Phân tích thiết kế và điều khiển động cơ từ trở ở vùng tốc độ thấp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: TỰ NG HểA Phân tích, thiết kế điều khiển động từ trở vùng tốc độ thấp Lấ QUC DŨNG Người hướng dẫn khoa học: TS TẠ CAO MINH H Ni 2009 Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Quốc Dũng Mục lục Lời cảm ơn Lời cam đoan Danh mục ký hiệu viết tắt Danh mục bảng. Danh mục hình vẽ. Lời nói đầu. Chơng Tổng quan động từ trở thay ®æi 1.1 CÊu t¹o 1.2 Nguyên lý hoạt ®éng 1.3 Nguyên nhân phát sinh mômen 1.4 Các đờng đặc tính .7 1.4.1 Đờng đặc tính L( θ ) 1.4.2 Đờng đặc tính 10 1.5 Mạch điện thay tơng đơng 11 1.6 Phân loại .12 1.7 u nhợc điểm ứng dụng .13 1.7.1 −u ®iĨm 13 1.7.2 Nhợc điểm 13 1.7.3 øng dông 13 Ch−¬ng Mô hình hóa động từ trở thay đổi 15 2.1 Mô hình ®éng c¬ tõ trë 15 Cao häc Tù §éng Hãa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Quốc Dũng 2.1.1 Mô hình điện c¶m .15 2.1.2 Mô hình từ thông .17 2.1.3 Đặc tính điện cảm động từ trở 19 2.1.3.1 Mô hình điện cảm ba số hạng 21 2.1.3.1 Mô hình điện cảm bốn số hạng .22 2.1.4 Ph−¬ng trình điện áp mô men động từ trở 24 2.1.4.1 Phơng trình mômen .24 2.1.4.1 Phơng trình điện áp 27 2.2 Xây dựng mô hình động từ trở Matlab & Simulink .29 2.2.1 Xây dựng mô hình pha 29 2.2.2 X©y dựng mô hình động 30 Chơng Các vấn đề điều khiển động từ trở .33 3.1.Nguyên tắc điều khiển .33 3.2 Bé biÕn ®ỉi 36 3.2.1 Tæng quan 36 3.2.2 Phân loại biến đổi 38 3.2.3 Bộ biến đổi cầu không đối xứng 39 3.2.3.1 CÊu h×nh bé biÕn ®ỉi 39 3.2.3.2 Nguyên lý hoạt động .39 3.2.4 ¦u nhợc điểm biến đổi 43 3.2.4.1 Ưu điểm 43 3.2.4.2 Nhợc điểm 44 3.2.5 Mô hình biÕn ®ỉi 44 Cao häc Tù §éng Hãa - Khãa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Quốc Dũng 3.3 Bộ điều khiển dòng điện 45 Chơng Cực tiểu hóa độ nhấp nhô mômen động từ trở vùng tốc độ thấp 47 4.1 Tổng quan độ nhấp nhô mômen .47 4.1.1 Nguyªn nhân phát sinh độ nhấp nhô mômen 47 4.1.2 Tác hại độ nhấp nhô m«men 47 4.2 Bộ điều khiển mômen cha sử dụng phơng pháp giảm nhấp nhô mômen 48 4.2.1 Xây dựng khối phân phối mômen khối tạo dòng điện đặt cha sử dụng phơng pháp giảm nhấp nhô mômen 49 4.2.1.1 Khối tạo dòng điện ®Ỉt 49 4.2.1.2 Khối phân phối mômen .50 4.2.2 Sơ đồ Simulink toàn mô hình kết mô 50 4.3 Đề xuất phơng án làm cực tiểu hóa ®é nhÊp nh« m«men 52 4.3.1 Tổng quan hàm phân phối mômen 53 4.3.3 Sơ đồ simulink kết mô 58 4.3.3.1 Khối cực tiểu hóa độ nhấp nhô mômen 58 4.3.3.2 Sơ đồ simulink kết mô 59 4.4 ThiÕt kÕ bé ®iỊu khiĨn tèc ®é PI 62 4.5 Mô toàn hệ thống 65 4.6 KÕt luËn 70 Tài liƯu tham kh¶o Phô lôc Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN -1- Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Quốc Dũng Chơng Tổng quan động từ trở thay đổi 1.1 Cấu tạo Động từ trở thay đổi có cấu tạo gần giống với động bớc thông thờng nhng số cực stator nhiều so với động bớc, rotor khối đợc làm từ thép mỏng ghép lại cuộn dây nam châm vĩnh cửu (Hình 1.1) cho ta nhìn trực quan cấu tạo cắt ngang động từ trở thay đổi Hình 1.1 Cấu tạo cắt ngang động từ trở thay đổi 8/6 Nhìn chung động từ trở thay đổi có số đặc điểm cấu tạo nh sau: ã Cả rotor stator có cực lồi ngời ta gọi động lồi kép (double salient) ã Không giống stator loại máy điện pha khác (loại máy điện có cuộn dây phân tán tuỳ theo số đôi cực) , stator động từ trở thay đổi có cấu tạo nhiều cực từ chứa cuộn dây tập trung Rotor đơn giản nhiều Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN Luận văn thạc sĩ khoa học -2- Lê Quốc Dũng cuộn dây nh nam châm vĩnh cửu mà đợc chế tạo vật liệu sắt từ có xẻ với tổng số tổng số cực từ stator ã Các cuộn dây cực đối xứng xuyên tâm stator đợc nối nối tiếp song song để tạo thành pha động ã Cả stator rotor đợc làm từ thép mỏng ghép cách điện để hạn chế dòng Fuco ã Động từ trở thay đổi có số cấu hình phổ biến nh sau: 8/6 (tức stator có cực lồi rotor có (Hình 1.1), 6/4, 10/6, 12/6, Tuỳ trờng hợp sử dụng biến đổi ngời ta chọn số lợng cực stator rotor cho phù hợp Nhng phổ biến loại 8/6 6/4 Việc tăng số lợng cực stator (nhằm tăng số pha) giúp giảm độ nhấp nhô mômen nhng tăng số lợng thiết bị điện tử pha làm tăng giá thành thiết bị 1.2 Nguyên lý hoạt động Trớc vào tìm hiểu nguyên lý hoạt động động từ trở ta xem xét khái niệm quan trọng là: ã Vị trí đồng trục (Aligned position) ã Vị trí lệch trục (Unaligned position) Nh đà thể (hình 1.2) ta thấy hai cùc låi cđa stator vµ rotor n»m ë vị trí mà trục chúng trùng ngời ta gọi vị trí đồng trục (vị trí mà độ từ cảm sinh cực từ stator rotor lớn nhất), hai cùc cđa stator vµ rotor n»m lƯch hoµn toàn phần thiết diện chồng lên gọi vị trí lệch trục(vị trí mà độ từ cảm cực từ stator rotor bé nhất) Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN -3- Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Quốc Dũng Hình 1.2 Mặt cắt ngang động từ trở thay đổi 6/4 Bây tìm hiểu cách hoạt động động ( Lấy ví dụ động từ trở thay đổi 6/4 nh (hình 1.3) ) Hình Nguyên lí hoạt động Giả sử cực r1 r1 rotor cực c, c stator vị trí đồng trục (hình 1.3a) Trớc tiên ta đa dòng điện kích thích vào cuộn dây pha A, dòng điện sinh từ thông móc vòng qua cực a a cực r2 r2 rotor cách tơng ứng Do rotor có xu hớng quay phía mà độ tự cảm lớn hay từ trở nhỏ nên rotor lúc quay hớng đến vị trí đồng trục a, a r2, r2 Khi chúng đà vị trí dòng điện kích thích pha A bị ngắt vị trí cực nh thấy (hình 1.3b) Bây ta đa dòng điện kích thích vào cuộn dây pha B, dòng lại sinh từ thông móc vòng qua cực b, b r1, r1 cách tơng ứng, rotor lại đợc kéo quay theo chiều kim đồng hồ đa Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN Luận văn thạc sĩ khoa học -4- Lê Quốc Dũng r1, r1 hớng vị trí thẳng hàng với b b Khi đến vị trí ta lại ngắt dòng cấp cho pha B Tiếp tục chuyển sang cấp dòng cho pha C r2, r2 lại quay theo chiỊu kim ®ång hå h−íng vỊ c, c’ Cứ nh việc cấp dòng điện lần lợt cho tõng pha theo thø tù A B C ta làm động quay theo chiều kim đồng hồ Muốn đảo chiều quay động ta cần đảo thứ tự cấp dòng thành A C B Qua nguyên tắc hoạt động ta rút số nhận xét sau: ã Tại thời điểm có pha có dòng kích thích mômen đợc phát sinh dới dạng xung (do pha lần lợt sinh ra) Điều làm cho mômen tổng động đập mạch khoảng thời gian chuyển mạch pha có độ nhấp nhô cao ã Mỗi pha dẫn dòng khoảng thời gian tơng ứng với 450 điện, xung mômen sinh có độ rộng tơng đơng, điều tạo khác biệt rõ ràng động từ trở động bớc xung mômen động bớc tồn khoảng thời gian ngắn ã Các pha động đợc kích thích lần lợt dựa vào vị trí rotor Các pha lệch khoảng thời gian tơng ứng với góc mà ngời ta gọi bớc góc, kí hiệu S đợc tÝnh theo c«ng thøc sau: θ S = 2π q.n R 1.3 Nguyên nhân phát sinh mômen Để điều khiển đợc mômen động nhằm mục đích giảm đợc độ đập mạch mômen ta cần tìm hiểu nguyên nhân phát sinh mômen động cơ, qua thấy đợc mômen phụ thuộc vào yếu tố Sự sản sinh mômen động từ trở thay đổi đợc giải thích qua nguyên tắc chuyển đổi lợng từ điện sang cuộn dây Trên (hình 1.4a) cuộn dây gồm N vòng, đợc kích thích dòng ®iƯn i nã sÏ sinh mét tõ th«ng φ Khi tăng dòng kích thích, phần ứng di chuyển hớng khung cố định Đồ thị mối quan hệ từ thông lực từ F đợc thể nh (hình 1.4b) (ở vẽ với giá trị khoảng cách không khí x1 x2 với Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN -5- Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Quốc Dũng x2>x1) Đờng đặc tính F với khoảng cách không khí tuyến tính từ trở không khí lúc bị lấn át làm từ thông mạch từ nhỏ Hình 1.4 Vòng dây đặc tính (a) Cuộn dây (b) Đờng đặc tính từ thông lực từ Năng lợng điện đầu vào đợc tính nh sau: e= N We = ∫ eidt = dφ dt ∫ idt d ( Nφ ) = ∫ Nidφ = ∫ Fd dt (1.1) e sức điện dộng cảm ứng F lực từ Mặt khác lợng điện We tổng lợng lu trữ cuộn dây Wf phần lợng chuyển hoá thành lợng nên ta có: We = W f + Wm (1.2) Tại vị trí x1, cha có công học đợc thực lợng lu trữ cuộn dây lợng điện đầu vào: We = S OBEO = S OBAO = W f (do We = ∫ Fdφ ∫ φdF ) (1.3) Tại vị trí x2 ta có We = S OCDO W f = S OCAO C«ng thøc (1-2) cã thĨ viÕt ë d¹ng sau: Cao häc Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN Luận văn thạc sĩ khoa học -6- Lê Quốc Dũng We = W f + Wm (1.4) Xét điểm làm việc A với lực từ không đổi F1 ta cã: φ2 δWe = ∫ F1 dφ = F1 (φ − φ1 ) = S ( BCDEB ) (1.5) δW f = S (OCDO ) − S (OBEO ) (1.6) Kết hợp (1-3) đến (1-6) ta có: Wm = δWe − δW f = S ( BOBCO ) (1.7) Công thức (1-7) chứng minh cách định lợng chuyển đổi lợng điện đầu vào thành công học Xét trờng hợp máy điện quay, gia tăng đợc tính nh sau: Wm = Te , Te mômen điện từ thay đổi vị trí rotor Do mômen điện từ đợc tính theo công thức sau: Te = Wm (1.8) Mặt khác dòng kích thích số hay lực từ số gia tăng gia tăng lợng tích trữ cuộn dây Ta cã: δWm = δW f' = S (OCAO ) − S (OBCO ) = S (OBCO ) (1.9) ë ®ã: δW f' = ∫ φdF = ∫ φd ( Ni ) = ∫ ( Nφ )di = ∫ λ (θ , i )di = ∫ L(θ , i )idi (1.10) với L độ tự cảm, từ thông móc vòng hàm vị trí rotor dòng điện kích thích Từ biểu thức (1.8), (1.9) (1.10) ta có: Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN - 57 - Luận văn thạc sĩ khoa học * f j =1 j Lª Qc Dịng (θ ) = π⎞ ⎛ * f j (θ ) = f j ⎜ θ + ⎟ 3⎠ ⎝ π ⎞ ⎛ * f j (θ ) = f k ⎜ θ − ( j − k ) ⎟ 12 ⎠ ⎝ Te* Tx* i Ty* f Hình 4.9 Phơng pháp giảm nhấp nhô mômen sử dụng hai pha dẫn Có nhiều hàm thỏa mÃn yêu cầu trên, nhiên phạm vi luận văn, em xin trình bày phơng pháp chọn hàm nh sau: Đối với động từ trở 8/6 khoảng đặc tính điện cảm tăng giảm pha khoảng / Do ®ã ta chän gãc dÉn cđa mét pha / Điều có nghĩa : θoff − θon = π / (4.11) Trong on off lần lợt góc mở góc dẫn pha Cao học Tự Động Hóa - Khóa 2007-2009 ĐH Bách Khoa HN - 58 - Luận văn thạc sĩ khoa học Lê Quốc Dũng Khoảng hai pha dẫn dòng / 24 Trong suèt kho¶ng hai pha cïng dÉn, mômen tổng đợc phân phối đến hai pha theo hàm cos vị trí rotor Cụ thể pha j nh− sau : θon, j ≤θ