Đang tải... (xem toàn văn)
ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP, MÔMEN ĐỘNG CƠ , KHÔNG ĐỒNG BỘ, RÔTO LỒNG SÓC, SỬ DỤNG BIẾN TẦN NGUỒN ÁP
Trờng đại học bách khoa Hà Nội khoa Điện Bộ môn tự động hóa xncn *** Đồ án tốt nghiệp Đề tài: điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc sử dụng biến tần nguồn áp Chủ nhiệm bộ môn : TS Nguyễn Mạnh Tiến Thầy giáo hớng dẫn : PGS.TS Nguyễn Văn Liễn Sinh viên : Nguyễn Đình Quang Số hiệu : 20022260 Lớp : TĐH1 - K47 Hà nội - 5/2007 Lời cam đoan Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc sử dụng biến tần nguồn áp do em tự thiết kế dới sự hớng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Liễn. Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ở cuối đồ án, em đảm bảo không sao chép các công trình khoa học hay thiết kế tốt nghiệp của ngời khác. Sinh viên Nguyễn Đình Quang Lời nói đầu Ngày nay cùng với sự phát triển của các nghành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin là sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hóa. Trong sản xuất công nghiệp, tự động hóa quá trình sản xuất là mũi nhọn và then chốt để giải quyết vấn đề nâng cao năng suất và chất lợng sản phẩm. Một trong những vấn đề quan trọng trong dây truyền tự động hóa là việc điều chỉnh tốc độ của động cơ. Trong đó phải kể đến hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, loại động cơ này gần đây đợc sử dụng rất rộng rãi do nó có rất nhiều u điểm nổi bật so với các động cơ khác. Hớng điều khiển U/f , điều khiển vector dòng điện dùng phơng điều chế vector. Bản đồ án tốt nghiệp này đề cập đến hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ bằng thiết bị biến tần nguồn áp theo phơng pháp điều khiển trực tiếp mô men DTC. Trong khuôn khổ thời gian cho phép bản đồ án đã đề cập đến các vấn đề sau: - Giới thiệu về động cơ không động đồng bộ ba pha rotor lồng sóc. - Giới thiệu biến tần nguồn áp và một số nguyên tắc điều khiển tần số động cơ không đồng bộ - Giới thiệu phơng pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC direct torque control) và các phơng pháp cải tiến nhằm nâng cao chât lợng điều khiển - Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ không động đồng bộ ba pha theo phơng pháp DTC Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn, ngời đã trực tiếp tận tình hớng dẫn em hoàn thành bản đồ án này, đồng cám ơn thây cô giáo trong bộ môn các bạn sinh viên lớp TĐH1 K47 đã đa ra nhiều góp ý nhằm hoàn thiện đồ án! Hà nội, ngày 23 tháng 5 năm 2007. Sinh viên thực hiện Nguyễn Đình Quang mục lục Lời nói đầu Chơng 1: Tổng quan về động cơ không đồng bộ . 1 1.1 Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ 1 1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ 1 1.1.2 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ 1 1.1.3 Nguyên lý hoạt động 2 1.1.4 ứng dụng, u điểm và nhợc điểm của động cơ không đồng bộ 3 1.2 Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 3 1.2.1 Sơ đồ thay thế 4 1.2.2 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ . 4 1.2.3 Các phơng trình điện áp 6 1.2.4 áp dụng phép chuyển hệ tọa độ Park 7 1.2.5 Các phơng trình ma trận điện áp 8 1.3 Không gian vectơ và mô hình toán học của động cơ 9 không đồng bộ trong không gian véctơ 1.3.1 Vectơ không gian dòng điện 10 1.3.2 Từ thông trong không gian pha 11 1.3.2.1 Từ thông stator trong hệ tọa độ cố định gắn với Stator 12 1.3.2.2 Từ thông rotor trong hệ tọa độ gắn với Rotor 13 1.3.2.3 Từ thông rotor biểu diễn trên hệ tọa độ cố định gắn với stator14 1.3.2.4 Từ thông stator trong hệ toạ độ gắn với rotor 15 1.3.3 Điện áp stator và rotor trên hệ toạ độ không gian pha 15 1.3.4 Biểu diễn phơng trình động cơ trong không gian pha . 15 1.3.4.1 Phơng trình điện áp trong không gian pha bất kỳ 15 1.3.4.2 Phơng trình điện áp trong hệ toạ độ gắn với stator 17 1.3.4.3 Phơng trình điện áp trong hệ toạ độ gắn với rotor 17 1.3.4.4 Phơng trình điện áp trong hệ toạ độ gắn với tốc độ đồng bộ 18 1.4 Các biểu thức mômen điện từ 19 1.4.1 Giới thiệu 19 1.4.2 Dẫn giảI theo quan điểm cân bằng năng lợng 19 1.5 Mô hình trên Simulink . 20 1.5.1 Trên hệ tọa độ Stator 20 1.5.2 Trên hệ tọa độ Rotor 21 1.5.3 Trên hệ tọa độ từ trờng 22 1.5.4 Phơng trình động học . 22 Chơng 2: Biến tần nguồn áp và một số phơng pháp . 23 điều khiển động cơ không đồng bộ 2.1 Biến tần bán dẫn . 23 2.1.1 Cấu trúc của biến tần bán dẫn 23 2.1.2 Phơng pháp PWM thông thờng 24 2.1.3 Phơng pháp PWM điều chế vectơ không gian 27 2.2 Chiến lợc điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 29 2.2.1 Giới thiệu chung 29 2.2.2 Nguyên lý điều khiển điện áp tần số U/f 31 2.2.3 Điều khiển véctơ dòng điện 36 2.3.4 Giới thiệu nguyên tắc điều khiển trực tiếp mômen (DTC) . 39 Chơng 3: Phơng pháp điều khiển trực tiếp mômen 43 3.1 Phơng pháp điều khiển trực tiếp mômen 43 3.1.1 Giới thiệu chung 43 3.1.2 Nguyên lý điều khiển tần số động cơ KĐB trên cơ 44 sở điều khiển trực tiếp mômen ( hay classic DTC) 3.1.3 Bảng chuyển mạch tối u 49 3.1.4 Sơ đồ DTC 50 3.1.5 Ước lợng từ thông và mômen 52 3.1.5.1 Khối ớc lợng từ thông stator và momen 52 sử dụng tốc độ và dòng điện (w m , i sA và i sB ). 3.1.5.2 Khối ớc lợng từ thông stator và momen 53 sử dụng điện áp và dòng điện (V dc , i sA và i sB ). 3.2 Các phơng pháp cải tiến trong sơ đồ điều khiển trực tiếp mômen 54 3.2.1 Giới thiệu 54 3.2.2 Bảng chọn khác nhau . 54 3.2.2.1 Bảng chọn 6 sector nhng chia khoảng khác nhau 54 3.2.2.2 Bảng chọn 12 sector 56 3.2.3 Cải tiến bộ ớc lợng từ thông 61 Chơng 4. Mô phỏng hệ thống . 64 4.1 Mô hình mô phỏng 64 4.2 Cấu trúc các khối chi tiết trong sơ đồ 64 4.3 DTC cải tiến với 12 sectơ 76 Kết luận Danh mục các Ký hiệu và các chữ viết tắt a toán tử 120 0 . ( ) ri i t dòng điện rotor trên pha i. r i dòng điện pha rotor biểu diễn trên hệ toạ độ rotor. ' r i dòng điện pha rotor biểu diễn trên hệ toạ độ stator. ( ) si i t dòng điện stator trên pha i. s i dòng điện pha rotor biểu diễn trên hệ toạ độ stator. ' s i dòng điện pha rotor biểu diễn trên hệ toạ độ rotor. m L cảm kháng từ hoá của ba pha. r L tổng cảm kháng của ba pha rotor. r L tự cảm của ba pha rotor. 1r L cảm kháng rò rotor. rm L cảm kháng từ hoá rotor. 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. r M hỗ cảm giữa các cuộn rotor. s M hỗ cảm giữa các cuộn stator. sr M giá trị lớn nhất của hỗ cảm giữa các cuộn rotor và stator. p toán tử vi phân. P số đôi cực. r R điện trở rotor. s R điện trở stator. s hệ số trợt. 1 s toán tử tích phân. e T hằng số thời gian của momen điện từ. pc T momen chuẩn hoá và tính bằng phần trăm. s z T T= hằng số thời gian trích mẫu. ( ) ri u t điện áp rotor trên pha i. r u điện áp rotor trên hệ toạ độ rotor. ' r u điện áp rotor trên hệ toạ độ stator. ( ) si u t điện áp stator trên pha i. s u điện áp stator trên hệ toạ độ stator. ' s u điện áp stator trên hệ toạ độ rotor. wm tốc độ cơ học. pc w tốc độ chuẩn hoá và tính bằng phần trăm. wr tốc độ rotor. ws tốc độ stator. r góc pha giữa từ thông rotor 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 rotor và stator. r góc rotor. s góc stator. ( ) ri t từ thông rò trên cuộn rotor i. r từ thông rò rotor trên trục toạ độ gắn với rotor. ' r từ thông rò rotor 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 rotor. Các chỉ số. / các thành phần hoành và tung trên hệ toạ độ gắn với rotor. /d q các thành phần hoành và tung rotor trên hệ toạ độ gắn với stator. /D Q các thành phần hoành và tung stator trên hệ toạ độ gắn với rotor. g hệ trục toạ độ bất kỳ. m từ hoá. r rotor. , ,ra rb rc các pha của rotor. Ref tín hiệu đặt. s rotor. , ,sA sB sC các pha của stator. /x y các thành phần tung và hoành trên hệ toạ độ bất kỳ. Ký hiệu toán học. x nhân vector. * nhân số ảo. Danh mục các bảng Bảng 2.1 Bảng chọn các sectơ 28 Bảng 3.1 Bảng chọn chung cho phơng pháp điều khiển trực tiếp mômen k là thứ tự sectơ 47 Bảng 3.2 Bảng chọn các vectơ điện áp tối u 50 Bảng 3.3 Tác động của mỗi trạng thái trong 2 phơng pháp TI/TD: tăng/ giảm mômen, FI/FD: tăng giảm từ thông 55 Bảng 3.4 Bảng chọn cho phơng pháp DTC cải tiến 56 Bảng 3.5 Bảng chọn cho sectơ 12 và 1 theo phơng pháp 12_DTC76 Bảng 3.6 Bảng chọn cho 12_DTC 60 Danh mục các hình vẽ Hình 1.1 Sơ đồ thay thế động cơ KĐB 4 Hình 1.2 Đờng đặc tính cơ của động cơ KĐB 5 Hình 1.3 Sơ đồ của phép chuyển trục tọa độ 7 Hình 1.4 Chuyển đổi tơng đơng các cuộn dây của động cơ KĐB 9 [...]... 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 Rotor quay Động cơ không đồng bộ gồm 2 loại: Động cơ không đồng bộ Rotor dây quấn và Động cơ không đồng bộ Rotor 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 rotor (phần quay) 1 Stator: Gồm vỏ máy,... điện từ quay và động cơ điện đầu tiên ra đời Faraday tiếp tục khám phá ra cảm ứng điện từ vào năm1831 nhng phải đến năm 1833 thì Tesla mới phát minh 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... này không giống nh 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 mô men và từ thông Để nâng cao hiệu suất sử dụngt hì 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 đợc, nên bộ điều khiển phức tạp hơn so với loại một chiều 1.2 Mô hình toán học động. .. sQ isD ) t L 2 D + Js (1.91) Trong đó P là số đôi cực wr = Chơng 2 Biến tần nguồn áp và một số Nguyên tắc điều khiển động cơ không đồng bộ 2.1 Biến tần bán dẫn 2.1.1 Cấu trúc biến tần bán dẫn Bộ biến tần bán dẫn (BBT) là thiết bị biến đổi năng lợng điện từ tần số công nghiệp (50Hz) sang nguồn có tần số thay đổi cung cấp cho động cơ xoay chiều ... độ trợt 1.1.3 ứng dụng, u và nhợc điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Các động cơ không đồng bộ có u điểm là: rẻ tiền, thiết kế và sản xuất đợc dễ dàng, dễ bảo dỡng, không cần vành chuyển mạch điện và chổi than, là loại động cơ đợc sử dụng rộng rãi Chúng có Mômen quán tính và trọng lợng nhỏ, hiệu suất cao, khả năng quá tải lớn và vững chắc Ngoài ra các động cơ không đồng bộ có thể làm việc... sectơ và các sectơ của nó 58 Hình 3.12 Khâu Rơle 4 vị trí 59 Hình 3.12 Tám vùng không gian của sự biến thiên từ thông và mômen. 60 Hình 3.13 Bộ tích phân cải tiến với bộ hạn chế biên độ62 chơng 1 Tổng quan về động cơ không đồng bộ 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... loại các phơng pháp điều khiển động cơ KĐB 31 Hình 2.10 Các dạng đặc tính 34 Hình 2.11 Các dạng đặc tính cơ động cơ KĐB khi ta thay đổi tần số theo quy luật điều chỉnh U và f 35 Hình 2.12 Sự tơng quan giữa điều khiển ĐC 1 chiều và điều khiển vectơ 36 Hình 2.13 Điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện : Mômen và kích từ 37 Hình 2.14 Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động cơ tựa từ thông... chiều 1.2 Mô hình toán học động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Để hiểu và thiết kế điều khiển một động cơ trớc hết ta phải hiểu rõ mô hình động học của nó Một phơng pháp điều khiển tốt phải áp ứng đợc sự thay đổi của công nghệ, nên ta có thể nói một mô hình động học tốt cho động cơ sẽ áp ứng đợc vấn đề đó Thêm vào nữa, mô hình động học phải áp ứng đủ các hiệu ứng động học quan trọng xảy ra trong... thông; TI: tăng mômen; TD: giảm mômen 48 Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phơng pháp DTC cho động cơ không đồng bộ 51 Hình 3.8 Sơ đồ: phơng pháp DTC cổ điển 6 sectơ và phơng pháp DTC 6 sectơ mới 55 Hình 3.9 Phân vùng điều khiển tác động mômen I, D: tăng giảm mạnh mômen; SI,SD: tăng giảm nhẹ mômen 57 Hình 3.10 Đặc tính làm việc khâu so sánh mômen trễ bốn vị trí 58 Hình 3.11 Phơng pháp DTC 12 sectơ... không có khả năng đánh lửa Do những u điểm này mà động cơ không đồng bộ đợc u tiên quan tâm tìm hiểu nh bộ biến đổi năng lợng điện cơ Các động cơ không đồng bộ cũng có nhiều nhợc điểm, nh tốc độ của chúng phụ thuộc vào tần số và biên độ điện áp nguồn cấp mà trong thực tế nhiều lúc năng lợng cơ lại yêu cầu các tốc độ có thể thay đổi đợc Chúng có thể chạy ở tốc độ gần bằng hằng số đối với tải và từ không . khoa Hà Nội khoa Điện Bộ môn tự động hóa xncn *** Đồ án tốt nghiệp Đề tài: điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc sử dụng biến tần nguồn áp Chủ nhiệm bộ môn : TS Nguyễn. của động cơ không đồng bộ gồm 2 phần chính: Stator đứng yên và phần Rotor quay. Động cơ không đồng bộ gồm 2 loại: Động cơ không đồng bộ Rotor dây quấn và Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc. Tổng quan về động cơ không đồng bộ . 1 1.1 Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ 1 1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ 1 1.1.2 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ 1 1.1.3