tổng hợp điện cơ_hệ biến tấn-động cơ ứng dụng hệ mờ

Việc điều khiển hoạt động của các dây chuyền hiện đại,tiên tiến cũng ngày càng đa dạng và phức tạp.Để làm quen với đó trong môn họcTổng hợp hệ điện cơ em đã được giao nhiệm vụ thực hiện

MỤC LỤC

Trang Lời nói đầu 3

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ BIẾN TẦN-ĐỘNG CƠ…… 4

1.1.Khái quát chung về hệ biến tấn-động cơ……… ……… 4

1.1.Khái niệm……… ……….4

1.2.Phân loại……… ……… 4

CHƯƠNG II : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN……… ……… …… 15

2.1.Tổng quan về lý thuyết điều khiển mờ……… … …… …… 15

2.1.1.Các khái niệm cơ bản……… …… ……….16

2.1.2.Định nghĩa tập mờ……… ……….16

2.1.3.Các thuật ngữ trong Logic mờ……… …… 16

2.1.4.Biến ngôn ngữ……… …… …………17

2.1.5.Các phép toán trên tập mờ……… ……… 18

2.1.6.Luật hợp thành……… … 19

2.1.7.Giải mờ……… …… …… … 20

2.1.8 Mô hình mờ Tagaki-Sugeno……… …… ……… 22

2.2 Bộ điều khiển mờ……… 23

2.2.1 Cấu trúc một bộ điều khiển mờ……… 23

2.2.2 Nguyên lý điều khiển mờ……… 24

2.2.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ……… 24

2.3.Thiết kế bộ điều khiển……… 25

2.3.1.Yêu cầu thiết kế……… 25

2.3.2.Thiết kế bộ điều khiển mờ ……… 26

2.3.2.1.Các biến vào/ra và các giới hạn tới hạn……… 26

2.3.2.2.Chọn hàm liên thuộc và biến ngôn ngữ……… 26

2.3.2.3.Luật điều khiển……… 26

2.3.2.4.Luật hợp thành và giải mờ……… 27

2.3.2.5.Tối ưu 27

KẾT LUẬN 28

LỜI NÓI ĐẦU

Vào những năm đầu của thập kỷ 90 , một ngành điều khiển kỹ thuật mới đượcphát triển rất mạnh mẽ và đã đem lại nhiều thành tựu bất ngờ trong lĩnh vực điều

khiển , đó là điều khiển mờ Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các

phương pháp điều khiển kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển màkhông cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác Ngành kỹ thuậtmới mẻ này có nhiệm vụ chuyển giao nguyên tắc xử lý thông tin , điều khiển của

hệ sinh học sang hệ kỹ thuật Khác với kỹ thuật điều khiển kinh điển là dựa vào

sự chính xác tuyệt đối của thông tin mà trong nhiều ứng dụng không cần hoặckhông thể có được điều khiển mờ chỉ cần xử lý các thông tin “ không chínhxác”hay không đầy đủ đã có thể đưa ra quyết định chính xác.Chính khả năng này

đã làm cho điều khiển mờ giải quyết được các bài toán mà trước đây không giảiquyết được và cũng chính khả năng này đã đưa điều khiển mờ lên vị trí xứng đáng

là kỹ thuật điều khiển của hôm nay và tương lai

Sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia phụ thuộc rất nhiều vào mức độ côngnghiệp hóa, hiện đại hóa và tự động hoá các quá trình sản xuất Với vai trò là mũinhọn của kỹ thuật hiện đại, lĩnh vực tự động hoá đang phát triển với tốc độ ngàycàng cao Những thành tựu của lý thuyết Điều khiển tự động, Tin học côngnghiệp, Điện tử công suất, Kỹ thuật đo lường đã và đang được triển khai trênquy mô rộng lớn, tạo nên những thiết bị và dây chuyền công nghiệp sản xuất tựđộng với năng suất cao và chất lượng tốt Trong quá trình sản xuất, việc tự độnghoá một dây chuyền sản xuất đóng vai trò rất quan trọng Nó là cầu nối giữa cáchạng mục sản xuất, giữa các phân xưởng trong nhà máy, giữa các máy công táctrong một dây chuyền Việc điều khiển hoạt động của các dây chuyền hiện đại,tiên tiến cũng ngày càng đa dạng và phức tạp.Để làm quen với đó trong môn họcTổng hợp hệ điện cơ em đã được giao nhiệm vụ thực hiện đồ án “điều khiển mờcho hệ điều chỉnh vị trí dùng bộ biến tần-động cơ”

Trong quá trình thiết kế, với sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn

Tự động hoá XNCN đặc biệt là thầy PHẠM TÂM THÀNH , cộng với sự nỗ lựccủa bản thân, em đã hoàn thành được bản đồ án này Tuy nhiên, do thời giantương đối ngắn và trình độ chuyên môn còn hạn chế nên bản đồ án không tránhkhỏi thiếu sót Em mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo để bản đồ ánnày được hoàn thiện hơn

Sinh viên

Bùi văn Trượng

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN-ĐỘNG CƠ

1.1.Khái quát chung về biến tần

1.1.1.Khái niệm

Khi nghiên cứu điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều 3 pha (động cơ điện xoay chiều 3 pha roto lồng sóc) ta cần quan tâm các hệ cơ bản sau :

2

1

0

1

(1 ) (1)

.(2)

.(3)

.(4)

p

t

t

s

U k f

M k I

k dt

ω ω

φ φ

=

=

Trong đó ω là tốc độ góc của động cơ

ω0 là tố độ từ trường quay 0 60 f

p

ω =

θ - góc quay của động cơ

U p - giá trị hiệu dụng điện áp pha stato

f - tần số của điện áp đặt vào stato

M - mômen quay của động cơ

I - giá trị hiệu dụng của điện áp một pha stato

φ- Từ thông stato động cơ

p - số đôi cực

k- Hằng số chế tạo động cơ

k1- Hằng số tính toán

s- Hệ số trượt (Với động cơ lồng sóc thì s tương đối nhỏ và hầu như không đổi trong vùng làm việc)

Ta thấy rằng tốc độ động cơ hoàn toàn tỉ lệ với điện áp đặt vào stato do vậy phương pháp điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều tiên tiến nhất hiện nay là điều

chỉnh tần số nguồn cấp Bộ biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành

dòng điện xoay chiều ở tần số khác mà có thể thay đổi được gọi là bộ biến đổi hay

bộ biến tần Với các bộ biến tần dùng cho việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay

chiều thì ngoài việc thay đổi tần số của chúng còn có thể thay đổi cả điện áp ra

khác điện áp mới cấp vào bộ biến tần Hợp bộ biến tần-động cơ để điều chỉnh tốc

độ động cơ xoay chiều có tên thường gọi là hệ biến tần- động cơ

1.2.Phân loại

Biến tần được chia thành 2 nhóm

+ Biến tần máy điện

+ Biến tần van

→Biến tần máy điện : Nguyên lý chung của nó là dùng máy điện xoay chiều làm

nguồn cung cấp điện có tần số biến đổi Việc sử dụng cũng như điều khiển các loại máy này rất phức tạp vì phải sử dụng nhiều máy điện , diện tích lắp đặt lớn , hiệu suất làm việc thấp , gây ồn , nền móng kiên cố nên giá thành cao

→Biến tần van : Nguyên lý làm việc dùng tín hiệu điều khiển để đóng mở các van

(thường là Thyristor hoặc Transistor) biến đổi năng lượng điện xoay chiều ở tần sốnày thành năng lượng điện xoay chiều ở tần số khác

Biến tần van có 2 loại là biến tần van biến đổi trực tiếp và biến tần van biến đổi gián tiếp.

Ưu điểm nổi bật có thể thấy của biến tần loại này là nhỏ gọn , không gây ồn , hệ sốkhuếch đại công suất lớn , hiệu suất cao vì thế chúng được sử dụng rộng rãi

a) Biến tần van biến đổi trực tiếp là loại biến tần có tần số vào f1 được biến đổithành tần số f2f2 một cách trực tiếp mà không phải qua khâu trung gian ta có

âm của điện áp tải Trong mạch điều khiển người ta dùng dấu của dòng điện tải đểquyết định nhóm van nào được làm việc Khi một nhóm van được chỉ định làmviệc thì nó làm việc ở chế độ chỉnh lưu và chế độ nghịch lưu phụ thuộc Thờiđiểm phát xung mở Thyristor trong mỗi nhóm phải có phân bố sao cho điện áp

Nhóm NNhóm P

U

I

tU,I

CL NL CL NL

Hình 2 : Các giai đoạn làm việc của các

nhóm van

trên tải là hình sin nhất và giá trị trung bình của điện áp đầu ra luôn tương thíchvới giá trị tức thời của điện áp mong muốn (U U= m*sin w2t).

Để điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều , ta dùng bộ biến tần 3 pha gồm 3

bộ biến đổi song song ngược

Ưu điểm của sơ đồ này là có hiệu suất cao không dùng tụ chuyển mạch

Nhược điểm của sơ đồ là gam tần số hẹp f2 <20Hz phải dùng nhiều Thyristor và

nhạy cảm với sự biến động của lưới điện

b)Biến tần van gián tiếp

Hỡnh 4 : Sơ đồ chức năng bộ biến tần giỏn tiếp

Tựy theo tớnh chất của bộ chỉnh lưu và dạng tớn hiệu ra mà bộ biến tần độc lậpđược chia làm 2 loại :

- Bộ biến tần nguồn ỏp (hay là bộ nghịch lưu nguồn ỏp)

- Bộ biến tần nguồn dũng (hay là bộ nghịch lưu nguồn dũng)

→Bộ nghịch lưu nguồn dũng

Chỳng ta sẽ xem xột một mạch tiờu biểu hay được sử dụng là bộ nghịch lưu nguồndũng 3 pha Khối nghịch lu dòng dùng để biến đổi dòng điện một chiều sau bộ lọcthành dòng điện xoay chiều để cung cấp cho động cơ không đồng bộ ba pha Trong các hệ thống truyền động điện điều chỉnh thì nghịch lu dòng thờng dùng chocác hệ thống công suất lớn và có sơ đồ cầu ba pha, trong đó các van bán dẫn là các van điều khiển hoàn toàn ở đây ta dùng các tiristor Nguồn điện một chiều Udthông qua cuộn dây có điện cảm lớn cung cấp cho cầu biến tần dòng điện hằng Id

Trong cầu biến tần , mỗi tiristor đợc nối thêm một diode , gọi là diodechặn Các tiristor đợc điều khiển mở theo trình tự : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1,

Hình 5 Sơ đồ phân phối xung cho các Thyristor.

Hình 6 Sơ đồ dòng điện trên các pha tải

Tại bất kỳ thời điểm nào, trừ giai đoạn trùng dẫn , chỉ có hai tiristor dẫndòng Dòng điện tải có dạng sóng” gần sin chữ nhật” gồm hai khối Các khối cáchnhau một khoảng , trờng hợp lý tởng , bằng π /3, trong khoảng này dòng điện phatải bằng 0

Các pha stator của động cơ lần lợt nhận các dòng điện “ sin chữ nhật” lệchnhau góc 2 π/3 , tạo ra từ trờng quay mà tốc độ của nó quyết định bởi nhịp điệucấp xung điều khiển cầu biến tần Động cơ điện sản sinh ra ở các pha các sức điện

động tơng ứng

tsinU2

• Hoạt động của bộ nghịch lu dòng ba pha:

Nguồn cung cấp cho nghịch lu là nguồn dòng điện, nguồn điện một chiều khôngphụ thuộc vào tổng trở của tải Để thực hiện đợc điều này thờng thì điện cảm Ldphải có giá trị đủ lớn và phải sử dụng các mạch vòng điều chỉnh dòng điện Dòng

điện tải có dạng hình chữ nhật và do trình tự đóng cắt của các van từ T1 đến T6quyết định

Giá trị hiệu dụng của dòng điện tải:

cos6

điện giữa các pha

Trong thực tế kỹ thuật thờng dùng các van điều khiển không hoàn toàn vì vậy cần

có các mạch khóa cỡng bức các van đang dẫn , đảm bảo chuyển mạch giữa các phamột cách chắc chắn trong phạm vi điều chỉnh tần số và dòng điện đủ rộng

Trong sơ đồ cầu này ngoài các tiristor lực T1 ữT6 còn sử dụng các diode cách lyhay diode chặn từ D1ữ D6 nhằm để cách ly giữa các tụ điện chuyển mạch và dâyquấn các pha của động cơ không đồng bộ ĐK để chúng không tạo thành mạchcộng hởng làm ảnh hởng đến quá trình chuyển mạch

Để xét sự hoạt động của bộ nghịch lu dòng ba pha này ta xét quá trìnhchuyển dòng điện từ pha R sang pha S , và từ pha T sang pha R

Hình 7 Sơ đồ chuyển mạch từ pha R sang pha ST 1

Hình 8 Sơ đồ điện áp và dòng điện đi qua các phần tử của mạch và các .

pha trong quá trình chuyển mạch

* Chuyển dòng điện từ pha R sang pha S:

Giả thiết T1, D1, D2 và T2 đang mở cho dòng chảy qua Dòng điện Id chảy vào tải pha R và từ tải pha T chảy ra Lúc này , điện áp trên các tụ điện nh sau:

Id /3 nạp điện cho C2 nối tiếp C3 Dòng điện hai nhánh hợp lại chảy qua D1 để vào tải pha R rồi ra ra tải pha T qua D2 và T2 để trở về nguồn Tụ điện C1 và C3 đợc nạp ngợc so với trớc đó Lúc này (t=t1) ,D3 vẫn cha dẫn dòng Trong mạch vòng

BARSB ta có phơng trình:

RS C

Khi t≥t2, uD3≥0, diode D3 bắt đầu dẫn dòng Dòng Is từ zero tăng dần đến

trị Id còn dòng IR từ trị Id giảm dần xuống zero Khi t = t3 , kết thúc quá trình chuyển mạch Lúc này T3 và T2 dẫn dòng :

UBA= -U0 , UCB= U0 , UCA=0

• Chuyển dòng điện từ pha T sang pha R

Lúc này T2 và T3 đang dẫn dòng , ta có :

UA’B’=0 , UB’C’=U0 , UC’A’= -U0

Khi t=t4 , cho xung điều khiển mở T4 Tiristor này đặt điện áp - U0 lên T2

để khoá T2 Dòng điện Id chảy qua D2 , chia thành hai nhánh Nhánh thứ nhất IC5=

IC4 =Id /3 nạp điện cho C5 và C4 Nhánh thứ hai ,IC6=2 Id /3 nạp điện cho C6 Lúcnày (t=t4), D4 vẫn cha dẫn dòng

Trong mạch vòng A’C’TRA’ ta có phơng trình :

RT C

Khi t≥t5 , uD4 ≥ 0, diode D4 bắt đầu dẫn dòng Dòng IR tăng dần đến trị Id ,

còn dòng IT từ trị Id giảm xuống zero Khi t = t6 , kết thúc quá trình chuyển mạch.Lúc này T3 và T4 dẫn dòng:

UB’A’ = U0 , UC’B’ = 0 , UC’A’ = U0 Khi sử dụng sơ đồ biến tần dòng ba pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không

đồng bộ, trị cực đại của mổi tụ điện chuyển mạch có thể đợc tính theo công thứcsau:

091

06660

f.I,,

C

m n

m max

m

n m max

trong đó :

fn- tần số định mức;

fmax -tần số cực đại ;

Im- dòng điện từ hoá , Im =In [1−cosϕ2]

In- dòng điện định mức của động cơ điện ;

L - điện cảm tản một pha (stator + roto);

Um -biên độ cực đại của điện áp dây

Bộ nghịch lưu nguồn ỏp

Bộ biến tần nguồn áp hay là bộ nghịch l điện áp có đặt điểm là dạng điện áp ra tải

đợc định hình sẵn, còn dạng dòng điện tải lại phụ thuộc tính chất tải Nguồn cấp

điện cho bộ biến tần phải là nguồn sức điện động với nội trở nhỏ Nếu sử dụngchỉnh lu làm nguồn cho bộ nghịch lu độc lập thì cần phải mắc thêm một tụ điện C0

ở đầu vào nghịch lu để một mặt đảm bảo điện áp nguồn ít bị thay đổi, mặt khác đểtrao đổi năng lợng phản kháng với điện cảm tải ( với tải R hoặc động cơ điện )

Điện áp ra của bộ nghịch lu độc lập không có dạng hình sin nh mong muốn mà đa

số là dạng xung chữ nhật Để đánh giá sóng hài của điện áp ra ngời ta thờng dùng

có dạng tơng tự nh ở mạch chỉnh lu , thông dụng nhất là các sơ đồ cầu Vì vậy dới

đây chỉ xem xét sơ đồ bộ nghịch lu độc lập loại cầu dùng van điều khiển khoa

Nghịch lu áp ba pha:

a.Sơ đồ nguyên lí :

Hoạt động của sơ đồ:

Nguyên tắt hoạt động của bộ nghịch lu áp ba pha dựa trên nguyên lí hoạt

động của bộ nghịch lu áp một pha ở bộ nghịch lu áp ba pha có tất cả sáu van

các van lẻ S1, S3, S5 nằm ở phía trên còn các van chẵn S2, S4, S6 nằm ở phía

d-ới, hai van trong cùng một pha thì không đồng thời dẫn nghĩa là van này dẫn thìvan kia sẽ khóa và ngợc lại Để có dòng chạy qua tải thì nếu có một nhóm van cóchỉ số lẻ bắt buột phải có ít nhất một van thuộc nhóm chẵn dẫn

Hình 9 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lu ápba pha

Nếu van có chỉ số thuộc nhóm lẻ thông hoặc Diod ngợc đi kèm nó thông thì điện

áp đầu ra tơng ứng của pha đó với điểm không là Ud/2 Ngợc lại nếu van có chỉ sốchẵn thông hoặc Diod đi kèm với nó dẫn thì điện áp đầu ra của pha đó đối với điểmkhông là -Ud/2

Ta có:

⇒

U10 - U30 UZ31

U30 - U20 UZ23

U20 - U10 UZ12

1

1 3

31

3 2

23

2 1

12

=+

Z

Z Z

Z

Z Z

Z

Z Z

Z

U U

U

U U

U

U U

U

U U

2

31 13

1

31

31

31

Z Z

Z

Z Z

Z

Z Z

Z

U U

/ U

U U

/ U

U U

/ U

3 V R5 S

Hình 10 Dạng điện ra trên tải sau bộ nghịch lu.

Điện áp dây và điện áp pha nh sau:

Khai triển Furie điện áp dây và điện áp pha:

Tần số điện áp ra có thể đợc thay đổi bằng cách thay đổi nhịp điệu đóng cắt của các van trong bộ nghịch lu

Khi điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số thì phải thay đổi cả

điện áp đặt vào động cơ Điện áp có thể đợc điều chỉnh bằng các phơng pháp sau:+ Điều chỉnh biên độ điện áp một chiều bằng bộ chỉnh lu có điều khiển hoặcbằng bộ băm xung

+ Điều chỉnh thời gian đóng, mở của các van

CHƯƠNG II : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

2.1.Tổng quan về lý thuyết điều khiển mờ

Khỏi niệm về logic mờ được giỏo sư L.A Zadeh đưa ra lần đầu tiờn năm 1965, tại trường Đại học Berkeley, bang California - Mỹ Từ đú lý thuyết mờ đó được phỏt triển và ứng dụng rộng rói.

Năm 1970 tại trường Mary Queen, London – Anh, Ebrahim Mamdani đó dựng logic mờ để điều khiển một mỏy hơi nước mà ụng khụng thể điều khiển được bằng

kỹ thuật cổ điển Tại Đức Hann Zimmermann đó dựng logic mờ cho cỏc hệ ra quyết định Tại Nhật logic mờ được ứng dụng vào nhà mỏy xử lý nước của Fuji Electronic vào 1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào 1987.

Lý thuyết mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiờn ở Anh nhưng phỏt triển mạnh mẽ nhất là ở Nhật Trong lĩnh vực Tự động hoỏ logic mờ ngày càng được ứng dụng rộng rói Nú thực sự hữu dụng với cỏc đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rừ hàm truyền, logic mờ cú thể giải quyết cỏc vấn đề mà điều khiển kinh điển khụng làm được.

2.1.1 Khỏi niệm cơ bản

Sin t Sin t Sin

u

u

t Sin t

Sin t Sin t Sin u

ω ω

π

ω ω

ω ω

π

11 11

1 7 7

1 5 5

1 2

11 11

1 7 7

1 5 5

1 3

2

Để hiểu rõ khái niệm “MỜ” là gì ta hãy thực hiện phép so sánh sau :

Trong toán học phổ thông ta đã học khá nhiều về tập hợp, ví dụ như tập các số

thực R, tập các số nguyên tố P={2,3,5, }… Những tập hợp như vậy được gọi là tập hợp kinh điển hay tập rõ, tính “RÕ” ở đây được hiểu là với một tập xác định S

chứa n phần tử thì ứng với phần tử x ta xác định được một giá trị y=S(x).

Giờ ta xét phát biểu thông thường về tốc độ một chiếc xe môtô : chậm, trung bình,

hơi nhanh, rất nhanh Phát biểu “CHẬM” ở đây không được chỉ rõ là bao nhiêu

km/h, như vậy từ “CHẬM” có miền giá trị là một khoảng nào đó, ví dụ 5km/h – 20km/h chẳng hạn Tập hợp L={chậm, trung bình, hơi nhanh, rất nhanh} như vậy

được gọi là một tập các biến ngôn ngữ Với mỗi thành phần ngôn ngữ x k của phátbiểu trên nếu nó nhận được một khả năng µ(x k ) thì tập hợp F gồm các cặp (x,

trong đó : µF gọi là hàm thuộc , B gọi là tập nền.

2.1.3 Các thuật ngữ trong logic mờ

• Độ cao tập mờ F là giá trị h = SupµF (x), trong đó supµF (x) chỉ giá trị nhỏ nhất

trong tất cả các chặn trên của hàm µF (x).

• Miền xác định của tập mờ F, ký hiệu là S là tập con thoả mãn :