Đang tải... (xem toàn văn)
Đề tài : Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (IPMSM)Thông số động cơ:Cho động cơ đồng bộ IPM với các thông số sau:Udm=50V, nđm =1200rpm ,J=0.4e3 kg.m2,Iđm=8.66,số đôi cực pc=2 ,Rs=0.57Ω, f=0.108Wb, Lsd=8.7mH, Lsq=22.8mH
Đồ án chuyên ngành 2014 Mai Đình Thế Page 1 MỤC LỤC ĐỀ TÀI : ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (IPMSM) 2 I. Giới thiệu động cơ các phương pháp điều khiển, ứng dụng 3 1.Khái niệm và cấu tạo 3 2.Phân loại 3 3.Nguyên lý hoạt động 5 4.Ứng dụng 5 II.Hệ phương trình cơ bản của động cơ IPM 6 1.Đặt vấn đề 6 2.Các hệ phương trình cơ bản của động cơ 6 3.Mô hình động cơ trong hệ tọa độ tựa từ thông rotor 9 III. Chiến lược điều khiển 11 1.Phương pháp điều khiển FOC 11 2.Phương pháp điều khiển MTPA 12 IV. Tổng hợp hệ thống điều khiển động cơ nam châm chìm tựa theo từ thông rotor 14 1.Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện 14 2.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ 17 V.Mô phỏng trong matlab 19 1.Trường hợp điều khiển dưới tốc độ cơ bản 19 2.Trường hợp điều khiển trên tốc độ cơ bản 22 VI. Tài liệu tham khảo 26 Đồ án chuyên ngành 2014 Mai Đình Thế Page 2 ĐỀ TÀI : ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (IPMSM) Thông số động cơ: Cho động cơ đồng bộ IPM với các thông số sau: Udm=50V, n đm =1200rpm ,J=0.4e-3 kg.m 2 ,I đm =8.66,số đôi cực p c =2 ,R s =0.57Ω, f =0.108Wb, L sd =8.7mH, L sq =22.8mH YÊU CẦU: - Thuyết minh nguyên lý làm việc của hệ truyền động điều khiển bằng phương pháp vector - Mô hình hóa hệ truyền động bằng phương pháp hàm truyền - Xây dựng cấu hình hệ điều khiển với mạch dòng điện và tốc độ Mô phỏng hệ điều khiển bằng phương pháp điều khiển PID dùng mô hình hàm truyền Lấy các đặc tính điều khiển (tốc độ, dòng điện) vùng dưới tốc độ cơ bản và vùng điều khiển giảm từ thông (trên tốc độ cơ bản ) Đồ án chuyên ngành 2014 Mai Đình Thế Page 3 I. Giới thiệu động cơ các phương pháp điều khiển, ứng dụng 1.Khái niệm và cấu tạo Động cơ đồng bộ là động cơ xoay chiều có tốc độ quay của rotor bằng tốc độ quay của từ trường. Ở chế độ xác lập động động cơ điện có tốc độ quay của rotor luôn không đổi khi tải thay đổi tùy thuộc vào tần số nguồn và số đôi cực của động cơ Động cơ đồng bộ nói chung , động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng là những máy điện xoay chiều gồm có 2 phần stator và rotor , phần cảm đặt ở rotor và phần ứng đặt ở stator. Với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì phần cảm ứng được kích thích bằng những phím nam châm bố trí trên bề mặt hoặc dưới bề mặt rotor. Các thanh nam châm được làm bằng đất hiếm ví dụ như Samariu-cobalt (SmCO 5 , SmCO 7 ) hoặc Neodymium-iron-boron (NdFeB) , là các nam châm có năng suất năng lượng cao và tránh được khử từ, thường được gắn trên bề mặt hoặc bên trong lõi thép rotor để đạt được độ bền cơ khí cao, nhất là khi tốc độ làm việc cao thì khe hở giữa các nam châm có thể đắp bằng vật liệu từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao , ví dụ như sợi thủy tinh hoặc bắt bu lông vít lên các thanh nam châm. Ngoài ra còn có nam châm gốm độ bền cao 2.Phân loại PMAC machines Trapezoidal type (BLDCM) Sinusoidal type (PMSM) Surface magnets type(SPM) Interior magnets type (IPM) Đồ án chuyên ngành 2014 Mai Đình Thế Page 4 Dựa vào loại sức phản điện động trên stator động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha (PMAC) có thể chia làm 2 loại dạng hình sin (PMSM) và dạng hình thang (BLDC) Loại Trapezoidal PMAC còn được gọi là động cơ một chiều không chổi than (BLDC). Điểm khác biệt cơ bản so với những động cơ đồng bộ khác là sức phản điện động (back-EMF) của động cơ có dạng hình thang do cấu trúc dây quấn tập trung (các loại khác có dạng hình sin do cấu trúc dây quấn phân tán). Dạng sóng sức phản điện động hình thang khiến cho động cơ BLDC có đặc tính cơ giống động cơ một chiều, mật độ công suất, khả năng sinh mômen cao, hiệu suất cao. Dựa vào vị trí nam châm trong rotor người ta phân Sinusoidal PMAC thành 2 loại động cơ đồng bộ nam châm bề mặt (SPMSM) và động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM) Hình 1: Cấu trúc động cơ SPM và IPM Đồ án chuyên ngành 2014 Mai Đình Thế Page 5 Hình 2 : Khác với động cơ SPM, động cơ IPM có điện cảm dọc trục và ngang trục khác nhau Động cơ SPM thông thường có nam châm được gắn trên bề mặt rotor. Động cơ IPM có nam châm được gắn chìm bên trong rotor dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc trục và điện cảm ngang trục . Đặc tính này khiến động cơ IPM có khả năng sinh mômen rất cao. Mặt khác động cơ IPM có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn tới khả năng giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ 3.Nguyên lý hoạt động Điện áp đặt lên stator là điện áp ba pha có thể cấp từ biến tần hoặc từ lưới dẫn đến xuất hiện dòng ba pha trên stator. Nam châm vĩnh cửu tạo ra từ thông khe hở không khí,từ thông này tác động với dòng điện stator tạo ra momen kéo rotor quay . Ở chế độ xác lập tốc độ rotor luôn đồng bộ với từ trường stator nên được gọi là động cơ đồng bộ 4.Ứng dụng Gần đây động cơ đồng bộ ngày càng ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng thực tế như trong các phương tiện giao thông trong các máy công cụ như máy nén khí, máy nghiền và kéo tầu Tận dụng khả năng điều chỉnh trong dải tốc độ rộng và khả năng sinh momen lớn động cơ đồng bộ nam châm chìm đang được ứng dụng rất mạnh trong lĩnh vực chế tạo ô tô Đồ án chuyên ngành 2014 Mai Đình Thế Page 6 II.Hệ phương trình cơ bản của động cơ IPM 1.Đặt vấn đề Để xây dựng , thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả chính xác đến mức tối đa đối tượng cần điều chỉnh . Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh . Tuy nhiên mô hình được xây dựng chủ yếu là để phục vụ cho xây dựng các thuật toán điều chỉnh chứ không phải mô tả chính xác về mặt toán học đối tượng động cơ. Điều đó dẫn đến các điều kiện được giả thiết khi thiết lập mô hình . Các điều kiện nhằm đơn giản hóa mô hình có lợi cho việc thiết kế sau này ,mặt khác nó gây nên sai lệch cho phép nhất định giữa đối tượng và mô hình .Sau này các sai lệch đó phải được loại trừ bằng các phương pháp thuộc về kỹ thuật điều chỉnh Về phương diện động động cơ đồng bộ được mô tả bởi hệ phương trình vi phân bậc cao . Vì cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian , vì các mạch từ móc vòng ta phải chấp nhận các điều kiện sau đây khi mô hình hóa động cơ Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian Các tổn hao sắt từ và bão hòa từ có thể bỏ qua Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi 2.Các hệ phương trình cơ bản của động cơ Phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator của động cơ U su (t)=R s i su (t) + U sv (t)=R s i sv (t) + U sw (t) =R s i sw (t)+ Với R s điện trở của cuộn dây stator Ψ su, ψ sv, ψ sw từ thông stator của cuộn dây pha u,v,w U su, U sv ,U sw điện áp pha u,v,w stator Đồ án chuyên ngành 2014 Mai Đình Thế Page 7 Để đơn giản hóa mô hình động cơ dùng phép chuyển đổi trục tọa độ đưa hệ thống ba pha từ (uvw) sang hệ tọa độ dq . Hệ tọa độ dq là hệ tọa độ tựa từ thông rotor Ma trận chuyển đổi U sd , U sq thành phần d,q của vector điện áp stator là góc giữa trục chuẩn (quy ước là trục đi qua cuộn dây pha u) và trục rotor Hình 3.Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ tựa từ thông rotor(dq) Đồ án chuyên ngành 2014 Mai Đình Thế Page 8 Hình 4.Sơ dồ thay thế động cơ IPM - Phương trình điện áp stator trong hệ tọa độ dq U sd = R s .i sd + -. q U sq = R s .i sq + +. d Trong đó i sd , i sq thành phần d,q của vector dòng điện stator d, q thành phần d,q của vector từ thông - hương trình từ thông d = i sd. L sd + f q = i sq . L sq f : từ thông của rotor nam châm vĩnh cửu Phương trình mômen M= p.(ψ s . i s ) Phương trình động học M-M T = J Đồ án chuyên ngành 2014 Mai Đình Thế Page 9 Trong đó J Momen quán tính M T Momen tải Tốc độ góc rotor 3.Mô hình động cơ trong hệ tọa độ tựa từ thông rotor Hình 5. Mô hình động cơ IPM trong hệ tọa độ từ thông rotor Sử dụng phương trình từ thông và phương trình điện áp ta có thể viết lại I sd = I sq = Phương trình momen M= = (*) Đồ án chuyên ngành 2014 Mai Đình Thế Page 10 Nhận xét : Dựa vào phương trình (*) ta nhận thấy momen quay của động cơ IPM gôm 2 thành phần ,thành phần chính với M 1 = và thành phần phản kháng M 2 = do sự chênh lệch điện cảm stator gây ra . Ở dải tốc độ định mức để đơn giản hệ thống ta có thể cho i sd = 0. Tuy nhiên với dải tốc độ trên định mức để thu thêm được điện áp điều chỉnh ta phải giảm biên độ từ thông rotor bằng cách bơm vào trục d một thành phần dòng i sd <0 . Động cơ lúc này được vận hành ở chế độ giảm từ thông và dòng i sd sẽ có biên độ lớn tăng tỉ lệ thuận với tốc độ quay rotor Từ các phương trình trên ta xây dựng được mô hình trong simulink Mô hình Simulink Hình 6. Sơ đồ Simulink động cơ IPM [...]... Đồ án chuyên ngành 2014 Hình 11.Cấu trúc của bộ điều khiển dòng điện Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện (isd) được mô tả như hình 12 Hình 12 Sơ đồ mạch vòng dòng điện Trong sơ đồ trên Tcl : hằng số thời gian của mạch nghịch lưu Mai Đình Thế Page 15 Đồ án chuyên ngành 2014 Ti : hằng số thời gian của mạch đo dòng điện Kcl : hằng số khuếch đại của mạch nghịch lưu Ki : hằng số khuếch đại của mạch đo dòng điện. .. 20 Đồ án chuyên ngành 2014 Hình 16 Kết quả mô phỏng isd dưới tốc độ cơ bản Mai Đình Thế Page 21 Đồ án chuyên ngành 2014 Hình 17 Kết quả mô phỏng isq dưới tốc độ cơ bản 2.Trường hợp điều khiển trên tốc độ cơ bản Hình 18 Sơ đồ simulink cấu trúc điều khiển động cơ IPM dưới tốc độ cơ bản Mai Đình Thế Page 22 Đồ án chuyên ngành 2014 Tương tự như trường hợp của dưới tốc độ cơ bản sau 1s ta bắt đầu khởi động. .. logic mờ Mai Đình Thế Page 25 Đồ án chuyên ngành 2014 VI Tài liệu tham khảo [1] Bùi Quốc Khánh ,Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi: Điều chỉnh tự động truyền động điện. NXB Khoa học và kỹ thuật,1996 [2] Bùi Quốc Khánh,Nguyễn Văn Liễn,Nguyễn Thị Hiền: Truyền động điện. NXB Khoa học và kỹ thuật,1994 [3] Nguyễn Phùng Quang: Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động NXB Khoa học và kỹ thuật,2003... đồ simulink cấu trúc điều khiển động cơ IPM dưới tốc độ cơ bản Sau 1s thì khởi động động cơ bằng cách đặt step time trong khối step là 1 Sau 3s ta cho tải tác động vào để khảo sát đặc tính động học của hệ thống khi có nhiễu tải tác động Giá trị đặt của tốc độ dưới tốc độ cơ bản n*=1000rpm Để hạn chế dòng sử dụng khối satulation đặt trước giá trị đặt của dòng điện Mai Đình Thế Page 19 Đồ án chuyên ngành. .. hàm truyền của đối tượng điều chỉnh là : Mai Đình Thế Page 17 Đồ án chuyên ngành 2014 Đặt = 2Ts+ T Khi đó hàm truyền của đối tượng được viết lại Đặt Suy ra Trong các thiết bị công nghệ hiện nay thường yêu cầu hệ thống điều chỉnh vô sai cấp cao , do đó áp dụng chuẩn tối ưu đối xứng ta có hàm truyền chuẩn của mạch vòng tốc độ là: = Vậy ta có = Chọn = Ts Suy ra : = Mai Đình Thế Page 18 Đồ án chuyên ngành. .. Hình 8: Quỹ đạo dòng điện với momen hằng để cực đại tỷ số “momen/dòng điện Tại vị trí điểm A trên quỹ đạo thì biên độ is là nhỏ nhất tức dòng cực tiểu,hay nói cách khác tỉ số “ momen/dòng điện là lớn nhất Điều khiển cực đại tỉ số “ momen/dòng điện dẫn đến tổn thất cực tiểu trong động cơ điều đó có nghĩa là tối ưu hóa hiệu suất của truyền động Mai Đình Thế Page 12 Đồ án chuyên ngành 2014 Hình 9 Biểu... khiển dòng điện Trong trường hợp hệ thống truyền động có hằng số thời gian cơ học rất lớn (lớn hơn bốn lần hằng số thời gian điện từ của phần ứng ) Khi đó ra coi sức điện động của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện ( coi E=0) Dựa vào sơ đồ cấu trúc ta thấy hai bộ điều chỉnh dòng điên Risd và Risq hoàn toàn giống nhau về mặt cấu trúc nên chỉ cần tính toán thiết kế... cơ bản sau 1s ta bắt đầu khởi động động cơ bằng cách cho step time trong khối step bằng 1 Sau thời gian 3s thì bắt đầu cho tải tác động Giá trị đặt của tốc độ n*=1500rpm.Sau đây là kết quả mô phỏng Hình 19 Kết quả mô phỏng Mai Đình Thế trên tốc độ cơ bản Page 23 Đồ án chuyên ngành 2014 Hình 20 Kết quả mô phỏng isd trên tốc độ cơ bản Mai Đình Thế Page 24 Đồ án chuyên ngành 2014 Hình 21 Kết quả mô phỏng... 16 Đồ án chuyên ngành 2014 Như vậy hàm truyền kín của mạch vòng điều chỉnh dòng điện là 2.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ Hình 13.Cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ là khâu hàm truyền của cảm biến tốc độ Từ phần tổng hợp mạch vòng dòng điện ta có hàm truyền (**) Vì hằng số thời gian Ts rất nhỏ ( cỡ 10-3-10-4) nên để đơn giản ta có thể thay thế (**) bằng phương pháp gần đúng của mạch vòng dòng điện. .. đề tài này em sử dụng phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ định hướng theo từ thông rotor HÌnh 7.Sơ đồ cấu trúc điều khiển tựa từ thông rotor Mai Đình Thế Page 11 Đồ án chuyên ngành 2014 Theo sơ đồ cấu trúc gồm mạch vòng dòng điện (gồm isd và isq ) và tốc độ Giá trị tốc được đo về qua cảm biến so sánh với giá trị tốc độ đặt Trường hợp điều khiển dưới tốc độ cơ bản giá trị isd*=0 Trường hợp trên . liệu tham khảo 26 Đồ án chuyên ngành 2014 Mai Đình Thế Page 2 ĐỀ TÀI : ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (IPMSM) Thông số động cơ: Cho động cơ đồng bộ IPM với các thông số. Sinusoidal PMAC thành 2 loại động cơ đồng bộ nam châm bề mặt (SPMSM) và động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM) Hình 1: Cấu trúc động cơ SPM và IPM Đồ án chuyên ngành 2014 Mai Đình Thế. magnets type(SPM) Interior magnets type (IPM) Đồ án chuyên ngành 2014 Mai Đình Thế Page 4 Dựa vào loại sức phản điện động trên stator động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha (PMAC) có thể chia