Đánh giá ảnh hưởng của các tham số động cơ đến hệ truyền động động cơ không đồng bộ theo phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM MINH TUẤN ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐỘNG CƠ ĐẾN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ GIÁN TIẾP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – Năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM MINH TUẤN ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐỘNG CƠ ĐẾN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ GIÁN TIẾP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS.TẠ CAO MINH Hà Nội - 2016 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu luận văn thân đƣợc thực dƣới hƣớng dẫn PGS TS Tạ Cao Minh Kết nghiên cứu luận văn hồn tồn trung thực Tơi hồn toàn chịu trách nhiệm với nội dung luận văn Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2016 Học viên thực Phạm Minh Tuấn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn PGS TS Tạ Cao Minh, ngƣời thầy gần gũi đề phƣơng hƣớng, truyền thụ kinh nghiệm chuyên môn với tất niềm đam mê nghiên cứu khoa học, hết lịng dạy, tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ hỗ trợ tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp cao học Tôi xin chân thành cám ơn thầy, cô Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội truyền thụ cho kiến thức vô quý báu suốt trình học tập nghiên cứu đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, Ban Giám hiệu, Phịng Đào tạo – Trƣờng Cao đẳng nghề Dầu khí, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình cơng tác, tham gia lớp cao học nhƣ thực luận văn tốt nghiệp Xin cám ơn đồng nghiệp bạn bè nhƣ ngƣời thân gia đình tơi ln động viên, khuyến khích tơi suốt trình học tập nghiên cứu đề tài để tơi hồn thành luận văn Vũng tàu ,ngày tháng 10 năm 2016 Học viên thực Phạm Minh Tuấn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 11 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ (ĐCKĐB) 11 1.2.CẤU TẠO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 12 1.2.1.Phần tĩnh (stator) 13 1.2.2 Phần quay (rotor) 14 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 16 1.4 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐCKĐB 16 1.5 ƢU, NHƢỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐCKĐB 18 1.5.1 Ưu điểm 18 1.5.2 Nhược điểm 18 1.5.3 Ứng dụng ĐCKĐB 18 1.6.CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB 19 1.6.1 Đi u khiển v hư ng động c kh ng đ ng ộ (sca ar) 19 1.6.2 Phư ng pháp u chế véc t kh ng gian 21 1.6.3 Phư ng pháp u khiển véc t 22 CHƢƠNG 2: MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ PHA 24 2.1 XÂY DỰNG VECTƠ KHÔNG GIAN 24 2.2 CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI HỆ TRỤC TỌA ĐỘ PARK VÀ CLARKE 27 2.3 HỆ PHƢƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ 32 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật CHƢƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ 40 3.1.NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ 40 3.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ ĐCKĐB 42 3.2.1 Phư ng pháp u khiển véc t gián tiếp 42 3.2.1 Phư ng pháp u khiển véc t trực tiếp 46 CHƢƠNG 4: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐẾN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 47 4.1 ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐỘNG CƠ 47 a Sự thay đổi điện trở Rotor 47 b Sự thay đổi điện cảm tản Rotor 49 c Sự thay đổi điện trở Stator 50 d Sự thay đổi điện cảm stator 51 e Sự thay đổi hỗ cảm 51 4.2 ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THAM SỐ TRONG ƢỚC LƢỢNG GÓC TỪ TRƢỜNG 51 CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 53 5.1 TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ CẦN THIẾT 53 5.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 56 5.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 60 KẾT LUẬN 67 HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 67 PHỤ LỤC 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Phân loại động c điện sử dụng công nghiệp 11 Hình 1.1 Cấu tạo động c kh ng đ ng 13 Hình 1.2 Cấu tạo stator:1 – Lõi sắt, – Lá thép kỹ thuật điện, – Dây quấn, rãnh 13 Hình 1.3 a – Rotor dây quấn biến trở: – Lõi thé, – Cuộn dây 1, – Cuộn dây 2, – Cuộn dây 3, – Vành trượt, – Chuổi than, – Trục, – Biến trở, 14 b – Rotor dây quấn v i vành trượt 14 Hình 1.4: a - Cấu tạo rotor l ng sóc: – Lõi, – Thanh dẫn, – Vòng ngắn mạch, – Trục rotor, b – Dây quấn rotor 15 Hình a - Cấu tạo rotor l ng sóc kép: – Lõi, – Thanh dẫn, – Vòng ngắn mạch, – Trục rotor, b – Dây quấn rotor l ng sóc kép 15 Hình 1.6 Mạch điện tư ng đư ng pha ĐCKĐB 17 Hình Tổn thất cơng suất điện trở rotor gây 17 Hình Mơ hình chung hệ thống u khiển tốc độ v hư ng 20 Hình 10 Trạng thái đóng ngắt u khiển véc t kh ng gian 22 Hình S đ cuộn dây dòng điện ĐCKĐB 24 Hình 2.2 Cấu trúc véc t kh ng gian 26 Hình 2.3 Các hệ trục tọa độ tham chiếu 27 Hình 2.4 Biểu diễn dòng stator dư i dạng véc t kh ng gian 28 Hình 2.5 Véc t kh ng gian hệ trục tọa độ cố định 29 Hình 2.6 Công thức chuyển hệ trục tọa độ - Clarke 29 Hình 2.7 Công thức chuyển tọa độ - Inverse Clarke 30 Hình 2.8 Cơng thức chuyển tọa độ -Park 31 Hình 2.9 Cơng thức chuyển tọa độ - Inverse Park 31 Hình 2.10 M hình ĐCKĐB dư i hệ trục tọa độ    36 Hình 11 S đ véc t ĐCKĐB hệ hệ trục tọa độ 37 Hình 12 M hình ĐCKĐB pha hệ trục tọa độ dq 38 Hình Nguyên ý u khiển véc t 40 Hình (a) Đi u khiển động c DC, ( ) Đi u khiển vecto động c KĐB 41 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình 3 S đ khối phư ng pháp u khiển véc t 42 Hình Đ thị góc pha phư ng pháp u khiển véc t gián tiếp 43 Hình S đ tính góc quay  e theo phư ng pháp u khiển véct gián tiếp 45 Hình S đ nguyên ý u khiển véc t gián tiếp 45 Hình S đ nguyên ý u khiển véc t trực tiếp 46 Hình Mạch điện tư ng đư ng động c KĐB 47 Hình Cấu tạo dẫn rotor 49 Hình 4 Phân bố từ thơng tản rãnh kín rotor l ng sóc 49 Hình Cấu trúc rãnh rotor àm cho điện cảm tản rotor bị thay đổi a - rãnh nửa kín, b - rãnh hở 50 Hình Ảnh hưởng điện cảm tản t i dịng điện Rotor 50 Hình Sự thay đổi hỗ cảm theo iên độ dịng kích từ 51 Hình Mơ hình hệ thống truy n động Matlab 56 Hình M hình ĐCKĐB xây dựng hệ trục tọa độ alpha – beta 57 Hình Khối tính góc quay từ trường (  e ) 57 Hình Khối chuyển hệ trục tọa độ alpha – beta sang d - q 58 Hình 5 Khối u khiển dòng isq 58 Hình Khối đo ường dòng điện stator 59 Hình Khối nghịch ưu điện áp 59 Hình Kết mơ khởi động đóng tải cho động c 62 điện trở số 63 Hình 5.9 Kết mơ khởi động đóng tải cho động c điện trở rotor tăng lên tuyến tính (tăng ần) thời gian 7s 66 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU pp Số đôi cực từ is Véc tơ dòng stator ir Véc tơ dòng điện rotor ia , ib , ic Dòng điện pha abc isd , isq Thành phần dòng Stator trục d, trục q isα , isβ Thành phần dòng Stator trục α, trục β ML Mô men tải k Chỉ số hệ tọa độ (abc, dq α - β ) Me Mô men điện từ Me _ st Mô men khởi động Us Véc tơ điện áp stator Ur Véc tơ điện áp rotor T Nhiệt độ (đơn vị o C ) Rr 75o C Điện trở thời điểm 75 o C F Lực từ e Góc từ trƣờng Pm Cơng suất động B Hệ số ma sát nhớt  Điện trở suất vật liệu U sd ,U sq Thành phần điện áp Stator trục d, trục q U s ,U s Thành phần điện áp Stator trục α, trục β Luận văn thạc sĩ kỹ thuật r Vận tốc góc rotor n Tốc độ động (vòng/phút) n1 Tốc độ đồng (vòng/phút) sl Tốc độ trƣợt trục rotor e Tốc độ từ trƣờng ψs Véc tơ từ thông stator ψr Véc tơ từ thông rotor ψsd , ψsq Thành phần trục d , q từ thông stator ψrd , ψrq Thành phần trục d , q từ thông rotor ψrα , ψrβ Thành phần trục α, β từ thông rotor Lm Hỗ cảm stator rotor Lr , Ls Điện cảm stator điện cảm rotor L s , L r Điện cảm tản stator, rotor L2m   1 Ls Lr Hệ số tản từ  r  RLrr Hằng số thời gian rotor Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Bộ điểu chỉnh dòng: Risd  Kisd (1  Tisd p ) Trong đó: Chọn: TdI  TNL  0.0333(ms) T d  TdI  TNL  T  TNL  T  0, 233  0,  0, 433(ms) Tisd  2.Ksisd T d  0,009(s) Kisd  K NL K dI 22 2.0, 774   10,8  Ls D 0, 052.0,165.259 55 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 5.2 Mơ hình hệ thống truyền động phần mềm MATLAB/SIMULINK Từ sơ đồ tổng thể phƣơng pháp điều khiển véc tơ gián tiếp với mơ hình động khơng đồng phƣơng pháp chuyển đổi hệ trục tọa độ nhƣ phƣơng trình tốn học trình bày phần Ta xây dựng mơ hình hệ truyền động dựa phần mềm Matlab/Simulink thể hình 5.1 dƣới Hình M hình hệ thống truy n động Matlab 56 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình M hình ĐCKĐB xây dựng hệ trục tọa độ a pha – beta Hình Khối tính góc quay từ trường (  e ) 57 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình Khối chuyển hệ trục tọa độ alpha – beta sang d - q Hình 5 Khối u khiển dòng isq 58 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hình Khối đo ường dịng điện stator Hình Khối nghịch ưu điện áp 59 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 5.3 Kết mô đánh giá - Khởi động động với đƣờng đặt tốc độ tăng tuyến tính từ lên 200 rad/s thời gian t = 4s - Thời điểm ban đầu khởi động, mô – men tải (không tải) tải đƣợc đƣa vào thời điểm t  3s ( M L  Nm thời điểm t  3s ) tốc độ động tăng - Để đánh giá ảnh hƣởng điện trở rotor  Rr  đến hệ thống so sánh giá trị điện trở Rr theo trƣờng hợp sau:  Trƣờng hợp 1: Giá trị điện trở Rr đƣợc giữ nguyên giá trị ban đầu Rr  5.89    không thay đổi  Trƣờng hợp 2: Giả thiết điện trở rotor tăng tuyến tính lên lần khoảng thời gian t  7s ( từ thời điểm 7s đến 14s) - Các kết mô đƣợc đƣa dƣới với lƣu ý rằng: Điện trở rotor đƣợc giả thiết thay đổi mơ hình động cơ, nhiên việc tính tốn điều khiển cấu hình phƣơng pháp điều khiển véc tơ, giá trị điện trở giữ nguyên giá trị ban đầu  Trƣờng hợp thứ 1: - Hình 5.8 thể kết mô điện trở số 60 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật a Tốc độ động b Mô men động 61 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật c Từ thông trục d d Dòng điện stator theo trục d – q 62 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật e Dịng điện stator pha abc Hình Kết m khởi động đóng tải cho động c điện trở số Nhận xét: Từ kết mơ hình 5.8, thấy đại lƣợng hệ thống truyền động điều khiển véc tơ có đáp ứng phù hợp với lý thuyết  Trƣờng hợp thứ 2: Giả thiết điện trở rotor tăng dần tuyến tính lên gấp lần từ 7s đến 14s Kết mô đƣợc đƣa hình 5.11 Chúng ta thấy từ thơng trục d  rd dịng điện I sq bị thay đổi, cụ thể tăng dần từ 1.72 (Wb) lên đến 2.16 (Wb), dòng điện I sq tăng từ 2.82 (A) lên đến 3.12 (A) tốc độ mô - men động gần nhƣ không đổi - 63 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật a.Tốc độ động b Mô men động 64 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật c Từ thơng trục d d Dịng điện stator theo trục d - q 65 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật e Dòng điện stator pha abc f Điện trở rotor Hình Kết m khởi động đóng tải cho động c điện trở rotor tăng lên tuyến tính (tăng ần) thời gian 7s 66 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật KẾT LUẬN Trong luận văn tác giả nghiên cứu ảnh hƣởng tham số động đến chất lƣợng hệ truyền động điều khiển véc tơ ĐCKĐB Trong tham số động điện trở rotor có ảnh hƣởng lớn tham số đƣợc dùng việc tính tốn tốc độ trƣợt hệ, từ tính đƣợc góc từ thông rotor phƣơng pháp điều khiển véc tơ gián tiếp Ảnh hƣởng tham số đƣợc khảo sát qua mô Matlab/Simulink Kết mô cho thấy dòng điện stator bị thay đổi điện trở rotor thay đổi, từ làm giảm hiệu suất hệ truyền động HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Trong đề tài em xét đến ảnh hƣởng tham số đến chất lƣợng hệ thống Để đảm bảo chất lƣợng hệ thống tham số cần phải đƣợc ƣớc lƣợng cập nhật vào điều khiển (hay thuật toán điều khiển) Do vậy, hƣớng nghiên cứu xây dựng ƣớc lƣợng (tính tốn) tham số online hệ thống để đảm bảo chất lƣợng hệ truyền động 67 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật PHỤ LỤC  Bảng thông số động luận văn Thông số động Ký hiệu Giá trị Đơn vị Công suất định mức Pđm 2.2 kW Điện áp định mức Uđm 400 V Tần số f 50 Hz Số đôi cực pp Cặp Điện trở stator Rs 7.75  (Ohm) Điện trở rorto Rr 5.89  (Ohm) Mô men quán tính J 0.2291 kgm2 Điện cảm stator Ls 0.6937 H Điện cảm rotor Lr 0.6947 H Điện cảm từ hóa Lm 0.66785 H Tốc độ định mức nđm 2880 rpm (vịng/phút) Dịng từ hóa isđm 4,7 A Cosφ 0,85 (-) Hệ số công suất 68 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phùng Quang, Matlab&Simulink dành cho kỹ sư u khiển tự động hóa, NXB KH&KT, năm 2014 [2] Bimal K.Bose, Modern Power Electronics and AC Drives, Prentice Hall PTR, Press (2002) [3] Sul Seung-Ki, Control of Electric Machine Drive System - Wiley-IEEE, Press (2011) [4] Nguyen Phung Quang & J - A.Dittrich Vector Control of Three - Phase AC Machine, Springer, 1st Edition (2008) [5] P Vas, Vector control of AC machines, New York: Clarendon,1990 [6] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich; Truy n động điện thông minh, NXB KH&KT, in lần 2, 2004 69 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM MINH TUẤN ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐỘNG CƠ ĐẾN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ GIÁN... khiển véc tơ gián tiếp, đề tài cịn sâu vào phân tích đánh giá ảnh hƣởng tham số động đến hệ truyền động theo phƣơng pháp điều khiển véc tơ gián tiếp Đặc biệt thông số điện trở rotor hay số thời... khiển véc t gián tiếp 42 3.2.1 Phư ng pháp u khiển véc t trực tiếp 46 CHƢƠNG 4: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐẾN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 47 4.1 ẢNH