Nâng cao chất lượng hệ điều khiển tần số động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vỉnh cửu

- Bộ giáo dục và đào tạo Tr-ờng đại học bách khoa hà nội Trần Thế Kỷ Đề Tài : nâng cao chất l-ợng hệ điều khiển tần số động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu Chuyên nghành : Tự động hóa Luận văn thạc sĩ ngành điện Ng-ời h-ớng dẫn khoa học : TS.
- Phạm văn diễn Hà nội : 2004 Lới cam đoan Luận văn thạc sĩ Trần Thế Kỷ – Cao học điện 2002 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan bản luận văn này đ-ợc thực hiện bởi chính bản thân mình d-ới sự h-ớng dẫn của TS.
- Phạm Văn Diễn cùng với các tài liệu đã đ-ợc trích dẫn trong phần tài liệu tham khảo ở phần cuối bản luận văn.
- Tài liệu tham khảo Luận văn thạc sĩ Trần Thế Kỷ – Cao học điện 2002 Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .
- i Lời nói đầu ii Ch-ơng 1 Mô hình toán học động cơ đồng bộ.
- 1 1.1 Xây dựng vector không gian.
- 2 1.2 Mô hình toán học của động cơ đồng bộ.
- 7 Ch-ơng 2 Xây dựng hệ điều khiển tần số động cơ đồng bộ dùng mô hình gián đoạn.
- 15 2.2 Các ph-ơng pháp tổng hợp hệ gián đoạn.
- 17 2.2.2 Lựa chọn cấu trúc bộ điều chỉnh.
- 19 2.3 Mô hình liên tục của động cơ đồng bộ.
- 22 2.4 Mô hình gián đoạn của động cơ đồng bộ.
- 25 2.5 Xây dựng cấu trúc mô hình điều khiển động cơ đồng bộ.
- 30 2.5.1 Khâu điều chỉnh dòng điện .
- 31 2.5.2 Khâu điều chỉnh tốc độ .
- 37 Ch-ơng 3 Tổng hợp hệ thống trên Matlab.
- 39 3.2 Lựa chọn động cơ để mô phỏng.
- 40 3.3.1 Mô hình của đối t-ợng điều khiển là động cơ.
- 41 3.3.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện 43 3.3.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ.
- 50 Tài liệu tham khảo Luận văn thạc sĩ Trần Thế Kỷ – Cao học điện Mô phỏng hệ điều khiển gián đoạn động cơ đồng bộ.
- 52 Ch-ơng 4 Xét ảnh h-ởng của sự biến thiên mạch từ đến chất l-ợng của hệ thống.
- 59 4.1 Đ-ờng cong từ hoá và ảnh h-ởng của nó tới momen điện từ của động cơ đồng bộ.
- 61 4.1.3 ảnh h-ởng của sự biến thiên mạch từ tới momen điện từ của động cơ đồng bộ.
- 75 Lời nói đầu Luận văn thạc sĩ Trần Thế Kỷ – Cao học điện 2002 Lời nói đầu Động cơ đồng bộ ( ĐCĐB ) đ-ợc ứng dụng chủ yếu ở trong hai dải công suất : dải công suất lớn và rất lớn ( hàng MW ) và dải công suất nhỏ và rất nhỏ ( cỡ KW trở xuống.
- Đối với động cơ xoay chiều ba pha nói chung, mà cụ thể của ta ở đây là ĐCĐB kích thích vĩnh cửu, thì việc mô tả chính xác mô hình điện từ của động cơ là vấn đề không đơn giản.
- Dựa trên tinh thần đó và đ-ợc sự giúp đỡ tận tình của thầy Phạm Văn Diễn, tôi đã hoàn thành bản luận văn này với đề tài " Nâng cao chất l-ợng hệ điều khiển tần số ĐCĐB kích từ bằng nam châm vĩnh.
- Bản luận văn này bao gồm 4 ch-ơng: Ch-ơng 1: Mô hình toán học ĐCĐB.
- Ch-ơng này đ-a ra phép biến đổi vector không gian và xây dựng mô hình toán học của động cơ đồng bộ.
- Ch-ơng 2: Xây dựng hệ điều khiển tần số động cơ đồng bộ dùng mô hình gián đoạn.
- Nội dung của ch-ơng này nêu lên các vấn đề chung khi xây dựng một hệ thống điều khiển gián đoạn, xây dựng mô hình gián đoạn của ĐCĐB, cấu trúc các bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ.
- Lời nói đầu Luận văn thạc sĩ Trần Thế Kỷ – Cao học điện 2002 Ch-ơng 3: Tổng hợp hệ thống trên Matlab.
- Ch-ơng này có nhiệm vụ xây dựng mô hình gián đoạn của một ĐCĐB cụ thể, cũng nh- xây dựng các bộ điều chỉnh dòng điện và bộ điều chỉnh tốc độ t-ơng ứng trên Matlab – Simulink.
- Ch-ơng 4 : Xét ảnh h-ởng của sự biến thiên từ thông vĩnh cửu đến chất l-ợng của hệ thống.
- Ch-ơng này đi vào xét các yếu tố làm thay đổi từ thông của nam châm vĩnh cửu, đồng thời đ-a ra ph-ơng án giải quyết nhằm đảm bảo chất l-ợng của hệ thống.
- Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo Phạm Văn Diễn, ng-ời đã nhiệt tình chỉ bảo trong thời gian làm bản luận văn này.
- Vì kiến thức và thời gian có hạn chắc rằng bản luận văn này còn nhiều sai sót, rất mong đ-ợc sự góp ý của các thầy cô và đồng nghiệp để bản luận văn này đ-ợc hoàn chỉnh hơn.
- Hà nội tháng 9 năm 2004 Ng-ời thực hiện: Trần Thế Kỷ Ch-ơng1: Mô hình toán học ĐCĐB Luận văn thạc sĩ Trần Thế Kỷ – Cao học điện 2002 1 Ch-ơng 1: Mô hình toán học ĐCĐB Động cơ đồng bộ ( ĐCĐB ) dùng để biến điện năng thành cơ năng, trong một số tr-ờng hợp động cơ đồng bộ còn dùng để phát công suất phản kháng vào l-ới.
- Phạm vi ứng dụng của động cơ đồng bộ rất rộng rãi ở mọi dải công suất tuy nhiên loại động cơ này đặc biệt hay đ-ợc ứng dụng ở vùng công suất lớn ( do có khả năng chạy với điện áp cao.
- Ưu điểm của ĐCĐB là có cấu trúc đơn giản hơn so với máy điện một chiều, do đặc tính bù của nó mà chỉ tiêu năng l-ợng của ĐCĐB tốt hơn động cơ không đồng bộ ( ĐCKĐB.
- Những năm gần đây với sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn và việc tạo ra các bộ biến đổi tần số bằng các van bán dẫn ngày càng hoàn thiện thì việc điều chỉnh tốc độ của ĐCĐB đã đ-ợc thực hiện một cách dễ dàng.
- cuộn kích từ cuộn khởi động ~ Hình I- 1 Sơ đồ nối dây của ĐCĐB Ch-ơng1: Mô hình toán học ĐCĐB Luận văn thạc sĩ Trần Thế Kỷ – Cao học điện Xây dựng vector không gian.
- ĐCĐB 3 pha có 3 cuộn dây Stator bố trí lệch nhau một góc 120o cơ.
- Khi nối ĐCĐB 3 pha với nguồn ( có thể là nguồn từ l-ới, cũng có thể là đầu ra của 1 bộ biến tần ) thì trong 3 cuộn dây sẽ có các dòng điện t-ơng ứng là sui,svi,swi.
- Ba dòng điện này thoả mãn ph-ơng trình .
- (1.1) Mỗi dòng điện trong đó lại có thể đ-ợc biểu diễn nh- sau )tcos(i)t(isssu )120tcos(i)t(i0sssv.
- ở đây : s : là tần số góc của dòng điện Stator (s=2fs ) si : là giá trị lớn nhất của dòng điện pha fs : là tần số của mạch Stator Nếu ta cắt ngang ĐCĐB và thiết lập trên đó một hệ trục toạ độ phức với trục thực đi qua trục cuộn dây pha u của động cơ thì ta có thể xây dựng đ-ợc vector không gian sau đây.
- jsei (1.3) Trong công thức (1.3.
- vector )t(is là một đại l-ợng phức có modul không đổi , quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc bằng với tốc độ góc của từ tr-ờng quay s = 2fs và tạo với trục thực nh- đã nói trên một góc pha  =st.
- Ng-ợc lại từ hình I- 2 ta cũng có thể dễ dàng thấy rằng các dòng điện pha t-ơng ứng chính là hình chiếu của vector mới thu đ-ợc is(t) lên trục của Ch-ơng1: Mô hình toán học ĐCĐB Luận văn thạc sĩ Trần Thế Kỷ – Cao học điện 2002 3 các cuộn dây pha t-ơng ứng nh- trên hình I- 3.
- Một cách t-ơng tự nh- đối với dòng điện Stator ta cũng có thể xây dựng vector không gian t-ơng ứng cho các đại l-ợng khác nh.
- điện áp Stator, từ thông Stator .
- Khi đó ta cũng dễ dàng thấy rằng, hình chiếu của vector dòng điện trên hai trục đó ( ký hiệu t-ơng ứng là is và is) cũng là các đại l-ợng hình sin.
- Lúc này ta có thể thay thế ĐCĐB 3 pha với các cuộn dây pha là u,v,w bằng một động cơ t-ơng ứng với 2 cuộn dây có trục cố định là  và  ở đây ta cũng phải nói thêm rằng hệ toạ độ.
- mà ta đang nói ở trên là hệ toạ độ cố định vì nó đ-ợc gắn vào Stator của ĐCĐB, mà với ĐCĐB thì Stator đứng yên.
- Khi đó ta có thể biểu diễn dòng điện Stator trên hệ toạ độ.
- )(tis ojscei24032 ojsbei12032 sai32 oje240 oje120 1 v u w Hình I-2 : Thiết lập vector không gian từ các đại l-ợng 3 pha Ch-ơng1: Mô hình toán học ĐCĐB Luận văn thạc sĩ Trần Thế Kỷ – Cao học điện 2002 4 Do dòng điện 3 pha cấp cho ĐCĐB là đối xứng nên với điều kiện là trung tính của động cơ không nối đất, thì để biết đ-ợc thông tin về )t(is ta chỉ cần biết 2 trong 3 thành phần của dòng điện Stator mà thôi.
- Khi đó các thành phần của dòng điện trên mặt phẳng phức ( hệ tọa độ.
- Công thức (1.5) chỉ đúng khi ta chọn trục quy chiếu chuẩn nh- trên hình I-3 trùng với trục của cuộn dây pha u.
- Một cách hoàn toàn t-ơng tự ta cũng có thể biểu diễn các đại l-ợng nh- từ thông Stator, điện áp Stator.
- trên hệ toạ độ cố định bằng công thức sau : Hệ toạ độ mà ta đã chọn trên là hệ toạ độ đứng yên ( hệ toạ độ Stator.
- Tuy nhiên ta có thể cho hệ toạ độ này quay với một vận tốc góc bất kỳ quanh ssssssj)t(juu)t(u (1.6) Hình I-3 : biểu diễn dòng Stator d-ới dạng vector không gian với các phần tử si, sithuộc hệ toạ độ Stator cố định swi svi si susii.
- Cuộn dây pha w Cuộn dây pha v (Im) )(tis Cuộn dây pha u )i2i(31isvsus.
- (1.5) Ch-ơng1: Mô hình toán học ĐCĐB Luận văn thạc sĩ Trần Thế Kỷ – Cao học điện 2002 5 gốc của nó.
- Trong từng tr-ờng hợp cụ thể, để thuận tiện cho việc tính toán cũng nh- dễ hình dung ta có thể chọn tốc độ quay k của hệ tọa độ tổng quát nh- sau.
- Khi tốc độ quay k =0 .
- ta có hệ toạ độ đứng yên, chính là hệ tọa độ.
- Khi tốc độ quay k.
- ở đây  là vận tốc góc Rotor , khi đó ta có hệ tọa độ Rotor ( hệ tọa độ này đứng yên so với Rotor ) và ta ký hiệu hệ tọa độ này là (dq.
- Khi tốc độ quay k = s, s ở đây là tốc độ góc của từ tr-ờng quay.
- Ta có hệ tọa độ gắn chặt vào từ tr-ờng quay, ký hiệu hê tọa độ này là (xy) nh- trên hình I-4.
- Khi đó một vector bất kỳ trong một hê toạ độ quay với vận tốc nào đó đều có thể đ-ợc biểu diễn trong hệ tọa độ cố định bằng công thức chuyển trục tọa độ sau : *.*jeVV  hoặc *.*jeVV (1.7) ở đây : V* là vector trong hệ tọa độ bất kỳ.
- 0  0 e q y j a x d  Hình I- 4 : Biểu diễn hệ tọa độ tổng quát Ch-ơng1: Mô hình toán học ĐCĐB Luận văn thạc sĩ Trần Thế Kỷ – Cao học điện 2002 6 Giữa.
- tốc độ góc của hệ tọa độ quay ) có mối liên hệ nh- sau: Lúc này biễu diễn vector không gian của dòng điện Stator và từ thông Rotor r sẽ nh- trên hình I- 5.
- Nếu ta biểu diễn vector dòng Stator trên hệ tọa độ từ thông Rotor ta sẽ có Trong tr-ờng hợp khi đã xác định đ-ợc góc s thì từ công thức (1.7) ta có thể thính đ-ợc dqsi bằng cách sau : Khai triển công thức (1.10) một cách chi tiết hơn ta đ-ợc : ssssdqsdqsqssssdqsdqsdiiiiiiiisincos)Im(cossin)Re.
- (1.8) si si  d  s s sdi r Cuộn dây pha w Cuộn dây pha v Trục Rotor Cuộn dây pha u jq  j si sqi Hình I-5 :Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ từ thông Rotor sjsdqseii.
- (1.9) Ch-ơng1: Mô hình toán học ĐCĐB Luận văn thạc sĩ Trần Thế Kỷ – Cao học điện 2002 7 1.2.
- Mô hình toán học của ĐCĐB ở ĐCĐB từ thông Rotor đ-ợc tạo ra bởi cuộn dây kích thích tách biệt với các cuộn dây Stator ( hoặc bởi các phiến nam châm vĩnh cửu đ-ợc bố trí trên bề mặt của Rotor.
- Vì thế mà dòng điện Stator is chỉ chứa thành phần tạo momen quay isq mà không chứa thành phần dòng kích thích isd nữa .
- Mô hình đơn giản của ĐCĐB có cấu tạo ở dạng cực lồi đ-ợc cho trên hình I- 6.
- Một điều cần nói nữa là ở đây ta giả thiết Rotor của ĐCĐB là loại cực lồi vì ĐCĐB có cấu tạo với lọai Rotor có tốc độ không cao lắm nên hay đ-ợc dùng làm động cơ, còn máy điện đồng bộ với Rotor cực ẩn ( hình I- 7 ) th-ờng có tốc độ cao hơn và do đó th-ờng đ-ợc sử dụng để làm máy phát đồng bộ .
- ĐCĐB có một đặc điểm chính là từ thông của nó phân cực, có h-ớng nhất quán và cố định, tính định h-ớng đó phụ thuộc vào cấu trúc cơ học của động cơ.
- Cho nên với ĐCĐB nếu ta điều chỉnh tựa theo từ thông Rotor thì sẽ rất thuận lợi hơn so với tr-ờng hợp của ĐCKĐB .
- Vì với ĐCĐB góc pha đầu 0 là đã biết tr-ớc, và công việc của ta ở đây là bằng cách nào đó theo dõi góc pha đó một cách liên tục bằng các thiết bị đo tốc độ góc, hoặc bằng mô hình Hình I- 6 : Mô hình đơn giản ĐCĐB với Rotor có cấu trúc cực lồi  Cuộn dây pha w Cuộn dây pha v Trục chuẩn Cuộn dây pha u d q  Ch-ơng1: Mô hình toán học ĐCĐB Luận văn thạc sĩ Trần Thế Kỷ – Cao học điện 2002 8 Cũng chính vì -u thế này của ĐCĐB nên ta có thể xem hệ toạ độ dq của động cơ là đã xác định nh- trên hình I- 6 và hình I- 7.
- Và đo đó có thể áp dụng các ph-ơng pháp điều chỉnh trực tiếp trên hệ toạ độ dq mà không cần quan tâm đến hệ toạ độ.
- ở đây ta cũng không cần quan tâm kích thích của động cơ là vĩnh cửu hay kích thích ngoài bởi vì ĐCĐB có kích thích vĩnh cửu có thể đ-ợc thế bằng ĐCĐB với cuộn dây kích thích và một dòng kích t-ơng ứng.
- Ph-ơng trình điện áp của các cuộn dây Stator .
- trong đó : Rs : điện trở của cuộn dây Stator su , sv , sw : từ thông Stator của các cuộn dây pha t-ơng ứng.
- w v Trục chuẩn u d q  Hình I- 7 : Mô hình dơn giản ĐCĐB với Rotor có cấu trúc cực ẩn Ch-ơng1: Mô hình toán học ĐCĐB Luận văn thạc sĩ Trần Thế Kỷ – Cao học điện 2002 9 Tuy nhiên hệ ph-ơng trình (1.12) trên và các ph-ơng trình sau đây nữa chỉ đúng khi ta chấp nhận các điều kiện sau khi mô hình hoá động cơ.
- Các cuộn dây Stator đ-ợc bố trí một cách đối xứng về mặt không gian • Các tổn hao về sắt từ và bão hoà từ có thể bỏ qua.
- Tham số của động cơ là không đổi trong suốt quá trình là việc của nó.
- Sử dụng công thức (1.3) cho điện áp Stator usvà từ thông Stator s ta có .
- Từ và (1.14) ta có thể viết lại ph-ơng trình điện áp Stator ở dạng đơn giản hơn sau đây.
- Vì ph-ơng trình (1.15) thu đ-ợc trên hệ toạ độ Stator ( cũng là hệ toạ độ cố định.
- ta ký hiệu chữ s lên trên phía phải để ký hiệu hệ toạ độ mà trong đó ph-ơng trình (1.15) đ-ợc biểu diễn.
- sử dụng công thức biến đổi hệ toạ độ (1.7) ta có : kjkssseuu kjkssseii (1.17) kjkssse.
- trong đó : k : là một hệ toạ độ bất kỳ có chung gốc O với hệ toạ độ cố định.
- (1.13) Ch-ơng1: Mô hình toán học ĐCĐB Luận văn thạc sĩ Trần Thế Kỷ – Cao học điện 2002 10 k : góc lệch giữa trục thực của hai hệ toạ độ lấy đạo hàm ss trong công thức (1.17) ta có : hay thay các công thức ở (1.17) và (1.18) vào (1.16) ta đ-ợc ph-ơng trình điện áp Stator viết cho một hệ tọa độ tổng quát k nh- sau : Thay k bằng hệ tọa độ dq ( để đơn giản ta ký hiệu hệ tọa độ dq là f) khi đó ph-ơng trình điện áp Stator của ĐCĐB viết trên hệ tọa độ từ thông Rotor sẽ là : ở đây ta viết tốc độ quay là s là vì s = f = tốc độ đồng bộ.
- Vector từ thông Rotor rf ( do đ-ợc kích thích bởi dòng một chiều – hoặc nam châm vĩnh cửu ) nên chỉ có thành phần thực rf và trục thực của vector này cũng chính là trục của chính nó.
- điều đó có nghĩa là : Vector từ thông Stator gồm hai thành phần.
- Thành phần đầu tiên là do dòng Stator tự cảm trong các cuộn dây của chính nó

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt