ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM VĂN TUYÊN NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ CHO THANG MÁY SỬ DỤNG PLC KẾT NỐI BIẾN TẦN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa THÁI NGUYÊN, 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM VĂN TUYÊN NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ CHO THANG MÁY SỬ DỤNG PLC KẾT NỐI BIẾN TẦN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN HIỀN TRUNG THÁI NGUYÊN, 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Phạm Văn Tuyên Sinh ngày: 14 tháng 10 năm 1974 Học viên lớp cao học khóa K15 - Tự động hóa - Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Đại Học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trƣờng Cao đẳng nghề Việt – Đức Vĩnh phúc Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận khoa học của luận văn chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc. HỌC VIÊN Phạm Văn Tuyên ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của nhà trƣờng, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo và đồng nghiệp. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Nguyễn Hiền Trung, trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiêp đã tận tình hƣớng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở Trung tâm Thí nghiệm, phòng thí nghiệm Khoa Điện tử – Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trƣờng Cao đẳng nghề Việt – Đức Vĩnh phúc đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn. Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể luận văn còn những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tế. HỌC VIÊN Phạm Văn Tuyên iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................................ iii DANH MỤC HÌNH VẼ .....................................................................................................v MỞ ĐẦU ............................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................................. 1 3. Đối tƣợng nghiên cứu ............................................................................................................ 1 4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài ...................................................................... 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ .....................................................3 1.1. Tổng quan về động cơ KĐB 3 pha .................................................................................. 3 1.1.1. Khái niệm chung về động cơ KĐB ........................................................................ 3 1.1.2. Cấu tạo động cơ KĐB ............................................................................................ 5 1.1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB 3 pha......................................................... 7 1.2. Các phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB ......................................................... 9 1.2.1 Thay đổi tần số nguồn điện cung cấp f1 ............................................................... 10 1.2.2 Thay đổi số đôi cực .............................................................................................. 12 1.2.3 Thay đổi điện áp nguồn cung cấp ........................................................................ 14 1.2.4 Thay đỗi điện trở mạch rôto ................................................................................. 14 1.2.5 Thay đổi điện áp mạch rôto.................................................................................. 15 1.3. Điều khiển véc tơ động cơ KĐB ................................................................................... 17 1.4. Lựa chọn phƣơng pháp điều khiển động cơ KĐB cho hệ truyền động thang máy ....... 19 1.5. Kết luận chƣơng 1 ......................................................................................................... 19 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA ......................................................................21 2.1. Mô tả toán học động cơ KĐB ba pha ............................................................................ 21 2.2. Phép biến đổi tuyến tính không gian véc tơ .................................................................. 23 2.3. Hệ phƣơng trình cơ bản của động cơ trong không gian véc tơ ..................................... 25 2.3.1. Phƣơng trình trạng thái tĩnh trên hệ toạ độ cố định ........................................ 26 2.3.2. Phƣơng trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq : ....................... 30 2.4. Cấu trúc hệ thống điều khiển véc tơ động cơ KĐB....................................................... 34 2.5. Các phƣơng pháp điều khiển véc tơ .............................................................................. 36 2.5.1. Điều khiển véc tơ gián tiếp .................................................................................. 36 2.5.2. Điều khiển véc tơ trực tiếp theo từ thông rôto ..................................................... 37 2.6. Tổng hợp các bộ điều chỉnh .......................................................................................... 43 2.6.1. Tổng hợp hệ theo hàm chuẩn ............................................................................... 43 2.6.2. Tuyến tính hoá mô hình động cơ ......................................................................... 45 iv 2.6.3. Tổng hợp R isq và R .......................................................................................... 46 2.6.4. Tổng hợp Risd ....................................................................................................... 49 2.7. Bộ quan sát từ thông ...................................................................................................... 50 2.8. Kết luận chƣơng 2 ......................................................................................................... 57 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTƠ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ - MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB/SIMULINK ....................................................................................................58 3.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển véc tơ không dùng cảm biến tốc độ .................................... 58 3.2. Đánh giá ổn định của khâu tính toán tốc độ .................................................................. 61 3.3. Mô phỏng bộ điều khiển véc tơ trên Matlab/Simulink.................................................. 63 3.3.1. Tính toán các thông số động cơ ........................................................................... 63 3.3.2. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh dòng Risd ............................................................. 65 3.3.3. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh dòng Risq ........................................................... 66 3.3.4. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh tốc độ .................................................................. 67 3.3.5. Mô phỏng mô hình hệ thống trên toạ độ dq ........................................................ 69 3.3.6. Mô hình toàn bộ hệ thống không dùng cảm biến tốc độ ...................................... 71 3.4. Kết luận chƣơng 3 ......................................................................................................... 80 CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TRÊN MÔ HÌNH THANG MÁY SỬ DỤNG PLC KẾT NỐI BIẾN TẦN ..................................................81 4.1. Cấu tạo mô hình thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần điều khiển động cơ KĐB ..... 81 4.2. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ............................................................................................. 82 4.3. Kết quả thực nghiệm ......................................................................................................... 83 4.4. Kết luận chƣơng 4 ............................................................................................................. 84 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .........................................................85 1. Kết luận ................................................................................................................................ 85 2. Hƣớng phát triển .................................................................................................................. 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................86 PHỤ LỤC .........................................................................................................................87 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1. Động cơ KĐB 3 pha ...................................................................................................... 3 Hình 1-2. Cấu tạo động cơ KĐB 3 pha ......................................................................................... 5 Hình 1-3. Lá thép stato và rôto: 1- Lá thép stato, 2- Rãnh, 3- Răng, 4- Lá thép rôto ................... 6 Hình 1-4. Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB a) Khi mô men cản không đối, b)Khi mô men cản thay đổi .......................................................................................................................................... 9 Hình 1-5. Đặc tính cơ khi điều chỉnh tần số theo nguyên lý: f1>f2>f3 ........................................ 12 Hình 1-6. Cách đổi nối cuộn dây: a) Mắc nối tiếp, số đôi cực là p. b) Mắc song song, số đôi cực là p/2, c) Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi số đôi cực ......................................................... 12 Hình 1-7. Đổi nối cuộn dây a) Y YY, b) ∆ YY ................................................................... 13 Hình 1-8. Đặc tính cơ của động cơ KĐB dây quấn khi thay đổi điện trở rôto ............................ 15 Hình 1-9. Sơ đồ tƣơng đƣơng mạch rôto khi đƣa thêm sđđ vào: a)mạch thực, b)c) mạch tƣơng đƣơng đƣa về tần số f1 ................................................................................................................. 17 Hình 1-10. Sự tƣơng tự giữa điều khiển động cơ một chiều và điều khiển véc tơ ...................... 18 Hình 1-11. Điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện: mô men và kích từ ........................... 18 Hình 1-12. Các đƣờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của quãng đƣờng S, tốc độ v, gia tốc a và độ giật theo thời gian ................................................................................................................ 19 Hình 2-1. Tƣơng quan giữa hệ toạ độ Hình 2-2. Cuộn dây 3 pha nhìn trên và toạ độ ba pha a, b, c ............................................. 23 ...................................................................................... 24 Hình 2-3. Chuyển sang hệ toạ độ quay bất kỳ............................................................................. 24 Hình 2-4. Các đại lƣợng is , r của động cơ trên các hệ toạ độ ................................................... 24 Hình 2-5. Mô hình động cơ trên hệ toạ độ cố định ................................................................ 28 Hình 2-6. Mô hình động cơ dạng ma trận ................................................................................... 30 Hình 2-7. Mô hình động cơ dạng các phần tử ma trận ................................................................ 30 Hình 2-8. Mô hình động cơ trên hệ toạ độ quay dq ................................................................... 32 Hình 2-9. Mô hình động cơ KĐB trên toạ độ dq theo dạng véc tơ ............................................ 34 Hình 2-10. Mô hình điều khiển động cơ một chiều. ................................................................... 34 Hình 2-11. Tƣ tƣởng điều khiển động cơ KĐB........................................................................... 34 Hình 2-12. Sơ đồ hệ thống điều chỉnh dòng điện và tốc độ của động cơ trên dq ...................... 35 Hình 2-13. Đồ thị góc pha của phƣơng pháp điều khiển véc tơ gián tiếp ................................... 36 Hình 2-14. Sơ đồ tính toán góc quay từ trƣờng theo phƣơng pháp gián tiếp .............................. 37 Hình 2-15. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển véc tơ trực tiếp sử dụng cảm biến Hall đo r 38 Hình 2-16. Hệ thống điều khiển sử dụng cảm biến Hall đo từ thông rôto .................................. 40 Hình 2-17. Sơ đồ khối tính toán .................................................................................................. 40 vi Hình 2-18. Tính toán từ thông rôto theo mô hình động cơ trên Hình 2-19. Tính toán r ............................................ 41 theo mô hình quan sát.......................................................................... 42 Hình 2-20. Mô hình điều khiển véc tơ kiểu trực tiếp lấy s từ bộ quan sát ................................ 43 Hình 2-21. Cấu trúc tổng quát một hệ điều chỉnh ....................................................................... 43 Hình 2-22. Đặc tính quá độ của hệ thống .................................................................................... 44 Hình 2-23. Đặc tính tần của hàm truyền kín tối ƣu .................................................................... 44 Hình 2-24. Sơ đồ mô tả động cơ trên hệ toạ độ dq đã tuyến tính hoá quanh điểm làm việc ..... 46 Hình 2-25. Sơ đồ cấu trúc khi r = const .................................................................................... 47 Hình 2-26. Mô hình sau khi đã biến đổi ...................................................................................... 47 Hình 2-27. Tổng hợp các mạch vòng dòng điện và tốc độ.......................................................... 48 Hình 2-28. Nhánh kích từ của mô hình động cơ trên hệ toạ độ dq ............................................ 50 Hình 2-29. Biến đổi nhánh kích từ .............................................................................................. 50 Hình 2-30. Mô hình tổng quát bộ quan sát từ thông rôto ............................................................ 53 Hình 2-31. Mô hình dòng điện stato và từ thông rôto trong bộ quan sát .................................... 53 Hình 3-1. Hệ thống điều khiển không sử dụng cảm biến tốc độ. ................................................ 58 Hình 3-2. Mô hình hệ thống kông dùng cảm biến tốc độ ở dạng véc tơ. .................................... 61 Hình 3-3. Cấu trúc khối tính tốc độ ............................................................................................. 61 Hình 3-4. Sơ đồ mô phỏng trong Simulink kiểm nghiệm bộ điều chỉnh dòng Risd .................... 65 Hình 3-5. Đồ thị dòng isd với giá trị cuối của hàm Step là 5 ...................................................... 66 Hình 3-6. Kiểm nghiệm bộ điều chỉnh Risq ................................................................................ 66 Hình 3-7. Đồ thị dòng isq với giá trị cuối của hàm step là 10...................................................... 67 Hình 3-8. Mô hình Simulink kiểm tra bộ điều chỉnh tốc độ R .................................................. 67 Hình 3-9. Dòng isq và tốc độ Hình 3-10. Dòng isq và tốc độ khi không tải ............................................................................. 68 khi có tải................................................................................ 68 Hình 3-11. Kiểm nghiệm các bộ điều chỉnh trên mô hình động cơ ............................................ 69 Hình 3-12. Mô hình động cơ trên toạ độ dq ............................................................................... 69 Hình 3-13. Đồ thị các dòng điện và tốc độ của động cơ với bộ điều chỉnh đã chọn khi không tải ..................................................................................................................................................... 70 Hình 3-14. Đồ thị khi có tải ......................................................................................................... 70 Hình 3-15. Hệ thống điều khiển động cơ không dùng cảm biến tốc độ ...................................... 71 Hình 3-16. Sơ đồ tổng quát khối tính các thông số is, r và ..................................................... 72 Hình 3-17. Sơ đồ khối của khâu quan sát .................................................................................... 72 Hình 3-18. Cách lập khối tính tích ma trận AX .......................................................................... 73 Hình 3-19. Khối tính tích A12 r .................................................................................................. 74 vii Hình 3-20. Khối tính tích A22 r .................................................................................................. 74 Hình 3-21. Khối tính tích Gis ...................................................................................................... 75 Hình 3-22. Tính các phần tử của ma trận G ................................................................................ 75 Hình 3-23. Sơ đồ cấu trúc khối tính tốc độ ................................................................................. 76 Hình 3-24. Sơ đồ khối tính từ thông rôto .................................................................................... 76 Hình 3-25. Mạch chuyển đổi dq và dq ............................................................... 77 Hình 3-26. Đồ thị so sánh tốc độ thực tế và tính toán khi không tải ........................................... 78 Hình 3-27. Đồ thị so sánh tốc độ thực tế và tính toán khi có tải ................................................. 78 Hình 3-28. Sai lệch dòng is ....................................................................................................... 79 Hình 3-29. Sai lệch dòng is ....................................................................................................... 79 Hình 4-1. Mô hình thang máy thực nghiệm ................................................................................ 81 Hình 4-2. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển thang máy sử dụng PLC - Biến tần điều khiển động cơ nâng hạ ........................................................................................................................................ 82 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong sản xuất công nghiệp hiện đại, để nâng cao năng suất, hiệu suất sử dụng của máy, nâng cao chất lƣợng sản phẩm và các phƣơng pháp tự động hóa dây chuyền sản xuất thì hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc độ là không thể thiếu. Trong đó động cơ điện không đồng bộ (KĐB) chiếm tỉ lệ lớn trong công nghiệp, do nó có nhiều ƣu điểm nổi bật nhƣ: giá thành thấp, dễ sử dụng, bảo quản đơn giản, chi phí vận hành thấp… Mặt khác, những năm gần đây do tốc độ đô thị hóa diễn ra nhanh chóng, đặc biệt là tại các thành phố lớn với sự xuất hiện ngày càng nhiều các tòa nhà cao tầng để phục vụ chỗ ở và chỗ làm việc của con ngƣời khiến nhu cầu sử dụng thang máy ngày càng trở nên bức thiết, vì nó mang lại sự tiện lợi và vẻ sang trọng cho các tòa nhà cao tầng. Điều đó cũng đặt ra cho các kỹ sƣ và nhà sản xuất thang máy ngày nay càng phải nâng cao, cải tiến chất lƣợng hệ thống truyền động thang máy. Với sự phát triển của lý thuyết điều khiển tự động cho phép xây dựng các bộ điều khiển tốc độ động cơ với chất lƣợng cao. Các bộ điều khiển này có thể đƣợc thiết kế và lập trình trên các bộ điều khiển nhƣ PLC kết nối biến tần điều khiển tốc độ động cơ. Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: "Nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động cơ cho thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần". 2. Mục đích nghiên cứu Đề tài có mục đích nghiên cứu là: Thiết kế bộ điều khiển véc tơ để điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha ứng dụng vào hệ thống thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần. 3. Đối tƣợng nghiên cứu - Động cơ KĐB 3 pha. - Nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển động cơ KĐB 3 pha. - Nghiên cứu điều khiển véc tơ không cảm biến tốc độ động cơ KĐB 3 pha. - Thực hiện mô phỏng bộ điều khiển véc tơ không cảm biến tốc độ động cơ KĐB 3 pha trên phần mềm Matlab/Simulink. - Thực nghiệm trên mô hình thang máy tại phòng thí nghiệm trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp. 2 4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Đề tài nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển véc tơ không cảm biến tốc độ động cơ KĐB 3 pha. Mô phỏng trên Matlab/Simulink và kiểm chứng trên mô hình thực. Ý nghĩa thực tiễn: Ứng dụng vào hệ thống thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần để nâng cao chất lƣợng nâng hạ trong hoạt động của thang máy. 3 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ Equation Chapter 1 Section 1 1.1. Tổng quan về động cơ KĐB 3 pha 1.1.1. Khái niệm chung về động cơ KĐB a. Mục đích và phạm vi sử dụng Động cơ điện KĐB là máy điện xoay chiều hai dây quấn và chỉ có cuộn dây phía sơ cấp nhận điện từ lƣới điện với tần số không đổi ( w1 ) còn cuộn dây thứ cấp đƣợc nối tắt lại hay đƣợc khép kín trên điện trở. Dòng điện trong dây quấn thứ cấp đƣợc sinh ra nhờ cảm ứng điện từ. Tần số w2 là một hàm của tốc độ góc của rôto mà tốc độ này phụ thuộc vào mô men quay ở trên trục. Hình 1-1. Động cơ KĐB 3 pha Ngƣời ta thƣờng dùng loại động cơ phổ biến nhất là động cơ KĐB có dây quấn stator là dây quấn 3 pha đối xứng có cực tính xen kẽ, lấy điện từ lƣới điện xoay chiều và dây quấn rôto 3 pha hoặc nhiều pha đối xứng có cực tính xen kẽ. b. Phân loại Theo số pha trên dây quấn stator có thể chia làm các loại: Một pha, hai pha và ba pha. Phần lớn máy điện KĐB 3 pha có công suất từ một vài W tới vài MW, có điện áp từ 100 V đến 6000 V. Căn cứ vào cách thực hiện rôto, ngƣời ta phân biệt 2 loại: loại có rôto ngắn mạch và loại rôto dây quấn. Cuộn dây rôto dây quấn là cuộn dây cách điện, thực hiện theo nguyên lý của cuộn dây dòng xoay chiều. Cuộn dây rôto ngắn mạch gồm một lồng bằng nhôm đặt trong các rãnh của mạch từ rôto, cuộn dây ngắn mạch là cuộn dây nhiều pha có số pha bằng số rãnh. Động cơ rôto ngắn mạch có cấu tạo đơn giản và rẻ tiền, còn động cơ rôto dây quấn đắt hơn, nặng hơn nhƣng có tính năng tốt hơn, do có thể tạo các hệ thống khởi động và điều chỉnh. 4 Động cơ rôto lồng sóc có mô men mở máy khá lớn, tuy nhiên bên cạnh những ƣu điểm trên chúng có những nhƣợc điểm sau: Khó điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm vi rộng, cần dòng điện mở máy từ lƣới lớn (5 đến 7 lần Iđm) và hệ số công suất của loại này thấp. Để bổ khuyết cho nhƣợc điểm này, ngƣời ta chế tạo động cơ KĐB rôto lồng sóc nhiều tốc độ và dùng rôto rãnh sâu lồng sóc kép để hạ dòng điện khởi động, đồng thời mô men khởi động cũng đƣợc tăng lên. Với động cơ rôto dây quấn (hay động cơ vành trƣợt) thì loại trừ đƣợc những nhƣợc điểm trên nhƣng làm cho kết cấu rôto phức tạp, nên khó chế tạo và đắt tiền hơn động cơ KĐB rôto lồng sóc (khoảng 1,5 lần). Do đó động cơ KĐB rôto dây quấn chỉ đƣợc sử dụng trong điều kiện mở máy nặng nề, cũng nhƣ khi cần phải điều chỉnh bằng phẳng tốc độ quay. Động cơ loại này đôi khi đƣợc dùng để nối cấp với các máy khác. Nối cấp máy KĐB cho phép điều chỉnh tốc độ quay một cách bằng phẳng trong phạm vi rộng với hệ số công suất cao. Nhƣng do giá thành cao nên không thông dụng. Trong động cơ KĐB rôto dây quấn các pha dây quấn rôto nối hình sao và các đầu ra của chúng đƣợc nối với 3 vành trƣợt. Nhờ các chổi điện tiếp xúc với vành trƣợt nên có thế đƣa điện trở phụ vào trong mạch rôto đế thay đổi đặc tính làm việc của máy. Theo kết cấu của động cơ KĐB có thể chia ra các kiểu: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu phòng nổ... c. Thông số kỹ thuật Công suất do động cơ sinh ra Pđm = P2đm Tần số lƣới: f1 Điện áp dây quấn stato: U1đm Dòng điện dây quấn stato: I1đm Tốc độ quay Rôto: nđm Hệ số công suất: cos Hiệu suất: đm dm Ngoài ra động cơ KĐB do các nhà máy chế tạo ra phải làm việc trong những điều kiện nhất định với những số liệu xác định gọi là số liệu định mức. Những số liệu định mức của động cơ KĐB đƣợc ghi trên nhãn và đƣợc gắn trên thân máy. Nếu dây quấn 3 pha stato có đƣa ra các đầu ra ở cuối pha để có thể đấu thành hình sao hay tam giác thì điện áp dây và dòng điện dây với mỗi một cách đấu có thể (Y/ ) đƣợc ghi dƣới dạng phân số ( U dY / U d ) và ( I dY / I d ). Các số liệu định mức của động cơ KĐB biến đổi trong phạm vi rất rộng. Công suất định mức đến hàng chục nghìn kW. 5 Tốc độ quay đồng bộ định mức ndm 60 f / p với tần số lƣới 50 Hz thì nđm từ (300 đến 500 vòng/phút) trong những trƣờng hợp đặc biệt còn lớn hơn nữa (tốc độ quay định mức của rôto thƣờng nhỏ thì tốt hơn tốc độ quay đồng bộ 2% - 5% trong các động cơ nhỏ thì tới 5% - 20%. Điện áp định mức từ 24 V đến 10 V (trị số lớn ứng với công suất lớn). 1.1.2. Cấu tạo động cơ KĐB Máy điện quay nói riêng và máy điện KĐB nói riêng gồm 2 phần cơ bản: phần quay (rôto) và phần tĩnh (stato). Giữa phần tĩnh và phần quay là khe hở không khí. Dƣới đây chúng ta nghiên cứu từng phần riêng biệt. Hình 1-2. Cấu tạo động cơ KĐB 3 pha a. Cấu tạo của stato Stato gồm 2 phần cơ bản là mạch từ và mạch điện. 6 Hình 1-3. Lá thép stato và rôto: 1- Lá thép stato, 2- Rãnh, 3- Răng, 4- Lá thép rôto - Mạch từ: Mạch từ của stato đƣợc ghép bằng các lá thép điện kỹ thuật có chiều dày khoảng 0,3 ÷ 0,5mm, đƣợc cách điện 2 mặt để chống dòng Fucô. Lá thép stato có dạng hình vành khăn (hình 1-3), phía trong đƣợc đục các rãnh, đế giảm dao động từ thông, số rãnh stato và rôto không đƣợc bằng nhau. Ở những máy có công suất lớn, lõi thép đƣợc chia thành từng phần (section) nhằm tăng khả năng làm mát của mạch từ. Các lá thép đƣợc ghép lại với nhau thành hình trụ. Mạch từ đƣợc đặt trong vỏ máy. vỏ máy đƣợc làm bằng gang đúc hay thép. Đe tăng diện tích tản nhiệt, trên vỏ máy có đúc các gân tản nhiệt. Ngoài vỏ máy còn có nắp máy, trên nắp máy có giá đỡ ổ bi. Tuỳ theo yêu cầu mà vỏ máy có đế đế gắn vào bệ máy hay nền nhà hoặc vị trí làm việc. Trên đỉnh có móc để giúp di chuyến thuận tiện. Trên vỏ máy gắn hộp đấu dây. - Mạch điện của stato: Dây quấn stator thƣờng là cuộn dây phân tán đƣợc đặt trong các rãnh nằm rải rác trên chu vi phần tĩnh máy điện, do đó tại một thời điếm nhất định một nhóm cuộn dây sẽ móc vòng với những đƣờng sức từ khác nhau và đƣợc cách điện tốt với lõi sắt. Cuộn dây có thể là một vòng (gọi là dây quấn kiểu thanh dẫn), cuộn dây thƣờng đƣợc chế tạo dạng phần tử và tiết diện dây thƣờng lớn, hay cũng có thể: cuộn dây gồm nhiều vòng dây (tiết diện dây nhỏ gọi là dây quấn kiểu vòng dây), số vòng dây mỗi cuộn, số cuộn dây mỗi pha và cách nối dây là tuỳ thuộc vào công suất, điện áp, tốc độ, điều kiện làm việc của máy và quá trình tính toán mạch từ. b. Cấu tạo của rôto Mạch từ: Giống nhƣ mạch từ stato, mạch từ rôto cũng gồm các lá thép điện kỹ thuật cách điện đối với nhau nhƣ hình 1-3. Rãnh của rôto có thế song song với trục hoặc nghiêng đi một góc nhất định nhằm giảm dao động từ thông và loại trừ một số sóng bậc cao. Các lá thép điện kỹ thuật đƣợc gắn với nhau thành hình trụ ở tâm lá thép mạch từ 7 đƣợc đục lỗ để xuyên trục, rôto gắn trên trục. Ở những máy có công suất lớn, trên rôto còn đục các rãnh thông gió. Mạch điện: Mạch điện rôto đƣợc chia làm 2 loại: loại rôto lồng sóc và rôto dây quấn. Loại rôto lồng sóc: Mạch điện của loại rôto này đƣợc làm bằng nhôm hoặc đồng thau. Nếu làm bằng nhôm thì đƣợc đúc trực tiếp vào rãnh rôto, 2 đầu đƣợc đúc 2 vòng ngắn mạch, cuộn dây hoàn toàn ngắn mạch, chính vì vậy gọi là rôto ngắn mạch. Nếu làm bằng đồng thì đƣợc làm thành các thanh dẫn và đặt vào trong rãnh, hai đầu đƣợc gắn với nhau bằng 2 vòng ngắn mạch cùng kim loại. Bằng cách đó cho ta một cái lồng chính vì vậy loại rôto này còn có tên là rô to lồng sóc. Loại rôto ngắn mạch không phải thực hiện cách điện giữa dây dẫn và lõi thép. Loại rôto dây quấn: Mạch điện của loại rôto này thƣờng làm bằng đồng và phải cách điện với mạch từ. Cách thực hiện cuộn dây này giống nhƣ thực hiện cuộn dây máy điện xoay chiều đã trình bày ở phần trƣớc. Cuộn dây rôto dây quấn có số cặp cực và pha cố định. Với máy điện 3 pha, thì 3 đầu cuối đƣợc nối với nhau ở trong, 3 đầu còn lại đƣợc dẫn ra ngoài và gắn vào 3 vành trƣợt đặt trên trục rôto, đó là tiếp điểm nối với mạch ngoài. 1.1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB 3 pha Để xét nguyên lý làm việc của máy điện KĐB, ta lấy mô hình máy điện gồm 3 cuộn dây đặt cách nhau trên chu vi máy điện một góc 120°, rôto là cuộn dây ngắn mạch. Khi cung cấp vào 3 cuộn dây 3 dòng điện của hệ thống điện 3 pha có tần số là f1 thì trong máy điện sinh ra từ trƣờng quay với tốc độ 60 f1 / p . Từ trƣờng này cắt thanh dẫn của rôto và stato, sinh ra ở cuộn stato suất điện động tự cảm e1 và ở cuộn dây rôto suất điện động cảm ứng e2 có giá trị hiệu dụng nhƣ sau: E1 E2 4, 44W 1 1 f1kcd 4, 44W 2 2 f1kcd (1.1) Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo qui tắc bàn tay phải ta căn cứ vào chuyển động tƣơng đối của thanh dẫn rôto với từ trƣờng. Nếu coi từ trƣờng đứng yên thì chiều chuyển động tƣơng đối của thanh ngƣợc với chiều chuyến động của từ trƣờng, từ đó áp dụng qui tắc bàn tay phải xác định đƣợc chiều chuyển động của sức điện động. Chiều lực điện từ xác định theo qui tắc bàn tay trái trùng với chiều quay của từ trƣờng. Do cuộn rôto kín mạch, nên sẽ có dòng điện chạy trong các thanh dẫn của cuộn dây này. Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tổng ở khe hở. Sự tác động tƣơng hỗ giữa dòng điện chạy trong dây dẫn rôto và từ trƣờng sinh ra lực, đó là các ngẫu lực (2 thanh dẫn nằm cách nhau đƣờng kính rôto) nên 8 tạo ra mô men quay. Mômen quay có chiều đẩy stato theo chiều chống lại sự tăng từ thông móc vòng với cuộn dây. Nhƣng vì stato gắn chặt còn rôto lại treo trên ổ bi, do đó rôto phải quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trƣờng. Tuy nhiên tốc độ này không thể bằng tốc độ quay của từ trƣờng, bởi nếu n n tt thì từ trƣờng không cắt các thanh dẫn nữa, do đó không có suất điện động cảm ứng, E 2 0 dẫn đến I 2 0 và mô men quay cũng bằng không, rôto quay chậm lại, khi rôto chậm lại thì từ trƣờng lại cắt các thanh dẫn, nên lại có suất điện động, lại có dòng và mô men, rôto lại quay. Do tốc độ quay của rôto khác tốc độ quay của từ trƣờng nên xuất hiện độ trƣợt và đƣợc định nghĩa nhƣ sau: n1 s n2 (1.2) n1 Từ đó sẽ có 3 trƣờng hợp tƣơng ứng với các chế độ làm việc theo phạm vi hệ số trƣợt và tốc độ nhƣ sau: Trƣờng hợp rôto quay thuận với từ trƣờng quay nhƣng tốc độ nhỏ hơn tốc độ đồng bộ (0 0) . Trƣờng hợp này tƣơng ứng với chế độ động cơ ndb ) và (1 s n điện. Trƣờng hợp rôto quay thuận và nhanh hơn tốc độ đồng bộ (n 1) và (s 0) . Đây là chế độ máy phát điện KĐB. Trƣờng hợp rôto quay ngƣợc với chiều từ trƣờng quay, đây là chế độ hãm điện từ n 0, s (1.3) 1 Do đó tốc độ quay của rôto có dạng: n (1.4) n tt (1 s ) Bây giờ ta hãy xem dòng điện trong rôto biến thiên với tần số nào. Do n n tt nên ( n tt n ) là tốc độ cắt các thanh dẫn rôto của từ trƣờng quay. Vậy tần số biến thiên của suất điện động cảm ứng trong rôto biểu diễn bởi: f2 (n tt n )p n tt (n tt 60 n tt n )p 60 n tt p (n tt 60 n) n tt sf1 (1.5) Khi rôto có dòng I 2 chạy, nó cũng sinh ra một từ trƣờng quay với tốc độ: n tt 2 60 f2 60sf1 p p (1.6) sn tt So với một điểm không chuyển động của stato, từ trƣờng này sẽ quay với tốc độ: n tt 2 n tt 2 n sn tt n sn tt n tt (1 s ) n tt (1.7) 9 Nhƣ vậy so với stato, từ trƣờng quay của rôto có cùng giá trị với tốc độ quay của từ trƣờng stato. 1.2. Các phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB Trong thực tế sản xuất và tiêu dùng, các khâu cơ khí sản xuất cần có tốc độ thay đổi. Song khi chế tạo, mỗi động cơ điện lại đƣợc sản xuất với một tốc độ định mức, vì vậy vấn đề điều chỉnh tốc độ các động cơ điện là rất cần thiết. Khi mô men cản trên trục động cơ thay đổi, thì tốc độ động cơ thay đổi, nhƣng sự thay đổi tốc độ nhƣ thế không gọi là điều chỉnh tốc độ. Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB là quá trình thay đổi tốc độ động cơ theo ý chủ quan của con ngƣời phục vụ các yêu cầu về công nghệ. Phụ thuộc vào đặc tính cơ của cơ khí sản xuất mà quá trình thay đổi tốc độ xảy ra khi mô men cản không đổi (hình 1-4a) hoặc khi mô men cản thay đổi (hình 1-4b). Khi điều chỉnh tốc độ động cơ cần thoả mãn những yêu cầu sau: Phạm vi điều chỉnh, sự liên tục trong điều chỉnh và tính kinh tế trong điều chỉnh. Với các thiết bị vận chuyển, phải điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng, còn thiết bị dệt hoặc giấy thì lại đòi hỏi tốc độ không đổi với độ chính xác cao. Hình 1-4. Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB a) Khi mô men cản không đối, b)Khi mô men cản thay đổi Để nghiên cứu các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB ta dựa vào các biểu thức sau: n n tt s (1.8) n tt 1 s 60 f p E1 E2 (1.9) hoặc s f1 f2 Mặt khác ta lại có: E2 I 2 R 22 (X 20s )2 (1.10) 10 Vậy R 2I 2 s 2 E 20 (X 20I 2 ) 2 (1.11) Từ các công thức trên ta rút ra các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ kinh điển sau đây: Thay đổi tần số nguồn cung cấp f1 Thay đổi số đôi cực p Thay đổi điện trở R2 ở mạch rô to Thay đổi điện áp nguồn cung cấp E20 hoặc U1 Thay đổi điện áp mạch rôto E2 Thay đổi tần số f2. Trong các phƣơng pháp trên, ngƣời ta hay sử dụng phƣơng pháp 1, 2 và còn động cơ KĐB rôto dây quấn ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp 3. Dƣới đây trình bày ngắn gọn một số phƣơng pháp thƣờng dùng. 1.2.1 Thay đổi tần số nguồn điện cung cấp f1 Phƣơng pháp này chỉ sử dụng đƣợc khi nguồn cung cấp có khả năng thay đổi tần số. Ngày nay, do sự phát triển của công nghệ điện tử các bộ biến tần tĩnh đƣợc chế tạo từ các van bán dẫn công suất đã đảm nhiệm đƣợc nguồn cung cấp năng lƣợng điện có tần số thay đổi, do đó phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số đang đƣợc áp dụng rộng rãi và cạnh tranh với các hệ thống truyền động điện dòng một chiều. Nếu bỏ qua tổn hao điện áp ở mạch stato ta có: U1 E1 U1 kf1 4, 44fW kd 1 1 c 1 (1.12) hay Từ biểu thức này ta thấy nếu thay đổi f1 mà giữ U1 = const thì từ thông sẽ thay đổi. Việc thay đổi từ thông làm giảm điều kiện công tác của máy điện, thay đổi hệ số cos , thay đổi hiệu suất và tổn hao lõi thép, do đó yêu cầu khi thay đổi tần số phải giữ cho từ thông không đổi. Mặt khác trong điều chỉnh tốc độ phải đảm bảo khả năng quá tải của động cơ không đổi trong toàn bộ phạm vi điều chỉnh, điều đó có nghĩa là phải giữ cho Mmax = const. Muốn giữ cho Mmax = const thì phải giữ cho từ thông không đổi. Muốn giữ cho từ thông không đổi thì khi thay đổi tần số ta phải thay đổi điện áp. Mô men cực đại có thể biểu diễn bởi biểu thức: 11 M max C U1 2 (1.13) f1 Nếu hệ số quá tải không đổi, thì tỷ số của mô men tới hạn ở 2 tốc độ khác nhau phải bằng tỷ số mô men cản ở 2 tốc độ đó, tức là M th' M c' U 1' 2 f1'' 2 M th'' M c'' f1' 2 U 1'' 2 từ đây ta có U 1' f1' M c' U 1'' f1'' M c'' (1.14) trong đó: M th' và M c' là mô men tới hạn và mô men cảm ứng với tần số nguồn nạp f’1, điện áp U’1 M”th và Mc” là mô men tới hạn và mô men cảm ứng với tần số nguồn nạp f1” và điện áp U1”. Nếu điều chỉnh theo công suất không đổi P2 = const thì mô men của động cơ tỉ lệ nghịch với tốc độ, do vậy: M c' f1'' M c'' f1' do đó U 1' f1' U 1'' f1'' Trong thực tế ta thƣờng gặp điều chỉnh với Mc = const: U1 f1 const Khi giữ cho const thì cos const , hiệu suất không đổi, I 0 const . Nếu mô men cản có dạng quạt gió thì: U 1' f1' U 1'' f1'' 2 Theo các biểu thức trên đây thì khi thay đổi tần số, mô men cực đại không đổi. Điều đó chỉ đúng trong phạm vi tần số định mức, khi tần số vƣợt ra ngoài phạm vi định mức thì khi tần số giảm, mô men cực đại cũng giảm do từ thông giảm, sở dĩ nhƣ vậy vì để nhận đƣợc các biểu thức trên ta đã bỏ qua độ sụt áp trên các điện trở thuần, điều đó 12 đúng khi tần số lớn, nhƣng khi tần số thấp thì giá trị X giảm, ta không thể bỏ qua độ sụt áp trên điện trở thuần nữa, do đó từ thông sẽ giảm và mô men cực đại giảm. Trên hình 1-5 biểu diễn đặc tính cơ khi điều chỉnh tần số với f1>f2>f3. Ƣu điếm của phƣơng pháp điều chỉnh tần số là phạm vi điều chỉnh rộng, độ điều chỉnh láng, tổn hao điều chỉnh nhỏ. Hình 1-5. Đặc tính cơ khi điều chỉnh tần số theo nguyên lý: f1>f2>f3 1.2.2 Thay đổi số đôi cực Nếu động cơ KĐB có trang bị thiết bị đổi nối cuộn dây để thay đổi số đôi cực ta có thể điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực. Dùng đổi nối một cuộn dây. Giả sử lúc đầu cuộn dây đƣợc nối nhƣ hình 1-6a, khi đó số cặp cực là p, nếu bây giờ đổi nối nhƣ hình 1-6b ta đuợc số cặp cực p/2. Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực biểu diễn trên hình 1-6c Hình 1-6. Cách đổi nối cuộn dây: a) Mắc nối tiếp, số đôi cực là p. b) Mắc song song, số đôi cực là p/2, c) Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi số đôi cực Để thay đổi cách nối cuộn dây ta có những phƣơng pháp sau: 13 Đổi từ nối sao sang sao kép (hình 1.7a). A A B B C C A A B B C C b) a) Hình 1-7. Đổi nối cuộn dây a) Y Giả thiết rằng hiệu suất và hệ số cos YY, b) ∆ YY không đổi thì công suất trên trục động cơ ở sơ đồ Y sẽ là: PY 3U d I d cos 1 Cho sơ đồ YY ta có: PY Y 3U d 2I d cos 1 do đó: PY PY Y 2 Ở đây Ip - dòng pha. Nhƣ vậy khi thay đổi tốc độ 2 lần thì công suất cũng thay đổi với tỷ lệ ấy. Cách đổi nối này gọi là cách đổi nối có M = const. Ngƣời ta còn thực hiện đổi nối theo nguyên tắc Ta có: P PY Y Do đó: 3U d 3I d cos 1 3U d 2I d cos 1 sang YY (sao kép) hình 1-7b. 14 PY Y P 2 1, 15 thực tế coi nhƣ không đổi. Đây là cách đổi nối có P = const. 3 Dùng cuộn dây độc lập với những số cực khác nhau, đó là động cơ KĐB nhiều tốc độ. Với động cơ loại này stato có 2 hoặc 3 cuộn dây, mỗi cuộn dây có số đôi cực khác nhau. Nếu ta trang bị thiết bị đổi nối cuộn dây thì ta đƣợc 6 số cặp cực khác nhau ứng với 6 tốc độ. Đặc điểm của phƣơng pháp thay đổi tốc độ bằng thay đổi số đôi cực: rẻ tiền, dễ thực hiện. Tuy nhiên do p là một số nguyên nên thay đổi tốc độ có tính nhảy bậc và phạm vi thay đổi tốc độ không rộng. 1.2.3 Thay đổi điện áp nguồn cung cấp Thay đổi điện áp nguồn cung cấp làm thay đổi đặc tính cơ. Vì mô men cực đại Mmax=cU12, nên khi giảm điện áp thì mô men cực đại cũng giảm mà không thay đổi độ trƣợt tới hạn (vì sth ≈ R2/X2). Neu mô men cản không đổi thì khi giảm điện áp từ Uđm tới 0,9Uđm tốc độ sẽ thay đổi, nhƣng khi điện áp giảm tới 0,7Uđm thì mô men của động cơ nhỏ hơn mô men cản, động cơ sẽ bị dừng dƣới điện. Đặc điểm của phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp là phạm vi điều chỉnh hẹp, rất dễ bị dừng máy, chỉ điều chỉnh theo chiều giảm tốc độ. Mặt khác vì Pdt CE 20I 2 cos 2 C 1U1I 2 cos 1 const nên khi giảm điện áp U1, mà mô men cản không đổi sẽ làm tăng dòng trong mạch stato và rôto làm tăng tổn hao trong các cuộn dây. Để thay đổi điện áp ta có thể dùng bộ biến đổi điện áp không tiếp điểm bán dẫn, biến áp hoặc đƣa thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stato. Đƣa thêm điện trở thuần sẽ làm tăng tổn hao, nên ngƣời ta thƣờng đƣa điện kháng vào mạch stato hơn. Để mở rộng phạm vi điều chỉnh và tăng độ cứng của đặc tính cơ, hệ thống điều chỉnh tốc độ bằng điện áp thƣờng làm việc ở hệ thống kín. 1.2.4 Thay đỗi điện trở mạch rôto Phƣơng pháp điều chỉnh này chỉ áp dụng cho động cơ KĐB rôto dây quấn. Đặc tính cơ của động cơ KĐB rôto dây quấn khi thay đổi điện trở rôto biếu diễn trên hình 18. Bằng việc tăng điện trở rôto, đặc tính cơ mềm đi nhiều, nếu mô men cản không đổi ta có thể thay đổi tốc độ động cơ theo chỉều giảm. Nếu điện trở phụ thay đổi vô cấp ta thay đổi đƣợc tốc độ vô cấp , tuy nhiên việc thay đổi vô vấp tốc độ bằng phƣơng pháp điện trở rất ít dùng mà thay đổi nhảy bậc do đó các điện trở điều chỉnh đƣợc chế tạo làm việc ở chế độ lâu dài và có nhiều đầu ra. 15 n0 n1 n2 n3 Mmax Hình 1-8. Đặc tính cơ của động cơ KĐB dây quấn khi thay đổi điện trở rôto Giá trị điện trở phụ đƣa vào rôto có thể tính bằng công thức: s2 Rp s1 (1.15) 1 R2 trong đó: s1 và s 2 ứng với tốc độ n1 và n 2 . Khi Mc = const thì phạm vi điều chỉnh tốc độ là n1 ÷ n3 (hình 1.8), khi Mc tăng phạm vi điều chỉnh tốc độ sẽ tăng lên. Khi mô men cản không đổi thì công suất nhận từ lƣới điện không đổi trong toàn phạm vi điều chỉnh tốc độ. Công suất hữu ích P2 M 2 ở trên trục động cơ sẽ tăng khi độ trƣợt giảm. Vì P Pdt P2 M( 1 2 ) là tốn hao rôto nên khi độ trƣợt lớn tổn hao sẽ lớn. Đặc điểm của phƣơng pháp điều chỉnh điện trở rôto là điều chỉnh láng, dễ thực hiện, rẻ tiền nhƣng không kinh tế do tổn hao ở điện trở điều chỉnh, phạm vi điều chỉnh phụ thuộc vào tải. Không thế điều chỉnh ở tốc độ gần tốc độ không tải. 1.2.5 Thay đổi điện áp mạch rôto Trƣớc khi bƣớc vào nghiên cứu phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng đƣa thêm sức điện động vào mạch rôto, ta thực hiện việc thống kê công suất ở máy điện KĐB khi có đƣa điện trở phụ vào mạch rôto. Công suất nhận vào: P1 m 1U 1I 1 cos 1 Công suất điện từ hay còn gọi là công suất từ trƣờng quay: Pdt P1 P1 P1 PCu1 PFe1 Đây là công suất chuyển qua từ trƣờng sang rôto. 16 Công suất điện từ đƣợc chia ra công suất điện và công suất cơ: Pdt Pco Pdien Trong đó: Pđiện = ∆PCu2 + P2 Với: P2 là tổn hao trên điện trở phụ đƣa vào mạch rôto và ∆PCu2 là tổn hao đồng cuộn dây rôto. Do đó: P2 m2 I 2 Rp còn PCu 2 mR2 I 22 Công suất cơ học Pcơ là công suất điện trở: R 2' Pco m 1 R 2' ' R p' I 22 R p' 1 s do vậy: s 1 s s Khi thay đổi tốc độ quay bằng thay đổi đện trở mạch rôto, là ta đã làm thay đổi P2 truyền cho điện trở phụ để công suất cơ khí Pcơ thay đổi vì: Pđ t Pco P2 Pcu 2 const trong đó ∆PCu2 = const Bây giờ chúng ta nghiên cứu một phƣơng pháp khác thay đổi công suất P2 trong mạch rôto. Đó là phƣơng pháp đƣa thêm vào mạch rôto một đại lƣợng: ∆E2 (hình 1-9) có cùng tần số rôto và cũng phải thay đổi theo tốc độ. Giả thiết rằng điều chỉnh tốc độ theo nguyên tắc: M = const, Pđt = const. Trong điều kiện đó, thống kê công suất nhƣ sau (hình 1-9): Pdt Pco Pdien Pco P2 PCu 2 const 17 Hình 1-9. Sơ đồ tương đương mạch rôto khi đưa thêm sđđ vào: a)mạch thực, b)c) mạch tương đương đưa về tần số f1 Tổn hao điện ∆PCu2 trong trƣờng hợp này không đổi vì giá trị dòng điện I2 không phụ thuộc vào độ trƣợt. Trong vùng ổn định của đặc tính cơ tồn tại một giá trị dòng điện I2 và một giá trị hệ số cos 2 thoả mãn quan hệ: Pdt m 2E 20I 2 cos 2 cI 2 cos 2 const (1.16) Nếu tăng công suất phát P2 cho một tải nào đó ở mạch rôto sẽ làm giảm công suất cơ khí Pcơ vậy khi mô men cản không đổi sẽ làm tốc độ thay đổi (n=cPcơ), nếu mạch rôto đƣợc cấp vào một công suất tác dụng P2 thì Pcơ sẽ tăng, đồng nghĩa với tốc độ tăng. Nếu mạch rôto đƣợc cung cấp một công suất P2 bằng tổn hao ∆PCu2 lúc này Pđ ien sPđ t 0 có nghĩa là s = 0 vậy động cơ quay với tốc độ từ trƣờng. Nếu bây giờ cấp cho mạch rôto một công suất P2 > ∆Pcu2 thì động cơ quay với tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ. Phƣơng pháp thay đổi tốc độ này cho phép thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng (trên và dƣới tốc dộ đồng bộ). Thay đổi pha của ∆E2 làm thay đổi hệ số công suất stato và rôto, hệ số công suất có thế đạt giá trị cosφ = l thậm chí có thể nhận đƣợc hệ số công suất âm. Nếu ta đƣa vào rôto công suất phản kháng thì động cơ không phải lấy công suất kháng từ lƣới, lúc này dòng kích từ cần thiết đế tạo từ trƣờng động cơ nhận từ mạch rôto. 1.3. Điều khiển véc tơ động cơ KĐB Một số hệ thống yêu cầu chất lƣợng điều chỉnh động cao thì các phƣơng pháp điều khiển kinh điển khó đáp ứng đƣợc. Hệ thống điều khiển định hƣớng theo từ trƣờng còn gọi là điều khiển véc tơ, có thể đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và động. Nguyên lý điều khiển véc tơ dựa trên ý tƣởng điều khiển véc tơ động cơ KĐB tƣơng tự nhƣ điều khiển động cơ một chiều. Phƣơng pháp này đáp ứng đƣợc yêu cầu điều chỉnh của hệ thống trong quá trình quá độ cũng nhƣ chất lƣợng điều khiển tối ƣu mô men. Việc điều khiển véc tơ dựa trên định hƣớng véc tơ từ thông rôto có thể cho phép điều khiển tách rời hai thành phần dòng stator, từ đó có thể điều khiển độc lập từ thông và mô men động cơ. Kênh điều khiển mô men thƣờng gồm một mạch vòng điều chỉnh tốc độ và một mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh mô men. Kênh điều khiển từ thông thƣờng gồm một mạch vòng điều chỉnh dòng điện sinh từ thông. Do đó hệ thống truyền động điện động cơ KĐB có thể tạo đƣợc các đặc tính tĩnh và động cao, có thể so sánh đƣợc với động cơ một chiều. Dựa trên ý tƣởng điều khiển động cơ KĐB tƣơng tự nhƣ điều khiển động cơ một chiều. Động cơ một chiều có thể điều khiển độc lập dòng điện kích từ và dòng phần ứng để đạt đƣợc mô men tối ƣu theo công thức: 18 M K Iu KI kt I u (1.17) trong đó Ikt, Iư - dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng. - từ thông động cơ. Iư Uư Ikt Ids* Iqs* CKT ĐM Mạch điều khiển và nghịch lƣu ĐK Hình 1-10. Sự tương tự giữa điều khiển động cơ một chiều và điều khiển véc tơ Tƣơng tự ở điều khiển động cơ KĐB, nếu ta sử dụng công thức: M K m rI qs K m I ds I qs (khi chọn trục d trùng với chiều véc tơ từ thông rôto) Thì có thể điều khiển M bằng cách điều chỉnh độc độc lập các thành phần dòng điện trên hai trục vuông góc của hệ tọa độ quay đồng bộ với véc tơ từ thông rôto. Lúc này vấn đề điều khiển động cơ KĐB tƣơng tự điều khiển động cơ điện một chiều. Ở đây thành phần dòng điện I ds đóng vai trò tƣơng tự nhƣ dòng điện kích từ động cơ một chiều ( I kt ) và thành phần dòng I qs tƣơng tự nhƣ dòng phần ứng động cơ một chiều ( I u ). Các thành phần có thể tính đƣợc nhờ sử dụng khái niệm véc tơ không gian. Với ý tƣởng định nghĩa véc tơ không gian dòng điện của động cơ đƣợc mô tả ở hệ tọa độ quay với tốc độ s, các đại lƣợng dòng điện điện áp, từ thông sẽ là các đại lƣợng một chiều. d d r r Ids1 is1 is2 is2 Ids s2 s2 Ids2 is1 s1 s1 Iqs1 Iqs2 q Iqs q Hình 1-11. Điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện: mô men và kích từ 19 1.4. Lựa chọn phƣơng pháp điều khiển động cơ KĐB cho hệ truyền động thang máy Một trong những điều kiện cơ bản đối với hệ truyền động thang máy là phải đảm bảo cho buồng thang chuyển động êm. Việc buồng thang chuyển động êm hay không lại phụ thuộc vào gia tốc khi mở máy và hãm máy. Các tham số chính đặc trƣng cho chế độ làm việc của thang máy là: tốc độ di chuyển v [m/s], gia tốc a [m/s2] và độ giật [m/s3]. Biểu đồ làm việc tối ƣu của thang máy tốc độ trung bình và tốc độ cao biểu diễn trên hình 1-12. Biểu đồ này có thể chia ra 5 giai đoạn theo tính chất thay đổi tốc độ của buồng thang: mở máy, chế độ ổn định, hãm xuống tốc độ thấp, buồng thang đến tầng và hãm dừng. S,v, a, Më m¸y ChÕ ®é æn ®Þnh H·m xuèng tèc ®é thÊp §Õn tÇng H·m dõng v a S a t a Hình 1-12. Các đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của quãng đường S, tốc độ v, gia tốc a và độ giật theo thời gian Nhƣ vậy, với yêu cầu điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB sử dụng trong hệ truyền động thang máy thỏa mãn đƣờng đặc tính tối ƣu tác giả lựa chọn phƣơng pháp điều khiển véc tơ động cơ KĐB. Việc sử dụng phƣơng pháp điều khiển véc tơ động cơ KĐB cho phép cải thiện chất lƣợng điều khiển động cơ trong các quá trình khởi động và dừng so với các phƣơng pháp điều khiển kinh điển. 1.5. Kết luận chƣơng 1 Chƣơng 1 trình bầy các vấn đề: 20 - Tổng quan về động cơ KĐB và các phƣơng pháp kinh điển điều khiển tốc độ động cơ KĐB. - Phƣơng pháp điều khiển véc tơ động cơ KĐB. - Yêu cầu điều chỉnh tốc độ động cơ cho hệ truyền động thang máy – Lựa chọn phƣơng pháp điều khiển véc tơ động cơ KĐB cho hệ truyền động thang máy. 21 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA Equation Chapter 2 Section 2 Mô tả toán học động cơ KĐB ba pha 2.1. Đối với các hệ truyền động điện đã đƣợc số hoá hoàn toàn, để điều khiển biến tần ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp điều chế véc tơ 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. Nhƣ vậy cần mô tả động cơ dƣới dạng các phƣơng trình toán học. Quy ƣớc: A, B , C chỉ thứ tự pha các cuộn dây rôto và a, b, c chỉ thứ tự pha các cuộn dây stator. Giả thiết: - Cuộn dây stato, rôto đối xứng 3 pha, rôto vƣợt góc . - Tham số không đổi. - Mạch từ chƣa bão hòa. - Khe hở không khí đồng đều. - Nguồn ba pha cấp hình sin và đối xứng (lệch nhau góc 2 /3). Phƣơng trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn dây k nhƣ sau: Uk I k Rk d k dt trong đó: k là thứ tự cuộn dây A, B , C rôto và a, b, c stator. k là từ thông cuộn dây thứ k . Lkj i j . Nếu i k k : tự cảm, i Ví dụ: a Laa ia Labib Lac ic LaA iA LaB iB LaC iC Vì ba pha đối xứng nên: Rc Rs ; R A Ra Rb Laa Lbb Lcc Lab Lba Lbc ... LaA LbB LcC LA a LaB LbC LcA LBa Ls1, LA A RB LBB M s , LA C RC LCC Rr Lr 1 LBC LA B ... LBb LCc Mcos LCb LA c Mcos ( Mr 2p / 3) k j: hỗ cảm. 22 LaC LbA LcB LCa LA b LBc Mcos ( 2p / 3) a b a s A ; b r c ; B A c C B C ia is ib Rs Ls iA ; ir iB Rs 0 0 0 Rs 0 0 0 Rs ; Ls 1 Ms Ms Ms Ls 1 Ms Ms Ms Ls 1 ; M cos( cos( s Ls r Lm ( ) us ur d t L ( ) dt m M is t Ls d dt Rs 0 0 0 Rr 0 0 0 Rr cos( Lr d L ( ) dt m d R r Lr dt uB Lr 1 Mr Mr Mr Lr 1 Mr Mr Mr Lr 1 Lr 2 / 3) cos( cos 2 / 3) cos( Lm ( ) t Rr 2 / 3) uA ; ur ub Rr cos Lm ua ; us cos( 2 / 3) 2 / 3) 2 / 3) cos is ir is ir d {Lm ( )ir } d Các hệ phƣơng trình trên là các hệ phƣơng trình vi phân phi tuyến có hệ số biến thiên theo thời gian vì góc quay phụ thuộc thời gian: 0 (t )dt 23 Kết luận : Nếu mô tả toán học nhƣ trên thì rất phức tạp nên cần phải đơn giản bớt. Tới năm 1959 Kôvacs (Liên Xô) đề xuất phép biến đổi tuyến tính không gian véc tơ và Park (Mỹ) đƣa ra phép biến đổi dq . Phép biến đổi tuyến tính không gian véc tơ 2.2. Trong máy điện ba pha thƣờng dùng cách chuyển các giá trị tức thời của điện áp thành các véc tơ không gian. Lấy một mặt phẳng cắt mô tơ theo hƣớng vuông góc với trục và biểu diễn từ không gian thành mặt phẳng. Chọn trục thực của mặt phẳng phức trùng với trục pha a . Ia +1( ) is is is +j( ) is a2 .ic a.ib Hình 2-1. Tương quan giữa hệ toạ độ và toạ độ ba pha a, b, c Ba véc tơ dòng điện stator ia , ib , ic tổng hợp lại và đại diện bởi một véc tơ quay tròn is . Véc tơ không gian của dòng điện stator: is 2 (i 3 a trong đó a a 2ic ) aib e j 2 3 Muốn biết is cần biết các hình chiếu của nó lên các trục toạ độ: is , is . is is jis is Re{is } 1 ( 2i 3 a is Im{is } 3 (i 3 b ib ic ) ic ) 24 Theo cách thức trên có thể chuyển vị từ 6 phƣơng trình (3 rôto, 3 stato) thành 4 phƣơng trình. u Phép biến đổi từ 3 pha (a, b, c) thành u 2 pha ( , ) đƣợc gọi là phép biến đổi Hình 2-2. Cuộn dây 3 pha nhìn trên thuận. Còn phép biến đổi từ 2 pha thành 3 pha đƣợc gọi là phép biến đổi ngƣợc. x Đơn giản hơn, khi chiếu is lên một hệ trục xy bất kỳ quay với tốc độ k 0 + Nếu k k + Nếu : k ry k =0 : đó là phép biến 0 (biến đổi tĩnh) k = 1, 0 tự chọn bất kỳ (để đơn giản một phƣơng trình cho x trùng để Ia is t =0, đổi với hệ trục k r a2 .ic a.ib =0): phép biến đổi dq . + Nếu định k = - = 1 r : hệ toạ độ cố y đối với rôto (ít dùng). Hình 2-3. Chuyển sang hệ toạ độ quay bất kỳ Các hệ toạ độ đƣợc mô tả nhƣ sau: pha B d q is is isd hƣớng trục rôto r isq S pha A is pha C Hình 2-4. Các đại lượng is , r của động cơ trên các hệ toạ độ Các phƣơng trình chuyển đổi hệ toạ độ: a, b, c : 25 is ia 1 is 3 (ia ib ) dq isd isq is cos is cos is sin is sin a, b, c ia ib ic is 1 ( i 2 s 1 ( i 2 s 3is ) 3is ) dq is is 2.3. isdcos isd sin isqsin isqcos Hệ phƣơng trình cơ bản của động cơ trong không gian véc tơ Để dễ theo dõi ta ký hiệu: Chỉ số trên s: xét trong hệ toạ độ stato (toạ độ ) f: trong tọa độ trƣờng (field) từ thông rôto (toạ độ dq ) r: toạ độ gắn với trục rôto. Chỉ số dƣới s: đại lƣợng mạch stato r: đại lƣợng mạch rôto Phƣơng trình mô men: mM 3 p( 2 r is ) 3 p( 2 r ir ) (2.1) Phƣơng trình chuyển động: mM mc J d p dt Phƣơng trình điện áp cho ba cuộn dây stato: (2.2) 26 usa (t ) R s isa (t ) d usb (t ) R s isb (t ) d usc (t ) R s isc (t ) d sa (t ) dt (t ) sb dt (t ) sc (2.3) dt Tƣơng tự nhƣ véc tơ dòng điện ta có véc tơ điện áp: us t 2 / 3 usa t usb t e j 120 usc t e j 240 Sử dụng khái niệm véc tơ tổng ta nhận đƣợc phƣơng trình véc tơ: uss Rs iss d s s (2.4) dt Trong đó us s , is s , ys s là các véc tơ điện áp, dòng điện, từ thông stato. Khi quan sát ở hệ toạ độ : Đối với mạch rôto ta cũng có đƣợc phƣơng trình nhƣ trên, chỉ khác là do cấu tạo các lồng sóc là ngắn mạch nên ur=0 (quan sát trên toạ độ gắn với trục rôto) Từ thông stato và rôto đƣợc tính nhƣ sau: R r irr 0 d r r s is Ls dt ir Lm r is Lm ir Lr (2.5) trong đó: Ls - điện cảm stato Ls = L s+ Lm (L s là điện cảm tiêu tán phía stato) Lr - điện cảm rôto Lr = L r+ Lm (L r là điện cảm tiêu tán phía rôto) Ls - hỗ cảm giữa rôto và stato Phƣơng trình từ thông không cần đến chỉ số hệ toạ độ vì các cuộn dây stato và rôto có cấu tạo đối xứng nên điện cảm không đổi trong mọi hệ toạ độ. 2.3.1. Phương trình trạng thái tĩnh trên hệ toạ độ cố định Phƣơng trình điện áp stato giữ nguyên, còn phƣơng trình điện áp rôto có thay đổi do rôto quay với tốc độ so với stato nên có thể nói hệ toạ độ quay tƣơng đối với rôto tốc độ - 27 _ _ u ss _ R s iss s s d dt _ _ R r irs 0 _ _ iss _ iss s s _ s r _ s r d dt Ls Lm 1 ( Lr s s iss s r (2.6) _ irs Lm _ irs Lr Tìm cách loại bỏ irs s r j và ir: ta rút từ phƣơng trình thứ 3 và 4 trong hệ (2.6) đƣợc: s iss Lm ) Lm Ls Lr (2.7) s r ( iss Lm ) Đặt =1-Lm2/(LsLr) (hệ số tản từ), Ts=Ls/Rs , Tr=Lr/Rr và thay lại phƣơng trình 1 và 2 trong hệ (2.6): s us s Rs i s 0 iss Ls Lm diss Lm d dt Lr 1 Tr s ( r Tr s r dt j ) (2.8) s r d dt Biến đổi (2.8) sang dạng từng phần tử của véc tơ: dis dt dis dt d r dt 1 1 Ts 1 Lm r Tr Lm dt Tr d 1 Ts Tr is is r r Lm r r 1 1 is Tr 1 Tr 1 T r Lm is Lm 1 T r Lm r 1 u Ls s r 1 u Ls s (2.9) r 1 Tr r Thay irs từ phƣơng trình thứ 2 của (2.5) vào phƣơng trình mô men (2.1): mM 3 p( 2 s r irs ) 3 p( 2 s r ( s r iss Lm ) 1 ) Lr 3 Lm p ( 2 Lr s r Thay các véc tơ trong (2.10) bằng các phần tử tƣơng ứng ta đƣợc : iss ) (2.10) 28 mM 3 Lm p ( 2 Lr r is is ) r (2.11) Từ hệ phƣơng trình (2.9) và phƣơng trình (2.11) ta có công thức mô tả động cơ KĐB trên hệ toạ độ p 1 is T 1 is T (1 T r p ) r (1 T r p ) r p , trong đó thay T theo công thức: 1 T r Lm 1 r 1 Lm Lm is Lm is 1 LmT r r Tr Tr 1 Ts 1 Tr 1 u Ls s r Lm 1 T 1 u Ls s r (2.12) r r Từ (2.12) ta lập đƣợc mô hình điện cơ của động cơ KĐB trên hệ toạ độ nhƣ sau: mC us 1 T 1 is 3pcLm r Pc Lm Ls 1+pT - 1+pTr - 2Lr mM pJ 1Tr LmTr 11- us - Lm LmTr 1 T Ls 1+pT Lm is 1 1+pTr r Hình 2-5. Mô hình động cơ trên hệ toạ độ cố định Đầu vào của mô hình là đại lƣợng điện áp. Do vậy mô hình chỉ đúng với biến tần nguồn áp. Còn khi sử dụng biến tần nguồn dòng (cho công suất truyền động rất lớn) thì phải biến đổi mô hình thành đầu vào là dòng stato is , is Hệ phƣơng trình (2.9) khi viết lại dƣới dạng ma trận: 29 dx s A sx s dt trong đó: B s u ss (2.13) x s - ma trận trạng thái, x sT [is , is , u ss - ma trận đầu vào, u s sT [us , us ] r , r ] A s - ma trận hệ thống B s - ma trận đầu vào A s s A11 s s A11 A12 1 T 0 1 T r Lm 1Lm Lm s A 21 Tr 0 s A 22 B s 1 Tr 0 0 Lm Lm Tr 1 I T 1 1Lm 1 T r Lm 1 Tr 1 Lm - 1 1 Tr Lm 1 ( I Tr J) I Tr 1 Tr B1s B 2s 1 1 T 0 1 T 0 s A12 , với các phần tử nhƣ sau: s s A 21 A 22 ; trong khi 1 I Tr J 1 Ls B 1s 0 0 1 Ls 1 I ; B 2s Ls Lập mô hình của động cơ theo các ma trận: từ (2.13) ta có 0 0 0 0 30 dxs(t) Uss(t) xs(t) dt Bs Uss(t) As Hình 2-6. Mô hình động cơ dạng ma trận Khi mô tả chi tiết bằng các phần tử ma trận: As11 dIs Bs s Iss(t) dt As21 As12 d s r s r (t) dt As22 Hình 2-7. Mô hình động cơ dạng các phần tử ma trận 2.3.2. Phương trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq : Tƣơng tự nhƣ trên, khi chiếu trên hệ toạ độ này thì các phƣơng trình từ thông vẫn không đổi, chỉ có các phƣơng trình điện áp thay đổi nhƣ sau: - Toạ độ từ thông rôto quay tốc độ s so với stato. - Hệ toạ độ chuyển động vƣợt trƣớc so với rôto một tốc độ góc Từ đó ta thu đƣợc hệ phƣơng trình : r = s - . 31 _ _ _ R s isf usf _ f r d j dt f r s _ _ R r irf 0 _ _ isf _ isf f r _ f r _ f r d j dt (2.14) _ irf Lm _ irf Lr Ls Lm Tìm cách loại bỏ irf và __ f r f r r f r từ (2.14) có 1 ____f __f ( r is Lm ) Lr i ____ f s __ f s (2.15) Lm ____f __f ( r is Lm ) Lr i Ls Thế trở lại phƣơng trình thứ 3 và 4 của (2.14) ta đƣợc phƣơng trình: disd dt disq dt d rd dt d rq dt ( 1 Ts 1 i ( s sd Lm Tr Lm Tr Tr isd 1 Ts 1 Tr isq r )isd i s sq 1 Tr )isq 1 LmT r 1 rd 1 rd Lm Lm 1 L mT r rq 1 u Ls sd rq 1 u Ls sq (2.16) rd rd r 1 Tr rq rq Biến đổi tiếp hệ (2.16) với điều kiện chọn trục d trùng với véc tơ rq r , tức là 0: 1 ( p )isd T 1 ( p )isq T (1 T r p ) rd Lm i T r sq r rd i s sq i s sd Lm isd 1 L mT r 1 Lm 1 rd rq rd Lm 1 u Ls sq 1 u Ls sd (2.17) 32 1 T Thay T theo công thức: Tƣơng tự nhƣ trên toạ độ mM 3 Lm p ( 2 c Lr f r 1 Ts 1 Tr ta cũng có phƣơng trình mô men cho toạ độ dq : isf ) Thay đại lƣợng véc tơ bằng các phần tử của nó: is f isd mM 3 Lm p 2 c Lr f jisq và s sd j rq i (2.18) rd sq Từ (2.17) và (2.18) ta vẽ đƣợc sơ đồ toán học của động cơ trên hệ toạ độ từ thông rôto dq : mC usd us 1 T Ls 1+pT isd Lm 1+pTr Tr e Tr Lm Pc mM 2Lr Lm -j s 3pcLm rd pJ 1Lm r - usq us - : 1 T Ls 1+pT s isq s 1 p Hình 2-8. Mô hình động cơ trên hệ toạ độ quay dq Sau này, khi đi sâu vào bài toán điều khiển ta sẽ sử dụng mô hình quay dq . r Mô hình động cơ biểu diễn dƣới dạng ma trận: hệ phƣơng trình (2.16) sau khi tách có thể viết lại dƣới dạng mô hình trạng thái phi tuyến nhƣ sau: s 33 dx f dt Af xf B f usf Nxf (2.19) s trong đó: xf [isd , isq , usf usd , usq Af 1 T 0 0 1 T Lm Lm 0 N 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 ]T 1 Lm 1 LmT r 0 1 Ls 0 0 rq 1 Tr Tr 1 Ls , 1 LmT r 1 Lm 1 Tr 0 Tr Bf rd T 0 0 0 0 0 1 1 0 Hình minh họa cho mô hình (2.19) cho thấy đầu vào stato động cơ gồm thành phần véc tơ điện áp us và tần số nguồn s. Nhƣ vậy so với mô hình trên hệ toạ độ tĩnh thì mô hình trên hệ toạ độ quay cần thêm tốc độ quay của hệ tọa độ đó. Điều đó có thể hiểu đƣợc vì véc tơ us trên dq chỉ gồm hai thành phần một chiều usd, usq , còn trên toạ độ tĩnh thì tần số s đã chứa trong hai thành phần xoay chiều us us . N s dx f (t) xf(t) 34 Hình 2-9. Mô hình động cơ KĐB trên toạ độ dq theo dạng véc tơ 2.4. Cấu trúc hệ thống điều khiển véc tơ động cơ KĐB Trƣớc đây ta đã đề cập đến vấn đề điều khiển động cơ KĐB theo công thức (2.18): mM Km i rd sq để có thể điều khiển đƣợc chính xác tƣơng tự nhƣ động cơ một chiều (điều khiển độc lập thành phần kích từ r và thành phần dòng phần ứng is). Nhƣ vậy hệ điều khiển cũng tƣơng tự nhƣ hệ điều khiển động cơ một chiều. ikt* Rikt iư * * R Riư Hình 2-10. Mô hình điều khiển động cơ một chiều. Ta sẽ xây dựng một hệ điều khiển tƣơng tự cho động cơ KĐB nhƣng trên toạ độ dq . Nhƣ vậy động cơ cũng phải biểu diễn trên dq (mục 2.3.2), lƣợng đặt là và isd : Isd* * R Risd Isq* Nhánh kích từ Risq Nhánh mô men Hình 2-11. Tư tưởng điều khiển động cơ KĐB Nhƣng trong hệ thống thực, nguồn cung cấp cho động cơ là ba pha abc và các đại lƣợng dòng phản hồi đo về đƣợc cũng là trên toạ độ abc, vậy giữa hai hệ toạ độ đó phải 35 có các bộ chuyển đổi toạ độ, cụ thể là từ bộ điều chỉnh lƣợng đặt để thành tín hiệu đƣa vào biến tần nuôi động cơ phải có một bộ chuyển đổi dq /abc từ các đại lƣợng dòng đo đƣợc đem phản hồi có một bộ chuyển đổi ngƣợc từ abc/ dq . Vấn đề nảy sinh là khi chuyển đổi giữa hai toạ độ cần phải có góc lệch giữa chúng ( s). Từ đây có hai giải pháp: Lấy bằng cách tích phân tốc độ quay s s của dòng, áp stato hoặc của từ thông rôto. Vì hệ toạ độ quay dq có trục thực gắn với tính góc của r nên góc s có thể xác định bằng cách trên hệ toạ độ r Từ phân tích trên ta có hệ thống điều khiển nhƣ hình vẽ: Nguồn một chiều R Risq isq* * usq* usd* i a,b,c d,q * sd isd isq uas* Nghịch lƣu độc lập PWM ubs* ucs* Risd a,b,c ias ibs ics d,q Hình 2-12. Sơ đồ hệ thống điều chỉnh dòng điện và tốc độ của động cơ trên dq dùng để chuyển toạ độ từ tĩnh sang quay theo chiều thuận hoặc ngƣợc ). s có thể đƣợc tính trực tiếp s = arctg( r) hoặc gián tiếp: dq hoặc dq Góc ( s s t s 0 Tuỳ theo cách xác định góc quay từ trƣờng s mà ta có hai phƣơng pháp điều khiển véc tơ: phƣơng pháp điều khiển trực tiếp và phƣơng pháp điều khiển gián tiếp. 36 2.5. Các phƣơng pháp điều khiển véc tơ 2.5.1. Điều khiển véc tơ gián tiếp a +1( ) d r r s = s.t +j( ) r c b q Hình 2-13. Đồ thị góc pha của phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp Ở phƣơng pháp này, góc s đƣợc tính toán dựa vào các đại lƣợng đầu cực của động cơ. từ đó tính ra các phần tử quay cos , sin . Theo đồ thị trên, góc pha đƣợc tính nhƣ sau: s sdt o - tốc độ quay của véc tơ dòng điện stato, từ thông rôto và là tốc độ quay của hệ trục toạ độ dq . s Từ phƣơng trình cân bằng điện áp rôto (2.14) : 0 R r irf d f rs dt j r f r Xét trên hai trục d và q tƣơng ứng ta đƣợc: 0 0 R r ird R r irq d rd dt d rq r rd (2.20) rq dt Từ công thức r r ird rd Lm isd irq rq Lm Lm isq Lr ir Lm is ta suy ra : Lm Thay (2.21) vào (2.20) đƣợc (2.21) 37 d Rr rd dt d rq dt Lm Lr Rr rd Lr rq Lr Lm Lr R r I sd r 0 rq (2.22) R r I sq r 0 dq Vì hệ toạ độ dq gắn vào véc tơ từ thông rôto và các điều kiện sau giả sử đƣợc đảm bảo: d rq rq dt rd r 0 const Thay các điều kiện đó vào (2.22) và biến đổi đƣợc: Lm isq r Tr Tr d (2.23) r r Lm isd r dt Khi đã tính đƣợc r ta có công thức tính góc quay isd Lm s dựa vào isd, isq và tốc độ : r Trp+1 isq Lm r : + s 1 Tr + p Hình 2-14. Sơ đồ tính toán góc quay từ trường theo phương pháp gián tiếp Điều khiển véc tơ trực tiếp theo từ thông rôto 2.5.2. Phƣơng pháp này xác định trực tiếp góc quay từ trƣờng từ thông khe hở r 0 s từ từ thông rôto hoặc trên hai trục của hệ toạ độ vuông góc: có thể đƣợc xác định bằng cảm biến từ thông Hall hoặc bằng tính toán. a) Xác định s từ cảm biến Hall Cảm biến Hall đƣợc lắp vào động cơ để đo từ thông khe hở cầu của hệ truyền động mà tính từ r s trực tiếp từ o o , từ đó tuỳ theo yêu hay chuyển đổi thành r Xác định trực tiếp góc quay từ trường bằng từ thông khe hở. r rồi mới tính s 38 Nguồn DC 0 Bộ ĐK * Biến đổi dq/ Biến đổi Ids* i R - cos s -sin sin s cos /abc Ias* * s 0 1 - 3/ 2 s -1/ 2 Ibs* 0 Iqs M* * i s * s 3/ 2 -1/ 2 Ics* Nghịch lƣu PWM RM -M Tính sin s, cos s ĐK 0 0 0 x2 y2 Hình 2-15. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển véc tơ trực tiếp sử dụng cảm biến Hall đo r Sơ đồ gồm hai kênh điều khiển: mô men và từ thông khe hở. Các thành phần dòng điện điều khiển Iqs* và Ids* tƣơng ứng là các tín hiệu ra của các bộ điều chỉnh mô men và từ thông khe hở. Các thành phần dòng điện này đƣợc biến đổi thành các đại lƣợng hình sin trong hệ toạ độ tĩnh nhờ phép biến đổi dq / . Các thành phần dòng điện hình sin ias*, ibs*, ics* là tín hiệu điều khiển của bộ nghịch lƣu biến điệu độ rộng xung PWM. Thành phần sin s, cos s tính từ các thành phần của từ thông khe hở trên hai trục toạ độ tĩnh đo đƣợc bằng các cảm biến từ thông : 2 0 0 cos 2 0 0 (2.24) s 0 sin 0 s 0 với 0 , 0 là các thành phần từ thông khe hở dọc trục và ngang trục 39 Nhƣ vậy góc quay từ trƣờng s hay sin phần từ thông khe hở. Các thành phần 0 0 s , cos s đƣợc tính trực tiếp từ các thành đƣợc đo bằng các cảm biến từ thông. Biên độ đƣợc sử dụng làm phản hồi của mạch vòng điều chỉnh 0 . Xác định trực tiếp góc quay từ trƣờng bằng từ thông rôto. Ở phần trƣớc đã xác định góc quay từ trƣờng trực tiếp bằng từ thông khe hở. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là khối tính toán đơn giản nhƣng vì 0 không trùng với hƣớng r nên thực ra góc s tính đƣợc dựa vào 0 cho hệ truyền động có yêu cầu cao hơn ta phải tính nhƣ trên không chính xác. Do vậy s từ các thành phần của r . Từ đó hệ thống điều khiển véc tơ tựa theo từ thông rôto đƣợc xây dựng trên cơ sở của hệ thống hình trên với bổ sung khối tính toán từ thông rôto . Từ hai công thức tính từ thông khe hở và từ thông rôto : Lm is 0 Lm is r ir Lr ir Lm is (Lm Lr )ir 0 Lr ir (2.25) Thay ir ở phƣơng trình thứ nhất của (2.25) vào phƣơng trình thứ hai ta có công thức tính r : r Lr 0 r 0 Lm Lr 1 0 Lm is Lr is Từ đó rút ra: Lr r Lm (2.26) Lr is 0 Từ (2.26) ta suy ra trên hệ toạ độ tĩnh r Lr Lm r Lr Lm 0 Lr is 0 Lr is : (2.27) Từ đó xây dựng sơ đồ khối cơ bản của phƣơng pháp điều khiển trực tiếp từ thông rôto : Ids* Iqs Ias* dq * Ibs* Ics* abc Biến tần 40 Hình 2-16. Hệ thống điều khiển sử dụng cảm biến Hall đo từ thông rôto Trong đó khối tính r đƣợc xây dựng theo công thức (2.27) nhƣ sau: KHỐI TÍNH TOÁN Lr 0 + Lm Ids abc Lr - x2 y2 arctg x y r Ia Ib Lr dq Ic 2-16. Cấu trúc khối tính Lr HìnhIqs + Lm r s 0 Hình 2-17. Sơ đồ khối tính toán Trong thực tế do việc gắn cảm biến từ thông vào động cơ để đo có nhiều bất lợi do mỗi động cơ phải cài một sensor đo từ thông không thích hợp cho sản xuất đại trà và cơ cấu đo gắn trong đó bị ảnh hƣởng bởi nhiệt độ và nhiễu nên hay sử dụng sơ đồ tính từ thông gián tiếp từ các đại lƣợng khác: b) Xác định r bằng tính toán  Tính toán từ thông rôto dựa trên mô hình động cơ ở hệ toạ độ cố định stato: Từ thông rôto đƣợc tính toán từ các thành phần dòng điện stato trên hệ tọa độ cố định và tốc độ động cơ . Từ hai phƣơng trình 3 và 4 của (2.9): 41 d Lm r dt d Tr Lm r dt 1 Tr is r is Tr r 1 Tr r r và kết hợp các công thức: 2 r cos 2 r r r r ;sin s s r r Ta có sơ đồ tính s sau: 1 Tr Lm Is r : sin s Tr 2 r 2 r r Lm : r Tr 1 Is cos s Tr Hình 2-18. Tính toán từ thông rôto theo mô hình động cơ trên  Tính toán từ thông theo mô hình quan sát Mô hình quan sát từ thông đủ bậc trong đó tính toán cả dòng stato và từ thông rôto đƣợc xây dựng theo phƣơng trình Xˆ A Xˆ d iˆ s dt ˆr Bus G (iˆs A11 A12 A 21 A 22 Hay viết cách khác: is ) iˆ s B1 ˆr 0 us G1 G2 (iˆs is ) 42  iˆs A11iˆs A12 r B1us G1(iˆs is ) ˆr A21iˆs A22 ˆ r G 2 (iˆs is ) us is Động cơ G1 - is is 1 B1 + p G2 A11 A12 1 A21 r p A22 Mô hình dòng điện Mô hình từ thông Hình 2-19. Tính toán Sau khi đã có cos r s ; sin r , r r theo mô hình quan sát ta tính góc quay từ trƣờng bằng các công thức: r s r r Từ đó ta có đƣợc mô hình toàn bộ hệ thống điều khiển trực tiếp nhƣ sau: Sơ đồ dƣới dạng véc tơ gồm hai nhánh song song: một là động cơ thực tế và một là mô hình quan sát động cơ lấy thông số là dòng điện, điện áp stato, sau khi tính toán đƣợc véc tơ dòng điện stato mẫu is đem so với dòng stato thực tế từ đó tính ra véc tơ từ thông r . Bộ đ/c Ri Bộ đ/c R r uqs* Iqs* * Ids Bộ đ/c Ri * Iqs ua* dq ub* u uc * ds abc dq * is Nghịch lƣu PWM 43 Hình 2-20. Mô hình điều khiển véc tơ kiểu trực tiếp lấy s từ bộ quan sát 2.6. Tổng hợp các bộ điều chỉnh 2.6.1. 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 R3 Fs1 Fs2 Fs3 y Hình 2-21. Cấu trúc tổng quát một hệ điều chỉnh * Đặc tính động của hệ: là đáp ứng của hệ khi lƣợng vào là hàm nhảy cấp 1(t). M - Tốc độ điều chỉnh (gia tốc của hệ thống) bằng w / T v - Độ quá điều chỉnh (mong muốn nhỏ): - Số lần dao động. - Thời gian điều chỉnh: Tđc cần nhỏ % 100 y m w /w 44 y % 2% w s% y Tđc Tv Hình 2-22. Đặc tính quá độ của hệ thống Việc điều chỉnh các thông số trên phụ thuộc lẫn nhau. Ví dụ nếu giảm Tđc sẽ làm tăng %. Vậy phải đƣa ra một sự dung hoà giữa các tiêu chuẩn để có đƣợc hệ thống tối ƣu. Tiêu chuẩn môđun tối ƣu Đặc tính môđun của hàm truyền kín của hệ là một hàm không tăng, không cộng hƣởng và bằng 1 trong dải tần số sao cho rộng nhất. - Hàm không tăng: ) 0 2 - Không cộng hƣởng: - Bằng 1: limH (w 2 ) 2 H( H( ( 2 ) 2 2 0 ) 1 Từ tiêu chuẩn đó muốn mô đun hệ kín là một khâu bậc hai thì hàm chuẩn bậc hai có dạng: Fch 1 1 2T c p 2T c 2 p 2 (tiêu chuẩn mô đun tối ưu) Nếu muốn mô đun hệ kín là một khâu bậc ba thì hàm chuẩn bậc ba có dạng: 1 4T c p Fch 1 4T c p 8T c 2 p 2 8T c 3p 3 (tiêu chuẩn môđun tối ưu đối xứng) H( ) có cộng hƣởng 1 trong đó T c đƣợc chọn sao cho nhỏ nhất để c 1/ T c là lớn nhất. Hàm truyền kín của mỗi c=1/Tc Hình 2-23. Đặc tính tần của hàm truyền kín tối ưu 45 Fs R s môđun dạng: . Nếu đã biết hàm truyền hệ thống Fs ta có thể dựa vào các tiêu 1 Fs R s chuẩn tối ƣu để xác định hàm truyền bộ điều chỉnh Rs . 2.6.2. Tuyến tính hoá mô hình động cơ Hệ phƣơng trình (2.17) mô tả động cơ có độ phi tuyến cao dẫn đến một sơ đồ rất phức tạp và khó có thể tổng hợp mạch theo các phƣơng pháp thông thƣờng. Do vậy, ta phải dùng phƣơng pháp tuyến tính hoá quanh điểm làm việc. Gọi điểm làm việc ổn định của động cơ là điểm có tốc độ 0 ứng mô men tải m0 (và gọi tất cả các thông số tại điểm đó đều có chỉ số dƣới là 0). Hệ thống xê dịch quanh điểm làm việc ổn định một lƣợng rất nhỏ kéo theo tất cả các đại lƣợng cũng đều bị thay đổi một lƣợng rất nhỏ nào đó, ví dụ 0 Thay tất cả các đại lƣợng biến đổi đƣợc vào (2.17): isq m m0 1 T p T 1 T p T isd isq s0 isq isq 0 isd s0 1 L mT r 1 Lm s isd 0 s 1 Ls 1 rd 0 rd usd Lm 1 Ls rd 0 Lm isd rd 1 Lm rd 0 Tr r 3 Lm p ( 2 Lr isq rd 0 r0 isq rd isq 0 rd ) (2.28) Từ đó ta có sơ đồ cấu trúc động cơ đã tuyến tính hoá: usd , 0 m ... ta đƣợc: (1 T r p) mM isq , isq0 T 1. isd Lm 1+T Ls mc rd . 3Lm.pc isq0 2Lr 1+Trp 1 LmTr rd0 r0 s0 1 0 - m Pc pJ usq 46 Hình 2-24. Sơ đồ mô tả động cơ trên hệ toạ độ dq đã tuyến tính hoá quanh điểm làm việc Tổng hợp R isq và R 2.6.3. Sơ đồ trên còn nhiều phức tạp mặc dù đã bỏ bớt khâu nhân và chia. Ta còn phải tiếp tục làm đơn giản bớt bằng các giả thiết sau: Giả thiết điều chỉnh tốc độ động cơ ở mức dƣới tốc độ định mức. Khi đó giống nhƣ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, theo luật từ thông không đổi có 0 . Theo phƣơng trình 2 của (2.28) suy ra rd isd nhánh từ hoá 0. Sau biến đổi (2.28) có dạng: 1 T p isq T 1 r mM Tr 1 Lm isd 0 s Lm 1 usq Ls rd 0 isq rd 0 3 Lm p ( 2 Lr isq ) rd 0 mc usq 1. Ls T - - isq . rd0 1+T p 3Lmpc 2Lr Lm Tr rd0 . m Pc pJ rd 47 Hình 2-25. Sơ đồ cấu trúc khi r = const Biến đổi sơ đồ : mc usq T 1. - Ls isq . 1+T p rd0 3Lmpc A Lmisd0 rd0 Lm 1 . p+D Tr rd0+isd0 B Hình 2-26. Mô hình sau khi đã biến đổi Đặt Lm isd 0 A T rd 0 r B C 1 Lm 3 rd 0 L p2 rd 0 m c 2Lr J isd 0 Pc pJ 2Lr - 1 m C p 48 T 1 T p 1 p D 1 A. 1 T D T T 1 T p (1 A T ) T p A Tổng hợp mạch: mạch điều khiển gồm khâu điều chỉnh tốc độ và khâu điều chỉnh dòng điện. Coi khâu nghịch lƣu có quán tính rất nhỏ, cỡ 1ms (Tnl = 0,001) isq* * usq* Risq R Knl 1. 1+Tnlp 1 Ls C . p+D isq p B Hình 2-27. Tổng hợp các mạch vòng dòng điện và tốc độ Nhận thấy tƣơng tự nhƣ khi tổng hợp mô hình động cơ một chiều, khâu phản hồi B giống khâu phản hồi sức điện động. Mà ta biết quán tính của khâu này thì rất nhỏ so với quán tính cơ nên một cách gần đúng có thể bỏ qua để tổng hợp đƣợc. Fsi K nl Ls (1 T nl p)(D K nl p) Ls (1 T nl p) 1 1 p D Theo tiêu chuẩn tối ƣu mô đun [3] ta có: R isq = 1 p 1 D K 2 nl T nl p Ls D p D K 2 nl T nl p Ls Nhƣ vậy theo luật điều khiển mô đun tối ƣu hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện là: Fki 1 1 2T nl p 2T nl 2 p 2 Để đơn giản bớt cho phần tổng hợp sau ta bỏ bớt thành phần bậc 2 của Fki : 49 Fki 1 1 2T nl p Hàm truyền đối tƣợng của mạch vòng tốc độ R s : Fs 1 1 C 2T nl p p Đối với mạch điều chỉnh tốc độ, do quán tính của hệ thống lớn nên khi tổng hợp theo chuẩn tối ƣu ta không thể đặt hằng số T c cỡ mili giây nhƣ khi áp dụng cho mạch vòng dòng điện đƣợc. Nếu đặt T c quá nhỏ sẽ gây hai bất lợi: thứ nhất để tốc độ ổn định từ 0 tới định mức trong khoảng thời gian mili giây thì dòng sinh mô men lúc đó phải có giá trị rất lớn, cỡ vài nghìn ampe, điều này không thể chấp nhận đƣợc. Thứ hai là tín hiệu đặt của mạch vòng dòng điện là tín hiệu đầu ra của mạch vòng tốc độ. Nếu tần số dao động của mạch vòng ngoài đƣa vào cũng xấp xỉ tần số dao động của mạch vòng trong thì hệ thống dễ mất ổn định. Ta phải làm sao cho chu kỳ dao động của mạch vòng trong rất nhỏ so với mạch vòng ngoài thì hệ kín mới đảm bảo ổn định đƣợc. Áp dụng tiêu chuẩn mô đun tối ƣu đối xứng cho mạch vòng tốc độ ta đƣợc: Fs R 1 Fs R Fch Fs R Fch 1 Fch 1 4T c p 1 C R 1 2T nl p p 8T c 2 p 2 8T c 3p 3 (1 2T nl p )(1 4T c p ) 1 1 2T nl p 1 4T c p R C 8T c 2 p 1 T c p C 8T c 2 p(1 T c p ) Nếu đơn giản chỉ lấy R là khâu PI, thì R 2.6.4. 1 2(T nl 2T c )p C 8T c 2 p Tổng hợp Risd Để giảm bớt phức tạp trong việc tổng hợp ta dựa vào lý luận sau: Khi khởi động ta làm theo quy trình nhƣ máy điện một chiều: sau khi ổn định việc cấp nguồn phía kích từ isd xong mới cấp mô men quay isq nên có thể coi khi đƣa isd vào thì mạch phía phần ứng chƣa có hoạt động. Nhờ vậy ta có thể bỏ qua ảnh hƣởng của phía phần ứng trong quá trình khởi động. Lúc đó mạch (2.23) có dạng: mc isd usd T 50 Hình 2-28. Nhánh kích từ của mô hình động cơ trên hệ toạ độ dq isd usd Knl Risd 1+Tnlp 1. T Ls 1+T p isq0 3Lmpc2 . Lm 1 LmTr . 1+Trp r0 2Lr J.p isq 0 rd 0 isq0 Hình 2-29. Biến đổi nhánh kích từ Đơn giản bớt và lấy Fsi Suy ra R isd T p 1 2K nl 2.7. T 1 1 T nl p Ls 1 T p K nl T T p Ls nl K nlT Ls 1 (1 T nl p )(1 T p ) theo hàm chuẩn bậc hai. Bộ quan sát từ thông Trong phần này ta sẽ xây dựng bộ quan sát từ thông thích nghi mới của động cơ KĐB cho điều khiển trong dải tốc độ rộng. 51 Một động cơ KĐB đƣợc mô tả bằng phƣơng trình trạng thái nhƣ sau: _ _ d is dt _ A11 A12 is B1 A 21 A 22 _ 0 r _ (2.29) us r viết gọn: X is AX CX Bus (2.30) trong đó: _ is _ is is 1 Ts 1 Lm 1 I Tr B1 us us r J ar 12I a112J ar 21I 1 I J r Tr 1 I b1I Ls A 22 us ar 11I Tr 1 I Tr Lm A 21 C r , r A11 A12 _ r , ar 22I a122J I 0 A A11 A21 A12 A22 I 1 0 0 1 J 0 1 a r11 0 a r 21 0 0 a r11 0 a r 21 a r12 a122 a r 22 a122 a112 a r12 a122 a r 22 1 0 Mô hình quan sát đủ bậc trong đó tính toán cả dòng stato và từ thông rôto đƣợc xây dựng theo phƣơng trình: 52 Xˆ A Xˆ Bus d iˆ dt ˆ r G ( iˆs _ is ) A11 A12 A 21 A 22 iˆ ˆr B1 u 0 s G1 ( iˆ G2 s _ (2.31) is ) trong đó ký hiệu ^ chỉ giá trị tính toán đƣợc. Chất lƣợng tính toán từ thông rôto bao gồm độ chính xác tĩnh và thời gian hội tụ từ thông tính toán về giá trị thực (chế độ động). Chất lƣợng này sẽ góp phần quan trọng nâng cao chất lƣợng điều chỉnh của hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ KĐB không dùng cảm biến tốc độ. Mô hình quan sát đƣợc thiết kế thoả mãn hai chỉ tiêu: độ chính xác tĩnh cao và thời gian hội tụ đủ bé. Chỉ tiêu thứ hai có nghĩa là các thông số sẽhội tụ về giá trị thực của động cơ trong thời gian đủ nhỏ mà không làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng động của toàn hệ thống. Trong phƣơng trình (2.31), G là một ma trận trọng số dùng để bù sai lệch giữa các thông số thực của động cơ và các thông số trong mô hình quan sát sao cho mô hình quan sát mô tả các thông số động cơ giống thực tế nhất. Phƣơng pháp lựa chọn G : vì động cơ là đối tƣợng ổn định, nghiệm cực của phƣơng trình mô tả động cơ luôn nằm ở phía trái mặt phẳng phức nên để mô hình quan sát hoạt động ổn định ta phải lựa chọn G nhƣ sau: chọn G sao cho nghiệm cực của phƣơng trình quan sát tỷ lệ với nghiệm cực của phƣơng trình trạng thái mô tả động cơ theo một hệ số dƣơng. Nếu mô hình quan sát có nghiệm cực tỷ lệ nhƣ vậy với nghiệm cực của động cơ thì có nghĩa là mô hình quan sát có nghiệm cực cũng nằm ở phía bên trái trục ảo của mặt phẳng phức (phần thực của nghiệm có giá trị âm). Nhƣ vậy mô hình quan sát làm việc ổn định. Các bƣớc tính toán để xác định các phần tử của ma trận G : Tìm các nghiệm cực của phƣơng trình trạng thái biểu diễn động cơ. Giải phƣơng trình trạng thái của khâu quan sát để tìm nghiệm cực của mô hình, trong đó có chứa các phần tử của ma trận G nhƣ là các ẩn số. Cho nghiệm cực của mô hình quan sát tỷ lệ với nghiệm cực của động cơ theo một hệ số tỷ lệ k dƣơng bất kỳ. Từ đó tính ra từng phần tử ma trận G theo k. Sau khi đã tìm đƣợc G ta sẽ tiến hành hiệu chỉnh hệ số k sao cho các đại lƣợng quan sát đƣợc ở mô hình quan sát là isa , isb, ra , rb có giá trị gần đúng với các đại lƣợng của động cơ, sai lệch giữa chúng ở cả chế độ tĩnh và chế độ động là nhỏ nhất. Việc tìm hệ số tỷ lệ k sao cho phù hợp nhất sẽ đƣợc thực hiện ở chƣơng 3 khi sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab-Simulink. Mô hình quan sát đã nêu ở trên có cấu trúc nhƣ hình vẽ, trong đó G đóng vai trò hiệu chỉnh. 53 us is ĐC KĐB (-) C B ^ is ^ A G Hình 2-30. Mô hình tổng quát bộ quan sát từ thông rôto Nếu tách riêng mô hình quan sát thành hai khâu: khâu quan sát dòng điện và khâu quan sát từ thông thì bộ quan sát sẽ có cấu trúc nhƣ hình 2-31: us is Động cơ G1 - is B1 1 p is + G2 A11 A12 Mô hình dòng điện 1 p A21 r A22 Mô hình từ thông Hình 2-31. Mô hình dòng điện stato và từ thông rôto trong bộ quan sát Theo (2.31), G là một ma trận độ rộng 4 x 2 trong đó giả thiết các phần tử của nó nhƣ sau: G g1 g2 g5 g6 g3 g7 g4 g8 54 Tới đây ta phải giải tìm G : theo phân tích đã nói ở trên ta lần lƣợt giải tìm nghiệm cực của động cơ và mô hình. Phƣơng trình trạng thái mô tả động cơ (2.30), viết lại dƣới dạng pX AX pI Bu s A X (2.32) Bu s Từ đó rút ra phƣơng trình đặc tính: (2.33) pI A p 0 a11 a12 0 p a 21 a 22 p 0 a11 a12 a 21 (p p p a11)( p 2 0 (a11 0 a 22 a 22 ) a12a 21 a 22 )p a11a 22 0 a12a 21 0 Phƣơng trình đặc tính này có 2 ma trận nghiệm p1, p 2 thoả mãn điều kiện: p1 p2 p1p2 a11 a11a 22 a 22 (2.34) a12a 21 Tìm nghiệm cực của mô hình quan sát: Lấy (2.32) - (2.31) đƣợc: _ _ p(X - Xˆ ) _ A (X - Xˆ ) G ( iˆs - is ) _ pE AE G ( iˆs - is ) _ pE AE G (is iˆs ) pE AE GC (X - Xˆ ) pE AE GCE _ [pI (A GC )]E 0 Phƣơng trình đặc tính của nó có dạng: pI ar 11 A GC a '11 a '12 a ' 21 a '22 g1 g2 ar 21 g5 ar 11 g3 g4 A g7 ar 21 GC ar 12 a112 a112 ar 12 ar 22 a122 g8 a122 ar 22 g6 Khi đem giải nhƣ giải phƣơng trình (2.33) đƣợc dạng p2 a’11 a’22 p a’11a’22 a’12a’21 0 0 trong đó: 55 Giả sử phƣơng trình này cũng có 2 nghiệm cực p1’, p2’ tỷ lệ dƣơng với nghiệm cực của phƣơng trình trạng thái mô tả động cơ p1, p 2 : p1’ kp1 p2’ kp 2 k 0 Tổng và tích hai nghiệm p1’, p2’ đƣợc rút ra từ phƣơng trình trên: p1’ p2’ a’11 a’22 p1’p2’ a’11a’22 a’12a’21 (2.35) Có thể suy ra đƣợc p1’ p2’ k p1 p1’ p2’ k 2 p1p 2 p2 Từ (2.34) và (2.35) suy ra: a’11 a’22 a’11a’22 k a11 k 2 a 22 (2.36) a11a 22 Phƣơng trình thứ nhất của (2.36) tƣơng đƣơng: ar 11 g1 a122 ar 22 a122 g2 ar 11 g5 g6 ar 22 k ar 11 ar 22 a122 a122 ar 11 ar 22 Đồng nhất từng phần tử của hai ma trận ở hai vế ta đƣợc: ar 11 g1 a122 ar 22 g5 k ar 11 k ar 22 a122 a122 g2 k a122 ar 11 g6 ar 22 k ar 11 ar 22 Từ 4 phƣơng trình đó rút ra kết quả: g1 g2 g6 g5 k 1 ar 11 k 1 ar 22 (2.37) a122 Phƣơng trình thứ 2 của (2.36) tƣơng đƣơng: (ar 11 g1)ar 22 g5a122 ar 12 (ar 21 g3 ) a112g4 (ar 11 g1)a122 ar 22g5 ar 12g7 a112 (a r 21 g8 ) ar 22g2 (ar 11 g6 )a122 a112 (ar 21 g3 ) ar 12g4 a122g2 (ar 11 g6 )ar 22 a112g7 a r 12 (a r 21 g8 ) k2 ar 11ar 22 ar 11a122 ar 12ar 21 a112ar 21 ar 11a122 a112ar 21 ar 11ar 22 ar 12ar 21 Đến đây lại sử dụng phƣơng pháp đồng nhất ma trận nhƣ đã làm ở trên ta đƣợc: 56 g1 g6 g2 g5 g3 g4 g8 g7 (2.38) (ar 11 g1)ar 22 g5a122 ar 12 (ar 21 g3 ) a112g4 k 2 (ar 11ar 22 ar 12a r 21 ) ar 22g2 (ar 11 g6 )a122 a112 (ar 21 g3 ) ar 12g4 k 2 (ar 11a122 a112a r 21 ) Kết hợp (2.37) trong khi giải hệ gồm phƣơng trình 3 và 4 của (2.38) [ar 11 (k (k 1)(ar 11 1)a122ar 22 ar 22 )]ar 22 [ar 11 (k 2 1)a122 (k 1)(ar 11 ar 12 (ar 21 ar 22 )]a122 k 2 (ar 11ar 22 g3 ) a112g4 a112 (ar 21 ar 12ar 21) k 2(ar 11a122 g3 ) ar 12g4 a112ar 21) Hệ trên tƣơng đƣơng: kar 11ar 22 (k (k 1)a122ar 22 1)ar222 2 1)a122 (k kar 11a122 (k ar 12ar 21 1)ar 22a122 ar 12g3 a112ar 21 k 2 (ar 11ar 22 a112g4 a112g3 ar 12g4 ar 12ar 21) 2 k (ar 11a122 a112ar 21 ) Rút gọn: ar 12g3 a112g4 (k 2 k )ar 11ar 22 (k 2 1)ar 12ar 21 (k a112g3 ar 12g4 (k 2 k )ar 11a122 (k 2 1)a112ar 21 2(k 1)(ar222 2 a122 ) 1)ar 22a122 (2.39) Từ (2.39) lấy phƣơng trình thứ nhất nhân với ar12 cộng với phƣơng trình thứ hai nhân với a112 ta đƣợc phƣơng trình (ar212 2 a112 )g3 (k 2 k )ar 11(ar 22ar 12 (k 2 a112a122 ) (k 1)ar 21(ar212 2 a112 ) Xét các định nghĩa: A12 A 22 1 Lm 1 I Tr 1 I Tr r r J Nhận thấy nếu đặt c ar 22 car 12 a122 ca112 J ar 22I ar 12I a112J a122J sLm / (1 s ) thì Thay vào phƣơng trình trên đƣợc: 1)(ar222ar 12 2 a122 ar 12 2ar 22a122a112 ) 57 (ar212 2 a112 )g3 (k 2 k )ar 11(( car 12 )ar 12 (k 2 (ar212 2 a112 )g3 c(k 2 (k 2 g3 (k 2 g3 k )car 11 1)(car 11 1)ar 21(ar212 k )ar 11(ar212 (k 2 (k a112 ( ca112 )) (k 1)c 2ar 12 ar 21) c(k 2 a122 2ca122a112 ) 2 a112 ) 2 a112 ) (k 1)ar 21(ar212 1)a r 12(a r222 1)ar 12 (ar222 2 a122 2 2a122 ) 2 a112 ) (k 2 1)(ar 11 1)ar 21 ar 22 ) Thay trở lại g3 vào phƣơng trình thứ 2 của (2.39) đƣợc: a112 [ (k 2 k )car 11 1)c 2ar 12 (k (k 2 k )ar 11a122 (k 2 g4 (k 1)ca122 (k 2 1)ar 21 ] ar 12g4 1)a112ar 21 Vậy ta đã tìm đƣợc ma trận G G g1 g2 g3 g4 g2 g1 g3 g4 T trong đó: 2.8. g1 k 1 ar 11 g2 k 1 a122 g3 k2 g4 c k ar 22 1 car 11 ar 21 k 1 c ar 11 ar 22 1 a122 Kết luận chƣơng 2 Chƣơng 2 đã trình bầy mô hình toán học của động cơ KĐB 3 pha trong không gian véc tơ và các cấu trúc, phƣơng pháp điều khiển véc tơ động cơ KĐB. Tổng hợp các bộ điều chỉnh tham số động động cơ KĐB trên mô hình toán học của động cơ KĐB trong không gian véc tơ. 58 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTƠ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ - MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB/SIMULINK Equation Chapter 3 Section 3 Sensor tốc độ không đƣợc sử dụng trong hệ thống điều khiển đơn giản, điều khiển trong các môi trƣờng không thích hợp hoặc khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao. Khi đó bộ quan sát từ thông với thuật toán thích nghi thông số sẽ lấy tốc độ tính toán đƣợc làm thông số. Trong trƣờng hợp này, công thức tính toán đánh giá tốc độ đƣợc tìm bằng cách sử dụng thuyết Lyapunov trong việc chứng minh sự ổn định của mô hình quan sát. 3.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển véc tơ không dùng cảm biến tốc độ Trong sơ đồ trƣớc ta xác định tốc độ động cơ bằng máy phát tốc độ. Nhƣng việc đo trực tiếp có thể gây khó khăn cho việc lắp ráp và cồng kềnh, bất tiện cho ngƣời vận hành. Từ đó nảy sinh ý tƣởng đặt khối tính tốc độ ngay trong biến tần để hệ thống gọn nhẹ, ngƣời sử dụng chỉ cần nối nguồn cấp vào động cơ, đặt tham số là có thể vận hành. Máy phát tốc đƣợc thay thế bằng khối tính toán tốc độ. Khối này sẽ tính tốc độ rôto, từ thông rôto từ dữ liệu đầu vào là dòng điện và điện áp pha stato. Bộ đ/c Ri Bộ đ/c R Iqs* * r uqs* Bộ đ/c Ri Ids* ua* dq Nghịch lƣu PWM ub* uds* uc* Iqs abc dq is Ids abc us Khối tính toán tốc độ ĐK Hình 3-1. Hệ thống điều khiển không sử dụng cảm biến tốc độ. Giả sử các thông số Rs và Rr của động cơ không thay đổi trong quá trình làm việc, còn tính tốc độ vẫn còn sai lệch, mô hình quan sát sẽ đƣợc biểu diễn nhƣ sau: 59 d ˆ X dt Aˆ Xˆ G (iˆs Bus is ) trong khi mô hình động cơ là: . X is AX CX Bus Sai lệch trong tính toán dòng stato và từ thông rôto đƣợc mô tả bằng phƣơng trình sau: d E dt GC)E- A Xˆ (A trong đó: E Xˆ X A Aˆ 0 A J /c 0 J c Lm / 1ˆ Chọn hàm Lyapunov nhƣ sau: V (ˆ ET E Trong đó )2 là một hằng số dƣơng bất kỳ. Đạo hàm theo thời gian của V sẽ là: d V dt W W W W E T E A ET A ET ET E A Xˆ GC E ET A A d ˆ dt 2 T GC GC GC T Tính riêng thành phần E A Xˆ A Xˆ E T T A 2 ˆ E T T GC A Xˆ ET A E E T A E A Xˆ ET GC E GC E T E 2 A Xˆ GC E ET E T A d dt ET A Xˆ : A Xˆ d ˆ dt 2 A Xˆ ET d ˆ dt 2 A Xˆ 2 d ˆ dt d ˆ dt 60 ^ 0 0 A Vì 0 0 0 0 0 0 J /c J /c is 0 0 /c is ^ và X 0 0 0 eids eiqs ^ ,E ^ e e r ^ 0 r r r ^ Trong đó: eir ir ^ ir , eir ir ^ ir , e r r ^ A Xˆ T A Xˆ ET E r r r r r ^ c eids eiqs e dr e qr T r ^ . ^ ^ eis r c r ^ 2 r c e r eis r e r r ^ ^ r r r ^ r eis r eis ^ Vậy W r ^ r c r ^ ^ r ^ 2 eis ^ eis r ^ r r ^ ^ r 2 r ^ eids e . iqs e dr e qr ^ c r T ^ nên ^ , e E T (A GC )T (A GC ) E ^ (trong đó eis is 2 (eis ^ eis r 2 ) r d ˆ dt c ^ is , eis is is ) Ma trận khuếch đại G đã đƣợc tính sao cho (A+GC) âm, vậy số hạng thứ nhất của đạo hàm sẽ là âm. Nếu cho tổng các số hạng còn lại bằng không thì đạo hàm của V sẽ xác định âm, mô hình quan sát từ thông có thích nghi tốc độ sẽ ổn định. ^ Cân bằng hai số hạng còn lại ta đƣợc: ˆ (eis ^ eis r r ) c Tốc độ động cơ có thể thay đổi rất nhanh. Vì vậy thực tế cần sử dụng sơ đồ tính tốc độ có thêm khâu tỷ lệ và tích phân đê cải thiện việc bám theo tốc độ thực: ^ ˆ K p (eis ˆP ˆI r ^ eis r ^ ) K I (eis r ^ eis r )dt (3.1) 61 trong đó KP và KI là các hệ số khuếch đại dƣơng bất kỳ. us is ĐC KĐB ^ r B C - + ^ is ^ A ^ Thuật toán tính toán tốc độ G Hình 3-2. Mô hình hệ thống kông dùng cảm biến tốc độ ở dạng véc tơ. Thông số đo đƣợc từ động cơ ids iqs ^ ^ ^ Mô hình quan sát đủ bậc ids - KP - ^ ^ iqs - P qr KI ^ ^ I p dr khối tính tốc độ Hình 3-3. Cấu trúc khối tính tốc độ 3.2. Đánh giá ổn định của khâu tính toán tốc độ Sự ổn định của khâu tính toán tốc độ này đƣợc thử nghiệm bằng thuyết Lyapunov. Phƣơng pháp trực tiếp Lyapunov để khảo sát ổn định hệ điều khiển phi tuyến: Còn gọi là phƣơng pháp thứ hai của Lyapunov đƣợc xây dựng từ cuối thế kỷ XIX. Sở dĩ gọi là phƣơng pháp thứ hai vì phƣơng pháp thứ nhất là phƣơng pháp gián tiếp để giải nghiệm phƣơng trình vi phân và dựa vào nghiệm phƣơng trình vi phân để phân tích 62 ổn định. Phƣơng pháp thứ hai này xét ổn định trực tiếp từ phƣơng trình vi phân mà không cần giải nghiệm của chúng. Cả hai phƣơng pháp này đều đƣợc đánh giá là những công trình toán học nổi tiếng của Lyapunov. Nó đƣợc ứng dụng trong toán học, điều khiển học, cơ học và nhiều lĩnh vực khác. Một hệ điều khiển hay một hệ động lực học nói chung đều đƣợc biểu diễn bằng một phƣơng trình côsi dạng: dx1 dt dx 2 F1(x1, x 2,...., x n ) F2 (x1, x 2,...., x n ) dt .................................... dx n Fn (x1, x 2,...., x n ) dt (3.2) Nội dung của phƣơng pháp Lyapunov thứ hai: Dựa vào mối liên hệ của các hàm F1, F2,..., Fn đƣợc xây dựng khi xây dựng hàm Lyapunov. Dựa vào dấu của hàm Lyapunov và đạo hàm của hàm Lyapunov để xác định tính ổn định của hệ thống. Hàm Lyapunov và đạo hàm của nó: Hàm V x1, x 2, ..., x n và V 0 tại x1 x2 ... xn 0 đƣợc gọi là hàm Lyapunov. Đạo hàm của hàm V : dV dt dV dt V dx1 V dx 2 V dx n ....... x1 dt x 2 dt x n dt dV V V V F1 F2 ....... F dt x1 x2 xn n W (x1, x 2,....x n ) Biểu thức W cũng là một hàm phụ thuộc (x1, x 2,....x n ) . Nếu x1 thì W dV / dt x2 ... xn 0 0 hay nói cách khác W (x1, x 2,....x n ) cũng là một hàm Lyapunov. Do vậy hàm W (x1, x 2,....x n ) cũng cần phải đƣợc xác định dấu của nó trong một miền lân cận bao quanh gốc O. Việc xét tƣơng quan dấu của hàm V với dấu của hàm W sẽ đƣa đến các định lý về tính ổn định của hệ phƣơng trình vi phân phi tuyến. Định lý Lyapunov về ổn định của hệ phi tuyến: 63 “Ứng với hệ phƣơng trình phi tuyến đã cho của một hệ điều khiển n biến x1, x 2, ..., x n mà ta chọn đƣợc một hàm Lyapunov V (x1, x 2, ..., x n ) để sao cho đạo hàm theo thời gian của nó dV dt cũng có dấu xác định (hoặc dấu bất x1, x 2, ..., x n biến) nhƣng dấu của W ngƣợc với dấu của V thì hệ thống phi tuyến là ổn định ” Theo định lý trên ta chọn một hàm V nhƣ sau: Lm ET E V Ls Lr K I ( ˆI )2 Đạo hàm V theo thời gian có sử dụng (32) đƣợc: ^ . V E T A T A E 2K p Lm (eis r ^ eis r )2 Ls Lr V xác định dƣơng và đạo hàm của V xác định âm, vì vậy mô hình bộ quan sát từ thông sử dụng thuật toán tính toán thích nghi tốc độ có sơ đồ nhƣ hình 3-3 sẽ ổn định. 3.3. Mô phỏng bộ điều khiển véc tơ trên Matlab/Simulink 3.3.1. Tính toán các thông số động cơ Trong phần này sẽ mô phỏng để kiểm nghiệm sự đúng đắn trong các tính toán ở chƣơng trƣớc với một động cơ có bảng thông số nhƣ sau: Thông số Giá trị Công suất định mức Pđm 2,2 kW Số đôi cực 2pc 4 Dòng từ hoá isd 5A Từ thông định mức đm 0,25 Wb Điện trở stato Rs 1,26 Điện trở rôto Rr 0,2 Điện cảm từ hoá Lm 50 mH Mômen quán tính J 0,017 kgm2 Điện cảm rò phía stato Ls 4,7 mH Điện cảm rò phía rôto Lr 4,7 mH Tính toán các đại lƣợng cần thiết cho việc mô phỏng Điện cảm stato và rôto: Ls Lr Ls Lm 54, 7 mH 0, 0547 H 64 Hằng số thời gian rôto: T r Lr / R r 0, 2735 Hằng số thời gian stato: T s Ls / R s 0, 0434 2 Hệ số tản từ: Lm Ls .Lr 1 0,1645 Các hệ số khác sử dụng trong việc lập mô hình động cơ: 1 101, 6074 Lm 1 Ls 1 T Tr 111, 1585 1 Ts 1 140, 1007 18, 5754 Tr 158, 6761 T 0, 0063 5, 47 Lm 1 Tr 3pc Lm 3, 6563 2, 7422 2Lr pc 117, 6471 J Bộ nghịch lƣu: tuỳ thuộc vào tỷ lệ điện áp điều khiển, điện áp ra và độ trễ khi thực hiện chuyển đổi lệnh điều khiển mà ta có các thông số Knl, Tnl. Giả sử quán tính bộ nghịch lƣu là 1ms tức 0,001 giây, khi điện áp vào là 10V thì điện áp ra là 220V tức là Tnl =0,001 và Knl = 220/10=22 A Lm isd 0 3, 6563 T rd 0 r B C D 1 rd 0 Lm 3 L p2 rd 0 m c 2Lr J 1 T A isd 0 30, 4018 80, 6563 162, 3324 Bộ điều chỉnh tốc độ: R 1 1 2T nl p 1 4T c p C 8T c 2 p 1 T c p 65 1 2 T nl Dạng đơn giản hoá R 2T c p C 8T c 2 p Nếu lấy T c 0, 1s thì R Rút gọn R 0, 0124 0, 0124 1 0, 402p 0, 08p 1 0, 002p 1 0, 4p 0, 08 p 1 0, 1p T p Bộ điều chỉnh dòng isd : R isd 1 0, 402p 0, 08p 1 0, 402p 6, 4516p p D K 2 nl T nl p Ls Bộ điều chỉnh dòng isq : R isq 0, 0124 2K nl T Ls 162, 3324 p 4, 891p 1 T nl p 1 0, 0062p 0, 03013p 1 0, 0063p 0, 0308p Vì quá trình tìm hàm truyền của các bộ điều chỉnh R isd , Risq , R đều dựa trên các giả thuyết, đơn giản hóa và làm tròn nên kết quả tính toán sẽ chỉ là giá trị gần đúng. Do vậy ta sẽ lần lƣợt kiểm nghiệm và hiệu chỉnh các bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ, sau đó mới mô phỏng hệ thống biến tần - động cơ KĐB với các bộ quan sát, tính toán khác. 3.3.2. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh dòng Risd isd Mc Scope 0.0063s+1 22 0.0308s 0.001s+1 Risd Nghich luu Step 0 111.1585 1 oLs 0.0063 0.05 0.0063s+1 3.2735s+1 Risd1 Risd2 0.1 2.7422 117.6471 s Isq0 Isq1 371.5071 Isq2 0.1 Isq3 0.1 Isq4 Hình 3-4. Sơ đồ mô phỏng trong Simulink kiểm nghiệm bộ điều chỉnh dòng Risd Kết quả: Risd3 66 6 5 Dong isd 4 3 2 1 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Thoi gian (s) 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Hình 3-5. Đồ thị dòng isd với giá trị cuối của hàm Step là 5 Nhận xét: độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ của dòng isd rất nhỏ, phù hợp với mong muốn, Tqd 3.3.3. 0, 02 s và có thể bỏ qua khi xét trong toàn bộ hệ thống. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh dòng Risq isq Scope Mc Step 0.0062s+1 22 0.03013s 0.001s+1 Transfer Fcn Transfer Fcn1 111.1585 0.0063 Gain 0.25 2.7422 0.0063s+1 117.6741 s Transfer Fcn2 Gain1 Gain2 0.7313 Gain3 Gain5 5 25.4018 Gain4 Hình 3-6. Kiểm nghiệm bộ điều chỉnh Risq Kết quả: 0 Transfer Fcn3 67 12 10 Dong isq 8 6 4 2 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Thoi gian (s) 0.14 0.16 0.18 0.2 Hình 3-7. Đồ thị dòng isq với giá trị cuối của hàm step là 10 Nhận xét: độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ của dòng isq rất nhỏ, phù hợp với mong muốn khi tổng hợp mạch vòng, Tqd 3.3.4. 0, 02 s . Thử nghiệm với bộ điều chỉnh tốc độ isq Mc Scope Step 0.402s+1 0.0062s+1 22 6.4516s 0.03013s 0.001s+1 Transfer Fcn4 Transfer Fcn Transfer Fcn1 111.1585 Gain 0.0063 0.25 2.7422 0.0063s+1 117.6741 s Transfer Fcn2 Gain1 Gain2 0.7313 Gain3 5 Gain5 25.4018 Gain4 wr Scope1 Hình 3-8. Mô hình Simulink kiểm tra bộ điều chỉnh tốc độ R Kết quả: 10 Transfer Fcn3 wr 68 Khi không tải: 7 140 6 120 5 100 Toc do Dong isq 4 3 80 60 2 40 1 20 0 -1 0 2 4 6 Thoi gian (s) 8 0 10 0 2 Hình 3-9. Dòng isq và tốc độ Khi tải M C 4 6 Thoi gian (s) 8 10 khi không tải 10 Nm 150 18 16 100 14 Toc do Dong isq 12 10 8 50 0 6 4 -50 2 0 -100 0 2 4 6 Thoi gian (s) 8 10 0 Hình 3-10. Dòng isq và tốc độ 2 4 6 Thoi gian (s) 8 10 khi có tải Nhận xét: do quán tính cơ của hệ thống nên khi tổng hợp mạch, để tránh sự quá tải dòng ta phải cho thời gian ổn định của hệ thống lớn. Tốc độ ổn định sau thời gian 3 s và không phụ thuộc vào tải. dòng khi không tải bằng không, khi có tải 10 Nm là 15 A. Nhận thấy thời gian ổn định của hệ thống không đổi, không phụ thuộc tải. Tốc độ động cơ không bị sụt chứng tỏ mô men động cơ sinh ra đủ lớn để kéo đƣợc tải. 69 Mô phỏng mô hình hệ thống trên toạ độ dq 3.3.5. Đặt dòng kích từ isd 5 A , tốc độ 100 đƣợc đặt vào sau 0,2 s 10 Mc W Uds Isd Uqs Isq Mc 0.0063s+1 22 0.0308s 0.001s+1 Step Risd1 Nghich luu2 0.402s+1 0.0062s+1 22 6.4516s 0.03013s 0.001s+1 Rw1 Risq1 Nghich luu3 isd Step1 Scope Dong co Hình 3-11. Kiểm nghiệm các bộ điều chỉnh trên mô hình động cơ Trong đó mô hình động cơ nhƣ đã lập ở mục 2.3.2 2 111.1585 0.0063 Uds 1 oLs Isd 1 Mc Wrd 0.05 0.0063s+1 0.2735s+1 To 1+To.p Lm 1+Tr.p 1 Tr 2 Isd 2.7422 101.6074 3LmPc 2Lr 1-o oLm 3.6563 Product2 u Product fcn y MATLAB Function W Product3 Wr Divide Ws 0.0063 3 111.1585 Uqs 1 oLs1 0.0063s+1 117.6471 s Product1 Isq 3 Isq To 1+To.p1 Hình 3-12. Mô hình động cơ trên toạ độ dq Pc J.p 1 W 70 Kết quả mô phỏng: - Khi không tải: 6 8 5 6 140 120 100 3 4 Toc do Dong isq Dong isd 4 2 80 60 2 40 0 1 0 20 -2 0 2 4 6 Thoi gian (s) 8 10 0 2 4 6 Thoi gian (s) 8 0 10 0 2 4 6 Thoi gian (s) 8 10 Hình 3-13. Đồ thị các dòng điện và tốc độ của động cơ với bộ điều chỉnh đã chọn khi không tải 10 Nm 6 30 200 5 25 150 4 20 3 2 100 50 15 Toc do Dong isq Dong isd Khi có tải M C 10 0 -50 1 5 -100 0 0 -150 -1 -5 0 2 4 6 Thoi gian (s) 8 10 -200 0 2 4 6 Thoi gian (s) 8 10 0 2 4 6 Thoi gian (s) 8 10 Hình 3-14. Đồ thị khi có tải Kết quả thu đƣợc là hệ thống ổn định sau 3 s, kể cả khi không tải lẫn có tải. Khi tải MC 10 Nm dòng isq (thành phần tạo mô men) là 15 A, có giá trị cao nhất là 27,5 A chỉ trong thời gian 1 s không ảnh hƣởng nhiều đến tuổi thọ động cơ. Vả lại có thể giảm bớt giá trị này bằng cách thay đổi thông số của khâu bão hoà. Việc tốc độ động cơ giảm về âm trong đồ thị chỉ đúng với tải thế năng, còn đối với tải phản kháng, đoạn này trên đồ thị sẽ có giá trị là 0. Nhƣ vậy, với kết quả mô phỏng trên, ta đã chứng tỏ các lập luận khi tính toán các bộ điều chỉnh là đúng. 71 3.3.6. Mô hình toàn bộ hệ thống không dùng cảm biến tốc độ Mc W Uds Isd Uqs Isq Step2 Step1 0.0063s+1 22 0.0308s 0.001s+1 Step Risd1 Nghich luu2 0.402s+1 0.0062s+1 22 6.4516s 0.03013s 0.001s+1 Rw1 Risq1 Nghich luu3 Scope w Scope4 Dong co Ud IsQS FlrQS Uq WQS Id IsDC Iq teta Khoi tinh toan Hình 3-15. Hệ thống điều khiển động cơ không dùng cảm biến tốc độ Hệ thống điều khiển véc tơ động cơ KĐB gồm: động cơ thực đã đƣợc mô hình hoá, có đầu vào từ các bộ điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh dòng điện qua nghịch lƣu. Các tín hiệu đo đƣợc là dòng và áp đƣợc đƣa vào khâu tính tốc độ. Cấu trúc khối tính tốc độ: gồm một mô hình quan sát và một khâu tính tốc độ động cơ từ dòng động cơ, dòng tính toán và từ thông rôto. Ngoài ra còn có các bộ chuyển đổi toạ độ từ hệ toạ độ quay dq sang hệ toạ độ tĩnh và một khối tính góc quay từ trƣờng từ r . Khâu quan sát sẽ đƣa kết quả tính đƣợc gồm is và còn dùng để tính góc quay từ thông rôto . dq r sang khối tính tốc độ và r phục vụ cho các bộ chuyển đổi toạ độ Trong các tính toán chƣơng trƣớc, khi tính tốc độ, từ thông đều có các hằng số dƣơng tuỳ chọn là k , K P , K I . Hằng số k cho ma trận điều chỉnh sai lệch G , còn K P , K I là các hệ số khuếch đại và hằng số tích phân cho công thức tính tốc độ. 72 dq/ab 1 d anpha Ud 2 q Us Uq beta 1 IsQs 0s IsQS Is dq/ab1 3 d anpha Id W 4 q IsDC Iq 2 FlrQs beta 0s IsQS FlrQS W k 1.16 FlrQS Khauquansat k khoitinhtocdo 0r Flr 3 WQS tinhgocquaytuthongrotor 4 5 IsDC teta Hình 3-16. Sơ đồ tổng quát khối tính các thông số is, r và Khâu quan sát có cấu trúc: Xˆ A Xˆ Bu G (iˆ i ) s s s IsQS 1 Demux 2 Us 1 FIrQS K*u 1 s B Is 2 K*u C A X AX w 3 W G Is G.Is k w k 4 Hình 3-17. Sơ đồ khối của khâu quan sát Trong đó các ma trận: B B1 0 B1 1 I Ls C Nhập I b1I 111, 1585I 0 ma trận B = [111,1585 0; 0 111,1585; 0 0; 0 0] 73 ma trận C = [1 0 0 0; 0 1 0 0] Ma trận A là một khâu tính toán A11 A A12 is A11is A12 r r A 21is A 22 r A 21 A 22 1 Ts A11 1 A12 Lm Lm A 21 Tr 1 1 I Tr I 1 I Tr A 22 ar 11I Tr ar 21I r J r J 158, 6761I ar 12I a112J 371, 5079I 101, 6074 J 0, 1828I ar 22I a122J 3, 6563I J K*u A11 1 AX Is K*u 1 A21 X Ur Ur A12Ur W A12 Ur A22Ur 2 W W A22 Hình 3-18. Cách lập khối tính tích ma trận AX Nhập: A11 = [-158,6761 0; 0 A21 = [0,1828 A12 r ar 12I 0; 0 a112J r -158,6761] 0,1828] 371, 5079I 101, 6074 J r 74 1 K*u 1 Ur A12Ur 371.5079.I K*u 2 W Product 101.6074.J Hình 3-19. Khối tính tích A12 A22 r ar 22 a122 3, 6563I r 1 J r r K*u 1 Ur A22Ur 3.6563.I K*u 2 W Product J Hình 3-20. Khối tính tích A22 r Ma trận G đƣợc thiết kế nhƣ sau: Tích ma trận G và is : Gis g1 g2 g2 g3 g1 g4 g4 g3 is is g1is g2is g3is g4is g2is g1is g4is g3is 75 Isa Demux 1 Isb Is g1 2 x k k g2 x4 x1 1 g3 3 G.Is x5 w w x2 g4 x6 SubSystem x3 x7 Hình 3-21. Khối tính tích Gis Trong đó khối tạo g1, g2, g3, g4 : g1 k 1 ar 11 ar 22 g2 k 1 a122 k g3 k2 g4 c k 1 car 11 162, 3324 k 1 1 ar 21 1 a122 k 1 c ar 11 0, 00984 k ar 22 1, 3789 k 2 1 k2-1 1 -1.3789 k x 1 1 k-1 -162.3324 1 g1 1 2 w 2 g2 x1 -1.5976 3 g3 2 -0.00984 4 x2 g4 3 Hình 3-22. Tính các phần tử của ma trận G 1 – 1, 5976 k 1 76 Khối tính tốc độ: Dựa theo phƣơng trình: ˆ K p (eis ^ ˆr eis r ^ ) K (eis I r ^ eis r )dt IsaDC IsDC 1 DemuxIsbDC Kp Isa eias 2000 Demux 2 IsQS x Isb eibs 1 s 5 x1 Ki Ura FIrQS 3 Demux Urb Hình 3-23. Sơ đồ cấu trúc khối tính tốc độ Khâu tính góc quay từ thông rôto: Ura atan2 1 Flr 1 0r Urb Trigonometric Function Hình 3-24. Sơ đồ khối tính từ thông rôto r arctg rr Các khâu chuyển đổi toạ độ: Đƣợc xây dựng từ các công thức sau: dq : isd is cos isq is cos dq : 1 W is sin is sin is isdcos isqsin is isdsin isqcos tp 77 Từ đó xây dựng các mạch chuyển đổi thuận và ngƣợc nhƣ sau: d 1 x 1 alpha x 1 q 2 2 x beta x cos0 cos 3 sin 0s sin0 alpha 1 x 1 d x 1 2 2 x q beta x cos0 cos 3 0s sin sin0 Hình 3-25. Mạch chuyển đổi dq và dq Kết quả: Sai lệch giữa tốc độ thực và tốc độ tính toán đƣợc theo dõi bằng đồ thị sau: Khi không tải: 78 140 Toc do thuc te 120 100 Toc do Toc do tinh toan 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 Thoi gian (s) 7 8 9 10 Hình 3-26. Đồ thị so sánh tốc độ thực tế và tính toán khi không tải Khi có tải: đặt thử tải M C 5, 721294073371 140 Toc do thuc te 120 100 Toc do 80 Toc do tinh toan 60 40 20 0 -20 0 1 2 3 4 5 6 Thoi gian (s) 7 8 9 10 Hình 3-27. Đồ thị so sánh tốc độ thực tế và tính toán khi có tải Nhận xét: Hai đƣờng tốc độ tính toán và thực tế gần trùng nhau chứng tỏ bộ quan sát làm việc khá tốt kể cả khi không tải lẫn có tải. 79 15 Dong thuc te 10 5 0 -5 -10 Dong tinh toan -15 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Hình 3-28. Sai lệch dòng is 15 Dong thuc te 10 5 0 -5 Dong tinh toan -10 -15 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Hình 3-29. Sai lệch dòng is 0.5 0.6 0.7 80 3.4. Kết luận chƣơng 3 Chƣơng 3 trình bầy các bƣớc xây dựng hệ điều khiển véc tơ động cơ KĐB không dùng cảm biến tốc độ. Trên cơ sở đó thực hiện mô phỏng bộ điều khiển đã xây dựng đƣợc trên phần mềm Matlab/Simulink. Đánh giá chất lƣợng của bộ điều khiển véc tơ động cơ KĐB không dùng cảm biến tốc độ. 81 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TRÊN MÔ HÌNH THANG MÁY SỬ DỤNG PLC KẾT NỐI BIẾN TẦN Equation Chapter 4 Section 4 4.1. Cấu tạo mô hình thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần điều khiển động cơ KĐB – Điện tử Mô hình thang máy thuộc Khoa Điện tử - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp. : Khung thang máy 4 tầng và hệ thống buồng thang máy, hệ thống mở cửa,… Thang máy đƣợc nâng hạ bằng động cơ không đồng bộ 3 pha, hệ thống điều khiển sử dụng gồm PLC kết hợp biến tần để điều khiển. : Động cơ KĐB 3 pha Khung thang máy 4 tầng Hệ thống hiển thị và nút điều khiển gọi tầng Tủ điều khiển thang máy: Buồng thang máy - Hình 4-1. Mô hình thang máy thực nghiệm Bộ điều khiển PLC Biến tần Thiết bị phụ trợ 82 Thông số cơ bản của một số thiết bị trong hệ thang máy: - Động cơ KĐB 3 pha: o Công suất: 0,75 kW o Điện áp: 380 VAC o Dòng làm việc: 1,5 A - Bộ điều khiển lập trình PLC: Sử dụng PLC S7_200 của Siemens – CPU 214 - Biến tần điều khiển động cơ: Micromaster M440 của Siemens o Công suất: 1,5 kW o Điện áp: 380 VAC o Tốc độ: 1500 rmp o Phƣơng thức điều khiển: Véc tơ, v/f o … 4.2. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển Sơ đồ hệ thống điều khiển thang máy nhƣ sau: Truyền thông – Giám sát tốc độ động cơ PLC T/h điều khiển Biến tần Điều khiển vector Động cơ KĐB nâng hạ thang máy T/h phản hồi trạng thái Hình 4-2. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển thang máy sử dụng PLC - Biến tần điều khiển động cơ nâng hạ Trong sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển thang máy trên chức năng từng khối nhƣ sau: - Khối PLC: Đây là bộ điều khiển trung tậm thực hiện phối hợp toàn bộ hoạt động của thang máy. Bộ điều khiển đƣợc lập trình trên phần mềm Simatic Step 7 – Siemens. Bộ điều khiển trung tâm đƣa tín hiệu điều khiển đến Biến tần để biến tần thực hiện điều khiển động cơ KĐB nâng hạ thang máy. 83 - Khối Biến tần – Điều khiển véc tơ: Đây là bộ điều khiển động cơ KĐB 3 pha. Trong khối biến tần đã đƣợc cấu hình phƣơng pháp điều khiển véc tơ không sử dụng cảm biến tốc độ. Các tín hiệu trạng thái điều khiển biến tần (tƣơng đƣơng tốc độc của động cơ) đƣợc gửi về PLC để thu thập và xử lý rồi gửi đến màn hình máy tính giám sát. - Máy tính giám sát: Thực hiện chức năng giám sát trạng thái tốc độ của động cơ KĐB nâng hạ thang máy. 4.3. Kết quả thực nghiệm Đặt tốc độ động cơ và quan sát tốc độ thực tế phản hồi về máy tính Hình 4.3. Đặc tuyến tốc độ của động cơ Trên hình đặc tuyến tốc độ động cơ thu đƣợc ta thấy đƣợc khi đặt tốc độ động cơ là 450 rmp thì sau 5s thì đặc tuyến đã bám với tốc độ đặt. Tùy theo đặc tính của tải ta có thể cài đặt tham số thời gian khởi động của biến tần. Quan sát đặc tuyến tốc độ động cơ khi cho thang máy di chuyển 84 Hình 4.4. Đặc tuyến tốc độ động cơ khi thang máy di chuyển từ tầng 1 đến tầng 4 Đặc tính tốc độ của thang máy sử dụng biến tần vector khi thang di chuyển từ tầng 1 đến tầng 4. Giai đoạn đầu tốc độ động cơ tăng dần sau đó tốc độ động cơ giữ ổn định. Khi thang máy đến gần tầng 4 thì cảm biến vị trí phát hiện và gửi tín hiệu về PLC để PLC đặt tốc độ thang máy giảm dần. Đặc tuyến làm việc của động cơ đƣợc điều khiển nhƣ trên giúp thang máy di chuyển êm và không có cảm giác bị giật khi dừng. 4.4. Kết luận chƣơng 4 Chƣơng 4 đã thực hiện thực nghiệm trên mô hình thang máy 4 tầng tại phòng thí nghiệm khoa Điện tử - trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp. Lập trình PLC điều khiển tổng thể hoạt động của hệ thang máy và cài đặt cấu hình điều khiển véc tơ không dùng cảm biến tốc độ cho biến tần để điều khiển động cơ KĐB để nâng hạ thang máy. Kết nối máy tính để ghi lại đặc tính tốc độ động cơ trên phần mềm giao diện WinCC. Kết quả thực nghiệm cho thấy đặc tính tốc độ của động cơ KĐB nâng hạ thang máy với phƣơng pháp điều khiển véc tơ không cảm biến tốc độ đạt đƣợc yêu cầu đƣờng đặc tính tối ƣu trong chuyển động thang máy. 85 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 1. Kết luận Sau quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động cơ cho thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần” luận văn đã thực hiện đƣợc các yêu cầu đặt ra: - Phân tích chuyển động của hệ thang máy từ đó lựa chọn phƣơng pháp điều khiển véc tơ động cơ KĐB nâng hạ thang máy. - Xây dựng mô hình toán học động cơ KĐB trong không gian véc tơ. - Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển véc tơ không cảm biến tốc độ động cơ KĐB trong không gian véc tơ. - Mô phỏng bộ điều khiển véc tơ không dùng cảm biến tốc độ động cơ KĐB trên phần mềm Matlab/Simulink. - Thực nghiệm trên mô hình thang máy tại Phòng thí nghiệm khoa Điện tử - trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do hạn chế về mặt thời gian, trình độ nhận thức và điều kiện thực tế còn nhiều khó khăn nên trong luận văn không tránh khỏi một số sai sót. Tác giả mong nhận đƣợc những ý kiến bổ sung, phê bình góp ý của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn đƣợc hoàn thiện thêm. 2. Hƣớng phát triển Đề tài “Nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động cơ cho thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần” mang tính ứng dụng cao góp phần nâng cao chất lƣợng điều khiển trong hệ thống thang máy. 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Tiếng Việt [1] Nguyễn Mạnh Tiến, "Bài giảng: Điều khiển tần số động cơ KĐB", 2001. [2] Nguyễn Mạnh Tiến, "Chuyên đề tiến sĩ: Điều chỉnh tự động truyền động điện", 1998. [3] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dƣơng Văn Nghi,"Điều chỉnh tự động truyền động điện",1998. [4] Nguyễn Phùng Quang,"Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha",1998. 2. Tiếng nƣớc ngoài [5] Hisao Kubota,"New Adaptive Flux Observer of Induction Motor for Wide Speed Range Motor Drives",1990. [6] Hisao Kubota,"DSP-Based Speed Adaptive Flux Observer of Induction Motor", 1993 [7] Hisao Kubota,"Speed Sensorless Field-Oriented Control of Induction Motor with Rotor Resistance Adaption",1994. 87 PHỤ LỤC Chuong trinh PLC / MAIN (OB1) Block: MAIN Author: Created: 04/25/2013 09:28:09 pm Last Modified: 10/22/2014 12:32:37 am PROGRAM COMMENTS Network Comment LD SM0.0 LPS A I0.0 A M0.2 CALL reset LPP AN CALL I0.0 manu Network 2 LDN A = I2.6 I0.1 M0.0 Network 3 LD A CALL I0.0 M0.1 doc_lenh_va_so_sanh Network 4 LD LDN LDN A OLD ALD SM0.0 I0.0 M0.1 I0.0 88 = R M0.2 M0.1, 1 Network 5 LD LD LD A A SM0.0 M0.1 I2.0 I2.1 I3.3 OLD ALD TON T39, +20 Network 6 LD = T39 M0.1 Network 7 LDN AN LPS AN = LPP TON Q0.0 Q0.2 T50 Q0.4 T50, +20 Network 8 LD CALL M0.1 dem_tang_va_hien_thi Network 9 LDN LD M5.0 I2.0 A ON ALD CALL CALL I2.1 I0.0 dkcua xoanholenh 89 Network 10 LD O AN = Q0.0 M13.0 M13.1 M13.0 Network 11 LD Q0.2 O AN = M13.1 M13.0 M13.1 Network 12 LD CALL M0.1 thay_doi_toc_do Network 13 LD A LPS A MOVW LPP A MOVW I2.0 I2.1 I3.3 +0, C0 I3.2 +6, C0 Chuong trinh PLC / reset (SBR0) Block: reset Author: Created: 10/20/2014 05:24:20 pm Last Modified: 10/22/2014 12:32:37 am SUBROUTINE COMMENTS Network Comment LD M0.0 AN I2.3 A M11.1 90 = M11.0 Network 2 LDN ON ON = I2.0 I2.1 I3.3 M11.1 Network 3 LD LPS AN = LRD A = LPP M11.0 = Q0.2 Q0.3 Q0.1 I3.3 Q0.3 Network 4 LD MOVW MOVB R R R SM0.0 +0, C0 0, VB0 M1.0, 8 M2.0, 8 Q0.7, 1 R R Q1.0, 1 Q1.1, 1 Chuong trinh PLC / manu (SBR1) Block: Author: Created: manu 10/20/2014 05:29:03 pm Last Modified: 10/22/2014 12:32:37 am Network 1 LDN I0.0 91 LPS A AN AN A = LPP A AN AN A = I3.0 M0.4 I3.1 M11.2 M0.3 I3.1 M0.3 I3.0 M11.3 M0.4 Network 2 LD LPS A M0.3 = LRD AN = LPP A = Q0.0 I2.5 M0.6 M0.5 I3.2 M0.6 Network 3 LD LPS A = LRD AN = LPP M0.4 A = I3.3 M10.1 I2.5 Q0.2 M10.1 M10.0 Network 4 LD M0.5 92 O AN = M10.0 Q0.3 Q0.1 Network 5 LD O AN = M0.6 M10.1 Q0.1 Q0.3 Network 6 LDN ON ON = I2.0 I2.1 I3.2 M11.2 Network 7 LDN ON ON = I2.0 I2.1 I3.3 M11.3 Chuong trinh PLC / doc_lenh_va_so_sanh (SBR2) Block: doc_lenh_va_so_sanh Author: Created: 10/20/2014 05:29:03 pm Last Modified: 10/22/2014 12:32:37 am Network 1 LD LPS M0.1 A S LRD A S I0.2 M1.1, 1 I1.0 M1.2, 1 93 LRD A S LRD A S LRD A S LRD A S LRD A S LRD A I0.3 M10.0, 1 I0.4 M10.1, 1 I1.1 M10.2, 1 M10.0 M1.3, 1 M10.1 M1.4, 1 M10.2 S LRD A S LRD A S LRD A M1.5, 1 S LRD A S LRD A S LRD M10.5, 1 A S LRD A S M10.5 M2.0, 1 I0.5 M10.3, 1 I0.6 M10.4, 1 I1.2 M10.3 M1.6, 1 M10.4 M1.7, 1 I0.7 M2.1, 1 94 LPP A S I1.3 M2.2, 1 Network 2 LD O AB< M2.2 M2.1 VB0, 3 LD O O AB< OLD LD O O M2.0 M1.6 M1.7 VB0, 2 AB< OLD AN = VB0, 1 M1.5 M1.3 M1.4 M4.1 M4.0 Network 3 LD O AB> M1.2 M1.1 VB0, 0 LD O O AB> OLD LD O O M1.5 M1.3 M1.4 VB0, 1 AB> OLD AN = VB0, 2 Network 4 M2.0 M1.6 M1.7 M4.0 M4.1 95 LD LPS LD O O O O ALD SM0.0 = LRD LD O ALD = LRD LD M9.1 O O O O ALD = LPP LD O M1.2 M1.3 M1.4 M1.5 ALD = M1.6 M1.7 M2.0 M2.1 M2.2 M1.1 M1.2 M9.2 M1.1 M9.3 M2.1 M2.2 M9.4 Network 5 LDB= LD O VB0, 0 M1.1 M1.2 ALD AN LDB= LD LDN Q0.0 VB0, 1 M1.5 M9.2 96 O A OLD LDN O A OLD ALD OLD M4.0 M1.3 M9.1 M4.1 M1.4 LDB= LD LDN O A OLD LDN O VB0, 2 M2.0 M9.3 M4.0 M1.6 A OLD ALD OLD LDB= LD O ALD AN M1.7 OLD = M9.4 M4.1 VB0, 3 M2.1 M2.2 Q0.2 M4.2 Network 6 LD O A = Q0.0 Q0.2 I2.5 M5.0 Network 7 LD LPS I0.0 97 LD O AN LDN AN ON ALD ALD A Q0.0 M4.0 Q0.2 I2.0 I2.1 M4.2 A AN = LPP LD O AN LDN I2.5 I2.2 Q0.0 AN ON ALD ALD A A AN = I0.1 Q0.2 M4.1 Q0.0 I2.0 I2.1 M4.2 I0.1 I2.5 I2.3 Q0.2 Network 8 LDB= OB= TON VB0, 1 VB0, 2 T33, +1 Chuong trinh PLC / dkcua (SBR3) Block: dkcua Author: Created: 10/20/2014 05:29:03 pm Last Modified: 10/22/2014 12:32:37 am 98 Network 1 LDN ON TON Q0.0 Q0.2 T38, +30 Network 2 LD I0.0 LD A O O ALD AN AN = T38 M4.2 I1.4 Q0.5 Q0.6 I2.4 Q0.5 Network 3 LD TON I2.4 T37, +20 Network 4 Network 5 LD LD A OLD O ON AN = I1.5 I0.0 T37 Q0.6 I0.0 I2.5 Q0.6 Chuong trinh PLC / xoanholenh (SBR4) Block: Author: xoanholenh 99 Created: 10/20/2014 05:29:03 pm Last Modified: 10/22/2014 12:32:37 am Network 1 LD A A M3.0 I2.0 I2.1 A R R I2.4 M1.2, 1 M1.1, 1 Network 2 LD A A M3.1 I2.1 I2.0 A LPS R R AN R R LPP AN I2.4 R R M1.4, 1 M10.1, 1 M1.5, 1 M10.2, 1 M4.1 M1.3, 1 M10.0, 1 M4.0 Network 3 LD A A A M3.2 I2.0 I2.1 I2.4 LPS R R AN R M2.0, 1 M10.5, 1 M4.1 M1.6, 1 100 R LPP AN R R M10.3, 1 M4.0 M1.7, 1 M10.4, 1 Network 4 LD A M3.3 I2.0 A A R R I2.1 I2.4 M2.2, 1 M2.1, 1 Network 5 LD I2.4 R M4.2, 1 Chuong trinh PLC / dem_tang_va_hien_thi (SBR5) Block: dem_tang_va_hien_thi Author: Created: 10/20/2014 05:29:03 pm Last Modified: 10/22/2014 12:32:37 am Network 1 LD LPS AN A AN = LRD AN A AN M0.1 Q0.2 I2.0 M4.6 M4.5 Q0.0 I2.1 M4.5 101 = LRD A TON LPP A TON M4.6 Q0.2 T41, +10 Q0.0 T42, +10 Network 2 LD A LD A LDN CTUD M4.5 T42 M4.6 T41 I0.0 C0, +6 Network 3 LD AW= LD LDW= OW= ALD OLD = R M13.0 C0, +0 M13.1 C0, +1 C0, +0 R S Q1.0, 1 Q1.1, 1 M3.0 Q0.7, 1 Network 4 LD LDW= OW= M13.0 C0, +1 C0, +2 ALD LD LDW= OW= ALD M13.1 C0, +2 C0, +3 102 OLD = R S R M3.1 Q0.7, 1 Q1.0, 1 Q1.1, 1 Network 5 LD LDW= M13.0 C0, +3 OW= ALD LD LDW= OW= ALD OLD = C0, +4 R S S Q0.7, 1 Q1.0, 1 Q1.1, 1 M13.1 C0, +4 C0, +5 M3.2 Network 6 LD A A = I2.0 I3.2 I2.1 M3.3 S R R Q0.7, 1 Q1.0, 1 Q1.1, 1 Network 7 LD A A M3.0 I2.0 I2.1 AW= MOVB C0, +0 0, VB0 Network 8 LD M3.1 103 A A AW= MOVB I2.0 I2.1 C0, +2 1, VB0 Network 9 LD A A M3.2 I2.0 I2.1 AW= MOVB C0, +4 2, VB0 Network 10 LD A A M3.3 I2.0 I2.1 AW= MOVB C0, +6 3, VB0' Chuong trinh PLC / thay_doi_toc_do (SBR6) Block: thay_doi_toc_do Author: Created: 10/20/2014 05:29:03 pm Last Modified: 10/22/2014 12:32:37 am Network 1 LD LPS AN = LRD Q0.0 A = LRD LD O I3.2 M15.1 M15.1 M15.0 M1.3 M1.5 104 ALD AW= = LPP LD O ALD AW= = C0, +1 M16.1 M1.6 M2.0 C0, +3 M16.2 Network 2 LD LPS AN = LRD A Q0.2 = LRD LD O ALD AW= = LPP LD M15.3 O ALD AW= = M15.3 M15.2 I3.3 M1.7 M2.0 C0, +5 M16.4 M1.4 M1.5 C0, +3 M16.5 Network 3 LD O M15.0 M15.2 = Q0.1 Network 4 LD M15.1 105 O O O O O O O = M15.3 M16.1 M16.2 M16.3 M16.4 M16.5 M16.6 Q0 [...]... 19 1.4 La chn phng phỏp iu khin ng c KB cho h truyn ng thang mỏy Mt trong nhng iu kin c bn i vi h truyn ng thang mỏy l phi m bo cho bung thang chuyn ng ờm Vic bung thang chuyn ng ờm hay khụng li ph thuc vo gia tc khi m mỏy v hóm mỏy Cỏc tham s chớnh c trng cho ch lm vic ca thang mỏy l: tc di chuyn v [m/s], gia tc a [m/s2] v git [m/s3] Biu lm vic ti u ca thang mỏy tc trung bỡnh v tc cao biu din... chia ra 5 giai on theo tớnh cht thay i tc ca bung thang: m mỏy, ch n nh, hóm xung tc thp, bung thang n tng v hóm dng S,v, a, Mở máy Chế độ ổn định Hãm xuống tốc độ thấp Đến tầng Hãm dừng v a S a t a Hỡnh 1-12 Cỏc ng cong biu din s ph thuc ca quóng ng S, tc v, gia tc a v git theo thi gian Nh vy, vi yờu cu iu chnh tc ng c KB s dng trong h truyn ng thang mỏy tha món ng c tớnh ti u tỏc gi la chn phng... mỏy in, thay i h s cos , thay i hiu sut v tn hao lừi thộp, do ú yờu cu khi thay i tn s phi gi cho t thụng khụng i Mt khỏc trong iu chnh tc phi m bo kh nng quỏ ti ca ng c khụng i trong ton b phm vi iu chnh, iu ú cú ngha l phi gi cho Mmax = const Mun gi cho Mmax = const thỡ phi gi cho t thụng khụng i Mun gi cho t thụng khụng i thỡ khi thay i tn s ta phi thay i in ỏp Mụ men cc i cú th biu din bi biu thc:... iu khin vộc t ng c KB cho phộp ci thin cht lng iu khin ng c trong cỏc quỏ trỡnh khi ng v dng so vi cỏc phng phỏp iu khin kinh in 1.5 Kt lun chng 1 Chng 1 trỡnh by cỏc vn : 20 - Tng quan v ng c KB v cỏc phng phỏp kinh in iu khin tc ng c KB - Phng phỏp iu khin vộc t ng c KB - Yờu cu iu chnh tc ng c cho h truyn ng thang mỏy La chn phng phỏp iu khin vộc t ng c KB cho h truyn ng thang mỏy 21 2 CHNG 2:... khoa hc: ti nghiờn cu thit k b iu khin vộc t khụng cm bin tc ng c KB 3 pha Mụ phng trờn Matlab/Simulink v kim chng trờn mụ hỡnh thc í ngha thc tin: ng dng vo h thng thang mỏy s dng PLC kt ni bin tn nõng cao cht lng nõng h trong hot ng ca thang mỏy 3 1 CHNG 1: TNG QUAN V NG C KHễNG NG B 3 PHA V CC PHNG PHP IU KHIN TC NG C Equation Chapter 1 Section 1 1.1 Tng quan v ng c KB 3 pha 1.1.1 Khỏi nim chung... cI 2 cos 2 const (1.16) Nu tng cụng sut phỏt P2 cho mt ti no ú mch rụto s lm gim cụng sut c khớ Pc vy khi mụ men cn khụng i s lm tc thay i (n=cPc), nu mch rụto c cp vo mt cụng sut tỏc dng P2 thỡ Pc s tng, ng ngha vi tc tng Nu mch rụto c cung cp mt cụng sut P2 bng tn hao PCu2 lỳc ny P ien sP t 0 cú ngha l s = 0 vy ng c quay vi tc t trng Nu bõy gi cp cho mch rụto mt cụng sut P2 > Pcu2 thỡ ng c quay... phm vi rng, cn dũng in m mỏy t li ln (5 n 7 ln Im) v h s cụng sut ca loi ny thp b khuyt cho nhc im ny, ngi ta ch to ng c KB rụto lng súc nhiu tc v dựng rụto rónh sõu lng súc kộp h dũng in khi ng, ng thi mụ men khi ng cng c tng lờn Vi ng c rụto dõy qun (hay ng c vnh trt) thỡ loi tr c nhng nhc im trờn nhng lm cho kt cu rụto phc tp, nờn khú ch to v t tin hn ng c KB rụto lng súc (khong 1,5 ln) Do ú... nờn ngi ta thng a in khỏng vo mch stato hn m rng phm vi iu chnh v tng cng ca c tớnh c, h thng iu chnh tc bng in ỏp thng lm vic h thng kớn 1.2.4 Thay i in tr mch rụto Phng phỏp iu chnh ny ch ỏp dng cho ng c KB rụto dõy qun c tớnh c ca ng c KB rụto dõy qun khi thay i in tr rụto biu din trờn hỡnh 18 Bng vic tng in tr rụto, c tớnh c mm i nhiu, nu mụ men cn khụng i ta cú th thay i tc ng c theo chu gim... rụto Do ú: P2 m2 I 2 Rp cũn PCu 2 mR2 I 22 Cụng sut c hc Pc l cụng sut in tr: R 2' Pco m 1 R 2' ' R p' I 22 R p' 1 s do vy: s 1 s s Khi thay i tc quay bng thay i n tr mch rụto, l ta ó lm thay i P2 truyn cho in tr ph cụng sut c khớ Pc thay i vỡ: P t Pco P2 Pcu 2 const trong ú PCu2 = const Bõy gi chỳng ta nghiờn cu mt phng phỏp khỏc thay i cụng sut P2 trong mch rụto ú l phng phỏp a thờm vo mch rụto mt... 2 u c ỳc 2 vũng ngn mch, cun dõy hon ton ngn mch, chớnh vỡ vy gi l rụto ngn mch Nu lm bng ng thỡ c lm thnh cỏc thanh dn v t vo trong rónh, hai u c gn vi nhau bng 2 vũng ngn mch cựng kim loi Bng cỏch ú cho ta mt cỏi lng chớnh vỡ vy loi rụto ny cũn cú tờn l rụ to lng súc Loi rụto ngn mch khụng phi thc hin cỏch in gia dõy dn v lừi thộp Loi rụto dõy qun: Mch in ca loi rụto ny thng lm bng ng v phi cỏch in ... theo tớnh cht thay i tc ca bung thang: m mỏy, ch n nh, hóm xung tc thp, bung thang n tng v hóm dng S,v, a, Mở máy Chế độ ổn định Hãm xuống tốc độ thấp Đến tầng Hãm dừng v a S a t a Hỡnh 1-12... 1.4 La chn phng phỏp iu khin ng c KB cho h truyn ng thang mỏy Mt nhng iu kin c bn i vi h truyn ng thang mỏy l phi m bo cho bung thang chuyn ng ờm Vic bung thang chuyn ng ờm hay khụng li ph thuc... khin tc ng c cho thang mỏy s dng PLC kt ni bin tn" Mc ớch nghiờn cu ti cú mc ớch nghiờn cu l: Thit k b iu khin vộc t iu khin tc ng c KB pha ng dng vo h thng thang mỏy s dng PLC kt ni bin