Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ điện xoay chiều 3 pha KĐB (Induction Motor)

GIỚI THIỆU BÀI TOÁN, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ PHẦN ĐỘNG LỰC 1.1 GIỚI THIỆU BÀI TOÁN Giới thiệu bài toán Trong đồ án lần này chúng ta sẽ thiết kế “hệ thống điều khiển truyền động điện” sử

Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng

động cơ điện xoay chiều 3 pha KĐB (Induction Motor)

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG SINH VIÊN: TRẦN VIỆT NAM

LỚP: 17TDH1 MSV: 105170300 LỚP HP: 17NH33B

Đà Nẵng, ngày 27 tháng 08 năm 2021

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU BÀI TOÁN, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

PHẦN ĐỘNG LỰC 4

1.1 GIỚI THIỆU BÀI TOÁN 4

Giới thiệu bài toán 4

Sơ đồ công nghê hệ truyền động 5

1.2 PHÂN TÍCH, CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG 6

Phân tích yêu cầu 6

Chọn phương án truyền động 6

1.3 TÍNH TOÁN CỤ THỂ 6

Tính chọn động cơ 6

Lựa chọn GEARBOX 12

Tính chọn cảm biến 12

Tính chọn bộ biến đổi công suất 13

1.4 SƠ ĐỒ CHI TIẾT 15

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 17

2.1 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ 17

Xây dựng mô hình toán học trên các hệ trục 17

Thay số: 18

Mô hình toán tổng quát của động cơ 19

2.2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA CÁC BỘ PHẬN KHÁC TRONG HỆ THỐNG 20 Mô hình hóa bộ nghịch lưu 20

Mô hình hóa các khâu phản hồi từ cảm biến 20

CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 21

3.1 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC PHẦN ĐIỀU KHIỂN 21

Thuật toán điều khiển 21

Mô hình toán phần điều khiển (kết hợp bộ T4R) 21

Mạch vòng điều khiển tốc độ 22

Mạch vòng điều khiển dòng điện 22

Mạch vòng điều khiển từ thông 23

3.2 QUÁ TRÌNH XÁC ĐỊNH THAM SỐ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN 23

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG, KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT

LƯỢNG 24

4.1 MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK 24

Mạch động lực 24

Mạch điều khiển dùng cấu trúc T4R 24

Cài đặt thông số động cơ 24

4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SO VỚI LÍ THUYẾT 25

Phần điện áp 25

Các thông số động cơ 27

4.3 PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 27

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU BÀI TOÁN, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

PHẦN ĐỘNG LỰC 1.1 GIỚI THIỆU BÀI TOÁN

Giới thiệu bài toán

Trong đồ án lần này chúng ta sẽ thiết kế “hệ thống điều khiển truyền động điện” sử dụng động cơ điện xoay chiều 3 pha KĐB

Cấu tạo của hệ ban đầu gồm hai bánh răng có bán kính 𝑟1 và 𝑟2 với các số liệu ban đầu như sau:

 Tải của hệ thống truyền động điện được cho như hình vẽ: r1/r2 = 5

Hình 1.1: Cấu tạo truyền động của hệ

Đề bài yêu cầu tải cần đáp ứng nhu cầu tốc độ như đồ thị bên dưới:

Hình 1.2: Đồ thi tốc độ mong muốn của tải

 Từ 4-6s: Tải ổn định với tốc độ 70rad/s

 Từ 6-7s: Tốc độ tải giảm dần về 0rad/s rồi dừng hẳn

Hệ thống điều khiển truyền động trong đề tài này cần đáp ứng:

tốc độ theo tải

 Điều khiển động cơ có đảo chiều tại thời điểm xác định

 Hệ thống chạy ổn định trong sai số cho phép

Từ những yêu cầu này công việc chúng ta cần thực hiện là thiết kế một hệ thống điều khiển động cơ xoay chiều không đồng bộ để điều chỉnh được theo đồ thị tốc độ mà tải mong muốn bao gồm các công việc

Sơ đồ công nghê hệ truyền động

Từ mô tả yêu cầu của bài toán ta có sơ đồ tổng quát của hệ thống truyền động trong đồ án này cũng như phân tích chức năng của từng phần

Hình 1.3: Sơ đồ công nghệ hệ thống truyền động

Mạch điều khiển:

 Controller (speed controller, flux controller, current controller): so sánh giá trị đặt và giá trị đo lường, thông qua các hàm chức năng tạo ra tín hiệu điều khiển để điều khiển các thông số của bộ biến đổi

 Thiết bị đo lường: đo lường các thông số của động cơ (tốc độ, điện áp, dòng điện….) cung cấp thông tin phản hồi về bộ điều khiển xử lý

Mạch động lực:

 Nguồn điện: là nguồn xoay chiều 3 pha, cấp điện cho hệ thống

 Khâu biến đổi công suất (cách ly, chỉnh lưu AC/DC, nghịch lưu DC/AC, mạch lọc): nhận năng lượng từ nguồn điện, biến đổi thành dạng thích hợp cung cấp cho động cơ

Gearbox và tải:

 Tải

 Bộ Gearbox: phần kết nối và điều khiển truyền động từ động cơ qua tải

1.2 PHÂN TÍCH, CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

Phân tích yêu cầu

 Với động cơ xoay chiều muốn thay đổi tốc độ ta có thể lựa chọn một trong các phương pháp: thay đổi Rf, điện áp đặt vào Stato, thay đổi tần số nguồn xoay chiều

 Để đảo chiều động cơ 3 pha ta sẽ dùng bộ biến tần gián tiếp để thay đổi tần số cũng như U từ nguồn cho sẵn

 Có khâu phản hồi thông qua các cảm biến dòng điện, tốc độ các số liệu này sẽ được bộ điều khiển (controller) tiếp nhận để xử lí và đưa ra số liệu điều khiển tới các khối

Chọn phương án truyền động

Từ những yêu cầu của hệ thống:

 Sử dụng bộ biến tần 3 pha để thay đổi tốc độ động cơ

 Sử dụng một bộ điều khiển để điều khiển các thông số tốc độ, từ thông, dòng điện

hồi vào bộ điều khiển

Kết luận: chọn phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông rotor (T 4 R)

để thiết kế các mạch vòng điều khiển riêng cho từng thành phần

Phương trình động học của hệ truyền động điện

Trong trường hợp này do mômen do động cơ sinh ra và mômen cản ngược

chiều nhau nên ta có thể viết:

1.3.1.2 Tính toán phụ tải, công suất

Dựa vào phương trình (*) ta tính được momen của đầu trục động cơ

Hình 1.5: Đồ thị momen đầu trục động cơ

Để chọn động cơ phù hợp ta cần tính công suất động cơ theo phụ tải, công suất động cơ tính theo công thức

Hình 1.6: Đồ thị công suất động cơ

Từ đồ thị công suất của động cơ ta tính được công suất đăng trị cũng như momen đẳng trị để dễ dàng lựa chọn động cơ:

1.3.1.3 Trạng thái làm việc của động cơ

Từ đồ thị làm việc của động cơ, ta nhận thấy động cơ làm việc ở cả 4 góc phần tư với các điểm biểu diễn lần lượt từ A đến F

cơ Pcơ = M < 0, momen động cơ ngược chiều tốc độ, còn công suất do máy sản xuất tạo ra sẽ là Pc = Mc> 0, nghĩa là momen cản cùng chiều tốc độ Tương ứng với điểm làm việc nằm trong góc phần tư thứ II và thứ IV của mặt phẳng [M,]

1.3.1.4 Lựa chọn động cơ

Động cơ điện Siemens 3 pha Simotics 22 kW 30 HP 400 Volt 4P

Hình 1.8: Động cơ thực tế

Thông số chính của động cơ lựa chọn

Ngoài ra từ thực nghiệm đo đạt ta tìm được các tham số khác như:

1.3.1.5 Kiểm nghiệm động cơ

Trong số liệu thực tế của động cơ và số liệu ta tính toán được theo yêu cầu của đề bài Ta có đồ thị kiểm nghiệm như sau

Hình 1.9: Đồ thị kiểm nghiệm công suất động cơ

Kết luận: Như vậy với động cơ đã chọn Simotics (22 kW 30 HP 400V 4P)

đảm bảo đáp ứng được đồ thị công suất cũng như tốc độ theo yêu cầu của đề bài

Lựa chọn GEARBOX

Ta có momen lớn nhất của động cơ 156 N.m trong khi đó momen lớn nhất

của bài toán là 3630 N.m nên ta sử dụng bộ gearbox 7600) của hãng siemens có hệ số ratio = 24

(E86060-D4001-A510-D7-Hình 1.10: Đồ thị bộ gearbox thực tế

Sau khi qua hộp số:

bảo với momen lớn nhất mà động cơ phải hoạt động)

Tính chọn cảm biến

Từ đồ thị tốc độ động cơ với Tmax=3630 (N.m), Pđt=19552(W) thì ta chọn

được động cơ với tốc độ khoảng 2900-3000v/p nên chọn Encoder 5QP24)

(6FX2001-Các tham số của Encoder EP50S-B-1024-1R-N5

 Công suất tiêu thụ: 2 (W)

Dòng điện biến thiên trong mạch theo thông số động cơ từ 0-41.5A nên chọn

modun cảm biến dòng xoay chiều IPC-100-00-I-TTL-5-M8

Các tham số của cảm biến dòng IPC-100-00-I-TTL-5-M8

 Năng lượng tiêu thụ: < 3 (W)

 Dãy nhiệt độ làm việc: -40 → 125℃

Cuối cùng chọn modun cảm biến áp 3 pha WB 1990-T

Các tham số của cảm biến điện áp WB 1990-T

Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lí mạch chỉnh lưu

Các tham số của Diode BTW681200

 Điện áp rơi trên diode: 0,3 (V)

 Dòng rò: 0,1 (mA)

 Dãy nhiệt độ làm việc: -40 → 150℃

1.3.4.2 Tính chọn nghịch lưu

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lí mạch nghịch lưu

Từ thông số đã chọn trên động cơ ta có:

 Công suất trên 1 pha của bộ nghịch lưu: P = 𝑃đ𝑚

 Dòng điện chạy qua van: Iv = I = 𝑃đ𝑚

√3𝑈 = 20000

√3.220 =52.4 (A)

 Dòng điện cực đại chạy qua van: Ivmax = Iv + Ih = 52.4 + 0,4 = 52.8(A)

 Với Ih là dòng sóng hài chạy qua van (chọn Ih = 0,4 (A))

 Chọn hệ số dự trữ dòng điện là KI = 1,5

 Dòng điện tính chọn IGBT là IT = 52,8.3 = 158.4 (A) (> 33.2 A)

 Điện áp cần cấp cho khâu nghịch lưu là: Ud = 3√2

2 U = 466,7 (V)

yêu cầu cho van bán dẫn là: Uv = 466,7.3 = 1400 (V)

Kết luận: chọn IGBT có mã BSM200GA170DLC có Umax= 1700V; Imax= 200A

Các tham số của IGBT BSM200GA170DLC

 Công suất cực đại: 480 (W)

𝑗𝜔𝐿+ 𝑗𝜔𝐶1 = 1

1−𝜔2𝐿𝐶

Trong đó

 U0 là điện áp đầu ra

 Ui là điện áp đầu vào

 U0 là điện áp thành phần sóng hài đầu ra

 Ui là điện áp thành phần sóng hài đầu vào

Chọn C = 50 (μF) → L = 14,95 (mA)

1.4 SƠ ĐỒ CHI TIẾT

Sau khi tính toán và chọn lựa các thiết bị cho mạch động lực Ta đưa ra được sơ đồ nguyên lí chi tiết của hệ thống và tham số của các thiết bị chọn được

Hình 1.13: Sơ đồ chi tiết hệ thống

Danh sách các thiết bị đã chọn trong đồ án:

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Dựa vào sơ đồ khối cấu trúc từ chương 1 ta xây dưng mô hình toán cho các

khâu trong hệ thống, các phương trình của động cơ KĐB 3 pha cùng các phương pháp điều khiển, ta xây dựng chương trình chuyển hệ tọa độ phù hợp để thực hiện mô hình hóa các phần tử Khi mô phỏng động cơ ta cần chuyển đổi linh hoạt giữa 3 hệ tọa độ ∝ 𝛽, dq, uvw

2.1 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ

điện

Xây dựng mô hình toán học trên các hệ trục

Hệ phương trình trạng thái của động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa độ stator (dq)

Phương trình điện áp stator, rotor (dq)

Sau khi biến đổi ta chọn

 Vector trạng thái: 𝒙𝑓𝑇 = [𝑖𝑠𝑑, 𝑖𝑠𝑞, 𝜓𝑟𝑎′ , 𝜓𝑟𝛽′ ]

 Vector đầu vào: 𝒖𝑓𝑇 = [𝑢𝑠𝑑, 𝑢𝑠𝑞]

Mô hình không gian trạng thái: 𝑑𝑋𝑓

Thay vào để tính ra Af, Bf, N

Từ đó ta có mô hình trạng thái và mô hình toán của động cơ trên hệ tọa độ dq

Mô hình trạng thái:

Mô hình toán học:

Trong hệ thống có chứa đại lượng tốc độ ω được coi là tham số hàm biến thiên có thể đo được

Phân tích mối liên hệ giữa các đại lượng trong ĐCKĐB 3 pha, với hệ tọa độ

dq, từ thông và mômen quay được biểu diễn theo các phần tử của vector dòng stator:

isd  r

isq  mM  

Vậy khi đó, việc điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha gần giống như

điều khiển động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập cho phép xây dựng hệ thống

điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ điện 3 pha KĐB tương tự như

trường hợp của sử dụng động cơ điện 1 chiều Điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3

pha ω thông qua điều khiển 2 thành phần của dòng điện is là isd và isq

Mô hình toán tổng quát của động cơ

Mô hình tổng quát của động cơ với đầu vào là điện áp 3 pha uvw và tốc độ quay của động cơ là w

Hình 2.2 Mô hình tổng quát của đông cơ 3 pha KĐB

Trong mô hình trên có sử dụng bộ biến đổi từ hệ tọa độ uvw sang dq để

phục vụ cho mô hình hóa động cơ một cách đơn giản hơn

Đầu ra xf có chọn lọc tín hiệu rồi đưa đến mô hình momen của động cơ, tính toán chính xác tốc độ đầu ra của động cơ đảm bảo theo như yêu cầu Ngoài

ra thì khối MHTT được sử dụng để tính toán vị trí góc ban đầu là thông tin đáp

ứng cho hệ chuyển đổi ∝ 𝛽 sang dq

2.2 MÔ HÌNH TOÁN CỦA CÁC BỘ PHẬN KHÁC TRONG HỆ THỐNG

Mô hình hóa bộ nghịch lưu

𝐿𝑠+𝑅với R, L là điện trở và điện cảm động cơ

Mô hình hóa các khâu phản hồi từ cảm biến

Hàm truyền đạt của khâu phản hồi tốc độ:

𝐾𝜔 là hệ số khuếch đại của cảm biến

𝑇𝜔 là hằng số thời gian của bộ lọc

CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

3.1 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC PHẦN ĐIỀU KHIỂN

Thuật toán điều khiển

Phần điều khiển của bài toán được thiết lập dựa trên cấu trúc điều khiển dựa theo từ thông Rotor Cụ thể trong đồ án này chúng ta sử dụng cấu trúc điều khiển T4R kinh điển

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ truyền động điện theo kiểu T4R

Mô hình toán phần điều khiển (kết hợp bộ T4R)

Hình 3.1: Mô hình toán của hệ truyền động (đã gồm thuật T4R)

Dựa vào mô hình toán động cơ, mô hình toán của các khâu và cấu trúc điều khiển T4R chúng ta đưa ra được mô hình toán tổng thể của cả hệ thống như trên

Mạch vòng điều khiển tốc độ

Mạch vòng có tác dụng biến đổi điện áp từ abc sang dq thông qua 2 quá trình Dùng công thức Clarke để chuyển đổi 𝐮𝐯𝐰 sang 𝛂𝛃:

Dùng công thức Park để chuyển đổi 𝛂𝛃 sang dq:

Mạch vòng điều khiển dòng điện

Trong mạch vòng điều khiển tốc độ cũng gồm hai hệ biến đổi tương tự như mạch vòng điều khiển tốc độ và mạch này dùng 2 bộ biến đổi PI để điều chỉnh usd và usq

Mạch vòng điều khiển từ thông

Cũng bao gồm hai bộ chuyển đổi hệ Clarke và Park

3.2 QUÁ TRÌNH XÁC ĐỊNH THAM SỐ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN

Sau khi phân tích tác dụng của từng mạch vòng, hiểu biết về mô hình toán sau đó đặt một giá trị mong muốn cố định ta chỉnh thông số các PI

Bằng cách dò thông số trên từng mạch vòng từ mạch vòng dòng điện, mạch vòng từ thông Sau khi tinh chỉnh thì đối với từng mạch vòng ta có các thông số

Đối với mạch vòng dòng điện:

Ta tăng các giá trị Kp cho 3 mạch vòng điều khiển sao cho đạt đến 1 giá trị thích hợp sao cho động cơ hoạt động và theo dõi các giá trị phản hồi về có trị số gần giá trị đặt bằng cách sử dụng các Scope đo có sẵn trong simulink, cụ thể là 𝑖𝑠𝑑 và 𝑖𝑠𝑞 của động cơ gần với giá trị đặt 𝑖𝑠𝑑 ∗ và 𝑖𝑠𝑞 ∗ Sau đó tăng dần hệ số

Ki, để bộ điều khiển khử đi sai số xác lập

 Ki=3

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG, KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT

LƯỢNG 4.1 MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK

Mạch động lực

Mạch điều khiển dùng cấu trúc T4R

Cài đặt thông số động cơ

4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SO VỚI LÍ THUYẾT

Phần điện áp

điện áp có thay đổi nhẹ để đáp ứng

có lọc nên dạng sóng sin vuông

 Dòng isq và isq*:

còn hơi lệch khi bắt đầu vào mỗi giai đoạn tốc độ thay đổi

 Tốc độ: tốc độ thì tốc độ đầu ra khá ổn định, giá trị bám sát với tốc độ yêu

cầu Tuy nhiên, tại những khoảng thời gian động cơ tăng tốc hoặc giảm tốc, tốc độ có lệch so với tốc độ yêu cầu, tại những điểm nút chuyển giao giữa các giai đoạn thì tốc độ chưa hoàn toàn bám sát

cơ bám khá sát với moment mong muốn Tuy nhiên tới các thời điểm thay đổi còn bị nhiễu

 Dòng điện: chuẩn sin 3 pha, dòng qua động cơ ổn định Dòng ban đầu của

động cơ khá lớn, động cơ có làm việc quá tải nhưng trong thời gian ngắn thì vẫn đảm bảo động cơ có thể hoạt động tốt và chưa kịp phát nóng, có thể chấp nhận được Còn trong các khoảng thời gian còn lại, dòng điện luôn nằm dưới dòng định mức động cơ

Đánh giá hệ thống:

Với kết quả mô phỏng và phân tích như trên thì bài toán về hệ truyền động đã được giải quyết hầu hết các vấn đề Thứ nhất, moment động cơ còn một số thời

điểm giao động khá lớn do việc tổng hợp các mạch vòng chưa chọn ra được các

thông số bộ điều khiển PI tốt nhất Và thêm một điểm nữa là trong khoảng thời gian ban đầu động cơ tăng tốc từ 0 rad/s lên tốc độ ổn định và trong khoảng thời gian đảo chiều động cơ làm việc quá tải với dòng điện gần lớn gấp 2 lần so với dòng định mức của động cơ, tuy nhiên có thể chấp nhận được vì thời gian quá tải

là nhỏ so với quá trình làm việc của đông cơ nên sẽ không gây phát nóng Tốc độ động cơ đáp ứng khá tốt chỉ tại các nút dao của các quá trình thì tốc độ có dao động nhỏ và tốc độ động cơ ở một số thời điểm chưa hoàn toàn bám sát với tốc

độ mong muốn