Tìm hiểu và mô phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHỊNG ISO 9001:2008 TÌM HIỂU VÀ MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN CƠNG NGHIỆP HẢI PHÒNG - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ISO 9001:2008 TÌM HIỂU VÀ MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH ĐIỆN CƠNG NGHIỆP Sinh viên: Qch Duy Khánh Người hướng dẫn: GS.TSKH Thân Ngọc Hồn HẢI PHỊNG - 2019 Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc o0o BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên: Quách Duy Khánh Mã sv: 1513102001 Lớp: DCL901 Ngành Điện Tự động công nghiệp Tên đề tài: Tìm hiểu mơ động đồng nam châm vĩnh cửu NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( lý luận, thực tiễn, số liệu cần tính tốn vẽ) Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính tốn Địa điểm thực tập tốt nghiệp: CÁC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Người hướng dẫn thứ nhất: Họ tên : Thân Ngọc Hoàn Học hàm, học vị : Giáo sư - Tiến sĩ Khoa học Cơ quan công tác : Trường Đại học dân lập Hải Phòng Nội dung hướng dẫn : Toàn đồ án Người hướng dẫn thứ nhất: Họ tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác : Nội dung hướng dẫn : Đề tài tốt nghiệp giao ngày tháng năm 2019 Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày tháng năm 2019 Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N Sinh viên Cán hướng dẫn Đ.T.T.N Quách Duy Khánh GS.TSKH Thân Ngọc Hồn Hải Phịng, ngày tháng năm 2019 HIỆU TRƯỞNG GS.TS.NGƯT TRẦN HỮU NGHỊ PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1.Tinh thần thái độ sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp Đánh giá chất lượng Đ.T.T.N ( so với nội dung yêu cầu đề nhiệm vụ Đ.T.T.N, mặt lý luận thực tiễn, tính tốn giá trị sử dụng, chất lượng vẽ ) Cho điểm cán hướng dẫn ( Điểm ghi số chữ) Ngày… tháng……năm 2019 Cán hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI CHẤM PHẢN BIỆN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp mặt thu thập phân tích số liệu ban đầu, sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính tốn chất lượng thuyết minh vẽ, giá trị lý luận thực tiễn đề tài Cho điểm cán chấm phản biện ( Điểm ghi số chữ) Ngày… tháng……năm 2019 Người chấm phản biện (Ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.1 KHÁI NIỆM VÀ CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.3 PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ .9 1.4 CÁC ĐẶC TÍNH MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ .12 CHƯƠNG 2: ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (PMSM) 2.1 MỞ ĐẦU 23 2.2 CẤU TẠO CỦA PMSM 24 2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PMSM 27 2.4 MƠ TẢ TỐN HỌC CỦA PMSM 28 2.5 CÁC VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN PMSM .42 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN PMSM (DTC) 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 46 3.2.ĐIỀU KHIỂN TỪ THÔNG STATOR 47 3.3 ĐIỀU KHIỂN MÔ MEN 49 3.4 LỰA CHỌN VECTOR ĐIỆN ẤP 50 3.5 ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG STATOR, MÔ MEN ĐIỆN TỪ 52 3.6 THIẾT LẬP BỘ MÁY ĐIỀU CHỈNH TỪ THÔNG, MÔ MEN .55 3.7 THIẾT LẬP BẢNG CHUYỂN MẠCH .57 3.8 CẤU TRÚC HỆ THỐNG DTC 58 3.9 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN TRỞ STATOR TRONG DTC .59 3.10 BÙ ẢNH HƯỞNG ĐIỆN TRỞ 60 3.11 MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ 64 3.12 ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 67 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 Hình 3.7: Hàm đầu hiệu chỉnh mơ men Hình 3.8: Biến thiên mơ men sử dụng hiệu chỉnh trễ vị trí Để thay đổi mơ men, ta dự kiến phận hiệu chỉnh mô men đa dạng hiệu chỉnh từ thơng, ta thấy mơ men tăng giảm, cách sử dụng vectơ điện áp module khác vectơ module 0, vectơ module chọn để giảm số lượng chuyển mạch Để sử dụng vectơ Vi-1 sau Vi+1 hay ngược lại, phải chuyển mạch phía khác nhau, tương tự để sử dụng V i-2 sau Vi+2 ngược lại phải chuyển mạch phía khác Nhưng trình tự có lợi trình tự buộc nhánh van chuyển mạch Đó trình tự địi hỏi nhánh phải chuyển mạch lần Với chuyển mạch lần ln ln có vectơ điện áp module mà sử dụng sau vectơ khác Vi+1 ⇔ Vi-1 : chuyển mạch 56 Vi+2 ⇔ Vi-2 : chuyển mạch V2, V4, V6 ⇔ V7 : chuyển mạch Nếu chọn vectơ module khác 0, mô men giảm nhanh dùng vectơ điện áp module Vì ta xét hiệu chỉnh trễ vị trí mơ men Bộ so sánh trễ vị trí cho phép điều khiển máy điện theo hướng quay mô men dương mô men âm Như so sánh vị trí chấp nhận khả vận hành góc phần tư, mà khơng cần thay đổi cấu trúc điều khiển 3.7 THIẾT LẬP BẢNG CHUYỂN MẠCH Thiết lập bảng chuyển mạch cấu trúc điều khiển sở đầu hiệu chỉnh trễ từ thông, hiệu chỉnh trễ mô men vùng vị trí vectơ từ thơng stator Bảng chuyển mạch thiết lập để lựa chọn vectơ V i+1, Vi-1, Vi+2, Vi-2, tương ứng vùng i điều phù hợp với điều chỉnh vị trí mơ men Các vectơ có module V0, V7 chọn để đạt số lượng chuyển mạch biến tần Bảng 3.1: Bảng lựa chọn vecto điện áp điều khiển trễ mơmen vị trí, vector Từ thông Mô S1 S2 S3 S4 S5 S6 V2(110) V3(010) V4(011) V5(001) V6(101) V1(100) V0(000) V7(111) V0(000) V7(111) V0(000) V7(111) -1 V6(101) V1(100) V2(110) V3(010) V4(011) V5(001) V3(010) V4(011) V5(001) V6(101) V1(100) V2(110) V7(111) V0(000) V7(111) V0(000) V7(111) V0(000) -1 V5(001) V6(101) V1(100) V2(110) V3(010) V4(011) men 57 3.8 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN Cấu trúc phận chủ yếu hệ thống điều khiển trực tiếp mơ men máy điện đồng bộ, điều khiển mẫu mà chu kỳ điều khiển t c ngắn số thời gian máy điện Hình 3.9: Cấu trúc hệ thống DTC PMSM 58 Hình 3.10: Sơ đồ khối điều khiển trực tiếp mơ men động PMSM Hình 3.10 sơ đồ điều khiển trực tiếp mô men (DTC) động PMSM ba pha biến thiên biến thiên trục dq Dịng điện trục dq i d, iq đo từ dòng điện pha điện áp V d Vq tính tốn từ điện áp động chiều (DC), vectơ điện áp xác định bảng chọn vectơ điện áp tìm Dịng điện điện áp trục dq để xác định vectơ từ thông công thức sau: ∫ Bù ảnh hưởng điện trở stator DC offset cần thiết đặc biệt tốc độ thấp 3.9 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN TRỞ STATOR TRONG PHƯƠNG PHÁP ĐIỂU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN (DTC) Điện trở stator RS tham số máy điện sử dụng phương pháp DTC, ảnh hưởng tham số tới chất lượng điều khiển cần xét tới Phần cốt lõi phương pháp DTC dựa vào sai lệch mô men đặt với mô men ước lượng sai lệch từ thông đặt với từ thông ước lượng, việc ước lượng mơ men tính theo giá trị 59 từ thông ướng lượng, việc ước lượng từ thơng có tính định phương pháp điều khiển trực tiếp mô men Từ biểu thức (3.1) ta thấy ước lượng thành phần từ thông khơng xác bỏ qua thành phần điện trở R, bỏ qua thay đổi biện trở stator RS, ảnh hưởng xấu tới chất lượng điều khiển Ở dải tốc độ thấp, thành phần sức điện động bé, thành phần I S, RS có giá trị đủ lớn so sánh với thành phần điện áp V S, trường hợp thành phần R S so sánh với thành phần điện áp V S, trường hợp thành phần R S không xét tới dẫn đến giá trị biên độ từ thông stator không đúng, điều kéo theo giá trị mô men ước lượng không làm điều khiển thực lựa chọn vectơ chuẩn không đúng, dẫn đến chất lượng điều khiển xấu, hệ thống ổn định Khi hoạt động dải tốc độ cao thành phần điện áp rơi điện trở stator R S bé so với thành phần điện áp ảnh hưởng khơng đáng kể, bỏ qua 3.10 BÙ ẢNH HƯỞNG ĐIỆN TRỞ Để bù ảnh hưởng điện trở stator có phương pháp thực ước lượng điện trở Phương pháp sử dụng điều khiển PI để ước lượng điện trở (M.E.Haque M.F.Rahamn,1998), thông qua lượng sai lệch từ thông thời điểm xét hai lọc thông thấp Phương pháp ước lượng điện trở stator trạng thái nghỉ động 3.10.1 Ước lượng điện trở stator sử dụng điều khiển bù PI Trong phương pháp này, sai lệch giá trị đặt từ thông stator với giá trị từ thông stator ước lượng thời điểm xét đầu vào ước lượng PI Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp mơ men có tính đến bù điện trở stator trình bày hình (3.11) 60 Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc DTC PMSM có bù RS Phương pháp dựa lập luận, thay đổi giá trị điện trở stator tạo nên thay đổi thành phần dòng điện stator biên độ từ thông stator, giá trị sai lệch từ thông tỉ lệ với lượng thay đổi phía trị điện trở stator, phương trình sử dụng cho bù điện trở PI có biểu thức: ( ) Với KP, Ki hệ số tỷ lệ, hệ số tích phân bù PI Cấu trúc hình (2.12) 61 + + + + + Hình 3.12: Cấu trúc bù điện trở PI Sai lệch từ thông stator đặt với từ thông stator ước lượng qua lọc thông thấp có tần số cắt lớn nhằm làm suy giảm thành phần tần số cao giá trị từ thông ước lượng, tín hiệu sau lọc đưa qua PI để ước lượng giá trị thay đổi RS (do nhiệt độ hay tần số), giá trị thay đổi điện trở stator sau cộng với giá trị điện trở stator chu kỳ trước, giá trị điện trở stator ước lượng lại đưa qua lọc thông thấp, giá trị điện trở stator ước lượng lại chu kỳ tính sau sử dụng cho lần 3.10.2 Ước lượng điện trở stator trạng thái nghỉ động Trong phương pháp này, giá trị điện trở stator ước lượng dựa vào hai giá trị từ thông stator lượng hai thời điểm, với giá trị dòng cột chiều đưa vào, thu công thức tính đơn giản, dễ thực Cấu trúc DTC PMSM có bù R S khơng thay đổi so với cấu trúc chưa tính tới khâu bù ngoại trừ việc đưa thêm cơng thức tính tốn bù giá trị RS khối ước lượng từ thông stator Điện trở stator ước lượng cách đưa dòng điện chiều vào stator động cơ, từ thơng động bên phía stator tính sau: 62 ⁄ Dịng iS số nên , từ thơng stator ước lượng tính: ̅ ̅ ̅ ∫ Điện trở stator ước lượng RS tính tổng giá trị cố định RS lượng thay đổi ∆RS: ̅ Giả sử giá trị điện áp stator ước lượng với giá trị điện áp stator thực giá trị dịng điện đo xác, sai lệch từ thông ước lượng từ thông thực là: ̅ ∫ thiết: Lượng sai lệch ∆RS tính từ phương trình Khi từ thơng thực ϕS chưa biết từ thơng ước lượng ̅ , ̅ cần ̅ ̅ ̅ Vì dịng điện stator số, tính sai lệch ∆RS ̅ Từ phương trình ̅ (3.4) Sau giá trị điện trở ước lượng lần sau là: ̅ ̅ Giá trị sai lệch ∆RS giảm dần thông qua thuật tốn lặp với giá trị đầu vịng lặp ̅ chu theo biểu thức (3.32) chu kỳ lặp khoảng vài ms giá trị∆RS< ε (ε sai lệch cho phép) Phương pháp đặc biệt thích hợp với biến tần cơng nghiệp tính đơn giản xác Tuy nhiên, phương pháp khơng có khả ước lượng giá trị điện trở stator động chạy 63 Nhận xét: - Khi bù không ảnh hưởng điện trở RS, hệ thống làm việc dễ rơi vào vùng ổn định - Sau bù ảnh hưởng thay đổi điện trở làm cho hệ thống làm việc ổn định 3.11 MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH KẾT QUẢ Hình 3.13: Mơ Matlab điều khiển vị trí Kết mơ điều khiển trực tiếp mô men động PMSM sử dụng khâu trễ mơ men vị trí 64 a Quỹ đạo từ thơng, điều khiển vị trí b Dịng điện (A), điều khiển vị trí 65 c Mơ men (N.m), điều khiển vị trí Hình 3.14: Các đặc tính động cơ, điều khiển trễ mô men vị Nhận xét kết đặc tính động cơ, điều khiển trễ mơ men vị trí: Để điều khiểu trực tiếp mơ men động đồng nam châm vĩnh cửu chương phân tích biên độ từ thơng stator giữ số, điều khiển dòng điện id giữ Trong trường hợp mơ men đặt thay đổi cách đột ngột, đáp ứng mô men thực điều khiển trực tiếp mơ men nhanh nhiều so với điều khiển dịng điện (gấp 5÷6 lần) Từ kết mô phỏng, thấy rằng: điều khhiển trễ mơ men vị trí, q trình q độ xảy nhanh, nhiễu mơ men, dịng điện nhỏ Việc áp dụng điều khiển trực tiếp mô men, truyền động động đồng nam châm vĩnh cửu khảo sát , chứng minh cách tốn học gia tăng mơ men điện từ, động nam châm vĩnh cửu 66 tương ứng với gia tăng góc lệch pha từ thơng rotor stator mơ men nhanh chóng hình thành, cách điều chỉnh tốc độ quay từ thông stator nhanh tốt 3.12 ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN Để đáp ứng mơ men nhanh chóng hình thành, chương nghiên cứu mô phương pháp điều khiển trực tiếp mô men động đồng nam châm vĩnh cửu, phương pháp chứng tỏ ưu điểm bật so với phương pháp điều khiển vectơ kinh điển Ưu điểm phương pháp mới: - Khơng sử dụng mạch vịng dịng điện, sử dụng tham số RS - Cấu trúc đơn giản chất phương pháp điều khiển tựa theo từ thơng stator Do khơng cần khâu điều khiển chuyển đổi - khâu tương đối phức tạp phương pháp điều khiển từ thông rotor - Qua kết mô phương pháp điều khiển trực tiếp mô men với khâu trễ mơ men vị trí, thấy đáp ứng mơ men nhanh chóng hình thành Trong chương trình bày phương pháp điều khiển trực tiếp mơ men động đồng nam châm vĩnh cửu có phân tích ảnh hưởng tham số RS động đến làm việc ổn định hệ thống, từ đề xuất thuật tốn bù ảnh hưởng điện trở stator động cơ, xem vấn đề đề tài Nhược điểm phương pháp mới: Phương pháp DTC cho đáp ứng mơ men nhanh, phụ thuộc vào tham số động cơ, nhiên khả ứng dụng phương pháp gặp số hạn chế vùng tốc độ thấp - mạch từ bị bão hồ nên mơ men khơng thể đạt yêu cầu, điều ảnh hưởng đến chất lượng hệ 67 truyền động động đồng nam châm vĩnh cửu điều khiển trực tiếp mô men 68 KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian thực đề tài tốt nghiệp, với nỗ lực cố gắng thân giúp đỡ tận tình thầy giáo khoa, bạn bè lớp, đến em hồn thành đề tài tốt nghiệp Trong đề tài em tìm hiểu thực yêu cầu sau:  Tìm hiểu động đồng nam châm vĩnh cửu  Tìm hiểu phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông (DTC)  Xây dựng sơ đồ mô hệ thống điều khiển trực tiếp từ thông phần mềm Matlab - Simulink  Đánh giá ưu nhược điểm phương pháp điều khiển từ khai thác phát triển hệ thống để ứng dụng vào việc lắp đặt hệ thống máy móc dây chuyền đại Tuy nhiên để làm việc cần đòi hỏi tầm hiểu biết định điện tử, tin học kiến thức chuyên ngành chuyên sâu nên em gặp khơng khó khăn Trong q trình làm đồ án, cố gắng kiến thức kinh nghiệm hạn chế nên đồ án khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận bảo đóng góp thầy, cô giáo bạn để đồ án hoàn thiện Một lần em xin chân thành cảm ơn bảo, hướng dẫn tận tình thầy giáo GS.TSKH Thân Ngọc Hồn, thầy khoa bạn bè lớp giúp đỡ em trình thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày tháng năm 2019 Sinh viên thực Quách Duy Khánh 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS TSKH Thân Ngọc Hoàn - TS Nguyễn Trọng Thắng (2019), Nguyên lý hoạt động máy điện, Nhà xuất Xây dựng [2] GS TSKH Thân Ngọc Hoàn - TS Nguyễn Tiến Ban (2007), Điều khiển tự động hệ thống truyền động điện, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [3] [4] GS TSKH Thân Ngọc Hoàn (2005), Máy điện, Nhà xuất Xây dựng GS TSKH Thân Ngọc Hồn (2002), Mơ hệ thống điện tử công suất truyền động điện, Nhà xuất Xây dựng [5] Nguyễn Hoàng Hải - Nguyễn Việt Anh (2006), Lập trình Matlab ứng dụng, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [6 Jorge Zambada ri nt - Microchip Corporation (2007), ontro o ir ct Motor M M i M M Motors, Microchip Technology Inc [7] M.S.Merzoug - F.Naceri (2008), omparison o an nsor ss orqu ontro or rman nt i - ri nt Magn t ontro ynchronous World Academy of Science, Engineering and Technology 45 [8] Pragasen Pillay and Ramu Krishnan (1991), o rman nt Magn t ynchronous an pp ication haract ristics s rush s Motors or rvo Drives, IEEE Transactions of Industry Applications 70 ... phải dài 22 CHƯƠNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (PMSM) 2.1 MỞ ĐẦU Động đồng nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet synchronous motors - PMSM) dạng đặc biệt máy điện đồng Động đồng thông thường... thức động đồng em giao đề tài đồ án ? ?Tìm hiểu mơ động đồng nam châm vĩnh cửu? ?? thầy giáo GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn hướng dẫn Nội dung bao gồm chương: Chương 1: Máy điện đồng Chương 2: Động đồng nam châm. .. đồng nam châm vĩnh cửu Chương 3: Điều khiển trực tiếp mô men động đồng nam châm vĩnh cửu CHƯƠNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.1 KHÁI NIỆM VÀ CẤU TẠO CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 1.1.1 Khái niệm Máy điện đồng máy điện