Đồ án chuyên ngành truyền động điện

Đề tài : Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (IPMSM)Thông số động cơ:Cho động cơ đồng bộ IPM với các thông số sau:Udm=50V, nđm =1200rpm ,J=0.4e3 kg.m2,Iđm=8.66,số đôi cực pc=2 ,Rs=0.57Ω, f=0.108Wb, Lsd=8.7mH, Lsq=22.8mH

Mai Đình Thế Page 1

MỤC LỤC

ĐỀ TÀI : ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (IPMSM) 2

I Giới thiệu động cơ các phương pháp điều khiển, ứng dụng 3

1.Khái niệm và cấu tạo 3

2.Phân loại 3

3.Nguyên lý hoạt động 5

4.Ứng dụng 5

II.Hệ phương trình cơ bản của động cơ IPM 6

1.Đặt vấn đề 6

2.Các hệ phương trình cơ bản của động cơ 6

3.Mô hình động cơ trong hệ tọa độ tựa từ thông rotor 9

III Chiến lược điều khiển 11

1.Phương pháp điều khiển FOC 11

2.Phương pháp điều khiển MTPA 12

IV Tổng hợp hệ thống điều khiển động cơ nam châm chìm tựa theo từ thông rotor .14

1.Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện 14

2.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ 17

V.Mô phỏng trong matlab 19

1.Trường hợp điều khiển dưới tốc độ cơ bản 19

2.Trường hợp điều khiển trên tốc độ cơ bản 22

VI Tài liệu tham khảo 26

Mai Đình Thế Page 2

ĐỀ TÀI : ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (IPMSM)

Thông số động cơ: Cho động cơ đồng bộ IPM với các thông số sau:

Udm=50V, nđm =1200rpm ,J=0.4e-3 kg.m2 ,Iđm=8.66,số đôi cực pc=2 ,Rs=0.57Ω,

f=0.108Wb, Lsd=8.7mH, Lsq=22.8mH

YÊU CẦU:

- Thuyết minh nguyên lý làm việc của hệ truyền động điều khiển bằng phương pháp vector

- Mô hình hóa hệ truyền động bằng phương pháp hàm truyền

- Xây dựng cấu hình hệ điều khiển với mạch dòng điện và tốc độ

Mô phỏng hệ điều khiển bằng phương pháp điều khiển PID dùng mô hình hàm truyền

Lấy các đặc tính điều khiển (tốc độ, dòng điện) vùng dưới tốc độ cơ bản và vùng điều khiển giảm từ thông (trên tốc độ cơ bản )

Mai Đình Thế Page 3

I Giới thiệu động cơ các phương pháp điều khiển, ứng dụng

1.Khái niệm và cấu tạo

Động cơ đồng bộ là động cơ xoay chiều có tốc độ quay của rotor bằng tốc độ quay của từ trường Ở chế độ xác lập động động cơ điện có tốc độ quay của rotor luôn không đổi khi tải thay đổi tùy thuộc vào tần số nguồn và số đôi cực của động

Surface magnets type(SPM )

Interior magnets type

(IPM )

Dựa vào vị trí nam châm trong rotor người ta phân Sinusoidal PMAC thành 2 loại động cơ đồng bộ nam châm bề mặt (SPMSM) và động cơ đồng bộ nam châm chìm (IPMSM)

Hình 1: Cấu trúc động cơ SPM và IPM

Mai Đình Thế Page 5

Hình 2 : Khác với động cơ SPM, động cơ IPM có điện cảm dọc trục và ngang trục

khác nhau

Động cơ SPM thông thường có nam châm được gắn trên bề mặt rotor Động cơ

IPM có nam châm được gắn chìm bên trong rotor dẫn tới sự khác biệt giữa điện

cảm dọc trục và điện cảm ngang trục Đặc tính này khiến động cơ IPM có khả

năng sinh mômen rất cao Mặt khác động cơ IPM có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn

tới khả năng giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ

3.Nguyên lý hoạt động

Điện áp đặt lên stator là điện áp ba pha có thể cấp từ biến tần hoặc từ lưới dẫn

đến xuất hiện dòng ba pha trên stator Nam châm vĩnh cửu tạo ra từ thông khe hở

không khí,từ thông này tác động với dòng điện stator tạo ra momen kéo rotor quay

Ở chế độ xác lập tốc độ rotor luôn đồng bộ với từ trường stator nên được gọi là

động cơ đồng bộ

4.Ứng dụng

Gần đây động cơ đồng bộ ngày càng ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng

thực tế như trong các phương tiện giao thông trong các máy công cụ như máy nén

khí, máy nghiền và kéo tầu Tận dụng khả năng điều chỉnh trong dải tốc độ rộng

và khả năng sinh momen lớn động cơ đồng bộ nam châm chìm đang được ứng

dụng rất mạnh trong lĩnh vực chế tạo ô tô

Về phương diện động động cơ đồng bộ được mô tả bởi hệ phương trình vi phân bậc cao Vì cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian , vì các mạch từ móc vòng ta phải chấp nhận các điều kiện sau đây khi mô hình hóa động

cơ

 Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian

 Các tổn hao sắt từ và bão hòa từ có thể bỏ qua

 Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi

2.Các hệ phương trình cơ bản của động cơ

Phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator của động cơ

Với Rs điện trở của cuộn dây stator

Ψsu,ψsv,ψsw từ thông stator của cuộn dây pha u,v,w

Usu,Usv,Usw điện áp pha u,v,w stator

Mai Đình Thế Page 7

Để đơn giản hóa mô hình động cơ dùng phép chuyển đổi trục tọa độ đưa hệ thống

ba pha từ (uvw) sang hệ tọa độ dq Hệ tọa độ dq là hệ tọa độ tựa từ thông rotor

] [

]

Usd , Usq thành phần d,q của vector điện áp stator

là góc giữa trục chuẩn (quy ước là trục đi qua cuộn dây pha u) và trục rotor

Hình 3.Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ tựa từ thông rotor(dq)

Mai Đình Thế Page 8

Hình 4.Sơ dồ thay thế động cơ IPM

- Phương trình điện áp stator trong hệ tọa độ dq

Usd= Rs.isd +

- q

Usq = Rs.isq +

+ d

Trong đó isd, isq thành phần d,q của vector dòng điện stator

d, q thành phần d,q của vector từ thông

Mai Đình Thế Page 9

Trong đó J Momen quán tính

MT Momen tải

Tốc độ góc rotor

3.Mô hình động cơ trong hệ tọa độ tựa từ thông rotor

Hình 5 Mô hình động cơ IPM trong hệ tọa độ từ thông rotor

Sử dụng phương trình từ thông và phương trình điện áp ta có thể viết lại

Mai Đình Thế Page 10

Nhận xét : Dựa vào phương trình (*) ta nhận thấy momen quay của động cơ IPM

gôm 2 thành phần ,thành phần chính với M1 = và thành phần phản kháng

M2 = ( ) do sự chênh lệch điện cảm stator ( ) gây ra

Ở dải tốc độ định mức để đơn giản hệ thống ta có thể cho isd = 0 Tuy nhiên với dải

tốc độ trên định mức để thu thêm được điện áp điều chỉnh ta phải giảm biên độ từ

thông rotor bằng cách bơm vào trục d một thành phần dòng isd <0 Động cơ lúc

này được vận hành ở chế độ giảm từ thông và dòng isd sẽ có biên độ lớn tăng tỉ lệ

thuận với tốc độ quay rotor

Từ các phương trình trên ta xây dựng được mô hình trong simulink

Mô hình Simulink

Hình 6 Sơ đồ Simulink động cơ IPM

Mai Đình Thế Page 11

III Chiến lược điều khiển

1.Phương pháp điều khiển FOC

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nghành công nghiệp vi xử lý, điện tử công suất thì việc áp dụng các phương pháp điều khiển phức tạp ngày càng trở nên dễ dàng hơn Một trong những phương pháp tối ưu hiện nay là phương pháp điều khiển định hướng từ thông (Field orientated control - FOC)

Phương pháp FOC gồm có các loại sau: điều khiển định hướng theo từ thông stator

và điều khiển định hướng theo từ thông rotor Tuy nhiên phương pháp điều khiển định hướng theo từ thông rotor có nhiều ưu điểm vượt trội: ứng dụng phương pháp vector không gian ta có thể dễ dàng xây dựng mô hình động cơ và các phương trình trên hệ tọa độ (dq) ,triệt tiêu thành phần từ thông rotor trên trục q, còn thành phần từ thông trên trục d có thể xem như một đại lượng một chiều, các đại lượng dòng điện điện áp khi chiếu lên hai trục tọa độ d,q cũng là thành phần một chiều Với những ưu điểm trên trong đề tài này em sử dụng phương pháp điều khiển động

cơ đồng bộ định hướng theo từ thông rotor

HÌnh 7.Sơ đồ cấu trúc điều khiển tựa từ thông rotor

2.Phương pháp điều khiển MTPA

Hình 8: Quỹ đạo dòng điện với momen hằng để cực đại tỷ số “momen/dòng điện”

Tại vị trí điểm A trên quỹ đạo thì biên độ is là nhỏ nhất tức dòng cực tiểu,hay nói cách khác tỉ số “ momen/dòng điện” là lớn nhất Điều khiển cực đại tỉ số “ momen/dòng điện” dẫn đến tổn thất cực tiểu trong động cơ điều đó có nghĩa là tối

ưu hóa hiệu suất của truyền động

Mai Đình Thế Page 13

Hình 9 Biểu diễn vector is

Phương trình momen

M= [ ( )] (**) Đặt =

=

: biên độ dòng điện lớn nhất được cung cấp từ bộ nghịch lưu

Thay vào (**) ta có

M= [ ( ) ]

Lúc này momen là hàm của Vậy ta có thể tìm để tỉ số * +max

Cuối cùng ta có thể thiết lập được mối quan hệ giữa M* và dòng stator tương ứng

f(M*); f(M*)

Mai Đình Thế Page 14

IV Tổng hợp hệ thống điều khiển động cơ nam châm chìm tựa theo từ thông rotor

Hình 10 Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ IPM tựa theo từ thông

rotor

1.Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện

Trong trường hợp hệ thống truyền động có hằng số thời gian cơ học rất lớn (lớn hơn bốn lần hằng số thời gian điện từ của phần ứng ) Khi đó ra coi sức điện động của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện ( coi E=0) Dựa vào sơ đồ cấu trúc ta thấy hai bộ điều chỉnh dòng điên Risd và

Risq hoàn toàn giống nhau về mặt cấu trúc nên chỉ cần tính toán thiết kế cho bộ điều chỉnh dòng Risd

Mai Đình Thế Page 15

Hình 11.Cấu trúc của bộ điều khiển dòng điện

Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện (isd) được mô tả như hình 12

Hình 12 Sơ đồ mạch vòng dòng điện Trong sơ đồ trên

Tcl : hằng số thời gian của mạch nghịch lưu

Mai Đình Thế Page 16

Ti : hằng số thời gian của mạch đo dòng điện

Kcl : hằng số khuếch đại của mạch nghịch lưu

Ki : hằng số khuếch đại của mạch đo dòng điện

Khi đó hàm truyền của đối tượng điều chỉnh là

(***) Trong đó các hằng số thời gian Tcl,Ti rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ Tsd

Đặt Ts= Tcl+Ti thì công thức (***) có thể viết gần đúng như sau

Theo tiêu chuẩn tối tối ưu modul thì hàm truyền chuẩn của mạch vòng dòng điện là

Suy ra

Chọn Ts=T ta có

= ( )

Ta thấy bộ điều chỉnh dòng điện là môt khâu PI

Bằng cách tương tự ta có bộ điều chỉnh Risq cũng là một khâu PI

= ( )

Vì hằng số thời gian Ts rất nhỏ ( cỡ 10-3-10-4) nên để đơn giản ta có thể thay thế

(**) bằng phương pháp gần đúng của mạch vòng dòng điện

Vậy hàm truyền của đối tượng điều chỉnh là :

Mai Đình Thế Page 18

Đặt = 2Ts+ T

Khi đó hàm truyền của đối tượng được viết lại

Đặt

Suy ra

Trong các thiết bị công nghệ hiện nay thường yêu cầu hệ thống điều chỉnh vô sai cấp cao , do đó áp dụng chuẩn tối ưu đối xứng ta có hàm truyền chuẩn của mạch vòng tốc độ là:

= Vậy ta có

Mai Đình Thế Page 19

V.Mô phỏng trong matlab

1.Trường hợp điều khiển dưới tốc độ cơ bản

Hình 14.Sơ đồ simulink cấu trúc điều khiển động cơ IPM dưới tốc độ cơ bản

Sau 1s thì khởi động động cơ bằng cách đặt step time trong khối step là 1 Sau 3s

ta cho tải tác động vào để khảo sát đặc tính động học của hệ thống khi có nhiễu tải tác động Giá trị đặt của tốc độ dưới tốc độ cơ bản n*=1000rpm Để hạn chế dòng

sử dụng khối satulation đặt trước giá trị đặt của dòng điện

Mai Đình Thế Page 20

Hình 15 Kết quả mô phỏng dưới tốc độ cơ bản

Mai Đình Thế Page 21

Hình 16 Kết quả mô phỏng isd dưới tốc độ cơ bản

Mai Đình Thế Page 22

Hình 17 Kết quả mô phỏng isq dưới tốc độ cơ bản

2.Trường hợp điều khiển trên tốc độ cơ bản

Hình 18 Sơ đồ simulink cấu trúc điều khiển động cơ IPM dưới tốc độ cơ bản

Mai Đình Thế Page 23

Tương tự như trường hợp của dưới tốc độ cơ bản sau 1s ta bắt đầu khởi động động

cơ bằng cách cho step time trong khối step bằng 1 Sau thời gian 3s thì bắt đầu cho tải tác động

Giá trị đặt của tốc độ n*=1500rpm.Sau đây là kết quả mô phỏng

Hình 19 Kết quả mô phỏng trên tốc độ cơ bản

Mai Đình Thế Page 24

Hình 20 Kết quả mô phỏng isd trên tốc độ cơ bản

Mai Đình Thế Page 25

Hình 21 Kết quả mô phỏng isq trên tốc độ cơ bản

Nhận xét: Khi khởi động dòng tăng nhanh để tạo ra momen lớn Để hạn chế dòng

ta dùng khối saturation để hạn chế dòng lúc khởi động

Từ đồ thị nhận thấy : Kết quả điều khiển cho thấy thiết kế bộ điều khiển khá chính xác.Thời gian đáp ứng nhanh bám giá trị đặt Khi có nhiễu tải tốc độ có giảm xuống song ổn định trở lại rất nhanh bám sát giá trị đặt Tuy nhiên nhận thấy độ quá điều chỉnh khá lớn

Tuy nhiên vẫn có sai số mô hình nên khi có nhiễu tải thì giá trị tốc độ bị sụt xuống khá lớn Để chất lượng điều khiển được đảm bảo tốt hơn cần dùng bộ điều khiển theo phương pháp điều khiển tiên tiến như logic mờ

Mai Đình Thế Page 26

VI Tài liệu tham khảo

[1] Bùi Quốc Khánh ,Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi: Điều chỉnh tự động truyền động điện.NXB Khoa học và kỹ thuật,1996

[2] Bùi Quốc Khánh,Nguyễn Văn Liễn,Nguyễn Thị Hiền: Truyền động điện.NXB