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

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN - - KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA ĐỒNG BỘ Giảng viên hướng dẫn : Th.S Bùi Thị Cẩm Quỳnh Sinh viên thực : Phạm Đình Hiếu 15077901 Lê Cảnh Hưng 15059821 Trần Hoàng Phúc 15032531 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019 Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ii Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ MỤC LỤC PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i  NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii  MỤC LỤC iii  DANH SÁCH HÌNH VẼ v  Chương 1  GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ BA PHA ĐỒNG BỘ 1  1.1.  Định nghĩa : 1  1.2.  Cấu Tạo : 2  1.2.1.  Phần Tĩnh ( Stato ) : 2  1.2.2.  Phần Quay ( Rotor ) : 4  1.3.  Nguyên lý làm việc : 6  1.4.  Ứng dụng máy điện đồng : 6  Chương 2  XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ BA PHA ĐỒNG BỘ 8  2.1.  Phương Trình Tốn Học : 8  2.1.1.  Tính tốn chuyển đổi pha cân hệ vng góc quay d-q : 8  2.1.2.  Phương trình tốn khối động : 11  2.2.  2.2.1.  Mô Hình Trên Matlab : 13  Giới Thiệu MATLAB : 13  2.2.1.1.  Làm quen với matlab : 13  2.2.1.2.  Scripts : 15  2.2.1.3.  Khái niệm liệu biến : 16  2.2.2.  Giới Thiệu SIMULINK : 17  2.2.2.1.  Khởi động Simulink : 18  2.2.2.2.  Đặc điểm Simulink : 18  2.2.2.3.  Giới thiệu thư viện Simulink : 19  2.2.2.4.  Giới thiệu chi tiết số khối thường dùng : 20  iii Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ 2.2.2.5.  Các bước vẽ mô hình : 21  2.2.3.  Mô Matlab : 23  2.2.4.  Kết Quả Mô Phỏng : 27  Chương 3  PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÒNG TRỄ , BỘ ĐIỀU KHIỂN PID , PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG 29  3.1.  Phương Pháp Điều Khiển Vòng Trễ : 29  3.2.  Bộ Điều Khiển PID : 32  3.3.  Bộ điều khiển anti windup : 34  3.4.  Phương Pháp Ước Lượng Từ Thông : 35  Chương 4  ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA 37  4.1.  Hệ thống điều khiển : 37  4.2.  Hệ thống điều khiển áp dụng cho động ba pha : 37  4.2.1.  Bộ điều khiển : 37  4.2.1.1.  Khối động : 38  4.2.1.2.  Bộ nghịch lưu : 39  4.2.1.3.  Bộ điều khiển : 40  4.2.2.  Kết mô : 42  4.2.2.1.  Khi không tải : 42  4.2.2.2.  Khi có tải : 44  4.2.3.  Nhận xét : 46  TÀI LIỆU THAM KHẢO 47  LỜI CẢM ƠN 48  iv Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1-1 Cấu tạo động [3] 2  Hình 1-2 Stator động [3] 3  Hình 1-3 Rotor động [3] 4  Hình 1-4 Một số hình ảnh máy điện đồng [3] 7  Hình 2-1 Mơ hình ví dụ 8  Hình 2-2 trùng phương trục d 9  Hình 2-3 trùng phương trục q 9  Hình 2-4 trùng phương trục a 10  Hình 2-5 trùng phương trục b 10  Hình 2-6 trùng phương trục c 11  Hình 2-7 Sơ đồ tương đương [1] 11  Hình 2-8 Chuyển đổi Vs hệ d-q 12  Hình 2-9 Giao diện Matlab 13  Hình 2-10 Cửa sổ Scripts 15  Hình 2-11 Cửa sổ làm việc Simulink 18  Hình 2-12 Cửa sổ thư viện Simulink 19  Hình 2-13 Chi tiết phần thư viện Simulink [4] 20  Hình 2-14 Ví dụ mơ hình khảo sát sóng sin 22  Hình 2-15 Khối chuyển đổi từ pha cân sang d-q 23  Hình 2-16 Khối chuyển đổi từ d-q lại pha cân 23  Hình 2-17 Khối động matlab 25  Hình 2-18 File scripts liệu nạp vào động 25  Hình 2-19 Cài đặt tải TL thay đổi theo thời gian 26  Hình 2-20 Cài đặt điện áp đầu vào 26  Hình 2-21 Mơ hình mô động pha đồng 27  v Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ Hình 2-22 Kết mơ 27  Hình 2-23 Kết mô 28  Hình 3-1 Điều khiển tiếp dòng dùng hysteresis 30  Hình 3-2 Ngun lý điều khiển tiếp dịng Hysteresis 31  Hình 3-3 Mơ nghịch lưu nguồn áp điều khiển dòng điện kiểu hysteresis SIMULINK 31  Hình 3-4 Sơ đồ khối hệ kín có PID 32  Hình 3-5 Sơ đồ khối điều khiển PID [5] 34  Hình 3-6 Sơ đồ song song điều khiển anti windup[6] 35  Hình 4-1 Hệ thống điều khiển vòng hồi tiếp 37  Hình 4-2 Hệ thống điều khiển 37  Hình 4-3 Mô hệ thống điều khiển tốc độ động ba pha đồng Simulink 38  Hình 4-4 Khối Động Cơ 38  Hình 4-5 Bộ nghịch lưu 39  Hình 4-6 Cài đặt relay 39  Hình 4-7 Bộ điều khiển 40  Hình 4-8 Bộ điều khiển anti windup 41  Hình 4-9 Thông số PID anti windup 41  Hình 4-10 Khối tính tốn dịng tham chiếu 42  Hình 4-11 Tốc độ 42  Hình 4-12 Momen điện 43  Hình 4-13 Dịng điện pha a ( ia ) 43  Hình 4-14 Momen tải 44  Hình 4-15 Tốc độ 44  Hình 4-16 Momen điện 45  Hình 4-17 Dịng điện pha a ( ia ) 45  vi Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ Chương GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ BA PHA ĐỒNG BỘ 1.1 Định nghĩa : Những máy điện xoay chiều có tốc độ quay roto n tốc độ quay từ trường stato n1 gọi máy điện đồng Ở chế độ xác lập, máy điện đồng có tốc độ quay rotor không đổi tải thay đổi Các động điện xoay chiều dùng nhiều sản xuất thường động điện khơng đồng , loại động điện có đặc điểm cấu tạo đơn giản , làm việc chắn , bảo quản dễ dàng giá thành thấp Tuy nhiên động điện đồng có ưu điểm định nên thời gian gần dược sử dụng rộng rãi so sánh với động không đồng lĩnh vực truyền động điện :  Ưu điểm : Động điện đồng kích thích dịng điện chiều nên làm việc với cos φ = không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện , kết hệ số công suất lưới điện nâng cao , bên cạnh cịn giảm điện áp rơi tổn hao cơng suất đường dây Ngồi ưu điểm động điện đồng cịn chịu ảnh hưởng thay đổi điện áp lưới điện momen động điện đồng tỷ lệ với U , momen động không đồng tỷ lệ với U2 Vì điện áp lưới điện sụt thấp có cố khả giữ tải động đồng lớn ; trường hợp tăng kích thích , động điện đồng làm việc an tồn cải thiện điều kiện làm việc lưới điện Cũng phải nói thêm , hiệu suất dộng điện đồng thường cao hiệu suất động điện khơng đồng động đồng có khe hở tương đối lớn nên tổn hao sắt phụ nhỏ Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ  Nhược điểm : Cấu tạo động đồng phức tạp, đòi hỏi phải có nguồn kích từ, việc khởi động phức tạp, việc thay đổi tốc độ thực nhờ thay đổi tần số nguồn điện 1.2 Cấu Tạo : Giống với loại máy điện khác cấu tạo,động đồng cấu tạo từ hai phần chia làm hai loại : lõi thép stato , lõi thép roto , dây quấn vỏ máy Hình 1-1 Cấu tạo động [3] 1.2.1 Phần Tĩnh ( Stato ) : Stato bao gồm vỏ máy, lõi thép dây quấn ( dây quấn phần ứng ) : Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ Hình 1-2 Stator động [3]  Vỏ máy : Vỏ máy nơi cố định lõi sắt, dây quấn đồng thời nơi ghép nối nắp hay gối đỡ trục Vỏ máy làm gang nhôm hay lõi thép Để chế tạo vỏ máy người ta đúc, hàn, rèn Vỏ máy có hai kiểu: vỏ kiểu kín vỏ kiểu bảo vệ Vỏ máy kiểu kín u cầu phải có diện tích tản nhiệt lớn người ta làm nhiều gân tản nhiệt bề mặt vỏ máy Vỏ kiểu bảo vệ thường có bề mặt ngồi nhẵn, gió làm mát thổi trực tiếp bề mặt lõi thép vỏ máy Hộp cực nơi để dấu điện từ lưới vào Đối với động kiểu kín hộp cực yêu cầu phải kín, thân hộp cực vỏ máy với nắp hộp cực phải có giăng cao su Trên vỏ máy cịn có bulong vịng để cẩu máy nâng hạ, vận chuyển bulon tiếp mát Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ Giá trị lớn giảm độ vọt lố, lại làm chậm đáp ứng độ dẫn đến ổn định khuếch đại nhiễu tín hiệu phép vi phân sai số Hình 3-5 Sơ đồ khối điều khiển PID [5] 3.3 Bộ điều khiển anti windup : Măc dù có nhiều khía cạnh hệ thống điều khiển hiểu dựa lý thuyết tuyến tính, có số ảnh hưởng khơng tuyến tính nhận biết thực tế Windup tượng vậy, gây tác động thành phần tích phân khâu bảo hồ Tất thành phần tác động có giới hạn; ví dụ động có giới hạn vận tốc, van mở mở hồn tồn hoăc khơng thể đóng kín đãđóng hồn tồn…Một hệ điều khiển với dãy vận hành rộng xảy trường hợp biến điều khiển đạt đến giới hạn tác động Khi điều xảy vịng hồi tiếp bị phá vỡ hệ thống hoạt động vòng hở phần tác động giữ lại giới hạn cách độc lập với tín hiệu điều khiển Nếu điều khiển sử dụng tích phân sai số tiếp tục tích luỹ Điều có nghĩa thành phần tích phân lớn hay gọi tượng “windup” 34 Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ Hiện tượng “windup” thành phần tích phân né tránh việc tạo hành động tích phân để giữ giá trị thích hợp cấu chấp hành trạng thái bảo hồ, điều khiển sẳn sàng phục hồi lại hành động có thay đổi lỗi tín hiệu điều khiển Kiểu sơ đồ anti-windup gọi “sự tự hiệu chỉnh” (tracking or back calculation) Hình 3-6 Sơ đồ song song điều khiển anti windup[6] Sự sai khác tín hiệu ngõ vào cấu chấp hành giá trị ngõ sau (TR) cấp trở lại tích phân thơng qua hệ số khuếch đại 1/Ta Ngay giới hạn tín hiệu bảo hịa, sai lệch tín hiệu u’ u khác zero tác động ngược trở lại tích phân, hạn chế tượng windup 3.4 Phương Pháp Ước Lượng Từ Thông : Để điều khiển động , ta cần ước lượng từ thơng Rotor , sau tính tốn góc từ thơng , cuối đưa điều khiển , dùng để tính tốn dòng tham chiếu Ta thấy , động ba pha đồng mô ta gắn tốc độ quay hệ d-q = tốc độ ( điện ) Rotor Mặt khác , động ba pha đồng tốc độ ( điện ) Roto tốc độ từ thông Stato , ta dựa vào phương trình Stato để 35 Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ ước lượng từ thông cho Rotor Muốn có góc từ thơng rotor tốc độ quay , ta cần phải có ( tốc độ rotor ) Ta có , vận tốc đạo hàm quãng đường : V= Suy : = => = Mặt khác , động ba pha đồng , tốc độ ( điện ) rotor tốc độ (điện) từ thơng stator , từ tốc độ (điện) đệ đầu mô động ta lấy tích phân để góc từ thông rotor Và ta rõ ràng nhận thấy : Góc theta = góc từ thơng : = Vậy ta lấy trực tiếp góc từ thơng rotor ( 36 ) góc theta ( ) Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ Chương ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA 4.1 Hệ thống điều khiển : Ta sử dụng hệ thống điều khiển vịng hồi tiếp : Hình 4-1 Hệ thống điều khiển vòng hồi tiếp 4.2 Hệ thống điều khiển áp dụng cho động ba pha : 4.2.1 Bộ điều khiển : Ta thực hệ thống điều khiển sau : Hình 4-2 Hệ thống điều khiển 37 Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ Ta mô hệ thống điều khiển tốc độ động ba pha đồng Simulink sau : Hình 4-3 Mơ hệ thống điều khiển tốc độ động ba pha đồng Simulink 4.2.1.1 Khối động : Hình 4-4 Khối Động Cơ 38 Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ Tốc độ phản hồi tốc độ , dùng để so sánh với tốc độ đặt vào mong muốn nhằm tính tốn điều khiển động Tốc độ tính sau : = ; : tốc độ điện ; P : số cặp cực Góc từ thơng rotor phản hồi điều khiển dùng để tính tốn dòng điều khiển tham chiếu Ia*,Ib*,Ic* 4.2.1.2 Bộ nghịch lưu : Hình 4-5 Bộ nghịch lưu Ic* - Ic sai số dòng cho phép Ta cài đặt Relay sau : Hình 4-6 Cài đặt relay 39 Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ Điện áp đặt vào cho nghịch lưu 200 Vdc Relay trả giá trị , nên ta cài đặt cho chân điều khiển ( chân ) Switch với điều kiện giá trị đặt vào thỏa >= chuyển sang tiếp điểm thứ ( chân ) để nhận điện áp 200 Vdc ngược lại , không thỏa >= chuyển sang tiếp điểm thứ hai ( chân ) để nhận điện áp Điện áp ngõ cho ba pha tính sau : 1 1 = 4.2.1.3 Bộ điều khiển : Hình 4-7 Bộ điều khiển Đầu vào điều khiển tốc độ đặt mong muốn tốc độ phản hồi từ động , đầu momen cần bổ sung   = = 40 Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ Hình 4-8 Bộ điều khiển anti windup Ta thấy để thay đổi tốc độ , ta cần bổ sung momen , ta cần thay đổi dịng Vì , ta tính tốn dịng ta cài đặt dịng * mong muốn phù hợp với tốc độ cài đặt mong muốn , ∗=0 Ta cài đặt PID anti windup với thông số sau : Hình 4-9 Thơng số PID anti windup Bộ PID tính tốn cho momen cần bổ sung 41 Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ Để tính tốn dịng tham chiếu ta sử dụng khối chuyển đổi sau : Hình 4-10 Khối tính tốn dịng tham chiếu 4.2.2 Kết mô : 4.2.2.1 Khi không tải :  Tốc độ sau điều khiển : Hình 4-11 Tốc độ 42 Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ  Mơ men điện : Hình 4-12 Momen điện  Dịng điện : Hình 4-13 Dịng điện pha a ( ia ) 43 Khóa Luận Tốt Nghiệp 4.2.2.2 Máy Điện Đồng Bộ Khi có tải : Ta cài đặt cung cấp tải thời điểm cụ thể sau : Hình 4-14 Momen tải  Tốc độ sau điều khiển : Hình 4-15 Tốc độ 44 Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ  Mô men điện : Hình 4-16 Momen điện  Dịng điện : Hình 4-17 Dịng điện pha a ( ia ) 45 Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ 4.2.3 Nhận xét : Khi có điều khiển PID : Tốc độ đáp ứng nhanh , độ vọt lố thấp , tốc độ bám sát tốc độ đặt Momen điện đáp ứng tính khả thi , khơng q lớn lúc khởi động , lớn gãy trục Khi cấp tải , tốc độ bị giảm chút , sau điều khiển điều khiển bổ sung thêm momen đủ để thắng momen tải nhằm tăng tốc độ động tốc độ đặt Tương tự , ngắt tải tốc độ tăng nhẹ , sau điều khiển điều khiển giảm momen bổ sung để giảm tốc độ tốc độ đặt 46 Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] John Wiley & Sons, Inc ADVANCED ELECTRIC DRIVES, Được xuất John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey Xuất đồng thời Canada., 2014 [2] E Levi , HIGH PERFORMANCE DRIVES 2001 [3] MÁY ĐIỆN (ELECTRICAL MACHINERY) ĐH Bách khoa – ĐHQG Tp.HCM, 2008 [4] https://tailieu.vn/doc/giao-trinh-matlab-simulink-143135.html [5] Bách khoa toàn thư mở Wikipedia Bộ điều khiển PID https://vi.wikipedia.org/wiki/B%E1%BB%99_%C4%91i%E1%BB%81u_khi%E1%BB% 83n_PID [6]https://www.20sim.com/webhelp/library_signal_control_pid_control_antiwindu p.php 47 Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cảm ơn Cô Bùi Thị Cẩm Quỳnh – giảng viên hướng dẫn, người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, động viên nhóm em hồn thành khóa luận này! Chúng em xin gửi lời cảm ơn Ban giám hiệu, Thầy, Cô khoa Điện trường Đại Học Công Nghiệp Tp.HCM tận tình dạy dỗ, dìu dắt chúng em suốt bốn năm đại học ! Để thực khóa luận tốt nghiệp này, chúng em sử dụng kiến thức trang bị năm đại học kiến thức chọn lọc từ tài liệu Thầy giáo , Cơ giáo ngồi trường Ngồi ra, khóa luận cịn sử dụng tài liệu phổ biến rộng rãi Internet Mặc dù cố gắng hết mình, khả kiến thức chúng em cịn có hạn nên khơng thể tránh khỏi sai sót q trình thực khố luận tốt nghiệp , chúng em kính mong quý Thầy, Cơ dẫn giúp đỡ để khố luận hoàn chỉnh để kiến thức chúng em ngày hoàn thiện ! Ngày……Tháng…… Năm………… HẾT 48 ... thống điều khiển tốc độ động ba pha đồng Simulink 4.2.1.1 Khối động : Hình 4-4 Khối Động Cơ 38 Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ Tốc độ phản hồi tốc độ , dùng để so sánh với tốc độ đặt vào... cho động ba pha : 4.2.1 Bộ điều khiển : Ta thực hệ thống điều khiển sau : Hình 4-2 Hệ thống điều khiển 37 Khóa Luận Tốt Nghiệp Máy Điện Đồng Bộ Ta mô hệ thống điều khiển tốc độ động ba pha đồng. .. KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA 37  4.1.  Hệ thống điều khiển : 37  4.2.  Hệ thống điều khiển áp dụng cho động ba pha : 37  4.2.1.  Bộ điều khiển : 37  4.2.1.1.  Khối động