Nghiên cứu hệ truyền động xoay chiều điều khiển thang máy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN HẢI BÌNH NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG XOAY CHIỀU ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN HẢI BÌNH NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG XOAY CHIỀU ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH HÀ NỘI - 2008 -2- LỜI CAM ĐOAN Tơi Nguyễn Hải Bình học viên lớp cao học Tự Động Hoá niên khoá 2006-2008 Sau hai năm học tập nghiên cứu, giúp đỡ thầy cô giáo đặc biệt PGS.TS Bùi Quốc Khánh, thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp tôi, đến cuối chặng đường để kết thúc khố học thạc sỹ Tơi định chọn đề tài tốt nghiệp là: "Nghiên cứu hệ truyền động xoay chiều điều khiển thang máy" Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu nhân hướng dẫn PGS.TS Bùi Quốc Khánh tham khảo tài liệu liệt kê Tơi khơng chép cơng trình nhân khác hình thức Nếu có tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Người cam đoan Nguyễn Hải Bình -3- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU 2.1 NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU 35 2.2.CHỈNH LƯU PWM 44 2.2.1 Nhiệm vụ 44 2.2.2 Cấu trúc mạch 45 2.2.4.Mơ tả tốn học chỉnh lưu PWM 51 2.2.5 Mô tả dòng điện điện áp nguồn 52 2.3.6.Mô tả điện áp vào chỉnh lưu PWM 53 2.2.7.Mơ tả tốn học chỉnh lưu PWM 54 NGHIÊN CỨU BẰNG MƠ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU (PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR- PMSM) CHO THANG MÁY 62 3.1 CÁC VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG THANG MÁY 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 -4- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT x(t), x Giá trị tức thời X*, x* Giá trị đặt α Góc pha vector chuẩn ϕ Góc pha dịng điện ω Vận tốc góc ψ Góc pha cos ϕ Hệ số công suất f Tần số i(t), i Giá trị dòng điện tức thời kP, kI Hệ số khuyếch đại, hệ số tích phân p(t), p Cơng suất tác dụng tức thời q(t), q Công suất phản kháng tức thời t Giá trị thời gian tức thời v(t), v Giá trị điện áp tức thời ψLα Thành phần vector từ thông ảo hệ trục toạ độ α - β ψLβ Thành phần vector từ thông ảo hệ trục toạ độ α - β ψLd Thành phần vector từ thông ảo hệ trục toạ độ d - q ψLq Thành phần vector từ thông ảo hệ trục toạ độ d - q uL Vector điện áp lưới uLα Thành phần vector điện áp lưới hệ trục toạ độ α - β uLβ Thành phần vector điện áp lưới hệ trục toạ độ α - β uLd Thành phần vector điện áp lưới hệ trục toạ độ d - q uLq Thành phần vector điện áp lưới hệ trục toạ độ d - q iL Vector dòng điện lưới iLα Thành phần vector dòng điện lưới hệ trục toạ độ α - β -5- iLβ Thành phần vector dòng điện lưới hệ trục toạ độ α - β iLd Thành phần vector dòng điện lưới hệ trục toạ độ d - q iLq Thành phần vector dòng điện lưới hệ trục toạ độ d - q uS, uconv Vector điện áp vào chỉnh lưu uSα Thành phần vector điện áp vào chỉnh lưu hệ trục toạ độ α - β uSβ Thành phần vector điện áp vào chỉnh lưu hệ trục toạ độ α - β uSd Thành phần vector điện áp vào chỉnh lưu hệ trục toạ độ d - q uSq Thành phần vector điện áp vào chỉnh lưu hệ trục toạ độ d - q udc Giá trị điện áp chiều idc Giá trị dòng điện chiều C Giá trị tụ điện I Giá trị hiệu dụng dòng điện L Giá trị điện cảm R Giá trị điện trở S Công suất biểu kiến T Chu kỳ P Công suất tác dụng Q Công suất phản kháng Z Tổng trở kháng 4Q Bốn góc phần tư (viết tắt Four(4) Quater) DPC Điều khiển trực tiếp công suất (viết tắt Direct Power Control) DTC Điều khiển trực tiếp mômen (viết tắt Direct Toque Control) DPF Hệ số công suất dịch chuyển (viết tắt Displacement Power Factor) FOC Điều khiển tựa từ trường (viết tắt Field Oriented Control) PF Hệ số công suất (viết tắt Power Factor) PMSM Động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu (viết tắt Permanent Magnet Synchronous Motor) -6- PWM Điều chế độ rộng xung (viết tắt Pulse Width Modulation) Te Mômen điện từ VOC Điều khiển tựa theo điện áp lưới (viết tắt Voltage Oriented Control) DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu tạo thang máy Hình 1.2: Chế độ làm việc tải Hình 1.3: Các đường cong biểu diễn phụ thuộc quãng đường S, tốc độ v, gia tốc a độ dật ρ theo thời gian Hình 1.4: Đồ thị phụ tải thang máy tầng Hình 1.5: Cấu trúc biến tần trực tiếp Hình 1.6: Cấu trúc biến tần gián tiếp Hình 2.1: Động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu loại SPM Hình 2.2: Động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu loại IPM Hình 2.3: Đồ thị vectơ động đồng Hình 2.4: Cấu trúc điều khiển vectơ động SPM Hình 2.5: Đồ thị vectơcủa SPM với điều khiển giảm từ thơng dịng stato khơng đổi Hình 2.6: Cấu trúc mạch chỉnh lưu PWM thường gặp Hình 2.7: Bộ biến đổi xoay chiều/một chiều/xoay chiều Hình 2.8: Hệ thống phân phối điện chiều Hình 2.9: Sơ đồ thay đơn giản chỉnh lưu pha PWM Hình 2.10: Giản đồ pha cho chỉnh lưu PWM Hình 2.11: Các trạng thái chuyển mạch chỉnh lưu PWM Hình 2.12: Mối quan hệ vector chỉnh lưu PWM Hình 2.13: Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM hệ toạ độ tự nhiên -7- Hình 2.14: Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM hệ toạ độ tĩnh α-β Hình 2.15: Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM hệ tọa độ quay d-q Hình 2.16: Dịng cơng suất biến đổi AC/DC hai chiều phụ thuộc vào hướng iL Hình 2.17: Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM Hình 2.18: Hệ truyền động động xoay chiều - biến tần dùng chỉnh lưu PWM với phương pháp điều khiển Hình 3.1: Hình 3.2: Hình 3.3: Hình 3.4: Cấu trúc điều khiển vectơ hệ truyền động biến tần – động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu Sơ đồ khối hệ biến tần động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu IPM, điều khiển trực tiếp mômen (DTC) Sơ đồ nguyên lý phần lực truyền động biến tần động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC Hình 3.7: Cấu trúc khối điều khiển nghịch lưu hệ truyền động biến tần – động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu Sơ đồ mơ hệ biến tần 4Q - Động đồng ba pha kích từ vĩnh cửu (PMSM) điều khiển theo VOC - DTC Triển khai chi tiết khối PLECS Circuit Hình 3.8: Triển khai chi tiết khối IGBT Converter Hình 3.9: Triển khai chi tiết INVERTER Hình 3.10: Triển khai chi tiết khối Speed controller INVERTER Hình 3.11: Triển khai chi tiết khối Current controller INVERTER Hình 3.12: Triển khai chi tiết khối SubSystem Hình 3.13: Triển khai chi tiết khối Voltage controller SubSystem Hình 3.14: Triển khai chi tiết khối Current controller SubSystem Hình 3.15: Triển khai chi tiết khối PWM SubSystem Hình 3.16a: Đồ thị tốc độ làm việc tốc độ cao giảm tốc chuẩn bị dừng Hình 3.17a: Đồ thị mơ men động đồng kích từ nam châm vĩnh Hình 3.5: Hình 3.6: -8- cửu Hình 3.18a: Đồ thị điện áp chiều chỉnh lưu PWM Hình 3.19a: Đồ thị dòng điện điện áp xảy hãm tái sinh nđc > nđb (dòng ngược pha áp) Hình 3.20a: Đồ thị dịng điện ba pha cấp cho động Hình 2.21a: Đồ thị dịng điện ba pha cấp cho động Hình 2.22a: Đồ thị dịng isq Hình 2.23a: Đồ thị dịng isd Hình 3.16b: Đồ thị tốc độ làm việc tốc độ cao giảm tốc chuẩn bị dừng Hình 3.17b: Đồ thị mơ men động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu Hình 3.18b: Đồ thị điện áp chiều chỉnh lưu PWM Hình 3.19b: Đồ thị dịng điện điện áp xảy hãm tái sinh nđc > nđb (dịng ngược pha áp) Hình 3.20b: Đồ thị dịng điện ba pha cấp cho động Hình 2.21b: Đồ thị dòng điện ba pha cấp cho động Hình 2.22b: Đồ thị dịng isq Hình 2.23b: Đồ thị dòng isd -9- MỞ ĐẦU Ngày với phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật cơng nghệ giới, Việt Nam ngày hội nhập với kinh tế giới tiếp nhận thành tựu khoa học công nghệ Đây yêu cầu thách thức đòi hỏi đội ngũ nhà khoa học kỹ thuật công nhân nước phải không ngừng học tập để tiếp cận làm chủ công nghệ tiên tiến giới Sau năm đào tạo thạc sỹ tạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, giao đề tài luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu hệ truyền động xoay chiều điều khiển phụ tải thang máy” Đối tượng nghiên cứu hệ truyền động biến tần - động đồng nam châm vĩnh cửu cho thang máy Thang máy thiết bị thiếu việc vận chuyển người hàng hố theo phương thẳng đứng tồn nhà cao tầng Trong năm gần nhiều nhà cao tầng xây dựng khắp miền đất nước nhờ thang máy, thang nói chung, thang máy chở người nói riêng đã, sử dụng ngày nhiều Tuy nhiên so với nước khu vực số lượng thang máy lắp đặt nước ta chưa lớn thiết bị mới, hiểu biết thang máy cịn giới hạn nhiều nhà chun mơn Việc chọn đề tài thang máy để làm luận văn giúp tơi có điều kiện tìm hiểu sâu thang máy hệ truyền động điều khiển nó, cập nhật kiến thức lĩnh vực truyền động để nâng cao khả chun mơn Luận văn gồm có chương: Chương I : Tổng quan thang máy Chương II : Nghiên cứu hệ truyền động biến tần động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu cho thang máy - 84 - NHẬN XÉT: Hình 3.18 biểu diễn điện áp chiều đầu chỉnh lưu PWM, bản, điện áp chiều sau chỉnh lưu tương tự trường hợp chỉnh lưu làm việc với tải điện trở đạt giá trị cao so với chỉnh lưu ốt giữ ổn định theo giá trị đặt, nhiên điều chỉnh giảm tốc độ động điện áp chiều có dao động nhỏ thời gian độ Trên đồ thị hình 3.19 cho thấy động biến đổi động thành điện đưa trả lại lưới điện xoay chiều tốc độ cao tốc độ đồng bộ, điều thể chỗ dòng xoay chiều ngược pha so với điện áp (lệch 1800), lưới điện xoay chiều tiếp nhận công suất tác dụng truyền từ động sang động làm việc trạng thái hãm (thể đổi chiều mô men động giai đoạn này) Khi trình hãm kết thúc, tốc độ động đạt giá trị xác lập mới, động chuyển trở chế độ động dịng điện điện áp lưới lại trùng pha Như vậy, kết mô cho thấy tỉêu chí biến tần 4Q dùng cho hệ truyền động động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu ứng dụng để cấp cho tải thang máy trình bày đạt Qua khẳng định tính đắn phương pháp nghiên cứu khoa học thuật toán điều khiển - 85 - KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu đề tài “ Nghiên cứu hệ truyền động xoay chiều điều khiển thang máy” tra cứu tìm hiểu hệ truyền động điều khiển thang máy sử dụng hệ truyền động biến tần - động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu Đây loại thang máy nhập vào Việt Nam Hệ truyền động biến tần - động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q với chỉnh lưu PWM đáp ứng đòi hỏi điện áp chiều đầu theo yêu cầu Ngoài sử dụng chỉnh lưu PWM cho phép thực trình trao đổi lượng hai chiều tải nguồn, giảm đáng kể sóng hài bậc cao dịng điện lưới, tăng hiệu suất Vì vậy, giá thành loại biến tần cao gấp đôi so với biến tần thông thường với hệ truyền động này, đặc biệt ứng dụng vào hệ thống thang máy, máy bơm, quạt gió,… phù hợp Luận văn hồnh thành với hướng dẫn tận tình PGS – TS Bùi Quốc Khánh Tôi xin chân thành cám ơn sâu sắc đến thầy cô giáo bạn đồng nghiệp động viên giúp đỡ nghiên cứu Nhiều yêu cầu đặt mà luận văn chưa đề cập hết được,với tinh thần không ngừng học hỏi, mong thầy cô giáo bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến để luận văn hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày 12 tháng 11 năm 2008 Tác giả Nguyễn Hải Bình - 86 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Trần Khánh Hà (1997), Máy điện tập 1, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Bùi Quốc Khánh, NguyễnVăn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2002), Tự động điều chỉnh truyền động điện, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Vũ Gia Hanh, Phan Tử Thụ (1992- Biên dịch), Máy điện, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2007), Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang, (2003) MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Trần Thọ, Võ Quang Lạp,(2001) Điều khiển tự động truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Bùi Quốc Khánh, Bùi Đăng Quang (2006), Nghiên cứu mơ hình điều khiển biến tần chỉnh lưu tích cực động khơng đồng bộ, Tuyển tập cơng trình khoa học-Phân ban Điện, Hội nghị khoa học lần thứ 20, Đại học Bách khoa Hà Nội, trang 101 đến trang 106 Tiếng Anh P Barrass, M Cade (1999), PWM rectifier using indirect voltage sensing, Proc.IEE-Elect Power Applicat., vol 146, no 5, pp 539544 The Mathworks, Simulink-Dynamic System Simulation for Matlab, Help file in Matlab7.01 R14 Plexim GmbH, PLECS - Piece-wise Linear Electrical Circuit Simulation for Simulink, User Manual, ver 1.2 - 87 - PHỤ LỤC Số liệu động tham số điều chỉnh mơ hình mơ phỏng: Số liệu cụ thể động cơ: Số liệu biến tần 4Q: - Thông số nguồn vào khối chỉnh lưu: U∼ = 220/380V, f = 50Hz; - Phần chiều biến tần PWM: Udc = 650V, Idc = 15A - Thông số đầu biến tần: U∼max = U = 220 = 311(V) , f = (5 ÷ 50) Hz - 88 - Các điều chỉnh Bộ điều chỉnh tốc độ (khâu PI)( INVERTER): K=25; KI =0.8 Các điều chỉnh dòng điện RIa, RIb, RIc (3 khâu PI) (Subsystem): K=10; TI=1000 Bộ điều chỉnh điện áp (phần chỉnh lưu PWM-khâu PI) (Subsystem): K=0,2;KI=20 Các điều chỉnh dòng điện phần chỉnh lưu PWM (Subsystem) điều khiển theo phương pháp VOC (2 khâu PI): K=10; TI=0,01s Chương trình tinh tu, tv, tw (khâu điều chế PWM) #define S_FUNCTION_NAME tinhtutw #define S_FUNCTION_LEVEL #include "simstruc.h" #include #ifndef MATLAB_MEX_FILE # include # include # include #endif /* input argument access macros */ #define NUM_IN_ARGS - 89 - #define SAMPLE_TIME #define pi (mxGetPr(ssGetSFcnParam(S, 0))[0]) 3.14159265 static void mdlInitializeSizes(SimStruct *S) { ssSetNumSFcnParams(S, NUM_IN_ARGS); if (ssGetNumSFcnParams(S) != ssGetSFcnParamsCount(S)) { # ifndef MATLAB_MEX_FILE rti_msg_error_set(RTI_SFUNCTION_PARAM_ERROR); # endif return; } ssSetNumContStates( S, 0); ssSetNumDiscStates( S, 1); ssSetNumInputPorts( S, 1); ssSetNumOutputPorts( S, 1); ssSetInputPortWidth( S, 0, 3); ssSetOutputPortWidth( S, 0, 3); ssSetInputPortDirectFeedThrough( S, 0, 1); ssSetNumSampleTimes( ssSetNumIWork( } S, 1); S, 2); ssSetNumRWork( S, 1); ssSetNumPWork( S, 0); - 90 - static void mdlInitializeSampleTimes(SimStruct *S) { real_T sampleTime = (real_T) SAMPLE_TIME; /* set sample time from parameter list */ if (sampleTime == -1.0) /* inherited */ { ssSetSampleTime(S, 0, INHERITED_SAMPLE_TIME); ssSetOffsetTime(S, 0, FIXED_IN_MINOR_STEP_OFFSET); } else if ((sampleTime == 0.0)) /* continuous */ { ssSetSampleTime(S, 0, CONTINUOUS_SAMPLE_TIME); ssSetOffsetTime(S, 0, FIXED_IN_MINOR_STEP_OFFSET); } else /* discrete */ { ssSetSampleTime(S, 0, sampleTime); ssSetOffsetTime(S, 0, 0.0); } } #define MDL_INITIALIZE_CONDITIONS #if defined(MDL_INITIALIZE_CONDITIONS) static void mdlInitializeConditions(SimStruct *S) { } - 91 - #endif static void mdlOutputs(SimStruct *S, int_T tid) { InputRealPtrsType uPtrs = ssGetInputPortRealSignalPtrs(S,0); real_T *y = ssGetOutputPortRealSignal(S,0); real_T udc,a,b,c,ua,ub,absua,absub,s,tx,tu,tv,tw; tx =1.0; ua=(*uPtrs[0]); ub=(*uPtrs[1]); udc=2*(*uPtrs[2])/3; if (ua>=0) absua=ua; else absua=-ua; if (ub>=0) absub=ub; else absub=-ub; a=(absua+absub/sqrt(3.0))/udc; b=(absua-absub/sqrt(3.0))/udc; c=(2*absub/sqrt(3.0))/udc; if(ub>=0) { - 92 - if(ua