thiết kế và thi công mô hình điều khiển công suất tác dụng

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 1.2.1 Mục tiêu - Tìm ra phương pháp ổn định công suất tác dụng tối ưu nhất để từ đó áp dụng vào điều kiện thực tiễn - Tìm hiểu sâu hơn về các đại lư

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TÁC DỤNG

Tp Hồ Chí Minh, 2010

S 0 9

S KC 0 0 2 8 1 6

MÃ SỐ: SV2009 - 72

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN

CÔNG SUẤT TÁC DỤNG

MÃ SỐ: SV2009-72

THUỘC NHÓM NGÀNH: KHOA HỌC KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH 2 – 2010

Em xin được gởi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong khoa điện-điện tử cùng toàn thể các thầy cô giáo trong nhà trường đã truyền đạt cho em nhưng kiến thức và kinh nghiệm quí báu trong thời gian học tập vừa qua

Em xin được gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy TRƯƠNG VIỆT ANH

đã hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành đề tài này

Nhóm sinh viên thực hiện Đào Đình Mạnh 06102051

Võ Quang Chương 06102189

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Mục lục

Trang

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn i

Nhận xét của giáo viên phản biện ii

Mục lục iii

Chương 1 1

1.1 Tính cần thiết của việc ổn định công suất tác dụng 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 1

1.3 Phạm vi nghiên cứu 1

1.4 Bố cục 2

Chương 2 3

2.1 Các phương pháp điều khiển 3

2.2 Phân tích ưu và nhược điểm phần chọn lựa 3

2.3 Bình luận phương pháp 4

Chương 3 6

3.1 Mô hình thí nghiệm 6

3.2 Phương pháp điều khiển 6

3.3 Giới thiệu các phần tử trong bộ thí nghiệm 13

3.4 Thuật toán điều khiển 20

3.5 Mô hình thực tế 21

Chương 4

4.1 Kết luận 26

4.2 Hướng phát triển đề tài 26

Tài liệu tham khảo 27

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Tính cần thiết của việc ổn định công suất tác dụng

Hệ thống điện Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển do có sự gia tăng về việc xây dựng các nhà máy và đường dây truyền tải mới Để đáp ứng nhu cầu tăng cao của phụ tải, các nhà máy điện không ngừng được xây dựng và đưa vào vận hành trong những năm tới Việc nghiên cứu ổn định công suất tác dụng có ý nghĩa lớn đến việc giữ vững tính ổn định của hệ thống điện Việt Nam

Do đó, việc tìm hiểu và nghiên cứu nhằm tìm ra phương thức để điều khiển công suất tác dụng là một vấn đề rất cần thiết

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

1.2.1 Mục tiêu

- Tìm ra phương pháp ổn định công suất tác dụng tối ưu nhất để từ đó áp dụng vào điều kiện thực tiễn

- Tìm hiểu sâu hơn về các đại lượng trong cơ cấu máy phát điện

- Tìm hiểu các phương pháp ổn định công suất tác dụng

- Tìm hiểu về biến tần, động cơ, máy phát

- Điều khiển tốc độ động cơ bằng biến tần

Gồm 3 phần chính:

 Tìm hiểu lý thuyết

 Thi công mô hình

 Thí nghiệm mô hình

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 2.1 Các phương pháp điều khiển

Việc điều chỉnh P của nhà máy phát điện thường thơng qua việc điều chỉnh lưu lượng nước chảy vào tuabin và cánh nhận nước của tuabin tức làm thay đổi tốc độ của tuabin Như vậy ở phạm vi đề tài này thì tương ứng với việc điều chỉnh tốc độ động cơ sơ cấp, cụ thể là động cơ 3 pha KĐB rotor lồng sĩc

Đối với động cơ khơng đồng bộ 3 pha việc điều chỉnh tốc độ động cơ cĩ thể thực hiện được theo một số phương pháp sau:

- Phương pháp 1 : thay đổi điện trở phụ mạch RoTo(loại dây quấn)

- Phương pháp 2 : thay đổi số đơi cực từ

- Phương pháp 3 : cuộn kháng bão hịa

- Phương pháp 4 : thay đổi điện áp

- Phương pháp 5 : thay đổi tần số

- Phương pháp 6 : nối tầng

Nhưng việc sử dụng các phương pháp trên đều làm thay đổi đường đặc tuyến của động cơ làm động cơ giảm đi cơng suất vốn cĩ của nĩ Chính vì vậy BIẾN TẦN là một phương pháp hữu hiệu để thay đổi tốc độ động cơ mà khơng làm thay đổi đường đặc tính của động cơ Ngồi ra việc sử dụng biến tần kết hợp PLC sẽ làm cho việc điều khiển tốc độ động cơ trở nên dễ dàng hơn, đơn giản hơn, và tiện nghi hơn

Với sự phát triển của cơng nghệ thì chúng ta cĩ thể mơ phỏng cũng như giám sát và điều chỉnh qua mạng việc thay đổi tốc độ động cơ từ đĩ cĩ phương pháp tối ưu cho việc điều khiển

Để điều chỉnh tốc độ một cách chính xác cần phải thực hiện hồi tiếp tín hiệu về so sánh với tín hiệu vào và ra sẽ được gởi đến bộ điều khiển hiệu chỉnh đầu ra Hệ thống điều khiển hồi tiếp có nhiều ưu điểm nên thường được thấy trong các hệ thống tự động

2.2 Phân tích ưu và nhược điểm phần chọn lựa

Thơng qua các phương pháp điều khiển trên, sau quá trình tìm hiểu và nghiên cứu thì phương pháp điều khiển tối ưu nhất là phương pháp thay đổi tần số của động cơ sơ cấp bằng biến tần

Ưu điểm của Biến Tần

- Cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều

- Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng biến tần có kết cấu đơn giản, làm việc được trong nhiều môi trường khác nhau

- Khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng

- Có khả năng đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau

- Các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc (dệt, băng tải )

- Các thiết bị đơn lẻ yêu cầu tốc độ làm việc cao (máy li tâm, máy mài )

- Hiệu suất làm việc của máy cao;

- Quá trình khởi động và dừng động cơ rất êm dịu nên giúp cho tuổi thọ của động

cơ và các cơ cấu cơ khí dài hơn;

- An toàn, tiện lợi và việc bảo dưỡng cũng ít hơn do vậy đã giảm bớt số nhân công phục vụ và vận hành máy

- Tiết kiệm điện năng ở mức tối đa trong quá trình khởi động và vận hành

Khuyết điểm của Biến tần:

- Tùy theo ứng dụng mà lựa chọn bộ biến tần cho phù hợp

- Bên trong bộ biến tần là các linh kiện điện tử bán dẫn nên rất nhậy cảm với điều kiện môi trường, mà Việt Nam có khí hậu nóng ẩm nên khi lựa chọn phải chắc chắn rằng bộ biến tần đã chọn đã được nhiệt đới hoá, phù hợp với môi trường khí hậu Việt Nam

- Phải đảm bảo điều kiện môi trường lắp đặt như nhiệt độ, độ ẩm, vị trí

Điều cần lưu ý khi sử dụng bị biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ:

Như đã nêu ở trên, ở đầu ra của biến tần chỉ có dòng điện là hình sin nhưng điện áp không phải là hình sin mà có dạng chuỗi xung vuông điều biên nối tiếp nhau Nếu khoảng cách nối dây cáp điện giữa động cơ và biến tần đủ lớn sẽ xẩy ra hiện tượng quá điện áp (do hiện tượng phản xạ sóng điện áp), có thể dẫn đến lão hóa cách điện cuộn dây stato, giảm tuổi thọ thậm chí làm hỏng động cơ Vì vậy, khi lắp ráp phải chú ý sao cho dây cáp càng ngắn càng tốt, đặc biệt đối với động cơ công suất vừa và nhỏ (thường có trở kháng đáp ứng xung lớn hơn so với trở kháng đáp ứng xung của cáp nối)

2.3 Bình luận phương pháp

Hệ thống truyền động điện cho máy công tác hoặc các dây chuyền sản xuất phục vụ sản xuất nông nghiệp đã sử dụng phổ biến động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ loại roto lồng sóc hay còn gọi là động cơ cảm ứng So với các loại động cơ điện khác (động cơ điện đồng bộ, động cơ điện một chiều) thì động cơ không đồng bộ có nhiều ưu việt như: kết cấu đơn giản, dễ sử dụng, độ bền cao, giá đầu tư thấp Nhưng nếu sử dụng

thiết bị để điều khiển loại đơn giản thì động cơ không đồng bộ lại tồn tại một số nhược điểm như:

 Dòng điện khởi động rất lớn, gấp 4-6 lần dòng điện định mức của động cơ, thậm chí còn cao hơn đặc biệt ở những máy luôn có tải thường trực như máy bơm nước, quạt ly tâm, máy nén khí, băng tải, máy nghiền búa Điều này đã gây ảnh hưởng xấu tới những máy khác đang vận hành đồng thời và giảm tuổi thọ động cơ điện

 Tốc độ vòng quay của động cơ điện cảm ứng chỉ được điều khiển theo từng cấp (hữu cấp); thông thường mỗi động cơ chỉ thay đổi được một trong các dãy tốc độ đồng bộ như: 3.000 - 1.500vg/ph; 1.500 - 1.000vg/ph và 1.000 - 750 vg/ph, trong khi có những công nghệ sản xuất yêu cầu hệ thống truyền động cần được điều khiển tốc độ liên tục (vô cấp) theo mô men và phụ tải thay đổi nên hệ truyền động điện trên không có khả năng đáp ứng

Do sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật vi điện tử và điện tử công suất nên ngày càng có nhiều loại thiết bị điều khiển động cơ điện không đồng bộ với các chức năng hoàn hảo

(thuận tiện trong sử dụng, an toàn và có khả năng tiết kiệm điện tối đa) mà “biến tần AC

” là một điển hình Biến tần là bộ nguồn bán dẫn điều khiển kết hợp với động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha để thực hiện khởi động/dừng và điều chỉnh chính xác số vòng quay động cơ theo yêu cầu công nghệ Có nhiều loại biến tần được thiết kế phù hợp với dẫy động cơ công suất từ rất nhỏ (vài trăm Woat) đến hàng 100kW

Với tính năng vượt trội của biến tần, ngoài việc cải thiện khả năng điều khiển của hệ thống máy còn đem lại hiệu quả tiết kiệm điện năng ở những máy có tải biến đổi theo tốc

độ Với sự phát triển của ngành điện – tự động hóa trong công nghiệp, hy vọng hệ thống điều khiển tiên tiến và hiện đại dần dần sẽ được sử dụng ngày càng nhiều trong sản xuất

để góp phần tiết kiệm tài nguyên cho đất nước

Chương 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH

BIẾN TẦN ĐC SƠ CẤP MÁY

Hình 3.1 sơ đồ khối mô hình thí nghiệm

3.2 Phương pháp điều khiển

Thông qua các phương pháp điều khiển trên, sau quá trình tìm hiểu và nghiên cứu thì phương pháp điều khiển tối ưu nhất là phương pháp thay đổi tần số của động

cơ sơ cấp bằng biến tần sử dụng thuật toán điều khiển PID vòng kín

Được sử dụng hầu hết trong các biến tần hiện nay Tốc độ của ĐCKĐB tỉ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp Do đó, nếu thay đổi tần số của nguồn cung cấp cho động cơ thì cũng sẽ thay đổi được tốc độ đồng bộ, và tương ứng là tốc độ của động

cơ

Tuy nhiên, nếu chỉ thay đổi tần số mà vẫn giữ nguyên biên độ nguồn cung cấp cho động cơ sẽ làm cho mạch từ của động cơ bị bão hòa Điều này dẫn đến dòng từ hóa tăng, méo dạng điện áp vì dòng điện cung cấp cho động cơ gây ra tổn hao lõi

từ, tổn hao đồng trong dây quấn Stator Ngược lại, nếu từ thông giảm dưới định mức sẽ làm giảm khả năng mang tải của động cơ

Vì vậy, khi giảm tần số nguồn cung cấp cho động cơ nhỏ hơn tần số định mức thường đòi hỏi phải giảm điện áp V cung cấp cho động cơ sao cho từ thông trong khe hở không khí được giữ không đổi.Khi động cơ làm việc với tần số cung cấp

lớn hơn tần số định mức, thường giữ điện áp cung cấp không đổi và bằng định mức, do giới hạn về cách điện stator hoặc điện áp nguồn

Phương pháp E/f:

Ta có công thức sau:

Với f - tần số làm việc của động cơ, fđm - tần số định mức của động cơ

Giả sử động cơ hoạt động dưới tần số định mức (a<1) Từ thông động cơ được giữ

ở giá trị không đổi Do từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng từ hóa của động

cơ, nên từ thông được giữ không đổi khi dòng từ hóa được giữ không đổi tại mọi điểm làm việc của động cơ

Ta có phương trình tính dòng từ hóa tại điểm làm việc định mức như sau:

Với Lm là điện cảm mạch từ hóa

Tại tần số làm việc f:

Từ 2 phương trình trên suy ra điều kiện để dòng điện từ hóa không đổi:

Như vậy từ thông động cơ được giữ không đổi khi tỉ lệ E/f được giữ không đổi (E/f = const)

Phương pháp V/f:

Tuy nhiên trong thực tế, việc giữ từ thông không đổi đòi hỏi mạch điều khiển rất phức tạp Nếu bỏ qua sụt áp trên điện trở và điện kháng tản mạch stator, ta có thể xem như U ≈ E

Khi đó nguyên tắc điều khiển E/f=const được thay bằng phương pháp V/f=const Trong phương pháp V/f=const (gọi ngắn là V/f), như đã trình bày ở trên thì tỉ số V/f được giữ không đổi và bằng giá trị tỉ số này ở định mức.Cần lưu ý là khi

moment tải tăng , dòng động cơ tăng làm gia tăng sụt áp trên điện trở Stator dẩn đến E giảm, có nghĩa là từ thông động cơ giảm.Do đó động cơ không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi

Với điều kiện năng lực quá tải không đổi có thể tìm ra được quan hệ giữa điện áp

U1, tần số f1 và momen M trong công thức về momen cực đại khi bỏ qua điện trở

r1 thì momen cực đại có thể viết thành :

Trong đó C là một hằng số:

Hình 3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn điện

a, sơ đồ khối; b, đặc tính cơ U 1 /f không đổi

giả thiết U1’ và M’ là điện áp và momen lúc tần số f1’, căn cứ vào điều kiện năng lực quá tải không đổi ,ta có:

Trong thực tế ứng dụng thường yêu cầu momen không đổi nên ta có:

Trường hợp yêu cầu công suất Pcơ không đổi,nghĩa là momen tỉ lệ nghịch với tần

số nên ta có :

Thế vào trên ta được:

Tĩm lại khi thay đổi tần số f1 ta phải đồng thời thay đổi U1 đưa vào động cơ

Sau đây là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số trong phương pháp điều khiển V/f=const

Hình 3.3 quan hệ giữa moment và điện áp

Việc sử dụng Biến tần LS SV-iG5A cĩ tích hợp sẵn bộ điều khiển PID trong đĩ

để thay đổi tần số đưa vào động cơ sơ cấp theo luật U/f sẽ giải quyết được vấn đề

mà đề tài này đề cập, để điều khiển ổn định P ta chỉ việc xác định các thơng số KP

TI TD rồi nhập vào biến tần hoặc sử dụng chức năng auto turning của biến tần Phương pháp Zeigler-Nichols xác định thơng số cho PID:

Phương pháp Zeigler-Nichols là phương pháp thực nghiệm để thiết kế bộ điều khiển P, PI, hoặc PID bằng cách dựa vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển Bộ điều khiển PID cần thiết kế có hàm truyền là:

Zeigler và Nichols đưa ra hai cách chọn thông số bộ điều khiển PID tùy theo đặc điểm của đối tượng

Cách 1: Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ hở, áp dụng cho các đối

tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S như hình

3.2.1, ví dụ như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, …

Hình 3.4 Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S

Thông số bộ điều khiển P, PI, PID được chọn như sau:

Ví dụ 1 Hãy thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển nhiệt độ của lò sấy,

biết đặc tính quá độ của lò sấy thu được từ thực nghiệm có dạng như sau:

Giải Dựa vào đáp ứng quá độ thực nghiệm ta có:

Cách 2: Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ kín, áp dụng cho các đối

tượng có khâu tích phân lý tưởng, ví dụ như mực chất lỏng trong bồn chứa, vị trí hệ truyền động dùng động cơ, Đáp ứng quá độ (hệ hở) của các đối tượng có khâu tích phân lý tưởng không có dạng như hình 3.2.1 mà tăng đến vô cùng Đối với các đối tượng thuộc loại này ta chọn thông số bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng quá độ của hệ kín như hình 3.2.2

Tăng dần hệ số khuếch đại K của hệ kín ở hình 3.2.2 đến giá trị giới hạn

K gh, khi đó đáp ứng ra của hệ kín ở trạng thái xác lập là dao động ổn định

với chu kỳ T gh

Hình 3.5 Đáp ứng nấc của hệ kín khi K = K gh

Thông số bộ điều khiển P, PI, PID được chọn như sau:

Ví dụ 2 Hãy thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển vị trí góc quay của

động cơ DC, biết rằng nếu sử dụng bộ điều khiển tỉ lệ thì bằng thực

nghiệm ta xác định được khi K = 20 vị trí góc quay động cơ ở trạng thái xác lập là dao động với chu kỳ T = 1 sec

Giải Theo dữ kiện của bài toán, ta có: K gh  20; T gh  1 sec

Chọn thông số bộ điều khiển PID theo phương pháp Zeigler- Nichols:

3.3 Giới thiệu các phần tử trong bộ thí nghiệm

Trong bộ thí nghiệm bao gồm các phần tử:

- Động cơ 3 pha khơng đồng bộ rotor lồng sĩc

- Máy phát điện 3 pha khơng đồng bộ

b) Cấu tạo:

Hình 3.6 Cấu tạo bên trong động cơ KĐB

* Phần tĩnh: Stato cĩ cấu tạo gồm vỏ máy, lỏi sắt và dây quấn

+ Vỏ máy: