Nghiên cứu phương pháp điều chỉnh vector động cơ không đồng bộ áp đặt nhanh chóng mômen quay

1 Lời cam đoan - Tôi xin cam đoan rằng, số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực cha đợc sử dụng để bảo vệ học vị - Tôi xin cam ®oan r»ng, mäi sù gióp ®ì cho viƯc thùc luận văn đà đợc cám ơn thông tin trích dẫn luận văn đà đợc rõ nguồn gốc Tác giả Trần Đức Thiện Lời cám ơn Trong trình học tập nghiên cứu lớp cao học khoá 11 chuyên ngành Điện khí hoá sản xuất nông nghiệp nông thôn trờng ĐHNN I Hà Nội, đà nhận đợc giúp đỡ, giảng dạy nhiệt tình thầy, cô giáo nhà trờng Nhân dịp này, xin cảm ơn thầy cô Khoa sau Đại học, Bộ môn Điện thuộc Khoa Cơ điện trờng Đại học Nông nghiệp I Hà Nội, Viện Cơ điện nông nghiệp đà tạo điều kiện thuận lợi trình học tập viết luận văn tốt nghiệp Xin cảm ơn thầy Bộ môn tự động hoá xí nghiệp trờng Đại học Bách khoa Hà Nội đà giúp đỡ tài liệu khoa học Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Văn Diễn đà tận tình hớng dẫn bảo suốt thời gian làm đề tài Tác giả Trần Đức Thiện Mục lục Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Mở đầu Tổng quan động không đồng phơng pháp điều khiển vector động KĐB 1.1 Tổng quan chung động KĐB 1.1.1 Sơ lợc động KĐB 1.1.2 Đặc tính đặc tính dòng điện động KĐB 1.1.2.1 Những tợng vật lý xuất khởi động ĐCKĐB 1.1.2.2 Giản đồ thay động KĐB 1.1.2.3 Đặc tính đặc tính dòng điện 1.1.3 Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động KĐB 12 1.2 Tổng quan phơng pháp điều khiển véc tơ 14 1.2.1 Véc tơ không gian đại lợng ba pha 14 1.2.1.1 Xây dựng véc tơ không gian 14 1.2.1.2 Chuyển hệ toạ độ cho véc tơ không gian 17 1.2.2 Tổng quan phơng pháp điều khiển véc tơ 21 1.2.2.1 Phơng pháp điều khiển véc tơ trực tiếp 27 1.2.2.2 Phơng pháp điều khiển véc tơ gián tiếp 30 Lập mô hình toán học hệ thống xây dựng cấu 34 trúc điều khiển 2.1 Mô hình toán học động KĐB pha rotor lồng sóc 34 2.1.1 Hệ phơng trình động KĐB rotor lồng sóc 34 2.1.2 Mô hình trạng thái động hệ toạ độ từ thông rotor 37 2.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển áp đặt nhanh mômen quay 41 2.2.1 Xây dựng cấu trúc điều khiển 41 2.2.2 áp đặt nhanh mômen quay sở điều chỉnh dòng stator 45 2.2.3 Các khâu điều chỉnh dòng thờng dùng 46 2.2.3.1 Các khâu điều chỉnh phi tuyến 46 2.2.3.2 Các khâu ®iỊu chØnh tun tÝnh 54 Tỉng hỵp hƯ thèng ®iỊu chØnh tù ®éng 56 3.1 S¬ ®å cÊu tróc hệ thống truyền động điện 56 3.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện 58 3.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ 60 3.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh từ thông 62 3.5 Phơng trình trạng thái điều chỉnh 63 3.5.1 Bộ ®iỊu chØnh dßng ®iƯn 63 3.5.2 Bé ®iỊu chØnh tèc ®é 64 3.5.3 Bé ®iỊu chØnh tõ th«ng 64 Mô hệ thống simulink 65 4.1 Tính toán gần tham số động 65 4.2 Tham số điều chỉnh 66 4.3 Sơ đồ mô hệ thống simulink 67 4.4 Đánh giá kết 72 Kết luận 79 Tài liệu tham khảo 81 Mở đầu Ngày nay, truyền động điện với việc sử dụng động không đồng ba pha rotor lồng sóc đà trở thành khâu chấp hành thiếu trình tự động hoá Động không đồng có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, kích thớc nhỏ, gọn so với loại động khác có công suất, giá thành hạ làm việc tốt, an toàn, tin cậy Nhợc điểm động không đồng việc điều chỉnh tốc độ, từ thông mômen khó khăn Do vậy, hệ điều chỉnh tự động truyền động điện với động không đồng hệ điều khiển phức tạp chất lợng điều khiển không cao Cùng với phát triển mạnh mẽ kỹ thuật điện tử công suất kü tht vi sư lý, ®· cho phÐp ®iỊu khiĨn tốc độ động không đồng cách dễ dàng Đặc biệt phơng pháp điều khiển vector đà thu đợc kết cao việc điều khiển động không đồng bộ, làm giảm giá thành, làm tăng chất lợng tăng độ tin cậy hệ thống truyền động điện tự động Sự thâm nhập mạnh mẽ kỹ thuật tin học máy vi tính đà cho phép giải toán động học phức tạp với việc mô hệ thống dựa phần mềm Matlab -Simulink cách dễ dàng Dựa kết nghiên cứu tác giả trớc đây, thiết lập cấu trúc đại, điều khiển áp đặt nhanh mômen động sở điều khiển tách bạch thành phần Isd & Isq Với mục đích: Thiết lập cấu trúc điều khiển véctơ động không đồng điều khiển áp đặt nhanh mômen quay (lợng ra) dựa điều khiển Isd & Isq cách ®éc lËp st miỊn lµm viƯc KÕt nhận đợc: + Cấu trúc điều khiển mô hình toán học + Tổng hợp, xác định cấu trúc tham số điều chỉnh + Mô Malab - Simulink Với mục đích trên, luận văn đợc chia làm phần với nội dung tóm tắt nh sau: *1 Nêu vấn đề tổng quan chung động không đồng phơng pháp điều chỉnh vector động không đồng *2 Lập mô hình toán học hệ xây dựng cấu trúc điều khiển áp đặt nhanh mômen quay *3 Tổng hợp thiết kế khâu điều chỉnh *4 Mô hệ thống SIMULINK đánh giá kết Trong trình nghiên cứu đà có nhiều cố gắng, song không tránh khỏi thiếu sót Vậy kính mong đợc bảo thày cô giáo đóng góp ý kiến đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2004 Ngời thực Trần Đức Thiện tổng quan động không đồng phơng pháp điều chỉnh véctor động không đồng 1.1 tổng quan chung động không đồng 1.1.1 Sơ lợc động không đồng (KĐB) Động không đồng xét mặt cấu tạo, đợc chia làm hai loại: - Động không đồng rotor dây quấn - Động không đồng rotor lång sãc Tuy vËy, lo¹i cã rotor lång sãc đà chiếm u tuyệt đối thị trờng lí dễ chế tạo, dễ bảo quản, sửa chữa vận hành an toàn, chắn, giá thành hạ; mặt khác, u trớc loại rôto dây quấn khả dễ điều khiển không tồn Nhờ phát triển mạnh mẽ kỹ thuật điện tử, vi sử lý với giá thành hạ, đà cho phép thực thành công kỹ thuật điều chỉnh phức tạp loại rotor lồng sóc Vì lí đó, luận văn đề cập đến loại có rotor lồng sóc Nguyên lý làm việc động KĐB dựa nguyên lý cảm ứng ®iƯn tõ Khi cho dßng ®iƯn xoay chiỊu ba pha chạy vào dây quấn ba pha đối xứng đặt lõi thép stator khe hở không khí rotor vµ stator xt hiƯn tõ tr−êng quay mµ thµnh phần bậc quay với tốc độ: s = 2f s pc (pc: số đôi cực động cơ) Từ trờng quay quét qua dẫn dây quấn rotor đợc nối ngắn mạch nên xuất dòng điện cảm ứng Từ trờng tạo dòng điện rotor kết hợp với từ trờng tạo dòng điện stator để tạo từ trờng tổng bên khe hở không khí Tác dụng từ trờng tổng với dòng điện cảm ứng dẫn rotor tạo nên mômen quay làm cho rotor quay víi tèc ®é n2 ( n2 < n1 ) Song mục đích luận văn không sâu nghiên cứu biến đổi điện từ động mà xét động nh phần tử hệ thống điều khiển nghiên cứu chủ yếu tập chung vào phơng pháp điều khiển véctor động không đồng 1.1.2 Đặc tính đặc tính dòng điện động kđb 1.1.2.1 Những tợng vật lý xuất khởi động động KĐB Khi khởi động động KĐB cuộn dây động nhanh chóng xuất dòng điện tốc độ động Việc xem xét tơng đơng với việc đóng mạch điện đơn giản r- L vào nguồn điện áp hình sin: u = Um sin t (Hình 1-1) ứng với phơng tr×nh : L di + ri = Um sin ωt dt (1-1) Ta dễ dàng nhận thấy nghiệm riêng tổng quát có dạng: (1.2) i(t) = Ae-/L + Im sin( ωt - ϕ) ϕ = actg (ωL/r) Im = Um r + (ωL ) ( 1.2) i K L r ∅ iq® u itd ∅ a) Hình 1-1: Do r/l > nên t b) a) Sơ đồ mạch điện, b) Đồ thị dòng điện t dẫn đến trình xác lập điều hoà: i (t ) = I m sin (ωt − ϕ ) (1.3) Ta nhËn thÊy trình độ, mạch xuất hai thành phần dòng điện thành phần dòng điện cỡng điện tự icb thành phần dòng itd Tới thời điểm t thành phần dòng điện tự suy giảm tới trình tiến tới xác lập Do xuất dòng điện tự mà trình độ điện từ, điện diễn cách phức tạp ảnh hởng thành phần dòng điện tự làm thay đổi hình dạng đặc tính mômen động Từ trờng tạo thành phần dòng điện cỡng tự trờng hợp chung không liên quan với cách cố định Từ trờng thành phần dòng điện tự gây làm tăng giảm từ trờng tạo nên dòng điện cỡng bức, gây tăng giảm tơng ứng mômen điện từ trình khởi động Mặt khác tợng (nh hiệu ứng mặt ngoài, bÃo hoà mạch từ v.v) làm thay đổi thông số động điện, nghĩa hệ phơng trình vi phân mô tả trình hệ phơng trình phi tuyến với hệ số biến đổi 10 Nh có mặt thành phần dòng điện tự xuất đóng mạch động vào nguồn điện đà gây dao động mômen điện từ động không đồng Trong giai đoạn đầu trình độ dao động lớn, điều mà không mong muốn Qua nhiều thí nghiệm, khảo sát đà chứng minh trình độ điện từ đóng mạch động vào nguồn điện trình dao động tắt dần, thay đổi hệ số trợt dẫn ®Õn sù thay ®ỉi cđa tèc ®é ®éng c¬ ®Ĩ đạt tới tốc độ ổn định Sự tăng tốc động trình độ khởi động, hệ sô trợt giảm, tốc độ tăng lên dòng điện động giảm xuống đột ngột Tuy nhiên ảnh hởng điện cảm cuộn dây mà thay đổi dòng điện chậm so với thay ®ỉi cđa tèc ®é ë tèc ®é ®ång bé dòng điện rotor khác 0, mômen động không động nhanh chóng đạt tới tốc độ tốc độ đồng tốc độ này, dòng điện rotor giảm xuống, giảm dòng điện tạo nên mômen âm làm giảm tốc độ động Nh vậy, cuối trình độ tốc độ mômen động dao động tắt dần Thông thờng tính toán trình khởi động động không đồng ngời ta thờng tính toán dựa sở đặc tính tĩnh kể tính toán trình độ học (không xét đến trình ®é ®iƯn tõ) 1.1.2.2 Gi¶n ®å thay thÕ cđa ®éng không đồng Để nghiên cứu, phân tích trình điện từ xẩy bên động xây dựng đặc tính động không đồng bộ, ngời ta thờng sử dụng giản đồ thay pha với giả thiết sau: - Ba pha động đối xứng, điện áp lới hoàn toàn hình sin đối xứng 68 Hình 4.2 Sơ đồ mô khối động điện 69 Hình 4.3 Sơ đồ mô khối tính áp Hình 4.4 Sơ đồ mô khối chuyển đổi idq sang iabc 70 Hình 4.5 Sơ đồ mô khối điều chỉnh dòng isd Hình 4.6 Sơ đồ mô khối điều chỉnh dòng isq 71 Hình 4.7 Sơ đồ mô khối điều chỉnh từ thông Hình 4.8 Sơ đồ mô khối điều chỉnh tốc độ 72 4.4 Đánh giá kết Kết mô hệ thống đợc thực dải tốc độ dới tốc độ định mức Thực khởi động động thời điểm t0 = 0.01s, động mang tải 50 % tải định mớc thời điểm t1 = 0.08s Sau kết thu đợc việc mô hệ thống Simulink Hình 4.9 Đáp ứng mômen Từ đồ thị mômen ta thấy thời điểm t0 = 0,01s ta đóng điện khởi động động mômen động tăng nhanh sau thời gian ngắn mômen đẵ giữ đợc ổn định 4,2 Nm Khi ttốc độ động đẵ gần ổn định mômen bắt đầu giảm dần từ thời điểm t = 0,025s đến thời điểm t = 0,05s trình khởi động động đẵ ổn định, động chạy không tải Lúc mômen 73 động M = Đến thời điểm t = 0,08s ta đóng tải cho động cơ, mômen tăng đột ngột, qua dao động nhỏ sau khoảng thời gian t = 0,025s mômen ổn định giá trị mômen đặt M = Nm Nh vậy: Độ điều chỉnh = 1,5% Thời gian độ tqđ = 0,025s với dao động nhỏ Hình 4.10 Đáp ứng từ thông rotor rd Khi động bắt đầu khởi động từ thông rotor tăng nhanh sau nhanh chóng giữ ổn định giá trị từ thông đặt suốt trình làm việc 74 Hình 4.11 Sai số từ thông rotor Từ hình 4.11 cho thấy động làm việc, Sai số từ thông rotor hội tụ Hình 4.12 Đáp ứng vận tốc góc 75 H×nh 4.13 Sai sè vËn tèc gãc H×nh 4.14 Đáp ứng tốc độ quay (v/p) 76 Từ kết hình 4.12, 4.13 4.14 ta thấy động bắt đầu khởi động, tốc độ động bắt đầu tăng nhanh đạt vợt tốc độ đặt, cuối trình độ tốc độ động giảm dần ổn định giá trị đặt Tại thời điểm t = 0,08s ta đóng tải cho động cơ, lúc tốc độ động bị giảm ®i kho¶ng 3,4% nh−ng sau mét kho¶ng thêi gian t = 0,02s tốc độ động lại nhanh chóng ổn định giá trị đặt giữ ổn định suốt trình làm việc Các tiêu điều chỉnh nh : Độ điều chỉnh, thời gian độ, số lần dao động đảm bảo đạt yêu cầu cao chất lợng Sai số điều chỉnh tốc độ hội tụ Hình 4.15 Đáp ứng dòng điện isd isq 77 Hình 4.16 Sai số dòng điện isq Hình 4.17 Đáp ứng dòng điện ba pha ia b c Từ kết mô hình hoá thu đợc trờng hợp cho ta thấy, dải tốc độ định mức, hệ thống hoàn toàn đạt yêu cầu tính ổn định, thông 78 số động hội tụ Đáp ứng độ tốc độ mômen diễn khoảng 0.05s, dòng điện chiều Isd trì ổn định Nh vậy, hệ thống điều khiển vector động KĐB tựa theo từ thông rotor đà đạt yêu cầu chất lợng động học hệ thống Các sai số tĩnh dòng điện từ thông hội tụ không (0) phạm vi cho phép 79 Kết luận Qua trình nghiên cứu làm việc nghiêm túc thân, đợc giúp đỡ tận tình thầy cô giáo Bộ môn Điện trờng Đại học Nông nghiệp I Hà Nội, Bộ môn Tự động hoá xí nghiệp trờng Đại học Bách khoa Hà Nội đặc biệt thầy giáo hớng dẫn TS Phạm Văn Diễn, đà hoàn thành luận văn theo kế hoạch với kết đạt đợc nh sau: - Nghiên cứu tổng quan động KĐB phơng pháp điều khiển vector động KĐB, qua nghiên cứu khảo sát mô hình liên tục đông KĐB, từ xây dựng đợc cấu trúc điều khiển vector động KĐB tựa theo từ thông rotor làm sở để áp đặt nhanh momen quay - Tính toán thiết kế khâu ®iỊu chØnh dßng, ®iỊu chØnh tèc ®é, ®iỊu chØnh tõ thông qua chọn đợc thông số điều chỉnh - Xây dựng đợc sơ đồ mô hệ thống SIMULINK Từ kết mô thu đợc chơng cho thấy hệ thống đáp ứng đợc yêu cầu chất lợng động học hệ thống Qua đề tài khẳng định đợc lợi phơng pháp điều khiển vector động KĐB tựa theo từ thông rotor để từ khai thác ứng dụng lắp đặt thiết bị thực tế Tuy đà đạt đợc số kết định, nhng trình độ thời gian có hạn, đề tài không tránh khỏi thiếu sót số vấn đề tồn cần phải đợc tiếp tục nghiên cứu nh ảnh hởng điện trở điện cảm rotor (Rr Lr) đến luật điều chỉnh, vấn đề cần phải đợc nghiên cứu góc độ sâu cao đề tài Tôi mong nhận đợc ý kiến đóng góp dẫn thầy cô giáo bạn đồng nghiệp Đạt đợc kết trên, lần xin chân thành cảm ơn thầy giáo hớng dẫn TS Phạm Văn Diễn, Cảm ơn thầy môn Tự động hoá xí 80 nghiệp trờng Đại học Bách khoa Hà Nội thầy cô Khoa sau Đại học, Bộ môn Điện Khoa Cơ Điện trờng Đại học Nông nghiệp I Hà Nội Hà Nội, năm 2004 Tài liệu tham khảo + Tiếng Việt Nguyễn Bính (2000), Điện tử công suất, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 81 Phạm Văn Diễn, Nguyễn Văn Liễn (2000), Điện tử công nghiệp truyền động điện tự động, Đại học Bách khoa Hà Nội Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Nguyễn Trung Sơn, Cao Văn Thành (1999), (Điều khiển số máy điện, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Văn Hoà (2001), Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Trần Mạnh Hùng (1999), Điện tử công suất, Giáo trình giảng dạy Cao họcTrờng Đại học Nông Nghiệp I Hà Nội Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền (2004), Truyền động điện, NXB Khoa häc vµ kü thuËt, Hµ Néi Bïi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dơng Văn Nghi (2002), Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến, Đàm Quang Vinh (2003), Điều khiển động xoay chiều cấp từ biến tần bán dẫn, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Văn ThÕ Minh (1997), kü tht vi sư lý, NXB Gi¸o dục Hà Nội 10 Phạm Công Ngô (1994), Lý thuyết ®iỊu khiĨn tù ®éng, NXB Khoa häc vµ kü tht, Hà Nội 11 Phạm Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến (2002), Giáo trình cảm biến, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội 12 Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, NXB Giáo Dục, Hµ Néi 13 Ngun Phïng Quang (2004), Matlab & Simulink, NXB Khoa häc vµ kü tht, Hµ Néi 14 Ngun Phùng Quang, Andreas Dittrich (2002), Truyền động điện thông minh, NXB Khoa häc vµ kü thuËt, Hµ Néi 82 15 Nguyễn Mạnh Tiến (1998), Điều khiển hệ truyền động điện biến tần dòng xoay chiều, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Trờng Đại học Thái Nguyên + Tiếng Anh 16 A.E Fitzgerald Charles Kingsley Jr, Stephen D Umans (1990), Electric Machinens, Mc Graw Hill Book Company 17 Bimal K Bose (1984), Power Electronics and AC Drives, Prentice Hall, Englewood Cliffs, new Jessey 18 Peter Vas (1990), Vector Control of AC Machines, Clarendon Press Oxford + TiÕng Nga 19 А.В Бaшapин, Б.А Новиков, Г.Г Соколовский(1982), Управление Електроприводами, Энергиздат-Ленингр 20 В.В Барковский и Др(1981), Методы синтеза систем управления, Машиностроение 21 Руденко(1980, Основные преобразовательной техники, Москва ... động không đồng phơng pháp điều chỉnh véctor động không đồng 1.1 tổng quan chung động không đồng 1.1.1 Sơ lợc động không đồng (KĐB) Động không đồng xét mặt cấu tạo, đợc chia làm hai loại: - Động. .. quan chung động không đồng phơng pháp điều chỉnh vector động không đồng *2 Lập mô hình toán học hệ xây dựng cấu trúc điều khiển áp đặt nhanh mômen quay *3 Tổng hợp thiết kế khâu điều chỉnh *4 Mô... luận văn nghiên cứu hệ điều khiển vector động không đồng nên xem xét tới phần điều chỉnh tần số Các hệ thống điều chỉnh tốc độ động không đồng có yêu cầu cao dải điều chỉnh tính chất động học