doanbientan 3 fa compress

Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .2 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ 1.1 Các hệ thống truyền động điện dùng động xoay chiều .4 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng .4 1.1.3 Hệ truyền động biến tần - động xoay chiều 1.2 Sơ lược biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất 1.2.1 Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) 1.2.2 Bộ biến tần gián tiếp 1.3 Điều khiển hệ biến tần – động không đồng (BT – ĐCKĐB) .12 1.3.1 Điều khiển vô hướng 13 1.3.2 Điều khiển định hướng theo từ trường .14 1.3.3 Điều khiển trực tiếp mômen .16 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ THEO PHƯƠNG PHÁP U/f = const 17 2.1 Cấu trúc hệ điều khiển biến tần động .17 2.1.1 Giới thiệu chung 17 2.1.2 Điều chỉnh điê ̣n áp - tần số với từ thông hàm mômen tải .18 2.1.3 Điều khiển điê ̣n áp - tần số giữ từ thông đô ̣ng không đổi 19 2.1.4 Điều chỉnh dòng điện – tần số giữ từ thông động không đổi .21 2.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển 21 2.2.1 Phép biến đổi hệ tọa độ a-b-c  α-β .22 2.2.2 Sơ đồ vòng hở điều khiển V/f cho nghịch lưu: 23 2.2.3 Phương pháp điều chế véc tơ không gian (SVM) 24 2.2.4 Điều khiển tựa từ thông rô to (Field Oriented Control- FOC) 24 2.2.5 Sơ đồ vòng hở điều khiển V/f cho nghịch lưu .33 2.2.6 Mơ hình tốn học động 34 2.2.7 Mơ hình tốn học khâu hệ thống 35 CHƯƠNG 3: TÍNH TỒN VÀ LỰA CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH LỰC 38 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 38 3.2 Lựa chọn phần tử mạch lực 38 3.2.1 Tính tốn nghịch lưu 38 3.2.2 Tính toán chỉnh lưu .39 3.3 Mạch điều khiển 41 3.3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển .41 SVTH: Lê Đức Anh Trang Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển 3.3.2 Mạch điều khiển .42 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 44 4.1 Tổng quan phần mềm Matlab Simulink .44 4.2 Mô hình mơ Matlab/Simulink 45 4.3 Kết mô .46 KẾT LUẬN .48 SVTH: Lê Đức Anh Trang Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển LỜI MỞ ĐẦU Đối với Quốc gia nói chung nước ta nói riêng ngành đóng vai trò then chốt kinh tế là: Điện, than, dầu khí ngành cơng nghiệp luyện kim loại khơng nằm ngồi chiến lược phát triển kinh tế Để nâng cao chất lượng sản phẩm, số lượng sản phẩm hổ trợ cho người công việc phức tạp, q trình tự động hố đời mang lại hiệu cao đáp ứng hoàn tồn u cầu người Ở nước ta, lĩnh vực tự động hoá Đảng Nhà nước quan tâm đầu tư lớn, với lĩnh vực công nghiệp chuyển dịch kinh tế theo định hướng cơng nghiệp hố - đại hố đất nước Ngày nay, cơng nghệ điện tử cơng suất, vi xử lý cơng nghệ máy tính phát triển mạnh mẽ hệ thống tự động hóa sản xuất thường gặp thực tế chủ yếu hệ truyền động sử dụng biến tần Thực đồ án tự động hóa q trình em thầy giao cho đề tài sau: “Thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ truyền động Biến tần động theo phương pháp U/f=const” Trong quá trình thực đồ án thân em cố gắng song tránh khỏi sai sót, em kính mong nhận ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn để đồ án hoàn thiện hơn Để hồn thành chương trình đại học thực đồ án này, em nhận hướng dẫn, giúp đỡ góp ý nhiệt tình quý thầy cô Khoa Điện - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo TS Trần Duy Trinh dành thời gian hướng dẫn tận tình, xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Khoa điện - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh Sinh viên LÊ ĐỨC ANH SVTH: Lê Đức Anh Trang Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ 1.1 Các hệ thống truyền động điện dùng động xoay chiều 1.1.1 Giới thiệu chung Các hệ thống truyền động điện sử dụng rộng rãi lĩnh vực khác nhau, chúng dùng để cung cấp động lực cho phần lớn cấu sản xuất Trong kỷ XIX xuất truyền động điện động chiều động xoay chiều Trong nhiều năm kỷ XX, khoảng 80% hệ thống truyền động điện không yêu cầu điều chỉnh tốc độ dùng động xoay chiều, khoảng 20% truyền động điện có yêu cầu cao điều chỉnh tốc độ dùng động chiều Điều giới coi quy luật phân bổ hiển nhiên Phương án điều chỉnh tốc độ động xoay chiều phát minh đưa vào ứng dụng sớm, chất lượng lại khó sánh kịp với hệ thống truyền động điện chiều Mãi tận tới thập kỷ 70 kỷ XX, giới bị hút vào nguy khan dầu mỏ, nước công nghiệp tiên tiến tập trung vào việc nghiên cứu hệ thống điều chỉnh tốc độ động xoay chiều hiệu suất cao, hy vọng coi đường tiết kiệm nguồn lượng Qua 10 năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ 80 hướng nghiên cứu đạt thành tựu lớn, coi bước đột phá thần kỳ truyền động điện xoay chiều, từ tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ động điện xoay chiều ngày tăng lên Trong ngành công nghiệp có trào lưu thay hệ thống điều chỉnh tốc độ động chiều hệ thống điều chỉnh tốc độ động xoay chiều 1.1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng Động xoay chiều khơng đồng có kết cấu đơn giản, chắn, làm việc tin cậy giá thành rẻ Điều chỉnh tốc độ (điều tốc) động khơng đồng có nhiều phương pháp, kể đến như: (1) Điều chỉnh tốc độ phương pháp điều chỉnh điện áp đặt vào cuộn dây stator động (2) Điều chỉnh tốc độ phương pháp dùng ly hợp trượt điện từ (3) Điều chỉnh tốc độ phương pháp dùng điện trở phụ nối tiếp với cuộn dây rotor động không đồng rotor dây quấn (4) Điều chỉnh tốc độ phương pháp nối cấp động không đồng rotor dây quấn (5) Điều chỉnh tốc độ phương pháp thay đổi số đôi cực SVTH: Lê Đức Anh Trang Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển (6) Điều chỉnh tốc độ phương pháp thay đổi tần số nhờ biến đổi tần số (phương pháp biến tần)…v.v Dựa vào cách xử lý công suất trượt máy điện, hệ thống điều chỉnh tốc độ động không đồng phân loại hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trượt, hệ thống điều tốc kiểu tái sinh hệ thống điều tốc công suất trượt không thay đổi Hiệu suất kiểu tăng lên theo thứ tự - Hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trượt: tồn cơng suất trượt chuyển thành nhiệt tiêu hao Ba phương pháp điều tốc (1), (2), (3) kể thuộc loại Hiệu suất hệ thống điều tốc loại thấp chấp nhận tổn thất công suất để đổi lấy việc giảm tốc độ quay (lúc mômen phụ tải khơng đổi), tốc độ xuống thấp hiệu suất giảm Nhưng cấu trúc hệ thống đơn giản nhất, dùng số trường hợp, ví dụ hệ thống cầu trục - Hệ thống điều tốc kiểu tái sinh: phận công suất trượt bị tiêu hao đi, phần lớn cịn lại nhờ có thiết bị chỉnh lưu - nghịch lưu trả lưới điện xoay chiều chuyển hoá thành dạng để dùng vào việc có ích khác, tốc độ quay thấp công suất thu hồi nhiều, phương pháp điều tốc thứ (4) kể thuộc loại Hiệu suất hệ thống điều tốc loại rõ ràng cao loại hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trượt phải thêm thiết bị chỉnh lưu - nghịch lưu nên lại phải tiêu hao phần công suất - Hệ thống điều tốc công suất trượt không thay đổi: hệ thống không tránh khỏi tiêu hao công suất dây dẫn rotor, tiêu hao công suất trượt khơng phụ thuộc vào tốc độ cao hay thấp, hiệu suất cao Phương pháp điều tốc thứ (5), (6) thuộc loại Phương pháp điều tốc thay đổi số đơi cực phương pháp điều chỉnh có cấp, phạm vi điều chỉnh hẹp, dùng Phương pháp điều tốc biến tần ứng dụng rộng rãi cho phép điều chỉnh trơn với phạm vi rộng, có khả xây dựng hệ thống điều chỉnh tốc độ động xoay chiều có chất lượng cao, thay hệ thống điều chỉnh tốc độ động chiều có xu hướng phát triển Hệ thống điều tốc biến tần động khơng đồng có phạm vi ứng dụng rộng lĩnh vực công suất, từ công suất cực nhỏ đến công suất lớn (hàng MW) 1.1.3 Hệ truyền động biến tần - động xoay chiều Trong hệ truyền động biến tần cho loại động xoay chiều đồng khơng đồng biến tần khâu quan trọng định đến chất lượng hệ thống truyền động Phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh, vào phạm vi công suất truyền động, vào hướng điều chỉnh mà có loại biến tần phương pháp khống chế biến SVTH: Lê Đức Anh Trang Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển tần khác Trước việc điều khiển tốc độ động xoay chiều không đồng gặp khó khăn điều khiển vùng tốc độ thấp Ngày động không đồng điều chỉnh biến tần bán dẫn hồn thiện có khả cạnh tranh lớp với điều khiển chiều, vùng công suất truyền động lớn tốc độ thấp Ưu điểm bật phương pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng pha rôto lồng sóc phương pháp sử dụng biến tần là: - Điều chỉnh vô cấp - Cho phép mở rộng dải điều chỉnh nâng cao tính chất động học hệ thống điều chỉnh tốc độ động xoay chiều - Hệ thống điều chỉnh tốc độ động biến có kết cấu đơn giản, làm việc nhiều môi trường khác - Khả điều chỉnh tốc độ động dễ dàng, có khả đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau: thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động lúc (máy dệt, băng tải, băng chuyền,…); thiết bị yêu cầu tốc độ làm việc cao (máy ly tâm, máy mài,…); thiết bị yêu cầu tiêu điều chỉnh tốc độ cao (máy cắt gọt kim loại, máy gia cơng xác ) Trong thực tế biến tần chia làm hai nhóm: biến tần biến tần trực tiếp biến tần gián tiếp có khâu trung gian chiều 1.2 Sơ lược biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất 1.2.1 Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) Cấu trúc thiết bị biến tần trực tiếp hình 1.1 Bộ biến đổi dùng khâu biến đổi biến đổi nguồn điện xoay chiều có điện áp tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp tần số điều chỉnh Do q trình biến đổi khơng phải qua khâu trung gian nên gọi biến tần trực tiếp, cịn gọi biến đổi sóng cố định (Cycloconverter) Hình 1.1: Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều – xoay chiều) Mỗi pha đầu biến tần trực tiếp tạo mạch điện mắc song song ngược hai sơ đồ chỉnh lưu tiristor (hình 2.2) Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận SVTH: Lê Đức Anh Trang Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển ngược điều khiển làm việc theo chu kỳ định Trên phụ tải nhận điện áp xoay chiều ut Biên độ phụ thuộc vào góc điều khiển α, cịn tần số phụ thuộc vào tần số khống chế trình chuyển đổi làm việc hai sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý biến tần trực tiếp Nếu góc điều khiển  khơng thay đổi điện áp trung bình đầu có giá trị khơng đổi nửa chu kỳ điện áp đầu Muốn nhận điện áp đầu có dạng gần hình sin cần phải liên tục thay đổi góc điều khiển van sơ đồ chỉnh lưu thời gian làm việc (mỗi nửa chu kỳ điện áp ra); chẳng hạn nửa chu kỳ làm việc sơ đồ thuận, thực thay đổi góc điều khiển  từ /2 (ứng với điện áp trung bình khơng) giảm dần tới (ứng với điện áp trung bình cực đại), sau lại tăng dần  từ lên tới /2 điện áp trung bình đầu sơ đồ chỉnh lưu lại từ giá trị cực đại giảm 0, tức làm cho góc  thay đổi phạm vi -/2  /2, để điện áp biến đổi theo quy luật gần hình sin, hình 2.3 Trong đó, điểm A có  = 0, điện áp chỉnh lưu trung bình cực đại, sau điểm B, C, D, E góc  tăng dần lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, điểm F với  = /2 điện áp trung bình Điện áp trung bình nửa chu kỳ hình sin hình vẽ thể nét đứt Sự điều khiển sơ đồ ngược nửa chu kỳ âm điện áp tương tự Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu thiết bị biến tần xoay chiều - xoay chiều hình sin SVTH: Lê Đức Anh Trang Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển Trên phân tích đầu pha biến tần xoay chiều – xoay chiều (trực tiếp), phụ tải ba pha, hai pha khác dùng mạch diện đảo chiều mắc song song ngược, điện áp trung bình đầu có góc pha lệch 120 Như vậy, sơ đồ chỉnh lưu dùng loại sơ đồ cầu ba pha biến tần ba pha cần tổng cộng tới 36 tiristor (mỗi nhánh cầu dùng tiristor) Nếu dùng loại sơ đồ tia ba pha, phải dùng tới 18 tiristor Vì thiết bị biến tần trực tiếp mặt cấu trúc dùng khâu biến đổi, số lượng linh kiện lại tăng lên nhiều, kích thước tổng tăng lên lớn Do thiết bị tương tự thiết bị biến đổi có đảo dịng thường dùng hệ thống điều tốc chiều có đảo chiều nên q trình chuyển mạch chiều dịng điện thực giống sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển (chuyển mạch tự nhiên), linh kiện u cầu đặc biệt Ngồi ra, từ hình 1.3 thấy, điện áp đổi chiều đồ thị hình sin điện áp nguồn biến đổi theo nhanh chóng, tần số đầu lớn không vượt 1/3 ÷ 1/2 tần số lưới điện (tuỳ theo số pha chỉnh lưu), không, đồ thị đầu thay đổi lớn, ảnh hưởng tới làm việc bình thường hệ thống điều tốc biến tần Do số lượng linh kiện tăng lên nhiều, tần số đầu giảm xuống, phạm vi thay đổi tần số đầu biến tần hẹp (vì bị giới hạn tần số thấp nhất) nên hệ điều tốc dùng, số lĩnh vực công suất lớn cần tốc độ làm việc thấp, chẳng hạn máy cán thép, máy nghiền bi, lò xi măng, loại máy dùng động tốc độ thấp cấp điện biến tần trực tiếp loại bỏ hộp giảm tốc cồng kềnh thường dùng tiristor mắc song song thoả mãn yêu cầu công suất đầu Bộ biến tần trực tiếp có số nhược điểm số lượng phần tử nhiều, phạm vi thay đổi tần số không rộng, chất lượng điện áp thấp, có ưu điểm hiệu suất cao so với biến tần gián tiếp, điều đặc biệt có ý nghĩa cơng suất hệ thống điều tốc cực lớn (các hệ thống dùng động công suất đến 16.000 kW) Trên đồ thị dạng sóng (hình 1.4) ta thấy công suất tức thời biến tần bao gồm có bốn giai đoạn Trong hai khoảng ta có tích điện áp dịng điện biến tần dương, biến tần lấy công suất từ lưới cung cấp cho tải Trong hai khoảng cịn lại ta có tích điện áp dòng điện biến tần âm nên biến tần biến đổi cung cấp lại công suất cho lưới SVTH: Lê Đức Anh Trang Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển Hình 1.4: Sóng hài bậc dòng, áp tải chế độ làm việc khâu biến tần trực tiếp 1.2.2 Bộ biến tần gián tiếp Bộ biến tần trực tiếp có ưu điểm thiết kế với công suất lớn đầu hiệu suất cao, có số nhược điểm sau: - Chỉ có tạo điện áp xoay chiều đầu với tần số thấp tần số điện áp lưới - Khó điều khiển tần số cận khơng tổn hao sóng hài động lớn - Độ tinh độ xác điều khiển khơng cao - Sóng điện áp đầu khác xa hình sin Chính đặc điểm mà loại biến tần khác đưa để nâng cao chất lượng hệ truyền động biến tần - động xoay chiều, biến tần gián tiếp Bộ biến tần gián tiếp cho phép khắc phục nhược điểm biến tần trực tiếp Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp SVTH: Lê Đức Anh Trang Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian chiều có cấu trúc khác nhau, cấu trúc chung mơ tả hình 1.5 Về có ba khâu chính: Chỉnh lưu, lọc nghịch lưu Phụ thuộc vào việc điều chỉnh điện áp đầu mà có ba dạng sau: Bộ biến tần dùng chỉnh lưu có điều khiển, biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển thêm biến đổi xung áp chiều, biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu thực điều chế độ rộng xung (PWM) Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian chiều a Biến tần dùng chỉnh lưu điều khiển tiristor b Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm biến đổi xung điện áp c Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu điều chế PWM a Thiết bị biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển Bộ biến tần có cấu trúc hình 1.6a, điện áp xoay chiều lưới điện biến đổi thành điện áp chiều có điều chỉnh nhờ chỉnh lưu điều khiển tiristor, khâu lọc lọc điện dung điện cảm phụ thuộc vào dạng nghịch lưu yêu cầu, khối nghịch lưu sử dụng tiristor transistor Việc điều chỉnh giá trị điện áp U2 thực việc điều khiển góc điều khiển chỉnh lưu, việc điều chỉnh tần số tiến hành khâu nghịch lưu, nhiên trình điều khiển phối hợp mạch điện điều khiển Cấu trúc biến tần loại đơn giản, dễ điều khiển khâu biến đổi điện áp xoay chiều thành chiều (đầu vào) sử dụng chỉnh lưu điều khiển tiristor nên điện áp thấp hệ số công suất giảm thấp; khâu biến đổi điện áp dòng điện chiều thành xoay chiều (đầu ra) SVTH: Lê Đức Anh Trang 10 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển  d s  U s  R sis  dt  js s  d r   R i   jsl r r r  dt   s  i s L s  i r L m   r  i s L m  i r L s 93Equation Section Từ có: L m  s  i s Ls  (  r  is L m ) Lr Thay (3.15) (3.14) ta nhận phương trình U s  R s i s  jsLsi s  Ls di s L L d  js m  s  m dt Lr L r dt Với việc định nghĩa thêm đại lượng sau đây: Lσs = σLs : điện cảm tiêu tán phía stator Tσs = Lσs/Rs: số thời gian từ thông tiêu tán stator σ: hệ số tản từ Phương trình (2.3) có dạng sau không gian Laplace:  U sd  R s   pTs  isd  s L sisq   Lm  U sq  R s   pTs  isq  s Lsisd  s L  rd  r Phương trình tính mơmen động Lm    Isd rd   pTr   M  L m p  I  M L r c rd sq Từ hệ phương trình kết hợp với phương trình tính mơmen động ta xây dựng sơ đồ cấu trúc mơ tả động hình 2.8 SVTH: Lê Đức Anh Trang 35 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển U sd isd Rs (1  pTs )   sd s  sq  rd 1  pTr L s Lm Tr L s  33 p pccLLMM 2LLrr sl   Mt pc pJ r s U sq  Rnm (1  pTnm )   rd isq s Lm Tr Hình 2.8 Mơ hình gần ĐCKĐB 2.2.7 Mơ hình tốn học khâu hệ thống * Mơ hình tốn học biến tần Bộ biến tần xem nghịch lưu có phương trình tốn học khâu qn tính mơ tả sau Wnl  Với: Hệ số khuếch đại Hằng số thời gian Tnl  k nl  k nl  pTnl U dm 10  0.0001 2mf (s) * Mô hình tốn học khâu phản hồi dịng điện I sd Khâu phản hồi dịng điện có phương trình tốn học khâu quán tính bậc nhất: Wid  k id  pTid 10 Idm (V/A) Với hệ số khuếch đại Hằng số thời gian Tid tùy chọn từ 0.001-0.005 (s) k id  I * Mơ hình tốn học khâu phản hồi dòng điện sq Khâu phản hồi dịng điện có phương trình tốn học khâu quán tính bậc nhất: SVTH: Lê Đức Anh Trang 36 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển Wiq  k iq  k iq  pTiq 10 Iqdm Với hệ số khuếch đai (V/A) Hằng số thời gian Tiq tùy chọn từ 0.001-0.005 (s) * Mơ hình tốn học khâu phản hồi tốc độ Tương tự khâu phản hồi dịng điện, khâu phản hồi tốc độ có mơ hình tốn học khâu qn tính bậc nhât W  k  pT 10 dm (V/rad/s) Với hệ số khuếch đại Hằng số thời gian Tω tùy chọn từ 0.01-0.05 (s) * Tính tốn tham số điều khiển Áp dụng với động điện KĐB pha có tham số sau đây: Bảng 3.1 Tham số động điện KĐB pha k  Thông số Giá trị Công suất định mức Pdm = 17,5kW Điện áp định mức U dm = 380V Mth/Mdm 3,2 f 50Hz η 0,8 cos φdm 0,82 n đm 095u/p I sđm 40,5 A xs 0,334 Ω rs 0,23 Ω I ' rđm 26,2 A J dc 1,2 KGm2 x'r 0,356Ω r 'r 0,477Ω Hàm truyền nghịch lưu SVTH: Lê Đức Anh Trang 37 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển Wnl  23  0.0001p Hàm truyền mạch phản hồi dòng điện Wi  1  0.001p Hàm truyền mạch phản hồi tốc độ: Ww  0.0672  0.01p Bộ điều khiển tốc độ R  JL r 1 (1  )  0.1308(1  ) 3p K TsL m 4.Ts.p 0.048p c Bộ điều khiển dòng điện R 11  R 22  1 3069 99 495000 L s (1  ) (1   p) 2.Ti Wnl k i p.Ts 22540 10000p 49 R12   R 21   SVTH: Lê Đức Anh L  s s  0.058(1  ) 2.Ti Wnl k i p 0.0016p Trang 38 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển CHƯƠNG 3: TÍNH TỒN VÀ LỰA CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH LỰC 3.1 Sơ đồ khối hệ thống Gồm thành phần: Phần mạch lực Bộ điều khiển Phần mạch lực gồm có chỉnh lưu biến đổi nguồn xoay chiều sang nguồn chiều, nguồn chiều biến đổi qua nghịch lưu thành nguồn xoay chiều thay đổi tần số Trong đề tài ta tính tốn chọn phần tử cho nghịch lưu Bộ điều khiển thiết kế để điều khiển cực G (gate) IGBT gồm có thành phần sau: phần mạch lái, phần cách ly, vi điều khiển PIC, Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 3.2 Lựa chọn phần tử mạch lực 3.2.1 Tính tốn nghịch lưu  Hệ số dự trữ dòng điện: ki=5  Hệ số dự trữ điện áp: ku=1,4 Hình 3.2 Sơ đồ mạch nghich lưu độc lập SVTH: Lê Đức Anh Trang 39 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển  Tính chọn van IGBT *) Điện áp lớn đặt lên van: UV max (V) Xét thời điểm van V1 mở, van V4 dẫn: Cực C V1 nối với cực dương nguồn Vg Van V4 thông nối cực E V1 với cực âm Vg Điện áp lớn lên van IGBT: UV max  Vg  2.3 2.3 U dm  380  1075(V ) 2.q 2.0,75 Trong q hệ số biến điệu (0 < q < 0.866) *) Dòng điện trung bình qua van: Biểu thức dòng trung bình qua van động lực chu kỳ điện áp ra: IV  Ta có: I dmdc= Pdm ηdm √ U dm cos φ = dm Im q (1  cos  ) 2 17500 =40.5 A 0.8 √ 380.0,82 Dòng trung bình qua van lớn với tần số thấp là: Im √ 17,4 (1+0.75)=21,5 A (1+q)= 2 I v= Dòng điện điện áp định mức van cần chọn là: UVdm  ku UV max  1,4.1075  1505 IVdm  ki IV  5.17,4  87( A)  Tính giá trị tụ C Chọn chế độ làm việc nặng nhất: + Thay số ta có: C0  SVTH: Lê Đức Anh 0,75 2.17,4 sin 300  3,5(  F ) 10 107,5 Trang 40 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển 3.2.2 Tính tốn chỉnh lưu Ta sử dụng phương pháp chỉnh lưu cầu pha không điều khiển sử dụng diode: Hình 3.3 Sơ đồ chỉnh lưu cầu pha sử dụng diode  Tính tốn chọn diode: + Giá trị hiệu dụng điện áp pha U2 lớn là: U2max=U2+0,1.U2= 380+38=418 V + Điện áp ngược lớn đặt lên van làm việc: Ungmax= 2,45 U2= 2,45.380= 931V + Chọn hệ số dự trữ áp cho van 1,7 thì điện áp cần chọn cho van: U2=1,7.Ungmax=1,7.931=1582,7 V Ta xét chọn giá trị diode sau:  Idm= 20 A Udm= 1600V  Tổn hao điện áp trạng thái mở van: U= 1,1V  Nhiệt độ cho phép: 1800C  Gía trị điện áp chỉnh lưu Điện áp VDC đầu chỉnh lưu: + Trong phương pháp SVPWM thì : VA  VB  VC  VDC + Để động vâ ̣n hành chế độ định mức (Y) Suy giá trị biên độ: SVTH: Lê Đức Anh Trang 41 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển V pha  660  539V  VDC  V pha  3.539  934V +Để đông vâ ̣n hành chế độ định mức (∆): V pha  380  310V  VDC  V pha  3.310  537V Trị tức thời VDC nắn tương đối thẳng: Với việc sử dụng chỉnh lưu cầu pha( khơng điều khiển) nên ta có giá trị điện áp đầu là: VDC  6.V pha  cos   889V +Với Vpha=380V giá trị hiệu dụng điện áp pha nguồn xoay chiều + α = Bộ chỉnh lưu không điều khiển 3.3 Mạch điều khiển 3.3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển Ta sử dụng họ vi điều khiển PIC18F4413 để điều khiển với nhiều đặc điểm ưu việt:  Là CPU sử dụng tập lệnh RISC có tốc độ xử lý cao, công suất thấp nhờ sử dụng công nghệ CMOS FLASH/EEPROM  Tập lệnh có 75 lệnh  Các chế độ định nghĩa trực tiếp, gián tiếp tương đối  Cổng serial đồng với chế độ SPI(Master) I2C (Master/Slave) thực phần cứng  Tầm điện hoạt động rộng: từ đến 5.5V Dòng cấp khoảng 25mA  Được sản xuất với nhiều loại khác cho mã vi điều khiển , tuỳ thuộc vào số tính trang bị thêm Các kiểu đế cắm:PDIP(40 chân), PLCC QFP (cùng 44 chân) SVTH: Lê Đức Anh Trang 42 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển Hình 3.4 Sơ đồ khối mạch điều khiển 3.3.2 Mạch điều khiển  Các tín hiệu vào mạch điều khiển  Nút ấn điều khiển động : RUN, STOP, F/R, biến trở điều chỉnh tốc độ  Nút ấn điều khiển LCD: MODE, UP, DOWN, LEFT, RIGHT, SELECT  Tín hiệu hồi tiếp: Dịng điện động cơ, điện áp động cơ, tốc độ động cơ, tốc độ động cơ, nhiệt độ khóa IGBT  Các tín hiệu đầu mạch điều khiển  xung PWM điều khiển chỉnh lưu  Hiển thị trạng thái hoạt động mạch thông qua đèn LED  Hiển thị thông số điều khiển LCD  Xuất tín hiệu PC SVTH: Lê Đức Anh Trang 43 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển Hình 3.5 Sơ đồ mạch điều khiển SVTH: Lê Đức Anh Trang 44 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 4.1 Tổng quan phần mềm Matlab Simulink Giới thiệu phần mềm Matlab  MATLAB – phần mềm tiếng công ty MathWorks, ngơn ngữ hiệu cao cho tính tốn kỹ thuật  viết logo phần mềm Nó tích hợp tính tốn, thị lập trình mơi trường dễ sử dụng Các ứng dụng tiêu biểu MATLAB bao gồm:  Phát triển thuật tốn  Khả tính tốn mạnh  Chứa Simulink môi trường mạnh để mô hệ thống động học tuyến tính và  phi tuyến  Đồ họa khoa học kỹ thuật  Phát triển ứng dụng với giao diện đồ họa  Có kiến trúc mở, ủng hộ việc xây dựng thêm module tính tốn kỹ thuật theo chuẩn cơng nghiệp Tên phần mềm MATLAB bắt nguồn từ thuật ngữ “Matrix Laboratory” Đầu tiên viết FORTRAN để cung cấp truy nhập dễ dàng tới phần mềm ma trận phát triển dự án LINPACK EISPACK Sau viết ngơn ngữ C sở thư viện nêu phát triển thêm nhiều lĩnh vực tính tốn khoa học ứng dụng kỹ thuật.  Ngoài MATLAB với khả phong phú đề cập sau, phần mềm MATLAB trang bị thêm ToolBox – gói chương trình (thư viện) cho lĩnh vực ứng dụng đa dạng xử lý tín hiệu, nhận dạng hệ thống, xử lý ảnh, mạng nơ ron, logic mờ, tối ưu hóa, phương trình đạo hàm riêng, sinh tin học, Đây tập hợp mã nguồn viết MATLAB dựa theo thuật tốn mới, hữu hiệu mà người dùng chỉnh sửa bổ sung thêm hàm Simulink phần mềm mô hệ thống động học môi trường Matlab Đặc điểm Simulink lập trình dạng sơ đồ cấu trúc hệ thống Nghĩa là, để mô hệ thống mô tả dạng phương trình vi phân, phương trình trạng thái, hàm truyền đạt hay sơ đồ cấu trúc cần chuyển sang chương trình Simulink dạng khối bản  khác theo cấu trúc cần khảo SVTH: Lê Đức Anh Trang 45 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển sát Với cách lập trình người nghiên cứu hệ thống thấy trực quan dễ hiểu Trong mơi trường Simulink tận dụng khả tính tốn, phân tích liệu, đồ hoạ Matlab sử dụng khả toolbox khác toolbox xử lý tín hiệu số, logic mờ điều khiển mờ, nhận dạng, điều khiển thích nghi, điều khiển tối ưu …v v Việc Simulink kết hợp với toolbox tạo công cụ mạnh để khảo sát động học hệ tuyến tính phi tuyến mơi trường thống 4.2 Mơ hình mơ Matlab/Simulink Mơ hình mô hệ truyền động hệ truyền động Biến tần –Động KĐB theo nguyên lý U/f=const mà cấu trúc hệ lựa chọn, cấu trúc điều khiển hệ truyền động xây dựng chương Các tham số điều khiển tính tốn cuối chương cài đặt vào mơ hình mơ Mơ hình mơ hệ truyền động thực phần mềm Matlab/Simlink thể hình 4.1 Hình 4.1 Cấu trúc điều chỉnh hệ truyền động Biến tần – Động KĐB SVTH: Lê Đức Anh Trang 46 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển 4.3 Kết mô 10 Momen dong co rad/s -1 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 (Giay) Hình 4.2 Kết momen động 50 Toc thuc Toc dat 40 rad/s 30 20 10 -10 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 (Giay) Hình 4.3 Tốc độ đặt tốc độ thực động điều khiển vịng kín theo luật U/f SVTH: Lê Đức Anh Trang 47 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển Kết mô hình 4.3 Hình 4.3 Kết mơ Matlab/simulink Thơng qua đặc tính cho từ kết mô cho thấy hệ truyền động hoạt động ổn định, đặc tính động đặc tính tĩnh hệ thống tốt, lượng tốc độ thực bám tốc độ đặt, lượng điều chỉnh phạm vi cho phép, thời gian độ thời điểm thay đổi tốc độ thời điểm thay đổi mơmen ngắn Điều cho thấy điều khiển hệ truyền động làm việc ổn định, xác đáp ứng tốt yêu cầu đặt Kết luận chương 4: Qua kết mô cho thấy hệ thống truyền động làm việc đảm bảo chất lượng tốt Các tiêu chất lượng động chất lượng tĩnh nằm pham vi cho phép đáp ứng yêu cầu khắt khe hệ truyền động SVTH: Lê Đức Anh Trang 48 Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển KẾT LUẬN Truyền động điện viêc áp dụng hệ truyền động Biến tần – Động hướng nghiên cứu phù hợp để thay hệ truyền động chiều Trong đồ án nghiên cứu áp dụng hệ truyền động Biến tần – Động dựa phương pháp điều khiển vector FOC, phương pháp có chất lượng điều chỉnh tốc độ xác cao, dải điều chỉnh tốc độ rộng, khả làm việc ổn định tốc độ thấp tốt Trên sở phương pháp đồ án xây dựng cấu trúc điều khiển hệ truyền động động cho cấu nâng hạ điện cực Qua trình thực đề tài, nội dung kết đề tài trình bày chương, thực cơng việc sau: - Tổng hợp trình bày công nghệ hệ truyền động điện, nêu đặc điểm đặc yêu cầu hệ truyền động cho hệ thống biến tần-động - Đã phân tích biến tần, lựa chọn phương pháp điều khiển thích hợp - Đã xây dựng sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ truyền động biến tần-động Đã tổng hợp điều khiển cho hệ thống theo phương pháp điều khiển vô hướng - Đã xây dựng mơ hình mơ thực mô kiểm chứng hệ truyền động thông qua kết mô Qua kết mô cho thấy cấu trúc điều khiển hệ truyền động điều khiển hệ truyền động đáp ứng yêu cầu hệ truyền động biến tần-động Do đề tài thuộc lĩnh vực nghiên cứu rộng cần có nhiều cập nhật liên tục theo phát triển khoa học kỹ thuật để nâng cao chất lượng hệ thống Bởi có hội tìm hiểu em xin tiếp tục nghiên cứu để hướng nghiên cứu đề tài hoàn thiện triệt để SVTH: Lê Đức Anh Trang 49 ... kế hệ thống điều khiển V pha  660  539 V  VDC  V pha  3. 539  934 V +Để đông vâ ̣n hành chế độ định mức (∆): V pha  38 0  31 0V  VDC  V pha  3. 310  537 V Trị tức thời VDC nắn tương đối thẳng:... Tcma=ton1;Tcmb=ton2;Tcmc=ton3; elseif Sn==2; Tcma=ton2;Tcmb=ton1;Tcmc=ton3; elseif Sn= =3; Tcma=ton3;Tcmb=ton1;Tcmc=ton2; elseif Sn==4; Tcma=ton3;Tcmb=ton2;Tcmc=ton1; elseif Sn==5; Tcma=ton2;Tcmb=ton3;Tcmc=ton1;... +Với Vpha =38 0V giá trị hiệu dụng điện áp pha nguồn xoay chiều + α = Bộ chỉnh lưu không điều khiển 3. 3 Mạch điều khiển 3. 3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển Ta sử dụng họ vi điều khiển PIC18F44 13 để điều