Tham số của động cơ điện IPM

Với những ưu điểm vượt trội so với các động cơ khác cùng với việc sử dụng cấu trúc điều khiển hiện đại thì động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu được sử dụng nhiều trong các hệ t

Nguyễn Minh Khuê-MSSV 20112613

VIỆN ĐIỆN

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP



ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Tạ Cao Minh Sinh viên thực hiện : Nguyễn Minh Khuê Lớp : ĐK&TĐH 2-K56 MSSV : 20112613

Hà Nội - 2015

Nguyễn Minh Khuê-MSSV 20112613

Mục lục

Lời nói đầu 1

Đề bài: 2

Tham số của động cơ điện IPM: 3

Chương 1: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ IPM 4

1.1 Cấu tạo của động cơ IPM 4

1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ IPM 5

Chương 2: Thuyết minh nguyên lý làm việc của hệ truyền động động cơ IPM bằng phương pháp vector 6

2.1 Chuyển tọa độ abc sang dq 6

2.2 Thuyết minh nguyên lý làm việc của hệ truyền động động cơ IPM điều khiển bằng phương pháp vector 7

2.2.1 Điều khiển vecto với Ids=0 7

2.2.2 Điều khiển vecto Ids ≠ 0 với tỉ số s M I cực đại 8

Chương 3: Mô hình hóa hệ truyền động bằng phương pháp hàm truyền 9

3.1 Hệ phương trình cơ bản của động cơ 9

3.2 Tính toán các hàm truyền bộ biến đổi và các cảm biến 10

Chương 4: Xây dựng cấu hình điều khiển và tính toán bộ điều khiển dòng điện, tốc độ 12

4.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện 12

4.2 Thiết kế mạch vòng tốc độ 14

5 Mô phỏng và kiểm nghiệm mô hình bằng Matlab và Simulink 16

Tổng kết 20

Tài liệu tham khảo 21

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 1

Lời nói đầu

Những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, vi xử

lý, công nghệ bán dẫn và kĩ thuật điều khiển đã tạo sự chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho giải pháp tự động hóa công nghiệp Nhiều phương pháp điều khiển hiện đại được đề xuất cho việc điều khiển các hệ truyền động

Và những năm gần đây, phương pháp điều khiển động cơ sử dụng điều khiển vector (vector control) đặc biệt được quan tâm Với những ưu điểm vượt trội so với các động

cơ khác cùng với việc sử dụng cấu trúc điều khiển hiện đại thì động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu được sử dụng nhiều trong các hệ truyền động yêu cầu chính xác về vị trí và tốc độ và đặc biệt có ưu thế tuyệt đối trong ứng dụng điều khiển oto điện

Trong đồ án này, chúng em sẽ xây dựng cấu trúc hệ điều khiển với 2 mạch vòng dòng điện và tốc độ dùng phương pháp vetor và mô phỏng hệ điều khiển trong Simulink

Chúng em xin chân thành cảm ơn !!!

Hà Nội, tháng 5 năm 2015

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 2

Đề bài:

Cho thông số động cơ IPM

1 Hãy xác định các tham số của động cơ truyền động

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

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

4 Xây dựng cấu hình điều khiển với 2 mạch vòng (dòng điện, tốc độ)

5 Mô phỏng hệ truyền động trong Simulink, lấy các đặc tính điều khiển (tốc độ, dòng điện) vùng dưới tốc độ cơ bản

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 3

Tham số của động cơ điện IPM:

Công suất lớn nhất (kW) 80

Tốc độ quay lớn nhất (rpm) 11000 Dòng điện lớn nhất (A) 400 Công suất định mức (kW) 40

Tốc độ định mức (rpm) 2600 Dòng điện định mức (A) 216

Tần số đóng cắt (kHz) 8 Điện cảm trục d (Ld) [H] 375 Điện cảm trục q (Lq) [H] 835 Điện trở stator (Rs) [mΩ] 29,5 Momen quán tính(Kg.m2) 0,1

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 4

Chương 1: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ IPM

1.1 Cấu tạo của động cơ IPM

Động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu (ĐB NCVC) có rotor là NCVC và dây quấn 3 pha ở stator Trong động cơ đồng bộ NCVC thường kèm theo các cảm biến vị trí và cảm biến tốc độ được sử dụng cho hệ truyền động servo ĐBNCVC thường được cấp hoặc điều khiển từ một bộ biến tần nguồn áp hoặc nguồn dòng với điều khiển tần số và điện áp theo quy luật yêu cầu

Hình 1.1: Cấu tạo của động cơ đồng bộ NCVC cực từ bố trí mặt ngoài và cưc chìm bên

trong( SPM và IPM)

Động cơ IPM ( Interior Permanent Magnet), còn gọi là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm, thuộc loại động cơ đồng bộ ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu Trong đó phần cảm được kích thích bằng những phiến nam châm bố trí dưới bề mặt rotor Các thanh nam châm thường được làm bằng đất hiếm, là các nam châm có hiệu suất năng lượng cao và giảm tối đa hiệu ứng khử từ Rotor của động cơ IPM thường làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối trụ sau đó gia công phay rãnh để đặt các thanh nam châm Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor thì có thể đạt được cấu trúc cơ học bền vững hơn, kiểu này thường được sử dụng trong các động cơ cao tốc Tốc độ loại này thường cao nên để hạn chế lực li tâm rotor thường có dạng hình trống với tỉ số “chiều dài/đường kính” lớn

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 5

1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ IPM

ĐBNCVC làm việc dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay của cuộn stator và từ trường của NCVC đặt trên roto tạo nên Khi số đôi cực của từ trường stator và rotor như nhau, vận tốc quay của các từ trường bằng nhau, thì xuất hiện lực kéo điện từ giữa các cực từ của stator

và rotor và hình thành momen điện từ Động cơ khởi động dưới tác dụng của momen không đồng bộ hình thành do sự tương tác giữa từ trường rotor và dòng điện trong dây quấn stator Khi đạt tới tốc độ gần đồng bộ nhờ tác dụng từ trường quay stator và cực từ nam châm vĩnh cửu, rotor được kéo vào đồng bộ

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 6

Chương 2: Thuyết minh nguyên lý làm việc của hệ truyền động động cơ

IPM bằng phương pháp vector

2.1 Chuyển tọa độ abc sang dq

Tại sao cần chuyển hệ tọa độ abc sang dq?

Khó khăn trong điều khiển động cơ IPM là số phương trình mô tả động cơ là 10 phương

trình do vậy việc mô hình hóa và điều khiển động cơ trở lên khó khăn, chính vì vậy ta cần

qui đổi hệ tọa độ của động cơ về một hệ tọa độ mà ở đó việc mô hình động cơ được đơn giản

hóa

Hệ tọa độ dq ra đời để giải quyết vấn đề trên

Hình 2.1 Dạng dòng điện và điện áp chuyển từ hệ tọa độ abc sang dq

I quay làm I I I a, b, c thay đổi

Xét trong hệ tọa độ quay dq :

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 7

Vì vậy nếu xây dựng động cơ IPM trong hệ tọa độ quay dq thì số phương trình mô tả động

Do cấu tạo của roto mà ở trong động cơ IPM Lq>Ld (không đẳng hướng)

2.2.1 Điều khiển vecto với I ds =0

Điều khiển tốc độ ở vùng dưới tốc độ cơ bản, ta đặt dòng điện Id = 0

1

3

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 8

Việc điều khiển tốc độ động cơ vùng dưới tốc độ cơ bản (Id = 0) chính là việc điều khiển dòng điện Iq

2.2.2 Điều khiển vecto I ds ≠ 0 với tỉ số

M  p L L I I để tăng momen điện từ M = M1+M2 cho động cơ

Chiến lược điều khiển MPPA (Maximum Torque per Ampere)

Tối ưu tỉ số:

s

M I

Tìm hàm tối ưu M=f(id, iq) thỏa mãn 2 phương trình :

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 9

Chương 3: Mô hình hóa hệ truyền động bằng phương pháp hàm truyền

3.1 Hệ phương trình cơ bản của động cơ

Do luôn tồn tại hướng xác định của từ thông rotor ( từ thông cực) nên đối với động cơ đồng

bộ ta chỉ sử dụng phương thức mô tả toán học thu được trên cơ sở các quan sát từ hệ trục tọa

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 10

Ta có mô hình động cơ đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu

Hình 3 2 Mô hình động cơ IPM trên hệ trục tọa độ quay dq

Nhận xét:

Mô hình phi tuyến do thay đổi  trong quá trình làm việc

Có sự xen kênh giữa 2 thành phần i sdvà i sq

Chúng ta cần xây dựng bộ điều khiển tách kênh khử sự tương tác giữa 2 dòng điện trên

3.2 Tính toán các hàm truyền bộ biến đổi và các cảm biến

Hàm truyền bộ biến đổi

240

24 10

T  (bao gồm hằng số thời gian phát xung và bộ nghịch lưu)

Hàm truyền bộ biến đổi là: ( ) 24

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 11

Hàm truyền động cơ truyền động

Hàm truyền động cơ: ( ) 1/

1

s d

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 12

Chương 4: Xây dựng cấu hình điều khiển và tính toán bộ điều khiển dòng điện, tốc độ

Hình 4 1.Câu trúc hệ truyền động động cơ IPM

4.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện

Theo mô hình động cơ đã đưa ra ở trên, ta có cấu trúc hàm truyền của đối tượng dòng điện động cơ như sau

Hình 4 3 Mô hình dòng điện động cơ IPM

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 13

Do hằng số thời gian của khâu nghịch lưu và khâu đo dòng là rất nhỏ, ta có thể thiết kế bộ điều khiển dòng điện và bộ bù xen kênh để điều khiển cũng như triệt tiêu ảnh hưởng của xen kênh như sau

Hình 4 4 Mô hình mạch vòng điều khiển dòng điện

Như vậy, ta đã triệt tiêu được tương tác giữa isd và isq đảm bảo điều khiển độc lạp hai đối tượng trên giống như ở động cơ một chiều kích từ độc lập

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 14

R

T s R

R

T s R

Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta coi toàn bộ mạch vòng dòng điện là hàm theo chuẩn tối

ưu module và coi thành phần Ws.Ls là nhiễu nên ta có được mạch vòng điều khiển tốc độ như sau

Hình 4 5.Cấu trúc mạch vòng tốc độ của động cơ IPM

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 15

s T s Js R

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 16

5 Mô phỏng và kiểm nghiệm mô hình bằng Matlab và Simulink

Mô hình mạch vòng điều khiển tốc độ và dòng điện của động cơ IPM như sau

Hình 5 2 Mô hình cấu trúc hai mạch vòng điều khiển động cơ IPM

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 17

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 18

Hình 5 4 Dòng Isq

Hình 5 5 Tốc độ quay

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 19

Hình 5 6 Momen động cơ và Momen tải

Nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng

- Dòng điện đáp ứng đúng tính toán, không bị ảnh hưởng tác động lẫn nhau giữa 2 dòng

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 20

và góp ý của thầy cô để đồ án được hoàn chỉnh hơn

Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 21

Tài liệu tham khảo

[1] Nguyễn Phùng Quang, Matlab Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động, NXB Khoa

[4] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính,NXB khoa học kỹ thuật

[5] Nguyễn Phùng Quang, Điều chỉnh tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, NXB

Giáo Dục 1998

[6] Nguyễn Phùng Quang, Truyền động điện thông minh, NXB Khoa Học và Kĩ thuật 2006 [7] Tạ Cao Minh, Bài giảng truyền động điện, Tháng 8/2013