Đồ án Xây dựng cấu trúc hệ điều khiển với 2 mạch vòng dòng điện và tốc độ dùng phương pháp vetor trực tiếp và mô phỏng hệ điều khiển trong Simulink

1 Lời nói đầu Hiện nay, động cơ 3 pha không đồng bộ rotor lồng sóc đang được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống. Từ công suất nhỏ, trung đến công suất lớn và chúng đang dần thay thế động cơ một chiều do có nhiều tính năng ưu việt như: kết cấu đơn giản, độ bền cao, dễ bảo trì, chi phí thấp, sử dụng trực tiếp lưới điện. Trong các loại động cơ không đồng bộ thì động cơ không đồng bộ roto lồng sóc là được sử dụng nhiều hơn cả. Chúng được sử dụng trong các máy nghiền, máy khuấy, ba lăng vận tải, máy bơm, quạt thông gió, quạt giải nhiệt Và những năm gần đây, phương pháp điều khiển động cơ sử dụng điều khiển vector (vector control) đặc biệt được quan tâm. Sự phát triển như vũ bão của kĩ thuật hiện nay với giá thành ngày càng hạ đã cho phép thực hiện thành công các kĩ thuật điều chỉnh phức tạp đối với loại rotor lồng sóc. Trong đồ án 2 này, chúng em sẽ xây dựng cấu trúc hệ điều khiển với 2 mạch vòng dòng điện và tốc độ dùng phương pháp vetor trực tiếp và mô phỏng hệ điều khiển trong Simulink Trong quá trình thực hiện đồ án, chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Tạ Cao Minh đã giúp chúng em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế và thời gian có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Mong được sự cảm thông và đóng góp chân thành của thầy cô để đồ án được hoàn chỉnh hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn !!! Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Sinh viên thực hiện: 2 Đề bài: Cho động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc : Pdm= 2.2 KW, fdm= 50Hz, UL-L dm= 220 V, ndm =1430 rpm, J= 0.015kg.m 2 , cos Ψdm=0.85, Rs= 0.87, Rr = 1.47Ω, Ls=Lr= 165,1 mH, Lm= 160.8 mH. Dòng điện trục d định mức Idđm =4,1 A Yêu cầu: 1. Mô hình hóa động cơ bằng phương pháp hàm truyền. 2. Xây dựng cấu trúc hệ điều khiển với 2 mạch vòng dòng điện và tốc độ dùng phương pháp vetor trực tiếp 3. Mô phỏng hệ điều khiển trong Simulink, 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 3 Chương 1: Mô hình động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc bằng phương pháp hàm truyền 1. Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) 3 pha : Hình 1. Sơ đồ thay thế của động cơ Phương trình điện áp stator: s= sIs+ Ψ (1) Phương trình điện áp rotor: r=0= r.Ir- jw. r+ Ψ (2) Phương trình từ thông: s= Ls. s+ Lm. r (3) r= Lm. s+ Lr. r (4) Trong đó : 4 Rs: điện trở stator s: vector điện áp stator Rr: điện trở rotor r: vector điện áp rotor Ls: điện cảm stator s: vector dòng điện stator Lr: điện cảm rotor r: vector dòng dòng điện rotor Lm: hỗ cảm giữa 2 cuộc dây s: vector từ thông stator δ: hệ số tản r: vector từ thông rotor Ta có : Từ (3) và (4) : Lr. Ψs= Ls.Lr.Is+ Lm.Lr.Ir Lm. Ψr= L2m. Is+ Lm.Lr.Ir → Lr. Ψs- Lm. Ψr= (Ls. Lr-L2m). Is → Ψs = . Is+ . Ψr Thay vào (1) ta được : Us= Rs. Is+ . + . Ψ (*) Từ (2) và (4) : Ψ Ψ Ψ (**) Thay vào (*) ta được: Us= Rs.Is+ jw. Ψr- Ψ → Ψ . 5 Đặt : Ts=Ls/Rs Tr=Lr/Rr δ=1- /(Lr.Ls) Ψ Ψ Từ đó ta có mô hình động cơ theo tọa độ dq như sau:                                           '' ' '' ' '' '' 11 11 11111 11111 rdsrq r sq r rq rqsrd r sq r rd sq s rq r rdsq rs sds sq sd s rqrd r sqssd rs sd T i Tdt d T i Tdt d u LT i TT i dt di u LT ii TTdt di                           Phương trình momen :    rrcsscM ipipm   2 3 2 3 Phương trình chuyển động : mM= mT+ J. Trong đó : - mT : momen tải - J : momen quán tính - w : tốc độ động cơ Từ các phương trình trên ta xây dựng được mô hình động cơ trên hệ tọa độ dq bằng phần mềm matlab Simulink như sau: 6 Hình 2 .Mô hình động cơ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq ( hệ tọa độ từ thông rotor) 2.Tính toán thông số động cơ: Tốc độ đồng bộ: n=60f/p = 60.50/2=1500 (vg/ph) Hệ số trượt định mức: =(n- )/n=(1500-1430)/ 1500 =0,047 Tốc độ quay định mức: = .2п/60= 1430.2п/60 = 149,75 (rad/s) Momen định mức trên trục động cơ: Mdm= Pdm/ = 2,2. / 149,75= 14,69 (N/m) Ta có: 7 = 3/2.p.L 2 m/Lr. . Suy ra: dòng điện trục q định mức : = = 7,63(A) → dòng điện stator định mức: Isdm= =8,66 (A) Momen trên trục động cơ : M= Hình 3 .Đặc tính cơ của động cơ 3.Kiểm chứng mô hình động cơ xây dựng được với khối mô hình động cơ trong matlab Simulink. 3.1 Kết quả mô phỏng với mô hình động cơ xây dựng được chạy file.m để tính toán các thông số của động cơ: 8 clc; % tham so dong co Rs=0.87; Rr=1.47; Ls=0.1651; Lr=0.1651; Lm=0.1608; p=2; J=0.015; % tham so tinh toan teta=1-Lm*Lm/(Ls*Lr); Tr=Lr/Rr; Ts=Ls/Rs; T=1/(1/(teta*Ts)+(1-teta)/(teta*Tr)) Chạy chương trình mô phỏng thu được các đặc tính sau: 9 10 Chương 2 : Điều khiển vector động cơ không đồng bộ 1. Lịch sử - Động cơ KĐB: 1888 do Tesla sáng chế. - Trong 1 khoảng thời gian dài thì động cơ KĐB chỉ được sử dụng cho các ứng dụng có tốc độ không đổi như quạt gió lò cao, máy bơm nước, bang chuyền. Việc điều khiển tốc độ động cơ do ĐCĐMC đảm nhiệm - 1950 : Ra đời power electronic devices (PE Devices) - 1960 : Vi xử lí DSP, MP - 1990 trở đi : vector control : chuẩn hóa trong điều khiển ĐKB → sử dụng biến tần để điều khiển động cơ KĐB trong CN - Biến tần: Cài đăt 3 thuật toán , vector control - FOC : Servo - 1987 : DTC - DTC & FOC khác nhau, DTC nhanh hơn chục lần so với FOC 2. Chuyển tọa độ abc-dq Tại sao lại chuyển abc dq? Khó khăn trong điều khiển động cơ KĐB: - 6 Phương trình điện - 6 Phương trình từ thông → 3 phương trình điện từ - 1 Phương trình động học → Tổng số 10 pt Mặt khác nếu 3 pha a,b,c mà không cân bằng →r, L khác nhau 11 Hình 4. Hệ tọa độ từ thông rotor dq. = U sin ( w.t) = sin (wt- ) = sin ( wt+ = làm , , thay đổi 12 Xét trong hệ tọa độ quay dq : = Nếu Is quay không làm thay đổi do d,q quay cùng với với vận tốc ɷs = + Is quay → dq quay theo cùng tốc độ ɷs → hình chiếu Is xuống dq không đổi (khi Is= const ) Vì vậy nếu xây dựng ĐCKĐB trong hệ tọa độ quay dq thì số phương trình mô tả động cơ sẽ là : 2 phương trình điện: - Vd= Vq= 1 P/t điện từ : M= 3/2.p 1 P/t động học : M-Mc = J. Chương 3. Nguyên lí điều khiển vector 1. Nguyên lí điều khiển Momen điện từ của động cơ sinh ra bởi sự tương tác giữa từ trường rotor và dòng stator M ~( M= 3/2.p. 13 Nếu ta chọn trục d trùng → =0 → M=3/2.p. Nếu =const điều khiển I thì điều khiển momen giống như ĐCMC: M=kФI FOC theo , m ( từ trường móc vòng ) FOC theo r là tối ưu: từ thông rotor tương tác với dòng stator phải làm việc với Ir phải làm việc với mạch từ hóa =Lm. Ids →M= 3/2.p.L2m/Lr.Ids.Iqs trong đó : Ids là thành phần sinh từ thông của dòng Is Iqs là thành phần sinh momen của dòng Is 2. Sơ đồ điều khiển 14 Hình 5. Sơ ồ iều khiển ộng cơ 2 nhánh song song d,q Nhánh d: điều khiển dòng ids điều khiển Ψdr Nhánh q: điều khiển dòng iqs→ điều khiển M 2/3. Io= ( tổng hợp 3 pha cân bằng) 15 = Chương 4: Thiết kế mạch vòng điều khiển cho động cơ 1. Mô hình điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp vector trực tiếp(FOC) Hình 6: Cấu trúc iều khiển ộng cơ bằng phương pháp vector trực tiếp. 16 Phương pháp điều khiển vector trực tiếp nghĩa là được tính trực tiếp thông qua việc đo dòng điện và điện áp ra của động cơ đi qua mô hình ước lượng từ thông để tính được ra góc lệch từ thông. Khi điều khiển ở vùng tốc độ trên cơ bản thì từ thông được giảm bằng cách điều khiển Isd ~ 1/w. 2. Tổng hợp mạch vòng điều khiển dòng điện Hình7: mạch vòng iều khiển dòng iện - Tính toán bộ cảm biến dòng điện Ki = ; Ti =0.001 (s) =10(V) =4,1(A) =7,63(A) Suy ra: hàm truyền của bộ cảm biến dòng : = hàm truyền của bộ cảm biến dòng : = 17 - Hàm truyền động cơ: = = - Tính hàm truyền bộ biến đổi: = = =22 = Hàm truyền bộ biến đổi là: Suy ra: Hàm truyền của đối tượng điều khiển: = . = Trong đó: = = + T= =0,19(s) Áp dụng cho tiêu chuẩn tối ưu module với hàm truyền: = Hàm truyền bộ điều khiển dòng điện kiểu PI là: 18 = Như vậy hàm truyền mạch kín sẽ là: F(s)= Để F(s)= thì K. =2. . Suy ra: F(s)= Như vậy ta có thể tìm được bộ điều khiển dòng điên: = Với =T và =2. . Thay các thông số tính toán ở trên ta tìm được bộ điều khiển dòng và = ( vậy bộ điều khiển kiểu PI với =0,36 và =1,9) = ( vậy bộ điều khiển kiểu PI với =0,66 và =3,5) Suy ra hàm truyền mạch vòng dòng điện: F(s)= = 3. Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ 19 Hình 8: Cấu trúc mạch vòng tốc ộ ộng cơ ĐBNCVC Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta coi toàn bộ mạch vòng dòng điện là hàm theo chuẩn tối ưu module và coi thành phần Ws.Ls là nhiễu nên ta có được mạch vòng điều khiển tốc độ như trên. Tính toán bộ cảm biến tốc độ: = , = 0,001 (s) Hàm truyền đạt của cảm biến tốc độ: = Hàm truyền của đối tượng điều khiển tốc độ: (s)= . . . Với =4,33. (s); Theo chuẩn tối ưu module chọn hàm chuẩn: 20 = Bộ điều khiển Rω là: = = Loại bỏ thành phần bậc cao: Ta chọn = = Suy ra = = =11,92 Ta thấy bộ điều khiển tốc độ trở thành một khâu tỉ lệ đơn giản nên không thể triệt tiêu được sai lệch tĩnh khi có nhiễu tải. Phương pháp tổng hợp chuẩn tối ưu đối xứng sau có thể khắc phục được nhược điểm đó: Chọn hàm chuẩn theo tối ưu đối xứng: = Với = và chọn = = Ta được bộ điều khiển PI cho bộ điều khiển tốc độ như sau: )=11,9+ 4. Cấu hình điều khiển với 2 mạch vòng dòng điện và tốc độ cho động cơ 21 Hình 9: cấu hình iều khiển với 2 mạch vòng dòng iện và tốc ộ Chương 5: Các đặc tính điều khiển thu được 1. Cấu trúc điều khiển với 2 mạch vòng dòng điện và tốc độ 22 Hình 10: cấu trúc iều khiển với các thông số ã tính toán ược. Với các thông số của bộ điều khiển tính toán ở trên: = ( vậy bộ điều khiển kiểu PI với =0,36 và =1,9) = ( vậy bộ điều khiển kiểu PI với =0,66 và =3,5) )=11,9+ Hàm truyền bộ biến đổi là: Hàm truyền động cơ: = = Hàm truyền của bộ cảm biến dòng : = Hàm truyền của bộ cảm biến dòng : = 23 Hàm truyền đạt của cảm biến tốc độ: = 2. Các đặc tính điều khiển thu được a. Đáp ứng tốc độ và dòng điện ở chế độ định mức b. Đáp ứng tốc độ và dòng điện ở vùng dưới tốc độ cơ bản (w=70 rad/s) 24 c. Đặc tính tốc độ và dòng điện ở vùng điều khiển giảm từ thông (trên tốc độ cơ bản) 25 d. Đáp ứng mômen 26 Nhận xét, ánh giá kết quả mô phỏng:  Dòng điện đáp ứng đúng tính toán, tốc độ bám sát giá trị đặt  Không bị ảnh hưởng tác động lẫn nhau giữa 2 dòng isd và isq  Độ quá điều chỉnh khoảng tốc độ nhỏ khoảng 7%  Bị sụt tốc độ khi đóng tải nhưng sau đó tốc độ đáp ứng trở lại  Sai lệch tĩnh e∞  0 => Bộ điều khiển đáp ứng được tiêu chuẩn điều khiển