Tài liệu Mô phỏng cấu trúc biến tần – động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu sử dụng matlab & simulink

Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU...........................................................................................................2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐCĐB KÍCH THÍCH VĨNH CỬU (PMSM).......3 1.1. Giới thiệu về động cơ PMSM.............................................................................3 1.2. Vector không gian của các đại lượng ba pha......................................................4 1.2.1. Xây dựng vector không gian...........................................................................4 1.2.2. Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian........................................................5 1.2.3. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor.......................6 1.3. Xây dựng mô hình của động cơ PMSM.............................................................6 1.3.1. Lý do xây dựng mô hình.................................................................................6 1.3.2. Hệ phương trình cơ bản của động cơ..............................................................7 1.3.3. Các tham số của động cơ.................................................................................7 1.3.4. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor (dq)...............................8 1.3.5. Đặc điểm phi tuyến của mô hình PMSM......................................................11 CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ BIẾN TẦN – BIẾN TẦN NGUỒN ÁP..........................12 2.1. Mô tả về cấu trúc bộ biến tần...........................................................................12 2.2. Mạch động lực biến tần nguồn áp....................................................................13 2.3. Xây dựng mô hình bộ biến tần.........................................................................14 CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ PMSM & MÔ HÌNH MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB - SIMULINK...............................................................18 3.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển tựa theo từ thông rotor........................................18 3.2. Xây dựng thuật toán điều khiển.......................................................................19 3.3. Mô hình mô phỏng trên Matlab – Simulink.....................................................21 3.3.1. Mô hình động cơ đồng bộ..............................................................................21 3.3.2. Mô hình mạng tính áp....................................................................................21 3.3.3.Chuyển đổi hệ tọa độ điện áp.........................................................................21 3.3.4. Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện....................................................................21 3.3.5. Kết quả mô phỏng.........................................................................................21 Kết luận...................................................................................................................24 Tài liệu tham khảo...................................................................................................25 1 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ LỜI MỞ ĐẦU Đối với những kỹ sư điều khiển tự động hóa nói riêng và những người nghiên cứu khoa học kỹ thuật nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép khảo sát các đối tượng, hệ thống hay quá trình kỹ thuật vật lý, mà không nhất thiết phải có đối tượng hay hệ thống thật. Được trang bị một công cụ mô phỏng mạnh và những hiểu biết về các phương pháp mô hình hóa, người kỹ sư sẽ có khả năng rút ngắn thòi gian và giảm chi phí nghiên cứu – phát triển sản phẩm một cách đáng kể. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi sản phẩm là các hệ thống thiết bị phức hợp với giá trị kinh tế lớn. Các khái niệm mô phỏng Off-line, Software - in-the-Loop, Hardware-in-the-Loop và Prototyping, đã thể hiện rõ nét các bước của quá trình phát triển sản phẩm với sự hỗ trợ của máy tính. Trong nhiều năm qua phần mềm mô phỏng đã được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực giảng dạy cũng như nghiên cứu các thiết bị điện của giáo viên và sinh viên ngành kỹ thuật. Vì thế trong bài tập lớn này em sẽ sử dụng một công cụ rất mạnh của matlab đó là Simulink để mô phỏng mô hình của một “Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu”. Với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy TS. PHẠM TÂM THÀNH đã giúp em tìm hiễu rõ và sâu sắc hơn về động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, cũng như công cụ mô phỏng matlab và simulink. Từ đó em đã có cơ sở xây dựng bài tập lớn này. Trong nội dung của bài tập lớn môn học: “Tổng hợp hệ điện cơ” mà em trình bày dưới đây sẽ thấy được những kiến thức về kết cấu, công dụng cũng như mô hình toán học của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu. Đồng thời cũng giới thiệu tổng quan về matlab và đặc biệt là simulink và đưa ra kết quả của quá trình mô phỏng động cơ qua những hình vẽ các đường đặc tính tốc độ, dòng điện... Tuy đã cố gắng nhiều nhưng trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi những sai sót và nhầm lẫn. Vì thế em mong thầy tiếp tục giúp đỡ em nhiều hơn nữa. 2 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐCĐB KÍCH THÍCH VĨNH CỬU (PMSM) 1.1. Giới thiệu về động cơ PMSM - Động cơ đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu (PMSM) có kết cấu phía stato giống như động cơ dị bộ. Phía rôto, nơi động cơ dị bộ phải dựa vào sự trượt tốc độ giữa rôto và hệ thống véc tơ phía stato để tạo từ thông rôto, PMSM có một hệ thống nam châm vĩnh cửu gắn chặt trên bề mặt. Nghĩa là: từ thông luôn luôn tồn tại, không còn nhu cầu trượt tốc độ để cảm ứng từ stato sang rôto nữa và động cơ hoạt động hoàn toàn đồng bộ. - Phạm vi sử dụng chính của PMSM là công nghiệp chế tạo máy, chế biến (ví dụ: Máy gia công cắt gọt kim loại, máy đóng bao gói, máy gia công chính xác...). Trong các ứng dụng đó, PMSM gần như tuyệt đối và chỉ được sử dụng kèm theo thiết bị điều khiển (ví dụ: nghịch lưu có điều chỉnh) chất lượng cao. - Cấu trúc của động cơ đồng bộ được mô tả theo hình vẽ: a) Ba pha b) Biến đổi α,β d,q Hình 1.0: Cấu tạo động cơ đồng bộ ba pha 3 c) Biến đổi Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ 1.2. Vector không gian của các đại lượng ba pha 1.2.1. Xây dựng vector không gian - Động cơ xoay chiều ba pha đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bố trí không gian: isu  t   isv  t   isw  t  0 (1.1) - Nếu trên mặt phẳng đó ta thiết lập một hệ tọa độ phức với trục thực đi qua cuộn dây u, ta có thể xây dựng vector không gian sau: o o 2 is  t    isu  t   isv  t  e j120  isw  t  e j 240   is e j  3 (1.2) Hình 1.1: Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha - Dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector dòng stator được lên trục của cuộn dây pha tương ứng. 4 is mới thu Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ - Gọi trục thực của mặt phẳng phức nói trên là trục α và trục ảo là trục β. Chiếu i vector s lên hai trục, ta được hai hình chiếu là is và is  . Hệ tọa độ này gọi là hệ tọa độ cố định (hệ tọa độ stator): Hình 1.2: Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian ở hệ tọa độ αβ 1.2.2. Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian - Ta xây dựng một hệ tọa độ mới dq có chung điểm gốc với hệ tọa độ αβ và nằm lệch đi một góc  s . - Dễ dàng chuyển tọa độ αβ sang tọa độ dq: isd is sin  s  is cos  s isq is cos  s  is sin  s 5 (1.3) Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ 1.2.3. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor Hình 1.3: Biểu diễn các vector trên hệ tọa độ từ thông rotor - Giả thiết động cơ quay với tốc độ góc s 2 f s   d dt . Từ thông rotor  r quay với tốc độ d s dt trong đó f s là tần số của mạch điện stator.   s và   s . 1.3. Xây dựng mô hình của động cơ PMSM 1.3.1. Lý do xây dựng mô hình - Để xây dựng, thiết kế bộ điều khiển cần phải có mô hình tả đối tượng điều khiển. 6 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ 1.3.2. Hệ phương trình cơ bản của động cơ - Phương trình điện áp: us f d s f Rs is   j f  s f dt f (1.4) - Vector từ thông rotor:  s f Lsis f  p f (1.5) - Phương trình moment: 3 mM  pc ( s * is ) 2 (1.6) mM mT  - Phương trình cân bằng moment: 1.3.3. Các tham số của động cơ - Tần số f - Công suất P - Hiệu suất  - Tốc độ định mức ndm - Dòng điện định mức I dm - Điện áp định mức U dm - Hệ số công suất 7 cos  J d pc dt (1.7) Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ 1.3.4. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor (dq) - Phương trình điện áp: disd  s Lsq isq dt di usq Rs isq  Lsq sq  s Lsd isd  s p dt usd Rs isd  Lsd (1.8) - Phương trình dòng điện: L disd 1 1  isd  s sq isq  usd dt Tsd Lsd Lsd disq dt  s p Lsd 1 1 isd  isq  usq  s Lsq Tsq Lsq Lsq (1.9) - Phương trình moment của động cơ PMSM:  3  p mM  pc  (  isd ) Lsd isq  Lsq isd isq  2  Lsd  8 (1.10) Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ - Từ các phương trình (1.9) và (1.10) ta xây dựng mô hình động cơ như sau: Hình 1.4: Mô hình động cơ đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu trên hệ tọa độ dq - Phương trình (1.9) được viết lại dưới dạng mô hình trạng thái sau: disf  A f isf  B f usf  N f isf s  S ps dt (1.11) (1.12) 9 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Hình 1.5: Mô hình trạng thái liên tục của động cơ đồng bộ trên hệ tọa độ dq - Mô hình trạng thái gián đoạn: Để thiết kế một hệ thống điều khiển cho động cơ đồng bộ trên cơ sở sử dụng vi xử lý thì cần phải có một mô hình gián đoạn để có thể mô tả một cách chính xác đối tượng tại các thời điểm. (1.13) 10 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Hình 1.6: Mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ đồng bộ trên hệ tọa độ dq. 1.3.5. Đặc điểm phi tuyến của mô hình PMSM a) Cấu trúc phi tuyến, tham số phi tuyến, phi tuyến rác. b) Kết luận: -Ưu điểm của việc mô tả động cơ đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor như sau: + Trong hệ tọa độ từ thông rotor ( hệ tọa độ dq), các vector dòng stator từ thông rotor p isf và vector , cùng với hệ tọa độ dq quay đồng bộ với nhau với tốc độ quanh điểm gốc, do đó các phần tử của vector isf s là các đại lượng một chiều. + Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như không đổi, trong quá trình quá độ, các giá trị này có thể biến đổi theo một thuật toán điều khiển đã được định trước. 11 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ BIẾN TẦN – BIẾN TẦN NGUỒN ÁP 2.1. Mô tả về cấu trúc bộ biến tần - Biến tần là thiết bị biến đổi điện năng xoay chiều từ tần số này sang tần số khác. - Biến tần được chia làm hai loại: + Biến tần trực tiếp: Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc biến tần trực tiếp. + Biến tần gián tiếp: Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc biến tần gián tiếp. - Biến tần nguồn áp: 12 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc biến tần nguồn áp. 2.2. Mạch động lực biến tần nguồn áp - Mạch động lực của biến tần nguồn áp ba pha gồm 6 Thyristor công suất T1 : T6. Các van này có nhiệm vụ đóng hay cắt từng khoảng điện áp đặt lên tải. Các van được lựa chọn tùy thuộc vào công suất của phụ tải. - Các Điốt D1 : D6 là các Điốt công suất được nối ngược với các van Thyristor có tác dụng khép mạch dòng điện tải , trả phần năng lượng tích lũy của tải về nguồn trong trường hợp tải có tính cảm. Khi các Thyristor ở trạng thái khóa thì dòng tải sẽ được duy trì qua các điot này. Nguồn cung cấp cho bộ nghịch lưu là nguồn áp có giá trị U ổn định, hoặc bộ nguồn có thể điều chỉnh được điện áp nhờ bộ chỉnh lưu có điều khiển. Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mach động lực biến tần. 13 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ Hình 2.5: Sóng điện áp ba pha đối xứng. 2.3. Xây dựng mô hình bộ biến tần a) Khối tạo dao động - Ta chọn vi mạch tạo dao động 555: Bộ định thời 555 hoạt động với nguồn một chiều có điện áp từ 5 đến 8V. Vì vậy nó tương thích với những mức logic thông thường và cả những mức điện áp của các bộ khuếch đại thuật toán. - Đầu dương của nguồn nuôi nối vào chân số 8 (+Uc), cực âm mắc vào chân số 1 (nối đất). Đầu nối đất được dùng làm điểm chung để so sánh các điện thế trên các điểm khác của mạch. Đầu ra có thể có một trong hai mức là mức cao và mức thấp, mức cao xấp xỉ với Uc (khoảng 4,5V), mức thấp khoảng 0,1V. Hình 2.6: Vi mạch tạo dao động 555. Hình 2.7: Dạng xung của khối tạo dao động. 14 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ b) Bộ dịch pha số - Khối này có nhiệm vụ là gửi xung từ bộ dao dộng tới các van động lực một cách tuần tự và có tính chu kỳ. Trong mạch có sử dụng IC4013 và IC4081. Đây là loại IC chuyên dụng để tạo ra các độ trễ khác nhau đối với tín hiệu. IC4013 là loại vi mạch thuộc loại CM05 có đặc điểm là công suất tiêu thụ ở trạng thái tĩnh nhỏ, tốc độ chuyển đổi trạng thái cao, khả năng chống nhiễu cao và có khả năng mang tải lớn. Nguồn nuôi IC4013 là nguồn một chiều +3V đến +15V. Hình 2.8: Bộ dịch pha số Hình 2.9: Dạng xung của điện áp ra. 15 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ c) Khối tạo Sin - Phần tạo Sin gồm 3 khối hoàn toàn giống nhau cho pha A, B, C. Khối này lấy tín hiệu từ khối dịch pha và chia pha ở dạng số. Hình 2.10: Khối tạo sin. - Khối tạo sin được tạo thành bởi các bộ khuếch đại thuật toán OA, OA đầu vào có nhiệm vụ biến đổi xung vuông thành xung lưỡng cực và nó được nối thành một Trigo Smith. Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch Trigo Smith và đặc tính truyền đạt điện áp. 16 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ d) Khối dịch pha và chia pha - Khối này sử dụng 3 IC4013 cung cấp xung đơn cực cho 3 bộ tạo sin chuẩn của pha A,B,C. e) Khối nhân tần - Sử dụng 1 IC4016 kết hợp với 1 IC4013 nhằm nâng cao tần số đầu vào. f) Khối phát xung răng cưa - Sử dụng 2 IC741 với các mác như IC1 và IC2 của bộ tạo xung hình sin. g) Khối so sánh và tạo xung - Tổng hợp và so sánh tín hiệu từ khối tạo sóng dạng răng cưa và khối tạo sin nhằm cấp xung điều khiển đến đóng mở các Tranzitor của mạch động lực. 17 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ PMSM & MÔ HÌNH MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB - SIMULINK 3.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển tựa theo từ thông rotor isd , isq để - Cần sử dụng một khâu điều chỉnh dòng nhằm áp đặt nhanh 2 dòng điều khiển từ thông rotor và momen quay. Vì vậy, người ta sử dụng riêng rẽ 2 bộ điều chỉnh dòng isd và isq (ĐCid và ĐCiq) kiểu PI, trong đó giá trị cần và giá trị thực là các đại lượng hình sin. Các đầu ra của ĐCid và Đciq được gọi là yd và yq Hình 3.1: Cấu trúc truyền động động cơ đồng bộ nuôi bởi biến tần nguồn áp và điều khiển tựa theo từ thông rotor. 18 Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ 3.2. Xây dựng thuật toán điều khiển - Mạch vòng điều khiển tốc độ: Hình 3.2: Mạch vòng điều khiển tốc độ. - Đặt: K1 1; K 2  3 pc p 2 So ( s )  Ta có, hàm truyền hở: K1 K 2 (1  2Ti s ).Js Bộ điều khiển tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng: R  K pw 1  8Ti s 8.J .Ti J    K  pw 2 1 K1K 2Ti 2 s 8.Ti s K1 K 2 Ti 2 s K1 K 2Ti J - Ta có: 19 usd Rs yd  s L s yq 1  pT s usq Rs yq  s L s yd 1  pT s (3.1) Bài Tập Lớn Tổng Hợp Hệ Điện Cơ - Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện (CTĐi): is isu is  1 (isu  2isv ) 3 (3.2) isd is sin  s  is cos  s isq is cos  s  is sin  s (3.3) - Chuyển đổi hệ tọa độ điện áp ( CTĐu): us usd cos  s  usq sin  s us usd sin  s  usq cos  (3.4) usu us 1 3 us  u s 2 2  u su  u sv usv  usw (3.5) - Khâu điều chỉnh tốc độ quay (ĐC  ): r* ( K p  i d và ĐC iq ): 20 K I (3.6) )( *   ) p - Các khâu điều chỉnh dòng ( ĐC