tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

Mô hình trạng thái gián đoạn TTGĐ là xuất phát điểm khi thiết kế hệ thống điều khiển ĐK thời gian thực và có ý nghĩa quyết định tới chất lượng của hệ thống ĐK số Digital Control của động

M ỤC L ỤC

Trang

MỞ ĐẦU 2

1 Tớnh cấp thiết của đề tài 2

2 í nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

3 Mục đớch nghiờn cứu 2

4 Phương phỏp nghiờn cứu 3

CHƯƠNG 1 Mễ HèNH LIấN TỤC ĐỘNG CƠ KHễNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SểC TRấN HỆ TỌA ĐỘ CỐ ĐỊNH αβ VÀ HỆ TỌA ĐỘ TỰA THEO TỪ THễNG ROTOR dq 5

1.1 Vector khụng gian và cỏc đại lượng ba pha 5

1.2 Hệ phương trỡnh cơ bản của động cơ xoay chiều ba pha 16

1.3 Mụ hỡnh trạng thỏi liờn tục của động cơ khụng đồng bộ Rotor lồng súc trờn hệ toạ độ Stator cố định và hệ toạ độ đồng bộ từ thụng 22

CHƯƠNG 2 Mễ HèNH TRẠNG THÁI GIÁN ĐOẠN THÍCH HỢP VỚI ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC 35

2.1 Khỏi quỏt về phương thức mụ tả trờn khụng gian trạng thỏi 35

2.3 Mụ hỡnh trạng thỏi giỏn đoạn của động cơ khụng đồng bộ Rotor lồng súc trờn hệ tọa độ tựa từ thụng Rotor dq 48

CHƯƠNG 3 ĐẶC ĐIỂM ỔN ĐỊNH CỦA Mễ HèNH THỜI GIAN GIÁN ĐOẠN 60

3.1 Phương trỡnh đặc trưng cựng cỏc thụng số động cơ khụng đồng bộ ba pha rotor lồng súc phục vụ cho việc mụ phỏng bằng matlab & simulink 60

3.2 Khảo sỏt đặc điểm ổn định của mụ hỡnh giỏn đoạn tỡm được nhờ giỏn đoạn húa mụ hỡnh liờn tục động cơ khụng đồng bộ Rotor lồng súc trờn hệ tọa độ dq 64

3.3 Khảo sỏt đặc điểm ổn định của mụ hỡnh giỏn đoạn động cơ khụng đồng bộ Rotor lồng súc trờn hệ tọa độ dq tỡm được bằng phương phỏp chuyển hệ tọa độ cho mụ hỡnh giỏn đoạn trờn hệ αβ 86

3.4 Khảo sỏt ổn định cấu trúc động cơ theo quỹ đạo điểm cực 103

3.5 Nhận xét……… 108

KẾT LUẬN 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài.

Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc (KĐB-RLS) có kết cấu đơn giản, dễ chế

tạo, vận hành an toàn nhưng vấn đề điều khiển lại gặp rất nhiều khó khăn do động cơKĐB-RLS là một đối tượng phi tuyến phức tạp Trong những năm gần đây, điện tửcông suất và kỹ thuật vi xử lý đã có bước phát triển rất mạnh mẽ, do đó nó cho phépthực hiện phương pháp điều khiển số với khối lượng tính toán lớn, và do đó bộ điềukhiển động cơ xoay chiều đã dần thay thế bộ điều khiển động cơ một chiều trong phầnlớn những ứng dụng công nghiệp Thực hiện điều khiển số cho động cơ KĐB-RLS

được thực hiện khá thành công trong các tài liệu [1], [3], [6] Mô hình trạng thái gián

đoạn (TTGĐ) là xuất phát điểm khi thiết kế hệ thống điều khiển (ĐK) thời gian thực

và có ý nghĩa quyết định tới chất lượng của hệ thống ĐK số (Digital Control) của động

cơ KĐB Rotor lồng sóc (KĐB-RLS) Tuy nhiên các công trình đó đều chưa xét đếnđặc điểm ổn định của mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB-RLS Do đó,

“Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ không

đồng bộ rotor lồng sóc” là một đề tài mang tính cấp thiết.

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

a Ý nghĩa khoa học:

Đề tài góp phần hoàn thiện việc xây dựng và đánh giá mô hình trạng thái giánđoạn của động cơ KĐB-RLS, là cơ sở cho việc thiết kế điều khiển số động cơ KĐB-RLS

b Ý nghĩa thực tiễn:

Khảo sát đặc điểm ổn định mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB-RLS

và ứng dụng để thiết kế điều khiển số cho hệ truyền động điện động cơ xoay chiều bapha KĐB-RLS

3 Mục đích nghiên cứu.

- Nghiên cứu mô hình động cơ KĐB-RLS

- Xây dựng mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB-RLS thích hợp với điềukhiển thời gian thực

- Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình trạng thái gián đoạn

- Mô phỏng và đánh giá kết quả

4 Phương pháp nghiên cứu.

- Khảo sát phân tích các công trình đã công bố

- Nghiên cứu lý thuyết và mô hình hóa thích hợp

- Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng

Trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa hiện nay, tự động hóa các quátrình sản xuất được đặt ra như một bước quyết định để đi đến mục đích cuối cùng lànâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Truyền động điện là một môn khoa họcứng dụng các kiến thức mới nhất của lý thuyết tự động điều khiển, các tiến bộ củacông nghệ vi điện tử và vi tính đã thay đổi hẳn cách nhìn về động cơ thực hiện dùngđiện lưới xoay chiều - nhất là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc Công nghệ hiệnđại đã làm cho động cơ có tính năng cao hơn, đáp ứng được đòi hỏi mới của quá trính

tự động hóa đặt ra cho thiết bị truyền động

Việc áp dụng kỹ thuật vi xử lý tín hiệu (Digital signal Processor) đã cho phép giảiquyết các thuật toán phức tạp trong điều kiện thời gian thực với chất lượng điều khiểnrất cao Các thuật toán và mô hình được vi điều khiển xử lý, và chúng chỉ được tínhtoán ở các thời điểm gián đoạn Toàn bộ hệ thống là một hệ trích mẫu Do đó, người tathường ưu tiên đi tìm các thiết kế gián đoạn cho hệ thống điều chỉnh Có thể nói, môhình gián đoạn là xuất phát điểm khi thiết kế hệ thống điều khiển thời gian thực và có

ý nghĩa quyết định tới chất lượng của hệ thống điều khiển số sau này Đây cũng chính

là nội dung chính của luận văn này

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang, Bộ

môn Điều khiển tự động, Viện Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và cùng với

sự nỗ lực của bản thân, tôi đã hoàn thành bản luận văn :

“Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ không

đồng bộ Roto lồng sóc”

Nội dung bản luận văn đã giải quyết một số vấn đề sau:

+ Chương 1 Mô hình liên tục động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ cốđịnh stator và hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor

3

+ Chương 2 Mô hình trạng thái gián đoạn thích hợp với điều khiển thời gian thực.+ Chương 3 Đặc điểm ổn định của mô hình thời gian gián đoạn.

Do thời gian và trình độ hạn chế, bản luận văn khó tránh khỏi những sai sót và còn thậtnhiều vấn đề cần phải hoàn thiện thêm – tôi rất mong được sự đóng góp ý kiến của cácthầy cô cùng các bạn

Cuối cùng một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo hướng dẫn GS.TSKH.Nguyễn Phùng Quang, người đã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện luận văn này

CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH LIÊN TỤC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC TRÊN HỆ TỌA ĐỘ CỐ ĐỊNH αβ VÀ HỆ TỌA ĐỘ TỰA THEO

TỪ THÔNG ROTOR dq 1.1 Vector không gian và các đại lượng ba pha

1.1.1. Xây dựng vector không gian - Hệ toạ độ cố định αβ

Động cơ không đồng bộ có cấu tạo gồm hai phần chính: Phần cố định stator và phầnquay rotor Trên stator người ta đặt các cuộn dây u, v, w lệch nhau một góc 1200 điện.tor có hai loại:

i su i sv i sw

Pha W Pha V Pha U

rotor stator

Hình 1.1 Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ xoay chiều ba pha

5

Hình 1.4 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V

1.1.4 Khái quát ưu thế của việc mô tả động cơ xoay chiều ba pha trên hệ toạ độ

từ thông

Hình 1.7 Sơ đồ cơ bản của động cơ điện một chiều có kích thích độc lập

1.2.1 Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc

a, Phương trình điện áp stator

Áp dụng phương trình chuyển hệ tọa độ (1.10) ta có:

k

s k j

Hình 1.12 Mô hình trạng thái với hệ số hàm của động cơ không đồng bộ trên

hệ tọa độ αβ

1.3.2 Mô hình trạng thái liên tục của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ dq

Hình 1.13 Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trên hệ

tọa độ dq

7

Hình 1.14 Mô hình trạng thái dạng phi tuyến yếu của động cơ không đồng bộ

trên hệ tọa độ dq

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TRẠNG THÁI GIÁN ĐOẠN THÍCH HỢP VỚI ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC

2.1 Khái quát về phương thức mô tả trên không gian trạng thái

Nói chung, khi tìm cách mô tả toán học các quan hệ vật lý bên trong máy điện xoaychiều ba pha ta sẽ thu được hoặc một hệ các phương trình vi phân bậc cao, hoặc một

mô hình trạng thái có tương tác lẫn nhau giữa các biến trạng thái Đối với những hệnhư vậy, phương thức mô tả trên không gian trạng thái luôn cung cấp cho ta một cáinhìn rất minh bạch về đối tượng cũng như một xuất phát điểm thích hợp để thiết kế cáckhâu điều chỉnh, khâu quan sát

2.1.1 Mô hình trạng thái trên miền thời gian

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống trên không gian trạng thái

2.1.2 Mô hình trạng thái gián đoạn

Hình 2.2 Khái quát về một hệ trích mẫu a) Khai triển chuỗi

Theo phương pháp này Ф(k) được khai triển trực tiếp thành chuỗi lũy thừa:

A T A I

T

M m

Hình 2.3 Cấu trúc mô hình trạng thái gián đoạn của dộng cơ không đồng bộ

trên hệ tọa độ stator,biểu diễn bằng ma trận con

9

2.3 Mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc trên

hệ tọa độ tựa từ thông Rotor dq

- Mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa

độ tựa từ thông rotor dq có thể thu được do gián đoạn hóa trực tiếp mô hình liên tụccủa nó, hoặc thu được ngay sau khi chuyển hệ tọa độ cho mô hình gián đoạn hệ αβsang hệ tọa độ dq Giữa hai phương pháp có những điểm khác biệt nhất định Do đóphạm vi ổn định cũng khác nhau Ngay dưới đây,chúng ta sẽ tìm mô hình gián đoạncủa động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trên hệ dq trong cả hai trường hợp để tìm ra

sự khác nhau giữa chúng

2.3.1 Phương pháp gián đoạn hóa trực tiếp mô hình trạng thái liên tục của động

cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ tựa từ thông rotor dq

Trong phần mở đầu của mục này ta đã biết: đối với các hệ TĐĐXCBP hiện đại với tần

số băm xung fx và tần số trích mẫu 1/T cao, điều kiện trên có thể coi là thỏa mãn Nếuthực hiện tích phân lặp mô hình (1.57) ta thu được mô hình trạng thái tương đương sauđây của động cơ không đồng bộ

Hình 2.5 Cấu trúc mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ không đồng bộ trên hệ

tọa độ từ thông rotor,biểu diễn bằng các ma trận con

Hình 2.6 Cấu trúc mô hình đối tượng dòng stator (a) và có mô hình i-ω của từ thôngω của từ thông

rotor (b) của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ dq

11

Hình 2.7 Mô hình trạng thái gián đoạn động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq

Hình 2.8 Mô hình trạng thái gián đoạn mới của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq

13

CHƯƠNG 3 ĐẶC ĐIỂM ỔN ĐỊNH CỦA MÔ HÌNH THỜI GIAN GIÁN ĐOẠN

3.1 Phương trình đặc trưng cùng các thông số động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc phục vụ cho việc mô phỏng bằng matlab & simulink

3.1.1 Tổng hợp hệ thống dùng phần mềm Matlab

3.1.2 Phương trình đặc trưng và các thông số động cơ

a, Các thông số định mức của động cơ:

Với các thông số sau:

n z f





12 , 25

sdN rn

sqN

I T

.





08 , 0 0796 ,

sdn

I

U I

I X

3 100

f

X L

2



218 , 0

sN h

I

U X



S

h m

f

X L



9, Hệ số điện cảm toàn phần rotor:

218 , 0





s

s s

218 , 0

3.2 Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình gián đoạn tìm được nhờ gián đoạn hóa mô hình liên tục động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq

3.2.1 Ảnh hưởng của chu kỳ trích mẫu tới tính ổn định của mô hình

+ Khi chọn T = 500 μs:

b

a

Hình 3.2 Vị trí điểm cực (a) và đáp ứng bước nhảy của hệ thống (b) khi

Hình 3.12 Vị trí điểm cực (a) và đáp ứng bước nhảy của hệ thống (b) khi

R r = 4,25 (Ω) , R) , R s = 7 (Ω) , R)

b

a

Hình 3.13 Vị trí điểm cực (a) và đáp ứng bước nhảy của hệ thống (b) khi

Tương tự, ta khảo sát sự biến thiên của Rr với giá trị Rs = 3,3 (Ω) Kết quả cho thấy với

Rr < 6 (Ω) mô hình trạng thái gián đoạn hoàn toàn ổn định

Thử lại với Rr = 2 (Ω) , Rs = 3,3 (Ω) ta có vị trí điểm cực và đáp ứng bước nhảy của

hệ thống như hình 3.7, mô hình ổn định Hình 3.8 so sánh tính ổn định của mô hìnhkhi ta biến thiên Rr = 2 (Ω) đến Rr = 5 (Ω) Rõ ràng Rr biến thiên càng nhỏ đi trongkhi giữ cố định Rs thì chất lượng hệ thống càng tốt hơn

a

b

Hình 3.14 Vị trí điểm cực (a) và đáp ứng bước nhảy của hệ thống (b) khi

R r = 5 (Ω) , R) và R r = 2 (Ω) , R)

3.2.3 Ảnh hưởng của tần số công tác đến tính ổn định của mô hình

+ Với giá trị đặt ωs = 120πf, 100πf, 80πf, ta có vị trí điểm cực và bước nhảy của hệ thốnglần lượt như trên hình 3.9, hình 3.10, và hình 3.11 Hệ thống hoàn toàn ổn định

Hình 3.16 Vị trí điểm cực (a) và đáp ứng bước nhảy của hệ thống (b) khi

b

a

a

b

Hình 3.17 Vị trí điểm cực (a) và đáp ứng bước nhảy của hệ thống (b) khi

a

b

Hình 3.18 Vị trí điểm cực (a) và đáp ứng bước nhảy của hệ thống (b) khi

3.3 Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình gián đoạn động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq tìm được bằng phương pháp chuyển hệ tọa độ cho mô hình gián đoạn trên hệ αβ

Sử dụng công cụ Matlab,ta giữ nguyên tất cả các thông số và chỉ thay đổi 1 thông sốbất kỳ như T,Rs,Rr ta thu được kết quả sau:

+T=500μss

Hình 3.19 Vị trí điểm cực (a) và đáp ứng bước nhảy của hệ thống (b) khi

Hình 3.28 Vị trí điểm cực (a) và đáp ứng bước nhảy của hệ thống (b) khi

T = 50 μss

Thử lại với ωs=150πf (rad/s), ωs=120πf (rad/s) và 100πf (rad/s) ta có vị trí điểmcực và đáp ứng bước nhảy của hệ thống lần lượt như hình 3.15, hình 3.16 vàhình 3.17 mô hình hoàn toàn ổn định Hình 3.18 so sánh tính ổn định của môhình khi ωs thay đổi từ ωs=100πf (rad/s) đến 150πf (rad/s)

Hình 3.29 Vị trí điểm cực (a) và đáp ứng bước nhảy của hệ thống (b) khi

29

a

b

Hình 3.30 Vị trí điểm cực (a) và đáp ứng bước nhảy của hệ thống (b) khi

b

a

Hình 3.31 Vị trí điểm cực (a) và đáp ứng bước nhảy của hệ thống (b) khi

31

a

b

Hình 3.32 Vị trí điểm cực (a) và đáp ứng bước nhảy của hệ thống (b) khi

a

b

Thử lại với Rs = 7 (Ω), mô hình hoàn toàn ổn định Ta có vị trí điểm cực và đáp ứngbước nhảy như hình 3.19 Hình 3.20 thể hiện sự so sánh khi biến thiên Rs = 2 (Ω)đến Rs = 7 (Ω).

Hình 3.33 Vị trí điểm cực (a) và đáp ứng bước nhảy của hệ thống (b) khi

Rs = 7 (Ω)

33

a

b

Hình 3.34 Vị trí điểm cực (a) và đáp ứng bước nhảy của hệ thống (b) khi

Rs = 2 (Ω) và Rs = 7 (Ω)

Thử lại với Rr = 10 (Ω), mô hình hoàn toàn ổn định Ta có vị trí điểm cực và đápứng bước nhảy như hình 3.21 Hình 3.22 thể hiện sự so sánh khi biến thiên Rr = 2(Ω) đến R = 10 (Ω)

a

b

Hình 3.35 Vị trí điểm cực (a) và đáp ứng bước nhảy của hệ thống (b) khi

Rr = 10 (Ω)

35

a

b

Hình 3.36 Vị trí điểm cực (a) và đáp ứng bước nhảy của hệ thống (b) khi

Rr = 2 (Ω) và Rr = 10 (Ω)a

b

3.4 Khảo sát ổn định cấu trúc động cơ theo quỹ đạo diểm cực

/T

0.1/T 0.2/T 0.3/T 0.4/T 0.5/T 0.6/T 0.7/T 0.8/T 0.9/T

/T

0.1 0.2 0.3 0.4 0.6 0.8

QS, chất lượng hệ thống cũng tốt hơn như đã khảo sát ở trên Trong các thành phầncủa ma trận chuyển trạng thái Φ xuất hiện các hàm lượng giác sin(ωsT) hoặc cos(ωsT)(ví dụ ωsT sin(ωsT)) Phương pháp này có hiệu quả đặc biệt đối với các hệ truyềnđộng cao tốc (truyền động ly tâm,bơm chân không,máy mài cao tốc…)

Nhìn chung, độ ổn định của mô hình phụ thuộc nhiều vào việc chọn T Chu kỳ tríchmẫu T càng nhỏ, phạm vi ổn định cũng như dải tần số công tác ổn định, sự biến thiêncác tham số động cơ (điện trở, điện cảm) sẽ càng lớn Tuy nhiên khi T càng nhỏ sẽ làmcho năng suất tính toán tăng lên dẫn đến đầu tư về phần cứng lớn Vì lý do ấy, người

kỹ sư thiết kế sẽ phải đưa ra được một sự lựa chọn dung hòa giữa phạm vi ổn định cầnlớn và năng suất tính toán tăng lên (do T bé đi)

37

Đồ án mới dừng lại ở việc khảo sát tính ổn định của mô hình phụ thuộc vào các tham

số mà chưa thiết kế bộ điều khiển số cho động cơ Trên cơ sở độ ổn định đó và yêu cầuchất lượng cụ thể của hệ thống, ta có thể thiết kế bộ điều khiển số cho vi xử lý với đốitượng là mô hình động cơ vừa xây dựng, các khối điều chỉnh dòng, điều chỉnh từthông, bộ điều chỉnh tốc độ… và khảo sát

KẾT LUẬN

Như vậy, trên đây tôi đã hoàn thành xong đề tài mà mình đã nghiên cứu Đề tài:

“Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc” Luận văn đã giải quyết được các vấn đề sau:

Ở chương 1 ta đã thiết lập được mô hình động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trên cảhai hệ tọa độ đó là hệ tọa độ cố định Stator và hệ tọa độ tựa theo từ thông Rotor Sangchương 2 ta thiết lập được mô hình trạng thái gián đoạn trên hệ tọa độ tựa theo từthông Rotor thích hợp với điều khiển thời gian thực của động cơ không đồng bộ Rotorlồng sóc qua hai con đường Hướng đi thứ nhất đó là ta thực hiện việc gián đoạn hóatrực tiếp mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ dq mà ta đã thiếtlập ở chương 1 Con đường thứ hai ta gián đoạn hóa trước khi thực hiện chuyển hệ tọa

độ đối với mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ cố định Stator.Sau khi đã có được mô hình gián đoạn trên hệ tọa độ tựa theo từ thông Rotor bằng cảhai con đường, ta bắt đầu đi khảo sát đặc điểm ổn định của hai mô hình thời gian giánđoạn đó, với việc thay đổi các thông số là chu kỳ trích mẫu T, tần số làm việc và điệntrở Stator và Rotor Đây chính là nội dung chính ở chương 3, sau khi đã khảo sát tathấy rằng mô hình gián đoạn trên hệ tọa độ dq thu được bằng cách chuyển hệ tọa độ