TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ TRÊN BOONG ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LỚN

CÔNG TY CƠ KHÍ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU THUỶ ---o0o--- BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU “TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ TRÊN BOONG ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ

CÔNG TY CƠ KHÍ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU THUỶ

-o0o -

BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU

“TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ TRÊN BOONG

ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LỚN”

Thuộc đề tài cấp nhà nước

“NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO MÁY MÓC VÀ

CÁC THIẾT BỊ TÀU THUỶ”

(Ứng dụng điện tử công suất lớn)

MỤC LỤC

I Mở đầu 2

II Các thiết bị trên boong tàu thuỷ 3

III Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 4

1.Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước 4

2.Tình hình nghiên cứu ứng dụng ngoài nước 5

IV Đặc điểm và yêu cầu công nghệ chế tạo các thiết bị điện tử công suất để điều khiển truyền động điện máy neo trên boong tàu thuỷ 6

1 Lựa chọn động cơ : 6

2 Động cơ không đồng bộ 8

2.1 Phương trình đặc tính cơ 8

2.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi tần số lưới cấp cho động cơ 10

2.3 Sơ đồ cấu trúc mô tả cho động cơ không đồng bộ 12

2.3.1 Mô tả toán học động cơ không đồng bộ 12

2.3.2 Xây dựng vector không gian 15

2.3.3 Chuyển vị tuyến tính các hệ toạ độ 17

2.3.4 Mô hình động cơ trong hệ toạ độ cố định gắn với stator 18

4 Công nghệ chế tạo bộ điều khiển các thiết bị trên boong 22

4.1 Mô hình điều khiển máy neo 22

4.2 Mô hình toán học bộ điều khiển 22

4.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển máy neo 25

4.4 Sơ đồ khối chi tiết bộ điều khiển 25

4.5 Công nghệ chế tạo 27

4.5.1 Khối chỉnh lưu : 27

4.5.2 Khối nghịch lưu : 31

4.5.3 Khối mạch điều khiển van công suất : 39

4.5.4 Khối bộ nhớ chương trình điều khiển 40

4.6 Qui trình công nghệ chế tạo 41

4.7 Công nghệ lắp ráp các khối 43

4.8 Mô phỏng trên Matlab 44

4.8.1 Mô hình tổng thể: 44

4.8.2 Mô hình bảng chọn : 45

4.8.3 Mô hình khối tính dòng điện: 48

4.8.4 Mô hình khối tính điện áp: 48

4.8.5 Mô hình khối ước lượng từ thông stator: 49

4.8.6 Mô hình khối ước lượng mômen: 49

4.8.7 Kết quả mô phỏng: 50

VI Tài liệu tham khảo 54

I Mở đầu

Chủ trương hiện nay của nước ta là phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp đóng tàu Đây là một hướng đi tất yếu không chỉ cho ngành đóng tàu mà cho cả ngành công nghiệp nói chung Ngành công nghiệp đóng tàu nước ta đã đạt được những thành tựu to lớn trong thời gian qua Từ 22 đơn vị năm 1996, đến này đã có trên 75 đơn vị thành viên hoạt động trên nhiều lĩnh vực khác nhau Được sự chỉ đạo sát sao của Đảng, Chính phủ, Nhà nước cũng như Bộ Giao thông Vận tải, ngành đóng tàu Việt Nam đã tiến được những bước dài quan trọng, duy trì được mức tăng trưởng bình quân 30-35%

Từ chỗ chỉ đóng được các tàu vận tải cỡ nhỏ, đến nay ta đã đóng được những con tàu có trọng tải lớn , chất lượng cao, mẫu mã đẹp, có thể vận chuyển hàng hoá đi khắp các nơi trên thế giới Đặc biệt, ta đã đóng mới thành công nhiều sản phẩm như : tàu chở dầu 3500DWT, tàu cao tốc, tàu tuần tra 30 hải lý/h, tàu khách 120 chỗ ngồi, tàu chở hàng 6500DWT – 11,500DWT, tàu container 1016 TEU, Năm 2004 ta đã kí được hợp đồng đóng mới 15 tàu hàng rời trọng tải 53,000DWT cho chủ tàu Anh Quốc, 6500DWT đến 22,000DWT cho Tổng Công ty Hàng hải Việt Nam và nhiều hợp đồng đóng mới với các chủ tàu Mỹ, CHLB Đức, Italia, Nhật Bản, Ba Lan, Hàn Quốc, Trung Quốc Trước những tiềm năng của ngành đóng tàu nước ta, cộng thêm với xu thế nội địa hoá các sản phẩm của ngành đóng tàu, từ thiết kế kết cấu vỏ tàu cho đến các trang thiết bị sử dụng trên tàu, nhu cầu cần phải chế tạo ra các thiết bị sử dụng trên tàu ngày càng trở nên bức thiết Một trong các thiết bị cần nội địa hoá đó là các thiết

bị sử dụng trên boong tàu thuỷ ứng dụng Điện tử công suất lớn Như ta đã biết, đối với các tàu trọng tải càng lớn thì các thiết bị sử dụng trên boong càng phải đạt được công suất lớn để đảm bảo cho sự vận hành đúng đắn của tàu Hiện nay, các thiết bị sử dụng trên boong, phần lớn đều ứng dụng động cơ công suất rất rất lớn để thực hiện việc chuyền động Đặc điểm của các động cơ này là dòng khởi

trên tàu không đủ đảm bảo công suất cho các thiết bị Nguồn điện lưới sẽ bị sụt nghiêm trọng, và ảnh hưởng đến sự vận hành của các thiết bị điện khác trên tàu, gây nguy hiểm và tổn thất năng lượng điện rất lớn Để giải quyết tình trạng trên, hiện nay trên thế giới đã xuất hiện nhiều phương pháp để thực hiện việc vận hành an toàn cho các động cơ công suất lớn, trong đó có phương pháp điều khiển động cơ bằng bộ điểu khiển riêng Ưu điểm của phương pháp này là vẫn giữ được mô men khởi động lớn và dòng khởi động chỉ bằng 1 – 1.5 dòng điện định mức của thiết bị Đây là một mảng cần được triển khai nghiên cứu chế tạo

để sử dụng trong ngành đóng tàu với những điều kiện làm việc đặc biệt và khắt khe hơn đối với các ngành công nghiệp khác, đồng thời đóng góp vào quá trình nội địa hoá ngành công nghiệp của đất nước

II Các thiết bị trên boong tàu thuỷ

• Cẩu hàng : là trang thiết bị trên tàu thuỷ dùng để bốc xếp hàng hoá vật tư giữa tàu với cảng hoặc giữa tàu với các tàu khác Cẩu hàng

nhiều loại thường có cấu trúc bao gồm: cơ cấu, bộ phận phù hợp khác nhau

• Cẩu xuồng cứu sinh : là loại cẩu dùng để nâng hạ xuồng cứu sinh xuống cấp cứu các loại xuồng khác

• Tời nâng hạ thang mạn: Đây là loại tời dùng để nâng hoặc hạ thang bên mạn của tàu trong khi tàu cập cảng

• Thang máy : có 2 loại là thang chở hàng và thang chở người

• Máy lái : có nhiều loại khác nhau: Máy lái điện-thuỷ lực, điện- cơ khí,

• Máy neo mũi, neo đuôi : là thiết bị dùng để giữ tàu cố định trong các vùng neo đậu ở biển, sông, nơi mà tàu dừng để sửa chữa hay chờ đợi để ăn hàng Máy neo thường được thiết kế đặt ở mũi tàu, hoặc ở cả phần đuôi tàu

• Tời cô dây, tời kéo đuôi : là thiết bị tời dùng để kéo, buộc tàu cố định vào cầu cảng hoặc vào tàu khác

• Chân vịt mũi : ngoài hệ thống lái ở đuôi tàu, tàu thuỷ tuỳ thuộc yêu cầu cụ thể thường có thêm cả chân vịt mũi, là thiết bị hỗ trợ cho quá trình làm manơ của tàu

III Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước

Trong những năm gần đây, cùng với đà phát triển to lớn của lĩnh vực điều khiển tự động, tự động hoá và điều khiển tàu thuỷ cũng được chú trọng nghiên cứu đặc biệt Vào những năm 70-80, khi ngành đóng tàu nước ta bắt đầu đóngnhững con tàu trọng tải 1000T đầu tiên thì các nghiên cứu thiết kế về truyền động điện các máy móc, thiết bị đã được quan tâm và đã có những công trình đóng góp vào việc sản xuất hàng loạt các cẩu hàng, máy neo, máy lái cho tàu thuỷ Tuy nhiên, các mạch điều khiển phần lớn là các rơle, công tắc tơ hoặc

khối lượng lớn, kích thước cồng kềnh, khó điều khiển, không tin cậy trong môi trường tàu thuỷ Sau đó một thời gian dài, các đơn vị tập trung vào nghiên cứu các hệ thống điều khiển bằng thuỷ lực , khí nén Phương pháp này điều khiển có phần dễ dàng hơn nhưng lại rất cồng kềnh, nhiều ống dẫn và cút nối, trong điều kiện làm việc rung động mạnh dễ gây nứt vỡ Sau này, một số viện, đại học cơ quan có quan tâm nghiên cứu việc điều khiển bằng điện tử công suất lớn Về mức độ, các sản phẩm bị hạn chế ở công suất điều khiển ( không vượt quá được 5KW ) Các thiết bị này mới ở mức độ mạch lôgic, analog rời rạc , chưa quan tâm đến chuẩn hoá để thiết bị làm việc an toàn và hiệu quả, thuận tiện cho việc ghép nối với các thiết bị khác trên tàu thuỷ

Tình hình nghiên cứu các thiết bị điền khiển cho các động cơ công suất lớn hiện nay ở nước ta là rất ít Các thiết bị thường được nhập từ nước ngoài về Sự non trẻ của một ngành công nghiệp mũi nhọn này thực tế là một mảng trống rất lớn cần được quan tâm triển khai nghiên cứu chế tạo để có thể tiếp cận và bắt kịp với tốc độ phát triển kỹ thuật công nghệ của các nước tiên tiến trên thế giới Chính vì vậy, năm 2004, thủ tướng Chính phủ đã có phê duyệt bổ sung đề án phát triển Tổng Công ty Công nghiệp Tàu thuỷ Việt Nam giai đoạn đến 2010 và định hướng đến 2020, trong đó mục tiêu quan trọng đến năm 2010 là phấn đấu các sản phẩm trong ngành đạt 60% tỷ lệ nội địa hoá Việc nghiên cứu sản xuất các thiết bị trên boong ứng dụng điện tử công suất lớn là một bước đi đúng đắnvà mạnh mẽ

2.Tình hình nghiên cứu ứng dụng ngoài nước

Trong những năm qua, ngành đóng tàu của các nước có công nghệ tiên tiến

và truyền thống phát triển như Nauy, Hà Lan, Nhật Bản, Hàn Quốc đang ở trình độ rất cao so với nước ta, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển tự động hoá

Có thể nói trình độ nghiên cứu , ứng dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại được áp dụng vào đã và đang ngày càng phát triển

- Về thiết kế: với bề dày thiết kế đóng tàu vài trăm năm nay, việc thiết kế

đã được thực hiện bằng các chương trình phần mềm rất hiện đại, được mô phỏng, chạy thử trên máy tính, được cho qua hệ thống kiểm tra chất lượng rất khắt khe

- Về phương pháp công nghệ: Các phần tử, thiết bị điện, điện tử công suất được chế tạo với công nghệ cao, ngày càng hoàn thiện về chất lượng, kích thước , mẫu mã, tính năng, giá thành san suất giảm đáng kể so với các linh kiện thiết bị được sản xuất vào những năm 1970-1980

- Về phương pháp nghiên cứu ứng dụng : Trải qua hơn trăm năm, lĩnh vực điều khiển tự động đã nghiên cứu, ứng dụng rất nhiều các phương pháp điều khiển Trong thời gian gần đây, hàng loạt các phương pháp điều khiển hiện đại đã được xây dựng và và phát triển như: điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, điều khiển bám ( back stepping), Các nghiên cứu

đã lần lượt được ứng dụng rộng rãi để điều khiển các thiết bị điện tử công suất lớn cho các thiết bị cho các ngành công nghiệp nói chung

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều nước đã đi đầu trong lĩnh vực điện tử công suất lớn Các thiết bị của các hãng nổi tiếng trên thế giới đã được nghiên cứu chế tạo thành công và được ứng dụng rộng rãi không chỉ cho ngành công nghiệp tàu thuỷ mà còn được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực có sử dụng truyền động điện công suất lớn Ví dụ như : ngành công nghiệp giấy , ngành dệt, ngành sản suất thép, Đại diện điển hình cho các hãng nổi tiếng trên thế giới như : ABB, Siemens, Schneider, Omron,

IV Đặc điểm và yêu cầu công nghệ chế tạo các thiết bị điện tử công suất để điều khiển truyền động điện máy neo trên boong tàu thuỷ

1 Lựa chọn động cơ :

Có hai loại động cơ được dùng nhiều nhất có thể đáp ứng được các yêu cầu truyền động cho các máy móc trên boong tàu thuỷ là động cơ không đồng

Động cơ điện một chiều: là loại động cơ sử dụng nguồn điện một chiều để truyền động Stato của động cơ một chiều chính là phần cảm , là bộ phận tạo ra các từ thông chính Rôto của động cơ là phần ứng Để tạo ra từ thông phần ứng, ngưòi ta phải đưa điện vào thông qua bộ phận cổ góp và chổi than Nhược điểm của động cơ này là chính là ở chỗ bộ phận này hay xảy ra hiện tượng đánh tia lửa điện Đồng thời động cơ một chiều có cấu tạo phức tạp nên rất khó khăn trong quá trình bảo dưỡng, sửa chữa Ưu điểm của động cơ này là có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản

Động cơ không đồng bộ : có hai loại chính là động cơ không đồng bộ rôto dây quấn và động cơ rôto lồng sóc

• Loại động cơ rôto dây quấn thường có mạch phụ bên ngoài nối với dây quấn rôto bằng chổi than có thể cải thiện tính năng khởi động, điều chỉnh tốc độ, cải thiện hệ số công suất máy Tuy nhiên, loại động cơ này có cấu tạo phức tạp và có nhược điểm từ chổi than và vành trượt

• Loại thứ hai là động cơ có rôto lồng sóc, có cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, có đặc tính làm việc tốt nhưng có đặc tính mở máy kém Ngày nay, với sự phát triển của công nghiệp điện tử, động cơ này được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp ở mọi loại giải công suất Công nghệ điện tử ở đây là sử dụng bộ điều khiển tần số để thay đổi tần số điện áp cung cấp, khắc phục được nhược điểm về khởi động, và điều chỉnh tốc độ mềm dẻo

Tốc độ quay của động cơ được tính bằng biểu thức :

n =Ġ (vòng/phút)

2 Động cơ không đồng bộ

2.1 Phương trình đặc tính cơ

Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta sử dụng sơ đồ thay thế Trên Hình 1 là sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ Khi nghiên cứu ta đưa ra một số giả thiết sau đây:

- 3 pha của động cơ là đối xứng

- Các thông số của động cơ không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở rôto không phụ thuộc vào tần số dòng điện rôto, mạch từ không bão hòa nên điện kháng X1, X2 không đổi

- Tổng trở mạch từ hóa không thay đổi, dòng điện từ hóa không phụ thuộc tải mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt vào stato động cơ

- Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép

- Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng ba pha

Với những giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế Hình 1 cho một pha của động

cơ, trong đó:

Uf1 là trị hiệu dụng của điện áp pha stato

Iµ , I1, I’2 là các dòng điện từ hóa, stato và dòng điện rôto đã quy đổi về stato

Xµ , X1δ , X’2δ điện kháng mạch từ hóa, điện kháng tản stato và điện kháng tản rôto đã quy đổi về stato

Rµ , R1 , R’2 là các điện trở tác dụng của mạch từ hóa của cuộn dây stato

và rôto đã quy đổi về stato

s là độ trượt của động cơ:

1

1 ω

2

' 2 1

2 2 1

1 1

1

nm

f

X s

R R X

R U I

à à

Hình 1: Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ 1 pha

R R

R U

2

2 ' 2 1 1

' 2 2 ' 1

2.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi tần số lưới cấp cho động cơ

Xuất phát từ biểu thức , ta thấy rằng thay đổi tần số sẽ làm tốc độ từ trường quay và tốc độ động cơ thay đổi

Xét trường hợp khi tăng tần số f1>f1đm từ biểu thức về Mth biến đổi ta có:

2 1

2 2

*

*

* 8

*

* 3

f L

U p M

const f

U =

1 1

sinh ra được mô men như trong chế độ định mức Đó là bài toán tìm quy luật rối

ưu trong chế độ làm việc tĩnh của hệ điều chỉnh tần số động cơ KĐB

Hình 3 trình bày đặc tính cơ khi f1<f1đm với điều kiện từ thông ( = const (hoặc gần đúng giữ không đổi) ở vùng f1 > f1đm mô men tới hạn Mth tỷ lệ nghịch với bình phương tần số

Từ đặc tính cơ Hình 3, với việc khảo sát sự thay đổi mômen M theo ω, ω = 2πf,

ta có sự liên hệ ràng buộc lẫn nhau giữa mômen của động cơ và tần số lưới cấp cho động cơ Càng tần số lưới điện cấp cho động cơ càng tăng thì tốc độ của động cơ càng tăng, và đồng thời với nó là mômen của động cơ giảm ở tần số thấp và điện áp lưới vẫn giữ nguyên, mô men khởi động của động cơ gần bằng

mô men tới hạn, là rất lớn Đây là một ưu điểm tuyệt vời của phương pháp khởi động và điều khiển động cơ công suất lớn đòi hỏi mômen khởi động ban đầu lớn Phương pháp điều khiển này có tính mềm dẻo cao, tuy nhiên về giá thành chế tạo thì rất đắt

2.3 Sơ đồ cấu trúc mô tả cho động cơ không đồng bộ

2.3.1 Mô tả toán học động cơ không đồng bộ

- Các giả thiết khi xây dựng mô hình toán học của động cơ không đồng bộ

+ Động cơ không đồng bộ là loại máy điện hai cực đối xứng và có ba cuộn dây cho ba pha

+ Các tổn hao do khe hở không khí được bỏ qua

+ Mật độ từ thông được phân bố, toả ra trong khe hở không khí

+ Các tổn hao sắt từ được bỏ qua

+ Mỗi cuộn dây stator và rotor được coi như là một cuộn dây đơn bước đủ nhiều vòng dây

Hình 4 Mặt cắt ngang của máy điện ba pha đối xứng

- Phương trình cân bằng điện áp :

Điện áp pha stator :

dt

(t)d(t)iR

usA = s sA + ΨsA

(2.6)

dt

(t)d(t)iR

usB s sB sB

Ψ+

(t)d(t)iR

Ψ+

Điện áp pha rotor :

dt

(t)d(t)iR

ura = r ra + Ψra

(2.9)

dt

(t)d(t)iR

urb r rb rb

Ψ+

dt

(t)d(t)iR

urc r rc rc

Ψ+

- Từ thông móc vòng các dây quấn :

Từ thông móc vòng từng pha stator :

rc rb

ra

sC s sB s sA s sA

i/3)4Mcos(

/3)i2Mcos(

iMcos

iMiMiL

πϑπ

ra

sC s sB s sA s sB

i/3)Mcos(

iMcosi

Mcos(

iMiLi-M

πϑϑ

π

=Ψ

(2.13)

rc rb

ra

sC s sB s sA s sC

iMcos/3)i

Mcos(

iMcos(

iLiMiM

ϑπ

ϑπ

=Ψ

4)

3/

Từ thông móc vòng từng pha rotor :

rc r rb r ra r

sC sB

sA ra

iMiMiL

/3)iMcos(

iMcos(

iMcos

−

−+

++

++

ψ

(2.15)

rc r rb r ra r

sC sB

sA rb

iMiLiM

/3)iMcos(

iMcosi

Mcos(

−+

−

++

++

ψ

(2.16)

rc r rb r ra r

sC sB

sA rc

iLiMiM

iMcosi

Mcos(

iMcos(

+

−

−

++

++

ψ

(2.17) Trong đó :

Các chỉ số bằng chữ in hoa A,B,C chỉ các pha stator, các chỉ số bằng chữ thường a,b,c chỉ các dây quấn rotor

ϑ - góc lệch giữa dây quấn rotor và dây quấn stator

Rs - điện trở stator

RL- điện trở rotor

Ls, Lr- điện cảm tự cảm của từng pha dây quấn stator, rotor

Ms ,Mr - điện cảm hỗ cảm giữa các dây quấn stator, giữa các dây quấn rotor với nha

Hỗ cảm giữa dây quấn ở stator với dây quấn rotor phụ thuộc vào góc lệch không gian giữa hai dây quấn này Hỗ cảm giữa hai dây quấn cùng pha ở stator và rotor sẽ đạt giá trị cực đại khi trục hai dây quấn trùng nhau, tương ứng lúc đó có điện cảm hỗ cảm M

r r r

r 2

1

r r

r r

1 2

r r

r r 2 1

2 1

s s s

s

1 2

s s

s s

2 1

s s

s s

pLRpM

pMpMcos

pMcospMcos

pMpL

RpM

pMcospMcos

pMcos

pMpM

pLRpMcos

pMcospMcos

pMcospMcos

pMcospL

RpM

pM

pMcospMcos

pMcospM

pLRpM

pMcospMcos

pMcospM

pMpL

ϑϑ

(2.18) Trong đó : ϑ1 = ϑ + 2 π / 3, ϑ2 = ϑ + 4 π / 3

Để đơn giản trong khi viết, coi các đại lượng điện và từ là các vector và các thông số của mạch là ma trận thông số :

Ψ

=

Ψ

sC sB sA

Ψ

=Ψ

rc rb ra

ii

ii

uu

R00

0R0

00R

R00

0R0

00R

s s

s

s s

s S

LM-M-

M-LM-

M-M-LL

r r

r

r r

r r

LM-M-

M-LM-

M-M-L

++

++

=

ϑπ

ϑπ

ϑ

πϑϑ

πϑ

πϑπ

ϑ

ϑϑ

cos/3)

4cos(

/3)2cos(

/3)2cos(

cos/3)

4cos(

/3)4cos(

/3)2cos(

Ψ

r s r t

m

m s

r

s

i

iL)(L

)(LL

r r t

m

m s

s

r

s

iidt

dLRdt

d)(L

dt

d)(Ldt

dLRu

2.3.2 Xây dựng vector không gian

- Trong động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha ta có :

0(t)i(t)i(t)

Trong đó : i sA(t) = i s cos( ωs t)- dòng điện pha A stator

) 3 / 2 cos(

) (t = i ω t+ π

) 3 / 4 cos(

) (t = i ω t+ π

Từ ba vectơ dòng điện pha (isA, isB, isC) ta có thể xác định được một vectơ

3

sC sB sA

1 ) 3

2 exp(j j

Đối với các đại lượng khác của động cơ như : điện áp, từ thông stator hoặc từ thông rotor, ta đều có thể xây dựng các vectơ không gian tương ứng như đối với dòng điện

- Theo công thức (2.23), vectơ is là một vectơ có modul không đổi quay trên mặt phẳng phức vuông góc với trục rotor với tốc độ góc ω s=2πfs

Im

Re

a b

H×nh 5 X©y dùng vector kh«ng gian

nhau trên hệ trục toạ độ có trục thực trùng với trục cuộn dây quấn pha A (gọi là hệ trụcĠ):

sβ sα

)i(2i3

1)i(i3

1)Im(i

Bằng cách tương tự như đối với vectơ dòng stator, các vectơ điện

áp stator us, dòng rotor, từ thông stator, hoặc từ thông rotor đều có thể được biểu diễn bởi các phần tử thuộc hệ toạ đô stator

- Từ đó ta có các phương trình cơ bản của động cơ dưới dạng vectơ :

dt

diR

s s s s

s s

Ψ+

dt

diR

r r r r

r r

Ψ+

r m s

3)xi(p'23

Trong đó các ký hiệu chữ nhỏ góc trên bên phải thể hiện hệ trục toạ độ mà vector tham chiếu

2.3.3 Chuyển vị tuyến tính các hệ toạ độ

Giả sử có 2 hệ trục toạ độ tổng quát : xy và uv có chung gốc và hệ uv nằm lệch 1 góc ϑk (tức là quay xung quanh gốc với vận tốc góc

k k

ycosxsin

v

ysinxcos

u

ϑϑ

ϑϑ

(2.34) Thay vào (2-88) ta có :

Vuv=(xcosϑ +ysink ϑ )+j(ycosk ϑ -xsink ϑ ) k = (x+jy)(cosϑ -jsink ϑ ) = Vk xy *e−jϑk (2.35) Công thức (2.34), (2.35) là công thức liên hệ giữa hai hệ trục quay tương đối với nhau với vận tốcĠ

- áp dụng công thức chuyển hệ toạ độ (2.35) đối với hệ trục toạ độ tổng quát chuyển động với vận tốc gócĠso với hệ trục toạ độ cố định stator , khi đó hệ này sẽ chuyển động với vận tốc Ĩĭ) so với hệ trục toạ độ rotor,

do đó ta có :

k

j k s s

u = ϑ , k j k

s s

s s

) ϑ

ϑ −

= k ( k

r r

u , = k ( ϑ − k ϑ )

r r

i , Ψ =Ψk ( ϑ − k ϑ )

r r

Thay vào phương trình (2-82) - (2-85) ta có :

k s k

k s k s s k

dt

diR

(2.38)

k

r k

k r k r r k

dt

diR

k r m k s s k

k r t k s m k

2.3.4 Mô hình động cơ trong hệ toạ độ cố định gắn với stator

- Hệ toạ độ gắn với stator ký hiệu làĠ có trục thực là trụcĠ trùng với trục dây quấn pha A, các cuộn dây stator đứng yên nên hệ toạ độ này còn được gọi là hệ toạ độ cố định vàĠ=0 Thay vào các phương trình (2.39) - (2.41)

=

+

=

s r r

s s m

s r

s r m

s s s

s s

s r

s r s

r r

s s s

s s

s s

iLiLΨ

iLiLΨ

ωΨjp'dt

dΨi

R0

dt

dΨi

Ru

(2.42,a,b,c,d)

Từ phương trình (2.42c,d) ta có :

)Li(ψL

1

s

s r r s

LLi

r

m s

s s

−

=

++

=

dt

dψjω

T

1ψT

Li0

dt

dψL

Ldt

diσLi

Ru

s r r

s r r

m s s

s r r m

s s s

s s s

s s

Trong đó:

ĉ- hỗ cảm giữa rotor và stator ĉ- điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator ĉ- điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor (đã quy đổi về stator )

ĉĽ +Ġ - điện cảm stator

Tr= Lr/Rr - hằng số thời gian rotor ĉ- hệ số tiêu tán tổng

ĐặtĠ vàĠ thay vào (2.45) và viết dưới dạng các phần tử của vector ta được:

−+

−+

'

' '

'

' '

' '

α β

β β

β α

α α

β β

α β

β

α β

α α

α

ωψψ

ψ

ωψψ

ψ

σ

ψσ

σωψ

σ

σσ

σσ

σ

ωψσ

σψ

σ

σσ

σσ

r r

r

s r r

r r

r

s r r

s s

r r r

s r s

s

s s r

r r

s r s

s

T

i T dt

d

T

i T dt

d

u L T

i T T

dt

di

u L T

i T T

dt

di

11

11

11

11

1

11

11

1

(2.46) Trên đây là các công thức liên hệ phần điện và từ của động cơ không đồng

bộ Ta xét tiếp phương trình mômen của động cơ:

Từ (2.42) ta có αβ thế vào biểu thức tính mômen ta được:

)xi(ψL

Lp'2

3L

1)Lix(ψψp'2

3)xi(ψp'2

3

s

s r r

m r

m

s s

s r

s r

s r

s r

)iψi

(ψp'L

L2

3

r

2 m

Từ (2-46) và (2-48) ta xây dựng được mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ cố định αβ khi điều khiển bằng biến tần nguồn áp như hình 6 trong đó Tσ được tính theo công thức (2.49)

σ

− +

= 1 11

m s r r

s

T

L T

j dt

'

' '

'

1 1

1 1

α β

β β

β α

α α

ωψ ψ

ψ

ωψ ψ

ψ

r r

r

s r r

r r

r

s r r

T

i T dt

d

T

i T dt

d

(2.51)

cùng với phương trình mômen (2.48) tạo thành mô hình động cơ không đồng bộ cấp bằng bộ biến tần nguồn dòng được thể hiện ở hình 7

Hình 7 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc trên hệ toạ

độ αβ ( hệ toạ độ cố định trên Stato )

4 Cụng nghệ chế tạo bộ điều khiển cỏc thiết bị trờn boong

4.1 Mụ hỡnh điều khiển mỏy neo

Bộ điều khiển

động cơ

ĐC KĐB

Cơ cấu truyền động cơ khí

Điện áp luới

Hỡnh 8 Mụ hỡnh tổng quỏt bộ điều khiển mỏy neo, tời trờn boong tàu thuỷ

4.2 Mụ hỡnh toỏn học bộ điều khiển

Hỡnh 9 Mụ hỡnh bộ điều khiển động cơ

Nguyờn lý bộ điều khiển :

Mụmen điện từ là tớch vectơ giữa vectơ từ thụng stator và vectơ từ thụng rotor, hoặc giữa vectơ dũng điện stator và vectơ từ thụng:

γ

.sin

1p'

1p'

−

=Ψ

∧Ψ

−

Biên độ vectơ từ thông stator thường được giữ không đổi và do đó mômen được điều chỉnh bởi gócĠgiữa các vectơ từ thông Các động cơ bình thường có hằng số thời gian điện từ của mạch rotor cỡ hàng trăm miligiây, như vậy có thể coi từ thông rotor là ổn định và biến đổi chậm hơn từ thông stator Vì thế có thể đạt được mômen yêu cầu bằng cách quay vectơ từ thông stator theo hướng nào

đó càng nhanh càng có hiệu quả Sơ đồ nguyên lý điều gồm các khối cơ bản sau:

Bộ so sánh mômen và từ thông, khối lôgic chuyển mạch tối ưu và mô hình động

cơ

Bộ so sánh từ thông và mômen đều là những khối điều khiển có trễ Chúng đảm nhiệm vai trò so sánh giữa giá trị từ thông đặt và giá trị từ thông thực, giá trị mômen đặt và giá trị mômen thực Từ thông thực và mômen thực thu được từ mô hình toán học động cơ Đối với bộ so sánh mômen khi sai lệch mômen là nhỏ hơn dưới mức hạn chế dưới có trễ thì trạng thái mômen đầu ra cần là cao nhằm tăng mômen, và ngược lại Tương tự cho bộ so sánh từ thông cũng có trạng thái từ thông cao nhằm tăng từ thông lên và trạng thái từ thông thấp nhằm giảm từ thông Các điểm chuyển mạch hạn chế sai lệch cao và thấp được xác định nhờ đầu vào thay đổi khoảng trễ (hysteresis window), đầu vào này quyết định tới tần số chuyển mạch của các thiết bị công suất, tần số này cỡ Khz

Mô hình toán học động cơ làm nhiệm vụ tính ra các tín hiệu phản hồi bên trong như từ thông stator thực, mômen thực, tốc độ thực và tần sô thực Các đầu vào mô hình là dòng điện hai pha, điện áp một chiều đầu vào bộ nghịch lưu và các trạng thái chuyển mạch Ngoài ra còn có các tham số của động cơ để phục

vụ cho việc tính toán, các tham số này gồm các tham số của người sử dụng đã biết và tham số khác thu được từ các thuật toán nhận dạng Dữ liệu của người sử dụng thường là các giá trị danh định như dòng điện, điện áp , tần số, tốc độ và công suất danh định

Việc xử lý trạng thái mômen và trạng thái từ thông được thực hiện nhờ lôgic chuyển mạch tối ưu Lôgic chuyển mạch tối ưu cho nghịch lưu sẽ được xác

định trong từng chu kỳ điều khiển (2ĵ) và được thực hiện bởi các mạch điện tử chuyên dụng (ASIC) Chức năng của nó là để chọn vectơ điện áp stator thích hợp và làm thoả mãn cả đầu ra trạng thái mômen và đầu ra trạng thái từ thông Nhiệm vụ của khối lôgic chuyển mạch được dựa trên các mối quan hệ toán học giữa các vectơ không gian của từ thông stator, từ thông rotor, dòng điện stator và điện áp stator Mômen động cơ tỷ lệ với tích có hướng vectơ từ thông stator và vectơ từ thông rotor như công thức (2.52) Biên độ của vectơ từ thông stator thường được giữ hằng số để điều khiển mômen theo góc Ĩ) giữa vectơ từ thông stator và vectơ từ thông rotor Phương pháp này đượ thực hiện dễ dàng bởi vì hằng số thời gian rotor lớn hơn nhiều hằng số thời gian stator Do đó từ thông rotor là tương đối ổn định và thay đổi tương đối chậm khi so sánh với từ thông stator

Khi cần tăng mômen thì khối lôgic chuyển mạch tối ưu sẽ chọn vectơ điện

áp stator Ux nào có phương tiếp tuyến hơn so với vectơ từ thông stator, có xu hướng làm nó quay cùng chiều quay với vectơ từ thông rotor GócĠlớn được tạo

ra làm mômen tăng lên Khi cần yêu cầu giảm mômen thì lôgic chuyển mạch sẽ chọn vectơ điện áp không, làm cho từ thông stator và mômen suy giảm tự nhiên Nếu từ thông giảm , sai lệch giảm dưới giá trị giới hạn dưới thì đầu ra trạng thái

từ thông sẽ là mức cao nhằm yêu cầu tăng từ thông Nếu đầu ra trạng thái mômen tiếp tục là thấp thì một vectơ điện áp được chọn để tăng từ thông stator lên

4.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển máy neo

Hình 10 Sơ đồ khối bộ điều khiển máy neo

4.4 Sơ đồ khối chi tiết bộ điều khiển