Nghiên cứu tổng quan về hệ truyền động xoay chiều 3 pha đi sâu xây dựng bộ ước lượng tốc độ động cơ phục vụ điều khiển sensor less

Bộ GIáO DụC ĐàO TạO TRƯờNG ĐạI HọC DÂN LậP HảI PHòNG Nghiên cứu tổng quan hệ truyền ®éng xoay chiỊu ba pha ®i s©u x©y dùng bé -ớc l-ợng tốc độ động phục vụ điều khiển sensor less Đồ áN TốT NGHIệP ĐạI HọC Hệ CHíNH QUY Ngành : điện công nghiệp Sinh viên thực hiện: L-ơng Văn Yên GVHD: Th.S Phạm Tâm Thành HảI phòng 2009 mục lục Lời nói đầu Ch-ơng Tổng quan hệ thống điều khiển động không đồng 1.1 Các ph-ơng pháp điều khiển tốc độ động không đồng 1.1.1 Điều khiển điện áp stator 1.1.2 Điều khiển điện trở rotor 1.1.3 Điều chỉnh công suất tr-ợt 1.1.4 §iỊu khiĨn tÇn sè ngn cÊp stator 1.2 Điều khiển vectơ động không đồng Ch-ơng Tổng hợp hệ thống điều khiển vectơ 11 2.1 Mô tả toán học động không ®ång bé ba pha 11 2.2 PhÐp biến đổi tuyến tính không gian vectơ 13 2.3 Hệ ph-ơng trình động không gian vectơ 16 2.3.1 Ph-ơng trình trạng thái tính hệ toạ độ cố định 18 2.3.2 Ph-ơng trình trạng thái hệ toạ độ tựa theo từ thông r«to dq: 22 2.4 CÊu tróc hƯ thèng điều khiển vectơ động không đồng 26 2.5 Các ph-ơng pháp điều khiển vectơ 28 2.5.1 Điều khiển vectơ gián tiếp 30 2.5.2 Điều khiển vectơ trực từ thông rôto 30 2.6 Tổng hợp bé ®iỊu chØnh 36 2.6.1 Tổng hợp hệ theo hàm chuẩn: 36 2.6.2 Tuyến tính hoá mô hình động 38 2.6.3 Tỉng hỵp Risq vµ R 39 2.6.4 Tỉng hỵp Risd: 42 2.7 Bộ quan sát từ thông 43 Ch-¬ng Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ động không đồng không dùng cảm biến tốc ®é 52 3.1 S¬ ®å hƯ thèng ®iỊu khiĨn vect¬ không dùng cảm biến tốc độ 52 3.2 Đánh giá ổn định khâu tính toán tốc độ 57 Ch-ơng Mô đánh giá chất l-ợng 4.1 Tính toán thông số động 4.2 Các b-ớc tiến hành mô 61 Kết luận 71 tài liệu tham khảo 73 59 59 Lời nói đầu Động không đồng ngày đ-ợc sử dụng rộng rÃi công nghiệp thay cho động khác có nhiều -u điểm nh- khởi động đơn giản, vận hành tin cậy, rẻ tiền kích th-ớc gọn nhẹ Nh-ợc điểm đặc tính phi tuyến mạnh nên tr-ớc đây, với ph-ơng pháp điều khiển đơn giản, loại động phải nh-ờng chỗ cho động điện chiều Nh-ng với việc phát triển lý thuyết điều khiển, truyền động cộng víi sù tiÕn bé cđa khoa häc kü tht nh- kỹ thuật vi xử lý, điện tử công suất nên đà hạn chế đ-ợc nh-ợc điểm trên, đ-a động không đồng trở thành phổ biến Tr-ớc th-ờng điều khiển động cách điều chỉnh điện áp Đây ph-ơng pháp đơn giản nh-ng chất l-ợng điều chỉnh kể tĩnh lẫn động không cao Để điều khiển đ-ợc xác hiệu phải nói đến ph-ơng pháp thay đổi tần số điện áp nguồn cung cấp Do tốc độ động không đồng xấp xỉ tốc độ đồng nên động làm việc với độ tr-ợt nhỏ tổn hao công suất tr-ợt mạch rôto nhỏ Tuy nhiên ph-ơng pháp phức tạp đắt tiền Thiết bị dùng để biến đổi tần số nghịch l-u, nghịch l-u trực tiếp gián tiếp Ta sử dụng biến tần thiết bị tích hợp chỉnh l-u, nghịch l-u lẫn điều khiển Luật điều khiển biến tần tuỳ thuộc vào nhà sản xuất Hiện để điều khiển động đà có nhiều biến tần bán sẵn thị tr-ờng, phải thiết kế theo ph-ơng pháp kinh điển Các nhà sản xuất lựa chọn biến tần nhiều bảng điều khiển - tam giác điện trở phụ thiết bị điều khiển khác gọn nhẹ, điều khiển xác, tin cậy, đáp ứng đ-ợc nhu cầu tự động hoá b-ớc đại hoá xí nghiệp họ Biến tần đơn giản th-ờng điều khiển tốc độ theo luật U/f để đảm bảo động sinh mômen tốt nh-ng cho hệ truyền động yêu cầu cao có biến tần điều khiển theo vectơ Tuy loại biến tần đà đ-ợc bày bán sử dụng rộng rÃi thị tr-ờng hÃng Toshiba, Omron, Siemens với nhiều ph-ơng pháp điều khiển khác nh- : theo luật U/f không đổi, điều khiển từ thông không đổi, điều khiển vectơ nh-ng việc tìm hiểu để chọn ph-ơng pháp thích hợp nghiên cứu tìm ph-ơng pháp điều khiển cho tối -u giá thành, độ xác, độ tin cậy tranh luận loại có -u nh-ợc khác Ví dụ ph-ơng pháp dòng từ thông không đổi làm giảm công suất tiêu thụ Ph-ơng pháp Speed Sensorless Vector đ-a việc điều khiển từ thông đ-ợc tốt mômen lớn Do đồ án xin góp phần làm rõ ph-ơng pháp điều khiển vectơ không dùng cảm biến tốc độ, chứng minh đ-ợc -u điểm vấn đề điều khiển động Quan sát biến tần ta thấy hiển thị th-ờng có khả hiển thị tốc độ quay trục, tần số nguồn cấp, thời gian tăng tốc, thời gian giảm tốc, theo dõi tham số động ®iƯn trë stato, ®iƯn trë r«to… ta nhËn thấy cảm biến tốc độ đ-a Điều đ-ợc thực nhờ khối tính toán ghép phần điều khiển biến tần Vậy khối hoạt động nh- theo công thức Đó mục đích nghiên cứu đồ án hệ thống truyền động động không đồng kinh điển th-ờng có mạch vòng ®iỊu chØnh tèc ®é víi tÝn hiƯu ph¶n håi tèc độ thông th-ờng nhận đ-ợc từ cảm biến tốc độ gắn trục động Tuy nhiên cảm biến tốc độ quay có số nh-ợc điểm: làm cho hệ thống truyền động điện không đồng phải lắp thêm trục động máy phát tốc độ hay cảm biến số Trong nhiều tr-ờng hợp lắp đ-ợc cảm biến tốc độ trục ®éng c¬, vÝ dơ nh- ë hƯ thèng trun ®éng ®iƯn cao tèc, ë hƯ thèng trun ®éng ®iƯn «t« hay động làm việc môi tr-ờng khắc nghiệt Hơn động xa trung tâm nhiễu gây truyền dẫn tín hiệu từ máy phát tốc tủ điều khiển vấn đề phức tạp cho việc nâng cao điều khiển Vấn đề nghiên cứu hệ thống điều khiển động không đồng không dùng cảm biến tốc độ có ý nghĩa quan träng vµ mang tÝnh thùc tiƠn cao HƯ thèng nµy cho phép sử dụng có hiệu động không ®ång bé c¸c hƯ thèng trun ®éng ®iƯn c¸c máy công nghiệp, góp phần giảm độ phức tạp, giảm giá thành bảo d-ỡng chi phí vận hành hệ thống truyền động điện, giải vấn đề khắc phục động chiều nh- mức ®é h- háng cịng nh- chi phÝ b¶o d-ìng vËn hành cao Đề tài nhằm nghiên cứu giải vấn đề Nội dung đồ án bao gồm bốn ch-ơng Nội dung ch-ơng đ-ợc trình bày nh- sau: Ch-ơng 1: Nêu sơ l-ợc ph-ơng pháp điều khiển động không đồng nhấn mạnh đến ph-ơng pháp điều khiển vectơ, -u nh-ợc điểm tính thực tiễn Ch-ơng 2: Dựa kiến thức vectơ không gian, xây dựng hệ ph-ơng trình mô tả động học động không đồng Tổng quan ph-ơng pháp điều khiển vectơ: trực tiếp, gián tiếp sơ đồ điều khiển ph-ơng pháp Giải vấn đề tính từ thông rôto phục vụ cho việc điều khiển vectơ trực tiếp Ch-ơng 3: Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ động không đồng không dùng cảm biến tốc độ Xây dựng tính toán tốc độ thay cho máy phát tốc độ kiểm nghiệm làm việc ổn định khâu Ch-ơng 4: Trình bày số kết mô chứng minh tính đắn công việc đà làm: việc tổng hợp điều chỉnh dòng điện, tốc độ, tính toán từ thông, tính toán tốc độ Mô việc phản hồi tốc độ khâu tính toán, không dùng cảm biến tốc độ Trong trình thực đồ án, em đà đ-ợc h-ớng dẫn trực tiếp tận tình thầy giáo Th.S Phạm Tâm Thành thầy, cô giáo khoa Điện-Điện tử tr-ờng Đại học Dân Lập Hải Phòng đà giúp em hoàn thành đồ án thời gian quy đinh Do trình độ thân nhiều hạn chế, thời gian hạn hẹp nên không tránh khỏi thiếu sót Vì em mong nhận đ-ợc đóng góp thầy cô, bạn bè quan tâm đến lĩnh vực đề tài đ-ợc hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày tháng năm 2009 Sinh viên thực L-ơng Văn Yên Ch-ơng Tổng quan hệ thống điều khiển động không đồng 1.1 Các ph-ơng pháp điều khiển tốc độ động không đồng R '2 3U s Từ ph-ơng trình mômen động : M R1 R s ta cã ' X 2nm thể dựa vào để điều khiển mômen cách thay đổi thông số nhđiện áp cung cấp, điện trở phụ, tốc độ tr-ợt tần số nguồn Tới đà có ph-ơng pháp điều khiển chủ u sau: Tỉn thÊt Kinh tÕ Stat o = §iỊu chỉnh điện áp stator Rôt ~ Điều chỉnh ph-ơng pháp xung điện trở rôto ~ Điều chỉnh tần số nguồn cấp stato = Điều chỉnh công suất tr-ợt Pcơ o K P s P CL N L s 1.1.1 Điều khiển điện áp stator Do mômen động không đồng tỷ lệ với bình ph-ơng điện áp stato,do điều chỉnh đ-ợc mômen tốc độ không đồng cách điều chỉnh điện áp stato giữ nguyên tần số Đây ph-ơng pháp đơn giản nhất, sử dụng biến đổi điện (biến áp, tiristor) để điều chỉnh điện áp đặt vào cuộn stator Ph-ơng pháp kinh tế nh-ng họ đặc tính thu đ-ợc không tốt, thích hợp với phụ tải máy bơm, quạt gió 1.1.2 Điều khiển điện trở rotor Sử dụng cấu dịch chuyển cầu trục, quạt gió, bơm n-ớc: việc điều khiển tiếp điểm tiristor làm ngắn mạch/hở mạch ®iƯn trë phơ cđa rotor ta ®iỊu khiĨn ®-ỵc tèc độ động Ph-ơng pháp có -u điểm mạch điện an toàn, giá thành rẻ Nh-ợc điểm: đặc tính ®iỊu chØnh kh«ng tèt, hiƯu st thÊp, vïng ®iỊu chØnh không rộng 1.1.3 Điều chỉnh công suất tr-ợt Trong tr-ờng hợp điều chỉnh tốc độ động không đồng cách làm mềm đặc tính để nguyên tốc độ không tải lý t-ởng công suất tr-ợt Ps=sPđt đ-ợc tiêu tán điện trở mạch rôto hệ thống truyền động điện công suất lớn, tổn hao đáng kể Vì để vừa điều chỉnh đ-ợc tốc độ truyền động, vừa tận dụng đ-ợc công suất tr-ợt ng-ời ta sử dụng sơ đồ công suất tr-ợt (sơ đồ nối tầng/ nối cấp) P1=Pcơ +Ps =P1(1-s) +sP1=const Nếu lấy Ps trả lại l-ới tiết kiệm đ-ợc l-ợng Khi điều chỉnh với < : đ-ợc gọi điều chỉnh nối cấp d-ới đồng (lấy l-ợng Ps phát lên l-ới) Khi điều chỉnh với > (s