Đề tài: Mô phỏng cấu trúc biến tần – động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu sử dụng matlab simulink

Nghiên cứu cấu trúc điều khiển động cơ xoay chiều ba pha kích thích vĩnh cửu dựa trên nguyên lý tựa theo từ thông rôto, xây dựng hệ thống mô phỏng trên matlab 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.

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐCĐB KÍCH THÍCH VĨNH CỬU (PMSM) .3 1.1 Giới thiệu động PMSM 1.2 Vector không gian đại lượng ba pha 1.2.1 Xây dựng vector không gian 1.2.2 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian 1.2.3 Biểu diễn vector không gian hệ tọa độ từ thông rotor .6 1.3 Xây dựng mơ hình động PMSM 1.3.1 Lý xây dựng mơ hình .6 1.3.2 Hệ phương trình động 1.3.3 Các tham số động .7 1.3.4 Mơ hình trạng thái động hệ tọa độ rotor (dq) .8 1.3.5 Đặc điểm phi tuyến mơ hình PMSM 11 CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ BIẾN TẦN – BIẾN TẦN NGUỒN ÁP 12 2.1 Mô tả cấu trúc biến tần 12 2.2 Mạch động lực biến tần nguồn áp 13 2.3 Xây dựng mơ hình biến tần .14 CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ PMSM & MƠ HÌNH MƠ PHỎNG TRÊN MATLAB - SIMULINK 18 3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển tựa theo từ thông rotor 18 3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển .19 3.3 Mơ hình mơ Matlab – Simulink 21 3.3.1 Mơ hình động đồng 21 3.3.2 Mơ hình mạng tính áp 21 3.3.3.Chuyển đổi hệ tọa độ điện áp .21 3.3.4 Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện 21 3.3.5 Kết mô .21 Kết luận 24 Tài liệu tham khảo 25 LỜI MỞ ĐẦU Đối với kỹ sư điều khiển tự động hóa nói riêng người nghiên cứu khoa học kỹ thuật nói chung, mơ cơng cụ quan trọng cho phép khảo sát đối tượng, hệ thống hay q trình kỹ thuật vật lý, mà khơng thiết phải có đối tượng hay hệ thống thật Được trang bị công cụ mô mạnh hiểu biết phương pháp mơ hình hóa, người kỹ sư có khả rút ngắn thịi gian giảm chi phí nghiên cứu – phát triển sản phẩm cách đáng kể Điều đặc biệt có ý nghĩa sản phẩm hệ thống thiết bị phức hợp với giá trị kinh tế lớn Các khái niệm mô Off-line, Software in-the-Loop, Hardware-in-the-Loop Prototyping, thể rõ nét bước trình phát triển sản phẩm với hỗ trợ máy tính Trong nhiều năm qua phần mềm mơ sử dụng rộng rãi lĩnh vực giảng dạy nghiên cứu thiết bị điện giáo viên sinh viên ngành kỹ thuật Vì tập lớn em sử dụng cơng cụ mạnh matlab Simulink để mơ mơ hình “Động đồng kích thích vĩnh cửu” Với giúp đỡ nhiệt tình thầy TS PHẠM TÂM THÀNH giúp em tìm hiễu rõ sâu sắc động đồng kích thích vĩnh cửu, cơng cụ mơ matlab simulink Từ em có sở xây dựng tập lớn Trong nội dung tập lớn môn học: “Tổng hợp hệ điện cơ” mà em trình bày thấy kiến thức kết cấu, công dụng mơ hình tốn học động đồng kích thích vĩnh cửu Đồng thời giới thiệu tổng quan matlab đặc biệt simulink đưa kết q trình mơ động qua hình vẽ đường đặc tính tốc độ, dòng điện Tuy cố gắng nhiều q trình thực khơng thể tránh khỏi sai sót nhầm lẫn Vì em mong thầy tiếp tục giúp đỡ em nhiều CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐCĐB KÍCH THÍCH VĨNH CỬU (PMSM) 1.1 Giới thiệu động PMSM - Động đồng ba pha kích thích vĩnh cửu (PMSM) có kết cấu phía stato giống động dị Phía rôto, nơi động dị phải dựa vào trượt tốc độ rôto hệ thống véc tơ phía stato để tạo từ thơng rơto, PMSM có hệ thống nam châm vĩnh cửu gắn chặt bề mặt Nghĩa là: từ thông luôn tồn tại, không nhu cầu trượt tốc độ để cảm ứng từ stato sang rơto động hoạt động hồn tồn đồng - Phạm vi sử dụng PMSM cơng nghiệp chế tạo máy, chế biến (ví dụ: Máy gia cơng cắt gọt kim loại, máy đóng bao gói, máy gia cơng xác ) Trong ứng dụng đó, PMSM gần tuyệt đối sử dụng kèm theo thiết bị điều khiển (ví dụ: nghịch lưu có điều chỉnh) chất lượng cao - Cấu trúc động đồng mô tả theo hình vẽ: a) Ba pha b) Biến đổi α,β c) Biến đổi d,q Hình 1.0: Cấu tạo động đồng ba pha 1.2 Vector không gian đại lượng ba pha 1.2.1 Xây dựng vector không gian - Động xoay chiều ba pha có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bố trí khơng gian: isu  t   isv  t   isw  t   (1.1) - Nếu mặt phẳng ta thiết lập hệ tọa độ phức với trục thực qua cuộn dây u, ta xây dựng vector khơng gian sau: is  t   o o 2� isu  t   isv  t  e j120  isw  t  e j 240 � is e j � 3� (1.2) Hình 1.1: Thiết lập vector khơng gian từ đại lượng pha - Dịng điện pha hình chiếu vector dịng stator lên trục cuộn dây pha tương ứng is thu - Gọi trục thực mặt phẳng phức nói trục α trục ảo trục β Chiếu i vector s lên hai trục, ta hai hình chiếu is is  Hệ tọa độ gọi hệ tọa độ cố định (hệ tọa độ stator): Hình 1.2: Biểu diễn dịng điện stator dạng vector khơng gian hệ tọa độ αβ 1.2.2 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian - Ta xây dựng hệ tọa độ dq có chung điểm gốc với hệ tọa độ αβ nằm lệch góc  s - Dễ dàng chuyển tọa độ αβ sang tọa độ dq: isd  is sin  s  is cos  s isq  is cos  s  is sin  s (1.3) 1.2.3 Biểu diễn vector không gian hệ tọa độ từ thơng rotor Hình 1.3: Biểu diễn vector hệ tọa độ từ thông rotor - Giả thiết động quay với tốc độ góc s  2 f s   d dt Từ thông rotor  r quay với tốc độ d s dt f s tần số mạch điện stator   s    s 1.3 Xây dựng mơ hình động PMSM 1.3.1 Lý xây dựng mơ hình - Để xây dựng, thiết kế điều khiển cần phải có mơ hình tả đối tượng điều khiển 1.3.2 Hệ phương trình động - Phương trình điện áp: us f d s f  Rs is   j f s f dt f  s f  Lsis f  p f - Vector từ thơng rotor: - Phương trình moment: mM  (1.4) (1.5) pc ( s * is ) (1.6) mM  mT  - Phương trình cân moment: J d pc dt (1.7) 1.3.3 Các tham số động - Tần số f - Công suất P - Hiệu suất  - Tốc độ định mức ndm - Dòng điện định mức I dm - Điện áp định mức U dm - Hệ số công suất cos  1.3.4 Mơ hình trạng thái động hệ tọa độ rotor (dq) - Phương trình điện áp: disd  s Lsq isq dt disq usq  Rs isq  Lsq  s Lsd isd  s p dt usd  Rs isd  Lsd (1.8) - Phương trình dịng điện: Lsq disd 1  isd  s isq  usd dt Tsd Lsd Lsd p Lsd 1  s isd  isq  u sq  s dt Lsq Tsq Lsq Lsq disq (1.9) - Phương trình moment động PMSM: � � p mM  pc � (  isd ) Lsd isq  Lsqisd isq � �Lsd �(1.10) - Từ phương trình (1.9) (1.10) ta xây dựng mơ hình động sau: Hình 1.4: Mơ hình động đồng ba pha kích thích vĩnh cửu hệ tọa độ dq - Phương trình (1.9) viết lại dạng mơ hình trạng thái sau: disf  A f isf  B f usf  N f isf s  S ps dt (1.11) (1.12) Hình 1.5: Mơ hình trạng thái liên tục động đồng hệ tọa độ dq - Mơ hình trạng thái gián đoạn: Để thiết kế hệ thống điều khiển cho động đồng sở sử dụng vi xử lý cần phải có mơ hình gián đoạn để mơ tả cách xác đối tượng thời điểm (1.13) 10 Hình 1.6: Mơ hình trạng thái gián đoạn động đồng hệ tọa độ dq 1.3.5 Đặc điểm phi tuyến mơ hình PMSM a) Cấu trúc phi tuyến, tham số phi tuyến, phi tuyến rác b) Kết luận: -Ưu điểm việc mô tả động đồng ba pha hệ tọa độ từ thông rotor sau: + Trong hệ tọa độ từ thông rotor ( hệ tọa độ dq), vector dịng stator từ thơng rotor p isf vector , với hệ tọa độ dq quay đồng với với tốc độ quanh điểm gốc, phần tử vector isf s đại lượng chiều + Trong chế độ xác lập, giá trị gần không đổi, trình q độ, giá trị biến đổi theo thuật toán điều khiển định trước 11 CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ BIẾN TẦN – BIẾN TẦN NGUỒN ÁP 2.1 Mô tả cấu trúc biến tần - Biến tần thiết bị biến đổi điện xoay chiều từ tần số sang tần số khác -Biến tần 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: 12 Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc biến tần nguồn áp 2.2 Mạch động lực biến tần nguồn áp - Mạch động lực biến tần nguồn áp ba pha gồm Thyristor công suất T1 : T6 Các van có nhiệm vụ đóng hay cắt khoảng điện áp đặt lên tải Các van lựa chọn tùy thuộc vào công suất phụ tải - Các Điốt D1 : D6 Điốt cơng suất nối ngược với van Thyristor có tác dụng khép mạch dòng điện tải , trả phần lượng tích lũy tải nguồn trường hợp tải có tính cảm Khi Thyristor trạng thái khóa dịng tải trì qua điot Nguồn cung cấp cho nghịch lưu nguồn áp có giá trị U ổn định, nguồn điều chỉnh điện áp nhờ chỉnh lưu có điều khiển Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mach động lực biến tần 13 Hình 2.5: Sóng điện áp ba pha đối xứng 2.3 Xây dựng mơ hình biến tần a) Khối tạo dao động - Ta chọn vi mạch tạo dao động 555: Bộ định thời 555 hoạt động với nguồn chiều có điện áp từ đến 8V Vì tương thích với mức logic thơng thường mức điện áp khuếch đại thuật toán - Đầu dương nguồn nuôi nối vào chân số (+Uc), cực âm mắc vào chân số (nối đất) Đầu nối đất dùng làm điểm chung để so sánh điện điểm khác mạch Đầu có hai mức mức cao 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 khối tạo dao động 14 b) Bộ dịch pha số - Khối có nhiệm vụ gửi xung từ dao dộng tới van động lực cách có tính chu kỳ Trong mạch có sử dụng IC4013 IC4081 Đây loại IC chuyên dụng để tạo độ trễ khác tín hiệu IC4013 loại vi mạch thuộc loại CM05 có đặc điểm cơng suất tiêu thụ trạng thái tĩnh nhỏ, tốc độ chuyển đổi trạng thái cao, khả chống nhiễu cao có khả mang tải lớn Nguồn nuôi IC4013 nguồn chiều +3V đến +15V Hình 2.8: Bộ dịch pha số Hình 2.9: Dạng xung điện áp 15 c) Khối tạo Sin - Phần tạo Sin gồm khối hoàn toàn giống cho pha A, B, C Khối lấy tín hiệu từ khối dịch pha chia pha dạng số Hình 2.10: Khối tạo sin -Khối tạo sin tạo thành khuếch đại thuật tốn OA, OA đầu vào có nhiệm vụ biến đổi xung vng thành xung lưỡng cực nối thành Trigo Smith Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch Trigo Smith đặc tính truyền đạt điện áp 16 d) Khối dịch pha chia pha - Khối sử dụng IC4013 cung cấp xung đơn cực cho tạo sin chuẩn pha A,B,C e) Khối nhân tần - Sử dụng IC4016 kết hợp với IC4013 nhằm nâng cao tần số đầu vào f) Khối phát xung cưa - Sử dụng IC741 với mác IC1 IC2 tạo xung hình sin g) Khối so sánh tạo xung - Tổng hợp so sánh tín hiệu từ khối tạo sóng dạng cưa khối tạo sin nhằm cấp xung điều khiển đến đóng mở Tranzitor mạch động lực CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ PMSM & MƠ HÌNH MƠ PHỎNG TRÊN MATLAB - SIMULINK 17 3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển tựa theo từ thông rotor isd , isq để - Cần sử dụng khâu điều chỉnh dòng nhằm áp đặt nhanh dịng điều khiển từ thơng rotor momen quay Vì vậy, người ta sử dụng riêng rẽ điều chỉnh dòng isd isq (ĐCid ĐCiq) kiểu PI, giá trị cần giá trị thực đại lượng hình sin Các đầu ĐCid Đciq gọi yd yq Hình 3.1: Cấu trúc truyền động động đồng nuôi biến tần nguồn áp điều khiển tựa theo từ thông rotor 3.2 Xây dựng thuật tốn điều khiển 18 - Mạch vịng điều khiển tốc độ: Hình 3.2: Mạch vịng điều khiển tốc độ - Đặt: K1  1; K  pc p So ( s )  Ta có, hàm truyền hở: K1 K (1  2Ti s).Js Bộ điều khiển tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: R  K pw  8Ti s 8.J Ti J    K  pw K1K 2Ti s 8.Ti s K1 K Ti s K1 K 2Ti J - Ta có: usd  Rs yd  s L s yq  pT s usq  Rs yq  s L s yd  pT s 19 (3.1) - Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện (CTĐi): is  isu is  (isu  2isv ) (3.2) isd  is sin  s  is cos  s isq  is cos  s  is sin  s (3.3) - Chuyển đổi hệ tọa độ điện áp ( CTĐu): us  usd cos  s  usq sin  s us  usd sin  s  usq cos  (3.4) usu  us usv   us  u s 2 usw  u su  u sv (3.5) - Khâu điều chỉnh tốc độ quay (ĐC  ): r*  ( K p  i d ĐC iq ): 20 K I )( *   ) (3.6) p - Các khâu điều chỉnh dòng ( ĐC + Điều chỉnh dòng + Điều chỉnh dòng isd isq yd  ( K Pd  (ĐC i d ): (ĐC iq ): yq  ( K Pq  K Id )isd p K Iq p (3.7) )isq (3.8) 3.3 Mơ hình mơ Matlab – Simulink 3.3.1 Mơ hình động đồng - Để thành lập mơ hình động đồng ta dựa vào phương trình tính hệ tọa độ dq 3.3.2 Mơ hình mạng tính áp - Khối mạng tính áp Mtu 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 xây dựng từ biểu thức (3.4) (3.5) 3.3.4 Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện - Khối đổi hệ tọa độ dòng điện CTĐi xây dựng từ biểu thức (3.2) (3.3) 3.3.5 Kết mơ Hình 3.3: Nguồn ba pha 21 Hình 3.4: Điện áp Ud, Uq Hình 3.5: Dịng điện isd Hình 3.6: Dịng điện isq 22 Hình 3.7: Momen động Hình 3.8: Tốc độ góc động 23 Kết luận Qua bước phân tích mơ giải vấn đề sau: Nghiên cứu cấu trúc điều khiển động xoay chiều ba pha kích thích vĩnh cửu dựa nguyên lý tựa theo từ thông rô-to, xây dựng hệ thống mô matlab simulink hệ truyền động đồng bộ, cài đặt tiến hành thử nghiệm số cấu trúc điều khiển điển hình cho động đồng kích thích vĩnh cửu Các thông số kết mô cho thấy hệ thống hoạt động tốt, ổn định 24 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; NXB Khoa học kỹ thuật; 2006 25 ... CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ BIẾN TẦN – BIẾN TẦN NGUỒN ÁP 2.1 Mô tả cấu trúc biến tần - Biến tần thiết bị biến đổi điện xoay chiều từ tần số sang tần số khác -Biến tần chia làm hai loại: + Biến tần trực tiếp:... 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: 12 Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc biến tần nguồn áp 2.2 Mạch động lực biến tần. .. em sử dụng cơng cụ mạnh matlab Simulink để mơ mơ hình ? ?Động đồng kích thích vĩnh cửu? ?? Với giúp đỡ nhiệt tình thầy TS PHẠM TÂM THÀNH giúp em tìm hiễu rõ sâu sắc động đồng kích thích vĩnh cửu, cơng