Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bô ̣ (IM)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – KHOA ĐIỆN – ĐỒ ÁN MÔN HỌC HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HT TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỀ TÀI: Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động điện xoay chiều pha không đồng bộ (IM) GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG SVTH: Võ Hữu Nhâ ̣t Mã SV: 105170303 Lớp HP/SH: 17N33A/ 17TDH1 Mục lục Chương 1: Giới thiệu tốn, tính tốn thiết kế phần động lực học 1.1/ Giới thiệu đề tài 1.2/ Sơ đồ tổng thể hệ thống truyền động điện 1.3/ Tính chọn cơng suất động 1.4/ Tính chọn các thành phần khác 10 1.5/ Lựa chọn phương án truyền đô ̣ng 13 1.6/ Bảng tham số ̣ thống 17 Chương 2: Mơ hình hóa hệ thống truyền động điện 18 2.1/ Mô hình toán đô ̣ng không đồng bô ̣ 18 2.2/ Mô hình toán bô ̣ biến đổi .22 2.3/ Mô hình toán khâu chuyển ̣ toạ đô ̣ .22 2.4/ Mô hình toán các cảm biến .23 2.5/ Mô hình toán các bô ̣ điều khiển PI 23 2.6/ Mô hình hoá ̣ thống .26 Chương 3: Tổng hợp ̣ thống truyền đô ̣ng điê ̣n 28 3.1/ Sơ đồ các mạch vòng của ̣ thống điều khiển truyền đô ̣ng điê ̣n 28 Chương 4: Mô phỏng – Kiểm nghiê ̣m – Đánh giá chất lượng 30 4.1/ Sơ đồ ̣ thống điều khiển truyền đô ̣ng điê ̣n 30 4.2/ Đáp ứng ̣ thống 32 4.3/ Phân tích và đánh giá chất lượng ̣ thống .33 ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng Chương 1: Giới thiệu tốn, tính tốn thiết kế phần động lực học 1.1/ Giới thiệu đề tài Thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động điện xoay chiều ba pha không đồng truyền động đầu băng chuyền có bánh đai bán kính r vật tải băng chuyền M Số liệu ban đầu:  Nguồn điện xoay chiều ba pha: 220V/380V  Tải hệ thống truyền động: r =0.13 m; M =8 kg Yêu cầu thiết kế động truyền động cho băng tải cho quay tải theo đồ thị mong muốn Yêu cầu cụ thể: Thiết kế điều khiển cho tốc độ động bám theo tốc độ tải Yêu cầu của tải chạy theo giai đoạn:  Khởi động tăng tốc độ từ lên 5m/s 1s  Giữ nguyên tốc độ 5m/s 2s  Hãm ngược từ 5m/s quay ngược chiều lên tốc độ 5m/s 1s  Giữ nguyên tốc độ 5m/s 2s  Hãm dừng 1s Đồ thị tải: Hình 1.1 Đồ thị phụ tải ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng 1.2/ Sơ đồ tổng thể hệ thống truyền động điện Gồm phần điện phần Hình 1.2 Sơ đồ tổng thể Thành phần của ̣ gồm:  Bô ̣ điều khiển (Controller)  Bô ̣ biến đổi (PPU)  Đô ̣ng KĐB (Induction Motor)  Cảm biến (Sensor)  Cơ cấu truyền đô ̣ng  Tải Ngoài còn các thiết bị bảo vê ̣ quá tải, ngắn mạch… Nguyên lý hoạt động của ̣: Sử dụng đô ̣ng IM để truyền đô ̣ng cho tải, dựa các thông tin phản hồi từ các cảm biến (dòng, tốc đô ̣) so sánh với giá trị dòng/tốc đô ̣ mong muốn (tính toán) để phát xung điều khiển bô ̣ biến đổi PPU đưa điê ̣n áp thực dựa điê ̣n áp tính toán từ bô ̣ điều khiển cấp vào đô ̣ng Quá trình này lă ̣p lă ̣p lại cho đáp ứng đầu tương ứng với tín hiê ̣u đầu vào (tốc đô ̣) Thiết kế phần cứng sơ bộ: ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng Điều chỉnh điê ̣n áp/tần số của bô ̣ nghịch lưu trước thường dùng phương pháp chuyển mạch sử dụng các van bán dẫn, mỗi van dẫn mô ̣t nửa chu kỳ, khâu phát xung thường dùng D-Flip Flop Tuy nhiên nhược điểm phương pháp này là đồ thị điê ̣n áp pha có dạng bâ ̣c thang và dòng pha có dạng gấp khúc, không phù hợp cho đô ̣ng không đồng bô ̣ Mă ̣c khác biên đô ̣ điê ̣n áp pha là cố định, không điều chỉnh được Để hạn chế nhược điểm phương pháp trên, có phương pháp điều chế thường được sử dụng:  Điều biến đô ̣ rô ̣ng xung PWM  Điều chế vector không gian SV PWM Trong đề tài này, ta áp dụng phương pháp SV PWM để phát xung điều khiển bô ̣ nghịch lưu Dựa kiến thức đã học, ta có sơ đồ phần cứng và sơ đồ bô ̣ điều khiển dưới đây: Mạch đô ̣ng lực Phần Mạch điều khiển Hình 1.3 Sơ đồ phần cứng 1.3/ Tính chọn cơng suất động Phương trình định luật II Newton hệ: ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n f −f L =Ma=M GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng du dt Vận tốc góc: ω m= u r Momen lực F gây bánh đĩa : T =rf =r M dω +r f L dt Và momen đầu trục động cơ: T em=J m d ωm d ωm +r M +r f L dt dt u Từ đồ thị tải, ta tính tốc độ ω= có đồ thị ω hình: r Hình 1.4 Đồ thị tốc độ góc Nếu bỏ qua thành phần lực cản f Lvà momen quán tính trục động cơ, từ đồ thị tốc độ góc, ta suy đồ thị momen ở đầu trục đô ̣ng cơ: T em=r M d ωm : dt ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng Hình 1.5 Đồ thị Momen t(s) 0÷0.14 0.14÷1 1÷3 3÷3.5 3.5÷4 4÷6 6÷7 ∆ t ( s) 0.14 0.86 0.5 0.5 ∆ ω(rad/s) 5.38 33.08 38.46 -38.46 -38.46 T em (Nm) 5.2 5.2 -10.4 -10.4 5.2 Momen đẳng trị: M đm=M dt = √ ∑ M 2i t i = ∑ ti √ 5.22 ×0.14+ 5.22 × 0.86+10.42 ×0.5+ (−10.4 ) × 0.5+(−5.2)2 ×1 =4.814 Nm Momen cực đại: M max =10.4 Nm Công suất điện từ: ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng Hình 1.6 Đồ thị cơng suất t(s) 0-1 1-3 3-3.5 3.5-4 4-6 6-7 Pdt = √ ∑ P2i ti = ∑ ti √ ∆ t ( s) 0.5 0.5 P(W) 202.8 400.4 -400.4 -202.8 202.82 ×1+ 400.42 ×0.5+ (−400.4 ) ×0.5+(−202.8)2 × =186.155W Công suất định mức: Pđm=( ÷ 1.3 ) P dt =1.3 Pdt =242W Chọn động cơ: 71 LP/4 HM có thơng số sau: Tham số Giá trị Đơn vị đo Công suất định mức 250 W Điện áp định mức 230/400 V Số pha Tần số định mức 50 Hz Hình 1.7 Động 71 LP/4 HM ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n Tốc độ định mức 1400 GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng Vòng/phút Tốc độ tối đa Vòng/phút Hệ số cơng suất 0.72 Dịng điện định mức 1.15/0.67 A Dịng điện cực đại 5.67/3.22 A Sớ cực Momen định mức 1.69 N.m Momen cực đại 5.14 N.m Momen qn tính 0.0011 Kg.m2 Hình 1.8 Gearbox NMRV30 Momen định mức động nhỏ momen yêu cầu, ta tính chọn hộp số (gear box) Motovario Worm Gearbox NMRV30 có tỷ số truyền 1:5 Tính lại momen: M ¿đm=1.69 ×5=8.45 Nm> M đm M ¿max =5.14 ×5=25.7 Nm> M max Có thể kiểm nghiệm lại đồ thị hình Hình 1.9 Kiểm nghiệm momen ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng 1.4/ Tính chọn các thành phần khác a/ Bộ phận bảo vê ̣ * Tính chọn Aptomat Chọn CB bảo vệ động Schneider GV2P05 (0.63-1A) 0.25kW Điệp áp: 400/415V: 0.25kW Dải cài đặt dòng điện bảo vệ nhiệt(A): 0.63…1A Dòng điện bảo vệ từ (A): 13A b/ Bộ biến đổi công suất Dùng biến tần gián tiếp để thay đổi điê ̣n áp đầu cũng tần số * Bô ̣ chỉnh lưu Ta sử dụng mạch chỉnh lưu cầu pha không điều khiển van diode Điện áp pha thứ cấp biến áp là: o u2 a= √2 U sinθ o u2 b= √2 U sin(θ− 2π ) o u2 c =√ U sin (θ− 4π ) 10 ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng s Rr s d ψ rs s s −Lm s d ψ r 0= ( ψ r −Lm i s ) + − j ω ψ r= i s+ + − j ω ψ sr Lr dt Tr dt Tr ( Trong đó: σ =1− T s= T r= L2m Ls Lr ) : Hê ̣ số từ tản toàn phần Ls =0.001 Rs Lr =0.0222 Rr : Hằng số thời gian stator : Hằng số thời gian rotor Từ phương trình u ss, ta rút ra: d i ss −R s s Lm d ψ rs s = i− + u dt σLs s σLs Lr dt σLs s Từ phương trình urs, ta rút ra: d ψ rs Lm s = i s− − j ω ψ sr dt Tr Tr ( ) Đă ̣t ψ sr ' =ψ rs /Lm → ψ 'rα=ψ rα / Lm ; ψ 'rβ =ψ rβ / Lm và thực hiê ̣n biến đổi, ta thu được ̣ các phương trình sau: { d i sα 1−σ 1−σ ' 1−σ =− + i sα + ψ rα + ωψ 'rβ + u dt σ T s σ Tr σTr σ σLs sα d i sβ 1−σ 1−σ 1−σ ' =− + i sβ − ω ψ 'rα + ψ rβ + u dt σTs σ Tr σ σ Tr σLs sβ ( ( ) ) d ψ 'rα 1 = i sα − ψ 'rα−ωψ 'rβ dt Tr Tr ' d ψ rβ 1 = i sβ + ωψ 'rα − ψ 'rβ dt Tr Tr Chọn vector trạng thái: x sT =[ i sα , i sβ ,ψ 'rα , ψ 'rβ ] sT Chọn vector đầu vào: u s =[ u sα ,u sβ ] T T ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng Mô hình không gian trạng thái viết ̣ toạ đô ̣ αβ: { − A s= ( 1−σ + σ Ts σ Tr ) ( σ1T + 1−σ σT ) − s Tr 0 Tr r | dx s s s s s = A x + B us dt 1−σ 1−σ ω σTr σ σLs −1−σ 1−σ ω σ σ Tr σLs ; B s= −1 0 −ω 0 Tr −1 −ω Tr [} ] Hình 2.1 Mơ hình khơng gian trạng thái của đô ̣ng ̣ toạ đô ̣ αβ Mô hình không gian trạng thái viết ̣ toạ đô ̣ dq: dx f f f f f f = A x + B u s + N x ωs dt Af= { ( σ1T + 1−σ σT ) − s r − ( Tr 0 Tr 1−σ + σ Ts σ Tr | ) 1−σ 1−σ ω σ Tr σ σLs −1−σ 1−σ ω σ σTr σL s ;Bf = −1 0 −ω 0 Tr −1 −ω Tr [} ] ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n −1 N= 0 0 0 0 −1 GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng 0 { | } Hình 2.1 Mơ hình khơng gian trạng thái của đô ̣ng ̣ toạ đô ̣ dq Mối quan ̣ giữa momen quay, từ thông rotor và các thành phần dòng điê ̣n: ψ rd ( s )= mM = Lm i 1+ s T r sd Lm z ψ i Lr p rd sq Phương trình momen có sử dụng các thành phần αβ: Lm ' ' m M = z p ( ψ rα i sβ −ψ rβ i sα ) Lr 2.2/ Mô hình toán bô ̣ biến đổi Bô ̣ chỉnh lưu là chỉnh lưu cầu diode không điều khiển nên điê ̣n áp chỉnh lưu Vdc là cố định nên không cần mô hình toán Bô ̣ nghịch lưu có đầu vào là điê ̣n áp điều khiển u*, đầu là điê ̣n áp uuvw Bô ̣ nghịch lưu sẽ là uuvw K = khâu tỉ lê ̣ có max u∗¿= V dc ¿ ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng 2.3/ Mô hình toán khâu chuyển ̣ toạ đô ̣ * Từ ba đại lượng đo được i su ,i sv ,i sw (đo sẽ suy giá trị còn lại) chuyển sang i sα , i sβ ̣ toạ đô ̣ cố định αβ gắn với stator Hình 2.1 Khâu chủn đởi Clarke Cơng thức chuyển đổi Clarke từ uvw → αβ −1 i sα = i sβ √3 [] [ −1 i su i su =K i i sv −√ sv i sw i sw ][ ] [ ] * Chuyển các đại lượng từ ̣ toạ đô ̣ dq sang αβ và ngược lại Hình 2.2 Khâu chủn đởi Park Cơng thức chủn đổi Park từ αβ → dq i sd i cosθ sinθ i sα = =K sα i sq −sinθ cosθ i sβ i sβ [ ][ ][ ] [ ] 2.4/ Mô hình toán các cảm biến a/ Phản hồi dòng diê ̣n Có thể biễu diễn phản hồi dòng điê ̣n bằng mô ̣t ̣ số khuếch đại K I = b/ Phản hồi tốc đô ̣ Hàm truyền khâu phản hồi tốc đô ̣: U I ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n ω ( s) = GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng kω 1+ s T ω Trong đó: k ω là ̣ số khuếch đại của cảm biến T ω là hằng số thời gian của bô ̣ lọc 2.5/ Mô hình toán các bô ̣ điều khiển PI Phương trình bô ̣ điều khiển PI: ( U ( s )= K p + Ki E( s) s ) + + - x + e u - y - - Hình 2.3 Hàm trùn của bơ ̣ điều khiển PI Các bô ̣ điều khiển PI: a/ Bô ̣ điều khiển từ thông Trên ̣ toạ đô ̣ dq, i sd là đại lượng điều khiển cho ψ 'rd Tuy nhiên giữa hai đại lượng này tồn tại mô ̣t khâu trễ bâ ̣c nhất với hằng số thời gian T r ψ 'rd = i sd 1+ s T r Vì vâ ̣y khâu điều chỉnh từ thông có nhiê ̣m vụ cải thiê ̣n đă ̣c tính truyền đạt đó Từ giá trị sai ^ 'rd tính toán được từ mô hình từ lê ̣ch giữa giá trị đă ̣t ψ '∗¿¿ và giá trị ước lượng của từ thông ψ rd ¿ thông để tính giá trị đă ̣t của thành phần dòng i sd ĐA Tổng hợp ̣ thống Trùn đợng điê ̣n GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng Hình 2.4 Khâu điều chỉnh từ thông b/ Các bô ̣ điều khiển dòng điê ̣n Hình 2.5 Các bơ ̣ điều khiển dòng điê ̣n c/ Bô ̣ điều khiển tớc ̣ Hình 2.6 Khâu điều chỉnh tớc ̣ Từ sai lê ̣ch giữa giá trị đă ̣t của tốc đô ̣ góc ω ¿ và giá trị thực ω đo được để tính giá trị đă ̣t ¿ của thành phần dòng i sq ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng 2.6/ Mô hình hoá ̣ thống Tổng hợp các thành phần trên, ta có được mô hình toán của ̣ thớng Hình 2.7 Mơ hình toán ̣ thớng ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng Chương 3: Tổng hợp ̣ thống truyền đô ̣ng điêṇ 3.1/ Sơ đồ các mạch vòng của ̣ thống điều khiển truyền đô ̣ng điêṇ a/ Mạch vòng điều khiển dòng điê ̣n ¿ ¿ Thành phần đầu vào là giá trị tính toán/mong muốn i sd , i sq được so sánh với giá trị thực chuyển đổi từ dòng xoay chiều ba pha sau bô ̣ biến đổi công suất Dựa sai lê ̣ch giữa giá trị thực và tính toán, bô ̣ điều khiển dòng điê ̣n (khâu PI) tính điê ̣n áp tương ứng u sd , u sq Hình 3.1 Mạch vòng điều khiển dòng điê ̣n ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n b/ Mạch vòng điều khiển tớc ̣ Hình 3.1 Mạch vòng điều khiển tốc đô ̣ GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng Chương 4: Mô phỏng – Kiểm nghiêm ̣ – Đánh giá chất lượng 4.1/ Sơ đồ ̣ thống điều khiển truyền đô ̣ng điêṇ isalpha isalpha [wm] wm isbeta isbeta Phir PID(s) PID(s) d RPsir RI1 q Teta usalpha Ualpha usbeta Ubeta Inverse Park Group Signal PID(s) PID(s) Rw RI2 pulse [wm] Udc Udc SVPWM [ia] Transformation uvw->ab->dq Ia Isd [ib] Ib Ic Isq [ic] Teta PULSE MHTT (Flux Midel) Isd Teta Group Signal w wm 0.13*0.13*8 Psir In1 Isq Va In2 r*r*M Tm Vb In4 Tm A In3 B m C In5 Vc In6 PPU Hình 4.1 Sơ đờ ̣ điều khiển trùn ̣ng điê ̣n Hình 4.2 Sơ đồ mạch đô ̣ng lực ̣ điều khiển truyền đô ̣ng điê ̣n [ia] [ib] [ic] ĐA Tởng hợp ̣ thớng Trùn đợng điê ̣n Hình 4.3 Thông số đô ̣ng IM GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n 4.2/ Đáp ứng ̣ thớng Hình 4.4 Đáp ứng ̣ thống GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng Hình 4.5 Đáp ứng đầu dòng điê ̣n của ̣ thống 4.3/ Phân tích và đánh giá chất lượng ̣ thống  Tốc độ động không giống tốc độ mong muốn tải và hoàn toàn bị đảo ngược  Moment không đúng với moment mong muốn, nó quá nhỏ so với giá trị mong muốn và không có sự thay đởi dao ̣ng  Dịng điện ba pha nhấp nhô, dao động không đổi, không giống với sự biến đổi của dòng điê ̣n các quá trình tăng tốc, hãm dừng ... áp pha có dạng bâ ̣c thang và dòng pha có dạng gấp khúc, không phù hợp cho đô ̣ng không đồng bô ̣ Mă ̣c khác biên đô ̣ điê ̣n áp pha là cố định, không điều chỉnh được Để hạn... I đm =0 .38 3 A Chọn ̣ sớ d? ?̣ trữ dòng: k i=1 .3? ?? I 'van=1 .3 × 0 .38 3=0.5 A Chọn diode UF4007 (Utral Fast Diode) có thông số: 1000V/1A 11 ĐA Tổng hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n GVHD:... hợp ̣ thống Truyền động điê ̣n GVHD: PGS.TS Lê Tiến Dũng Chương 3: Tổng hợp ̣ thống truyền đô ̣ng điêṇ 3. 1/ Sơ đồ các mạch vòng của ̣ thống điều khiển truyền đô ̣ng điêṇ