*T_sigma/(Ls*sigma); Ta=T_sigma; Tb=2*K*Tnl; Kii=1/Tb; Kpi=Kii*Ta; %Bo dk cho Isq Kpq=T_sigma/(2*K*Tnl); Kiq=1/(2*K*Tnl); %Bo dk cho W Ids=3.2; Pid0=Ids*Lm; K1=3*Lm*p*p*(Pid0)/(2*J*Lr); Tc1=2*Tnl; Tc2=2*Tc1; Kpw=1/(2*K1*Tc1); Kiw=1/(8*K1*(Tc1)^2); P.2 Matlab function khâu SVM P2.1 Hàm chuyển đổi dq sang αβ function [Us_alpha,Us_beta,teta]=fcn(Ud,Uq,teta) Us_alpha=Ud*cos(teta)-Uq*sin(teta); Us_beta=Ud*sin(teta)+Uq*cos(teta); teta=atan2(Us_beta,Us_alpha); 57 Phụ lục P2.2 Hàm xác định vị trí vector function n = fcn(deta) n=0; if(deta>0)&(detapi/3)&(deta2*pi/3)&(deta