Khảo sát đặc điểm ổn định của cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có tách kênh trực tiếp khi thực hiện điều kiện thời gian thực

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ DƯƠNG - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA KHẢO SÁT ĐẶC ĐIỂM ỔN ĐỊNH CỦA CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC CÓ TÁCH KÊNH TRỰC TIẾP KHI TỰ ĐỘNG HÓA THỰC HIỆN DƯỚI ĐIỀU KIỆN THỜI GIAN THỰC NGUYỄN THỊ DƯƠNG TN 2011 THÁI NGUYÊN 2011 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHẢO SÁT ĐẶC ĐIỂM ỔN ĐỊNH CỦA CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC CÓ TÁCH KÊNH TRỰC TIẾP KHI THỰC HIỆN DƯỚI ĐIỀU KIỆN THỜI GIAN THỰC NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA HỌC VIÊN: NGUYỄN THỊ DƯƠNG NGƯỜI HD KHOA HỌC: GS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG THÁI NGUYÊN – 2011 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc - LUẬN VĂN THẠC SĨ Nguyễn Thị Dương Ngày 06 tháng 06 năm 1985 Bắc Giang Trường CĐ nghề điện xây dựng Bắc Ninh Họ tên học viên Ngày tháng năm sinh Nơi sinh Nơi công tác : : : : Cơ sở đào tạo Chuyên ngành Khóa học : Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên : Tự động hóa : K12- TĐH TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT ĐẶC ĐIỂM ỔN ĐỊNH CỦA CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SĨC CĨ TÁCH KÊNH TRỰC TIẾP KHI THỰC HIỆN DƯỚI ĐIỀU KIỆN THỜI GIAN THỰC Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Trường Đại học Bách Khoa – Hà Nội Ngày giao đề tài: / / Ngày hoàn thành: ./ / GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang BAN GIÁM HIỆU Nguyễn Thị Dương KHOA SAU ĐẠI HỌC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -1- Chun ngành tự động hóa LỜI CAM ĐOAN Tên tơi là: Nguyễn Thị Dương Sinh ngày 06 tháng 06 năm 1985 Học viên lớp cao học khoá 12 - Tự động hố - Trường đại học kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác Trường cao đẳng nghề điện xây dựng Bắc Ninh Xin cam đoan luận văn “Khảo sát đặc điểm ổn định cấu trúc điều khiển động không đồng rotor lồng sóc có tách kênh trực tiếp thực điều kiện thời gian thực” thầy giáo GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn yêu cầu thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan Thái Nguyên, ngày 10 tháng 11 năm 2011 CBHDKH: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN HV:Nguyễn Thị Dương http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -2- Chuyên ngành tự động hóa LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương hướng dẫn tận tình giúp đỡ thầy giáo GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang, luận văn với đề tài “Khảo sát đặc điểm ổn định cấu trúc điều khiển động không đồng rotor lồng sóc có tách kênh trực tiếp thực điều kiện thời gian thực” hồn thành Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hướng dẫn GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Thầy thầy giáo ThS Phạm Tâm Thành –Nghiên cứu sinh Trường Đai học Bách Khoa Hà Nội, thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên số đồng nghiệp, quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả suốt q trình học tập để hồn thành luận văn CBHDKH: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN HV:Nguyễn Thị Dương http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -3- Chuyên ngành tự động hóa MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt Danh mục hình vẽ LỜI NĨI ĐẦU 12 CHƯƠNG : MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SĨC 1.1 Mơ hình trạng thái liên tục ĐCKĐB-RLS 14 14 1.1.1 Các phương trình 14 1.1.2 Mơ hình trạng thái liên tục ĐCKĐB-RLS hệ toạ độ dq 16 1.2 Mơ hình trạng thái gián đoạn ĐCKĐB- RLS 21 1.2.1 Xây dựng mơ hình trạng thái gián đoạn 21 1.2.2 Mơ hình trạng thái gián đoạn ĐCKĐB-RLS hệ toạ độ dq 23 1.3 Đặc điểm phi tuyến mơ hình dịng ĐCKĐB- RLS 24 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HĨA CHÍNH XÁC VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CÓ TÁCH KÊNH TRỰC TIẾP 26 2.1 Tổng quan phương pháp tuyến tính hóa xác 26 2.1.1 Đặt vấn đề 26 2.1.2 Phương pháp tuyến tính hố xác 28 2.1.3 Ưu điểm phương pháp tuyến tính hố xác 35 2.2 Tuyến tính hóa xác mơ hình dịng động 2.2.1 Khả tuyến tính hóa xác mơ hình dòng động 35 36 2.2.2 Kiểm tra điều kiện tuyến tính hóa xác 38 2.2.3 Tuyến tính hóa xác mơ hình dịng ĐCKĐB-RLS 40 CBHDKH: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN HV:Nguyễn Thị Dương http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -4- Chuyên ngành tự động hóa 2.3 Cấu trúc điều khiển có tách kênh trực tiếp 45 2.3.1 Cấu trúc hệ điều khiển tựa theo từ thông rotor 45 2.3.2 Cấu trúc điều khiển có tách kênh trực tiếp 47 CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TÁCH KÊNH TRỰC TIẾP VÀ ĐẶC ĐIỂM ỔN ĐỊNH KHI ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC 49 3.1 Thiết kế điều chỉnh 49 3.1.1 Thiết kế điều chỉnh dòng Risd 49 3.1.2 Thiết kế điều chỉnh dòng Risq 50 3.1.3 Thiết kế điều chỉnh từ thông 51 3.1.4 Thiết kế điều chỉnh tốc độ 52 3.2 Các tham số dùng cho mô 54 3.3 Xây dựng khối mô Matlab Simulink 55 3.3.1 Mô động khơng đồng pha rotor lồng sóc 55 3.3.2 Mô ĐCKĐB- RLS kết hợp điều khiển phản hồi trạng 57 thái 3.3.3 Mô điều chỉnh 58 3.3.4 Mơ mơ hình từ thông 60 3.3.5 Sơ đồ mô cấu trúc hệ thống điều khiển tách kênh trực tiếp ĐCKĐB-RLS 3.4 Khảo sát đặc điểm ổn định cấu trúc tách kênh trực tiếp ĐCKĐBRLS điều khiển thời gian thực 3.4.1 Khảo sát tính tuyến tính mơ hình tuyến tính hóa xác 3.4.2 Khảo sát tính tách kênh trực tiếp 3.4.3 Khảo sát đáp ứng tốc độ động 61 63 63 68 71 3.4.4 Khảo sát đặc điểm ổn định hệ thống sở quỹ đạo điểm cực 3.4.4.1.Khảo sát ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T đến độ ổn định hệ thống 3.4.4.2.Khảo sát ảnh hưởng tham số động đến độ ổn định hệ thống KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 CBHDKH: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 74 80 86 HV:Nguyễn Thị Dương http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -5- Chuyên ngành tự động hóa DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Danh mục kí hiệu Vector dòng điện Stator, vector dòng điện Rotor is, ir isu, isv, isw s is , ir r Dòng điện pha Stator Vector dòng điện is hệ toạ độ cố định Stator Rotor isd, isq Thành phần dòng Stator theo trục d, trục q isα, isβ Thành phần dịng Stator theo trục α, trục β mT, mM Mơmen tải, mômen điện từ động us Vetctor điện áp Stator usd, usq Thành phần điện áp Stator theo trục d, trục q usα, usβ Thành phần điện áp Stator theo trục α, trục β uss, urr Vector dòng điện is hệ toạ độ cố định Stator Rotor ω, ωs, Vận tốc góc cơ, vận tốc góc mạch Stator ψs,ψr Vector từ thong stator, rotor ψrd,ψrq Các thành phần trục d, q từ thông roto fs Tần số mạch stator  , s Góc cơ, góc pha từ thơng J Mơmen qn tính zp Số đơi cực Rs, Rr Điện trở stator, rotor Ls, Lr, Lm Điện cảm stator, rotor, hỗ cảm Lσs, Lσr Điện cảm tản phía stator, rotor Ts, Tr Hằng số thời gian stator, rotor σ Hệ số từ tản toàn phần Risd, Risq Các điều chỉnh dòng isd* , isq* Giá trị đặt cho điều chỉnh dòng R , R Bộ điều chỉnh tốc độ, từ thông CBHDKH: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN HV:Nguyễn Thị Dương http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật  * , rd* -6- Chuyên ngành tự động hóa Giá trị đặt cho điều chỉnh tốc độ, từ thơng Chỉ số viết nhỏ, góc phải phía f Đại lượng quan sát hệ tọa độ từ thông rotor s Đại lượng quan sát hệ tọa độ stator r Đại lượng quan sát hệ tọa độ rotor với trục thực trục rotor Chỉ số viết nhỏ, góc phải phía  Chữ thứ : s Đại lượng mạch stator r Đại lượng mạch rotor  Chữ thứ hai : d,q Đại lượng thuộc hệ tọa độ dq u, v, w Đại lượng thuộc pha u, v, w Ma trận, vector I Ma trận đơn vị  Ma trận rỗng Vector Chữ nhỏ Ma trận Chữ to Các chữ viết tắt ĐK Điều khiển ĐCKĐB Động không đồng ĐCKĐB-RLS Động không đồng rotor lồng sóc CBHDKH: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN HV:Nguyễn Thị Dương http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -7- Chuyên ngành tự động hóa ĐKPT Điều khiển phi tuyến TTHCX Tuyến tính hóa xác ĐKPHTT Điều khiển phản hồi trạng thái MHTT Mơ hình từ thơng TĐĐXCBP Truyền động điện xoay chiều ba pha CBHDKH: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN HV:Nguyễn Thị Dương http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 74 - Chuyên ngành tự động hóa Khảo sát đặc điểm ổn định ĐCKĐB-RLS điều khiển thời gian thực (ĐK gián đoạn sử dụng Microcontroller) để đảm bảo cho hệ thống hoạt động ổn định ta phải khảo sát phạm vi thông số biến đổi hệ làm việc ổn định, ứng với giá trị cố định thông số biến đổi hệ trạng thái ổn định Đối với phạm vi luận văn ta khảo sát hai thông số ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T thay đổi tham số động 3.4.4.1.Khảo sát ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu T đến độ ổn định hệ thống Để khảo sát ảnh hưởng chu kỳ trích mẫu đến độ ổn định hệ thống ta coi tham số động số Đồng thời khảo sát động hoạt động từ thông danh định, tốc độ đặt ω=150 rad/s tương ứng với chế độ làm việc định mức, tốc độ đặt ω=300 rad/s tương ứng với chế độ làm việc định mức  Khi động hoạt động từ thông danh định, tốc độ đặt ω=150 rad/s  Chu kỳ trích mẫu T=1000 µs Hình 3.33: Sự phân bố điểm khơng, điểm cực hệ thống tốc độ đặt ω=150 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 1000 µs CBHDKH: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN HV:Nguyễn Thị Dương http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 75 - Chuyên ngành tự động hóa  Chu kỳ trích mẫu T=500 µs Hình 3.34: Sự phân bố điểm không, điểm cực hệ thống tốc độ đặt ω=150 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 500 µs  Chu kỳ trích mẫu T=300 µs Hình 3.35: Sự phân bố điểm không, điểm cực hệ thống tốc độ đặt ω=150 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 300 µs CBHDKH: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN HV:Nguyễn Thị Dương http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 76 - Chun ngành tự động hóa  Chu kỳ trích mẫu T=200 µs Hình 3.36: Sự phân bố điểm khơng, điểm cực hệ thống tốc độ đặt ω=150 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 200 µs  Chu kỳ trích mẫu T=100 µs Hình 3.37: Sự phân bố điểm không, điểm cực hệ thống tốc độ đặt ω=150 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 100 µs CBHDKH: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN HV:Nguyễn Thị Dương http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 77 - Chuyên ngành tự động hóa Nhận xét: Từ kết mơ hình 3.33 – 3.37 ta thấy động hoạt động từ thông danh định, tốc độ đặt ω= 150 rad/s thay đổi chu kỳ trích mẫu có ảnh hưởng trực tiếp đến phân bố điểm khơng, điểm cực Khi giảm chu kỳ trích mẫu T điểm không, điểmcực di chuyển gần đường trịn đơn vị Giới hạn chu kỳ trích mẫu T < 300 µs điểm khơng, điểm cực bắt đầu nằm đường tròn đơn vị, hệ thống hoạt động ổn định  Khi động hoạt động từ thông danh định, tốc độ đặt ω= 300 rad/s Tương tự ta mô phân bố điểm không, điểm cực hệ thống với chu kỳ trích mẫu T khác  Chu kỳ trích mẫu T=1000 µs Hình 3.38: Sự phân bố điểm khơng, điểm cực hệ thống tốc độ đặt ω=300 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 1000 µs CBHDKH: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN HV:Nguyễn Thị Dương http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 78 - Chuyên ngành tự động hóa  Chu kỳ trích mẫu T=500 µs Hình 3.39: Sự phân bố điểm không, điểm cực hệ thống tốc độ đặt ω=300 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 500 µs  Chu kỳ trích mẫu T=300 µs Hình 3.40:kỳSựtrích phânmẫu bố điểm khơng,  Chu T=200 µs điểm cực hệ thống tốc độ đặt ω=300 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 300 µs CBHDKH: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN HV:Nguyễn Thị Dương http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 79 - Chun ngành tự động hóa Hình 3.41: Sự phân bố điểm không, điểm cực hệ thống tốc độ đặt ω=300 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 200 µs  Chu kỳ trích mẫu T=100 µs Hình 3.42: Sự phân bố điểm không, điểm cực hệ thống tốc độ đặt ω=300 rad/s, chu kỳ trích mẫu T= 100 µs CBHDKH: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN HV:Nguyễn Thị Dương http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 80 - Chuyên ngành tự động hóa Nhận xét: Từ kết thu hình 3.38- 3.42 ta thấy với tốc độ đặt ω=300 rad/s ta thay đổi chu kỳ trích mẫu T khác phân bố điểm không,điểm cực giống với trường hợp tốc độ đặt ω=150 rad/s Từ kết ta thấy phân bố điểm không, điểm cực hệ thống không phụ thuộc vào tốc độ đặt động cơ, dù động hoạt động tốc độ định mức hay tốc độ định mức vị trí điểm khơng, điểm cực phụ thuộc vào chu kỳ trích mẫu Chu kỳ trích mẫu nhỏ điểm cực điểm khơng, điểm cực nằm hồn tồn đường tròn đơn vị gần với gốc tọa độ, hệ thống làm việc đảm bảo độ ổn định 3.4.4.2 Khảo sát ảnh hưởng tham số động đến độ ổn định hệ thống Trong trình hoạt động, tham số động cơ, cụ thể điện trở, điện cảm stator,rotor ln có biến động phụ thuộc vào nhiệt độ chế độ công tác Tuy nhiên, thực tế ta coi giá trị điện cảm stator, rotor không thay đổi Ta xét ảnh hưởng tham số điện trở Stator điện trở Rotor đến độ ổn định hệ thống Để khảo sát ảnh hưởng tham số điện trở stator động ta mô phân bố vị trí điểm khơng, điểm cực động làm việc từ thông danh định, tốc độ định mức, chu kỳ trích mẫu T=200 µs a) Sự ảnh hưởng tham số điện trở Stator Khảo sát hệ thống với tham số điện trở Stator thay đổi ta thấy với Rs