Xây dựng mô hình và điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ

Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P PHẾU GIAO ĐỀ TÀI TỚT NGHIỆP i Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ii Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P MỤC LỤC PHẾU GIAO ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .ii MỤC LỤC iii MỤC LỤC HÌNH ẢNH v PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG : GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ BA PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 Định nghĩa : 1.2 Cấu Tạo : 1.2.1 Phần tĩnh (stato) : lõi thép và dây quấn 1.2.2 Phần quay (rotor) : lõi thép, dây quấn và trục máy 1.3 Phân loại động không đồng bộ 1.4 Ứng dụng động không đồng bộ 1.5 Nguyên lí hoạt động CHƯƠNG : XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 2.1 Phương trình toán học: 2.2 Tính toán công thức chuyển đổi từ pha cân bằng sang α-β: 2.3 Tính toán công thức chuyển đổi từ α-β sang pha cân bằng: 2.3.1 Sơ đồ tương đương động không đồng bộ : 12 2.4 Mô hình matlab: 14 2.4.1 Giới thiệu MATLAB: 14 2.4.2 Làm quen với MATLAB : 14 2.4.3 Tạo thư mục lưu trữ 15 2.4.4 Khái niệm liệu và biến: 17 2.5 Giới thiệu SIMULINK: 18 2.5.1 Khởi động Simulink: 18 iii Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P 2.5.2 Đặc điểm của Simulink: 19 2.5.3 Các khối chức thư viện Simulink: 19 2.6 Mô phỏng MATLAB: 24 CHƯƠNG : PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÒNG TRỄ VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID , PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG 31 3.1 Phương pháp điều khiển vòng trễ dòng điện 31 3.2 Phương pháp ước lượng từ thông : 34 CHƯƠNG : ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 36 4.1 Bộ điều khiển PID 36 4.1.1 Khâu tỉ lệ (Proportional) : 37 4.1.2 Khâu tích phân (Integration) : 38 4.1.3 Khâu vi phân (Derivative) : 39 4.1.4 Các phương pháp tìm thông số PID (KP, KD,KI) : 41 4.2 Hệ thống điều khiển động pha không đồng bộ: 42 4.2.1 Bộ điều khiển: 42 4.2.2 Kết quả mô phỏng: 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 LỜI CẢM ƠN 51 iv Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Động điện không đồng bộ Hình 1.2 Lá thép kỹ thuật điện Hình 1.3 Rotor dây quấn Hình 1.4 Rotor lờng sóc Hình 1.5 Nguyên lí hoạt động Hình 2.1 Mô hình ví dụ Hình 2.2 𝑣𝑠 trùng phương với trục α Hình 2.3 𝑣𝑠 trùng phương với trục 𝛽 Hình 2.4 𝒗𝒔 trùng phương với 𝒗𝒂 Hình 2.5 𝒗𝒔 trùng phương với 𝒗𝒃 10 Hình 2.6 𝒗𝒔 trùng phương với 𝒗𝒄 10 Hình 2.7 Sơ đồ tương đương động không đồng bộ chiếu trục d 12 Hình 2.8 Sơ đồ tương đương động không đồng bộ chiếu trục q 12 Hình 2.9 Giao diện MATLAB 14 Hình 2.10 Cửa sổ Editor 16 Hình 2.11 Màn hình cài đặt thông số cho khối sin 19 Hình 2.12 Màn hình cài thơng số Repeating sequency 20 Hình 2.13 Màn hình cài thơng số Step 21 Hình 2.14 Scope 22 Hình 2.15 Màn hình cài thơng số Tranfer Fcn 22 Hình 2.16 Integrator 23 Hình 2.17 Màn hình cài thơng số Fcn 23 Hình 2.18 Màn hình cài thơng số Switch 24 Hình 2.19 khối chuyển đổi từ pha cân bằng sang α-β 24 v Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Hình 2.20 Khối chuyển đổi α-β sang pha cân bằng 25 Hình 2.21 Khối động không đồng bộ 26 Hình 2.22 Thông số tải TL 27 Hình 2.23 Cài đặt điện áp đầu vào 28 Hình 2.24 File scripts liệu nạp vào động 28 Hình 2.25 Mô hình mô phỏng động pha không đồng bộ 29 Hình 2.26 Kết quả mô phỏng tốc độ động  29 Hình 2.27 Kết quả mô phỏng moment Te 30 Hình 2.28 Kết quả dòng điện 30 Hình 3.1 Điều khiển tiếp dòng dùng hystersis 32 Hình 3.2 Nguyên lí điều khiển dòng dùng hysteresis 33 Hình 3.3 Mô phỏng bộ nghịch lưu ng̀n áp điều khiển bằng dịng điện kiểu hysteresis SIMULINK 34 Hình 3.4 Khối ước lượng từ thông 35 Hình 4.1 PID 36 Hình 4.2 Khâu tỉ lệ (Proportional) 38 Hình 4.3 Khâu tích phân (Integration) 39 Hình 4.4 Khâu vi phân (Derivative) 39 Hình 4.5 Bộ PID thông thường 40 Hình 4.6 Sơ đồ song song bộ điều khiển ainti-windup kiểu “tracking” 41 Hình 4.7 Hệ thống điều khiển 42 Hình 4.8 Hệ thống điều khiển tốc độ động pha không đồng bộ 43 Hình 4.9 Khối động 43 Hình 4.10 Bộ ngịch lưu 44 Hình 4.11 Bộ điều khiển 44 Hình 4.12 Khối tính toán dòng tham chiếu 45 Hình 4.13 Kết quả mô phỏng động không tải 45 Hình 4.14 Moment không tải 46 vi Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Hình 4.15 Cài đặt tải TL 46 Hình 4.16 Thông số bộ PID anti-windup 47 Hình 4.17 Kết quả mô phỏng động có tải 47 Hình 4.18 Moment có tải 48 Hình 4.19 Dịng điện có tải 48 vii Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG : GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ BA PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 Định nghĩa : Máy điện không đồng bộ loại máy điện xoay chiều, làm việc theo ngun lí cảm biến điện từ có tốc đợ quay roto n khác với tốc độ quay từ trường stato Hình 1.1 Động điện không đồng bộ 1.2 Cấu Tạo : Cấu tạo máy điện đồng bộ gồm hai bộ phận chính stato rotor Stato phần tĩnh (còn gọi phần ứng ), rotor phần quay (cịn gọi phần cảm ) Ngồi cịn có vỏ máy, nắp máy trục máy Trục máy làm bằng thép, có gắn rotor, ổ bi phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy trục dọc Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P 1.2.1 Phần tĩnh (stato) : lõi thép và dây quấn Lõi thép: bộ phận dẫn từ máy có dạng hình trụ rỡng, được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 – 0,5 mm, dập theo hình vành khăn, phía có các rãnh để đặt dây quấn được sơn phủ trước ghép lại Hình 1.2 Lá thép kỹ thuật điện Dây quấn: được làm bằng dây đồng dây nhôm đặt các rãnh lõi thép bộ phận chính cịn có các bợ phận phụ bao bọc lõi thép vỏ máy làm bằng nhôm gang dùng để giữ chặt lõi thép, phía dưới chân đế để bắt chặt vào bệ máy, đầu có nắp làm bằng vật liệu loại với vỏ máy, nắp có ở đỡ (bạc) dùng để đỡ trục quay rôto 1.2.2 Phần quay (rotor) : lõi thép, dây quấn và trục máy Lõi thép: có dạng hình trụ đặc làm bằng các lá thép kỹ thuật điện, dặp thành hình đĩa ép chặt lại, mặt có các đường rãnh để đặt các dần dây quấn Lõi thép được ghép chặt với trục quay đặt ổ đỡ stato Dây quấn: rotor có loại gờm roto dây quấn rotor lờng sóc Rotor dây quấn : Rotor có dây quấn giống dây quấn stato Dây quấn pha rotor thường đấu hình ba đầu được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định một đầu trục thông qua chởi than có thể đấu với mạch điện bên ngồi Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Đặc điểm có thể thơng qua chởi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính mở máy, điều chỉnh tốc đợ cải thiện hệ số công suất máy Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch Nhược điểm so với đợng rotor lịng sóc giá thành cao, khó sử dụng mơi trường khắc nghiệt, dễ cháy nổ … Hình 1.3 Rotor dây quấn Rotor lờng sóc : Kết cấu loại dây quấn khác với dây quấn stato Trong mỗi rãnh lõi sắt rotor đặt vào dẫn bằng đồng hay nhôm dài khỏi lõi sắt được nối tắt lại hai Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P thêm các đăc tính khác tự động điều chỉnh, tự thu thập tự thích nghi một cách liên tục Bộ điều khiển PID được thiết kế dựa các phương pháp đã biết phương pháp tổng hợp hệ thống Zieger Nichols, phương pháp Offerein, phương pháp Reinisch Một bộ điều khiển PID với đầu vào sai lệch e(t), đầu u(t) có mơ hình toán học sau: 𝑡 𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝 [ 𝑒(𝑡) + 𝑇𝐼 ∫ 𝑒()𝑑 + 𝑇𝐷 𝑑𝑒(𝑡) ] 𝑑𝑡 Hoặc 𝐺𝑃𝐼𝐷 (𝑠) = 𝐾𝑝 + Trong đó: 𝑇𝐼 = 𝐾𝐼 𝐾𝑝 , 𝑇𝐷 = 𝐾𝐼 + 𝐾𝐷 𝑠 𝑠 𝐾𝐷 𝐾𝑝 Các tham số KP, TI, TD, hay KP, KI, KD bộ điều khiển PID được chỉnh định sở tích phân tín hiệu đầu vào tín hiệu đầu hệ thống, sai lệnh e(t) đạo hàm de(t)/dt sai lệch Mô hình đối tượng được điều khiển phức tạp, phương pháp thực nghiệm Zeigler_Nichols dựa vào đáp ứng quá độ hệ thống kín được dùng để tính toán các tham số cho bộ điều khiển PID chỉ cho kết quẩ tốt một trường hợp định Bộ PID kết hợp khâu thành phần : 4.1.1 Khâu tỉ lệ (Proportional) : Hàm truyền : K(s) = KP Đặc tính thời gian : Y(s) = Kp.G(s).E(s) Sai số hệ thống : E(s) = 𝑅(𝑠) 1+Kp𝐺(𝑠)𝐻(𝑠) 37 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Nhận xét : Kp lớn thì tốc độ đáp ứng nhanh Kp lớn thì sai số xáp lập nhỏ (nhưng ko thể triệt tiêu) Kp lớn thì các cực hệ thống có xu hướng di chuyển xa trục => hệ thống dao động độ vọt lố cao Nếu Kp tăng quá giá trị giới hạn thì hệ thống dao động không tắt dần => ổn định Hình 4.2 Khâu tỉ lệ (Proportional) 4.1.2 Khâu tích phân (Integration) : Hàm truyền : K(s)= 𝐾𝐼 𝑃 Đặc tính thời gian : Y(s)= 𝐾𝐼 G(s) Sai số hệ thống : 𝐸 (𝑠) = 𝐸(𝑠) 𝑠 𝑠.𝑅(𝑠) 𝑠+𝐾𝐼 𝐺(𝑠)𝐻(𝑠) Nhận xét : Tín hiệu ngõ được xác định sai số 𝐾𝐼 lớn thì đáp ứng quá độ chậm 𝐾𝐼 lớn thì sai số xác lập nhỏ Đặc biệt hệ số khuếch đại khâu tích phân bằng vô tần số bằng => triệu tiêu sai số xác lập với hàm nấc 𝐾𝐼 lớn thì độ vọt lố cao 38 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Hình 4.3 Khâu tích phân (Integration) 4.1.3 Khâu vi phân (Derivative) : Hàm truyền : K(s)= KDs Đặc tính thời gian : Y(s)=KD.G(s).E(s).s Sai số hệ thống : 𝐸 (𝑠) = 𝑅(𝑠) 1+𝑠𝐾𝐷 𝐺(𝑠)𝐻(𝑠) Nhận xét : KD lớn thì đáp ứng quá độ nhanh KD lớn thì độ vọt lố nhỏ Hệ số khuếch đại tần số cao vô lớn nên khâu hiệu chỉnh D nhạy với nhiễu tần số cao Khâu vi phân không thể sử dụng một mình mà phải dùng kết hợp với các khâu P khâu Hình 4.4 Khâu vi phân (Derivative) 39 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Bợ PID thông thường : Hình 4.5 Bộ PID thông thường PID Anti Windup : Măc dù có nhiều khía cạnh mợt hệ thống điều khiển có thể hiểu được dựa các lý thuyết tuyến tính, có mợt số ảnh hưởng khơng tuyến tính chỉ có thể nhận biết được thực tế Windup một tượng vậy, gây tác động các thành phần tích phân khâu bảo hoà Tất cả các thành phần tác đợng có mợt giới hạn; ví dụ đợng thì có giới hạn vận tốc, một van không thể mở đã mở hồn tồn hoăc khơng thể đóng kín đãđóng hồn tồn…Mợt hệ điều khiển với mợt dãy vận hành rợng thì có thể xảy trường hợp biến điều khiển đạt đến giới hạn bộ tác động Khi điều xảy thì vịng hời tiếp bị phá vỡ hệ thống hoạt đợng mợt vịng hở phần tác động giữ lại giới hạn mợt cách đợc lập với tín hiệu điều khiển Nếu bộ điều khiển sử dụng một bộ tích phân thì sai số tiếp tục được tích luỹ Điều có nghĩa thành phần tích phân lớn hay gọi tượng “windup” 40 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Hiện tượng “windup” thành phần tích phân có thể né tránh bằng việc tạo một hành động tích phân để giữ một giá trị thích hợp cấu chấp hành trạng thái bảo hồ, thì bợ điều khiển vẫn sẳn sàng phục hồi lại hành động có thay đởi lỡi tín hiệu điều khiển Kiểu sơ đồ anti-windup được gọi “sự tự hiệu chỉnh” (tracking or back calculation) Hình 4.6 Sơ đồ song song bộ điều khiển ainti-windup kiểu “tracking” Sự sai khác tín hiệu ngõ vào cấu chấp hành giá trị ngõ sau (TR) được cấp trở lại bộ tích phân thông qua hệ số khuếch đại 1/Ta Ngay bộ giới hạn tín hiệu bảo hòa, sai lệch tín hiệu u’ u khác zero tác động ngược trở lại bộ tích phân, hạn chế tượng windup 4.1.4 Các phương pháp tìm thông số PID (KP, KD,KI) : Chỉnh định bằng tay : Đặt KI=KD=0 Tăng KP đến hệ thống dao đợng t̀n hồn Đặt thời gian tích phân bằng chu kì dao động Điều chỉnh lại giá trị KP cho phù hợp Nếu có dao động thì điều chỉnh giá trị KD Phương pháp Ziegler-Nichols : 41 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Đặt KI=KD=0 Tăng KP đến hệ thống dao đợng t̀n hồn Đặt giá trị KP = Kc Đo chu kì dao động PC Chỉnh bằng phần mềm : Dùng phần mềm để tự động chỉnh định thông số PID (thực mô hình toán, kiểm nghiệm mô hình thực) Ví dụ dùng giải thuật di truyền (GA) để tìm thông số cho sai số đo được nhỏ giá trị yêu cầu 4.2 Hệ thống điều khiển động pha không đồng bộ: 4.2.1 Bộ điều khiển: Hình 4.7 Hệ thống điều khiển 42 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Ta mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động pha không đồng bộ Simulink: Hình 4.8 Hệ thống điều khiển tốc độ động pha không đồng bộ Khối động cơ: Hình 4.9 Khối động Wfb: tốc độ phản hồi Wcmd: tốc đợ đặt 43 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Góc từ thông rotor phản hồi bộ điều khiển dùng để tính toán dòng điều khiển tham chiếu ia*,ib*,ic* Bộ ngịch lưu: Hình 4.10 Bộ ngịch lưu Điện áp đặt vào 200 Vdc Điện áp ngõ được tính sau: 𝑣𝑎𝑛 𝑉𝐷𝐶 [ 𝑣𝑏𝑛 ] = [ −1 𝑣𝑐𝑛 −1 −1 −1 −1 −1 𝑎 ] [𝑏 ] 𝑐 Bộ điều khiển PID: Hình 4.11 Bợ điều khiển 44 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Đầu vào bộ điều khiển tốc độ đặt mong muốn tốc độ phản hồi từ động , đầu moment cần bổ sung 𝑇𝑒 = 𝑃 𝐿𝑚 𝜆 𝑖 𝐿𝑟 𝑟 𝑞𝑠 𝑑𝜔𝑚 𝑇𝑒 = 𝑑𝑡 − 𝑇𝐿 𝐽 Để tính toán dịng tham chiếu ta sử dụng khối chủn đởi sau: Hình 4.12 Khối tính toán dòng tham chiếu 4.2.2 Kết quả mô phỏng: Khi không tải: Tốc độ sau điều khiển: Hình 4.13 Kết quả mô phỏng động khơng tải 45 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Moment khơng có tải: Hình 4.14 Moment khơng tải Khi có tải: Cài đặt tải: Hình 4.15 Cài đặt tải TL 46 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Thơng số bộ PID anti-windup: Hình 4.16 Thông số bộ PID anti-windup Tốc độ sau điều khiển: Hình 4.17 Kết quả mơ phỏng đợng có tải 47 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Moment có tải: Hình 4.18 Moment có tải Dịng điện có tải: Hình 4.19 Dịng điện có tải Nhận xét: Ta thấy gắn bộ điều khiển PID: Moment: Để đáp ứng nhanh thì moment mở máy ta thấy tăng gấp lần, sau dao đợng tốc đợ ởn định Khi có tải, ta thấy hệ thống cấp lượng moment phù hợp để bù tải cho hệ thống chạy được với tốc đợ đặt ởn định 48 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P Dịng điện: Dịng điện có tỉ lệ thuận với moment, ta thấy moment tăng khoảng thời gian mở máy thì dòng điện tăng, moment khoản thời gian ổn định thì dòng điện Khi moment tăng khoảng thời gian cấp tải thì dòng điện tăng Tốc đợ: Đáp ứng nhanh hơn, khơng có vọt lố Ở khoảng thời gian ta gắn tải, ta thấy tải bị sụt khoảng thời gian ngắn rồi lại giá trị đặt ban đầu, khơng cịn trạng thái bị sụt tốc đợ có tải 49 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Quốc Dũng, Tô Hữu Phúc Truyền đông điện NXB ĐHQG, 2016 [2] John Wiley & Sons Advanced electric drives analysis, control, and modeling using MATLAB/Simulink Xuất bản đồng thời Canada, 2014 [3] Máy điện (Electrical machinery) ĐH Bách khoa – ĐHQG Tphcm, 2008 [4] Trần Công Binh Điều khiển số hệ thống điện cơ, điều khiển máy điện, động điện ĐH Bách khoa – ĐHQG Tphcm,2014 50 Khóa luận tốt nghiệp ĐKĐCKĐB3P LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên chúng em xin được gửi lời cảm ơn đến cô Bùi Thị Cẩm Quỳnh Cô đã hướng dẫn giúp đỡ tận tình chúng em nghiên cứu hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp Những lời nhận xét, góp ý hướng dẫn đã giúp chúng em nhìn được ưu khuyết điểm đề tài từng bước khắc phục để có được kết quả tốt Chúng em xin cảm ơn thầy cô khoa Điện, bộ môn Điều khiển tự động đã tận tình chỉ bảo, truyền đạt cho chúng em các kiến thức chuyên ngành, công nghệ mới cách làm việc nhóm để hồn thành tốt khóa luận Và cuối cùng, chúng em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả người bạn đã giúp đỡ, sát cánh chúng em suốt thời gian qua Do kiến thức hạn hẹp nên khơng tránh khỏi thiếu sót cách hiểu, lỡi trình bày Chúng em mong nhận được đóng góp ý kiến, lời khuyên lời chỉ dẫn hữu ích từ q thầy để khóa luận được đầy đủ hoàn thiện Ngày Tháng Năm HẾT 51 ... góc ng̀n ba pha cung cấp cho động 1 = 2