Nghiên cứu hệ truyền động ứng dụng động cơ từ kháng

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình tơi tổng hợp nghiên cứu Trong luận văn có sử dụng số tài liệu tham khảo nêu phần tài liệu tham khảo Tác giả luận văn Phạm Hồng Kiên Số hóa 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 Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái nguyên - Đại học Thái Nguyên tiếp cận cách có hệ thống kiến thức khoa học tiên tiến đại ngành Tự động hố XHCN Kết thúc khố học tơi giao đề tài : “ Nghiên cứu hệ truyền động ứng dụng động từ kháng” Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Như Hiển tận tình hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành nhiệm vụ học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo giảng dạy lớp học, thầy cô giáo mơn tự động hố, cán thư viện Trưịng Đại học công nghiệp Thái nguyên quan tâm tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến bạn bè, đồng nghiệp khích lệ động viên tơi q trình học tập nghiên cứu Thái Nguyên tháng 03 năm 2009 Tác giả Phạm Hồng Kiên Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Mục lục MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục hình vẽ, đồ thị Lời nói đầu Chương 1: Nghiên cứu chung hệ điều khiển truyền động ứng dụng động từ kháng 1.1 Tổng quan loại động từ kháng (ĐCTK) 1.2 Giới thiệu chung động từ kháng đồng tuyến tính 1.2.1 Kiểu động trục LSRM 11 1.2.2 Nhận dạng tham số thực nghiệm 14 1.3 Giới thiệu chung động từ kháng loại đóng ngắt (Switched reluctane motor - SRM ) 15 1.3.1.Stator 15 1.3.2 Rotor 17 1.4 Ưu điểm ứng dụng SRM 19 1.5 Tiền đề để xây dựng hệ truyền động SRM 20 Chương Nguyên lý, cấu trúc, điều khiển động từ kháng 23 2.1 Nguyên lý SRM 23 2.1.1 Phương thức hoạt động 23 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 25 2.2 Đặc tính SRM 30 2.3 Các phương trình mơ tả động SRM 31 2.3.1 Phương trình cân điện từ 31 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Mục lục 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 Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động từ kháng 52 3.1 Mơ hình SRM tuyến tính 53 3.2 Mơ hình phi tuyến 58 3.3 Các kết mô 61 3.3.1 Kết mô chế độ tuyến tính 61 3.3.2 Kết mơ chế độ phi tuyến 64 Phụ lục 68 Tài liệu tham khảo 75 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Các ký hiệu, chữ viết tắt CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Diễn giải TT Ký hiệu Dk i Dòng chảy qua cuộn dây SRM L Điện cảm SRM m Số pha Stator mN Momen quay ĐCTK pc Số đôi cực R Điện trở cuộn dây pha Stator ĐCTK U Điện áp cuộn dây pha ĐCTK UDC , Utrans, Udiode Tỷ lệ bề rộng xung điều chế Điện áp mạch chiều, điện áp sụt Transitor Diode 10 z Số Rotor 11 ψ Từ thông cuộn dây pha ĐCTK 12 ϕ Góc lệch trục 13 ϑ s ,ϑ r 14 ω Bước góc cực Stator, Rotor Vận tốc góc Rotor Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Danh mục hình vẽ, đồ thị DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ STT Ký hiệu Diễn giải Hình 1.1 Sttator ĐCTK loại 6/4 Hình 1.2 ĐCTK loại 6/4 Hình 1.3 Rotor ĐCTK Hình 1.4 Một số loại SRM điển hình Hình 2.1 Động từ kháng Hình 2.2 Vị trí đồng trục Rotor cực active Hình 2.3 Cấu trúc ĐCTK 8/6 Hình 2.4 Trình tự đóng cắt nguồn sA, sD, sC, sB, sA, để tạo chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ Hình 2.5 Trình tự đóng cắt nguồn sA, sB, sC, sD, sA để tạo chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ 10 Hình 2.6 Đặc tính ĐCTK 11 Hình 2.7 Năng lượng t cuộn dây stator 12 Hình 2.8 Cơ SMR 13 Hình 2.9 Phương pháp điều khiển SMR 14 Hình 2.10 Sơ đồ chuyển mạch SMR 3pha 6/4 15 Hình 2.11 Tín hiệu điều khiển SMR vùng tốc độ cao 16 Hình 2.12 17 Hình 2.13 Sơ đồ nghịch lưu 2m 18 Hình 2.14 Sơ đồ nghịch lưu m+1 Cuộn dây pha a, Khi dẫn dịng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên b, Khi nạp dịng trở lại nguồn http://www.lrc-tnu.edu.vn Danh mục hình vẽ, đồ thị STT Ký hiệu Diễn giải 19 Hình 2.15 Sơ đồ nghịch lưu m+2 20 Hình 2.16 Điện cảm L ĐCTK 21 Hình 2.17 Điều khiển ĐCTK nhờ khâu ĐC dịng mạch vịng 22 Hình 2.18 Các nguồn thơng tin vị trí Rotor chứa phương trình điện áp SRM có m pha 23 Hình 2.19 Đặc tính từ thơng/dịng/vị trí rotor ĐCTK loại 8/6 24 Hình 2.20 Các chế độ vận hành khác khơng cần cảm biến đo vị trí 25 Hình 2.21 Cấu trúc hệ thống mở rộng thêm khâu chuyển mạch khơng cần cảm biến vị trí 26 Hình 2.22 So sánh từ thơng thực từ thơng chuẩn để 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) SMR 29 Hình 3.3 Quan hệ từ thơng theo dịng điện vị trí rotor 30 Hình 3.4 Quan hệ mN = mN( ϕ , i) 31 Hình 3.5 Mơ hình mơ ĐCTK chế độ tuyến tính 32 Hình 3.6 Mơ hình mơ c ấu trúc điều khiển pha SMR chế độ tuyến tính 33 Hình 3.7 Tốc độ động chế độ tuyến tính 34 Hình 3.8 Momen tổng SRM chế độ tuyến tính 35 Hình 3.9 Momen pha SRM chế độ tuyến tính 36 Hình 3.10 Dịng pha SRM chế độ tuyến tính Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Danh mục hình vẽ, đồ thị STT Ký hiệu Diễn giải 37 Hình 3.11 Mơ hình mơ SRM chế độ phi tuyến 38 Hình 3.12 Mơ hình mơ pha ĐCTK chế độ phi tuyến 39 Hình 3.13 Mơmen pha SMR phi tuyến 40 Hình 3.14 Mơmen tổng SMR phi tuyến 41 Hình 3.15 Dịng tổng SMR phi tuyến 42 Hình 3.16 Đặc tính tốc độ SMR phi tuyến Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Động từ kháng có từ lâu ý số nhược điểm mang tính tiền định có nguồn gốc động : Mơ men quay chứa nhiều sóng hài bậc cao (mơ men lắc), gây nhiều tiếng ồn hiệu suất thấp Ngày với phát triển ngành công nghiệp bán dẫn vi điều khiển khắc phục nhược điểm Nhưng động từ kháng có số ưu điểm bật như: Tổn thất chủ yếu xuất phía stator, dễ làm mát, qn tính rotor bé, có kết cấu bền vững phù hợp cho tốc độ quay cao, mô men khởi động lớn, chụi tải ngắn hạn tốt Thêm vào ĐCTK có giá thành ấp th loại động khơng cần bảo dưỡng Chính động từ kháng sử dụng ngày nhiều hệ thống điện tử Vấn đề điều khiển động từ kháng khó khăn Do có cấu tạo phân cực hai phía Rotor Stator nên đặc tính từ hố ĐCTK thể tính phi tuyến mạnh Từ thơng móc vịng qua khe hở khơng khí hàm phi tuyến dòng điện cuộn dây Stator vị trí Rotor Với kết đạt luận văn tác giả mong muốn luận văn tài liệu tham khảo bổ ích học viên chun ngành tự động hố, vấn đề bỏ ngỏ thực tế học thuật Với nội dung luận văn yêu cầu gồm chương: Chương 1: Nghiên cứu chung hệ truyền động ứng dụng động từ kháng Chương 2: Nguyên lý, cấu trúc, điều khiển động từ kháng Chương 3: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền độ ng ứng dụng động từ kháng Trong q trình hồn thành ản b luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong nhận đóng góp ý kiến Thầy giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Thái Nguyên tháng năm 2009 Tác giả Phạm Hồng Kiên Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 61 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động từ kháng 3.3 CÁC KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 3.3.1 Kết mơ chế độ tuyến tính Hình 3.5 Mơ hình mơ động từ kháng ch ế độ tuyến tính Hình 3.6 Mơ hình mơ c ấu trúc điều khiển pha SMR chế độ tuyến tính Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 62 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động từ kháng Hình 3.7 Đặc tính tốc độ động chế độ tuyến tính Hình 3.8 Momen ổt ng SRM chế độ tuyến tính Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 63 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động từ kháng Hình 3.9 Momen pha SRM chế độ tuyến tính Hình 3.10 dịng pha SRM chế độ tuyến tính Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 64 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động từ kháng 3.3.2 Kết mô chế độ phi tuyến Hình 3.11 Mơ hình mơ SMR chế độ phi tuyến Hình 3.12 Mơ hình mơ cấu trúc điều khiển pha SMR chế độ phi tuyến Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Mo men 65 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động từ kháng 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0.2 0.4 0.6 0.8 t(S) 1.2 1.4 1.8 1.6 -3 x 10 Mo men Hình 3.13 Mômen pha SMR phi tuyến 2.5 1.5 0.5 0 -3 x 10 t(S) Hình 3.14 Mơmen tổng SMR phi tuyến Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Dòng điện 66 Chương III: Khảo sát chế độ làm việc hệ truyền động ứng dụng động từ kháng 0 0.5 1.5 2.5 t(S) -3 x 10 Tốc đ ộ Hình 3.15 Dòng tổng SMR phi tuyến 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0.5 1.5 2.5 t(S) Hình 3.16 Đặc tính tốc độ SMR phi tuyến Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 67 KẾT LUẬN Nhờ tiến vượt bậc lĩnh vực cảm biến, điện tử công suất, vi điều khiển vi sử lý tín hiệu, việc sử dụng ĐCTK hệ thống điện tử ngày trở nên hấp dẫn nhu cầu cấp thiết Đó động lực thúc đẩy nhiều cơng trình nghiên cứu ứng dụng suốt thời gian qua Bản luận văn giới thiệu nguyên lý tình trạng phát triển ứng dụng truyền động ĐCTK bao gồm : * Nghiên cứu tổng quan hệ truyền độn g ứng dụng động từ kháng, ưu nhược điểm hệ thống * Đưa cấu trúc điều khiển ĐCTK + Cấu trúc nghịch lưu (thiết bị điều khiển công suất) nuôi ĐCTK + Cấu trúc điều khiển sở (cấu trúc có sử dụng cảm biến đo vị trí rotor) + Cấu trúc điều khiển khơng cần cảm biến vị trí, thay vào sử dụng khâu quan sát tốc độ quay * Xây dựng phương trình tốn học mơ tả ĐCTK * Thiết lập mơ hình mơ ĐCTK + Mơ hình ĐCTK tuyến tính + Mơ hình ĐCTK phi tuyến Do thời gian nghiên cứu, trình độ tác giả, điều kiện thực nghiệm có hạn luận văn chưa đề cập tới vấn đề cải thiện cosϕ hệ thống giảm momen lắc ĐCTK Vấn đề nghiên cứu ứng dụng giảng dạy hệ thống sử dụng ĐCTK chưa quan tâm Tác giả hy vọng luận văn tài liệu tham khảo, khêu gợi ý học viên chuyên ngành tự động hoá Đây mảng tiềm khai thác phương diện học thuật thực tế Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 68 PHỤ LỤC 1.Bảng liệu quan hệ từ thơng/dịng điện/góc teta 2.Bảng liệu quan hệ dịng điện/ góc Teta/ dpsi Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên di http://www.lrc-tnu.edu.vn 69 3.Bảng liệu quan hệ dịng điện/ góc Teta/đạo hàm từ thơng theo góc Teta 4.Bảng liệu quan hệ dịng điện/ góc Teta/Momen Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn 70 5.Chương trình khởi động mơ hình tuyến tính global TETAS TETAX TETAY TETAXY TETAON TETAOFF TETAQ V AUP BUP ADOWN BDOWN DL A B LMIN LMAX NS=6 NR=4 P=3; BETAS=30*(pi/180); BETAR=30*(pi/180); TETAS=(2*pi)*((1/NR)-(1/NS)) TETAX=(pi/NR)-((BETAR+BETAS)/2) TETAY=(pi/NR)-((BETAR-BETAS)/2) TETAZ=(BETAR-BETAS)/2 TETAXY=(TETAX+TETAY+TETAS) TETAIN=20.1*(pi/180) V=150 R=1.3 J=0.0013; F=0.0183 I=5; DELTAI=0.2; DELTAVMIN=0; DELTAVMAX=150; LMIN=8e-3; Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 71 LMAX=60e-3; G=(inv([TETAX 1;TETAY 1]))*([LMIN;LMAX]); AUP=G(1) BUP=G(2) H=(inv([(TETAY+TETAZ) 1; TETAXY 1]))*([LMAX;LMIN]); ADOWN=H(1) BDOWN=H(2) DL=AUP; Chương trình viết cho hàm chuyển mạch % This function allow to chose the commutation instants of the semeconductor function [sys,x0,str,ts] = cmpt(t,x,u,flag) % Dispatch the flag The switch function controls the calls to % S-function routines at each simulation stage switch flag, case [sys,x0,str,ts] = mdlInitializeSizes; % Initialization case sys = mdlOutputs(t,x,u); % Calculate outputs case { 1, 2, 4, } sys = []; % Unused flags otherwise error(['Unhandled flag = ',num2str(flag)]); % Error handling end; Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 72 % End of function chuyenmach %Below are the S-function subroutines that tcm.m calls %======================================================= % Function mdlInitializeSizes initializes the states, sample % times, state ordering strings (str), and sizes structure %======================================================== function [sys,x0,str,ts] = mdlInitializeSizes % Call function simsizes to create the sizes structure sizes = simsizes; % Load the sizes structure with the initialization information sizes.NumContStates= 0; sizes.NumDiscStates= 0; sizes.NumOutputs= 1; sizes.NumInputs= 5; sizes.DirFeedthrough=1; sizes.NumSampleTimes=1; % Load the sys vector with the sizes information sys = simsizes(sizes); % x0 = []; % No continuous states % str = []; % No state ordering % Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 73 ts = [-1 0]; % Inherited sample time % End of mdlInitializeSizes %======================================================== % Function mdlOutputs performs the calculations %======================================================== function sys = mdlOutputs(t,x,u) global V; teta=u(1); e=u(2); i=u(3); TETAON=u(4); TETAOFF=u(5); sys=0; if (teta>=TETAON)&(tetaTETAOFF) if (i>0) sys=-V; elseif (i