Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ THU ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔMEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ THÁI NGUYÊN - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tên học viên : Nguyễn Thị Thu Sinh ngày : 08 tháng 04 năm 1986 Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp thạc sĩ: “Điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ” do Tôi tự thiết kế dƣới sự hƣớng dẫn của thầy giáo PGS.TS. NGUYỄN VĂN LIỄN. Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ở cuối luận văn, Tôi đảm bảo không sao chép các công trình khoa học hay thiết kế tốt nghiệp của ngƣời khác. Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo ở khoa Sau Đại học - Trƣờng Đại học KTCN Thái Nguyên, cùng các giáo sƣ, phó giáo sƣ, tiến sĩ đã quan tâm tổ chức chỉ đạo và trực tiếp giảng dạy khóa cao học của chúng tôi. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS.Nguyễn Văn Liễn ngƣời đã tận tình chỉ bảo và góp ý về chuyên môn cho chúng tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn bạn bè, gia đình và đồng nghiệp - những ngƣời đã luôn ủng hộ và động viên Tôi nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tuy nhiên, do bản thân mới bắt đầu trên con đƣờng nghiên cứu đầy thách thức, chắc chắn bản luận văn còn nhiều thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc sự góp ý của các thầy cô giáo và đồng nghiệp. Tôi xin trân trọng cảm ơn! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ ix LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƢƠNG 1 3 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉCTƠ 3 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ 3 1.1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3 1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 4 1.1.4 Ứng dụng, ƣu và nhƣợc điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 5 1.1.5 Mô hình toán học động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 5 1.2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉCTƠ: 10 1.2.1 Mô hình ba pha của động cơ không đồng bộ 10 1.2.2 Đại lƣợng véctơ không gian 16 1.2.3 Mô hình động cơ không đồng bộ trong các hệ tọa độ trực giao 19 1.3 CHIẾN LƢỢC ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 31 1.3.1 Giới thiệu chung 31 1.3.2 Nguyên lý điều khiển điện áp tần số U/f 34 1.3.3 Điều khiển véctơ 38 1.3.4 Giới thiệu nguyên tắc điều khiển trực tiếp mômem (DTC) 41 CHƢƠNG 2 45 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔMEN 45 2.1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN 45 2.2 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 49 2.2.1 Sơ đồ DTC 49 2.2.2 Các bộ điều khiển trong sơ đồ 50 2.3 KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN 50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 2.4 LẬP BẢNG CHỌN VÉCTƠ 52 CHƢƠNG 3 54 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN 54 3.1. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TỪ THÔNG STATOR 54 3.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÔMEN 54 3.3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ƢỚC LƢỢNG CÁC ĐẠI LƢỢNG PHẢN HỒI 55 CHƢƠNG 4 57 MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM 57 4.1. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG: 57 4.1.1 Mô hình mô phỏng 57 4.1.2 Cấu trúc các khối chi tiết trong sơ đồ 58 4.2. ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG QUA THÍ NGHIỆM: 69 4.2.1. Các trang thiết bị trong phần thực nghiệm: 69 4.2.2. Kết quả thực nghiệm 72 4.2.3. Đánh giá kết quả: 73 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT () ri it dòng điện rôto trên pha i. r i dòng điện pha rôto biểu diễn trên hệ toạ độ rôto. ' r i dòng điện pha rôto biểu diễn trên hệ toạ độ stator. () si it dòng điện stato trên pha i. s i dòng điện pha rôto biểu diễn trên hệ toạ độ stator. ' s i dòng điện pha rôto biểu diễn trên hệ toạ độ rôto. m L cảm kháng từ hoá của ba pha. r L tổng cảm kháng của ba pha rôto. r L tự cảm của ba pha rôto. 1r L cảm kháng rò rôto. rm L cảm kháng từ hoá rôto. s L tổng cảm kháng của 3 pha stator. s L tự cảm của stator. 1s L cảm kháng rò stator. sm L cảm kháng từ hoá stator. f tần số. P số đôi cực. r R điện trở rôto. s R điện trở stator. s hệ số trƣợt. M Mômen e T hằng số thời gian của mômen điện từ. sz TT hằng số thời gian trích mẫu. () ri ut điện áp rôto trên pha i. r u điện áp rôto rotor trên hệ toạ độ rôto. ' r u điện áp rôto trên hệ toạ độ stator. () si ut điện áp stato trên pha i. s u điện áp stato trên hệ toạ độ stator. ' s u điện áp stato trên hệ toạ độ rôto. ()et sức phản điện động r góc pha giữa từ thông rôto so với trục ngang của hệ toạ độ stator s góc pha giữa từ thông stator so với trục ngang của hệ toạ độ stator. m góc lệch giữa rôto và stator. r góc rôto. s góc stator. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii () ri t từ thông rò trên cuộn rôto i. r từ thông rò rôto trên trục toạ độ gắn với rôto. ' r từ thông rò rôto trên trục toạ độ gắn với stator. () si t từ thông rò trên cuộn stator i. s từ thông rò stator trên trục toạ độ gắn với stator. ' s từ thông rò stator trên trục toạ độ gắn với rôto. CÁC CHỈ SỐ. / các thành phần hoành và tung trên hệ toạ độ gắn với rôto. /dq các thành phần hoành và tung rôto trên hệ toạ độ gắn với stator. /DQ các thành phần hoành và tung stato trên hệ toạ độ gắn với rôto. m từ hoá. r rôto. ,,ra rb rc các pha của rôto. Ref tín hiệu đặt. s stator. ,,sA sB sC các pha của stator. /xy các thành phần tung và hoành trên hệ toạ độ bất kỳ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU STT Số hiệu Nội dung Trang 1 Bảng 2.1 Bảng chọn chung cho phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mômen 53 2 Bảng 2.2 Bảng chọn véctơ điện áp của nghịch lƣu 53 3 Bảng 2.3 Biến thiên từ thông và mômen ứng với các véctơ điện áp sử dụng khi véc tơ từ thông ở vị trí nhƣ hình 2.4b 53 4 Bảng 2.4 Bảng chọn các sector 61 5 Bảng 4.1 Thông số động cơ 68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ ST T Số hiệu Nội dung Trang CHƢƠNG 1 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘTRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉCTƠ 1 Hình 1.1 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ 6 2 Hình 1.2 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 8 3 Hình 1.4 Sơ đồ dây quấn tập trung của ĐK 11 4 Hình 1.5 Sơ đồ 3 pha quy đổi về stator của ĐK 13 5 Hình 1.6 Mô hình giải thích cách tính sức điện động rôto 14 6 Hình 1.7 Mô hình của điều khiển trong hệ tọa độ cực (a) và các đại lƣợng véctơ (b). 15 7 Hình 1.8 Phân bố mật độ dòng điện khi chỉ có pha a có dòng điện 16 8 Hình 1.9 Phân bố mật độ dòng điện tổng từ các dòng điện pha ias, ibs, ics 17 9 Hình 1.10 Phân bố mật độ từ thông tổng từ các dòng stator ở hình 1.6 18 10 Hình 1.11 Biểu diễn véctơ trên hệ trục αβ 20 11 Hình 1.12 Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ trong hệ trục , 20 12 Hình 1.13 Sơ đồ cấu trúc của động cơ trong hệ tọa độ , 22 13 Hình 1.14 Mô hình trạng thái của điều khiển trong hệ tọa độ , 23 14 Hình 1.15 Biểu diễn véctơ không gian trong hệ trục d, q 24 15 Hình 1.16 Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ trục tọa độ d, q 25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ x 16 Hình 1.17 Sơ đồ cấu trúc của ĐK trong hệ trục tọa độ dq 27 17 Hình 1.18 Biểu diễn véctơ không gian trong hệ trục gắn với rôto (D,Q) 28 18 Hình 1.19 Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ tọa độ gắn với rôto 29 19 Hình 1.20 Sơ đồ cấu trúc của điều khiển trong hệ tọa độ gắn với rôto 30 20 Hình 1.21 Phân loại các phƣơng pháp điều khiển 32 21 Hình 1.22 Các dạng đặc tính 36 22 Hình1.23a,b,c Các dạng đặc tính cơ động cơ không đồng bộ khi ta thay đổi tần số theo quy luật điều chỉnh U và f 37 23 Hình 1.24 Sự tƣơng tự giữa điều khiển động cơ một chiều và điều khiển véctơ 39 24 Hình 1.25 Điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện: mômen và kích từ 39 25 Hình 1.26 Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động cơ tựa từ thông rôto. 40 26 Hình 1.27 Sơ đồ khối DTC 44 CHƢƠNG 2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔMEN 27 Hình 2.1 Biểu diễn các đại lƣợng trong hệ trục gắn với stator 47 28 Hình 2.2 Mô tả hàm đóng cắt mạch lực biến tần 48 29 Hình 2.3 Sơ đồ khối của DTC 49 30 Hình 2.4 Quỹ đạo véctơ từ thông Stator (a) và véctơ điện áp sử dụng trong thời gian ∆t và từ thông tƣơng ứng (b) 51 CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN 31 Hình 3.1 Bộ điều khiển dải trễ hai mức 54 41 Hình 3.2 Bộ điều khiển dải trễ ba mức 54 [...]... ra động cơ không đồng bộ xoay chiều Ngày nay, các động cơ điện chia làm 2 loại : động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều, động cơ xoay chiều gồm: động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ Cho đến ngày nay, lý thuyết xây dựng động cơ điện vẫn dựa trên các lý thuyết của Oersted, Faraday và Tesla Cấu trúc của động cơ không đồng bộ gồm 2 phần chính: Stator đứng yên và phần rôto quay Động cơ không. .. máy móc và ngƣời vận hành thấp Do đó vấn đề đặt ra là phải thay đổi cách điều khiển các động cơ không đồng bộ trong cơ cấu Vì vậy, trong luân văn này học viên sẽ thực hiện việc nghiên cứu điều khiển động cơ không đồng bộ bằng biến tần theo phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mômen động cơ (DTC) Mặc dù phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mômen đã đƣợc phát hiện từ vài chục năm về trƣớc, song do hạn chế về... không đồng bộ gồm 2 loại: Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn và Động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc (ngắn mạch) 1.1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ gồm 2 phần stator (phần tĩnh) và rôto (phần quay) 1 Stator: Gồm vỏ máy, lõi sắt, dây quấn a Vỏ máy: Thƣờng làm bằng gang Đối với máy công suất lớn (>1000kW) thƣờng dùng thép tấm hàn lại thành vỏ Vỏ máy có tác dụng cố định và không. .. đối với tải và từ không tải tới đầy tải Điểu này không giống nhƣ các động cơ điện một chiều, các động cơ không đồng bộ gặp khó khăn để điều khiển tách bạch các thành phần dòng điện sinh mômen và từ thông Để nâng cao hiệu suất sử dụng thì hệ truyền động động cơ không đồng bộ thay đổi tốc độ có khả năng cấp cho động cơ điện ba pha có tần số và biên độ có thể thay đổi đƣợc, nên bộ điều khiển phức tạp hơn... 3 CHƢƠNG 1 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉCTƠ 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ Vào năm 1820, Hans Christian và Oersted đã tiến hành các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hƣởng của từ trƣờng dòng điện Một năm sau đó, Michael Faraday đã khám phá ra trƣờng điện từ quay và động cơ điện đầu tiên ra đời Faraday tiếp tục khám phá ra... dụng, ƣu và nhƣợc điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Các động cơ không đồng bộ có ƣu điểm là: rẻ tiền, thiết kế và sản xuất đƣợc dễ dàng, dễ bảo dƣỡng, không cần vành chuyển mạch điện và chổi than, là loại động cơ đƣợc sử dụng rộng rãi Chúng có Mômen quán tính và trọng lƣợng nhỏ, hiệu suất cao, khả năng quá tải lớn và vững chắc Ngoài ra các động cơ không đồng bộ có thể làm việc trong các... R1 , R2: là điện trở của mạch từ hoá, cuộn dây stator, của rôto đã quy đổi về stator S: hệ số trƣợt của động cơ 1 s m (1.2) 1 với m 1 là tốc độ góc của từ trƣờng quay hay tốc độ đồng bộ là tốc độ góc của động cơ b, Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ Ở đây ta nghiên cứu mô hình động cơ không đồng bộ ở chế độ xác lập Từ giản đồ thay thế ta tính đƣợc: I1 U1 1 R0 2 X 02 ( R1 1 R2 ' 2 ) s (1.3) X nm 2... I '2 (r1 r '2 2 ) S (1.4) x'2) 2 ( x1 Từ điều kiện cân bằng công suất của động cơ ta có phƣơng trình mômen động cơ có dạng nhƣ sau: 2 3U12 R '2 M 1 R1 R2 ' s (1.5) 2 3 X nm s Từ đó ta có đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8 ω +s ω1 sth 0 Mdm +s +s M th M Hình 1.2 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ Ta có độ trƣợt tới hạn đƣợc tính nhƣ sau:... cos m1 pM sr cos m2 pM sr cos m pM r pM r Rr pLr urc isC (1.12) irc 1.2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉCTƠ 1.2.1 Mô hình ba pha của động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ có các dây quấn ba pha ở rôto và stator, các dây quấn là đối xứng và đƣợc bố trí sao cho từ thông dọc theo chu vi khe hở không khí có dạng hình sin, gọi k là tên dây quấn thì ta có phƣơng trình điện áp... Mô hình toán học động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Để hiểu và thiết kế điều khiển một động cơ trƣớc hết ta phải hiểu rõ mô hình động học của nó Một phƣơng pháp điều khiển tốt phải đáp ứng đƣợc sự thay Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 đổi của công nghệ, nên ta có thể nói một mô hình động học tốt cho động cơ sẽ đáp ứng đƣợc vấn đề đó Thêm vào nữa, mô hình động học phải đáp . HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉCTƠ 3 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ 3 1.1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3. Cấu trúc của động cơ không đồng bộ gồm 2 phần chính: Stator đứng yên và phần rôto quay. Động cơ không đồng bộ gồm 2 loại: Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn và Động cơ không đồng bộ rôto lồng. động cơ điện chia làm 2 loại : động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều, động cơ xoay chiều gồm: động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ. Cho đến ngày nay, lý thuyết xây dựng động cơ