Đang tải... (xem toàn văn)
LỜI MỞ ĐẦU2CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐCĐB KÍCH THÍCH VĨNH CỬU (PMSM)31.1. Giới thiệu về động cơ PMSM31.2. Vector không gian của các đại lượng ba pha41.2.1. Xây dựng vector không gian41.2.2. Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian51.2.3. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor61.3. Xây dựng mô hình của động cơ PMSM61.3.1. Lý do xây dựng mô hình61.3.2. Hệ phương trình cơ bản của động cơ71.3.3. Các tham số của động cơ71.3.4. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor (dq)81.3.5. Đặc điểm phi tuyến của mô hình PMSM11CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ BIẾN TẦN – BIẾN TẦN NGUỒN ÁP122.1. Mô tả về cấu trúc bộ biến tần122.2. Mạch động lực biến tần nguồn áp132.3. Xây dựng mô hình bộ biến tần14CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ PMSM MÔ HÌNH MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK183.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển tựa theo từ thông rotor183.2. Xây dựng thuật toán điều khiển193.3. Mô hình mô phỏng trên Matlab – Simulink213.3.1. Mô hình động cơ đồng bộ213.3.2. Mô hình mạng tính áp213.3.3.Chuyển đổi hệ tọa độ điện áp213.3.4. Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện213.3.5. Kết quả mô phỏng21Kết luận24Tài liệu tham khảo25
Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Đối với kỹ sư điều khiển tự động hóa nói riêng người nghiên cứu khoa học kỹ thuật nói chung, mơ cơng cụ quan trọng cho phép khảo sát đối tượng, hệ thống hay trình kỹ thuật vật lý, mà khơng thiết phải có đối tượng hay hệ thống thật Được trang bị công cụ mô mạnh hiểu biết phương pháp mơ hình hóa, người kỹ sư có khả rút ngắn thòi gian giảm chi phí nghiên cứu – phát triển sản phẩm cách đáng kể Điều đặc biệt có ý nghĩa sản phẩm hệ thống thiết bị phức hợp với giá trị kinh tế lớn Các khái niệm mô Off-line, Software - in-the-Loop, Hardware-in-the-Loop Prototyping, thể rõ nét bước trình phát triển sản phẩm với hỗ trợ máy tính Trong nhiều năm qua phần mềm mô sử dụng rộng rãi lĩnh vực giảng dạy nghiên cứu thiết bị điện giáo viên sinh viên ngành kỹ thuật Vì tập lớn em sử dụng công cụ mạnh matlab Simulink để mơ mơ hình “Động đồng kích thích vĩnh cửu” Với giúp đỡ nhiệt tình thầy TS PHẠM TÂM THÀNH giúp em tìm hiễu rõ sâu sắc động đồng kích thích vĩnh cửu, cơng cụ mơ matlab simulink Từ em có sở xây dựng tập lớn Trong nội dung tập lớn môn học: “Tổng hợp hệ điện cơ” mà em trình bày thấy kiến thức kết cấu, cơng dụng mơ hình tốn học động đồng kích thích vĩnh cửu Đồng thời giới thiệu tổng quan matlab đặc biệt simulink đưa kết q trình mơ động qua hình vẽ đường đặc tính tốc độ, dòng điện Tuy cố gắng nhiều q trình thực khơng thể tránh khỏi Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ sai sót nhầm lẫn Vì em mong thầy tiếp tục giúp đỡ em nhiều CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐCĐB KÍCH THÍCH VĨNH CỬU (PMSM) 1.1 Giới thiệu động PMSM - Động đồng ba pha kích thích vĩnh cửu (PMSM) có kết cấu phía stato giống động dị Phía rơto, nơi động dị phải dựa vào trượt tốc độ rôto hệ thống véc tơ phía stato để tạo từ thơng rơto, PMSM có hệ thống nam châm vĩnh cửu gắn chặt bề mặt Nghĩa là: từ thông luôn tồn tại, khơng nhu cầu trượt tốc độ để cảm ứng từ stato sang rôto động hoạt động hồn tồn đồng - Phạm vi sử dụng PMSM công nghiệp chế tạo máy, chế biến (ví dụ: Máy gia cơng cắt gọt kim loại, máy đóng bao gói, máy gia cơng xác ) Trong ứng dụng đó, PMSM gần tuyệt đối sử dụng kèm theo thiết bị điều khiển (ví dụ: nghịch lưu có điều chỉnh) chất lượng cao - Cấu trúc động đồng mô tả theo hình vẽ: a) Ba pha d,q b) Biến đổi α,β c) Biến đổi Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Hình 1.0: Cấu tạo động đồng ba pha 1.2 Vector không gian đại lượng ba pha 1.2.1 Xây dựng vector không gian - Động xoay chiều ba pha có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bố trí không gian: isu ( t ) + isv ( t ) + isw ( t ) = (1.1) - Nếu mặt phẳng ta thiết lập hệ tọa độ phức với trục thực qua cuộn dây u, ta xây dựng vector khơng gian sau: is ( t ) = o o 2 isu ( t ) + isv ( t ) e j120 + isw ( t ) e j 240 = is e jγ 3 Hình 1.1: Thiết lập vector khơng gian từ đại lượng pha (1.2) Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ - Dòng điện pha hình chiếu vector dòng stator lên trục cuộn dây pha tương ứng is thu - Gọi trục thực mặt phẳng phức nói trục α trục ảo trục β Chiếu is vector lên hai trục, ta hai hình chiếu tọa độ cố định (hệ tọa độ stator): isα is β Hệ tọa độ gọi hệ Hình 1.2: Biểu diễn dòng điện stator dạng vector không gian hệ tọa độ αβ 1.2.2 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian - Ta xây dựng hệ tọa độ dq có chung điểm gốc với hệ tọa độ αβ nằm lệch góc θs Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ - Dễ dàng chuyển tọa độ αβ sang tọa độ dq: isd = isβ sin θ s + isα cos θ s isq = isβ cos θ s − isα sin θ s (1.3) 1.2.3 Biểu diễn vector không gian hệ tọa độ từ thơng rotor Hình 1.3: Biểu diễn vector hệ tọa độ từ thông rotor Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ ω= - Giả thiết động quay với tốc độ ωs = 2π f s = góc dθ s dt fs dθ dt Từ thông rotor ψr tần số mạch điện stator quay với tốc độ ω = ωs θ = θs 1.3 Xây dựng mơ hình động PMSM 1.3.1 Lý xây dựng mơ hình - Để xây dựng, thiết kế điều khiển cần phải có mơ hình tả đối tượng điều khiển 1.3.2 Hệ phương trình động us - Phương trình điện áp: f dψ s f = Rs is + + jω fψ s f dt f (1.4) ψ s f = Lsis f +ψ p f - Vector từ thơng rotor: (1.5) mM = - Phương trình moment: pc (ψ s * is ) mM = mT + - Phương trình cân moment: 1.3.3 Các tham số động - Tần số f - Công suất P - Hiệu suất η J dω pc dt (1.6) (1.7) Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ - Tốc độ định mức ndm - Dòng điện định mức - Điện áp định mức - Hệ số công suất I dm U dm cos ϕ 1.3.4 Mơ hình trạng thái động hệ tọa độ rotor (dq) - Phương trình điện áp: disd − ωs Lsq isq dt disq usq = Rs isq + Lsq + ωs Lsd isd + ωsψ p dt usd = Rs isd + Lsd - Phương trình dòng điện: (1.8) Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Lsq disd 1 =− isd + ωs isq + usd dt Tsd Lsd Lsd ψp Lsd 1 = −ωs isd − isq + usq − ωs dt Lsq Tsq Lsq Lsq disq (1.9) - Phương trình moment động PMSM: ψp mM = pc ( + isd ) Lsd isq − Lsq isd isq Lsd (1.10) - Từ phương trình (1.9) (1.10) ta xây dựng mơ hình động sau: Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Hình 1.4: Mơ hình động đồng ba pha kích thích vĩnh cửu hệ tọa độ dq - Phương trình (1.9) viết lại dạng mơ hình trạng thái sau: disf = A f isf + B f usf + N f isf ωs + Sψ pωs dt (1.11) (1.12) Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Hình 1.5: Mơ hình trạng thái liên tục động đồng hệ tọa độ dq - Mơ hình trạng thái gián đoạn: Để thiết kế hệ thống điều khiển cho động đồng sở sử dụng vi xử lý cần phải có mơ hình gián đoạn để mơ tả cách xác đối tượng thời điểm (1.13) 10 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ BIẾN TẦN – BIẾN TẦN NGUỒN ÁP 2.1 Mô tả cấu trúc biến tần - Biến tần thiết bị biến đổi điện xoay chiều từ tần số sang tần số khác - Biến tần chia làm hai loại: + Biến tần trực tiếp: Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc biến tần trực tiếp + Biến tần gián tiếp: Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc biến tần gián tiếp - Biến tần nguồn áp: 12 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc biến tần nguồn áp 2.2 Mạch động lực biến tần nguồn áp - Mạch động lực biến tần nguồn áp ba pha gồm Thyristor công suất T1 : T6 Các van có nhiệm vụ đóng hay cắt khoảng điện áp đặt lên tải Các van lựa chọn tùy thuộc vào công suất phụ tải - Các Điốt D1 : D6 Điốt công suất nối ngược với van Thyristor có tác dụng khép mạch dòng điện tải , trả phần lượng tích lũy tải nguồn trường hợp tải có tính cảm Khi Thyristor trạng thái khóa dòng tải trì qua điot Nguồn cung cấp cho nghịch lưu nguồn áp có giá trị U ổn định, nguồn điều chỉnh điện áp nhờ chỉnh lưu có điều khiển Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mach động lực biến tần 13 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Hình 2.5: Sóng điện áp ba pha đối xứng 2.3 Xây dựng mơ hình biến tần a) Khối tạo dao động - Ta chọn vi mạch tạo dao động 555: Bộ định thời 555 hoạt động với nguồn chiều có điện áp từ đến 8V Vì tương thích với mức logic thơng thường mức điện áp khuếch đại thuật toán - Đầu dương nguồn nuôi nối vào chân số (+Uc), cực âm mắc vào chân số (nối đất) Đầu nối đất dùng làm điểm chung để so sánh điện điểm khác mạch Đầu có hai mức mức cao mức thấp, mức cao xấp xỉ với Uc (khoảng 4,5V), mức thấp khoảng 0,1V Hình 2.6: Vi mạch tạo dao động 555 14 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Hình 2.7: Dạng xung khối tạo dao động b) Bộ dịch pha số - Khối có nhiệm vụ gửi xung từ dao dộng tới van động lực cách có tính chu kỳ Trong mạch có sử dụng IC4013 IC4081 Đây loại IC chuyên dụng để tạo độ trễ khác tín hiệu IC4013 loại vi mạch thuộc loại CM05 có đặc điểm cơng suất tiêu thụ trạng thái tĩnh nhỏ, tốc độ chuyển đổi trạng thái cao, khả chống nhiễu cao có khả mang tải lớn Nguồn nuôi IC4013 nguồn chiều +3V đến +15V Hình 2.8: Bộ dịch pha số 15 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Hình 2.9: Dạng xung điện áp c) Khối tạo Sin - Phần tạo Sin gồm khối hoàn toàn giống cho pha A, B, C Khối lấy tín hiệu từ khối dịch pha chia pha dạng số Hình 2.10: Khối tạo sin 16 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ - Khối tạo sin tạo thành khuếch đại thuật toán OA, OA đầu vào có nhiệm vụ biến đổi xung vng thành xung lưỡng cực nối thành Trigo Smith Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch Trigo Smith đặc tính truyền đạt điện áp d) Khối dịch pha chia pha - Khối sử dụng IC4013 cung cấp xung đơn cực cho tạo sin chuẩn pha A,B,C e) Khối nhân tần - Sử dụng IC4016 kết hợp với IC4013 nhằm nâng cao tần số đầu vào f) Khối phát xung cưa - Sử dụng IC741 với mác IC1 IC2 tạo xung hình sin g) Khối so sánh tạo xung - Tổng hợp so sánh tín hiệu từ khối tạo sóng dạng cưa khối tạo sin nhằm cấp xung điều khiển đến đóng mở Tranzitor mạch động lực 17 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ PMSM & MƠ HÌNH MƠ PHỎNG TRÊN MATLAB - SIMULINK 3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển tựa theo từ thông rotor isd isq , để - Cần sử dụng khâu điều chỉnh dòng nhằm áp đặt nhanh dòng điều khiển từ thơng rotor momen quay Vì vậy, người ta sử dụng riêng rẽ điều chỉnh dòng isd isq (ĐCid ĐCiq) kiểu PI, giá trị cần giá trị thực đại lượng hình sin Các đầu ĐCid Đciq gọi 18 yd yq Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Hình 3.1: Cấu trúc truyền động động đồng nuôi biến tần nguồn áp điều khiển tựa theo từ thông rotor 3.2 Xây dựng thuật tốn điều khiển - Mạch vòng điều khiển tốc độ: 19 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Hình 3.2: Mạch vòng điều khiển tốc độ K1 = 1; K = pcψ p - Đặt: So ( s ) = Ta có, hàm truyền hở: K1 K (1 + 2Ti s).Js Bộ điều khiển tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: Rω = K pw + 8Ti s 8.J Ti J = + = K + pw K1K 2Ti s 8.Ti s K1 K Ti s K1 K 2Ti J - Ta có: usd = Rs yd − ωs Lσ s yq + pTσ s usq = Rs yq + ωs Lσ s yd + pTσ s (3.1) - Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện (CTĐi): isα = isu isβ = 20 (isu + 2isv ) (3.2) Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ isd = isβ sin θ s + isα cos θ s isq = isβ cos θ s − isα sin θ s (3.3) usα = usd cos θ s − usq sin θ s usβ = usd sin θ s + usq cos θ usu = usα - Chuyển đổi hệ tọa độ điện áp ( CTĐu): (3.4) usv = − usα + usβ 2 usw = −usu − usv (3.5) ωr* = ( K pω + K Iω )(ω * − ω ) p ω - Khâu điều chỉnh tốc độ quay (ĐC ): 21 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ (3.6) - Các khâu điều chỉnh dòng ( ĐC + Điều chỉnh dòng isd iq ĐC ): yd = ( K Pd + id K Id )∆isd p ( ĐC ): isq + Điều chỉnh dòng id iq (3.7) yq = ( K Pq + K Iq p )∆isq (ĐC ): (3.8) 3.3 Mơ hình mơ Matlab – Simulink 3.3.1 Mơ hình động đồng - Để thành lập mơ hình động đồng ta dựa vào phương trình tính hệ tọa độ dq 3.3.2 Mơ hình mạng tính áp - Khối mạng tính áp Mtu xây dựng từ biểu thức (3.1) 3.3.3.Chuyển đổi hệ tọa độ điện áp - Khối đổi hệ tọa độ điện áp CTĐu xây dựng từ biểu thức (3.4) (3.5) 3.3.4 Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện - Khối đổi hệ tọa độ dòng điện CTĐi xây dựng từ biểu thức (3.2) (3.3) 3.3.5 Kết mô 22 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Hình 3.3: Nguồn ba pha Hình 3.4: Điện áp Ud, Uq Hình 3.5: Dòng điện isd 23 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Hình 3.6: Dòng điện isq Hình 3.7: Momen động 24 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Hình 3.8: Tốc độ góc động Kết luận Qua bước phân tích mô giải vấn đề sau: Nghiên cứu cấu trúc điều khiển động xoay chiều ba pha kích thích vĩnh cửu dựa nguyên lý tựa theo từ thông rô-to, xây dựng hệ thống mô matlab simulink hệ truyền động đồng bộ, cài đặt tiến hành thử nghiệm số cấu trúc điều khiển điển hình cho động đồng kích thích vĩnh cửu Các thơng số kết mô cho thấy hệ thống hoạt động tốt, ổn định 25 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Tài liệu tham khảo + [1] Nguyễn Phùng Quang - Andreas Dittrich; Truyền Động Điện Thông Minh; NXB Khoa học kỹ thuật; 2002 + [2] Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Phạm Quốc Hải – Dương VĂn Nghi; Điều Chỉnh Tự Động Truyền Động Điện; NXB Khoa học kỹ thuật; 2008 + [3] Nguyễn Phùng Quang; Matlab & Simulink dành cho Kỹ sư ĐKTĐ; NXB Khoa học kỹ thuật; 2006 26 ... từ tần số sang tần số khác - Biến tần chia làm hai loại: + Biến tần trực tiếp: Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc biến tần trực tiếp + Biến tần gián tiếp: Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc biến tần gián tiếp - Biến. .. thống mô matlab simulink hệ truyền động đồng bộ, cài đặt tiến hành thử nghiệm số cấu trúc điều khiển điển hình cho động đồng kích thích vĩnh cửu Các thông số kết mô cho thấy hệ thống hoạt động. .. giá trị biến đổi theo thuật toán điều khiển định trước 11 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ BIẾN TẦN – BIẾN TẦN NGUỒN ÁP 2.1 Mô tả cấu trúc biến tần - Biến tần thiết bị biến đổi