Hệ Truyền động động cơ dị bộ nuôi bởi nguồn dòng

Thiết kế môn học Tổng hợp hệ điện MỤC LỤC Lời mở đầu Chương 1: Tổng quan động không đồng Trang 1.1.Cấu tạo động không đồng 1.2 Nguyên lý làm việc 1.3 Đặc tính động KĐB 1.4 Các đại lượng đặc trưng phương trình mơ tả Chương 2: Tổng quan nghịch lưu nguồn dòng 2.1 Giới thiệu sơ đồ nghịch lưu nguồn dòng 2.2 Các đại lượng điện từ trình chuyển mạch 12 Chương 3: Xây dựng mơ hình hệ truyền động điện động không đồng ni nghịch lưu nguồn dịng 15 3.1 Khái qt ngun lý mơ hình hóa nghịch lưu nguồn dịng 15 3.2 Giới thiệu sơ đồ mạch nghịch lưu nguồn dịng sử dụng thyritor 15 3.3 Xây dựng mơ 18 Tài liệu tham khảo GVHD : Ths Phạm Tâm Thành Sinh viên : Trần Huy Hoàng 30 Trang Thiết kế môn học Tổng hợp hệ điện Lời nói đầu Trong những năm gần những tiến khoa học kỹ thuật đã đưa lại những ứng dụng lớn lao vào q trình cơng nghiệp hóa đại hố mỡi đất nước Bên cạnh những thành tựu về mặt thực tiễn những lý thuyết về điều khiển cũng lần lượt đời góp phần không nhỏ việc xây dựng nguyên lý điều khiển tối ưu hệ thống truyền động cơng nghiệp Là nước q trình xây dựng nền kinh tế công nghiệp đại với nhiệm vụ thực thành cơng q trình cơng nghiệp hố đại hố, đất nước ta ngày đòi hỏi nhiều những ứng dụng mạnh mẽ thành tựu khoa học kỹ thuật vào trình sản xuất để đưa lại suất lao động cao hơn, cạnh tranh với nước khu vực thế giới .Tự động hoá sản xuất với việc áp dụng những thành tựu công nghệ nhằm nâng cao xuất, hạ giá thành sản phẩm không những yêu cầu bắt buộc mà nữa cịn xem chiến lược đới với nhà máy, xí nghiệp cũng tồn nền sản xuất công nghiệp mỗi quốc gia Từ yêu cầu thực tiễn em đã thực đề tài : “Xây dựng hệ truyền động máy điện dị ni nghịch lưu nguồn dịng ” Trong thời gian thực hiện, hướng dẫn giúp đỡ thầy giáo Ths Phạm Tâm Thành em đã hồn thành đồ án Nhưng trình độ cịn hạn chế nên đồ án tránh khỏi thiếu sót Mọi góp ý thầy bạn sẽ nguồn động viên vô giá để em tiếp tục hoàn thiện đồ án GVHD : Ths Phạm Tâm Thành Sinh viên : Trần Huy Hồng Trang Thiết kế mơn học Tổng hợp hệ điện Chương 1: Tổng quan động không đồng 1.1 Cấu tạo động khơng đồng Vỏ máy Hình 1.1 : Cấu tạo động không đồng *Phần tĩnh - Stator: - Lõi thép stator ghép bằng thép kỹ thỵât điện hình vành khăn có xẻ rãnh bên để đặt dây quấn stator Lõi thép ép vào phía vỏ máy - Dây quấn stator thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện đặt rãnh lõi thép - Vỏ máy gồm thân máy lắp máy thường làm bằng gang *Phần động - Roto: - Lõi thép thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau, mặt có xẻ rãnh để đặt dây quấn, giữa có đục lỗ để lắp trục - Dây quấn roto gồm hai loại: roto kiểu dây quấn roto kiểu lồng sóc Loại roto kiểu dây quấn: cũng giớng dây quấn ba pha stator, cuộn dây roto đấu hình cịn ba đầu nới đến ba vành trượt gắn vào trục GVHD : Ths Phạm Tâm Thành Sinh viên : Trần Huy Hồng Trang Thiết kế mơn học Tổng hợp hệ điện quay roto cà cách điện với trục Ba chổi than tiếp xúc với ba vành trượt nới ngồi với điện trở phụ để khởi động hoăc điều chỉnh tốc độ Loại roto kiểu lồng sóc: Loại dây quấn khác với dây quấn stator Mỗi rãnh lõi sắt đặt dẫn bằng đồng nhôm nới tắt lại đầu bằng hai vịng ngắn mạch bằng đồng nhơm Dây quấn roto kiểu lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt 1.2 Nguyên lý làm việc Khi nối dây quấn stator vào lưới điện xoay chiều ba pha, động sẽ sinh từ trường quay Từ trường quay quét qua dẫn roto, làm cảm ứng dây quấn roto sức điện động E sẽ sinh dòng điện I chạy dây quấn Dòng điện I tác động tương hỗ với từ trường stator tạo lực điện từ dây dẫn roto momen quay làm cho roto quay với tốc độ n theo chiều quay từ trường Tốc độ quay roto n nhỏ tốc độ từ trường quay stator n thế gọi động khơng đồng 1.3 Đặc tính động KĐB Đặc tính đơng điện quan hệ n=f(M2) M2 = f(n) Mà ta có M=M0+M2, ta xem M0=0 chuyển về Momen cản tĩnh Mc Vì vậy M2=M=f(n) Hình 1.2: Quan hệ M=f(s) GVHD : Ths Phạm Tâm Thành Sinh viên : Trần Huy Hoàng Trang Thiết kế môn học Tổng hợp hệ điện Từ hình 1.4 ta xét chế độ động nghĩa s=0÷1 hình 1.5a Nếu thay s=(n-n)/n1 ta sẽ có quan hệ n =f(M2) đặc tính động khơng đồng (hình 1.5b) Hình 1.3: Đặc tính động khơng đồng (a) Quan hệ momen theo hệ sớ trượt (b) Đặc tính động + Đoạn 0a (0 < s < sth) Động làm việc ổn định Đặc tính cứng + Đoạn ab (sth < s < 1) Động làm việc không ổn định 1.4 Các đại lượng đặc trưng phương trình mơ tả mM  s sK mK  sK s mK  z p Ls ; Rs 0 Us   s  Rr  ; s K   sLs  Trong đó: mK : momen lật Rr : điện trở roto sK : hệ số trượt mM = mK Ls : điện cảm stator mM : momen động zp : số đôi cực Us : điện áp stator s  : hệ số tản : tần số stator (vận tớc góc vector phía stator) Cơng thức gần xuất phát từ giả thiết điện trở stator R s = Giả thiết coi đới với máy điện cơng suất lớn lớn Mơ hình tốn động dị xoay chiều ba pha : GVHD : Ths Phạm Tâm Thành Sinh viên : Trần Huy Hoàng Trang Thiết kế môn học Tổng hợp hệ điện + Phương trình điện áp stator  (t )  R i dt  (t )  R i dt  (t )  R i d   u su (t )  d   u sv (t )  d   u sw (t )  su s sv s sw s dt su sv (t ) (t ) sw (t ) Khi vectơ điện áp stator biểu diễn dạng sau: us  d s dt  Rs i s + Vectơ điện áp viết cho roto động Rr i r  d r dt + Phương trình từ thơng  s Ls is  Lm ir  r Lm is  Lr ir Do cuộn dây roto stator có cấu tạo đới xứng nên tất giá trị điện cảm mọi hệ toạ độ quan sát + Phương trình momen mM  3 pc ( s is )  pc ( r ir ) 2 + Phương trình chuyển động mM mT  j d  pc dt Trong đó: Rs : điện trở stator us : vector điện áp stator Rr : điện trở roto quy đổi về stator is : vector dòng stator Ls : điện cảm stator ir : véc tơ dòng roto Lr : điện cảm roto s: Lm : hỗ cảm giữa hai cuộn dây  r : vector từ thông roto Ts  Ls Rs Tr  Lr : hằng số thời gian roto Rr vector từ thông stator : hằng số thời gian stator GVHD : Ths Phạm Tâm Thành Sinh viên : Trần Huy Hồng Trang Thiết kế mơn học Tổng hợp hệ điện  1  Lm : hệ sớ tiêu tán tổng Ls Lr * Mơ hình tốn hệ stator (hệ  ) Các phương trình mơ tả động khơng đồng roto lồng sóc hệ toạ độ cố định so với stator, viết lại dạng thành phần ta thu mô hình sau:  di s 1     dt  Ts Tr  1  1   i s   ' r   ' r  u s Tr  Ls  dis  1  1   is   'r   ' r  u s  T   Ls r   1     dt  T Tr  s d 'r 1  is   'r   'r dt Tr Tr d 'r dt  1 is   'r   'r Tr Tr Trong đó:   '  r Lm   '   r Lm + Phương trình momen mM  L2m  'r is   'r is  Lr *Mơ hình tốn hệ dq Nếu chuyển mơ hình sang biểu diễn hệ toạ độ dq, hệ toạ độ có trục thực d trùng với trục véc tơ từ thông roto  r Nghĩa hệ toạ độ dq quay đồng với vector r gọi hệ toạ độ từ thơng Mơ hình có dạng :  disd 1     dt Tr  Ts disq  1  1   is   s isq   'rd   'rq  u sd Tr  Ls   1    s isd    dt Tr  Ts  1  1   isq   'rd   'rq  u sq  Tr Ls  d 'rd 1  isd   'rd ( s   ) 'rq dt Tr Tr d 'rq dt  1 isq  ( s   ) 'rd   'rq Tr Tr GVHD : Ths Phạm Tâm Thành Sinh viên : Trần Huy Hoàng Trang Thiết kế môn học Tổng hợp hệ điện + Phương trình momen sau mM  L2m pc 'rd isq Lr Chương 2: Tổng quan nghịch lưu nguồn dòng 2.1 Giới thiệu sơ đồ nghịch lưu nguồn dòng Trong thực tế nghịch lưu dòng ba pha sử dụng rộng rãi cơng suất lớn đáp ứng sử dụng cơng nghiệp, van bán dẫn van điều khiển hồn tồn Hình 2.1: Nghịch lưu dịng ba pha Nghịch lưu dịng có sử dụng thyristor để khố thyristor cần phải có tụ chuyển mạch Vì nghịch lưu nguồn dịng nên đầu vào GVHD : Ths Phạm Tâm Thành Sinh viên : Trần Huy Hồng Trang Thiết kế mơn học Tổng hợp hệ điện phải nguồn dòng Ld vơ Để đảm nảo khóa thyristor tạo hệ thớng dịng điện ba pha đới xứng ḷt dẫn điện thyristor phải tn theo hình sau : Hình 2.2: Biểu đồ xung Qua đồ thị ta thấy mỗi van động lực dẫn khoảng thời gian  120  Quá trình chuyển mạch bao giờ cũng biểu diễn đối với van nhóm Xét khoảng thời gian t1 lúc T1 T6 dẫn Dòng điện sẽ chạy qua T1, ZA, ZB, T6 Đồng thời sẽ có dịng nạp vào tụ C1 qua T1, C1, T6 Khi tụ C1 nạp đầy dịng qua tụ bằng Tụ C1 nạp với dấu điện áp để ch̉n bị cho q trình chuyển mạch khố T1 Tại thời điểm t = t2, mở T3, điện áp nạp vào tụ C1 đặt lên T1 làm cho T1 bị khoá lại Tương tự vậy T2 T3 dẫn (t2 t3) tụ C3 nạp với dấu điện áp để chuẩn bị khoá T3 Đới với nhóm catot chung T2, T3 T6 q trình chuyển mạch cũng diễn vậy Ví dụ tụ C5 nạp khoảng thời gian t t2 (khi T1 T2 dẫn) với dấu đảm bảo để khoá T4 mở T2 thời điểm t3 Giá trị hiệu dụng dòng điện tải: I s I d  (2.1) Giá trị hiệu dụng thành phần sóng dịng điện phân tích Fourier: GVHD : Ths Phạm Tâm Thành Sinh viên : Trần Huy Hồng Trang Thiết kế mơn học Tổng hợp hệ điện I s1  I d  (2.2) Giá trị hiệu dụng thành phần sóng điện áp xác định theo điều kiện cân bằng công suất giữa nguồn tải, bỏ qua tổn hao van tổn hao thành phần songd hài bậc cao gây ra: U d I d 3.U s I s1 cos 1 (2.3) Trong 1 góc lệch pha giữa thành phần dịng điện thành phần sóng điện áp tải Từ (2.2) (2.3) ta được: U s1   U  d cos 1 (2.4) Khi nghịch lưu nguồn dòng làm việc với tải động điện xoay chiều mạch đồ thị điện áp tải có xuất xung nhọn thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa pha Trong thực tế kỹ thuật thường sử dụng van điều khiển khơng hồn tồn, vậy cần có mạch khố cưỡng bức van dẫn, bảo đảm chuyển mạch dòng điện giữa pha cách chắc chắn phạm vi điều chỉnh tần sớ dịng điện đủ rộng GVHD : Ths Phạm Tâm Thành Sinh viên : Trần Huy Hoàng Trang 10 Thiết kế mơn học Tổng hợp hệ điện Hình 3.2: Sơ đồ nghịch lưu nguồn dòng sử dụng thyristor Khó khăn chủ yếu sử dụng van thyristor đặc điểm chủ động mở van (kích hoạt dẫn dịng), lai khơng chủ động ngắt van (ngừng hoạt động dẫn dòng) Mạch hoạt động độc lập nghịch lưu nguồn dòng phải sử dụng mạch dập để chuyển mạch Thiết bị nghịch lưu nguồn dòng bao giờ cũng có ba thành phần: + Phần chỉnh lưu đầu vào với nhiệm vụ điều chỉnh ổn định dòng i DC mạch chiều trung gian Giá trị iDC quyết định biên độ dòng máy điện (có tác dụng điều khiển momen quay) Chỉnh lưu sử dụng điện áp lưới để điều chỉnh dòng iDC (điều chỉnh momen) + Phần mạch chiều trung gian sử dụng cuộn kháng lọc với nhiệm vụ hạn chế hài dịng iDC + Phần nghịch lưu ni máy điện dị có nhiệm vụ chuyển mạch dịng, tức tạo tần sớ trường quay qua điều khiển tốc độ quay máy điện Thông qua lý giải ngắn gọn về nguyên lý nghịch lưu nguồn dịng ta đưa sớ u cầu mơ hình hố + Mơ hình phải có vịng điều chỉnh dịng với nhiệm vụ điều khiển dòng chảy qua mạch chiều trung gian Giá trị dịng tính theo: GVHD : Ths Phạm Tâm Thành Sinh viên : Trần Huy Hoàng Trang 15 Thiết kế môn học Tổng hợp hệ điện I s  I   Tr2 r2 Tr hằng số thời gian roto  r tần số mạch roto IS module dịng stator I dịng từ hố máy điện xoay chiều ba pha Xuất phát từ giả thiết máy điện dị vận hành với từ thông hằng, dòng stator sẽ bao gồm thành phần dòng từ hố (tạo từ thơng) thành phần tạo momen (thường từ khâu điều chỉnh tốc độ quay đưa tới) Để phân tách rõ ràng hai thành phần đó, vịng điều chỉnh dòng sẽ phải cài dặt hệ toạ độ dq Vị trí góc hệ toạ độ dq tính theo cơng thức :  S arctg (Tr  r ) Góc tìm sẽ (tuỳ theo chiều quay) chọn gán cho vector dòng chuẩn thuộc bảng : Pha a Is Pha b Is Pha c -Is -Is Góc vector dịng -Is -Is Is Is -Is -Is Is Is 150  30  90  210  270  330  3.3 Xây dựng mô 3.3.1 Xây dựng GVHD : Ths Phạm Tâm Thành Sinh viên : Trần Huy Hoàng Trang 16 Thiết kế môn học Tổng hợp hệ điện Hình 3.3 : Sơ đồ thay thế máy điện dị Từ sơ đồ thay thế ta có phương trình mơ tả máy điện khơng đồng bộ: + Phương trình điện áp stator us  d s  Rsis dt (3.1) + Phương trình điện áp roto Rr ir  d r dt (3.2) + Phương trình từ thông  s Ls is  Lm ir  r Lmis  Lr ir (3.3) Các phương trình mơ tả động khơng đồng roto lồng sóc hệ toạ độ cố định so với stator (hệ  )  di s 1     dt  Ts Tr  1  1   i s   ' r   ' r  u s Tr  Ls  dis  1  1   is   'r   ' r  u s Tr  Ls   1     dt Tr  Ts d 'r 1  is   'r   'r dt Tr Tr d 'r dt  (3.4) 1 is   'r   'r Tr Tr + Phương trình momen mM  z p (1   ) Ls  'r is   'r is  (3.5) Trong đó: Rs : điện trở stator GVHD : Ths Phạm Tâm Thành Sinh viên : Trần Huy Hoàng us : vector điện áp stator Trang 17 Thiết kế môn học Tổng hợp hệ điện Rr : điện trở roto quy đổi về stator is : vector dòng stator Ls : điện cảm stator ir : véc tơ dòng roto Lr : điện cảm roto s: Lm : hỗ cảm giữa hai cuộn dây  r : vector từ thông roto Ts  Ls Rs Tr  Lr : hằng số thời gian roto Rr vector từ thông stator : hằng số thời gian stator  1  Lm : hệ số tiêu tán tổng Ls Lr     r'  r  r'   j r'   r  j r Lm Lm Lm Hệ phương trình mơ tả đã xây dựng cở sở chấp nhận giả thiết sau: + Hệ phương trình thu sở sóng hài đại lượng dịng áp từ thơng tượng móc vịng từ thơng giữa stator roto xảy với sóng Momen hài chưa quan tâm + Hệ chưa xét tới tượng bão hồ vật liệu từ Tuy nhiên sử dụng hàm xấp xỉ để bổ xung đặc tính bão hoà cách dễ dàng + Chưa xét tới tổn hao dòng quẩn tổn hao sắt từ + Chưa xét tới tượng dãn dịng (xuất đới với hài dòng bậc cao, làm tăng giá trị hiệu dụng điên trở) + Stator roto có kết cấu trịn đều đới xứng Hệ thớng stator có chứa z p cuộn dây ba pha Việc đặt điện áp roto bằng xuất phát từ kết cấu ngắn mạch mạch điện phía roto Đới với mơ hình máy điện dị roto dây quấn sẽ phải bổ xung thêm phương trình cho hệ + Tham sớ mơ hình hằng + Bỏ qua tổn hao ma sát Khi sử dụng khới nghịch lưu nguồn dịng theo ngun tắc mơ tả hình 3.1, khới nghịch lưu nguồn dịng sẽ trao cho mơ hình máy điện dị dịng điện dạng khới vậy mơ hình máy điện dị sẽ phải mơ hình nguồn dòng GVHD : Ths Phạm Tâm Thành Sinh viên : Trần Huy Hồng Trang 18 Thiết kế mơn học Tổng hợp hệ điện nên mơ hình sẽ cịn bao gồm hai phương trình thứ thứ hệ (3.4), tức hạn chế về hai phương trình từ thơng, dịng stator đã nghịch lưu nguồn dịng Trong chương trình mơ phịng ta phải xây dựng hai Sfunction khới tạo hàm (tính góc) logic điều khiển (đưa dịng tới đầu theo góc đã tính) Để hồn thiện ta cịn thêm khâu điều chỉnh với đặc tính PI khâu PT thay cho mơ hình đới tượng điều chỉnh dịng Ta có mơ hình mơ sau : + Chương trình viết cho khối CSI: /********************************************** * CSI.C : C-MEX-File to simulate the current-source * * inverter feeding a 3-phase induction motor in alpha- * * beta-coordinates * * Syntax : [sys , x0] = csi(t,x,u,flag,p) * * Parameter p[ Rr, Lr] * * Rr Rotor resistance * * Lr Rotor inductance * ***********************************************/ #define S_FUNCTION_NAME csi GVHD : Ths Phạm Tâm Thành Sinh viên : Trần Huy Hoàng Trang 19 Thiết kế môn học Tổng hợp hệ điện #include “simstruc.h” #include /* Input variables: */ #define I_s u[0] /*Reference stator current*/ #define w_r u[1] /*Slip frequency (Output of speed controller) */ #define Psira u[4] /*Rotor flux Psira of IM (State)*/ #define Psirb u[5] /*Rotor flux Psirb of IM (State)*/ /* State variables: */ #define isa x[0] /*Stator current alpha*/ #define isb x[1] /*Stator current beta*/ #define Tr x[2] /*Rotor time constant*/ /* Auxiliary variables: */ #define TWO_PI 6.2318530718 #define sign(x) (x==0.0?0.0:((x>0.0)?1.0:-1.0)) /*Definition of Sign-Function*/ /* The current inverter was made under the following * acceptances: * The standard current vectors have tobe switched * with 2/3 pi switch-on * The commutation events are not noticed * The dead-time of the signal processing will be one * integration step * The netside-converter is a current-source, feeding * the IM with a delay of 6ms (because of stator time * contant, DC-link inductance and sum time constant) * The current controller is a PI-controller, designed GVHD : Ths Phạm Tâm Thành Sinh viên : Trần Huy Hoàng Trang 20 ... Thiết kế môn học Tổng hợp hệ điện Chương 3: Xây dựng mô hình hệ truyền động điện động khơng đồng ni nghịch lưu nguồn dịng 3.1 Khái quát ngun lý mơ hình hóa nghịch lưu nguồn dịng Hình 3.1: Khái qt... nghịch lưu nguồn dịng nên đầu vào GVHD : Ths Phạm Tâm Thành Sinh viên : Trần Huy Hồng Trang Thiết kế mơn học Tổng hợp hệ điện phải nguồn dịng Ld vơ Để đảm nảo khóa thyristor tạo hệ thớng dịng điện... khơng chủ động ngắt van (ngừng hoạt động dẫn dòng) Mạch hoạt động độc lập nghịch lưu nguồn dòng phải sử dụng mạch dập để chuyển mạch Thiết bị nghịch lưu nguồn dịng bao giờ cũng có ba thành phần: