Nghiên cứu ảnh hưởng của điện trở stator trong điều khiển trực tiếp từ thông, mô men động cơ không đồng bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Duy Tuấn NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN TRỞ STATOR TRONG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP TỪ THÔNG, MÔ MEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Thiết bị điện điện tử Hà Nội, 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Duy Tuấn NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN TRỞ STATOR TRONG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP TỪ THÔNG, MÔ MEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Chuyên ngành: Thiết bị điện điện tử NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Phạm Hùng Phi Hà Nội, 2010 Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn MỤC LỤC Trang Lời cam đoan…………………………………………………………… Lời cảm ơn………………………………………………………………… Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt……………………………………… Danh mục bảng……………………………………………… Danh mục hình vẽ, đồ thị…………………………………………… Mở đầu………………………………………………………………………… 12 Chương 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 Giới thiệu động điện không đồng bộ……………………………… 14 1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện không đồng bộ… 14 1.2.1 Đặc tính động điện không đồng bộ………………………… 14 1.2.2 Ảnh hưởng thơng số đến đặc tính cơ……………… 18 1.2.2.1 Ảnh hưởng suy giảm điện áp stator……………………………… 19 1.2.2.2 Ảnh hưởng điện trở, điện kháng stator… …………… 19 1.2.2.3 Ảnh hưởng số đôi cực…………………….……………………… 20 1.2.2.4 Ảnh hưởng điện trở rotor………………………………… 21 1.2.2.5 Ảnh hưởng tần số………………………………… 22 1.2.3 Khái quát chung điều chỉnh tần số động điện không đồng 23 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 2.1 Giới thiệu biến tần…………………………………………………… 26 2.1.1 Biến tần trực tiếp………………………………………….…………… 26 2.1.2 Bộ biến tần gián tiếp …………………………… …………………… 27 2.1.2.1 Nghịch lưu dòng điện…………………………………….…………… 28 2.1.2.2 Nghịch lưu nguồn áp……………………………….………… ……… 29 -1- Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn 2.2 Khái quát điều chỉnh tần số động không đồng 36 2.2.1 Phương pháp điều khiển vô hướng……………………………… 39 2.2.1.1 Điều chỉnh điện áp - tần số với từ thông hàm mômen tải… 39 2.2.1.2 Điều khiển điện áp - tần số giữ từ thông động không đổi 41 2.2.1.3 Điều chỉnh dịng điện - tần số giữ từ thơng động không đổi 42 2.2.2 Phương pháp điều khiển vector……… 44 2.2.2.1 Phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor… 44 2.2.2.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp mômen từ thông (DTC) 48 Chương 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔMEN, TỪ THÔNG ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 3.1 Vector khơng gian………… 49 3.1.1 Vector không gian……………………………………………………… 50 3.1.2 Các phép biến đổi tọa độ…………… 51 3.1.2.1 Các hệ tọa độ…………… 51 3.1.2.2 Công thức biến đổi hệ tọa độ………………… 52 3.1.2.3 Biến đổi tọa độ a, b, c → dq ………… 52 3.1.2.4 Biến đổi tọa độ αβ → dq …………… 54 3.1.2.5 Phép biến đổi hệ tọa độ hệ tọa độ abc → αβ ……… 55 3.1.2.6 Sơ đồ khối phép chuyển đổi………………………………… 56 3.2 Mơ hình tốn học động khơng đồng bộ………………………… 57 3.2.1 Mơ hình động khơng đồng không gian vector 58 3.2.2 Mơ hình động khơng đồng hệ tọa độ αβ …… 60 3.2.3 Mô hình động khơng đồng hệ tọa độ dq … 63 3.3 Điều khiển trực tiếp………………… 67 3.3.1 Nguyên lý……………………………………………………………… 67 3.3.2 Nội dung phương pháp………………………………………………… 69 -2- Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn 3.3.3 Ước lượng từ thông, mô men động không đồng bộ………………… 74 3.3.3.1 Ước lượng từ thông…………………………………………………… 74 3.3.3.2 Ước lượng mômen…………………………………………………… 76 3.3.4 Sơ đồ phương pháp điều khiển trực tiếp…………………………… 76 3.3.4.1 Mơ hình phương pháp DTC……………………………………… 76 3.3.4.2 Bảng lựa chọn vector điện áp………………………………………… 76 Chương 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK 4.1 Mơ hình mơ phỏng……………………………………………………… 79 4.2 Ảnh hưởng điện trở stator…………………………… 85 4.2.1 Sự thay đổi điện trở dây quấn stator………………… 85 4.2.2 Ảnh hưởng điện trở dây quấn stator………………………………… 86 4.2.3 Các phương pháp bù nhận dạng điện trở stator…………………… 88 4.3 Các kết mô phỏng……………………… 91 4.3.1 Ảnh hưởng điện trở dây quấn stator tới từ thông, mômen………… 91 4.3.2 Đáp ứng sai số động cơ…………………………………………… 94 Kết luận kiến nghị………………………………… 108 Tài liệu tham khảo…………… 109 -3- Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn LỜI CAM ĐOAN Luận văn hoàn thành sau thời gian nghiên cứu học tập Viện Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Bách khoa Hà nội Dưới hướng dẫn bảo tận tình Thầy giáo TS Phạm Hùng Phi, Phó Trưởng khoa Điện, Bộ mơn Thiết bị điện – Điện tử, Trường Đại học Bách khoa Hà nội Tơi xin cam đoan tồn nội dung luận văn mà thực thời gian vừa qua trung thực không chép Hà nội, Ngày 27 tháng 10 năm 2010 Người cam đoan Nguyễn Duy Tuấn -4- Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành Viện Đào tạo Sau đại học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trước tiên xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc tới Thầy giáo TS Phạm Hùng Phi, Phó Trưởng khoa Điện, Bộ mơn Thiết bị điện – Điện tử, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Thầy trực tiếp hướng dẫn luận văn kiến thức kinh nghiệm quý báu giúp đỡ tơi hồn thành tốt luận văn theo thời hạn mà nhà trường môn giao cho Qua cho phép tơi bày tỏ lịng biết ơn đến Viện Đào tạo Sau đại học, đến thầy, giáo tham gia giảng dạy khóa học Tơi xin chân thành cảm ơn nhận xét, đóng góp ý kiến thiết thực thầy, giáo môn Thiết bị Điện – Điện tử, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn tới thầy, giáo, nhà khoa học chấm phản biện, thầy, cô giáo hội đồng bảo vệ tất đồng nghiệp cho nhận xét quý báu để luận văn hồn thiện Cuối tơi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè, lãnh đạo đồng nghiệp Bộ mơn Điện khí hóa, Khoa Cơ – Điện, Trường Đại học Mỏ – Địa chất Hà Nội luôn động viên, giúp đỡ suốt trình học tập làm luận văn Hà nội, Ngày 27 tháng 10 năm 2010 Nguyễn Duy Tuấn -5- Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT X * , x* Giá trị đặt x Giá trị ∆X , ∆x Sai lệch x s Vector hệ tọa độ αβ x f Vector hệ tọa độ dq xs , x s Đại lượng, vetor mạch phía mạch Stator xr , x r Đại lượng mạch phía mạch Rotor x Độ dài vector x αβ Hệ trục tọa độ αβ dq Hệ trục tọa độ dq xsα Thành phần vector x ss trục α xsβ Thành phần vector x ss trục β xsd Thành phần vector x sf trục d xsq Thành phần vector x sf trục q γ sr Góc lệch từ thơng Stator Rotor θs Góc lệch trục α với trục d θ Góc lệch trục α với trục Rotor θr Góc lệch trục d với trục Rotor ωs Tốc độ góc đồng ω Tốc độ góc Rotor ωr Tốc độ góc so lệch Rotor từ trường khe hở j Đơn vị ảo f Tần số -6- Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn Ls Điện cảm toàn phần mạch Stator Lr Điện cảm toàn phần mạch Rotor Lm Hỗ cảm dây quấn Stator dây quấn Rotor ĐCKĐB Động không đồng DTC Điều khiển trực tiếp mômen (viết tắc Direct Touque Control) FOC Điều khiển hướng trường rotor (Flux Orientd Control) PWM Điều chế độ rộng xung (viết tắc Pulse Width Modulation) TOFE Mơ hình tính tốn từ thông -7- Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Khái quát phương pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng ba pha………………………………………………………………………… 24 Bảng 3.1 Bảng biểu diễn biến thiên từ thông momen vùng véc tơ điện áp không gian………………………………………………… 72 Bảng 3.2 So sánh phương pháp điều khiển vector điều khiển trực tiếp môme………………………………………………………………………… 73 Bảng 3.3 Quy luật chọn vector điện áp tối ưu………………………………… 77 Bảng 3.4 Bảng lựa chọn vector điện áp……………………………………… 78 -8- Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn 1600 1400 1200 Toc (rad/s) 1000 800 May bu May 600 400 200 -200 0.5 1.5 2.5 Time (s) 3.5 4.5 a 1369.3 May bu May Toc (rad/s) 1369.25 1369.2 1369.15 1369.1 3.2 3.4 3.6 3.8 Time (s) b - 96 - 4.2 4.4 4.6 4.8 Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn 12 10 Sai so toc (rad/s) -2 0.5 1.5 2.5 Time (s) 3.5 4.5 c Hình 4.20 Đáp ứng tốc độ bù theo phương pháp nhiệt độ a Tốc độ; b Tốc độ ổn định; c Sai số tốc độ 1600 1400 Toc (vong/phut) 1200 1000 May bu May 800 600 400 200 -200 0.5 1.5 2.5 Time (s) a - 97 - 3.5 4.5 Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn 1373.5 1373 1372 May bu May 1371.5 1371 1370.5 1370 1369.5 1369 3.2 3.4 3.6 3.8 Time (s) 4.2 4.4 4.6 4.8 3.5 4.5 b 45 40 35 Sai so toc (vong/phut) Toc (vong/phut) 1372.5 30 25 20 15 10 -5 0.5 1.5 2.5 Time (s) c Hình 4.21 Đáp ứng tốc độ bù theo phương pháp điện trở a Tốc độ; b Tốc độ ổn định; c Sai số tốc độ - 98 - Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn - Sai số từ thông Máy khong bu May Pha tu thong (rad) -1 -2 -3 -4 Time (s) 2.5 1.5 4.5 3.5 a 1.05 May khong bu May 1.04 1.03 Tu thong (Wb) 1.02 1.01 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 3.001 3.002 3.003 3.004 3.005 Time (s) b - 99 - 3.006 3.007 3.008 3.009 3.01 Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn 0.025 May khong bu May 0.015 0.01 0.005 -0.005 0.5 1.5 2.5 Time (s) 3.5 4.5 c Hình 4.22 Đáp ứng từ thơng khơng bù a Pha từ thông; b Biên độ từ thông; c Sai số biên độ từ thông Pha tu thong (rad) Sai so tu thong (Wb) 0.02 -1 -2 -3 -4 1.5 2.5 Time (s) a - 100 - 3.5 4.5 Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn 1.03 1.02 Tu thong (Wb) 1.01 0.99 0.98 0.97 3.001 3.002 3.003 3.004 3.005 Time (s) 3.006 3.007 3.008 3.009 3.01 b 0.025 May bu May Sai so tu thong (Wb) 0.02 0.015 0.01 0.005 -0.005 0.5 1.5 2.5 Time (s) 3.5 4.5 c Hình 4.23 Đáp ứng từ thơng bù theo phương nhiệt độ a Pha từ thông; b Biên độ từ thông; c Sai số biên độ từ thông - 101 - Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn May bu May Pha tu thong (rad) -1 -2 -3 -4 2.5 1.5 Time (s) 4.5 3.5 a 1.04 May bu May 1.03 Tu thong (Wb) 1.02 1.01 0.99 0.98 0.97 0.96 4.99 4.991 4.992 4.993 4.994 4.995 4.996 Time (s) b - 102 - 4.997 4.998 4.999 Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn 0.025 May bu May 0.02 Sai so tu thong (Wb) 0.015 0.01 0.005 -0.005 0.5 1.5 2.5 Time (s) 3.5 4.5 c Hình 4.24 Đáp ứng từ thông bù theo phương điện trở a Pha từ thông; b Biên độ từ thông; c Sai số biên độ từ thông - Sai số mômen 380 May khong bu May 375 370 Mo men (Nm) 365 360 355 350 345 340 335 4.99 4.991 4.992 4.993 4.994 4.995 Time (s) a - 103 - 4.996 4.997 4.998 4.999 Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn 10 May khong bu May Sai so mo men (Nm) -2 -4 3.001 3.002 3.003 3.004 3.005 Time (s) 3.006 3.007 3.008 3.009 3.01 b Hình 4.25 Đáp ứng mơmen khơng bù a Mômen ổn định; b Sai số Mômen 380 May bu May 375 370 Mo men (Nm) 365 360 355 350 345 340 335 4.99 4.991 4.992 4.993 4.994 4.995 Time (s) a - 104 - 4.996 4.997 4.998 4.999 Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn May bu May Sai so mo men (Nm) -1 -2 -3 3.001 3.002 3.003 3.004 3.005 Time (s) 3.006 3.007 3.008 3.009 3.01 b Hình 4.26 Đáp ứng mômen bù theo phương pháp nhiệt độ a Mômen ổn định; b Sai số Mômen 380 May bu May 375 370 Mo men (Nm) 365 360 355 350 345 340 335 4.99 4.991 4.992 4.993 4.994 4.995 Time (s) a - 105 - 4.996 4.997 4.998 4.999 Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn May bu May Sai so mo men (Nm) -1 -2 -3 3.001 3.002 3.003 3.004 3.005 Time (s) 3.006 3.007 3.008 3.009 3.01 b Hình 4.27 Đáp ứng mơmen bù theo phương pháp điện trở a Mômen ổn định; b Sai số Môme Nhận xét: Sau tổng hợp mô ảnh hưởng điện trở stator tới đặc tính động khơng đồng ta rút số nhận xét sau Khi điện trở dây quấn Stator thay đổi làm cho: - Tốc độ động tăng lên so với giá trị đặt; - Mômen máy không bù thấp giá trị đặt; - Biên độ từ thông máy không bù thấp giá trị đặt; - Từ thông quay nhanh - Sai số ước lượng biên độ từ thông mômen động tăng lên Sau bù thay đổi điện trở dây quấn stator ta chất lượng đặc tính nâng lên rõ rệt Đặc biệt vùng mà mô men cản trục máy gần với giá trị đặt Khi bù thay đổi điện trở dây quấn stator máy làm việc ổn - 106 - Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn định không vượt 1,05 lần giá trị điện trở định mức máy, vượt làm cho máy ổn định - 107 - Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn KẾT LUẬN VÀ KIẾN NHGỊ Như trình bày từ chương đến chương luận văn thu kết sau: - Sơ lược động không đồng phương pháp điều chỉnh tốc độ quay động cơ; - Nghiên cứu phương pháp điều khiển tần số thường dùng máy điện không đồng bộ; - Xuất phát từ hệ phương trình vi phân động ba pha, sử dụng lý thuyết máy điện tổng quát phép biến đổi tọa độ để nhận mô hình tốn máy điện khơng đồng bộ, xét điện trở dây quấn Stator thay đổi theo thời gian - Đề cập tới phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông, mômen động không đồng Kết hợp với phần mềm mô Matlab – Simulink, xây dựng hệ thống điều khiển trực tiếp từ thông, mômen động không đồng xét tới thay đổi điện trở dây quấn Stator - Đưa kết ảnh hưởng điện trở dây quấn Stator tới từ thông, mômen, tốc độ quay… động cơ, đồng thời tác giả đề xuất biện pháp làm giảm ảnh hưởng điện trở dây quấn Stator tới đặc tính Qua việc nghiên cứu ảnh hưởng điện trở dây quấn Stator tới đặc tính làm việc động điện không đồng để giảm sai số tính tốn từ thơng, mơmen sai số tĩnh đặc tính động khơng đồng ta cần phải bù thay đổi điện trở Stator Do trình độ thời gian có hạn tác giả dừng lại việc bù điện trở Stator theo vòng hở Để nâng cao chất lượng bù cần phải tiến hành bù vịng kín cho điện trở bù theo từ thơng, bù theo dịng điện, bù tập mờ… dùng thuật toán nhận dạng thay đổi R s Đây hướng mà tác giả cố gắng gải thời gian tới - 108 - Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Phụ, Nguyễn Văn Sáu (2003), Máy điện I, II, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà nội Phạm Văn Bình (2008), Máy điện tổng quát, Nhà xuất giáo dục, Hà nội Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2005), Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà nội Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2006), Truyền động điện thông minh, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà nội Nguyễn Hanh Tiến (2008), Máy điện I, II, Đại học mỏ – Địa chất, Hà nội Nguyễn Văn Thịnh, Hà Xn Hịa, Nguyễn Vũ Thanh (2008), Tự động hóa điều khiển thiết bị điện, Nhà xuất giáo dục Cyril W.Lander (2002) – Dịch giả Lê Văn Doanh, Điện tử công suất điều khiển động cơ, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà nội Lê Văn Doanh, Nguyễn Văn Thịnh, Nguyễn Thế Công (2004), Điện tử công suất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà nội 10 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2006), Điều khiển truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà nội 11 Trần Khánh Hà, Nguyễn Thị Hồng Thanh (2004), Thiết kế máy điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội - 109 - Luận văn cao học Nguyễn Duy Tuấn Tiếng Anh Mustapha Messaoudi, Habib Kraiem, Mouna Ben Hamed, Lassaad Sbita and Mohamend Abdelkrim (2008), A Rubust Sensorless Direct Torque Control of Induction Motor Based on MRAS and Extended Kalman Filter, ISSN 1583 – 0233 HF Abdul Wahab and H Sanusi (2008), Simulink Model of Direct Torque Control of Induction Machine, American Journal of Applied Sciences Nik Rumzi Nik Idris, Abdul Halim Mohd Yatin, Naziha Ahmad Azli, Direct Torque Control of Induction Machine with Constant Switching Frequency and Improved Stator Flux Estimation, University Teknologi Malaysia Johor D W Novotny and T A Lipo (1997), Vector Control and Dynamics of AC Drives, Oxford Univesity Press, Great Claredon Street, Oxford OX26DP B Chitti Babu, C Poongothai, High Performance Demenico Casadei, Francesco Profumo, Giovanni Serra and Angelo Tani (2002), FOC and DTC: Two Viable Schemes for Induction Motors Torque Control, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 17, No Veran Vasic, Slobodan N Vukosavic, Emil Levi (2006), A Stator Resistance Estimation Scheme for Speed Sensorless Rotor Flux Oriented Induction Motor Drives L Tang, M.F Rahman, A Novel PI Stator Resistance Estimation for Direct Torque Controlled Permanent syschronous Machine Drive, The University of South Wales S Benaicha, F Zidani, R Nait Said, M.S Nait Said (2005), Improved DTC of Induction with Fuzzy Resistance Estimator, pp 222 – 226 - 110 - ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Duy Tuấn NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN TRỞ STATOR TRONG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP TỪ THÔNG, MÔ MEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Chuyên... CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP M? ?MEN, TỪ THÔNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3.1 Vector không gian Các giả thiết xây dựng mơ hình tốn học động điện không đồng - Động điện không đồng có cấu đối... phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông, m? ?men động không đồng xét tới thay đổi điện trở dây quấn Stator mơ hình động Từ kết mô phỏng, tác giả thấy có thay đổi điện trở dây quấn stator, đặc