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:
1
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.m2 ,
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
2
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
Ψ
(1) Phương trình điện áp stator: s= sIs+
Ψ
(2) Phương trình điện áp rotor: r=0= r.Ir- jw. r+
Phương trình từ thông: s= Ls. s+ Lm. r (3)
r= Lm. s+ Lr. r (4)
Trong đó :
3
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 :
Ψ .
Ψ
Us= Rs. Is+ . + (*)
Từ (2) và (4) : Ψ (**) Ψ
Thay vào (*) ta được:
Ψ
Us= Rs.Is+ jw. Ψr- Ψ
.
→
4
Ψ
Ψ Đặt : Ts=Ls/Rs Tr=Lr/Rr δ=1- /(Lr.Ls)
Từ đó ta có mô hình động cơ theo tọa độ dq như sau:
Phương trình momen :
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:
5
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:
6
= 3/2.p.L2m/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:
7
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:
8
9
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: Cài đăt 3 thuật toán
biến tần để điều khiển động cơ KĐB trong CN
, 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
10
Hình 4. Hệ tọa độ từ thông rotor dq.
= U sin ( w.t) ) = sin (wt-
= sin ( wt+
=
làm , , thay đổi
11
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.
12
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
13
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)
14
=
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.
15
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 : =
16
= - 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:
17
=
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
18
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:
19
=
Bộ điều khiển Rω là:
= =
Loại bỏ thành phần bậc cao:
Ta chọn = =
=11,92 =
Suy ra =
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
20
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
21
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 của bộ cảm biến Hàm truyền động cơ: =
dòng : =
Hàm truyền của bộ cảm biến dòng : =
22
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)
23
c. Đặc tính tốc độ và dòng điện ở vùng điều khiển giảm từ thông (trên tốc
độ cơ bản)
24
d. Đáp ứng mômen
25
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
0 Sai lệch tĩnh e∞
=> Bộ điều khiển đáp ứng được tiêu chuẩn điều khiển
