Đang tải... (xem toàn văn)
đồ án tổng hợp hệ thống điện cơ - NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO LỒNG SÓC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTƠ TỰA TỪ THÔNG ROTO (FOC)
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ ĐỒ ÁN MÔN HỌC: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN - CƠ Giảng viên hướng dẫn : ThS.NGUYỄN ĐĂNG KHANG Nhóm Sinh viên thực hiện : Lớp :ĐIỆN 2 Khóa : 5 Khoa : CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN Tên đề tài NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO LỒNG SÓC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTƠ TỰA TỪ THÔNG ROTO (FOC) Page 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập-Tự do-Hạnh phúc GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ Lời nói đầu Lời nói đầu Ngày nay,động cơ điện được sử dụng rộng rải trong mọi lỉnh vực của đời sống xã hội,đặc biệt là trong các ngành công nghiệp sản xuất hiện đại,và trong nhiều lỉnh vực đời sống không thể thiếu các động cơ điện,vì vậy các loại động cơ điện được chế tạo ngày càng hoàn thiện hơn,trong đó động cơ điện không đồng bộ 3 pha chiếm tỉ lệ lớn trong các ngành công nghiệp do động cơ không đồng bộ 3 pha có nhiều ưu điểm như việc khởi động dể dàng,giá thành rẻ,vận hành êm,kích thước nhỏ gọn,làm việc chắc chắn,đặc tính làm việc tố,bảo quản đơn giản,chi phí vận hành và bảo trì thấp.tuy vậy nó có nhược điểm đặc tính cơ phi tuyến mạnh nên trước đây, với các phương pháp điều khiển còn đơn giản, loại động cơ này phải nhường chỗ cho động cơ điện một chiều và không được ứng dụng nhiều.tuy nhiên với sự phát triển mạnh của ngành khoa học kỉ thuật ngày nay như ngành kỉ thuật vi xử lý,điện tử công suất cộng các lý thuyết điều khiển, truyền động thì việc ứng dụng động cơ không đồng bộ 3 pha là được ứng dụng rộng rải trong hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần động cơ một chiều. Trước đây thường điều khiển động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp. Đây là một phương pháp đơn giản nhưng chất lượng điều chỉnh kể cả tĩnh lẫn động đều không cao. Để điều khiển được chính xác và hiệu quả phải nói đến phương pháp thay đổi tần số điện áp nguồn cung cấp. Do tốc độ động cơ không đồng bộ xấp xỉ tốc độ đồng bộ nên động cơ làm việc với độ trượt nhỏ và tổn hao công suất trượt trong mạch rôto nhỏ. Tuy nhiên phương pháp này còn phức tạp và đắt tiền. thiết bị dùng để biến đổi tần số là các bộ nghịch lưu, có thể là nghịch lưu trực tiếp hoặc gián tiếp. Ta có thể sử dụng bộ biến tần là một thiết bị tích hợp cả chỉnh lưu, nghịch lưu lẫn điều khiển. Luật điều khiển trong mỗi biến tần tuỳ thuộc vào nhà sản xuất. Hiện nay để điều khiển động cơ đã có nhiều biến tần bán sẵn trên thị trường, ít khi còn phải thiết kế theo phương pháp kinh điển nữa. Các nhà sản xuất lựa chọn Page 2 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ biến tần nhiều hơn bảng điều khiển sao - tam giác hoặc điện trở phụ hoặc các thiết bị điều khiển khác vì nó gọn nhẹ, điều khiển chính xác, tin cậy, đáp ứng được nhu cầu tự động hoá và từng bước hiện đại hoá xí nghiệp của họ. Biến tần đơn giản thường điều khiển tốc độ theo luật U/f để đảm bảo động cơ sinh mômen tốt nhưng cho các hệ truyền động yêu cầu cao hơn thì có biến tần điều khiển theo vectơ tựa từ thông roto (foc). Mục đích của đồ án Tuy hiện nay các loại biến tần đã được bày bán và sử dụng rộng rãi trên thị trường của các hãng Toshiba, Omron, Siemens với nhiều phương pháp điều khiển khác nhau như : theo luật U/f không đổi, điều khiển vectơ tựa từ thông roto nhưng việc tìm hiểu để chọn ra một phương pháp thích hợp hoặc nghiên cứu tìm ra một phương pháp điều khiển mới sao cho tối ưu về giá thành, độ chính xác, độ tin cậy thì vẫn còn những tranh luận vì mỗi loại đều có ưu nhược khác nhau.Bản đồ án này của chúng em xin được trình bày rỏ hơn về phương pháp biến tần sử dụng luật FOC (điều khiển vecto tựa từ thông roto) bao gồm các phần chính sau: - Xây dựng cơ sở lý thuyết thuật toán FOC - Mô phỏng bằng Matlab đánh giá đáp ứng hệ thống biến tần dùng thuật toán điều khiển FOC để chứng minh việc đúng đắn của công việc mình đang làm - Đi đánh giá ưu nhược điểm biến tần sử dụng luật FOC và củng như vị trí ứng dụng của nó. Page 3 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa điện đặc biệt là thầy giáo NGUYỄN ĐĂNG KHANG,giáo viên khoa điện trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI người đả trực tiếp giảng dạy và cho chúng em kiến thức để hoàn thành đồ án môn học này. Là một kỉ sư điện tương lai chúng em hiểu rỏ tầm quan trọng của động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc trong công nghiệp,quá trình sản xuất và củng như tầm quan trọng của việc điều khiển tốc độ nó,trong đó có phương pháp điều khiển theo vectơ tựa từ thông roto (foc). Do kiến thức có hạn củng như chưa có kinh nghiệm thực tế nên bản đồ án này của chúng em không tránh khỏi nhửng thiếu sót,em kính mong thầy giáo xem xét và góp ý để chúng em hoàn thành đồ án này được tốt hơn sau này. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo! Hà nội,ngày 23/12/2011. Nhóm sinh viên thực hiện: NGUYỄN KIÊN CƯỜNG HOÀNG NGỌC QUYẾT LÊ VĂN NOAN Page 4 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN Page 5 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ MỤC LỤC I. XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC I.1. VÀI NÉT SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO LỒNG SÓC I.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ I.3. XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC I.3.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ FOC I.3.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC I.3.2.1. MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA I.3.2.2. PHÉP BIẾN ĐỔI KHÔNG GIAN VECTO I.3.2.3. HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ TRONG KHÔNG GIAN VECTO I.3.2.4. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ I.3.2.5. TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH I.3.2.6. QUAN SÁT TỪ THÔNG 1.3.3. CẤU HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC II. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BIẾN TẦN DÙNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC 2.1. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB 2.2. ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BIẾN TẦN DÙNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC Page 6 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ III. ĐÁNH GIÁ ƯU NHƯỢC ĐIỂM BIẾN TẦN SỬ DỤNG LUẬT FOC VÀ VỊ TRÍ ỨNG DỤNG 3.1. ƯU ĐIỂM CỦA FOC 3.2. NHƯỢC ĐIỂM CỦA FOC 3.3. VỊ TRÍ ỨNG DỤNG CỦA FOC I. XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC 1.1. VÀI NÉT SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO LỒNG SÓC Ta đi tổng quan về động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn trong đó chỉ có dây quấn stato (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lưới với tần số f s , dây quấn rôto (dây quấn thứ cấp) được nối ngắn mạch (hoặc được khép kín qua điện trở). Dòng điện trong dây quấn rôto được lấy cảm ứng từ phía dây quấn stato, có tần số f r và là hàm của tốc độ góc rôto ω r . So với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có ưu điểm về mặt cấu tạo và giá thành,làm việc tin cậy và chắc chắn. Khuyết điểm chính cuả động cơ KĐB là đặc tính mở máy xấu và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn so với động cơ một chiều. Trong thời gian gần đây, với sự hỗ trợ của một số nghành khoa học khác như: Điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý đã làm tăng khả năng sử dụng đối với động cơ không đồng bộ ngay cả trong những trường hợp có yêu cầu điều chỉnh tự động tốc độ trong dải rộng với độ chính xác cao mà trong các hệ truyền động trước đây vẫn thường phải sử dụng động cơ một chiều. Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điện xoay chiều,làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ,có tốc độ của roto khác với tốc độ từ trường quay trong máy. Động cơ không đồng bộ 3 pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì chế tạo đơn giản,giá rẻ,độ tin cậy cao,vận hành đơn giản,hiệu suất cao,và gần Page 7 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ như không bảo trì.dải công suất rất rộng. Động cơ không đồng bộ 3 pha chia thành: • Động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc • Động cơ không đồng bộ 3 pha roto dây quấn ở đây ta tập trung vào nghiên cứu về động cơ 3 pha roto lồng sóc Page 8 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ Hình ảnh về rotor lồng sóc: Lá thép của rotor và stator: Các thanh nhôm được gắn trên rotor (thành dạng "cái lồng nhốt con sóc" nên gọi là "lồng sóc"): 1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Ta có từ phương trình momen của động cơ : ]) ' [( ' 3 22 2 11 2 2 1 X S R Rw S R U M nm ++ = ta có thể dựa vào đó để điều khiển moomen bằng cách thay đổi các thông số như điện trở phụ,tốc độ trượt,và tần số nguồn cấp. • Điều khiển điện áp stator Page 9 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ Do momen động cơ không đồng bộ tỷ lệ bình phương điện áp stato,do đó có thể điều chỉnh được momen và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stato trong khi giử nguyên tần số.đây là phương pháp đơn giản nhất.chỉ sử dụng một bộ biến đổi điện năng (biến áp,triristor)để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn stator.phương pháp này kinh tế nhưng đặc tính cơ thu được không tốt,thích hợp với phụ tải máy bơm,quạt gió. • Điều khiển điện trở roto Sử dụng trong cơ cấu dịch chuyển cầu trục,quạt gió,bơm nước;bằng việc điều khiển tiếp điểm hoặc trisistor làm ngắn mạch/hở mạch điện trở phụ của roto ta điều khiển được tốc độ động cơ,phương pháp này có ưu điểm mạch điện an toàn,giá thành rẻ.nhược điểm:đặc tính điều chỉnh không tốt,hiệu suất thấp,vùng điều chỉnh không rộng. • Điều chỉnh công suất trượt Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt ∆ p s = δ p đt được tiêu tán trên điện trở mạch roto.ở các hệ thống truyền động điện công suất lớn,tổn hao này là đáng kể.vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động điện,vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ công suất trượt (sơ đồ nối tầng / nối cấp) P 1 = P cơ + P s = P 1 (1 –s) +sP 1 = const. Nếu lấy P s trả lại lưới thì tiết kiệm được năng lượng -khi điều chỉnh với ω < 1 ω :được gọi là điều chỉnh nối cấp dưới đồng bộ (lấy năng lượng P s ra phát lên lưới). - khi điều chỉnh với ω > 1 ω (s<0):điều chỉnh công suất trượt trên đồng bộ (nhận năng lượng p s vào ) hay còn gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ hai nguồn cung cấp. - nếu tái sử dụng năng lượng P s để tạo P cơ : được gọi là truyền động nối cấp cơ.phương pháp này không có nghỉa nhiều vì khi ω giảm còn 1/3 1 ω thì P s = 2/3.P 1 tức là công suất động cơ 1 chiều dùng để P s phần gần đúng bằng động cơ chính xoay chiều.nếu không nên điều chỉnh ω xuống.trong thực tế ta không dùng phương pháp này. • Điều chỉnh tần số nguồn cấp stator Page 10 [...]... ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ Khi điều chỉnh tần số động cơ đồng bộ thường phải điều chỉnh cả điện áp,dòng điện, hoặc từ thông trong mạch stator do trở kháng ,từ thông, dòng điện của động cơ bị thay đổi -luật điều chỉnh tần số - điện áp ở hệ thống điều khiển điện áp/tần số,sức điện động stator động cơ được điều chỉnh tỉ lệ với tần số đảm bảo duy trì từ thông khe hở không đổi .động cơ có khả... góc quay từ trường θs mà ta có hai phương pháp điều khiển vectơ: phương pháp điều khiển trực tiếp và phương pháp điều khiển gián tiếp: Page 30 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ Điều khiển vectơ gián tiếp a d +1 (α ψ ) ψ r ω +j (β ) s θ= ωs.t r α ψ r b c β q Hình 2-1 2: Đồ thị góc pha của phương pháp điều khiển vectơ gián tiếp Ở phương pháp này , góc θs được tính toán dựa vào... như hệ điều khiển động cơ một chiều Page 28 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG i ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ Rikt k ω i t * Rω * Riư ư * Hình 2-9 : Mô hình điều khển động cơ một chiều Ta sẽ xây dựng một hệ điều khiển tương tự cho động cơ không đồng bộ nhưng trên toạ độ dq Như vậy động cơ cũng phải biểu diễn trên dq (mục 2-3 -2 ), lượng đặt là ω và isd : I Nhánh kích từ Risd s ω * Rω d * I Risq Nhánh mômen... mức.có thể điều chỉnh tốc độ ở 2 vùng: vùng dưới tốc độ cơ bản : giử từ thông không đổi qua điều khiển tỷ số sức điện động khe hở/tần số là hằng số vùng trên tốc độ cơ bản :giử công suất động cơ không đổi ,điện áp được duy trì không đổi ,từ thông động cơ giảm theo tốc độ +theo khả năng quá tải : Để đảmbảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá tải dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện áp.đối... momen của hệ điều khiển vectơ chậm (cỡ 10 ms) và ảnh hưởng của bão hoà mạch từ tới Rs lớn Kết luận :trong hệ thống truyền động điều khiển tần số ,phương pháp điều khiển theo từ thông roto có thể cho ta đặc tính tỉnh và động của động cơ tốt 1.3.XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN FOC 1.3.1 Tổng quan về FOC Page 12 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ Moment sinh ra trong động cơ là kết quả... ufs(t) Af Hình 2-8 : Mô hình ĐCKĐB trên toạ độ dq theo dạng vectơ 1.3.2.4.CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Trước đây ta đã đề cập đến vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ theo công thức ( 2-1 8) : mM = K mψ rd isq để có thể điều khiển được chính xác tương tự như động cơ một chiều (điều khiển độc lập thành phần kích từ ψr và thành phần dòng phần ứng is) Như vậy hệ điều khiển cũng... ( 2-1 2) (1 + Tr p )ψ rα = Lm isα − Trωψ rβ (1 + Tr p )ψ rβ = Lm isβ + Trωψ rα Từ ( 2-1 3) ta lập được mô hình điện cơ của động cơ không đồng bộmC hệ toạ độ trên usα usβ αβ 1 như sau: Tσ isα Lm σLs 1+pTσ 1- σLmTr 1 σL 1- - σLmTr Tσ - 1 ψrα 1+p Tr 3pcLm 2Lr - i 1 1+pT ψrβ mM pJ Tr 1- σLm Lm ω Pc Page 21 β GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ Hình 2-5 : Mô hình động cơ trên hệ. .. 1.3.2 XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN FOC 1.3.2.1.MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA Đối với các hệ truyền động điện đã được số hoá hoàn toàn, để điều khiển biến tần người ta sử dụng phương pháp điều chế vectơ không gian Khâu điều khiển biến tần là khâu nghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển/ điều chỉnh bằng số với khâu chấp hành Như vậy cần mô tả động cơ thành các phương trình toán học Quy ước... truyền động cao và sử dụng phương pháp điều khiển vị trí trục roto Việc điều khiển moment ở xác lập có thể mở rộng cho quá độ được thực hiện trong các hệ thống điều khiển vecto dựa theo nguyên lý định hướng từ trường Việc điều khiển động cơ theo nguyên lý định hướng từ trường có nhiều phương pháp khác nhau như : định hướng từ thông roto , định hướng từ thông stator , định hướng từ thông khe hở không. .. Hình 2-1 9: Mô hình điều khiển vectơ kiểu trực tiếp lấy θs từ bộ quan sát Page 34 GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ 1.3.2.5 Tổng hợp các bộ điều chỉnh a Tổng hợp hệ theo hàm chuẩn: Cấu trúc hệ gồm các mạch vòng điều chỉnh lệ thuộc lẫn nhau (cấu trúc mạch vòng phù hợp với các hệ điều chỉnh công nghiệp) R1 R2 Fs1 R3 Fs2 Fs3 y ϕ ω M Hình 2-2 0: Cấu trúc tổng quát một hệ điều