Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần

MỤC LỤC Trang tựa Trang Xác nhận cán hướng dẫn Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt ix Danh sách hình x Danh sách bảng xiii Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu nước 1.1.1Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu 1.1.2 Một số kết nghiên cứu nước 1.2 Mục đích đề tài nghiên cứu 1.3 Nhiệm vụ giới hạn đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA RƠTO LỒNG SĨC 2.1 Tổng quan động không đồng ba pha 2.1.1 Cấu tạo 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 2.1.3 Mở máy động không đồng ba pha 2.1.4 Đặc tính động điện khơng đồng ba pha viii 2.1.5 Ảnh hưởng tần số nguồn đến đặc tính 10 2.1.6 Ứng dụng động không đồng ba pha 11 2.2 Các vấn đề liên quan đến điều khiển động 12 2.2.1 Các yêu cầu đặt việc điều khiển động không đồng ba pha 12 2.2.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động không đồng ba pha 14 2.2.3 Điều khiển tốc độ động phương pháp thay đổi tần số nguồn 14 2.2.4 Phương pháp điều khiển U/f = const 15 2.3 Biến tần 18 2.3.1 Phân loại biến tần 18 2.3.1.1 Biến tần trực tiếp 19 2.3.1.2 Biến tần gián tiếp 19 2.3.2 Cấu trúc biến tần 20 2.3.3 Phương thức điều khiển độ rộng xung (PWM) 22 Chƣơng 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG BIẾN TẦN DỰA TRÊN CƠ SỞ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN 28 3.1 Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) 28 3.2 Thành lập vector không gian 28 3.2.1 Tính tốn thời gian đóng ngắt 32 3.2.2 Kỹ thuật điều chế vector không gian 35 3.2.3 Gian đồ đóng cắt khóa để tạo vector Vs sector 35 Chƣơng 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA 38 4.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống biến tần điều khiển tốc độ động không đồng pha 38 4.2 Sơ đồ tổng quan mạch công suất 40 4.3 Sơ đồ triển khai mạch xung kích 43 ix 4.3.1 Sơ đồ mạch nguồn 44 4.3.2 Sơ đồ mạch lái 45 4.4 Sơ đồ mạch encoder 47 4.5 Sơ đồ mạch cảm biến dòng 48 Chƣơng 5: THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA 50 5.1 Mô biến tần điều khiểu tốc độ động không đồng pha 50 5.1.1 Mơ hình mơ biến tần 50 5.1.1.1 Khối điều khiển 50 5.1.1.2 Khối công suất 54 5.1.1.3 Khối tải 57 5.1.2 Kết mô biến tần 58 5.2 Thực nghiệm biến tần điều khiểu tốc độ động không đồng pha 61 5.2.1 Mơ hình nhúng biến tần 61 Chƣơng 6: KẾT LUẬN 73 6.1 Kết luận 73 6.2 Hướng phát triển đề tài 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 x DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT AC Alternating Current DC Direct Current ADC Analog-to-Digital Converter DSP Digital Signal Processor I/O Input/Output IGBT Insulated-Gate Bipolar Transistor GTO Gate-Turn-Off thyristor PI Proportional-Integral PWM Pulse Width Modulation SVPWM Space Vector Pulse Width Modulation THD Total Harmonic Distortion CPWM Carrier Based Pulse Width Modulation IEC International Electrotechnical Commission xi DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1: Ngun lý làm việc động không đồng ba pha Hình 2.2: Sơ đồ thay pha động khơng động ba pha Hình 2.3: Đường đặc tính động khơng đồng ba pha Hình 2.4: Đặc tính động KDB thay đổi tần số nguồn kết hợp với thay đổi điện áp 11 Hình 2.5: Đồ thị biểu thị mối quan hệ momen điện áp theo tần số theo luật điều khiển U/f=const 18 Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc biến tần gián tiếp 19 Hình 2.7: Cấu trúc biến tần 21 Hình 2.8: Dạng sóng đầu theo phương pháp điều chế độ rộng xung 23 Hình 2.9: Nguyên lý điều chế SPWM pha 24 Hình 2.10: Nghịch lưu áp ba pha 24 Hình 2.11: Nguyên lý điều chế SPWM ba pha 25 Hình 3.1: biểu diễn vectơ không gian hệ tọa độ oxy 28 Hình 3.2: Các vectơ khơng gian từ đến 31 Hình 3.3: Trạng thái đóng ngắt van 32 Hình 3.4: Vectơ không gian Vr vùng 32 Hình 3.5: Vectơ khơng gian Vr vùng 34 Hình 3.6: Giản đồ đóng cắt linh kiện 35 Hình 3.7: Vectơ Vs vùng từ 0-6 36 Hình 4.1: Sơ đồ biến đổi công suất 38 Hình 4.2: sơ đồ dạng sóng điện áp lưu cầu1 pha 39 Hình 4.3: Sơ đồ ngun lý mạch cơng suất 41 Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý IGBT FGA15N120ANTD 41 Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu 42 Hình 4.6: Thi cơng mạch nghịch lưu 43 xii Hình 4.7: Sơ đồ tổng quan mạch tạo xung kích 44 Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 45 Hình 4.9: Thi công mạch nguồn 45 Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý mạch lái 46 Hình 4.11: Thi cơng mạch lái 46 Hình 4.12: Encoder 256 xung/vòng 47 Hình 4.13 : Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu encoder 48 Hình 4.14 : Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến dịng 48 Hình 4.15: Thi cơng mạch cảm biến dịng 49 Hình 5.1:Mơ hình mơ tổng quan biến tần 50 Hình 5.2: Sơ đồ tổng quan khối điểu khiển vòng hở 51 Hình 5.3: Sơ đồ khối SVPWM 2_level cửa sổ thông số 52 Hình 5.4: Sơ đồ tổng quan khối điều khiển vịng kín 53 Hình 5.5: Sơ đồ tổng quan khối PID 54 Hình 5.6: Sơ đồ tổng quan khối công suất 54 Hình 5.7: Cài đặt thơng số cho khối nguồn AC 55 Hình 5.8: Cài đặt thơng số cho khối chỉnh lưu 56 Hình 5.9: Cài đặt thông số cho tụ C 56 Hình 5.10: Cài đặt thông số cho khối IGBT inverter 57 Hình 5.11: Sơ đồ khối động không đồng pha 57 Hình 5.12: Cài đặt thơng số cho khối động khơng đồng pha 58 Hình 5.13: Tốc độ, moment dòng điện động chế độ vịng hở 59 Hình 5.14: Dạng sóng mơ tốc độ, moment dịng điện chế độ vòng hở 60 Hình 5.15: Phân tích phổ dịng điện 60 Hình 5.16: Dạng sóng mô điện áp dây 61 Hình 5.17: Mơ hình lập trình nhúng biến tần 61 Hình 5.18: Sơ đồ bên khối rpm_rampUp 62 xii Hình 5.19:Thơng số bên khối rpm_rampUp 63 Hình 5.20: Thiết lập thông số khối eQEP 64 Hình 5.21: Sơ đồ bên khối SVPWM 66 Hình 5.22: Cửa sổ khai báo ePWM 66 Hình 5.23: Khối giao tiếp Matlab – DSP TMS320F28335 cửa sổ thông số 67 Hình 5.24: Kết thực nghiệm Tốc độ đặt n = 150 vòng/ phút 68 Hình 5.25: Kết thực nghiệm Tốc độ đặt n = 500 vòng/ phút 69 Hình 5.26: Kết thực nghiệm Tốc độ đặt n = 1450 vịng/ phút 70 Hình 5.27: Đồ thị đáp ứng điện áp tần số 71 Hình 5.28: Dịng điện stator động đặt tốc độ n = 1450 vòng/phút 72 xii DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng Trang Bảng 3.1: Giá trị điện áp trạng thái đóng ngắt vectơ khơng gian tương ứng 32 Bảng 5.1: Bảng số liệu mô biến tần 58 Bảng 5.2: Kết mơ vịng hở vịng kín biến tần 59 Bảng 5.3: Bảng số liệu thực nghiệm biến tần 71 Bảng 5.4: Kết thực nghiệm vòng hở vịng kín biến tần 71 xiii Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu kết nghiên cứu nƣớc 1.1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu Kỹ thuật điện tử ứng dụng mạch điều khiển, đo lường, khống chế, bảo vệ…hệ thống điện công nghiệp gọi điện tử công nghiệp vào khoảng năm 70 – 80 kỷ XX Các kỹ thuật không ngừng thay đổi phát triển năm 90 kỷ XX, kỹ thuật điện tử ứng dụng rộng rãi thành cơng việc thay khí cụ điện từ dùng để đóng ngắt cung cấp nguồn cho phụ tải, làm nguồn công suất lớn cơng nghiệp…Với ưu điểm kích thước nhỏ gọn, dễ điều khiển thuận tiện, khả công suất, điện áp, dòng điện độ tin cậy ngày cải tiến dần Và Các thiết bị biến đổi công suất giúp nâng cao hiệu trình biến đổi lượng điện đồng thời ln cải tiến hoàn thiện để đáp ứng yêu cầu chất lượng điện Ngoài ứng dụng truyền thống điều khiển động điện, nguồn công suất, phạm vi ứng dụng biến đổi công suất ngày mở rộng lĩnh vực tự động hóa cơng nghiệp, lưu trữ lượng, ứng dụng truyền tải điện Để khắc phục vấn đề hiệu chỉnh hệ số cơng suất, méo dạng sóng hài… có nhiều giải pháp để bao gồm: Các lọc thụ động, tích cực, tụ bù… nhằm cãi thiện chất lượng điện Các nghiên cứu biến đổi trước cho thấy bên cạnh chức chuyển đổi cơng suất có số nhược điểm hệ số công suất thấp, lượng chảy theo chiều có nhiều sóng hài bậc cao Do biến đổi DC/AC PWM (pulse width modulation) khắc phục được nhược điểm để bắt kiệp với u cầu đặt tình hình mới, có nhiều phương pháp điều khiển Các phương pháp điều khiển cũ bao hàm thay đổi nhỏ cấu trúc lược đồ điều khiển biến đổi Ở biến đổi lượng điện van chuyển mạch nguồn điều khiển HVTH: Đỗ Văn Thành Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ transistor lưỡng cực có cực cửa cách ly (IGBT), thyristor tắt mở cực cửa (GTO), thyristor điều khiển có cực cửa kết hợp (IGCT) chứa mạch công suất chỉnh lưu nghịch để tích cực thay đổi dạng sóng dịng điện ngõ vào, làm giảm độ méo, giảm sóng hài chúng cải thiện hệ số công suất Nghich lưu bậc nghiên cứu rộng rãi Nó ứng dụng hệ truyền động dây chuyền sản suất đại, động không đồng pha rơto lồng sóc sử dụng rộng rãi có nhiều ưu điểm cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ, vận hành tin cậy an toàn Với phát triển lý thuyết điều khiển ngành liên quan làm cho động không đồng pha chiếm ưu ngành truyền động nên đề tài luận văn tốt nghiệp “ Điều khiển tốc độ động không đồng pha biến tần” chọn để thay cho mạch điều khiển cổ điển gây nhiều tổn thất mạch điều chỉnh Và Matlab ứng dụng để nghiên cứu phát triển thêm kỹ thuật nghịch lưu nhằm cải thiện khuyết điểm Kết hợp với card DSP F28355 để lập trình nhúng DSP có hiệu suất cao, tổn thất cơng suất khơng phụ thuộc hoạt động hệ thống tương thích với Matlab 1.1.2 Một số kết nghiên cứu nƣớc Các nghịch lưu thành phần chủ yếu biến tần Ứng dụng chúng quan trọng tương đối rộng rãi, chủ yếu nhằm vào lĩnh vực truyền động điện động xoay chiều với độ xác cao Trong lĩnh vực tần số cao, nghich lưu dùng lò cảm ứng trung tần, nghịch lưu dùng làm nguồn xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng cịn ứng dụng lĩnh vực bù nhuyễn cơng suất phản kháng Đối với nước: - Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thế Anh – Đà Nẵng “ Điều khiển mờ động không đồng pha rơto lồng sóc” HVTH: Đỗ Văn Thành Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ %LED status blink Tblink = 1/Ts; TLed = round(Tblink/2); %setup Fgain = 1/30; %setupPWM Qvalue=13; PwmScale = 2^Qvalue;%[0 2]*PwmScale = [0 2^(Qvalue+1)] PwmCnt = 2^(Qvalue+1)+1%(svgen(12)*2 fpwm = 150e6/(2*PwmCnt)%pwmcnt dem len dem xuong PWM_period_isr = (2*PwmCnt/150e6); %Software setup Fmax = 50; Fmin = 5; Vmin = 0.1; Vmax = 1; TR_cnt_end = round(T_rissing/Tcontrol)+1; Rpm_rate = RPMset/TR_cnt_end; Vrate = (Vmax-Vmin)/Fmax;  Thiết lập thông số cho khối rpm_rampUp điều khiển vịng kín Hình 5.19:Thông số bên khối rpm_rampUp HVTH: Đỗ Văn Thành 63 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Hình 5.20: Thiết lập thơng số khối eQEP Lập trình cho khối rpm_rampUp clear; clc; %sampling time Ts = 2^-13; Tcontrol = 2^7*Ts; T_display = 2^2*Tcontrol; prompt = {'Thoi Gian tang toc tu 0-RPMset(giay):','RPM(100-1500):'}; dlg_title = 'Nhap Thong So Dieu Khien'; num_lines = 1; def = {'10','1000'}; T_rissing =0; RPMset=0; RpmMin=100; RpmMax=1500; HVTH: Đỗ Văn Thành 64 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ while((T_rissing