Luận Văn Thạc Sĩ Về Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Với Hệ Chính Lưu Nghịch Lưu

Đề tài khảo sát điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng hệ thống lưu nghịch lưu sử dụng card với dữ liệu thực nghiệm, giải pháp cụ thể cho bài

• Tác giả: Nguyen Duc Hieu
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyen Van Nho
• Trường học: Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện
• Đề tài: Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Bằng Hệ Thống Lưu Nghịch Lưu Sử Dụng Card dSPACE 1104
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về động cơ không đồng bộ và phép biến đổi hệ trục tọa độ

Động cơ không đồng bộ là một trong những thành phần quan trọng trong hệ thống truyền động điện. Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ có thể được thực hiện thông qua việc sử dụng các phương pháp điều khiển hiện đại. Động cơ này thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp, nơi mà yêu cầu về hiệu suất và độ tin cậy cao. Cấu tạo của động cơ không đồng bộ bao gồm hai phần chính: phần Stator và phần Rotor. Hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ yêu cầu một mô hình toán học chính xác để có thể điều chỉnh tốc độ một cách hiệu quả. Việc mô hình hóa giúp người kỹ sư hiểu rõ hơn về hành vi của động cơ dưới các điều kiện khác nhau và từ đó có thể áp dụng các phương pháp điều khiển phù hợp.

1.1. Tầm quan trọng của động cơ không đồng bộ trong hệ thống truyền động điện

Động cơ không đồng bộ chiếm khoảng 75-80% trong các hệ thống truyền động điện hiện nay. Sự lựa chọn động cơ này chủ yếu dựa trên tính đơn giản trong cấu tạo, độ tin cậy cao và chi phí bảo trì thấp. Động cơ không đồng bộ có khả năng hoạt động hiệu quả trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ máy móc công nghiệp đến thiết bị dân dụng. Việc điều khiển tốc độ của động cơ không đồng bộ có thể được thực hiện thông qua các hệ thống điều khiển điện tử hiện đại, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

1.2. Sơ đồ mạch điện tương đương động cơ không đồng bộ

Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ giúp phân tích các đặc tính điện và cơ của động cơ. Các phương trình điện áp và dòng điện trong mạch điện này được xây dựng dựa trên các thông số của động cơ. Việc hiểu rõ sơ đồ mạch điện giúp kỹ sư có thể thiết kế và điều chỉnh các hệ thống điều khiển một cách hiệu quả, từ đó cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ không đồng bộ.

II. Mô hình động cơ không đồng bộ trong MATLAB Simulink

Mô hình hóa động cơ không đồng bộ trong MATLAB/Simulink là một bước quan trọng trong việc phát triển hệ thống điều khiển. Card dSPACE 1104 được sử dụng để thực hiện các mô phỏng phức tạp, cho phép kiểm tra hiệu suất của các phương pháp điều khiển khác nhau. Việc xây dựng mô hình động cơ trong MATLAB/Simulink giúp người kỹ sư dễ dàng điều chỉnh các thông số và theo dõi các biến số quan trọng như tốc độ và mô men xoắn. Thông qua mô hình này, các kỹ thuật điều khiển như điều khiển định hướng từ thông (FOC) có thể được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất động cơ.

2.1. Mô hình động cơ KĐB trong hệ trục dq

Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ trục dq cho phép phân tích các đặc tính điện của động cơ một cách chính xác hơn. Các phương trình điện áp và dòng điện trong hệ trục dq giúp kỹ sư dễ dàng điều chỉnh và tối ưu hóa các tham số điều khiển. Mô hình này cũng cho phép áp dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại, giúp cải thiện độ chính xác và hiệu suất của hệ thống điều khiển.

2.2. Mô phỏng động cơ KĐB lý tưởng khởi động trực tiếp từ nguồn 3 pha

Mô phỏng động cơ KĐB khởi động trực tiếp từ nguồn 3 pha cho thấy cách thức hoạt động của động cơ trong điều kiện thực tế. Việc này không chỉ giúp kiểm tra tính đúng đắn của mô hình mà còn cung cấp thông tin quý giá về cách thức mà động cơ phản ứng với các thay đổi trong điều kiện tải. Kết quả từ mô phỏng này có thể được sử dụng để tối ưu hóa các chiến lược điều khiển và cải thiện hiệu suất của hệ thống.

III. Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ rất đa dạng, từ điều khiển định hướng từ thông đến điều khiển trực tiếp mô men. Hệ thống lưu nghịch lưu đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển động cơ, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Việc áp dụng các kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) trong điều khiển động cơ không đồng bộ cho phép cải thiện độ chính xác trong việc điều chỉnh tốc độ và mô men xoắn. Các phương pháp này không chỉ giúp tăng cường hiệu suất mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình hoạt động.

3.1. Giới thiệu chung về cấu trúc của bộ biến tần

Bộ biến tần là một phần không thể thiếu trong hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ. Cấu trúc của bộ biến tần thường bao gồm các thành phần như bộ chỉnh lưu, bộ nghịch lưu và các mạch điều khiển. Việc hiểu rõ cấu trúc này giúp kỹ sư có thể thiết kế và tối ưu hóa hệ thống điều khiển một cách hiệu quả. Bộ biến tần không chỉ giúp điều chỉnh tốc độ động cơ mà còn cải thiện khả năng khởi động và dừng động cơ một cách mượt mà.

3.2. Nguyên lý hoạt động của bộ chỉnh lưu điều rộng xung

Bộ chỉnh lưu điều rộng xung hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển độ rộng xung để điều chỉnh điện áp đầu ra. Nguyên lý này cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ một cách linh hoạt và hiệu quả. Việc điều chỉnh độ rộng xung giúp cải thiện khả năng điều khiển động cơ trong các điều kiện tải khác nhau, từ đó tối ưu hóa hiệu suất hoạt động. Các kỹ thuật điều chế sóng mang cũng được áp dụng để tăng cường hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I Tổng quan về động cơ không đồng bộ và phép biến đổi hệ trục tọa độ Phương trình moment điện tu: T, = 2 PL,, (i,,i,, 4 i nia) q 40) Phương trình vận tốc rotor: ee (141) Thé (1.41) duge: —= do (G3 L1 ¬ =1 4, ) - 1l)P (142) Dựa vào những phương trình trên làm cơ sở để tạo ra những mô hình động cơ không đồng bộ lý tưởng trong phần mềm Matlab. Sử dụng các phương trình trong hệ tọa độ af, ta có mô hình động cơ trong hệ tọa độ af. Su dụng các phương trình trong hệ tọa độ dg ta có mô hình động cơ trong hệ tọa độ đa. Chương 2 Mo hình dong co KDB trong Matlab/Simulink Chương 2 MO HÌNH DONG CO KHONG DONG BO TRONG MATLAB/SIMULINK Trong hầu hết các phương pháp điều khiến, việc cần có một mô hình toán học của đối tượng là vô cùng quan trọng.

Điều này quyết định chất lượng của bộ điều khiển. Một số phương pháp hiện đại như điều khiến mò, mang nơron nhân tạo có thé cho phép điều khiển mà không cần đến mô hình toán đối tượng. Tuy nhiên, trong trường hợp này, việc điều khiến chỉ dùng các phương pháp trên là rất khó đạt được vì đối tượng động cơ KDB là đối tượng phi tuyến bậc cao. Vì vậy, việc đầu tiên để xây dựng bộ điều khiến động cơ KĐB là xây dựng mô hình toán của động cơ KĐB.

Như ta đã biết, động cơ KĐB là đối tượng phi tuyến bậc cao. Mô hình toán là một hệ phương trình vi phân bậc cao với nhiều khâu phi tuyến. Mục đích của chúng ta là xây dựng bộ điều khiến dựa trên mô hình đối tượng. Vì vậy, mô hình đối tượng càng đơn giản thì sẽ càng dé dang thiết lập bộ điều khiến.

Do đó, trong quá trình thiết lập mô hinh, ta sẽ chấp nhận một số điều kiện sau để đơn giản hóa mô hình động cơ: [12] > Các cuộn dây stator được bồ trí đối xứng về mặt không gian. > Bỏ qua các ton hao sat từ và sự bảo hòa của mach. > Dòng từ hóa và từ trường được phân bồ hình sin trên bề mặt khe hở không khí. > Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không biến đồi.

Những giả thiết này sẽ gây ra một sai lệch nhất định giữa mô hình và đối tượng thật nhưng không nhiều ta có thể bỏ qua.1 Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ trục dạ. Động cơ KĐB ba pha lý tưởng được mô hình hóa băng các phương trình toán trong tọa độ dq, từ các phương trình (1.42), biến đổi chúng thành bốn phương trình vi phân với biến của nó là dòng điện Stator và Rotor trong hệ tọa độ quay bat kì, kết hợp với phương trình moment điện từ và phương trình biến đôi năng lượng điện cơ ta được hệ thống các phương trình hoàn chỉnh mô tả đầy đủ hiện tượng vật lý xảy ra trong động cơ KĐB lý tưởng. 10 Chương 2 Mo hình dong co KDB trong Matlab/Simulink Các phương trình mô phỏng động co KDB lý tưởng được viết trong tọa độ dq: las — RLnbar — L,,@i,, — L,L,,Qi,, + (í,T— L,L,)@,i dij, — — Ly + RL dt L, -L,L, = G1) 2.1 di,, —Lu,,+ R,L,i,, —R,Lpig. + L,Qig, + LL, @ig, — Lj, — LL, ) Ogi, (22) dt - LC -L,L, di, Lạy — RL pigs + R.Li + LL, Oi, + LL,@i,, + (LE, — LL), i, (23) đt - 12 —LL di, LyWgs — RLinigs + RLgigp — LL„@l„— LL, Qi, — Lj, — LL, O,i, (24) dt - L-LL, —= do “(5 P{3 PL, „l,„—i ¬ 12) r, (2.5) Phuong trinh moment 1, — 2 Thụ (i,,i,, a i sigs) (2.6) Với œ„ = Ws: toc độ đồng bd, w: toc độ rotor Từ các phương trình 2.6 kết hợp với phương trình chuyển đổi trục tọa độ abc «dq phương trình 1.26, Chúng ta tạo được sơ đồ khối động co KDB trong phân mềm Matlab/Simulink.

t teta_a Wa?u[1] teta pLxka CO ——>\ - fu) PT26 Torque c Ve PT1.23 fu) t N teta A m TL PT25 8 1 " og Lhe - ib PT 21 F—**|_ds fu) : [x ale ne ° PT22 r F—**|_1s PT1.28 fu) PT23 > f(u) PT 2.1 Mô hình động co KDB 3 pha lý tưởng trong hệ toa độ dq II Chương 2 Mo hình dong co KDB trong Matlab/Simulink % Khối chuyển trục tọa độ trong hình 2.1 Tù điện áp pha va,vb,vc đưa vào động cơ ta phải phân tích chúng thành điện áp Vas Vgs trên trục tọa độ quay dq theo phương trình 1. C1 Ð>—>lteta_: | og} 2*0I2J7cos(0(1))+u|5]7cos(0(1}22pi3)+6|4]fcos(u[1}4ˆpi/3)/3 tet 5 Vd G3—>\« Fent ° va va F“ Gh vb Cay re we! -2*(u(2]2sin(u[1])+u[3]2sin(u[1]-2ˆpi/3)+u[4]*sin(u[1]-4*pi3))/3 ¥C qs Fen2 Hình 2.2 Phép chuyén đôi toa độ abe —>dq của véc tơ điện áp Từ giá trị dòng điện igs, igg được tính toán trong hình 2.1 ta chuyền đổi về hệ tọa độ abc dé xác định được dòng điện 3 pha ia,ib,ic của động cơ: TO feta a | u[2]*cos(ult })-u[S]*sin(ul J) a J ) la teta-a Fcn13 i_ds | u[2Ƒcos(u[1-2°p//3)-u[3|°sin(u[1}-2*pi3) i-ds ib Fcn14 a i_qs i-qs | u[2J'cos(u(1]-47pi/3)-u[3]Psin(u[1}-4”pi3) ic Fcn15 Hình 2.3 Phép chuyên đối tọa độ dq abe của véc tơ dòng điện % Khối tính toán từ thông: Từ thông stator va rotor trong động co KDB ba pha không thé đo trực tiếp, chúng chỉ được tính toán gián tiếp bởi các phương trình 2.16, và là cơ sở để đưa ra các giải pháp điều khiển sau nay. Sử dụng giá trị dòng stator và dòng rotor đã biết (hình 2.1) dé tính giá trị từ thong stator va từ thông rotor theo các phương trình sau: VW, = Lying + Lig, (2.8) 12 Chương 2 Mo hình dong co KDB trong Matlab/Simulink Wo, = bly, bu (2.11) Wy, = V/„„ SiO, ) + /⁄„„ COS(O,) (2.14) Wp, = Wa, sin(6,) + „„ cos(G,) (2.15) Biên độ và góc pha của hai từ thông được tính theo phương trình Y, = Yost Vion 3 0, van | Me ự Œ. pp Wor Sơ do khôi dé tính toán từ thong stator y, va rotor y, trong Matlab/Simulink ( 1} tịteta_a teta —* u[2]*eos(u[1]>u[3]*sin(u[1]) Hess ers | pe) Leu[1J+Lm°ufB] Flu Gs arian ds _ | u2Ƒsnu[1)*uBJessul) nga —** | Lzu[z]+Lm*u[4 Flux 35 ĐÌPlux qs|—| | 94eaxu(1pu6J72n61D) axav—*Ẻ||,E®PL.

r |] BỊ LruEl+Lmru[1] Par PFlux_dr l - | uldi'sincultpulsyeostult) nyyzy—*>P BỊ LtrueLmug] LEM leur gr Hình 2.2 So đồ khôi tính toán từ thông stator y, va rotor y, + Khối tính hệ số cos Chương 2 Mo hình dong co KDB trong Matlab/Simulink 2.2 Mô phỏng động cơ KĐB lý tưởng khởi động trực tiếp từ nguén 3 pha. Các thông số trong mô phỏng: Điện cảm stator: L.3739H; Điện cam rotor: L,=0.3739H; Điện cảm từ hóa L=0.3583H; Điện tro stator: R.=4@; Điện trở rotor: R=4.28Q; Moment tải định mức: T, = 7.m; Số đôi cực P = 1; Moment quán tinh: J = 0.N/m; Điện áp pha định mức: am sa = 220 Vac; Hệ số coso@am =0. — 1, TM vabe Ỷ Cosphi1 (Ð wR) 22L7”sqrt(2)7(cos(3147u)) „ Clock va-phase Pi) 220ˆ:qrt(2)7(cos(3147u-2/3”p))) ¬ > vb-phase IDEAL PP) 220* sqrt(2)*(cos(314*u-4/3*pi)) _> MOTOR F— vc-phase T_Load time s- : Hình 2.4 Mô hình chạy thử nghiệm DCKDB lý tưởng % Mô phỏng ở chế độ không tải: Tload=0 (N.m), thời gian mô phỏng 0.5 s, thời gian lay mẫu Ts=1e-6.m 1 7 Te J] Ê S(rwpaed/s) n=N3 fp— _ | (TdMtoiNmeu.5 Tốc độ động cơ w (rad/s) Hình 2.6 Moment điện từ Te (N.m) 14 Chương 2 Mo hình dong co KDB trong Matlab/Simulink Tload=0 Nm 30 1.2 1 1 "mĩ" lạ 3L| ' SH call ‡ THÍ HỆ 10 Š saIllliila. Lên: PHAR AAR AAR AAR AAA RA AANA og & 26 i 8 os > +5 o Pith | | 02 -20 | 0.7 Dòng điện stator pha a Hình 2.8 Hệ số cose + Mô phóng ở chế độ tải định mức:Tu„ạ=7.m, thời gian mô phỏng 0.5 s, thời gian lay mẫu Ts=1e-6.7 250 ma Te / al ø / 15 | 7 200 7 ặ 100 MIN F 19 ie HM 50 i V | 41 0.12 Mô men Te( N.m) 15 Chương 2 Mo hình dong co KDB trong Matlab/Simulink | =] | — ° | | * | ct : iY † + — th” 'IIUI HIWIHMWHINIHIEE EHTI h HT ALL ay sal Hình 2.13 Dong điện Stator ia Hình 2.14 Hệ số cosphi a Source Block Parameters: {load Time values: (0 0.3] vv | OK i | Cancel Ỹ Helh Tload thay doi 350 —— 314 300 25 4 286 I.17 Tốc độ động cơ w (rad/s) Hình 2.18 Moment điện từ Te (N.m) 16 Chương 2 Mo hình dong co KDB trong Matlab/Simulink Tload=thay doi 1.

* we Eraaaaanaanánnnifidiii lÍ iSdDtoaenrg cHosephi | —————| “UT U [| 02 | | | Lp | | | | | | | | | -0.19 Dong điện stator pha a Hình 2.20 Hệ sé coso + Một số nhận xét Qua kết quả mô phỏng ta có thể đưa ra một số nhận xét sau: Dòng khởi động trực tiếp lớn gần gấp 5 lần dòng điện định mức (hình 2. Vì vậy khi khởi động những động cơ KĐB công suất lớn phải có biện pháp hạn dong khởi động. Khi tải thay đổi thì tốc độ động cơ thay đối (hình 2. Đối với những hệ truyền động điện cần 6n định tốc độ chúng ta cần có những giải pháp dé ồn định tốc độ.

Hệ số coso khi không mang tải rất thấp so với khi mang tải (hình 2. Vi vậy không nên dé động cơ hoạt động ở chế độ không tải trong thời gian dài. Hệ số coso thay đối khi tai thay đối, động cơ kéo tải càng nhẹ thì hệ số cose càng thấp (hình 2. Khi động cơ khởi động trực tiếp thì moment khởi động lớn gấp 3 đến 4 lần moment định mức (hình 2.18), nó gây sốc hệ thống truyền động.

Đặc biệt hệ truyền động chuyển động thắng như thang máy, xe điện, cầu trục. vì vậy cần đưa ra biện pháp giảm sốc cho hệ truyền động trên. 17 Chương 3 Các phương pháp điều khiển động cơ không dong bộ Ch ơng 3 CAC PH ONG PHAP DIEU KHIỂN DONG CƠ KHONG DONG BO 3.1 Giới thiệu chung về cau trúc của bộ bién tan Ngày nay, trong công nghiệp hầu như các hệ truyền động điện người ta sử dụng động cơ không đồng bộ là chính vì những ưu điểm của nó. Ngoài ra, động cơ KĐB còn có sự hỗ trợ từ các bộ biến đồi điện tử công suất, làm cho động cơ không đồng bộ linh hoạt hơn trong việc thay đôi tốc độ.

thay đôi moment. Bộ biến đối công suất thường người ta biết đến với tên gọi chung là bộ biến tan (hay bộ Inverter). Inverter unit AC power ‘| Converter Inverter part Ly supply part. thi Te ' Hình 3.1 Sơ đồ câu trúc của bộ bién tần và bộ bién tần| 14] Qua sơ đồ cấu trúc chúng ta thấy bộ biến tần có hai phần chính: mạch động lực và mạch điều khiến.

Trong mạch động lực chia làm hai phan: phan chinh luu va phan nghịch lưu. Trong phần chỉnh lưu chúng ta có nhiều cấu trúc khác nhau.