ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN VĂN TỨ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỰC NGHIỆM ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ROTOR LỒNG SĨC, PHỤC VỤ CHO CƠNG TÁC ĐÀO TẠO NGHỀ ĐIỆN CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC LAO ĐỘNG XÃ HỘI – CƠ SỞ SƠN TÂY Chuyên ngành: kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60520216 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên, 2014 Công trình hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Văn Vỵ Phản biện 1:PGS.TS Nguyễn Như Hiển Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Hữu Công Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ họp tại: Trường Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Vào hồi 15 phút, ngày 20 tháng năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên - Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện hệ thống truyền động điện xoay chiều trở nên phổ biến nhiều người quan tâm Là giáo viên dạy nghề điện quan tâm đến hệ truyền động điện xoay chiều nói với mục đích nâng cao kiến thức lĩnh vực đồng thời góp phần nâng cao chất lượng đào tạo nhà trường Vì tơi chọn đề tài : "Xây dựng hệ thực nghiệm điều chỉnh tốc độ động xoay chiều rotor lồng sóc, phục vụ cho công tác đào tạo nghề Điện trường đại học Lao động Xã hội - Cơ sở Sơn Tây“ Mục tiêu luận văn Xây dựng hệ thí nghiệm biến tần động xoay chiều phục vụ cho công tác đào tào nghề điện trường đại học Lao động Xã hội - Cơ sở Sơn Tây Đối tượng nghiên cứu - Biến tần pha, Động xoay chiều pha, Điều khiển hệ Biến tần - động xoay chiều Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Nâng cao chất lượng đào tạo nghề nhà trường Đáp ứng yêu cầu thực tế sản xuất Kết cấu luận văn luận văn Chương 1: Mở đầu Chương : Điều khiển hệ “ Biến tần - Động xoay chiều ba pha“ Chương : Đánh giá hệ thống mô thực nghiệm Chương 4: Thực trạng chương trình đào tạo nghề Điện Cơ sở đào tạo Sơn Tây - trường Đại học Lao động Xã hội Chương 5: Xây dựng hệ thực hành “biến tần - động xoay chiều“ Kết luận kiến nghị CHƯƠNG : ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1 Điều chỉnh tốc độ động không đồng ba pha Điều chỉnh tốc độ động xoay chiều KĐB ba pha (ASM) thực nhiều phương pháp khác : - Điều chỉnh điện áp đặt vào dây stato; - Điều chỉnh số đôi cực từ; - Điều chỉnh điện trở phụ mạch rotor loại động rotor dây cuốn; - Điều chỉnh tần số f nguồn cung cấp cho động Trong thực tế việc điều chỉnh tần số nguồn cung cấp thực biến đổi tần số 2.2 Điều khiển hệ BĐTS – ĐCKĐB Điều khiển hệ BĐTS - ĐCKĐB có phương pháp chủ yếu sau - Điều khiển vô hướng (SFC: Scalar Frequency Control) - Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC: Field Oriented Control) - Điều khiển trực tiếp momen (DTC: Direct Toque Control) 2.3 Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC) 2.3.1 Vectơ không gian hệ tọa độ từ thông * * Ba dịng pha hình sin phía stator isu , isv , is*w động xoay chiều ba pha không nối điểm trung tính: isu (t )  isv (t )  isw (t )  (2.1) Có thể mô tả dạng vectơ is(t) quay không gian với tần số stator fs (Hình 2.4): Hình 2.4 Mơ tả vector dịng điện stator 2 isu (t )  isv (t )e j  isw (t )e j 2  ;   Tương tự ta có   3 thể biểu diễn đại lượng ba pha us ,  s ,  r dạng thành phần sau: us  usd  jusq  is  isd  jisq (2.3)   s   sd  j sq     j rd rq  r is  Hình 2.5:Vetor dịng stator hệ tọa độ cố định αβ hệ tọa độ quay dq Chuyển sang hệ tọa độ αβ isα isβ: is  isu  (2.6)   isu  2isv  is   iss  is  jis - Hệ tọa độ dq: isf  isd  jisq Từ hình 2.5 thu : isd  is coss  is sin s  (2.7)  isq  is sin s  is coss  Từ ta có: isf  is coss  is sin s   is sin s  is coss      isf  is  jis   coss  j sin s   iss e s    u s  u f e js  u f  u s e js (2.8) 2.3.2 Cấu trúc hệ điều khiển tựa theo từ thông rotor Động KĐB Đo tốc độ quay Hình 2.7 Cấu trúc kinh điển hệ TĐĐXCBP điều khiển kiểu T4R CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 3.2 Sơ đồ công nghệ hệ thống truyền động BĐTS- ĐCKĐB Hình 3.1: Sơ đồ cơng nghệ hệ thống BĐTS- ĐCKĐB 3.3 Kiểm tra chất lượng mô 3.3.1 Xây dựng mơ hình mơ 3.3.1.1 Sơ đồ mơ tồn hệ thống: Sơ đồ mơ hệ thống Biến tần – Động xoay chiều ba pha hình 3.2 Torque reference DC bus Voltage Controller P_chop VBus Alpha Bctrl VBus_f VBus* Ctrl Six s tep generator V_Bus* VBus_f Speed reference S_sp Bctrl N* Gates Ctrl Is_a N Alpha Bctrl A pulse_out B C Conv Braking chopper Bridge firing unit P_chop Three-phase thyristor rectifier Meas Tem Three-phas e inverter g + A B B C C + g A V_bridge+ m A B B - C C V_bus- V_bridge- Do thi demux1 Tm A V_bus+ Motor Vdc Induction m achine Bctrl - 220V 60Hz Hình 3.2: Cấu trúc mô hệ thống BĐTS - ĐCKĐB 3.1.2 Khối động không đồng bộ: ASM Induction machine A powersysdom n B Tm C A m B i [tp371345] tp371343 v Goto From m C thr,wr Te m_e m_m Source Out1 M easurem ent li st Tm m th r,wr Tm Te ASM_mechanics Hình 3.3: Khối động xoay chiều ba pha m 3.3.1.3 Khối điều khiển vectơ (vector control) DC bus Voltage Controller P_chop VBus Alpha VBus_f Bctrl VBus* Ctrl Voltage Ctrl Six step generator Ctrl V_Bus* VBus_f S_sp Bctrl SP N* Gates Conv Braking chopper Bridge firing unit Alpha Bctrl A pulse_out B C P_chop Three-phas e thyristor rectifier Meas Three-phase inverter Bctrl g V_bus+ V_bus- - B V_bridge- - B B C C A B A A V_bridge+ + C Induction machine Tm + g A Mec_T C m Motor Hình 3.4: Cấu trúc khối điều khiển vectơ (vector control) 3.3.1.4 Khối điều khiển tốc độ (Speed control): dir Sign N* N* -K- Ramp N* |u| Error (rpm) rpm2hz ki K Ts (z+1) 2(z-1) Integral gain kp -K- Volts* ctrl_sat Freq* Proportional gain Error (rpm) N -K- |u| lowpass speed filter num(z) den(z) rpm2hz Voltage ref erence (V) Frequency reference (Hz) Speed reference (rpm) Hình 3.5: Cấu trúc khối điều khiển tốc độ (speed control) ctrl 10 -2 -4 -6 -8 -10 1.005 1.01 1.015 1.02 1.025 1.03 1.035 1.04 1.045 1.05 Hình 3.6: Điện áp tức thời biến tần tần số 50HZ 3.3.2 Kết mô 3.3.2.1 Động làm việc không tải tần số khác - Tần số 50 Hz 35 30 25 20 15 10 -5 -10 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 Hình 3.7: Tốc độ động tần số 50HZ 1.8 10 600 500 n(v/ph) 400 300 200 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 t(s) 1.2 1.4 1.6 1.8 Hình 3.10: Tốc độ động tần số 15HZ 100 80 60 40 m(Nm) 20 -20 -40 -60 -80 -100 0.2 0.4 0.6 0.8 t(s) 1.2 1.4 1.6 Hình 3.11: Mơmen điện từ động tần số 15HZ 3.3.2.2 Động làm việc có tải: - Tần số 50 Hz 1.8 11 15 10 -5 -10 -15 1.005 1.01 1.015 1.02 1.025 1.03 1.035 1.04 1.045 1.05 Hình 3.12: Điện áp đặt vào động tần số 50HZ có tải 1600 1400 1200 n(v/ph) 1000 800 600 400 200 -200 0.5 1.5 t(s) 2.5 Hình 3.13: Tốc độ động tần số 50HZ có tải 12 80 70 60 50 40 30 20 10 -10 0.5 1.5 2.5 Hình 3.14: Mơmen tải động tần số 50HZ 15 10 -5 -10 -15 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2 Hình 3.15: Điện áp đặt vào động tần số 15HZ có tải 13 500 400 n(v/ph) 300 200 100 -100 0.2 0.4 0.6 0.8 t(s) 1.2 1.4 1.6 1.8 Hình 3.16: Tốc độ động tần số 15HZ có tải 80 70 60 50 40 30 20 10 -10 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 Hình 3.17: Mơ men động tần số 15HZ 1.8 14 3.3.3 Nhận xét: - Ở chế độ làm việc khơng tải, tần số giảm hệ thống làm việc ổn định - Ở chế độ làm việc có tải, hệ thống làm việc ổn định tồn dải cơng suất từ 50Hz trở xuống - Khi mô men phụ tải thay đổi tốc độ đơng thay đổi thể sai lệch tĩnh nhỏ Kết luận : Chỉ tiêu chất lượng động chất lượng tĩnh hệ thống tốt, đáp ứng yêu cầu điều chỉnh chất lượng cao 3.4 Đánh giá kết thực nghiệm: tiến hành thí nghiệm điều chỉnh tốc độ động tần số mơ hình điều chỉnh lưu lượng bơm cấp nước cho bình chứa với điều khiển mức, nhiệt độ lưu lượng phịng thí nghiệm Khoa Điện - trường đại học KTCN 3.4.1 Cấu hình thực nghiệm điều khiển trung tâm thí nghiệm Hình 3.18: Mơ hình thí nghiệm điều khiển mức, nhiệt độ lưu lượng 15 Hình 3.20: Giao diện thí nghiệm điều khiển Hình 3.21 Giao diện kết thí nghiệm điều khiển 16 Hình 3.22: Kết thí nghiệm thí nghiệm tần số 25Hz 3.4.2 Giới thiệu thiết bị mơ hình thực nghiệm: Các thiết bị thí nghiệm lấy từ danh mục thiết bị thí nghiệm khoa điện trường ĐHKTCN 3.4.3 Kết thí nghiệm 3.4.2.1 Kết 01 Thực thí nghiệm tần số thay đổi từ 50 Hz xuống 25 Hz (có tải) điều khiển PID có tham số : Kp = 2; KI = 20; KD = 0,1 Thực thí nghiệm với tần số thay đổi từ 50Hz xuống 25 Hz hệ thống có tải điều khiển PID có tham số điều khiển đặt sau : Kp = 2; KI = 3; KD = 0,1 3.4.2.2 Kết 02 Thay đổi tham số điều khiển PIDTham số điều khiển: Kp = 2; KI = 3; KD = 0,1 tần số làm việc 25 Hz, phụ tải thay đổi 17 Hình 3.23: Kết thí nghiệm Kp = 2; KI = 3; KD = 0,1 3.5 Kết luận chương mô Matlab – Simulink thực nghiệm trung tâm thí nghiệm trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Hệ thống truyền động BĐTS- ĐCKĐB có chất lượng tĩnh động tốt, đáp ứng yêu cầu máy sản xuất đòi hỏi cao tiêu điều chỉnh tốc độ 18 CHƯƠNG IV : THỰC TRẠNG VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO NGHỀ ĐIỆN CỦA CƠ SỞ SƠN TÂY - TRƯỜNG ĐẠI HỌC LAO ĐỘNG VÀ XÃ HỘI 4.1.1 Quá trình hình thành phát triển Cơ sở Sơn Tây Ngày 13 tháng năm 2006, Bộ trưởng Bộ Lao động - Thương binh Xã hội có Quyết định số 1269/QĐ-LĐTBXH việc sáp nhập Trường Kỹ nghệ I vào Trường Đại học Lao động - Xã hội Cơ sở Sơn Tây tiếp tục thực nhiệm vụ đào tạo trình độ cao đẳng nghề trung cấp nghề Ngày 18 tháng 12 năm 2006, Bộ trưởng Bộ Lao động Thương binh Xã hội có Quyết định số 1911/QĐ-LĐTBXH việc thành lập Cơ sở Sơn Tây thuộc trường Đại học Lao động - Xã hội Nhiệm vụ Cơ sở Sơn Tây đào tạo nhân lực có trình độ cao đẳng nghề, trung cấp nghề sơ cấp nghề đáp ứng yêu cầu xã hội 4.2 Chương trình đào tạo nghề điện cơng nghiệp Chương trình đào tạo kết hợp lý thuyết thực hành Gồm 34 mô đun mơ đun 26 Truyền động điện Thời gian mơ đun: 150giờ; (Lý thuyết: 60 giờ; Thực hành: 90 giờ) Bài : Bộ biến tần (Thời gian: 20 giờ) 4.4 Kết luận chương Phần thực hành điều khiển động xoay chiều hệ : biến tần - động xoay chiều cần thiết thực tế sử dụng nhiều 19 CHƯƠNG XÂY DỰNG BÀI THỰC NGHIỆM BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA A B BĐTS Đặt tần số NL ĐTS CL  Udc f ĐCA THĐ C C Driver NLSa,Sb ,Sc PWM U NL - SI ia I BĐD XL ib ASM TG Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý hệ BĐTS - ĐCKĐB 5.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý thí nghiệm 5.3 Chọn thiết bị bố trí thiết bị thí nghiệm BIẾN TẦN ĐIỆN TRỞ HÃM A A STO ERR ANALO A STA V MOTO rpm 10 N L1 L L U V WBRA KEW 15 V 1 13 14 20 5.4 Nội dung thí nghiệm 5.4.1 Bài số : Điều khiển tốc độ động thay đổi tần số Phương pháp sử dụng đầu vào số (Digital) để khởi động điều khiển biến tần Các bước thực phương pháp sau: (1) Kiểm tra đầu nối cấp nguồn cho biến tần đầu nối động cơ, thiết bị điện (2) Nối đầu nối điều khiển số tới đầu nối thông qua công tắc thứ ( gọi DIN 1) Công tắc có chức chạy/dừng động (3) Nối đầu nối điều khiển số tới đầu nối thông qua công tắc thứ hai ( gọi DIN 2) Cơng tắc có chức tăng/giảm tốc độ động tẩn số cố định ( gọi tần số cố định 2) (4) Nối đầu nối điều khiển số tới đầu nối thông qua công tắc thứ ba ( gọi DIN 3) Cơng tắc có chức tăng/giảm tốc độ động tẩn số cố định ( gọi tần số cố định 3) (5) Nối đầu nối điều khiển số tới đầu nối thông qua công tắc thứ tư (gọi DIN 4) Công tắc có chức tăng/giảm tốc độ động tẩn số cố định ( gọi tần số cố định 4) (6) Lắp vỏ biến tần đóng nguồn cấp điện cho biến tần (7) Đặt thông số P00304 bảng công suất động (8) Đặt P0010 = để cài đặt thông số đầu vào DIN (9) Đặt P0700 = để xác định tần số làm việc ( DIN2, DIN3, DIN4) (10) Đặt P1000 = để chọn điểm đặt tần số cố định (11) Đặt P0701 = để xác định chức DIN1 điều khiển động quay theo chiều kim đồng hồ (12) Đặt P0702 = 15 xác định chức DIN2 tần số cố định 21 (13) Đặt P0703 = 15 xác định chức DIN3 tần số cố định (14) Đặt P0704 = 15 xác định chức DIN4 tần số cố định (15) Đặt P1002 giá trị tuỳ chọn (5Hz) cho tần số cố định (DIN2) (16) Đặt P1003 giá trị tuỳ chọn (10Hz) cho tần số cố định (DIN3) (17) Đặt P1004 giá trị tuỳ chọn (15Hz) cho tần số cố định (DIN4) (18) Đặt thông số P1300 = để chọn phương pháp điều khiển (19) Bật công tắc DIN1 Bộ biến tần lệnh cho động quay (20) Bật công tắc DIN2 Động quay tần số cố định (5Hz) (21) Bật công tắc DIN3 Động quay tần số cố định (10Hz) (22) Bật công tắc DIN4 Động thêm vào tần số cố định (15Hz) Ứng với tần số cố định ta nhận tốc độ tương ứng, Khi phụ tải thay đổi ta xác định đặc tính hệ thống 5.4.2 Bài số : Điều khiển hệ thống chế độ điều khiển vector Suplly AC Inventer Enconder D AC Motor A Position Feedback Hình 5.6: Mơ hình điều khiển động load 22 Cài đặt chế độ điều khiển vector (1) Kiểm tra đầu nối cấp nguồn cho biến tần đầu nối động cơ, thiết bị điện (2) Bật Aptomat bàn thí nghiệm Ấn nút START để cấp điện cho biến tần (3) Đặt thông số P0003 = tất thông số biến tần điều chỉnh (4) Đặt thông số P0304-P0311 theo bảng công suất động (5) Lựa chọn chế độ điều khiển vector (P1300 = 20) (6) Đảm bảo động mát lệnh RUN Việc xác định tự động xẩy lần đầu khởi động P1300 đạt tới 20 Việc ngắt trình tự động kiểm tra cách ngắt nguồn hủy lệnh RUN gây lỗi kiểm tra tự động lặp lại Nếu thơng số động thay đổi việc kiểm tra tự động thực lại (7) Giống hệ thống điều khiển, điều khiển vector cần ổn định nhờ việc đặt thông số giới hạn khuếch đại tỷ lệ (P1470) khuếch đại tích phân (P1472) Các giá trị thực giá trị đặt xác định cách kiểm tra, nhiên thường cài đặt sau: (8) Đặt P1452 = 4ms, số thời gian lọc PT1 dùng để cản dịu sai số khâu điều khiển tốc độ làm việc chế độ vectơ không sensor (SLVC) Việc giảm giá trị làm tăng chất lượng động trình điều chỉnh tốc độ Nếu đặt giá trị thấp giá trị cao gây ổn định (9) Đặt P1470 = 3, hệ số khuếch đại khâu điều khiển tốc độ chế độ điều khiển Vector 23 (10) Đặt P1472 = 400ms, số thời gian tích phân khâu điều khiển tốc độ chế độ điều khiển Vector không sensor (11) Đặt P1755 = 5Hz, tần số khởi động chế độ điều khiển vectơ không sensor (SLVC), chế độ điều khiển véc tơ khơng sensor chuyển từ vịng hở sang vịng kín tần số 5.5 Kết luận chương Thông qua thực nghiệm sinh viên hiểu nguyên lý làm việc, làm quen với thiết bị thực tế Biết cách điều chỉnh tốc độ động không đồng ba pha rotor lồng sóc Kết thực nghiệm góp phần nâng cao chất lượng đào tạo nghề Cơ sở Sơn Tây trường Đại học Lao động Xã hội Vì việc xây dựng thực nghiệm hệ thống BĐTS- ĐCKĐB sở dạy nghề Sơn Tây cần thiết cần quan tâm thực / 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Nội dung luận văn thể phương pháp điều khiển tốc độ động không đồng pha rortor lồng sóc, điều khiển hệ truyền động xoay chiều phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor (T4R) - Tác giả đề xuất xây dựng hệ thống thực làm thực nghiệm phục vụ công tác đào tạo trường nghề, nâng cao kỹ cho sinh viên Tất nội dung luận văn tác giả hoàn thành : Chương 1: Mở đầu Chương : Điều khiển hệ “ Biến tần - Động xoay chiều ba pha“ Chương : Đánh giá hệ thống mô thực nghiệm Chương 4: Thực trạng chương trình đào tạo nghề Điện Cơ sở đào tạo Sơn Tây - trường Đại học Lao động Xã hội Chương 5: Xây dựng hệ thực hành “biến tần - động xoay chiều“ Kiến nghị: Với thời gian nghiên cứu cịn ít, kiến thức kinh nghiệm điều khiển có hạn, nội dung luận văn số hạn chế, đề nghị thầy hội đồng dẫn để tác giả tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện áp dụng tốt kết nghiên cứu vào cơng tác thực hành thí nghiệm Cơ sở Sơn Tây trường Đại học Lao động Xã hội, đồng thời nghiên cứu thêm hệ thống thí nghiệm thực hành khác điều khiển PLC cho đối tượng cơng nghiệp, nhằm nâng cao trình độ, kỹ cho sinh viên sau tốt nghiệp Đề nghị nhà trường cho phép tác giả bảo vệ luận văn trước hội đồng nhận tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Tự động hoá ... động xoay chiều rotor lồng sóc, phục vụ cho công tác đào tạo nghề Điện trường đại học Lao động Xã hội - Cơ sở Sơn Tây“ Mục tiêu luận văn Xây dựng hệ thí nghiệm biến tần động xoay chiều phục vụ cho. .. công tác đào tào nghề điện trường đại học Lao động Xã hội - Cơ sở Sơn Tây Đối tượng nghiên cứu - Biến tần pha, Động xoay chiều pha, Điều khiển hệ Biến tần - động xoay chiều Ý nghĩa khoa học thực. .. rortor lồng sóc, điều khiển hệ truyền động xoay chiều phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor (T4R) - Tác giả đề xuất xây dựng hệ thống thực làm thực nghiệm phục vụ công tác đào tạo trường nghề,