- Đinh Văn Hai NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ TRONG ĐIỀU KHIỂN VEC TƠ ĐCKĐB Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : 1. - Phạm Hùng Phi Học viên: Đinh Văn Hai Trang 2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT x(t), x Giá trị tức thời X*, x* Giá trị đặt X, x Giá trị vector Tốc độ quay của động cơ s Độ trượt của động cơ f Tần số của nguồn cung cấp M Mômen quay của động cơ Mc Mômen cản của tải m Từ thông của động cơ s Từ thông stator của động cơ r Từ thông rotor của động cơ Is Dòng điện stator Ir Dòng điện rotor Iư Dòng điện phần ứng Ik Dòng điện kích từ dr Hình chiếu của vector từ thông rotor trên trục d qr Hình chiếu của vector từ thông rotor trên trục q αr Hình chiếu của vector từ thông rotor trên trục α βr Hình chiếu của vector từ thông rotor trên trục β Ids, Hình thiếu của vector dòng điện stator trên hai trục d Iqs Hình thiếu của vector dòng điện stator trên hai trục q Iαs, Hình thiếu của vector dòng điện stator trên hai trục α Iβs Hình thiếu của vector dòng điện stator trên hai trục β Ls Điện cảm stator Lr Điện cảm rotor Lm Hỗ cảm giữa stator và rotor Rs Điện trở dây quấn stator GVHD: TS. - d,q Các thành phần thuộc hệ tạo độ dq J Mômen quán tính CL Chỉnh lưu PLC Program Logic Controller P Bộ điều chỉnh tỉ lệ PI Bộ điều chỉnh tích phân tỉ lệ PD Bộ điều chỉnh vi phân tỉ lệ PID Bộ điều chỉnh vi tích phân tỉ lệ TĐĐ Truyền động điện ĐCKĐB Động cơ không đồng bộ TĐĐXCBP Truyền động điện xoay chiều ba pha ĐKVTKG Điều khiển vector không gian DTC Điều khiển trực tiếp mômen (Direct Toque Control) FOC Điều khiển tựa từ trường (Field Oriented Control) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Các khả năng nối với nguồn của các cuộn dây. - Phạm Hùng Phi Học viên: Đinh Văn Hai Trang 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ. - 10 Hình 1.2: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha. - 11 Hình 1.3: Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi giảm điện áp cấp cho động cơ. - 13 Hình 1.4: Động cơ KĐB với R1f và X1f trong mạch stator. - 14 Hình 1.5: Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng bộ. - 15 Hình 1.6: Ảnh hưởng của điện trở mạch rotor đến đặc tính cơ. - 16 Hình 1.7: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ. - 17 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý biến tần trực tiếp. - 21 Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp. - 21 Hình 2.3: Sơ đồ nghịch lưu dòng 3 pha. - 23 Hình 2.4: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp 3 pha. - 24 Hình 2.5: Phân loại các phương pháp điều khiển ĐCKĐB bằng biến tần. - 26 Hình 2.6: Các dạng đặc tính cơ động cơ không đồng bộ khi. - 30 Hình 2.7: Các dạng đặc tính cơ động cơ không đồng bộ khi ta thay đổi tần số theo quy luật điều chỉnh từ thông không đổi ( hay ssUconstf. - 31 Hình 3.1: Các hệ trục tọa độ. - Phạm Hùng Phi Học viên: Đinh Văn Hai Trang 5 Hình 3.13: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển DTC. - 58 Hình 3.14: Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC. - 60 Hình 3.15: Phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor trực tiếp. - 61 Hình 3.16: phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor gián tiếp. - 62 Hình 4.1: Đồ thị điện trở stator thay đổi trong thực tế vận hành. - 66 Hình 4.2: Đồ thị minh họa ảnh hưởng của Rs. - 68 Hình 4.3: Cấu trúc bộ bù sự thay đổi điện trở. - 69 Hình 4.4: Đồ thị điện trở rotor thay đổi trong thực tế vận hành. - 71 Hình 4.5: Sai số của góc s. - 75 Hình 4.7: Sơ đồ khối điều khiển tựa từ thông rotor động cơ không đồng bộ. - 78 Hình 4.8: Sơ đồ mạch khi dòng điện pha A qua vị trí 0. - 81 Hình 4.11: Điện áp cảm ứng trên pha A. - 83 Hình 4.13: Từ thông rotor tính toán và thực tế. - 84 Hình 4.15: Ước lượng tốc độ. - 84 Hình 4.16: Nhận dạng các thông số bằng sơ đồ mạng thông minh. - 86 Hình 4.17: Sơ đồ mạng thông minh ước lượng Rr. - 88 Hình 4.18: Sơ đồ mạng thông minh hai lớp dùng để ước lượng từ thông rotor. - 88 Hình 4.19: Quan hệ dòng điện stator và điện trở stator Rs. - 90 Hình 4.20: Ước lượng dòng điện stator trên trục D dựa theo (55. - 91 Hình 4.21: Ước lượng dòng điện stator trên trục Q dựa theo (59. - 91 Hình 4.22: Ước lượng Rs bằng cách sử dụng ANN. - 91 Hình 4.23: Sơ đồ khối điều khiển gián tiếp vector động cơ không đồng bộ với ước lượng online điện trở stator và rotor. - Phạm Hùng Phi Học viên: Đinh Văn Hai Trang 6 Mở đầu Động cơ không đồng bộ có cấu trúc đơn giản, chắc chắn, giá thành hạ, vận hành và bảo dưỡng dễ dàng. - Những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công nghệ vi điện tử, khoa học máy tính, công nghệ bán dẫn công suất và kỹ thuật điều khiển đã tạo sự chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho giải pháp tự động hoá công nghiệp, nhiều phương pháp điều khiển hiện đại, hiệu quả đã được đề xuất cho việc điều khiển động cơ không đồng bộ. - Đặc biệt, phương pháp điều khiển vector là một phương pháp tin cậy và hiệu quả để điều khiển các hệ động cơ không đồng bộ nhờ đó việc ứng dụng động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi. - Việc ước lượng phụ thuộc vào một số thông số của động cơ và các thông số này thường thay đổi trong quá trình vận hành của máy. - Ước lượng giá trị cần càng tiệp cận với giá trị thực của động cơ thì các giá trị cần điều khiển như momen, tốc độ, công suất càng được điều chỉnh một cách chính xác. - Do vậy, đề tài của em đi vào nghiên cứu vấn đề ảnh hưởng của các thông số động cơ không đồng bộ đến ước lượng các giá trị cần của phương pháp điều khiển vector. - Từ đó đưa ra các hướng để loại bỏ hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của các thông số động cơ đến quá trình điều khiển. - Nội dung chính của luận văn: Chương 1: giới thiệu về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha. - Chương 2: giới thiệu về phương pháp điều khiển biến tần động cơ không đồng bộ ba pha. - Phạm Hùng Phi Học viên: Đinh Văn Hai Trang 7 Chương 3: nghiên cứu về phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor động cơ không đồng bộ. - Phạm Hùng Phi Học viên: Đinh Văn Hai Trang 8 Chương 1: Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 1.1 Giới thiệu về động cơ điện không đồng bộ Ngày nay, động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và chiếm một tỉ lệ lớn so với các động cơ khác. - Ưu điểm của loại động cơ này là cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, giá thành hạ, vận hành an toàn, chịu được điều kiện làm việc môi trường khắc nhiệt, nối trực tiếp với lưới điện áp xoay chiều ba pha nên không cần dùng đến bộ biến đổi. - Tuy nhiên nhược điểm cơ bản của động cơ này là hệ số cos không cao, đặc tính điều chỉnh (khi mở, khi điều chỉnh tần số, ổn định và khống chế tốc độ) phức tạp nên gặp khó khăn trong quá trình điều chỉnh. - Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của điện tử công suất, vi xử lý, tin học, đã cho phép giải quyết những bài toán phức tạp trong vấn đề điều khiển động cơ xoay chiều ba pha, đáp ứng thời gian thực với chất lượng điều khiển cao, khắc phục được những hạn chế trước đây (mở rộng dải điều chỉnh, điều chỉnh với độ chính xác cao) và dần dần thay thế hệ truyền động một chiều. - 1.1.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ ( tài liệu số [5]) Động cơ không đồng bộ gồm 2 phần stator (phần tĩnh) và rotor (phần quay. - Khe hở Khe hở trong động cơ không đồng bộ rất nhỏ (0,2mm-1mm). - 1.1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Động cơ không đồng bộ làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. - 1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ ( tài liệu số Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ 1.1. - Hình 1.1: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ Trong đó: U1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stator (V). - Phạm Hùng Phi Học viên: Đinh Văn Hai Trang 11 Rµ, R1, R’2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stator và mạch rotor đã quy đổi về stator (Ω) Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng: ''21222o 1 nm3UMRs R XsR,[Nm. - Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1.2, đó là đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha. - Hình 1.2: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha. - Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KĐB là một đường cong phức tạp có hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. - Trên đoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. - Do vậy động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn định. - Trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định. - Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ Từ phương trình đặc tính cơ 1.1 của động cơ không đồng bộ, ta thấy các thông số ảnh hưởng đặc tính cơ bao gồm. - Tần số lưới điện cung cấp cho động cơ f1. - Điện trở mạch rotor ( nối thêm điện trở phụ R2f vào mạch rotor đối với động cơ rotor quấn dây. - Ảnh hưởng số đôi cực p của động cơ. - 1.2.2.1: Ảnh hưởng của điện áp nguồn cung cấp cho động cơ: Điện áp lưới U1 thay đổi bằng cách sử dụng bộ điện áp xoay chiều. - Hình 1.3: Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi giảm điện áp cấp cho động cơ. - Phạm Hùng Phi Học viên: Đinh Văn Hai Trang 14 Vậy khi giảm điện áp cấp cho động cơ làm cho Mth giảm nhanh. - 1.2.2.2 Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng stator: Được thực hiện bằng cách mắc thêm điện trở (R1f) hoặc điện kháng (X1f) nối tiếp vào phía stator của động cơ. - 4: Động cơ KĐB với R1f và X1f trong mạch stator. - 1(1- s) Ta thấy thay đổi số cặp cực p thì 1 thay đổi dẫn đến tốc độ động cơ thay đổi. - Nhưng khi thay đổi số đôi cực sẽ phải thay đổi cách đấu dây ở stator nên một số thông số như U1 (điện áp vào stator) R1, X1 có thể thay đổi do đó từng trường hợp sẽ ảnh hưởng khác nhau đến mômen tới hạn Mth của động cơ. - a) b) Hình 1.5: Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng bộ. - 1.2.2.4 Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng phụ mạch Rotor: Chỉ dùng cho động cơ không đồng bộ rotor dây quấn, sử dụng bộ điều chỉnh xung điện trở, người ta thực hiện bằng cách mắc thêm R2f vào mạch rotor . - const Mth = const Sth = XRRnmf'2'2 tăng dòng điện mở máy giảm Hình 1.6: Ảnh hưởng của điện trở mạch rotor đến đặc tính cơ. - 1.2.2.5 Ảnh hưởng của tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ: Thay đổi bằng cách sử dụng bộ biến tần dùng cho cả động cơ dây quấn và lồng sóc. - Xuất phát từ biêu thức : 1 = Pf1.2, ta thay đổi tần số f1 làm cho tốc độ từ trường quay thay đổi tốc độ động cơ thay đổi theo . - Thực tế khi f1 tăng phải đảm bảo đủ Mmm cho động cơ và tốc độ làm việc của động cơ không vượt quá giá trị cực đại cho phép. - max bị hạn chế bởi độ bền cơ khí của động cơ . - Hình 1.7: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ Trong trường hợp khi tần số nguồn cấp cho động cơ giảm dẫn đến tổng trở của mạch giảm (vì tổng trở của mạch tỉ lệ thuận theo tần số) với giá trị điện áp giữ M f1dm f13 f14 f12 f11 f1 < f1đm ω11 ω12 ω1đm ω13 ω14 0 Mthđm MC f1 > f1đm ω GVHD: TS. - Khi tăng giảm tần số f1 cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ động cơ trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng riêng. - Khái quát chung về điều chỉnh tần số động cơ điện không đồng bộ Để thực hiện điều tần người ta dùng bộ biến tần để làm thay đổi tần số điện áp cấp cho stator theo đúng quy luật của tín hiệu đặt. - Mặc dù phương pháp điều tần đã khắc phục được nhiều nhược điểm so với phương pháp điều áp, đó là: nâng cao được các chỉ tiêu chất lượng, dễ dàng trong việc đảo chiều động cơ. - Tuy nhiên việc điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều vẫn còn gặp rất nhiều khó khăn, bởi vì động cơ xoay chiều là phần tử phi tuyến mạnh, phần cảm và phần ứng không tách biệt nên rất khó khăn khi điều chỉnh tốc độ và mômen . - Phạm Hùng Phi Học viên: Đinh Văn Hai Trang 19 Chương 2: Phương pháp điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 2.1 Giới thiệu về biến tần Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngày càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ điện. - Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ động cơ điện. - Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống… Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp. - Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông … Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ. - Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ. - Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất. - Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. - Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này. - Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng. - Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ. - Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương thức khác, không dùng mạch điện tử
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt