Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Phân chia tải cho 02 động cơ xoay chiều làm việc song song nối cứng trục

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:70

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn đưa ra giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế trên khi thay vì chỉ sử dụng một động cơ công suất lớn ta sử dụng 02 động cơ có tổng công suất bằng công suất của động cơ cần thay thế, các động cơ được chọn có cùng tốc độ định mức và công suất định mức, nối cứng trục.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Phân chia tải cho 02 động cơ xoay chiều làm việc song song nối cứng trục

I ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---------------o0o----------------- LÊ HỒNG THU PHÂN CHIA TẢI CHO 02 ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU LÀM VIỆC SONG SONG NỐI CỨNG TRỤC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Duy Cương THÁI NGUYÊN- 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
II LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Lê Hồng Thu. Sinh ngày: 27 tháng 02 năm 1990. Học viên Cao học Khoá 16 – Lớp Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Xin cam đoan luận văn “Phân chia tải cho 02 động cơ xoay chiều làm việc song song nối cứng trục.” do thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Duy Cương hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2016 Học viên Lê Hồng Thu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
III LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận tình giúp đỡ của thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Duy Cương, luận văn với đề tài “Phân chia tải cho 02 động cơ xoay chiều làm việc song song nối cứng trục” đã được hoàn thành. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Duy Cương đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và các bạn bè đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2016 Học viên Lê Hồng Thu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
IV MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN ..........................................................................................................III DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.................................................................... VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................... VII LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................ IX CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÂN CHIA TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC ........................................................................................1 1.1 Những yêu cầu về truyền động trong thực tế ........................................................1 1.2 Giải pháp truyền thống ..........................................................................................1 1.3 Giải pháp đề xuất ..................................................................................................4 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU .........................6 2.1 Máy điện đồng bộ..................................................................................................6 2.1.1 Định nghĩa ..........................................................................................................6 2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: ........................................................................7 2.1.3 Phân loại: ............................................................................................................8 2.2 Động cơ điện đồng bộ ...........................................................................................9 2.2.1 Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ 3 pha ........................................9 2.2.2 Các phương pháp khởi động động cơ đồng bộ ................................................10 2.3 Mô hình toán mô tả động học động cơ đồng bộ 3 pha ........................................10 2.3.1 Biến đổi hệ tọa độ. ...........................................................................................11 2.3.2 Các phương trình trong hệ tọa độ dq. ..............................................................12 2.3.3 Phương trình tính điện áp MTu ........................................................................12 2.4 Mô hình hai động cơ đồng bộ 3 pha nối cứng trục .............................................13 2.4.1 Phương trình toán mô tả động cơ đồng bộ 01 ..................................................13 2.4.2 Phương trình toán mô tả động cơ đồng bộ 02 ..................................................13 2.4.3 Phương trình mô men khi hai động cơ chung tải .............................................14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
V CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS)…..15 3.1 Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu .............................................15 3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi trực tiếp ...............................................18 3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi trực tiếp dựa vào luật MIT .........................18 3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển TNTT dựa vào phương pháp ổn định Liapunov .........26 3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp dựa vào phương pháp ổn định Liapunov ................................................................................................................32 3.2.1 Xác định cấu trúc của đối tượng và mô hình mẫu ...........................................32 3.2.2 Xác định phương trình sai số ...........................................................................33 3.2.3 Chọn hàm Lyapunov V(e) ................................................................................34 3.2.4 Xác định điều kiện để đạo hàm V (e) xác định âm ...........................................34 3.2.5 Tìm tham số biểu thức của tham số am , bm .......................................................35 3.2.6 Xác định tham số p , p .........................................................................36 21 22 3.2.7 Thiết kế bộ điều khiển PD thích nghi ..............................................................36 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG .....................................42 4.1. Xây dựng đối tượng trên Matlab/Simulink ........................................................42 4.2 Thiết kế điều khiển ..............................................................................................44 4.2.1 Xây dựng bộ điều khiển PID theo phương pháp Zigler – Nichol ...................44 4.2.2 Bộ điều khiển PI điều chỉnh dòng điện động cơ ĐB3P ...................................46 4.2.3 Bộ điều khiển PID điều chỉnh tốc độ động cơ ĐB3P ......................................47 4.2.4 Kêt quả mô phỏng ............................................................................................48 4.3 Bộ điều khiển PI thích nghi điều chỉnh dòng điện ..............................................51 4.3.1 Thiết kế bộ điều khiển PI thích nghi điều chỉnh dòng điện Isq2 .......................51 4.3.2 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PI thích nghi................................................53 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ......................................................................................57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
VI DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt Model Reference Adaptive Hệ thống thích nghi theo MRAS System mô hình mẫu Proportional - Integral - PID Tỷ lệ - tích phân - đạo hàm Derivative AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện một chiều AD Analog digital Bộ biến đổi tương tự -số TNTT Thích nghi trực tiếp ĐCĐB Động cơ đồng bộ ĐB3P Đồng bộ 3 pha Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
VII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1: Sơ đồ 02 động cơ xoay chiều nối cứng trục ....................................................... 2 Hình 1-2: Cấu trúc hệ thống điều khiển truyền thống ........................................................ 3 Hình 1-3:Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất ................................................................... 5 Hình 2-1: Cấu tạo của máy điện đồng bộ .............................................................................. 7 Hình 2-2: Sơ đồ Véc-tơ chuyển đổi sang hệ dq .................................................................. 11 Hình 3-1: Sơ đồ hệ thống điều khiển thích nghi tham số ................................................. 15 Hình 3-2: Sơ đồ hệ thống điều khiển thích nghi tín hiệu ................................................. 16 Hình 3-3:Điều khiển thích nghi trực tiếp ............................................................................. 17 Hình 3-4: Mô hình đối tượng điều khiển và mô hình mẫu............................................... 19 Hình 3-5: Sự thay đổi tham số bp dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra ........................ 20 Hình 3-6: Đáp ứng đầu ra của đối tượng (Yp), đáp ứng mô hình mẫu (Yp1) và sai lệch hai đáp ứng đầu ra (e) khi thay đổi tham số bp. ....................................................... 21 Hình 3-7: Bộ điều khiển thích nghi trực tiếp dựa vào luật MIT theo tham số Kb. ............ 22 Hình 3-8: Đáp ứng đầu ra của đối tượng điều khiển và mô hình mẫu theo luật MIT...... 22 Hình 3-9: Sai lệch đầu ra của đối tượng và mô hình mẫu .............................................. 23 Hình 3-10: Hệ số thích nghi Kb theo luật MIT ................................................................... 23 Hình 3-11: Sơ đồ mô phỏng chỉnh định thông số Ka và Kb ........................................... 24 Hình 3-12: Đáp ứng đầu ra và sai lệch giữa đầu ra đối tượng và mô hình mẫu. ............. 25 Hình 3-13: Các hệ số Ka và Kb .............................................................................................. 25 Hình 3-14: Khi thay đổi hệ số thích nghi. ............................................................................ 26 Hình 3-15: Hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp........................................................ 38 Hình 3-16: Hệ thống điều khiển thích nghi gián tiến trên Matlab/Simulink .............. 39 Hình 3-17: Đáp ứng của đối tượng, mô hình mẫu với tham số của đối tượng thay đổi t  15(s);t  30(s) .............................................................................................................................. 40 Hình 3-18: Đáp ứng của các tham số hiêu chỉnh mô hình mẫu và tham số thích nghi am , bm , K p , K với sự thay đổi tham số của mô hình đối tượng tại t  15(s);t  30(s) .. 41 d Hình 4-1: Sơ đồ chuyển đổi từ Uabc sang Udq ...................................................................... 42 Hình 4-2: Sơ đồ mối liên hệ giữa yd, yq với isd, isq ............................................................. 42 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
VIII Hình 4-3: Mô hình chi tiết động cơ ĐB3P ........................................................................... 43 Hình 4-4: Mô hình động cơ ĐB3P ......................................................................................... 43 Hình 4-5: Mô hình 2 động cơ ĐB3P nối cứng trục ........................................................... 44 Hình 4-6: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S ...................................................................... 44 Hình 4-7:Xác định hằng số khuếch đại tới hạn .................................................................. 45 Hình 4-8: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth ..................................................................... 45 Hình 4-9: Bộ điều khiển PI chỉnh dòng ĐCĐB 3 pha 01 ............................................... 46 Hình 4-10:Cấu trúc bộ điều khiển PI chỉnh dòng đối với mô hình 2 ĐCĐB 3 pha nối cứng trục ....................................................................................................................................... 47 Hình 4-11: Sơ đồ mạch vòng ổn định tốc độ 01 ĐCĐB 3 pha ....................................... 47 Hình 4-12: Sơ đồ mạch vòng ổn định tốc độ với 2 ĐCĐB 3 pha nối cứng trục ........ 48 Hình 4-13: Đặc tính dòng Isq của động cơ 01 và 02 trên hệ tọa độ dq khi sử dụng bộ điều khiển PID ............................................................................................................................. 49 Hình 4-14: Sai lệch giữa dòng Isq1 của ĐC01 với Isq2 của ĐC02 khi sử dụng bộ điều khiển PID ...................................................................................................................................... 50 Hình 4-15: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển thích nghi dòng điện isq2 của động cơ 02 trên Matlab/Simulink 2012 ....................................................................................................... 53 Hình 4-16: Đặc tính dòng điện Isq1; Isq2 khi áp dụng bộ điều khiển PI thích nghi............. 54 Hình 4-17: Sai lệch giữa Isq1; Isq2 khi áp dụng bộ điều khiển PI thích nghi........................ 54 Hình 4-18: Đặc tính tốc độ của hệ thống khi áp dụng bộ điều khiển PI thích nghi .......... 55 Hình 4-19: Đặc tính mômen của hệ thống khi áp dụng bộ điều khiển PI thích nghi........ 55 Hình 4-20: Tham số thích nghi Kp của bộ điều khiển PI đối với dòng điện isq2........ 56 Hình 4-21: Tham số thích nghi Ki của bộ điều khiển PI thích nghi đối với dòng điện isq2 .................................................................................................................................................... 56 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
IX LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa gắn liền với tri thức hiện nay, việc ứng dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong các hệ thống điều khiển, từ việc điều khiển động cơ công suất nhỏ, đến những động cơ công suất lớn cho cả một dây truyền lớn, một hệ thống trong các nhà máy, xí nghiệp.... đang được đặc biệt quan tâm. Cùng với sự trợ giúp của máy tính, của trí tuệ nhân tạo, các hệ thống điều khiển ngày càng trở nên hoàn thiện hơn, phục vụ nhiều chức năng hơn và khả năng tự động hóa ngày càng cao. Do đó, yêu cầu đối với cán bộ kỹ thuật phải có trình độ cao, đồng thời phải có khả năng nắm bắt công nghệ mới một cách tốt nhất. Tuy nhiên, đối với những hệ thống đã và đang được sử dụng lại yêu cầu người cán bộ kỹ thuật phải có khả năng nắm bắt và cải tiến công nghệ cho các hệ thống đó. Việc sử dụng những động cơ công suất lớn đáp ứng được yêu cầu của tải gặp nhiều khó khăn thiết kế, chế tạo các động cơ công suất lớn. Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với việc đi kèm với nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lưu có điều khiển đối với động cơ một chiều, bộ nghịch lưu đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn. Việc chế tạo động cơ công suất lớn và chế tạo các bộ biến đổi công suất lớn tương xứng là rất phức tạp và cũng rất tốn kém để thiết kế và chế tạo. Với đề tài: “Phân chia tải cho 02 động cơ xoay chiều làm việc song song nối cứng trục”, đưa ra giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế trên khi thay vì chỉ sử dụng một động cơ công suất lớn ta sử dụng 02 động cơ có tổng công suất bằng công suất của động cơ cần thay thế, các động cơ được chọn có cùng tốc độ định mức và công suất định mức, nối cứng trục. Ưu điểm của giải pháp là: Tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng như bộ biến đổi đi kèm có công suất nhỏ hơn. [1] Phương pháp nghiên cứu của đề tài như sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
X - Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình toán hệ hai động cơ xoay chiều nối cứng trục. - Nghiên cứu hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS áp dụng cho bài toán cân bằng tải hai động cơ xoay chiều làm việc song song nối cứng trục. - Kiểm chứng kết quả thiết kế thông qua mô phỏngbằng phần mềm Matlab/Simulink. Cấu trúc luận văn bao gồm 4 chương, nội dung tóm tắt của các chương như sau: Chương 1: Tổng quan về phân chia tải cho 02 động cơ xoay chiều nối cứng trục. Đặt vấn đề cân bằng tải cho hai động cơ xoay chiều nối cứng trục. Tổng quan về phương pháp cân bằng tải cho hai động cơ xoay chiều nối cứng trục. Chương 2: Mô hình toán động cơ điện xoay chiều. Cấu tạo, phân loại nguyên lý hoạt động của máy điện đồng bộ. Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc và các phương pháp khởi động của động cơ điện đồng bộ 3 pha. Mô hình toán mô tả động học động cơ đồng bộ 3 pha và dựng mô hình toán cho hệ truyền động gồm 2 động cơ xoay chiều nối cứng trục. Chương 3: Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS). Khái niệm về điều khiển thích nghi, điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu, điều khiển thích nghi trực tiếp. Lý thuyết ổn định Lyapunov đýợc áp dụng để tìm ra công thức hiệu chỉnh thông số của đổi tượng điều theo thông số của mô hình mẫu. Áp dụng lý thuyết về hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu MRASđể thiết kế hệ thống điều khiển như đã đề xuất tại Chương 1. Hệ thống điều khiển với cấu trúc 02 mạch vòng, mạch vòng tốc độ bên ngoài, mạch vòng dòng điện bên trong. Bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện của động cơ thứ nhất được tính toán trước với các thông số bộ điều khiển là cố định. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
XI Chương 4: Thiết kế điều khiển và mô phỏng. Xây dựng cấu trúc đối tượng 2 động cơ xoay chiều 3 pha làm việc song song nối cứng trục và cấu trúc bộ điều khiển thích nghi trực tiếp theo mô hình mẫu trên Matlab/Simulink. Thu được kết quả thiết kế, tính toán đánh giá và hiệu chỉnh thông qua mô phỏng sử dụng Matlab Simulink. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2016 Học viên Lê Hồng Thu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÂN CHIA TẢI CHO 02 ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC 1.1 Những yêu cầu về truyền động trong thực tế Trong thực tế sản xuất có những dây chuyền có công suất nhỏ nhưng có những dây chuyền có công suất rất lớn hàng nghìn KW. Đối với những máy sản xuất có công suất nhỏ thì việc dùng 01 động cơ truyền động rất dễ dàng và thuận lợi. Nhưng đối với hệ truyền động có công suất lớn ví dụ như những hệ thống truyền động ở: Hầm lò, trạm khí nén, máy bơm, những máy xúc, máy ủi. Những cỗ máy truyền động này nếu dùng 01 động cơ truyền động thì gặp rất nhiều khó khăn, cụ thể là: Động cơ công suất lớn chế tạo, sửa chữa, lắp đặt và vận hành rất khó khăn, Hơn nữa việc vận chuyển động cơ này từ nơi sản xuất đến nới sử dụng cũng như việc lắp đặt chúng vào vị trí làm việc gặp không ít trở ngại vì yếu tố trọng lượng và kích thước. Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với việc đi kèm với nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lưu có điều khiển đối với động cơ một chiều, bộ nghịch lưu đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn. Tương tự như đã đặt vấn đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ công suất lớn, có thể khẳng định rằng rất khó và cũng rất đắt để thiết kế và chế tạo các bộ biến đổi công suất lớn tương xứng. [1] 1.2 Giải pháp truyền thống Để giải quyết yêu cầu truyền động công suất lớn này thì người ta thường dùng 02 hoặc nhiều động cơ truyền động. Xong với 02 động cơ truyền động, để cân bằng phụ tải trong quá trình làm việc của 02 động cơ này thì 02 động cơ này phải có những yêu cầu như sau: 1) Tất cả truyền động thành phần đều phải giữ tỷ lệ không đổi trong cả chế độ tĩnh và chế độ động, ta gọi là yêu cầu đồng bộ hóa tốc độ. 2) Đối với dây chuyền sản xuất các vật liệu thay đổi, hoặc bề dày vật liệu thay đổi dẫn đến yêu cầu thay đổi tốc độ làm việc thường tỷ lệ này thay đổi không lớn, vùng điều chỉnh tốc độ O (2:1 đến 6:1) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
2 3) Một số dây chuyền yêu cầu chất lượng sản phẩm cao như độ đồng đều vật liệu cao sai số ít. Như vậy hệ truyền động phải đảm bảo có độ chính xác điều chỉnh cao. 4) Một số vật liệu được sản xuất trong dây chuyền liên tục có yêu cầu về chủng loại, tính chất đặt ra yêu cầu phải giữ sức căng không đổi. Vì vậy yêu cầu hệ truyền động phải điều chỉnh cả tốc độ và lực kéo. Tóm lại, để 02 động cơ làm việc khi nối cứng trục thì quá trình phụ tải thay đổi (tốc độ động cơ thay đổi) thì phải có đặc tính tĩnh hoàn toàn như nhau để giữ cho lực kéo của 02 động cơ này không đổi. [2] Việc dùng 02 động cơ để thay thế 01 động cơ công suất lớn thì có những ưu điểm sau: Tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng như bộ biến đổi đi kèm có công suất nhỏ hơn; quá trình vận chuyển, lắp ráp, vận hành dễ dàng hơn. Đặc biệt là đối với giải pháp đề xuất, bằng cách lựa chọn tổ nối dây của máy biến áp lực một cách hợp lý cho phép giảm thiểu ảnh hưởng của thành phần sóng hài bậc 3 do bộ biến đổi tạo ra đối với lưới điện. Hình 1-1: Sơ đồ 02 động cơ xoay chiều nối cứng trục Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
3 Trong thực tế việc chọn 02 động cơ có đặc tính cơ như nhau trong quá trình làm việc thì tốc độ không đổi nhưng khi phụ tải thay đổi thì lực kéo của 02 động cơ này không thể tự cân bằng như nhau được, vì vậy chúng ta phải thiết kế một hệ tự động truyền động để tự động điều chỉnh lực căng giữa 02 động cơ khi phụ tải thay đổi. Có nhiều cách xây dựng hệ tự động điều chỉnh này và một trong những hệ điều chỉnh lực căng đó. Hình 1-2: Cấu trúc hệ thống điều khiển truyền thống Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
4 Nguyên lý làm việc của sơ đồ: Một trong các thiết kế đã áp dụng đó là sử dụng cấu trúc với 02 mạch vòng điều khiển, mạch vòng tốc độ chung bên ngoài, mạch vòng dòng điện kép bên trong, tín hiệu ra của mạch vòng tốc độ là tín hiệu đặt cho các mạch vòng dòng điện (Hình 1-2). Sự sai khác về dòng điện của hai động cơ được hiệu chỉnh bằng cách thay đổi thông số của các bộ điều khiển dòng 1 mạch vòng dòng điện một cách phù hợp. Với giải pháp này đã đáp ứng được yêu cầu của sản xuất. Tuy nhiên, do thông số của các bộ điều khiển dòng 1 là cố định, trong quá trình vận hành khi thông số của hệ thống thay đổi, dẫn đến sự sai khác tương đối lớn về dòng điện của các động cơ (đôi khi có thể lên đến 15%). Chính vì vậy, cùng với quá trình vận hành, cán bộ kỹ thuật cần phải chỉnh định lại thông số của các bộ điều khiển sao cho hệ thống làm việc ổn định theo mong muốn  Đây là nhược điểm cơ bản của thiết kế trên. [3,4] 1.3 Giải pháp đề xuất Giải pháp đề xuất trình bày trong nghiên cứu này được phát triển dựa theo giải pháp vừa nêu tuy nhiên có sự thay đổi. Cụ thể, giữ nguyên cấu trúc điều khiển hai mạch vòng điều khiển, bộ điều khiển PID mạch vòng tốc độ bên ngoài chung cho cả 02 động cơ với thông số cố định, hai bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện bên trong riêng cho 02 động cơ, bộ điều khiển dòng điện động cơ 1 với thông số cố định, tín hiệu ra của bộ điều khiển này là tín hiệu mẫu, thông số bộ điều khiển dòng của động cơ thứ hai được hiệu chỉnh dựa trên sai lệch về dòng điện giữa 02 động cơ (Hình 1-3). Nói một cách khác, bộ điều khiển dòng của động cơ thứ 2 là bộ điều khiển thích nghi được thiết kế dựa trên mô hình mẫu được tạo bởi bộ điều khiển dòng động cơ thứ nhất cùng một phần thông số của động cơ đó. Với cấu trúc này trong quá trình vận hành, dòng điện động cơ thứ nhất được xem là dòng mẫu, dòng động cơ thứ 2 luôn bám dòng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
5 động cơ 1 với sai số nhỏ nhất. Có nghĩa dòng phần ứng của cả hai động cơ luôn bằng nhau – điều mà chúng ta mong đợi. Hình 1-3:Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
6 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU 2.1 Máy điện đồng bộ 2.1.1 Định nghĩa Máy điện đồng bộ là loại máy điện mà tốc độ quay của roto bằng tốc độ quay của từ trường quay trong máy. Ngày nay nguồn năng lượng điện được sử dụng trên thế giới chủ yếu là năng lượng điện xoay chiều thì máy phát điện đồng bộ là nguồn chính để phát ra năng lượng đó. Máy đồng bộ cũng có tính chất thuận nghịch. Tức là có thể làm việc như một máy phát hoặc như một động cơ. Ngoài ra nó còn có thể dùng làm nguồn công suất kháng gọi là máy bù đồng bộ. Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Phạm vi ứng dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng , nghĩa là làm máy phát điện. Điện năng 3 pha chủ yếu dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống hằng ngày được sản suất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi, tuabin khí hoặc tubin nước. Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết bị công suất lớn, thiết bị lớn. Máy điện đồng bộ có khả năng phát ra công suất phản kháng, thông thường máy đồng bộ được tính toán sao cho chúng có thể phát ra công suất phản kháng gần bằng công suất tác dụng. trong một số trường hợp người ta dùng máy điện đồng bộ đặt gần các khu công nghiệp lớn để chỉ phát ra công suất phản kháng đủ bù hệ số cos cho lưới điện là hợp lý. Những máy đó là máy bù đồng bộ. Các động cơ đồng bộ công suất nhỏ (đặc biệt là các động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu) cũng được sử dụng rộng rãi trong các trang bị tự động và điều khiển. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
7 2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: a) Cấu tạo Cấu tạo của máy điện đồng bộ gồm có 2 phần: Phần quay (roto) và phần tĩnh (stato) Hình 2-1: Cấu tạo của máy điện đồng bộ - Stato gồm có: vỏ, lõi và dây quấn + Vỏ: làm bằng thép đúc, dung bảo vệ mạch từ và các phần khác trong máy. Trên vỏ có gắn biển đề ghi các thông số của máy điện + Lõi stato: dung để dẫn từ, được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện với nhau theo hình trụ rỗng, mặt trong được đặt các rãnh để đặt cuộn dây stato Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
8 + Dây quấn: được quấn thành tứng các mô bin, các cạnh của các mô bin đó được đặt vào các rãnh của lõi thép stato. Các mô bin được cách điện với nhau vad cách điện với vỏ - Roto gồm có: Nếu phần quay là phần cảm thì nó gồm: lõi và dây quấn Roto có 2 loại: cực lồi và cực ẩn + Loại cực lồi: Dây quấn được quấn xung quanh cực từ. Ở máy điện lớn thì trên cực còn được sẽ rãnh để đặt cuộn khởi động. Loại máy này tốc độ quay thấp + Loại cực ẩn: Người ta sẽ rãnh ở 2/3 chu vi roto. Roto của loại này thường làm bằng thép chất lượng cao để đảm bảo lực li tâm khi tốc độ lớn b) Nguyên lý hoạt động Trong máy điện đồng bộ, thường cực từ đặt ở rôto, còn dây quấn phần ứng được đặt trên phần tĩnh (stato) gồm ba cuộn dây đặt lệch nhau trong không gian 1200 góc độ điện, đấu thành hình sao (Y) hay tam giác (Δ). Cũng giống như các máy điện quay khác, máy điện đồng bộ cũng có tính chất thuận nghịch: có thể làm việc ở chế độ máy phát hợc chế độ động cơ điện. Khi động cơ sơ cấp quay rôto máy phát với tốc độ định mức, đồng thời cho dòng điện một chiều vào dây quấn rôto (dây quấn kích thích), rôto trở thành nam châm điện, từ trường của rôto quét qua các thanh dẫn của dây quấn stato và cảm ứng nên trong chúng các s.đ.đ. xoay chiều. Khi dây quấn phần ứng của máy được nối với tải bên ngoài, dòng điện ba pha đối xứng lệch nhau về thời gian 120𝑜 điện chạy trong dây quấn ba pha đặt lệch nhau trong không gian một góc 120𝑜 điện sẽ sinh ra từ trường quay.[5] 2.1.3 Phân loại: - Theo chức năng người ta phân thành: Máy phát, động cơ, máy bù đồng bộ. - Theo số pha: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
9 Máy đồng bộ một pha, máy đồng bộ 3 pha. - Theo công suất: Máy đồng bộ công suất nhỏ, máy đồng bộ công suất trung bình, máy đồng bộ công suất lớn. - Theo cấu tạo: Máy đồng bộ cực lồi, máy đồng bộ cức ẩn. 2.2 Động cơ điện đồng bộ Các động cơ điện xoay chiều dùng nhiều trong sản xuất thường là những động cơ điện không đồng bộ, vì loại động cơ này có đặc điểm cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ. Tuy nhiên các động cơ điện đồng bộ trong thời gian gần đây cũng được sử dụng nhiều và cũng có thể so sánh với động cơ không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động điện. Ưu điểm: Động cơ điện đồng bộ có khả năng làm việc ở chế độ cos = 1, và không cần lây công suất phản kháng từ lưới điện, nên hệ số công suất của lưới điện được nâng cao, làm giảm điện áp rơi và tổn hao công suất trên đường dây. Động cơ điện đồng bộ ít chịu ảnh hưởng của điện áp lưới do momen tỷ lệ với điện áp U, còn động cơ di bộ có momen tỷ lệ với bình phương điện áp U. Nhược điểm: Cấu tạo của động cơ đồng bộ phức tạp, đòi hỏi phải có nguồn kích từ, việc khởi động phức tạp, việc thay đổi tốc độ chỉ có thể thực hiện được nhờ thay đổi tần số của nguồn điện.[5] 2.2.1 Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ 3 pha Cho dòng điện ba pha ia, ib, ic vào dây quấn ba pha của stato, dòng điện ba pha sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1/p. Ta hình dung từ trường quay stato như một nam châm có hai cực đang quay với tốc độ n. Đồng thời cho dòng điện một chiều vào dây quấn rôto, rôto trở thành một nam châm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn