1 Ỹ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN THỊ NINH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA SỬ DỤNG GIẢI PHÁP INSTASPIN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THỊ MAI HƢƠNG - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Động không đồng có nhiều ưu điểm so với động chiều: hệ số công suất cao, vận hành tin cậy, giá thành chế tạo chi phí vận hành thấp Tuy nhiên cấu trúc phi tuyến với đa thông số nên điều khiển động không đồng khó khăn Những năm gần đây, với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, nhiều phương pháp điều khiển hiệu đề xuất cho điều khiển động không đồng Vì lý này, động không đồng sử dụng rộng rãi hệ thống điều chỉnh tốc độ máy sản xuất, thay dần cho động chiều Điều khiển điện áp nguồn cung cấp cho động phương pháp đơn giản kinh tế, chất lượng điều chỉnh tĩnh động không cao Phương pháp điều khiển hiệu thay đổi tần số điện áp nguồn cung cấp cho động Do tốc độ động xấp xỉ tốc độ đồng bộ, nên động làm việc với độ trượt tổn hao công suất trượt mạch rotor nhỏ Tuy nhiên phương pháp phức tạp đắt tiền Trong hệ thống truyền động điện điều khiển tần số phương pháp điều khiển theo từ thông tạo cho động đặc tính tĩnh động tốt Với phương pháp điều khiển gián tiếp, hệ thống điều khiển điện áp/ tần số dòng điện/ tần số trượt sử dụng rộng rãi công nghiệp Ở hệ thống điều khiển điện áp tần số, sức điện động khe hở động điều chỉnh tỷ lệ với tần số Động có khả sinh momen tần số định mức Có khả điều khiển hai vùng, vùng tốc độ điều chỉnh từ thông không đổi, điều khiển giữ tỉ số sức điện động khe hở tần số số, vùng tốc độ điện áp trì không đổi, từ thông động giảm theo tốc độ đảm bảo công suất động không đổi Phương pháp tạo đặc tính tĩnh tốt không đáp ứng chất lượng điều chỉnh trình độ Hệ thống điều chỉnh định hướng theo từ trường gọi điều khiển vector đáp ứng yêu cầu điều chỉnh Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ chế độ tĩnh động Nó cho phép điều chỉnh chế độ momen từ thông động điều chỉnh hai thành phần dòng điện stator tương ứng Hệ thống điều chỉnh gồm hai kênh điều khiển độc lập: điều khiển momen điều khiển từ thông rotor, kênh điều khiển momen gồm mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh từ thông Như hệ thống truyền động điện động không đồng tạo đặc tính tĩnh động cao so sánh với động chiều Gói giải pháp InstaSpin thuật toán phần mềm sử dụng cho ứng dụng điều khiển tốc độ động xoay chiều (biến tần) tảng vi điều khiển sản xuất gần Các phần mềm nói tích hợp bên vi điều khiển nên dễ dàng việc phát triển ứng dụng Bộ DRV8312-69M thiết bị dựa công nghệ hãng InstaSpin để điều khiển đánh giá động Bằng cách sử dụng công nghệ InstaSpin, DRV8312-69M cho phép nhận dạng nhanh chóng, tự động điều chỉnh điều khiển động theo yêu cầu công nghệ Cùng với công nghệ InstaSpin, DRV8312-69M cung cấp hệ thống làm việc với hiệu suất cao, tiết kiệm lượng Ngoài ra, sử dụng thiết bị sơ đồ mạch, động nối trực tiếp với DRV8312-69M mà không cần phải qua thiết bị hỗ trợ khác Vì với yêu cầu cấp thiết trên, xây dựng đề tài nghiên cứu khoa học: “Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển tốc độ động xoay chiều ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin.” Mục tiêu luận văn Mục tiêu thiết kế điều khiển tốc độ động xoay chiều ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin Qua nghiên cứu điều khiển tốc độ động xoay chiều, ưu nhược điểm điều khiển Mục tiêu cụ thể sau: - Phân tích hệ thống điều khiển tốc độ động xoay chiều - Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động xoay chiều ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin - Tiến hành thí nghiệm để phân tích đánh giá chất lượng thực hệ thống nhằm tiếp tục phát triển, hoàn thiện thực hóa đề tài Nội dung luận văn: Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan điều chỉnh tốc độ động xoay chiều ba pha Chương 2: Mô hình hóa động xoay chiều ba pha Chương 3: Nghiên cứu giải pháp InstaSpin Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động xoay chiều ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin Kết luận kiến nghị Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA 1.1 Tổng quan động xoay chiều ba pha Động xoay chiều ba pha bao gồm động đồng (ĐCĐB) động không đồng (ĐCKĐB) ĐCKĐB sử dụng rộng rãi ĐCĐB có cấu tạo đơn giản, vận hành không phức tạp, giá thành rẻ làm việc tin cậy ĐCKĐB có ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc ĐCKĐB ba pha rotor dây quấn Tuy nhiên loại rotor lồng sóc chiếm ưu tuyệt đối thị trường dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng kích thước nhỏ gọn Mặt khác ưu dễ điều khiển, điều chỉnh loại ĐCKĐB rotor dây quấn không tồn phát triển mạnh mẽ kỹ thuật vi điều khiển cho phép thực thành công yêu cầu điều khiển phức tạp loại ĐCKĐB rotor lồng sóc Vì lý trên, đề tài tác giả đề cập đến ĐCKĐB rotor lồng sóc Động không đồng động điện xoay chiều hai dây quấn mà có dây (sơ cấp) nhận điện từ lưới Nguyên lý làm việc chung động không đồng dựa tượng từ tính quay mà F.D Arago phát năm 1824 M.Faraday giải thích vào năm 1931 Nhưng thí nghiệm Arago đĩa đồng chuyển động nhờ nam châm quay từ trường quay tạo nên thiết bị đứng yên stator máy điện Chỉ đến năm 1979, U Beli phát dụng cụ việc dịch chuyển không gian từ trường nhờ thiết bị đứng yên gồm nam châm điện đặt khoảng cách so với trụ quay đĩa đồng Để tạo nên từ trường quay người ta sử dụng thiết bị chuyển mạch đặc biệt cung cấp cho nam châm điện xung điện chiều có biên độ chiều tương ứng Nhà bác học người Ý G.Fecrarix nhà bác học người Nam Tư Ntecla, sống làm việc chủ yếu Mỹ phát tượng từ trường quay nhận thức vào năm 1888 cách độc lập Họ chứng minh thành công hai cuộn dây đặ vuông góc với cung cấp dòng điện hình sin lệch 90o tạo từ trường quay, vectơ cảm ứng từ trường đặt điểm giao trục, cuộn dây quay không thay đổi biên độ Nhưng động hai pha Fecrarix có mạch từ hở rotor hình trụ đồng sinh công suất tất khoảng 3W gần giống với động không đồng Các động không đồng Ntesla thiết kế hãng westing hoax nhận chế tạo Nhược điểm động việc dùng dây quấn tập trung stator rootor máy Điều làm cho việc mở máy xấu mômen phụ thuộc vào vị trí ban đầu rotor Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Việc phát minh động không đồng ba pha đặc điểm kết cấu có tính nguyên lý giữ đến ngày gắn liền với tên tuổi M.D Dalivo Dabrovolxki sau tìm hiểu kết luận Fecrarix tính không triển vọng động không đồng Trong thời gian ngắn ông hoàn thành nghiên cứu động không đồng cung cấp từ hệ ba pha hoàn thành phát minh có ý quan trọng động không đồng ba pha rotor lồng sóc, stator có kiểu dây quấn trải hình trống, loại rotor có dây quấn bap lấy từ vành trượt, biến trở mở máy đưa vào rotor mở máy động Vậy nguyên lý phát năm 1824 1890, động không đồng ngày xây dựng phát triển kết cấu, công suất, công nghệ ngày phát huy tác dụng hoàn thiện đến ngày hôm Hiện nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật đặc biệt kỹ thuật vi xử lý tín hiệu cho phép giải thuật toán phức tạp điều khiển động xoay chiều bap với chất lượng điều khiển cao thời gian thực Điều dẫn đến xu hướng thay triệt để động điện chiều bơi truyền động điện ba pha có ưu điểm truyền động chiều phải bảo dưỡng để chế tạo ưu điểm khác 1.2 Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động xoay chiều ba pha Từ phương trình cân momen động cơ: (1) Trong đó: U1 trị số hiệu dụng điện áp pha stato R’2 điện trở mạch roto quy đổi stato ω1 tốc độ góc từ trường quay f1 tần số điện áp nguồn đặt vào stato p số đôi cực động R1 điện trở cuộn dây stato Xnm = (X1 + X’2) điện kháng ngắn mạch roto X1, X’2 điện kháng stato điện kháng roto quy đổi stato Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Ta dựa vào để điều khiển tốc độ động cách thay đổi thông số điện áp nguồn cung cấp, điện trở phụ mạch roto, công suất trượt tần số nguồn cung cấp 1.2.1 Điều chỉnh điện áp Stato Do momen động tỉ lệ với bình phương điện áp mạch stato, ta điều chỉnh momen tốc độ động không đồng cách điều chỉnh điện áp stato giữ nguyên tần số nguồn cung cấp Đây phương pháp đơn giản sử dụng biến đổi điện (biến áp, tiristor) để điều chỉnh điện áp đặt vào cuộn stator Phương pháp kinh tế họ đặc tính thu không tốt 1.2.2 Điều chỉnh điện trở Rotor Ta điều khiển tốc độ động cách điều chỉnh điện trở mạch roto cách điều khiển tiếp điểm tiristor làm ngắn mạch hở mạch điện trở phụ Phương pháp có ưu điểm mạch điện an toàn, giá thành rẻ đặc tính điều chỉnh không tốt, hiệu suất thấp vùng điều chỉnh hẹp 1.2.3 Điều chỉnh công suất trƣợt Để điều chỉnh tốc độ động không đồng cách làm mềm đặc tính giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng công suất trượt tiêu tán điện trở mạch roto Ở hệ thống truyền động công suất lớn tổn hao đáng kể Vì thể để điều chỉnh tốc độ hệ thống truyền động vừa tận dụng công suất trượt người ta sử dụng sơ đồ công suất trượt (1-s)+s = const Nếu lấy Ps trả lại lưới tiết kiệm lượng Khi điều chỉnh với lượng Ps phát lên lưới) gọi điều chỉnh nối cấp đồng (lấy Khi điều chỉnh với gọi điều chỉnh công suất trượt đồng (nhận lượng Ps từ lưới) hay gọi điều chỉnh nối cấp đồng truyền động động hai nguồn cấp Nếu tái sử dụng lượng Ps để tạo Pcơ gọi lại truyền động nối cấp Phương pháp ý nghĩa nhiều Số hóa Trung tâm Học liệu giảm http://www.lrc-tnu.edu.vn/ tức công suất động chiều dùng để tận dụng Ps phải gần động (động xoay chiều), không lại không nên điều chỉnh sâu xuống Trong thực tế, người ta không sử dụng phương pháp 1.2.4 Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp stator Khi điều chỉnh tần số động không đồng thường phải điều chỉnh điện áp, dòng điện từ thông mạch stator trở kháng, từ thông, dòng điện, … động bị thay đổi 1.2.4.1 Luật điều chỉnh tần số- điện áp Ở hệ thống điều khiển điện áp/ tần số, sức điện động stator động điều chỉnh tỉ lệ với tần số đảm bảo trì từ thông khe hở không đổi Động có khả sinh momen tần số định mức Có thể điều chỉnh tốc độ hai vùng: - Vùng tốc độ bản: giữ từ thông không đổi thông qua điều khiển tỷ số sức điện động khe hở/ tần số số - Vùng tốc độ bản: giữ công suất động không đổi, điện áp trì không đổi, từ thông động giảm theo tốc độ + Theo khả tải: Để đảm bảo số tiêu điều chỉnh mà không làm động bị dòng cần phải điều chỉnh điện áp Đối với biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ cho khả tải momen không đổi suốt dải điều chỉnh tốc độ Luật điều chỉnh với x thuộc phụ tải Khi x=0 (Mc không đổi) luật điều chỉnh us/fs số + Điều chỉnh từ thông: Trong chế độ định mức, từ thông định mức mạch từ có công suất tối đa Luật điều chỉnh tần số- điện áp luật giữ gần từ thông không đổi toàn dải điều chỉnh Tuy nhiên từ thông động đặc tính phụ thuộc nhiều vào độ trượt s, tức phụ thuộc momen tải trục động Vì hệ điều chinh yêu cầu chất lượng cao cần tìm cách bù từ thông Do nên muốn giữ từ thông ψr không đổi dòng điện phải điều chỉnh theo tốc độ trượt Phương pháp có nhược điểm động phải cài đặt sensor đo từ thông, không thích hợp cho sản xuất hàng loạt cấu đo gắn bị ảnh hưởng nhiệt độ nhiễu Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Nếu điều chỉnh biên độ pha dòng điện điều chỉnh từ thông rotor mà không cần cảm biến tốc độ 1.2.4.2 Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện Phương pháp điều chỉnh sử dụng biến tần nguồn dòng Biến tần nguồn dòng có ưu điểm tăng công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản mà thực hãm tái sinh động Nguồn điện chiều cấp cho nghịch lưu phải nguồn dòng điện, tức dòng điện không phụ thuộc vào tải mà phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển Để tạo nguồn điện chiều thường dùng chỉnh lưu điều khiển băm xung áp chiều có điều chỉnh dòng điện có cấu trúc tỷ lệ- tích phân (khâu PI), mạch lọc điện kháng tuyến tính có trị số điện cảm đủ lớn - Điều chỉnh tần số- dòng điện: Việc điều chỉnh từ thông hệ thống biến tần nguồn dòng thực tương tự hệ thống biến tần nguồn áp - Điều chỉnh vector dòng điện: Tương tự hệ thống biến tần nguồn áp, hệ thống biến tần nguồn dòng thực điều chỉnh từ thông cách điều chỉnh vị trí vector dòng điện không gian Điều khác biệt hệ thống biến tần nguồn dòng dòng điện liên tục việc chuyển mạch van phụ thuộc lẫn - Điều khiển trực tiếp momen: Phương pháp đời từ năm 1997, thực đáp ứng nhanh Vì ψr có quán tính nên không biến đổi nhanh được, ta trọng thay đổi ψs không thay đổi ψr Phương pháp không điều khiển theo trình mà theo điểm làm việc Nó khắc phục nhược điểm điều khiển định hướng trường vector rotor ψr cấu trúc phức tạp, đắt tiền, độ tin cậy thấp (hiện có vi mạch tích hợp cao, độ xác cao), việc đo dòng điện qua cảm biển gây chậm trễ, đáp ứng momen hệ điều khiển vector chậm ảnh hưởng bão hòa mạch từ tới Rs lớn Trong hệ thống truyền động điện điều khiển tần số, phương pháp điều khiển theo từ thông rotor tạo cho động đặc tính tĩnh động tốt Các hệ thống điều khiển điện áp/ tần số dòng điện/ tần số trượt ứng dụng rộng rãi công nghiệp Ngày có nhiều nghiên cứu nhiều tác giả lĩnh vực điều chỉnh tự động truyền động điện động xoay chiều ba pha Mỗi đề tài nghiên cứu đưa ưu nhược điểm hệ thống Kế thừa tiếp tục Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 phát huy ưu điểm nghiên cứu trước đó, tác giả nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển tự động động xoay chiều ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin 1.3 Kết luận chƣơng Chương giải số vấn đề sau: - Tổng quan nét động xoay chiều ba pha - Lựa chọn động để nghiên cứu động không đồng - Giới thiệu phương pháp điều chỉnh tốc độ động xoay chiều ba pha Trên sở nghiên cứu bước đầu động xoay chiều ba pha, chương nghiên cứu mô hình hóa động xoay chiều ba pha Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... tốc độ động xoay chiều ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin. ” Mục tiêu luận văn Mục tiêu thiết kế điều khiển tốc độ động xoay chiều ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin Qua nghiên cứu điều khiển tốc. .. độ động xoay chiều, ưu nhược điểm điều khiển Mục tiêu cụ thể sau: - Phân tích hệ thống điều khiển tốc độ động xoay chiều - Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động xoay chiều ba pha sử dụng giải. .. nét động xoay chiều ba pha - Lựa chọn động để nghiên cứu động không đồng - Giới thiệu phương pháp điều chỉnh tốc độ động xoay chiều ba pha Trên sở nghiên cứu bước đầu động xoay chiều ba pha,