Mô phỏng hệ điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc khi thay đổi tần số điện áp cấp vào stator

Bài Tập Lớn Đề 82: Mô hệ điều khiển tốc độ động xoay chiều ba pha rotor lồng sóc thay đổi tần số điện áp cấp vào stator  Thông số kỹ thuật: - Pdm = 2200w - Udm = 380 V - Số cặp cực Pc = - Tốc độ ndm = 1430 vòng/phút - Điện trở stator Rs = 0.877 Ω - Điện trở rotor Rr = 1.47 Ω - Điện cảm tương hỗ Lm = 0.1608 H - Mơ men qn tính J = 0.015 Kg.m2 - Điện cảm dị phía stator Lσs = 0.004342 H - Điện cảm dị phía rotor Lσr = 0.004342 H  Yêu cầu nội dung: - Cấu trúc điều khiển hệ thống - Xây dựng mô hình thành phần hệ thống - Tính tốn điều khiển - Mô đáp ứng hệ với điều khiển tính Mục Lục Lời nói đầu………………………………………………………………… Chương Động khơng đồng pha roto lồng sóc………………….5 1.1 Khái niệm, cấu tạo nguyên lý làm việc Khái niệm………………………………………………………….5 Cấu tạo………………………………………………………… Nguyên lý làm việc……………………………………………… 1.2 Điều chỉnh tốc độ quay động khơng đồng pha roto lồng sóc Sơ đồ nguyên lý………………………………………………… Các quy luật điều khiển biến tần………………………………… a Giữ cho biện độ từ trường quay không đổi………………….…8 b Giữ cho hệ số q tải khơng đổi…………………………….…9 Các đặc tính động điều chỉnh tần số…………… 10 Biến tần bán dẫn làm việc với động KĐB pha…………… 11 Chương Xây dựng cấu trúc điều khiển……………………………….14 2.1 Đề xuất cấu trúc điều khiển…………………………………………14 2.2 Xây dựng hàm truyền hệ……………………………………… 18 2.3 Tổng hợp mạch điều khiển dòng điện……………………………….19 2.4 Tổng hợp mạch điều khiển tốc độ……………………………………19 Chương Xây dựng điều khiển mô phỏng…………………….…22 3.1 Bộ điều khiển……………………………………………………… 22 Các thông số…………………………………………………… 22 Bộ điều khiển dòng điện…………………………………………26 Bộ điều khiển tốc độ…………………………………………….26 3.2 Mô phỏng………………………………………………………… 28 Kết luận……………………………………………………………………31 Tài liệu tham khảo……………………………………………………… 32 Lời nói đầu Ngày nay, tất nước giới nói chung nước ta nói riêng thiết bị bán dẫn thâm nhập vào ngành công nghiệp, nông nghiệp lĩnh vực sinh hoạt Các nhà máy, xí nghiệp ứng dụng ngày nhiều thành tựu công nghiệp điện tử công suất Ứng dụng Điện tử công suất truyền động điện – điều khiển tốc độ động điện lĩnh vực quan trọng ngày phát triển Các nhà sản xuất không ngừng cho đời sản phẩm công nghệ phần tử bán dẫn công suất thiết bị điều khiển kèm Là sinh viên khoa Điện – Điện tử thầy giáo giao cho tập lớn với đề tài “Mô hệ điều khiển tốc độ động xoay chiều ba pha rotor lồng sóc thay đổi tần số điện áp cấp vào stator”, em cố gắng gắng tìm hiểu kĩ phương pháp cho tập đảm bảo yêu cầu giao Với hy vọng tập lớn thiết kế kĩ thuật áp dụng thực tế nên chúng em cố gắng mô tả tính tốn cụ thể thơng số Mặc dù em nỗ lực cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi tâm cao nhiên kiến thức hạn chế nên em khơng thể tránh khỏi sai sót Em mong nhận phê bình góp ý thầy để giúp em hiểu rõ vấn đề tập lớn ứng dụng thực tế để em hồn thiện Trong q trình làm tập, em nhận giúp đỡ tận tình thầy Trần Tiến Lương Em xin chân thành cảm ơn thầy hi vọng thầy giúp đỡ em bạn sinh viên khác có nhiều kiến thức bổ ích mơn học Sinh viên thực Nguyễn Ngọc Sơn Chương Động khơng đồng pha roto lồng sóc 1.1 Khái niệm, cấu tạo nguyên lý làm việc Khái niệm: Động không đồng động điện hoạt động với tốc độ quay Rotor chậm so với tốc độ từ trường Stator Cấu tạo: a) Phần tĩnh – Stator Stator gồm: vỏ máy, lõi thép, dây quấn phần khác - Vỏ máy: Nhiệm vụ bảo vệ, giá lắp lõi thép Vỏ máy thường chế tạo gang đúc, hay hợp kim Bên ngồi có cánh tản nhiệt - Lõi thép: Chức mạch từ, nhiệm vụ dẫn từ trường dùng để quấn dây lõi thép Lõi thép chế tạo từ thép kĩ thuật điện, ghép cách điện với Mặt lõi thép đục rãnh để đặt dây quấn - Dây quấn: Chức mạch điện, nhiệm vụ dẫn điện Dây quấn dây đồng có bóc cách điện rải chu vi mặt lõi thép Các cuộn dây đặt lệch 120˚ không gian - Các phận khác như: nắp máy đầu trục, trụ dây, đê máy, biển máy… b) Phần quay – Rotor Rotor gồm: trục máy, lõi thép, dây quấn phần khác - Trục máy: Nhiệm vụ đỡ Rotor, làm thép, hay hợp kim thép có độ bền khí cao, đầu trục vịng bi Đầu trục máy có lắp quạt làm mát - Lõi thép: Được làm từ thép kĩ thuật điện ghép lại với thành hình trụ đặc chu vi mặt ngồi xẻ rãnh đặn để đặt dây quấn Rotor, thép đục lỗ tròn để đặt trục máy - Dây quấn: Là nhôm, đồng đặt rãnh lõi thép Rotor, dây quấn Rotor lồng sóc khơng cách điện với lõi thép Hai đầu nhôm đồng hàn vào hai vòng ngắn mạch Nguyên lý làm việc: - Khi cho dòng ba pha vào ba dây quấn stato động cơ, Stator có từ trường quay Từ trường quay quét qua dây quấn Rotor, làm xuất suất điện động dòng điện cảm ứng Lực tương tác điện từ từ trường quay dòng điện cảm ứng tạo momen quay tác động lên Rotor, kéo Rotor quay theo chiều quay từ trường với tốc độ n < n (n1 tốc độ từ trường quay) - Tốc độ từ trường quay tính cơng thức: ω 1= πf p ω 1: Tốc độ quay từ trường f : Tần số p : Số đôi cực - Hệ số trượt s: chậm tương đối Rotor từ trường s= ω 1−ω 100 % ω1 s = 0.02÷0.06 ω : Tốc độ Rotor 1.2 Điều chỉnh tốc độ quay động không đồng pha roto lồng sóc Sơ đồ nguyên lý: - BBT: Bộ biến tần có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện có tần số cố định thành nguồn điện có tần số thay đổi cấp cho động điều chỉnh tốc độ quay động + Biến tần điện + Biến tần bán dẫn: • Biến tần trực tiếp • Biến tần gián tiếp - Đ: Động không đồng pha Rotor lồng sóc  Khi động khơng động pha làm việc với tần số thay đổi: πf - Tốc độ từ trường quay: ω 1= p f1: tần số p: số đôi cực + Khi f1 thay đổi => ω1 thay đổi => ω = (1 – s)ω1 thay đổi - Từ phương trình cân điện áp pha dây quấn Stator U1 = -E1 + I1.Z1 ; Z1 = R1 + JX1 + Nếu bỏ qua sụt áp: I1.Z1 ≈ =>U1 = -E1 => U1 = E1 ; E1 = 4,44.ω1kdq1f1ØT U đm Với U1 = U1đm = E1 = k.ØT.f1 = const => ØTổng = C f đm = const + Khi thay đổi: f1 > f1đm => ØTổng < ØTổng đm => Động bị tải mômen + Khi thay đổi: f1 < f1đm => ØTổng > ØTổng đm => Động bị q nhiệt dịng từ hóa sinh  Động bị tải  Nhận xét: - Để đảm bảo cho đông làm việc an tồn hiệu điều chỉnh tần số phải kết hợp điều chỉnh điện áp cho đông không bị tải - Để đảm bảo cho động làm việc an toàn phải tìm quy luật cho thỏa mãn: + Biên độ từ trường quay không đổi + Hệ số tải động không thay đổi Các quy luật điều khiển biến tần  Sơ đồ khối biến tần gián tiếp: - Bộ chỉnh lưu: biến đổi nguồn điện pha thành nguồn chiều có điều khiển Ura, sở để điều khiển Ura biến tần - Khối nghịch lưu: khối tạo tần số cung cấp cho đông Như biến tần gián tiếp điều chỉnh tần số khối nghịch lưu điều chỉnh điện áp khối chỉnh lưu a) Giữ cho biên độ từ trường quay không đổi: U đm U1 ØTổng = C f đm = C f = const U1 f1 => U đm = f đm U1= f1 => Tỷ lệ điều chỉnh điện áp tỷ lệ điều chỉnh tần số M = kM.ØT.I2.cosφ2 Nếu giá trị tải: I2 = const ; cosφ2 = const => Phương pháp phù hợp tải dạng phản kháng b) Quy luật điều khiển giữ cho hệ số tải không đổi Mmax Mthđm Mth λM ¿ Mc max = Mđm = Mc =const => An toàn cho động Với Mth gần đúng: U 1đm2 ¿ - Khi f1đm U1đm: Mth 2 πf đm (2 πf đmL 1+ πf đm L2' ) P 3U 12 ¿ - Khi f1 U1: Mth 2 πf ( πf L 1+2 πf L 2' ) P U 12 => Mth = A f1 ; U đm2 Mth đm = A f đm2 Mth - Hệ số tải: λM¿ Mc ; Mc = Mco + (Mc đm – Mco).¿ Giả thiết: Mco = 0, Mc đm với tải tốc độ quay đơng tỉ lệ với tần số => Mc = B' ωc X =B f 1X U 12 A U 12 U đm2 λM¿ Mth = f 12 =¿ C1 (2+ X ) =¿ const = C1 f1 f đm(2+ X ) Mc B f X U 12 f 1(2+ X ) = => U˙12= f ˙1(2+ X ) (2 + X ) U đm f 1đm => Quy luật điều chỉnh điện áp: U˙ = √ f ˙1(2 +X ) Các đặc tính động điều chỉnh tần số Coi đoạn công tác động không đồng pha đường thẳng: Khi U f1 thay đổi U 12 Mth = A f1 ; U đm2 Mth = A f 1đm2 U 12 f ˙1(2+ X ) U˙12 Mth U đm2 U˙12 = = => M = M = M = Mth đm f ˙1 X th th đm th đm 2 ˙ ˙ ˙ Mthđm f 12 f1 f1 f1 f đm Sth = R 2' R 2' = X 1+ X 2' πf L 1+2 πf L 2' Sth ; Sth đm = R 2' πf 1đmL 1+ πf đm L2' f đm => Sthđm = f => Sth = Sth đm f đm Sthđm = f ˙1 f1 f1 > f1đm => f ˙1 > f1 < f1đm => f ˙1 <  Nhận xét: 10 - Hàm truyền điều chỉnh dịng điện khâu tỷ lệ tích phân (PI): - Do tổng hợp theo tiêu chuân module tối ưu nên hàm truyền kín mạch vịng dịng điện có dạng:  Hàm truyền đạt điều chỉnh tốc độ - Khi tiến hành tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta coi gần hàm truyền hệ kín mạch vịng điều chỉnh tốc độ khâu qn tính bậc W Ki= Ki 1+ pT i - Ở trên, ta dùng tiêu chuẩn module tối ưu để tổng hợp mạch vòng dòng điện: W Ki ( p)= 2.3 1 K 1+2 pT CL +2 p T 2CL Tổng hợp mạch vòng dòng điện  Ta có sơ đồ tổng hợp điều chỉnh dịng điện Ri: - Theo phần 2.2 ta tìm hàm truyền điều chỉnh dòng điện Ri là: Và hàm truyền mạch vòng dòng điện là: 19 2.4 Tổng hợp mạch vịng tốc độ  Ta có sơ đồ mạch vòng tốc độ sau tổng hợp mạch vịng dịng điện: - Khi bỏ qua Mc ta có sơ đồ tương đương sau:  Hàm truyền đối tượng cần điều khiển: 1 Kω C K F+ A 1+ T i p Jp 1+ pT ω S oω= [ ] S oω= ( CK F K ir + A + AT i p ) Kω Jp ( 1+T i p ) ( 1+ pT ω )  Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu đối xứng với hàm truyền: 20 S kω =F DX ( p )= 1+4 T σ p 1+4 T σ p+8 T 2σ p +8 T 3σ p 1+ T σ p Rω ( p )= 1+ T σ p +8 T 2σ p2 +8 T 3σ p3 ( S oω 1− Rω ( p )= 1+ T σ p 1+ T σ p+ T 2σ p2 + T 3σ p3 ) 1+ T σ p ( CK F K ir + A + AT i p ) Kω ( 1+ T σ p ) T 2σ p Jp ( 1+T i p ) ( 1+ pT ω ) Ta có TiTω nhỏ => bỏ qua Rω ( p )= => ( 1+ T σ p ) ( CK F K ir + A+ AT i p ) Kω ( 1+T σ p ) T 2σ p2 Jp 1+ Ti +T ( ) [ ω ] 21 √3 Với C = /π Chương Xây dựng điều khiển mô 3.1 Bộ điều khiển Các thơng số a) Tính tốn thơng số động cơ: Điện cảm stator: Ls = Lm + Lσs = 0,1608 + 0,004342 = 0,165142 (H) Điện cảm rotor :Lr = Lm + Lσr = 0,1608 + 0.004342 = 0,165142 (H) Hằng số thời gian stator: Ts = Ls / Rs = 0,165142 / 0,877 = 0,1883 Hằng số thời gian rotor: Tr = Lr / Rr = 0,165142 / 1,47 = 0,1123 Iđm = Pđm / Uđm = 2200 / 380 = 5,789 (A) ωđm = nđm / 9.55 = 1430 / 9,55 = 149,738 (rad/s)  Tính tốn phần tử mạch nghịch lưu: √6 ⇒ I = I s1 π =116 ,7 A d π √6 U s1 √ cosϕ π Ud U s 1= ⇒U d = =370 ,5 V π √6 cosϕ I s1 =I d Dòng chảy qua khóa S1 – S6 D1 – D6 dịng chảy qua pha stato động I=91A Điện áp ngược van phải chịu = Ud = 370,5V => Chọn Diot loại B-200 có thơng số sau: Lo¹i B- Itb(A) 200 Uim(V) U(V) 100-1000 0.7 200 22 Tốc quạt(m/s) 12 độ Chn C = 200F Cun kháng lọc KH: π , 134× U d Ld = ω ΔI d Trong đó: ΔId = (0,05 ~ 0,1)Id π ,134× ×370 ,5 ⇒ L= =0 , 028( H ) 314×0 , 05×116 ,7  Tính tốn phần tử mạch chỉnh lưu: Theo tính tốn phẩn ta có: Id = 116,7(A) Ud = 370(V) Khi lấy điện áp cung cấp từ trước ~380V => Có thể khơng cần sử dụng máy biến áp U d= Ta có: √6 U2 U d ×π cos α ⇒ cos α= =0 , 41 π √6 U Dịng trung bình chay qua T1 – T6: I tb = => α =65,3o I d 116 , = =38 , 9( A ) 3 Điện áp ngược van: U ng= √ 6U =930 , 8(V ) => Chọn Thyristor loại T-250 có thơng số sau: Lo¹i I(A) T.250 250 Uim(V) 1002200 U(V) Toff(s) 150250 Ig(V) Ug(V) 0,3 du/dt(V/ s) 20-500 b) Tính tốn thiết bị đo:  Máy phát tốc thiết bị đo tốc độ hệ truyền động điện Mạch nguyên lý đo tốc độ máy phát tốc chiều 23 Ta có: Uω = Kω ω điện áp đầu máy phát tốc từ thông không đổi => Kω = Uω / ω Với Uω = 10V Khi có lọc đầu hàm truyền máy phát tốc Uω( p) Kω Fft(p) = ω ( p) = 1+τfωp τfω số thời gian lọc < 5ms Có: ω = 2πnđm / 60 = 2π.1430 / 60 = 149,75 (rad/s) => Kω = 10 / 149,75 ≈ 0,0667 Chọn τfω = 0,001s = 1ms => Hàm truyền máy phát tốc là: 0,0667 Fft(p) = 1+ 0.001 p => Từ thông số trên, ta chọn máy phát tốc GTB có thơng số sau: - Dung sai tuyến tính: ≤ 0.15 % Hệ số nhiệt độ: ± 0.05 % / K Điện áp mở mạch: 10 20 mV per rpm Kích thước vỏ: ø95 mm Đường kính trục: ø12 - 16 mm | ø17 mm trục côn Chuẩn bảo vệ: IP 68 Kết nối: Connector  Phản hồi dòng: 24 r2 id r1 r sun _ 75mV 10v + - Sử dụng mạch phản hồi dịng chiều có cấu tạo hình K= Ur 10 R2 = =133= Uv 075 R1 - Nguyên lý hoạt động: dòng Id sau chỉnh lưu cho qua điện trở Sun tạo điện áp vi sai có độ lớn khoảng từ ÷ 75mV Điện áp vi sai đưa vào đầu vào khuếch đại thuật toán để khuếch đại tạo điện áp tỷ lệ với dòng Id - Chọn điện áp vào vi sai 75mV - Điện áp sau khuếch đại thuật toán 10V => hệ số khuếch đại OA bằng: Chọn R1 = (kΩ) => R2 = 133 ( kΩ) c) Tính tốn tham số sơ đồ tuyến tính hóa  Hệ số máy biến dịng ( đo dòng chiều) Kđo = Ui / Iđm = 10 / 116,7 = 0.08569 KCL = Ud / UCL = 370,5 / 10 = 37,05  Khâu khuếch đại tuyến tính Fi KFi = Isđm / ωsđm ωsđm = ω – ωđm Isđm = 91 (A) với ω = 2πf = 314,159 (rad/s) ωđm = nđm / 9,55 = 149,738 (rad/s) 25 = > ωsđm = 314,159 – 149,738 = 164,421 (rad/s) = > KFi = 91 / 164,421 = 0,5534  Khâu chỉnh lưu W CL = I r= K CL 1+ pT CL 1/ RΣ 1+ pT Σ Ud với KCL = 37,05, TCL = 0,005(s) RΣ = Rd + 2Rs = 0,877 =1,754 (Ω) LΣ = Ld + 2Lsσ = 0,028 + 0,004342 = 0,036684 TΣ = LΣ / RΣ = 0.0209 37,05 0,5701 = 1+ 0,005 p x 1+ 0,0209 p  Tính tốn hệ số A, B Bộ điều khiển dịng điện  Từ thơng số tính, ta có: 0,0209 1+0,0209 p = 2.3,1748.0,005 0,0209 p Với Ki = Kđo.KCL = 3,1748 1+0,0209 p Wir = 0,6583 0,0209 p 26 1+0,0209 p Vậy hàm truyền: Ri(p) = 0,6583 0,0209 p Ts = min(TCL, TΣ) = 0,005 S KI ( p )= => Hàm truyền mạch vòng dòng điện: 1+2 , 005 p+2 , 0052 p2 Bộ điều khiển tốc độ Rω ( p )= Theo mục 2.4 ta có: ( 1+ T σ p ) ( CK F K ir + A+ AT i p ) Kω ( 1+T σ p ) T 2σ p2 Jp [ 1+( Ti+T ω ) ] Với Tsω = Ti + Tω = 0,01+0,001 = 0,011 (với T i = TCL = 2.0,005=0,01) số thời gian nhỏ Chọn Tσ ≥ Tsω = 0,011 ⇔ ⇔ T sω pJ J + AT i K ω T sω ( B '+ A ' ) K ω T 2sω ( B '+ A ' ) p ) +1 CK F K ir + A [ 1+ ⇔ AT i CK F K ir + A [ J J + K ω T sω ( CK F K ir + A ) K ω T 2sω ( CK F K ir + A ) p ) 1 K Rω + 1+T TR p Tω p ( ] ] ) Ta thấy hàm truyền Rω(p) có dạng khâu trễ nối tiếp với khâu PI Ta có: T tre = AT i 2×0 , 44183×4×0 ,005 = =0 , 001047 CK F K ir + A √ , 5534 2, 30902 +0 , 44183 π , 08569 Ta thấy thời gian trễ nhỏ nên bỏ qua 27 K Rω= T ω= J =0 , 6052 K ω T sω ( CK F K ir + A ) =0 , 0727 J K ω T 2sω ( CK F K ir +A ) ( ⇒ R ω( p )= ,6052+ ,0727 p ) Để giảm độ điều chỉnh, dùng thêm khâu lọc có hàm truyền 3.2 W L= 1+0 , 044 p Mô  Kiểm nghiệm điều chỉnh dòng điện Ri Matlab – Simulink: - Đặc tính độ dòng điện: - Nhận xét: + Ta thấy sai lệch tĩnh e hệ thống nhỏ, điều cho thấy hệ thống tốt 28 + Thời gian đáp ứng τ nhỏ (=0,05) => hệ vào trạng thái ổn định nhanh + Độ điều chỉnh nhỏ δ ≈ 5,2% + Số lần dao động trước vào ổn định nhỏ  Kiểm nghiệm điều chỉnh tốc độ Rω Matlab – Simulink: Đồ thị độ có lọc: Đồ thị q độ khơng có lọc: 29 - Nhận xét: + Đây hệ thống tốt có sai lệch tĩnh e = + Thời gian đáp ứng τ tương đối lâu => nhiều thời gian để đạt trạng thái ổn định + Độ điều chỉnh lớn, số lần dao động trước đạt trang thái ổn định nhiều + Khi có thêm lọc, điều khiển làm cho hệ thống đạt trạng thái ổn định nhanh δ có lọc nhỏ δ khơng có lọc 30 Kết Luận Đề tài “Mô hệ điều khiển tốc độ động xoay chiều ba pha rotor lồng sóc thay đổi tần số điện áp cấp vào stator” vừa mang tính lý thuyết vừa mang tính thực hành Vì tập lớn chủ yếu đề cập đến việc thành lập sơ đồ cấu trúc, tính tốn mơ theo thơng số cho Dưới dẫn dắt thầy Trần Tiến Lương với tâm nỗ lục thân, em hoàn thành nhiệm vụ giao Qua tập lớn này, giúp em bước đầu tập đồng thời cho em biết cách thiết kế, mô hệ điều khiển tốc độ đông điện Tuy nhiên kiến thức hạn chế nên tập lớn cịn nhiều sai sót, mong nhận phê bình thầy Sau để kết thúc trang cuối tập lớn em xin gửi đến thầy Trần Tiến Lương lời cảm ơn chân thành tận tình giúp đỡ em hồn thành tập lớn thời gian Hải Phòng, ngày tháng năm 2016 Sinh viên thực Nguyễn Ngọc Sơn 31 Tài liệu tham khảo  Điều chỉnh tự động truyền động điện – Tác giả: Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi  Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha – Tác giả: Tiến sĩ Nguyễn Phùng Quang 32 33 ... giao cho tập lớn với đề tài ? ?Mô hệ điều khi? ??n tốc độ động xoay chiều ba pha rotor lồng sóc thay đổi tần số điện áp cấp vào stator? ??, em cố gắng gắng tìm hiểu kĩ phương pháp cho tập đảm bảo yêu cầu... thay đổi cấp cho động điều chỉnh tốc độ quay động + Biến tần điện + Biến tần bán dẫn: • Biến tần trực tiếp • Biến tần gián tiếp - Đ: Động không đồng pha Rotor lồng sóc  Khi động khơng động pha. .. δ có lọc nhỏ δ khơng có lọc 30 Kết Luận Đề tài ? ?Mô hệ điều khi? ??n tốc độ động xoay chiều ba pha rotor lồng sóc thay đổi tần số điện áp cấp vào stator? ?? vừa mang tính lý thuyết vừa mang tính thực