Nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc bằng phương pháp điều khiển vecto tựa từ thông roto (FOC)

Mục lục Mục Lục Danh mục hình ảnh Danh mục từ viết tắt Lời nói đầu CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1 Sơ lược động không đồng ba pha 1.1.1 Cấu tạo động không đồng ba pha 1.1.2 Nguyên lý hoạt động 1.2.3 Đặc tính động điện khơng đồng ba pha 1.3 Động khơng đồng rotor lồng sóc .7 1.4 Các phương pháp điều khiển tốc độ động không đfồng 10 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN FOC 13 2.1 Mơ tả tốn học động không đồng pha 13 2.2 Phép biến đổi tuyến tính khơng gian vector .15 2.3 Mơ hình hóa .18 2.3.1 Quy ước .18 2.3.2 Các phương trình động 19 2.3.3 Mơ hình hóa động khơng đồng tọa độ d,q 20 2.3.4 Tính toán tham số động 22 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 24 3.1 Cấu trúc điều khiển 24 3.2 Thiết kế mạch vòng dòng điện 25 3.3 Thiết kế điều chỉnh từ thông .26 3.4 Thiết kế điều chỉnh tốc độ 27 3.4.1 Trường hợp hệ truyền động có qn tính nhỏ 28 3.4.2 Trường hợp hệ truyền động có qn tính lớn .28 GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch Danh mục hình ảnh Danh mục hình ảnh Hình 1.1-Cấu tạo động khơng đồng Hình 1.1-Cấu tạo Stator động khơng đồng Hình 1.1-Rotor lồng sóc động khơng động Hình 1.4- Nguyên lý làm việc động không đồng ba pha Hình 1.5- Sơ đồ thay pha động không đồng .5 Hình 1.6- Đường đặc tính động không đồng ba pha Hình 1.7- Cấu tạo động khơng đồng pha rơto lồng sóc Hình 2.1- Tương quan hệ toạ độ  toạ độ ba pha a,b,c 15 Hình 2.2- Cuộn dây pha nhìn  16 Hình 2.3 Chuyển sang hệ toạ độ quay 16 Hình 2.4- Các đại lượng is , r động hệ toạ độ .17 Hình 2.5-Mơ hình tốn học động khơng đồng tọa d, q 21 Hình 3.1-Cấu trúc điều khiển tựa từ thông Rotor-FOC .24 Hình 3.2-Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện .25 GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch Danh mục từ viết tắt Danh mục từ viết tắt GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch Lời nói đầu Lời nói đầu Trong năm gần q trình cơng nghiệp hóa đại hóa ngày phát triển mạnh mẽ Do động điện đóng vai trị quan trọng ngành sản xuất đời sống Vì loại động điện chế tạo ngày hoàn thiện hơn, động điện khơng đồng pha chiếm tỉ lệ lớn ngành công nghiệp động khơng đồng pha có nhiều ưu điểm việc khởi động dể dàng,giá thành rẻ, vận hành êm,kích thước nhỏ gọn, làm việc chắn,đặc tính làm việc tốt, bảo quản đơn giản, chi phí vận hành bảo trì thấp.tuy có nhược điểm đặc tính phi tuyến mạnh nên trước đây, với phương pháp điều khiển đơn giản, loại động phải nhường chỗ cho động điện chiều không ứng dụng nhiều với phát triển mạnh ngành khoa học kỉ thuật ngày ngành kỉ thuật vi xử lý, điện tử công suất cộng lý thuyết điều khiển, truyền động việc ứng dụng động khơng đồng pha ứng dụng rộng rải hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ máy sản xuất, thay dần động chiều Có nhiều phương pháp điều chỉnh vận tốc động không đồng ba pha roto lồng sóc Bài nghiên cứu nhóm em chọn: “Nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động khơng đồng ba pha roto lồng sóc phương pháp điều khiển vecto tựa từ thông roto (FOC)” Gồm phần sau: Tổng quan 2.Xây dựng sở thuật toán FOC Thiết kế điều khiển GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch Chương Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình tốn học động không đồng ba pha CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1 Sơ lược động không đồng ba pha 1.1.1 Cấu tạo động không đồng ba pha Động khơng đồng ba pha có cấu tạo thể hình 1.1 Hình 1.1 -Cấu tạo động không đồng 1-Lõi thép Stator, 2-Dây quấn Stator, 3-Nắp máy, 4-Ổ bi, 5-Trục máy, 6-Hộp dầu cực 7-Lõi thép Rotor, 8-Thân máy, 9-Quạt làm mát, 10- Hộp quạt  Stator (phần tĩnh) Stator gồm hai phận lõi thép dây quấn, ngồi cịn có vỏ máy nắp máy Lõi thép Stator có dạng hình trụ, tạo lên từ thép kỹ thuật điện, có rãnh dập bên trong, ghép lại tạo thành rãnh dài theo hướng trục Lõi thép ép vào vỏ máy Dây quấn Stator thường làm dây đồng có bọc cách điện quấn rãnh lõi thép Dòng điện xoay chiều ba pha chạy dây quấn ba pha tạo nên từ trường quay GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch Chương Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình tốn học động khơng đồng ba pha Vỏ máy có thân nắp máy thường làm gang  Rotor (phần quay) Rotor phần quya động gồm lõi thép, dây quấn trục máy Lõi thép rotor gồm thép kỹ thuật diện lấy từ phần bên lõi thép stator ghép lại, mặt dập rãnh để đặt dây quấn, có dập lỗ để gắn trục máy Trục máy động không đồng làm thép gắn vào rotor Dây quấn rotor có hai kiểu: Rotor ngắn mạch hay cịn gọi rotor lồng sóc rotor dây quấn Rotor lồng sóc: gồm đồng hay nhơm đặt rãnh nối với hai vành ngắn mạch hai đầu Với đơng có kích thước nhỏ, dây quấn rotor đúc nguyên khối gồm dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt cánh quạt làm mát Các động có cơng suất 100kW dẫn làm đồng đước đặt vào rãnh rotor ngắn chặt hai vành ngắn mạch Rotor dây quấn: quấn dây giống dây quấn ba pha stator có số cực từ stator Dây quấn kiểu đấu (Y) có ba đầu đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay rotor cách điện với trục Ba trổi than cố định tỳ vành trượt để dẫn điện vào biến trở nối nằm động để khởi động điều chỉnh tốc độ Hình 1.1-Cấu tạo Stator động không đồng GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch Hình 1.2-Rotor lồng sóc động khơng động Chương Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình tốn học động khơng đồng ba pha 1.1.2 Nguyên lý hoạt động Như biết vật lý, cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch 120o không gian từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo từ trường quay Nếu từ trường quay có đặt dẫn điện từ trường quay quét qua dẫn điện làm xuất sức điện động cảm ứng dẫn Nối dẫn với làm trục quay dẫn có dịng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải Từ trường quay lại tác dụng vào dịng điện cảm ứng lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái tạo momen làm quay roto theo chiều quay từ trường quay Tốc độ quay roto nhỏ tốc độ quay từ trường qua Nếu roto quay với tốc độ tốc độ từ trường quay từ trường quét qua dây quấn phần cảm nên sdd cảm ứng dịng điện cảm ứng khơng cịn, momen quay khơng cịn Do momen cản roto quay chậm lại sau từ trường dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất lại có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường với tốc độ nhỏ tốc độ từ trường Đồng làm việc theo nguyên lý gọi động không đồng hay động xoay chiều Hình 1.3- Nguyên lý làm việc động không đồng ba pha GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch Chương Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình tốn học động không đồng ba pha Nếu gọi tốc độ từ trường quay ωo (rad/s) hay no (vịng/phút) tốc độ quay roto ω (hay n) nhỏ ( ω < ωo ; n < no ) Sai lệch tương tối hai tốc độ gọi độ trượt s: s= o −  o (1.1) Từ ta có: ω = ωo(1 – s) (1.2) n = no(1 – s) (1.3) Hay Với: 2n 60 (1.4) 2n o 2f1 = 60 p (1.5) = o = f1 - tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato Tốc độ ωo tốc độ lớn mà roto đạt khơng có lực cản Tốc độ gọi tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị ≤ s ≤ Dòng điện cảm ứng cuộn dây phần ứng roto dòng điện xoay chiều với tần số xác định tốc độ tương đối roto từ trường quay: f2 = p(n o − n ) = sf1 60 GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch (1.6) Chương Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình tốn học động không đồng ba pha 1.2.3 Đặc tính động điện khơng đồng ba pha Phương trình đặc tính cơ: Theo lý thuyết máy điện, coi động lưới điện lý tưởng, nghĩa ba pha động đối xứng, thông số dây quấn điện trở điện kháng khơng đổi, tổng trở mạch từ hóa khơng đổi, bỏ qua tổn thất ma sát tổn thất lõi thép điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, sơ đồ thay pha động hình vẽ 1-5 Hình 1.4- Sơ đồ thay pha động khơng đồng Trong đó: U1 – trị số hiệu dụng điện áp pha stato (V) Iµ, I1, I’2 – dịng điện từ hóa, dịng điện stato dòng điện roto quy đổi stato (A) Xµ, X1, X’2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato điện kháng roto quy đổi stato (Ω) Rµ, R1, R’2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato mạch roto quy đổi stato (Ω) Phương trình đặc tính động không đồng biểu diễn mối quan hệ mômen quay tốc độ động có dạng: M= 3U12 R '2   R '2  so  R1 + + X nm   s    ,[Nm] (1.7) Trong đó: Xnm – điện kháng ngắn mạch, Xnm = X1 + X’2 GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch Chương Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình tốn học động không đồng ba pha Đường đặc tính cơ: Với giá trị khác s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho giá trị M Đường biều diễn M = f(s) trục tọa độ sOM hình vẽ 1-4, đường đặc tính động điện xoay chiều khơng đồng ba pha Hình 1.5- Đường đặc tính động không đồng ba pha Đường đặc tính có điểm cực trị gọi điểm tới hạn K Tại điểm đó: dM =0 ds (1.8) Giải phương trình ta có: s th =  R '2 R +X (1.9) nm Thay vào phương trình đặc tính ta có: M th = 3U12 2o (R1  R12 + X nm ) (1.10) Vì ta xem xét giới hạn ≤ s ≤ ( chế độ động ) nên giá trị sth Mth đặc tính hình ứng với dấu (+) GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch Chương 2: Xây dựng sở thuật toán học L aA = L bB =L cC =L Aa = L Bb =L Cc =Mcos L aB =L bC =L cA =L Ba = L Cb =L Ac = Mcos(+2/3) LaB =L bC =L cA =L Ba = L Cb =L Ac = Mcos(+2/3) L aC =L bA =L cB =L Ca = L Ab =L Bc = Mcos( -2/3) M = i st d {Lm ( )ir } d Các hệ phương trình hệ phương trình vi phân phi tuyến có hệ số biến thiên theo thời gian góc quay  phụ thuộc thời gian:  = 0+(t)dt Kết luận: mơ tả tốn học rât phức tạp nên cần phải đơn giản bớt Tới năm 1959 Kôvacs (Liên Xô) đề xuất phép biến đổi tuyến tính khơng gian vectơ Park (Mỹ) đưa phép biến đổi d, q GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch 14 Chương 2: Xây dựng sở thuật toán học 2.2 Phép biến đổi tuyến tính khơng gian vector Trong máy điện ba pha thường dùng cách chuyển giá trị tức thời điện áp thành véc tơ không gian Lấy mặt phẳng cắt mơtơ theo hướng vng góc với trục biểu diễn từ không gian thành mặt phẳng Chọn trục thực mặt phẳng phức trùng với trục pha a Ia +1() is is +j() is a2 ic a.ib Hình 2.1- Tương quan hệ toạ độ  toạ độ ba pha a,b,c Ba véc tơ dòng điện stator ia, ib, ic tổng hợp lại đại diện véc tơ quay trịn is Véc tơ khơng gian dòng điện stator: is = (ia + aib + a ic ) a=e GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch j 2 15 Chương 2: Xây dựng sở thuật toán học Muốn biết is cần biết hình chiếu lên trục toạ độ: is,is i s = is + jis i s = Re{is } = (2ia − ib − ic ) i s = Im{is } = (ib − ic ) u u Hình 2.2- Cuộn dây pha nhìn  Theo cách thức chuyển vị từ phương trình (3 rơto, stato) thành nghiên cứu phương trình Phép biến đổi từ pha (a,b,c) thành pha (, ) gọi phép biến đổi thuận Còn phép biến đổi từ pha thành pha gọi phép biến đổi ngược Đơn giản hơn, chiếu is lên hệ trục xy quay với tốc độ k: k =0 + kt + Nếu k=0, 0=0 :đó phép biến đổi với hệ trục ,  (biến đổi tĩnh) x k Ia k is + Nếu k=1, 0 tự chọn (để đơn giản phương trình cho x trùng r để ry=0): phép biến đổi a2 ic a.ib d,q + Nếu k= 1 -  =r : hệ toạ độ cố định , rơto (ít dùng) y Hình 2.3 Chuyển sang hệ toạ độ quay GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch 16 Chương 2: Xây dựng sở thuật toán học Các hệ toạ độ mô tả sau:  pha B d q is is isd r hướng trục rơto S isq pha A  is pha C Hình 2.4- Các đại lượng is , r động hệ toạ độ Các phương trình chuyển đổi hệ toạ độ: a,b,c → : is = ia is = (ia + ib )  → d,q isd = iscos + issin isq = iscos - issin  ia = is    → a,b,c: ib = (−is + 3.is )   ic = (−is − 3.is ) GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch 17 Chương 2: Xây dựng sở thuật toán học d,q →  is = isdcos - isqsin is = isdsin + isqcos 2.3 Mơ hình hóa 2.3.1 Quy ước • Chỉ số bên phải cao: + 𝑓 đại lượng mô tả hệ tọa độ tựa theo từ thông + 𝑠 đại lượng mô tả hệ toa độ 𝛼𝛽, cố định với stator + 𝑟 đại lượng mô tả hệ tọa độ cố định với roto • Chỉ số bên phải, phía + 𝑠 đại lượng mạch stator + 𝑟 đại lượng mạch roto + 𝑑, 𝑞 thành phần thuộc hệ tọa độ 𝑑𝑞 + 𝛼, 𝛽 thành phần thuộc hệ tọa độ • Các đại lượng viết đậm: vector (chữ thường), ma trận (chữ hoa) GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch 18 Chương 2: Xây dựng sở thuật toán học 2.3.2 Các phương trình động • Cơng thức chuyển hệ tọa độ Ta thử hình dung hệ tọa độ quay với vận tốc góc 𝜔𝑘 Việc chuyển hệ tọa độ đại lượng hệ tọa độ hệ thống cuộn dây thực sau: 𝑢𝑠𝑠 = 𝑢𝑠𝑘 𝑒 𝑗𝜗𝑘 𝑖𝑠𝑠 = 𝑖𝑠𝑘 𝑒 𝑗𝜗𝑘 𝜓𝑠𝑠 = 𝜓𝑠𝑘 𝑒 𝑗𝜗𝑘 𝑑𝜓𝑠𝑠 𝑑𝑡 𝑑𝜓𝑠𝑘 = 𝑑𝑡 𝑒 𝑗𝜗𝑘 + 𝑗𝜔𝑘 𝜓𝑠𝑘 𝑒 𝑗𝜗𝑘 • Phương trình điện áp stator 𝒖𝑠𝑠 = 𝑅𝑠 𝒊𝑠𝑠 + 𝑑𝜓𝑠𝑠 𝑑𝑡 Trong 𝑅𝑠 : điện trở stator; 𝜓𝑠𝑠 : từ thông stator Chuyển sang hệ toa độ d,q (tựa theo từ thông roto) Ta thay 𝜔𝑘 = 𝜔𝑠 tốc độ góc vecto thuộc mạch điện stator vecto tư thông roto ufs = R s ifs dψfs + + jωs ψfs dt • Phương trình điện áp roto 𝟎= 𝑅𝑟 𝒊𝑟𝑟 𝑑𝜓𝑟𝑟 + 𝑑𝑡 Trong 𝑅𝑟 : điện trở roto; 𝜓𝑟𝑟 : từ thông roto; 0: vector rỗng Chuyển sang hệ tọa độ d,q Ta thay 𝜔𝑘 = 𝜔𝑠 − 𝜔 = 𝜔𝑟 tốc độ trượt tương đối roto 𝑓 𝟎= 𝑅𝑟 𝒊𝑟𝑠 GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch 𝑑𝜓𝑟 𝑓 + + 𝑗𝜔𝑟 𝜓𝑟 𝑑𝑡 19 Chương 2: Xây dựng sở thuật tốn học • Phương trình từ thơng { 𝜓𝑠 = 𝐿𝑠 𝒊𝑠 + 𝐿𝑚 𝒊𝑟 𝜓𝑟 = 𝐿𝑚 𝒊𝑠 + 𝐿𝑟 𝒊𝑟 𝐿 = 𝐿𝑚 + 𝐿𝜎𝑠 { 𝑠 𝐿𝑟 = 𝐿𝑚 + 𝐿𝜎𝑟 với Trong 𝐿𝑚 : hỗ cảm; 𝐿𝑠 , 𝐿𝑟 : điện cảm phía stator, phía roto 𝐿𝜎𝑠 , 𝐿𝜎𝑟 : điện cảm tản phía stator, phía roto • Phương trình mơ men quay - 𝑚𝑀 = − 𝑧𝑝 |𝜓𝑟 × 𝑖𝑟 |𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑠𝑖𝑛𝜑𝑟 ) - 𝑚𝑀 = 𝑧𝑝 𝐼𝑚{𝜓𝑠 𝑖𝑠∗ } 2.3.3 Mơ hình hóa động khơng đồng tọa độ d,q 𝑓 𝑑𝜓𝑠 𝑓 = + + 𝑗𝜔𝑠 𝜓𝑠 𝑑𝑡 𝑓 𝑑𝜓𝑠 𝑓 𝑓 𝑓 𝑢𝑠 = 𝑅𝑠 𝑖𝑠 + + 𝑗𝜔𝑠 𝜓𝑠 𝑑𝑡 𝑓 𝑓 𝑓 𝜓𝑠 = 𝐿𝑠 𝑖𝑠 + 𝐿𝑚 𝑖𝑟 𝑓 𝑢𝑠 𝑓 𝑅𝑠 𝑖𝑠 𝑓 𝑓 𝑓 { 𝜓𝑟 = 𝐿𝑚 𝑖𝑠 + 𝐿𝑟 𝑖𝑟 Ta tìm cách loại bỏ dịng roto từ thơng stator khỏi hệ phương trình thu được: 𝑑𝑖𝑠𝑑 1−𝜎 1−𝜎 ′ 1−𝜎 ′ =( + ) 𝑖𝑠𝑑 + 𝜔𝑠 𝑖𝑠𝑞 + 𝜓𝑟𝑑 + 𝜔𝜓𝑟𝑞 + 𝑢 𝑑𝑡 𝜎𝑇𝑠 𝜎𝑇𝑟 𝜎𝑇𝑟 𝜎 𝜎𝐿𝑠 𝑠𝑑 𝑑𝑖𝑠𝑞 1−𝜎 1−𝜎 1−𝜎 ′ ′ = −𝜔𝑠 𝑖𝑠𝑑 − ( + ) 𝑖𝑠𝑞 − 𝜔𝜓𝑟𝑑 + 𝜓𝑟𝑞 + 𝑢 𝑑𝑡 𝜎𝑇𝑠 𝜎𝑇𝑟 𝜎 𝜎𝑇𝑟 𝜎𝐿𝑠 𝑠𝑞 ′ 𝑑𝜓𝑟𝑑 1 ′ ′ = 𝑖𝑠𝑑 − 𝜓𝑟𝑑 + (𝜔𝑠 − 𝜔)𝜓𝑟𝑞 𝑑𝑡 𝑇𝑟 𝑇𝑟 ′ 𝑑𝜓𝑟𝑞 1 ′ ′ = 𝑖𝑠𝑞 − (𝜔𝑠 − ω)𝜓𝑟𝑑 − 𝜓𝑟𝑞 { 𝑑𝑡 𝑇𝑟 𝑇𝑟 GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch 20 Chương 2: Xây dựng sở thuật toán học Với : 𝜓𝑟𝑑 𝐿𝑚 𝜓𝑟𝑞 ′ 𝜓𝑟𝑞 = 𝐿𝑚 𝜔𝑟 = 𝜔𝑠 − 𝜔 𝐿2𝑚 𝜎 = 1− ∶ ℎằ𝑛𝑔 𝑠ố 𝑡ừ 𝑡ả𝑛 𝑡𝑜à𝑛 𝑝ℎầ𝑛 𝐿𝑠 𝐿𝑟 𝐿𝑠 𝑇𝑠 = ∶ ℎằ𝑛𝑔 𝑠ố 𝑡ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑠𝑡𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑅𝑠 𝐿𝑟 𝑇𝑟 = ∶ ℎằ𝑛𝑔 𝑠ố 𝑡ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑅𝑟 1 1−𝜎 = + {𝑇𝜎 𝜎𝑇𝑠 𝜎𝑇𝑟 ′ 𝜓𝑟𝑑 = Khi tựa theo hướng từ thơng rotor ta đặt 𝜓𝑟𝑞 =0 Mô men sinh 𝐿2𝑚 ′ ′ 𝑚𝑀 = 𝑧𝑝 𝜓𝑟𝑑 𝑖𝑠𝑞 = 𝑧𝑝 (1 − 𝜎)𝐿𝑠 𝜓𝑟𝑑 𝑖𝑠𝑞 𝐿𝑟 Hình 2.5-Mơ hình tốn học động không đồng tọa d, q GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch 21 Chương 2: Xây dựng sở thuật tốn học 2.3.4 Tính tốn tham số động Các tham số động cần tính 𝑇𝑟 , 𝑇𝑠 , 𝜎, 𝑇𝜎 • Thơng số động cơ: STT Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị Công suất định mức Pđm 2,2 kW Tốc độ định mức 875 rpm Hệ số mô men tới hạn Mth/Mđm 2,8 Hệ số mô men khởi động Mkđ/Mđm 2,8 Hệ số công suất định mức cosϕ 0,7 Dòng điện stator định mức I1đm 7,2 A Điện trở pha stator 3,6 Ohm Điện kháng pha stator 2,58 Ohm Dòng điện rotor định mức (đã qui đổi) 4,5 A 10 Điện trở pha rotor (đã qui đổi) 5,7 Ohm 11 Điện kháng pha rotor (đã qui đổi) 2,63 Ohm 12 Mơ men qn tính 0,0275 kgm2 • Tính tốn tham số 𝑇𝑟 Ta có 𝑛𝑛 = 875(𝑣ị𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡) → 𝑧𝑝 = 𝐼̂𝑠𝑑𝑁 ≈ √2𝐼𝑁 √1 − 𝑐𝑜𝑠𝜑 = √2 × 7.2 × √1 − 0.7 = 5.577(𝐴) 𝐼̂𝑠𝑞𝑁 ≈ √2𝐼𝑁2 − 𝐼̂𝑠𝑑𝑁 = √2 × 7.22 − 5.5772 = 8.52(𝐴) 𝜔𝑟𝑁 = 2𝜋 (𝑓𝑁 − 𝑧𝑝 𝑛𝑁 60 ) = 2𝜋 (50 − GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch 3×875 60 ) = 39.27(𝑟𝑎𝑑/𝑠) 22 Chương 2: Xây dựng sở thuật toán học 𝑇𝑟 = 𝐼̂𝑠𝑞𝑁 𝜔𝑟𝑁 𝐼̂𝑠𝑑𝑁 = 8.52 39.27ì5.577 = 0.0389 ã Tớnh toỏn tham s 𝜎 𝑈𝑁 = 𝑃𝑁 √3𝐼𝑁 𝑐𝑜𝑠𝜑 𝑋𝜎 ≈ (𝑠𝑖𝑛𝜑 − 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 2200 √3 × 7.2 × 0.7 = 252(𝑉) 𝐼̂𝑠𝑑𝑁 𝑈𝑁 5.577 252 = (0.714 − 0.7 × ) )× 8.52 𝐼̂𝑠𝑞𝑁 √3𝐼𝑁 √3 × 7.2 = 5.169(Ω) 𝜎≈ • Tính tốn tham số 𝑇𝑠 𝑋𝜎 5.169 = = 0.163 𝑋ℎ 31.724 Ta có 𝑓𝑁 = 50(𝐻𝑧) 𝑋ℎ = √2𝑈𝑁 √3𝐼̂𝑠𝑑𝑁 ⟹ 𝑇𝑠 = 𝐿𝑠 𝑅𝑠 − 𝑋𝜎 = = 𝑋ℎ 2𝜋𝑓𝑁 𝑅𝑠 √2×252 − √3×5.577 = 5.169 = 31.724 31.724 2ì50ì3.6 = 0.0281 ã Tớnh toỏn tham s 𝑇𝜎 1 1− = + → T = 2.854 10−3 T  Ts  Tr GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch 23 Chương 3: Thiết kế điều khiển CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 3.1 Cấu trúc điều khiển Ta có cấu trúc điều khiển cho hệ truyền động theo phương pháp FOC sau: Hình 3.1-Cấu trúc điều khiển tựa từ thơng Rotor-FOC Trong đó: • Khối 1: DTT, khối dẫn từ thông, từ thông định tốc độ đặt 𝑤 ∗ Trong vùng tốc độ danh định [−𝑤đ𝑚 , 𝑤đ𝑚 ], từ thông không đổi Ngồi vùng đinh mức, từ thơng phải điều chỉnh giảm theo đường hyperbol để tránh tăng vọt điện áp E = k  w Với giới hạn yêu cầu điều khiển động dải tốc độ danh định từ thống quy đổi nhằm tối ưu momen quay:  rd' = I sdN • Khối 2: Bộ điều chỉnh từ thơng R làm việc với đặc tính bão hịa • Khối 3: Bộ điều chỉnh tốc độ Rw làm việc với đặc tính bão hịa • Khối 4: Bộ điều chỉnh dòng điện Khi coi đáp ứng dòng điện nhanh so với đáp ứng tốc độ quay từ thông điều chỉnh dịng điện độc lập với GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch 24 Chương 3: Thiết kế điều khiển • Khối 5+8: khâu chuyển tọa độ, chuyển tọa độ hệ trục dq αβ Để chuyển cần thêm đại lượng góc lệch θs hệ tọa độ tựa theo từ thông roto • Khối 6: Khối điều chế điện áp theo phương pháp SVM • Khối 7: Mơ hình từ thơng, tính tốn góc lệch θs trị từ thơng  rd • Khối 9: Khâu chuyển tọa độ, chuyển tọa độ từ hệ abc sang αβ 3.2 Thiết kế mạch vòng dòng điện Khi coi nhánh d,q độc lập so với nhau, ta có phương trình mô tả động sau: usd = Rs isd + s.Lsisd − usd usq = Rs isq + s.Lsisq + usq Trong thực tế mạch vòng dòng điện đáp ứng nhanh so với mạch vòng tốc độ mạch vịng từ thơng ta đưa cấu trúc điều khiển độc lập: Hình 3.2-Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện Với: 𝐾𝑏đ hệ số khuếch đại biến đổi: Kbd = 𝑇𝑏đ số thời gian biến đổi: GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch 25 Chương 3: Thiết kế điều khiển Tbd  KS = TS = f PWM = = 2.10−4 5.10 1 = = RS 2,6 18 LS 0,101 =  0,0388 RS 2,6 Theo tiêu chuẩn mô đun tối ưu, 𝑅𝑖𝑠𝑑 𝑅𝑖𝑠𝑞 có dạng PI: Ci ( s) = + TN s To s Với : TN = TS = 0.0388 T0 = 2.K bd K S Tbd = 2.1 2.10−4 =  1,538.10−4 13 6500 Khi hàm ta có hàm truyền kín khâu điều chỉnh mạch vòng dòng điện sau: Gis ( s) = 1 + 2.Tbd s + 2.Tbd2 s 3.3 Thiết kế điều chỉnh từ thông Xấp xỉ hàm truyền kín khâu điều chỉnh mạch vịng dịng điện dạng qn tính bậc ta có: Gis ( s)  1 + Tbd s Khi ta có cấu trúc vịng điều khiển từ thơng sau: GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch 26 Chương 3: Thiết kế điều khiển Với 𝐿𝑟 , 𝑅𝑟 điện cảm điện trở pha roto ta có số thời gian roto Tr = Lr = 0,0388 Rr Ta thấy cấu trúc vịng điều chinh từ thơng có dạng giống với vịng điều chỉnh dịng điện nên ta có điều khiển từ thông thiết kế theo tiêu chuẩn mơ đun đối xứng có dạng khâu PI: C ( s) = + TN s To s Trong đó: TN = Tr = 0,0388 To = 2.Tbd = 4.10−4 3.4 Thiết kế điều chỉnh tốc độ Sơ đồ cấu trúc vịng điều chỉnh từ thơng: Trong đó: 𝑈𝜔∗ tỉ lệ với 𝜔∗ K hàm truyền đo tốc độ, K = T = 1.10−4 + s.T  rd' = I sdN = 2.I1dm − cos  = 2.7, − 0.7  5,577 GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch 27 Chương 3: Thiết kế điều khiển 3 K = p.(1 −  ).Ls = 3.(1 − 0,163).0,101  0.38 2 J mơ men qn tính, J = 0,0275 3.4.1 Trường hợp hệ truyền động có qn tính nhỏ Áp dụng tiêu chuẩn mơ đun tối ưu, ta có hàm truyền hệ hở : R K  rd' K Go ( s ) = J s (1 + s.Tbd )(1 + s.T ) 𝑇𝑏đ , 𝑇𝜔 số thời gian nhỏ nên đặt Tw' = Tbd + T = 3.10−4 Ta có điều chỉnh tốc độ có dạng khâu khuếch đại R = J K  K ' rd 0,0275 = = 21,63 ' 2.Tw 0,38.5,577.1 2.3.10−4 3.4.2 Trường hợp hệ truyền động có qn tính lớn Áp dụng tiêu chuẩn mơ đun đối xứng, ta có điều khiển dạng PI: R = J K  K ' rd 1 (1 + ' ) = 10,815(1 + ) ' 4Tw 8Tw s 2, 4.10 −3.s GVHD: PGS.TS Nguyễn Quang Địch 28 ... động khơng đồng ba pha roto lồng sóc Bài nghiên cứu nhóm em chọn: ? ?Nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động không đồng ba pha roto lồng sóc phương pháp điều khiển vecto tựa từ thơng roto (FOC)? ?? Gồm... thuyết điều khiển, truyền động việc ứng dụng động không đồng pha ứng dụng rộng rải hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ máy sản xuất, thay dần động chiều Có nhiều phương pháp điều chỉnh vận tốc động. .. CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1 Sơ lược động không đồng ba pha 1.1.1 Cấu tạo động không đồng ba pha Động không đồng ba pha có cấu tạo thể hình 1.1 Hình 1.1 -Cấu tạo động khơng đồng 1-Lõi thép Stator,