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 DANH MỤC HÌNH VẼ Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU 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 Điều khiển vector động không đồng ba pha tốc độ cải thiện hệ số công suất máy Khi làm việc dây quấn rotor nối ngắn mạch, khó sử dụng mơi trường khắc nghiệt dễ cháy nổ Hơn giá loại động đắt loại có rotor lồng sóc - Rotor kiều lồng sóc: Kết cấu dây quấn khác hẳn so với stator Trong rãnh lõi thép đặt đồng, hai đầu nối ngắn mạch hai vòng đồng tạo thành lồng sóc c) Khe hở khơng khí Do rotor khối tròn, nên khe hở khơng khí Khe hở động nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới, từ nâng cao hệ số công suất 1.1.3 Nguyên lý làm việc ĐC KĐB hoạt động dựa nguyên lý cảm ứng điện từ Đặt điện áp xoay chiều ba pha u1 vào dây quấn stator, xuất dòng quấn stator Dòng i1 với tần số f1 dây i1 tạo từ trường quay với tốc độ: n1 = 60f1 p (1.1) Từ trường quay quét qua mạch rotor tạo nên suất điện động quấn rotor khép kín mạch nên dây quấn sinh dòng điện i2 e2 , dây tạo lực điện từ n , lực làm cho rotor quay với tốc độ n (n< ) chiều với từ trường Hệ số trượt: s= n1 − n n1 1.2 Điều chỉnh tốc độ động khơng đồng Phương trình đặc tính động khơng đồng theo tài liệu [2] có dạng: (1.2) Chương Điều khiển vector động không đồng ba pha == ~ R '2 3U1 s M= ' R ω1[(R + ) + X 2nm s ~ (1.3) Dựa vào phương trình đặc tính cơ, ta thay đổi mô men cách thay đổi điện áp cung cấp, điện trở phụ, tốc độ trượt tần số nguồn Hiện hệ thống truyền động điện điều chỉnh tần số sử dụng rộng rãi Bảng 1.1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động Tổn thất Kinh tế Điều chỉnh Điều chỉnh điện áp stato Điều tần số nguồn cấp stato chỉnh Stator K Điều chỉnh rotor Điều chỉnh công suất trượt Điều chỉnh phương pháp xung điện trở rôto Pcơ Ps Ps CL 10 NL Chương Mơ – Kiểm nghiệm Hình 4.22 Giá trị R r ước lượng 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 mô 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 toàn hệ thống trình bày hình sau: 60 Chương Mơ – Kiểm nghiệm Hình 4.23 Đáp ứng từ thơng Hình 4.24 Đáp ứng tốc độ Hình 4.25 Đáp ứng mơ men Hình 4.26 Đáp ứng dòng Isd Isq Hình 4.27 Đáp ứng dòng isabc Hình 4.28 Giá trị Rs Hình 4.29 Giá trị Rr 61 Chương Mơ – Kiểm nghiệm Hình 4.30 Đáp ứng từ thơng Hình 4.31 Đáp ứng tốc độ 62 Chương Mơ – Kiểm nghiệm Hình 4.32 Đáp ứng mơ men Hình 4.33 Đáp ứng dòng 63 Isd Isq Chương Mơ – Kiểm nghiệm Hình 4.34 Đáp ứng dòng Hình 4.35 Giá trị 64 Rs isabc Chương Mơ – Kiểm nghiệm Hình 4.36 Giá trị Rr 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 65 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 khơng 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 66 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 Dỗn 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 67 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); 68 Phụ lục teta=atan2(Us_beta,Us_alpha); P2.2 Hàm xác định vị trí vector function n = fcn(deta) n=0; if(deta>0)&(detapi/3)&(deta2*pi/3)&(deta