Nghiên cứu hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

Nghiên cứu hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Phạm Hồng Kiên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN! Sau thời gian học lớp cao học khoá 9 tại Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái nguyên - Đại học Thái Nguyên tôi được tiếp cận một cách có hệ thống các kiến thức khoa học tiên tiến hiện đại của ngành Tự động hoá XHCN. Kết thúc khoá học tôi được giao đề tài : “ Nghiên cứu hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng”. Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Như Hiển đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã giảng dạy lớp học, các thầy cô giáo trong bộ môn tự động hoá, cán bộ thư viện Trưòng Đại học công nghiệp Thái nguyên đã quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bạn bè, đồng nghiệp đã khích lệ động viên tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Thái Nguyên tháng 03 năm 2009 Tác giả Phạm Hồng Kiên Mục lục Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục . 1 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt. 3 Danh mục các hình vẽ, đồ thị 4 Lời nói đầu . 7 Chương 1: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng. 8 1.1. Tổng quan về các loại động cơ từ kháng (ĐCTK) . 8 1.2 Giới thiệu chung về động cơ từ kháng đồng bộ tuyến tính 9 1.2.1 Kiểu động cơ 2 trục LSRM . 11 1.2.2 Nhận dạng các tham số thực nghiệm . 14 1.3 Giới thiệu chung về động cơ từ kháng loại đóng ngắt (Switched reluctane motor - SRM ) . 15 1.3.1.Stator . 15 1.3.2 Rotor 17 1.4 Ưu điểm và ứng dụng của SRM. . 19 1.5. Tiền đề để xây dựng một hệ truyền động SRM 20 Chương 2. Nguyên lý, cấu trúc, điều khiển động cơ từ kháng 23 2.1. Nguyên lý của SRM 23 2.1.1. Phương thức hoạt động 23 2.1.2 Nguyên lý hoạt động . 25 2.2 Đặc tính cơ bản của SRM 30 2.3. Các phương trình mô tả động cơ SRM 31 2.3.1. Phương trình cân bằng điện từ . 31 Mục lục Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 2.3.2. Phương trình Momen tổng 32 2.3.3. Phương trình Momen tối giản . 36 2.3.4. Phương trình động học 37 2.4. Phương pháp chung điều khiển SRM . 38 2.5. Cấu trúc nghịch lưu . 41 2.6. Cấu trúc điều khiển có cảm biến vị trí . 44 2.7 Cấu trúc điều khiển không cần cảm biến vị trí . 46 Chương 3. Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng . 52 3.1. Mô hình SRM tuyến tính . 53 3.2 Mô hình phi tuyến . 58 3.3 Các kết quả mô phỏng 61 3.3.1 Kết quả mô phỏng ở chế độ tuyến tính . 61 3.3.2 Kết quả mô phỏng ở chế độ phi tuyến . 64 Phụ lục 68 Tài liệu tham khảo . 75 Các ký hiệu, các chữ viết tắt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu Diễn giải 1 Dk Tỷ lệ bề rộng xung điều chế 2 i Dòng chảy qua cuộn dây của SRM 3 L Điện cảm của SRM 4 m Số pha của Stator 5 mN Momen quay của ĐCTK 6 pc Số đôi cực 7 R Điện trở của cuộn dây pha Stator của ĐCTK 8 U Điện áp cuộn dây pha của ĐCTK 9 UDC, Utrans, Udiode Điện áp mạch một chiều, điện áp sụt trên Transitor trên Diode 10 z Số răng của Rotor 11 ψ Từ thông của cuộn dây pha của ĐCTK 12 ϕ Góc lệch trục 13 rsϑϑ, Bước góc của cực Stator, răng Rotor 14 ω Vận tốc góc của Rotor Danh mục hình vẽ, đồ thị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ STT Ký hiệu Diễn giải 1 Hình 1.1 Sttator của ĐCTK loại 6/4 2 Hình 1.2 ĐCTK loại 6/4 3 Hình 1.3 Rotor của ĐCTK 4 Hình 1.4 Một số loại SRM điển hình 5 Hình 2.1 Động cơ từ kháng 6 Hình 2.2 Vị trí đồng trục của Rotor và cực active 7 Hình 2.3 Cấu trúc ĐCTK 8/6 8 Hình 2.4 Trình tự đóng cắt nguồn sA, sD, sC, sB, sA, để tạo ra chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ. 9 Hình 2.5 Trình tự đóng cắt nguồn sA, sB, sC, sD, sA để tạo ra chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ. 10 Hình 2.6 Đặc tính cơ của ĐCTK 11 Hình 2.7 Năng lượng t ừ trong cuộn dây stator 12 Hình 2.8 Cơ năng của SMR 13 Hình 2.9 Phương pháp cơ bản điều khiển SMR 14 Hình 2.10 Sơ đồ chuyển mạch của SMR 3pha 6/4 15 Hình 2.11 Tín hiệu điều khiển SMR trong vùng tốc độ cao. 16 Hình 2.12 Cuộn dây pha a, Khi dẫn dòng b, Khi nạp dòng trở lại nguồn 17 Hình 2.13 Sơ đồ nghịch lưu 2m 18 Hình 2.14 Sơ đồ nghịch lưu m+1 Danh mục hình vẽ, đồ thị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 STT Ký hiệu Diễn giải 19 Hình 2.15 Sơ đồ nghịch lưu m+2 20 Hình 2.16 Điện cảm L của ĐCTK 21 Hình 2.17 Điều khiển ĐCTK nhờ khâu ĐC dòng ở mạch vòng 22 Hình 2.18 Các nguồn thông tin về vị trí Rotor chứa trong phương trình điện áp của SRM có m pha 23 Hình 2.19 Đặc tính từ thông/dòng/vị trí rotor của một ĐCTK loại 8/6 24 Hình 2.20 Các chế độ vận hành khác nhau không cần cảm biến đo vị trí 25 Hình 2.21 Cấu trúc hệ thống được mở rộng thêm khâu chuyển mạch không cần cảm biến vị trí 26 Hình 2.22 So sánh từ thông thực và từ thông chuẩn để quyết định thời điểm chuyển mạch nghịch lưu 27 Hình 3.1 Sơ đồ mạch điều khiển SRM dạng 2m 28 Hình 3.2 Quan hệ L = L(ϕ, i) của SMR 29 Hình 3.3 Quan hệ từ thông theo dòng điện và vị trí rotor 30 Hình 3.4 Quan hệ mN = mN(ϕ, i) 31 Hình 3.5 Mô hình mô phỏng ĐCTK ở chế độ tuyến tính 32 Hình 3.6 Mô hình mô phỏng c ấu trúc điều khiển một pha của SMR ở chế độ tuyến tính. 33 Hình 3.7 Tốc độ động cơ ở chế độ tuyến tính 34 Hình 3.8 Momen tổng của SRM ở chế độ tuyến tính 35 Hình 3.9 Momen pha của SRM ở chế độ tuyến tính 36 Hình 3.10 Dòng pha của SRM ở chế độ tuyến tính Danh mục hình vẽ, đồ thị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 STT Ký hiệu Diễn giải 37 Hình 3.11 Mô hình mô phỏng SRM ở chế độ phi tuyến 38 Hình 3.12 Mô hình mô phỏng một pha ĐCTK ở chế độ phi tuyến 39 Hình 3.13 Mômen pha của SMR phi tuyến 40 Hình 3.14 Mômen tổng của SMR phi tuyến 41 Hình 3.15 Dòng tổng của SMR phi tuyến 42 Hình 3.16 Đặc tính tốc độ SMR phi tuyến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 LỜI NÓI ĐẦU Động cơ từ kháng đã có từ lâu nhưng ít được chú ý do một số nhược điểm mang tính tiền định có nguồn gốc động cơ : Mô men quay chứa nhiều sóng hài bậc cao (mô men lắc), gây nhiều tiếng ồn và hiệu suất thấp. Ngày nay với sự phát triển của các ngành công nghiệp bán dẫn và vi điều khiển đã khắc phục được các nhược điểm trên. Nhưng động cơ từ kháng có một số ưu điểm nổi bật như: Tổn thất chủ yếu xuất hiện ở phía stator, do đó dễ làm mát, quán tính rotor bé, có kết cấu bền vững và phù hợp cho tốc độ quay cao, mô men khởi động lớn, chụi quá tải ngắn hạn rất tốt. Thêm vào đó ĐCTK có giá thành thấp nhất trong các loại động cơ và không cần bảo dưỡng. Chính vì vậy động cơ từ kháng được sử dụng ngày càng nhiều trong các hệ thống cơ điện tử. Vấn đề điều khiển động cơ từ kháng hết sức khó khăn. Do có cấu tạo phân cực ở cả hai phía Rotor và Stator nên đặc tính từ hoá của ĐCTK thể hiện tính phi tuyến rất mạnh. Từ thông móc vòng qua khe hở không khí là một hàm phi tuyến của dòng điện trong cuộn dây Stator và vị trí của Rotor. Với kết quả đạt được của luận văn tác giả mong muốn bản luận văn là tài liệu tham khảo bổ ích đối với các học viên chuyên ngành tự động hoá, vì đây là vấn đề còn đang bỏ ngỏ cả trong thực tế và học thuật. Với nội dung bản luận văn yêu cầu gồm 3 chương: Chương 1: Nghiên cứu chung về các hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng. Chương 2: Nguyên lý, cấu trúc, điều khiển động cơ từ kháng. Chương 3: Khảo sát chế độ làm việc của hệ truyền độ ng ứng dụng động cơ từ kháng. Trong quá trình hoàn thành bản luận văn không tránh khỏi thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn hoàn thiện hơn. Thái Nguyên tháng 3 năm 2009 Tác giả Phạm Hồng Kiên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN C ỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG Học viên: PHẠM HỒNG KIÊN Mã số: Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ Người HD Khoa học: PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN THÁI NGUYÊN - 2009 [...]... I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng Khái niệm máy điện từ kháng đã có từ rất lâu, với cái tên máy điện từ và sau này được phát triển thành một khái niệm mới đó là động cơ bước Một cách cơ bản thì ĐCTK là một dạng động cơ bước đã và đang có rất nhiều ứng dụng trong cả lĩnh vực ứng dụng động cơ bước chuyển động quay và động cơ bước tuyến tính Ý tưởng sử dụng. .. TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG Học viên: Phạm Hồng Kiên Lớp: Cao học K9 Chuyên ngành: Tự Động Hoá Người HD khoa học: PGS.TS Nguyễn Như Hiển Ngày giao đề: Ngày hoàn thành: KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HD KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Như Hiển HỌC VIÊN Phạm Hồng Kiên 8 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU CHUNG... là loại động cơ duy nhất cấu tạo có r cực ở cả phía Rotor và Stator Và như thế, ĐCTK hứa hẹn trong tương lai không xa nh ững hệ truyền động ổn định, giá thành hạ và có thể thay thế rất nhiều hệ truyền động đang sử dụng động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc, hay động cơ một chiều 1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG ĐỒNG BỘ TUYẾN TÍNH Ứng dụng của động cơ truyền động tuyến tính thay vì động cơ quay... Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng mạch công suất so với các bộ nghịch lưu kiểu cầu trong các bộ điều khiển tốc độ SRM Và từ nay trở về sau, tác giả cũng chỉ xin đề cập đến động cơ từ kháng loại có đóng ngắt (switched reluctane motor ) – tức là SRM Một hệ truyền động sử dụng SRM vốn sẵn có tính ổn định cao và vẫn có thể hoạt động khi hệ truyền động gặp... các hệ ều truyền động động cơ một chiều chất lượng cao và hệ truyền động động cơ xoay chi u để thu được những đặc tính làm việc tốt nhất Một đặc điểm ề nữa của SRM khác biệt so với các loại động cơ khác là m quan hệ giữa ối Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 22 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng Momen, dòngđiện... cơ từ kháng CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU CHUNG VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG (ĐCTK) Động cơ từ kháng có thể được coi là một trong những loại máy điện đầu tiên trên thế giới, nhưng ĐCTK vẫn không được chú trọng phát triển do một số các nhược điểm mang tính tiền định có nguồn gốc từ nguyên lý động cơ, đó là: - Momen quay ch a nhiều hàm bậc... truyền động tuyến tính thay vì động cơ quay trong sự truyền động đang ngày càng phát triển Động cơ tuyến tính có thể ứng dụng trong Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng các tàu điện tốc độ cao hoặc thang máy Ngày nay, động cơ tuyến tính đang trở nên ngày càng quan trọng trong... điều khiển Vector (phương pháp đi u khiển tựa theo từ thông Rotor), các hệ truyền động sử dụng ề động cơ không đồng bộ ba pha hay động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu cũng thu được những đặc tính làm việc có chất lượng như hệ truyền động động cơ một chiều Điều này là có thể được vì các phương trình của động cơ xoay chi u có thể chuyển đổi thành dạng động cơ một chiều thông qua ề các phương pháp chuy đổi... Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 21 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng 4Q – quay và đảo chiều, Momen dương) Quá trình quáđộ đáp ứng nhanh khi chuyển chế độ làm việc giữa các góc phần tư Hơn nữa, một hệ truyền động Servo chất lượng cao cần phải đáp ứng được những yêu cầu cao hơn như gi m thiểu được Momen lắc, đáp ứng quá độ nhanh, tăng tính ổn ả định, khả... Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 Chương I: Nghiên cứu chung về các hệ điều khiển truyền động ứng dụng động cơ từ kháng Mô hình ki u động học 2 trục của động cơ LSRM được mô tả trên ể thường được sử dụng như là một nền tảng cho cấu tạo, sự thiết kế điều khiển tuyến tính Tính phi tuyến của mạch từ trên trục d - q và tính không đối xứng tại hai đầu LSRM không được tính đến trong mô hình này . CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU CHUNG VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG (ĐCTK) Động cơ từ kháng. Chương 1: Nghiên cứu chung về các hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng. Chương 2: Nguyên lý, cấu trúc, điều khiển động cơ từ kháng.