Tải bản đầy đủ

ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển đi lên của khoa học kỹ thuật, đòi hỏi công nghệ luôn luôn
phải vận động để phù hợp với quá trình phát triển ấy. Vì vậy, những kiến thức cơ bản để
tính toán và phân tích cấu trúc của các hệ thống truyền động là hết sức cần thiết. Để phục
vụ cho quá trình học tập của sinh viên, học phần Điều khiển truyền động điện, bao gồm
tích hợp các nội dung kiến thức về lý thuyết về Điều khiển truyền động điện là vô cùng
bổ ích. Song bên cạnh đó, học phần Đồ án môn học Tổng hợp hệ thông truyền động điện
đóng vai trò như một bài kiểm tra khảo sát kiến thức về môn học và cũng là điều kiện để
mỗi sinh viên ngành Tự động hóa tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về môn học cũng
như ngành nghề đang theo học.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Lê Tiến Dũng đã nhiệt tình
hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành đồ án môn học này.

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

1



ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
1.1.

Giới thiệu công nghệ / bài toán

Thiết kế hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ điện xoay chiều 3 pha đồng bộ có các
thông số kỹ thuật như sau:
Nguồn điện xoay chiều 3 pha 220V/380V.
Tải của hệ thống truyền được cho như hình vẽ: r1/r2 = 5; TL = 25Nm; JL = 0.2kg.m2.
Sơ đồ công nghệ:

Tem

r1

Motor

JM

TL
r2

Load

JL
Đồ thị tốc độ mong muốn của tải:

100
4

1

3

6

7

t (s)

-110

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

2


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1.2.

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

Phân tích yêu cầu công nghệ, đặc tính có của tải.

Hệ truyền động điện được thiết kế để đáp ứng được những yêu cầu của tải:
-

Động cơ sử dụng là động cơ điện xoay chiều 3 pha đồng bộ.
Động cơ phải chạy sao cho đáp ứng theo như đồ thị của tải.
Nguồn điện sử dụng là 220V/380V.
Hệ chạy ổn định, sai số là cho phép.
1.2.1. Sơ đồ tốc độ mong muốn của động cơ

Đối với hệ truyền động có sử dụng hộp số:
Ta có công thức quy đổi:
𝑟1 𝜔𝐿 = 𝑟2 𝜔𝑀
→ 𝜔𝑀 =

𝑟1
𝜔
𝑟2 𝐿

Vì chiều quay của motor ngược chiều quay của tải nên phương trình phương trình
tốc độ của tải và động cơ sẽ trái dấu. Ta sẽ có phương trình tốc độ của motor của các
giai đoạn như sau:
 Giai đoạn 1(0s -1s):







𝜔𝑀1 = −20𝑡
(rad/s)
Giai đoạn 2 (1s - 3s):
𝜔𝑀2 = −20
(rad/s)
Giai đoạn 3 (3s - 4s):
𝜔𝑀3 = 20𝑡 − 80
(rad/s)
Giai đoạn 4 (4s – 4.2s): Giai đoạn này là giai đoạn trễ khi tốc độ đột ngột giảm về
0 rad/s. Chọn thời gian trễ là 0,2s.
𝜔𝑀4 = 55𝑡 − 220
(rad/s)
Giai đoạn 5 (4.2s – 6s):
𝜔𝑀5 = 22
(rad/s)
Giai đoạn 6 (6-7s) :
𝜔𝑀6 = −22𝑡 + 154
(rad/s)

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

3


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

Suy ra sơ đồ tốc độ mong muốn của động cơ:

22

1

3

7

4
6

t (s)

-20

1.2.2. Sơ đồ Momen quay của động cơ
Ta có :

𝑑𝜔𝑀 𝜔𝑀
𝑑𝜔𝐿
= − (𝑇𝐿 + 𝐽𝐿
(𝑇𝑒𝑚 − 𝐽𝑀
)
)


𝑑𝑡 𝜔𝐿
𝑑𝑡
𝑇1

𝑇2

𝑑𝜔𝑀
𝑑𝜔𝐿 𝜔𝐿
(𝑇𝑒𝑚 − 𝐽𝑀
) = − (𝑇𝐿 + 𝐽𝐿
)


𝑑𝑡
𝑑𝑡 𝜔𝑀
𝑇1

𝑇2

2

Ta xem JM = 0 (kg.m )

𝑑𝜔𝐿 𝜔𝐿
(𝑇
)
⏟ 𝑒𝑚 ) = − (𝑇
𝐿 + 𝐽𝐿

𝑑𝑡 𝜔𝑀
𝑇1

𝑇2

Khi t = 0s → 1s: động cơ tăng tốc ( trạng thái động cơ)
Tem = - (25+0,2.

100−0
1

).5= - 225 (Nm)

Khi 𝑡 = 1𝑠 → 3𝑠: động cơ giữ nguyên tốc độ, chạy ổn định ( trạng thái động cơ)
0

Tem= - (25+0,2. ).5= -125 (Nm)
1

Khi 𝑡 = 3𝑠 → 4𝑠 : động cơ giảm tốc ( trạng thái hãm)
Tem = - (25+0,2.

0−100
1

).5= -25 (Nm)

Khi 𝑡 = 4𝑠 → 6𝑠
𝑡 = 4𝑠 → 4,2𝑠 : động cơ đảo chiều, tăng tốc ( trạng thái động cơ)

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

4


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Tem = - (25+0,2.

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

−110−0
0,2

).5= 425 (Nm)

𝑡 = 4,2𝑠 → 6𝑠 : động cơ giữ nguyên tốc độ ( trạng thái động cơ)
−110−(−110)

TM/4,2s-6s = -(25+0,2.

).5= -125 (Nm)

1,8

Khi 𝑡 = 6𝑠 → 7𝑠 : động cơ giảm tốc ( trạng thái hãm)
Tem = - (25+0,2.

0−(−110)
1

).5= -235 (Nm)

Vậy, ta có sơ đồ momen quay của động cơ:

T( N.m)

425

1

3

6

7

4

t(s)

-25

-125

-225
-235

1.2.3. Đồ thị công suất động cơ
Công suất động cơ được tính theo công thức:
P= T.𝜔 (W)
 Giai đoạn 1 (0s -1s):
𝑃1 = 𝑇𝑒𝑚1 . 𝜔𝑀1 = 8500𝑡
 Giai đoạn 2 (1s -3s):
𝑃2 = 𝑇𝑒𝑚2 . 𝜔𝑀2 = 2500
 Giai đoạn 3 (3s - 4s):
𝑃3 = 𝑇𝑒𝑚3 . 𝜔𝑀3 = −500𝑡 + 2000
 Giai đoạn 4 (4s - 4.4s):

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

(W)
(W)
(W)

5


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

𝑃4 = 𝑇𝑒𝑚4 . 𝜔𝑀4 = 46750𝑡 − 187000
 Giai đoạn 5 (4.4s - 6s):
𝑃5 = 𝑇𝑒𝑚5 . 𝜔𝑀5 = −2750
 Giai đoạn 6 (6s - 7s):
𝑃6 = 𝑇𝑒𝑚6 . 𝜔𝑀6 = 5170𝑡 − 36190

(W)
(W)
(W)

Vậy, ta có đồ thị công suất động cơ:

P(W)

9350

4500

2500
500
6
1

3

4

7

t(s)

-2750
-5170

Tính chọn công suất động cơ

1.3.

Từ đồ thị công suất của động cơ được đề cập trong phần 2, ta dễ dàng tìm ra được công
suất đẳng trị, công suất đỉnh và momen đẳng trị của động cơ theo công thức:
∑ 𝑃𝑖 2 .𝑡𝑖

Pđt = √

∑ 𝑡𝑖

𝑃12 𝑡1 +𝑃22 𝑡2 +𝑃32 𝑡3 +𝑃42 𝑡4 +𝑃52 𝑡5 +𝑃62 𝑡6

=√

7

= 2332(W)

Chọn hệ số dự trữ Kdt = 1,5 → P = 2332x1,5=3500(W)
Pđỉnh = 9350(W)
∑ 𝑀𝑖 2 .𝑡𝑖

Mđt =√

∑ 𝑡𝑖

(−225)2 .1+(−125)2 .2+(−25)2 .1+4252 .0,2+(−125)2 .1,8+(−235)2 .1

=√

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

7

=169,8 (N.m)

6


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

Chọn động cơ ATO180ST-M48015, với các tham số:
Công suất định mức: 7,5 kW
Điện áp định mức: 380 VAC
Số pha: 3
Tốc độ tối đa: 1500 vòng / phút
Dòng điện định mức: 50A
Momen xoắn định mức: 48 Nm
Momen xoắn cực đại: 96 N.m
Hằng số momen: 2,4 N.m/A
Số cặp cực: 2
Điện trở Stator: 0,273 Ω
Điện cảm Stator: 2,14 mH
-

Kiểm tra tốc độ động cơ

Tốc độ tối đa của động cơ n = 1500
vòng/phút. Trong khi đó tốc độ yêu cầu của
động cơ là nc = 210,08 vòng/phút. Sử dụng
Gear box có tỉ số:
n=

1500
210,08

= 7,14

Chọn Gearbox GBX080008K của hãng
Schneider
Có các thông số sau:
Thông số
Giá trị
Tỷ số
7/1
Momen đầu trục
50
Momen lớn nhất
80
Kiểm nghiệm lại sau khi lắp hộp số:

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

Đơn vị
N.m
N.m

7


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

-

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

Đồ thị tốc độ:

22

1

7

3

6

4

t (s)

-20

-

Đồ thị momen:
T( N.m)

Tmax

672

Tđm

425
336

1

3

6

7

4

t(s)

-25
-125
-225
-235
336
-672

-Tđm
-Tmax

Momen định mức của động cơ: Tđm = 48x7 = 336 (N.m). Động cơ làm việc quá tải
trong khoảng thời gian t = 4→4,2s. Tuy nhiên khoảng thời gian quá tải bé nên động cơ
vẫn có thể hoạt động tốt.
Momen cực đại: Tmax = = 96x7 = 672 (N.m)

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

8


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

Momen lớn nhất của tải Ttải = 425 < Tmax = 672 => Thỏa mãn yêu cầu của tải.
1.4.

Sơ đồ khối cấu trúc của hệ truyền động điện

Sơ đồ khối của hệ điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ ba pha:

-

Sơ đồ cấu trúc bao gồm:
Bộ chỉnh lưu : có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp xoay chiều 3 pha sang điện áp 1
chiều.
Nguồn điện cung cấp là nguồn 3 pha 220V/380V.
Bộ chuyển đổi Inventor : có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều khiển từ controller để
xuất xung điều khiển cho các van công suất.
Động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ được sử dụng trong hệ thống này.
Encoder là thiết bị đo vận tốc của động cơ, sau đó phản hồi về cho controller.
Controller là một vi mạch có vi xử lí lập trình được, chứa toàn bộ chương trình
thuật toán điều khiển cho hệ thống.

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

9


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

1.5. Tính toán và chọn các thiết bị, phần tử trong hệ thống
1.5.1. Chọn động cơ (Động cơ đã chọn ở 1.3)
1.5.2. Bộ biến đổi
Đồ thị đặc tính cơ của động cơ đồng bộ 3 pha:

Tốc độ quay của động cơ được tính bằng biểu thức:
2𝜋𝑓𝑠
𝜔𝑠 =
𝑃𝑝
Trong đó, 𝑓𝑠 là tần số nguồn cung cấp
𝑃𝑝 là số đôi cực từ
Vậy, để điều khiển tốc độ động cơ, ta có thể điều chỉnh tần số nguồn cấp. Do vậy,
sử dụng bộ biến đổi tần số trong cấu trúc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ
đồng bộ.
Sơ đồ biến tần gián tiếp được xây dựng là:

Xác định các thông số biến tần
-

Tính chọn IGBT

Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 pha:
SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

10


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Công suất trên 1 pha của bộ nghịch lưu: P =
Dòng điện chạy qua van: Iv = I =

𝑃đ𝑚
√3𝑈

𝑃đ𝑚
3

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

= 2,5 (KW)

= 19,6 (A)

Dòng điện cực đại chạy qua van: Ivmax = Iv + Ih = 19,6 + 0,4 = 20 (A)
Với Ih là dòng sóng hài chạy qua van (chọn Ih = 0,4 (A))
Chọn hệ số dự trữ dòng điện là KI = 1,5
→ Dòng điện tính chọn IGBT là IT = 20.1,5= 30 (A) (> 20 A)
Điện áp đầu ra khâu nghịch lưu là: U = 220 (V)
Điện áp pha cực đại của động cơ: 𝑈𝑓 = 220√2 = 311,12 (V)
3

Điện áp cần cấp cho khâu nghịch lưu là: Ud = .311,12 = 466,7 (V)
2

Chọn hệ số an toàn về áp cho van là 3. Do vậy ta cần điện áp chiụ đựng yêu cầu cho van
bán dẫn là: UV = 466,7.3 = 1400 (V)
Chọn IGBT: FGA20S140P.
-

Tính chọn diode chỉnh lưu cầu

Điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu cầu 3 pha là Ud =

3√6
𝜋

𝑈=

3√6
𝜋

. 220 = 514 (V)

Điện áp ngược cực đại đặt lên van của bộ chỉnh lưu: Ung =220. √6 = 538 V.
Chọn hệ số dự trữ điện áp: KU = 1,5. Suy ra: Ung’ = Ung.1,5 = 808 V.
Dòng điện trung bình qua các van:
Ta có, dòng định mức của động cơ: Iđm=20 A.

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

11


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Suy ra, dòng điện trung bình đi qua các van: Iv =

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG
𝐼đ𝑚
6

=

20
6

=3,3 A.

Chọn hệ số dự trữ dòng điện KI = 1,3. Suy ra, Iv’ = Iv .1,3 = 4,3 A.
Vậy chọn diode HER508.
Mạch lọc LC

-

Mạch lọc LC dùng để giảm thành phần sóng hài trong mạch.
Tính các tham số bộ lọc

-

Trong quá trình thiết kế, ta lấy sóng hài bậc 37 làm chỉ tiêu thiết kế, các sóng còn lại
được kiểm nghiệm lại qua các giá trị của bộ lọc.
Chỉ tiêu của bộ lọc là dòng điện thành phần sóng hài chiếm dưới 1% thành phần cơ bản.
Thành phần sóng hài bậc 37, 41 chiếm phần lớn trong thành phần sóng hài. Mặc khác, ở
tần số càng cao thì thành phần sóng hài càng bị chặn nhiều nên ta quy tất cả về sóng hài
bậc 37 để tính toán.
Đầu vào

Đầu ra

Đặc tính vào ra của bộ lọc:
𝑈𝑜
𝑈𝑖

=

1
𝑗𝜔𝐶
1
𝑗𝜔𝐶

𝑗𝜔𝐿+

=

1
1−𝜔2 𝐿𝐶

Trong đó:
U0 là điện áp đầu ra.
Ui là điện áp đầu vào.
𝜔 là tần số của thành phần sóng hài.
Ta có

𝑈𝑜
𝑈𝑖

=|

1
1−𝜔2 𝐿𝐶

|→ |

1
1−𝜔2 𝐿𝐶

| = 0,9 → LC = 0,77.10-9,

với𝜔37 = 2𝜋.50.37= 11623,89 (rad/s)
Chọn C = 50 (μF) → L = 15 (𝜇H)
-

Chọn bộ lọc nguồn

Trong đồ án này ta chọn tụ C = 30 (mF).

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

12


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

1.5.3. Cảm biến
Trong hệ này, ta sử dụng các cảm biến đo dòng và áp, cảm biến tốc độ.
Trong đồ án này sử dụng
-

Modun cảm biến dòng xoay chiều IPC-100-00-I-TTL-5-M8
Modun cảm biến áp 3 pha WB 1990-T
Encoder 6FX2001-5QP24
1.6. Xác định các tham số của hệ thống

1.6.1. Động cơ
Các tham số động cơ ATO180ST-M48015:
- Công suất định mức: 7,5 kW
- Điện áp định mức: 380 VAC
- Số pha: 3
- Tốc độ tối đa: 1500 vòng / phút
- Dòng điện định mức: 20A
- Momen xoắn định mức: 48 Nm
- Momen xoắn cực đại: 96 N.m
- Hằng số momen: 2,4 N.m/A
- Số cặp cực: 2
- Điện trở Stator: 0,273 Ω
- Điện cảm Stator: 2,14 mH
1.6.2. Diode
Các tham số của diode HER508
- Điện áp ngược lớn nhất đặc lên diode: 900 (V)
- Dòng điện đầu ra lớn nhất: 5,5 (A)
- Điện áp rơi trên diode: 0,3 (V)
- Dòng rò: 0,1 (mA)
- Dãy nhiệt độ làm việc: -40 → 150℃
1.6.3. IGBT
Các tham số của IGBT FGA20S140P
-

Điện áp cực đại đặc lên IGBT: 1400 (V)
Dòng điện cực đại chạy qua Colector và Emitor: 800 (V)
Công suất cực đại: 272(W)
Dãy nhiệt độ làm việc: -55 → 175℃
Điện áp E-C: 3,2 (V)
Dòng rò C-E: 1 (mA)
Dòng rò G-E: 0,5 (𝜇A)

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

13


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

1.6.4. Gearbox
Các tham số của Gearbox GBX080008K
- Tỷ số: 7/1
- Momen đầu trục: 50 (N.m)
- Momen lớn nhất: 80 (N.m)
- Dãy nhiệt độ hoạt động: -25 → 90℃
1.6.5. Cảm biến dòng
Các tham số của cảm biến dòng IPC-100-00-I-TTL-5-M8
- Năng lượng tiêu thụ: < 3 (W)
- Dãy đo tuyến tính: ± 170 (A)
- Dãy đo lớn nhất: ± 210 (A)
- Dãy nhiệt độ làm việc: -40 → 125℃
- Độ phân giải: 7 (mA)
- Đầu ra: 4-20 (mA)
1.6.6. Encoder
Các tham số của Encoder EP50S-B-1024-1R-N5
-

Điện áp hoạt động: 5-24 (VDC)
Công suất tiêu thụ: 2 (W)
Số xung/1 vòng: 1024
Đầu ra: 5 VDC (NPN)

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

14


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRUYỀN
ĐỘNG ĐIỆN
2.1.

Xây dựng mô hình toán học của các khâu trong hệ thống
DC- link

Isd*=0

usd*

PI

usq*

_

usα*
dq

isq*

w*

PI

SV PWM

inverter

ϑ

PI

_

usβ*

αβ

_

isq

w

isα
αβ

dq
isd

isβ

αβ

ʃdt

a,b,c

n
s

encoder

Trong đó chức năng các khối như sau:
-

-

Khối Inverter (khối nghịch lưu): Chuyển đại lượng xoay chiều trung gian đã qua lọc
thành hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha. Mạch nghịch lưu là hệ thống các van bán
dẫn đóng cắt theo các tín hiệu điều khiển.
Khâu điều chế vector SV PWM : Chuyển các điện áp usα và 𝑢 𝑠𝛽 sang thời gian đóng
cắt.
Khâu chuyển các hệ tọa độ: Chuyển đổi giữa các hệ tọa độ: abc, dq, α𝛽.
Các bộ PI: Điều khiển các mạch vòng tốc độ momen và dòng điện.
2.2. Mô hình toán học bộ biến đổi
2.2.1. Mô hình toán học của biến đổi từ uvw sang dq
Dùng công thức Clarke để chuyển đổi 𝐮𝐯𝐰 sang 𝛂𝛃 :
1
𝑖𝑠𝛼 = 𝑖𝑠𝑢 ; 𝑖𝑠𝛽 = (𝑖𝑠𝑢 +2𝑖𝑠𝑣 )
√3

Dùng công thức Park để chuyển đổi 𝛂𝛃 sang dq :
{

𝑖𝑠𝑑 = 𝑖𝑠𝛼 cos 𝜗𝑠 + 𝑖𝑠𝛽 sin 𝜗𝑠
𝑖𝑠𝑞 = −𝑖𝑠𝛼 sin 𝜗𝑠 + 𝑖𝑠𝛽 cos 𝜗𝑠

Điều kiện chuyển đổi (Park): phải biết góc pha của vector từ thông 𝑟 : 𝜗𝑠

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

15


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

𝜗𝑠 = 𝜗𝑠 (0) + ∫ 𝜔𝑠 𝑑𝑡 = ∫(𝜔 + 𝜔𝑟 )𝑑𝑡 = ∫ (𝜔 +

𝑖𝑠𝑞
) 𝑑𝑡
𝑇𝑟 𝜓𝑟𝑑

Mô hình toán học của biến đổi từ 𝒖∗𝒔𝒅 ; 𝒖∗𝒔𝒒 sang 𝒖𝒔𝜶 ; 𝒖𝒔𝜷 :
Theo công thức Clarke và công thức Park :
Ta có :
𝑢𝑎 = 𝑢𝑑 cos 𝜃 - 𝑢𝑞 sin 𝜃
𝑢𝑏 =

√3

1

2

2

( 𝑢𝑑 sin 𝜃 + 𝑢𝑞 cos 𝜃) - (𝑢𝑑 cos 𝜃 - 𝑢𝑞 sin 𝜃)

𝑢𝑐 = - 𝑢𝑎 - 𝑢𝑏
Suy ra :
𝑢𝛼 = 𝑢𝑎 - 0.5𝑢𝑏 -0.5𝑢𝑐
𝑢𝛽 =

√3
2

𝑢𝑏 -

√3
2

𝑢𝑐

Khâu nghịch lưu:
Lý tưởng hàm truyền 𝐺𝑛𝑙 (s) = 1
Khâu chỉnh lưu:
Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu có điều khiển: Vdc = Vd0.cosα
Chọn nguyên tắc điều khiển arcos: α = arccos(Vđk/Vm)
Điện áp đầu ra của chỉnh lưu: Vdc = Vd0. (Vđk/Vm) = Kr. Vd0
Hàm truyền đạt của bộ chỉnh lưu:

Gr (s) 

Kr
Tr s  1

Trong đó:
-Kr = Vđk/Vm là hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu
- Tr =

𝛼/2
360

là thời gian trễ đáp ứng của các thyristor

2.2.2. Mô hình toán học cảm biến
Phản hồi dòng điện:
Sử dụng cảm biến đo dòng điện để đo dòng điện đáp ứng đầu ra của bộ nghịch lưu để
tính toán rồi phản hồi về bộ điều khiển. Mô hình toán học của phản hồi dòng điện có thể
biểu diễn bằng một hệ số khuếch đại H. Trong một số trường hợp có sử dụng bộ lọc
thông thấp. Khi đó hằng số thời gian của bộ lọc thường nhỏ hơn 1ms. Ta chọn: H=1
Phản hồi tốc độ:

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

16


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

Sử dụng cảm biến tốc độ để đo tốc độ đáp ứng của động cơ rồi tính toán
phản hồi về cho bộ điều khiển. Hàm truyền đạt của khâu phản hồi tốc độ:
𝐺𝜔 =

𝐾𝜔
𝑇𝜔 𝑆+1

Trong đó:
K𝜔 là hệ số khuếch đại của cảm biến
T𝜔 là hằng số thời gian của bộ lọc
Ta chọn hệ số khuếch đại: 𝐾𝜔 =1
Bỏ qua hằng số thời gian bộ lọc: 𝑇𝜔 = 0
=> Có nghĩa ta lý tưởng khâu phản hồi tốc độ 𝐺𝜔 = 1
2.2.3. Mô hình toán học của bộ điều khiển PID
Thuật toán của bộ điều khiển PID:
C(t) = 𝐾𝑝 [e(t) +

1
𝜏𝐼

𝑡

∫0 𝑒(𝑡)dt + 𝜏𝐷

𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡

]

Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:
𝐺𝑐 (s) =

𝐶(𝑠)
𝐸(𝑠)

= 𝐾𝑝 [ 1 +

1
𝜏𝐼 𝑠

+𝜏𝐷 s]

Trong đó :
• e(t) - Sai số giữa giá trị thực và giá trị dặt
• 𝐾𝑝 - Hệ số tỷ lệ (khuếch đại) của bộ điều khiển, là một tham số
chỉnh định.
• I – Hằng số thời gian tích phân, là một tham số chỉnh định của bộ
điều khiển đặc trưng cho thành phần tích phân.
• D – Hằng số thời gian vi phân, là một tham số chỉnh định của bộ
diều khiển đặc trưng cho thành phần tích phân.
Bộ điều khiển cần dùng trong hệ thống PI:
- Hàm truyền bộ điều khiển PI:
𝐾𝑝
𝐾𝑝
1
𝐺𝑐 (𝑠) = 𝐾𝑝 +
= 𝐾𝑝 + 𝐾𝐼
với : 𝐾𝐼 =
𝑠𝜏𝐼

𝑠

𝜏𝐼

- Gồm 3 bộ PI để điều khiển hệ thống : 𝑅𝜔 ; 𝑅𝐼𝑑 ; 𝑅𝐼𝑞
𝑅𝜔 : Bộ PI điều khiển tốc độ động cơ.
𝑅𝐼𝑑 : Bộ PI điều khiển dòng điện.
𝑅𝐼𝑞 : Bộ PI điều khiển dòng điện.
2.3.

Xây dựng mô hình toán học của cả hệ thống

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

17


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG
DC- link

Isd*=0

usd*=(

usd*

)∆isd

usq*

usα*
dq

_

αβ

isq*

w*

isq*=(

)∆w

_

w

usq*=(

usβ*

SV PWM

=
~

ϑ

)∆isq

_

isq

isα
αβ

dq

isd

isβ

αβ

ʃdt

a,b,c

n
s

encoder

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

18


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Sơ đồ các mạch vòng của hệ thống điều khiển truyền động điện
3.1.1. Mạch vòng điều khiển tốc độ

3.1.

DC- link

usα*
isq*
w*

isq*=(

)∆w

usq*=(

)∆isq

dq

usq*

=

SV PWM

usβ*

αβ

~

_
ϑ

_

w
isq

isα
αβ

dq
isβ

αβ

a,b,c

ʃdt

n
s

encoder

3.1.2.

Mạch vòng điều khiển dòng điện
DC- link

Isd*=0
usd*=(

)∆isd

usd*

usq*

usα*
dq

_

isq*
usq*=(

usβ*

αβ

SV PWM

=
~

ϑ

)∆isq

_

isq

isα

αβ

dq
isd

αβ

isβ

a,b,c

n
s

3.1.3. Phương pháp tổng hợp các mạch vòng điều khiển
Dựa trên sự hiểu biết về hệ thống, các mạch vòng điều khiển. Và dựa trên sự hiểu
biết về bộ điều khiển PID cho hệ thống. Cụ thể như sau:
Về hệ thống truyền động, với việc mô hình hóa động cơ về các thành phần dòng
điện, điện áp cùng bản chất như động cơ điện một chiều. Với việc đó đã giúp chúng ta hiểu
sâu về bên trong đối tượng, mà đối tượng ở đây là động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ rotor

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

19


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

nam châm vĩnh cữu. Giúp cho quá trình tổng hợp mạch vòng, đưa ra cấu trúc điều khiển
dễ dàng gần giống như động cơ điện một chiều.
Về bộ điều khiển PID, giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số
riêng biệt, các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số
hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi
phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số.

Khâu tỉ lệ (P): làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ
lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp.

Khâu tích phân (I): tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai
số. Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới
điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển. Tuy
nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá
trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt.

Tác động của việc tăng một thông số
độc lập

𝐾𝑝
𝐾𝑖

Thời gian
khởi động
Giảm
Giảm

𝐾𝑑

Giảm ít

Thông số

Quá độ
Tăng
Tăng
Giảm ít

Thời gian xác
Sai số ổn
lập
định
Thay đổi nhỏ
Giảm
Tăng
Giảm đáng kể
Giảm ít

Không tác
động

Độ ổn định
Giảm cấp
Giảm cấp
Cải thiện nếu
𝐾𝑑 nhỏ

Qua đó, về sự hiểu biết về bộ điều khiển PID và bản chất hệ thống, bản chất động cơ.
Em đã dựa trên đó và hiệu chỉnh các thông số PID bằng tay trên mô phỏng Matlab-Simulink
và đưa ra tổng hợp các mạch vòng dưới đây.
3.2.

Tổng hợp mạch vòng điều khiển dòng điện

Các bước tổng hợp mạch vòng điều khiển dòng điện được thực hiện như sau:
Ta tăng các giá trị Kp cho 3 mạch vòng điều khiển sao cho đạt đến 1 giá trị thích
hợp sao cho động cơ hoạt động và theo dõi các giá trị phản hồi về có trị số gần giá trị đặt
bằng cách sử dụng các Scope đo có sẵn trong simulink , cụ thể là 𝑖𝑠𝑑 và 𝑖𝑠𝑞 của động cơ


gần với giá trị đặt 𝑖𝑠𝑑
và 𝑖𝑠𝑞
. Sau đó tăng dần hệ số Ki, để bộ điều khiển khử đi sai số xác
lập.

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

20


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

3.3.

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

Tổng hợp mạch vòng điều khiển tốc độ

Tương tự như cách tổng hợp mạch vòng dòng điện ở trên, ta có các hệ số Kp cho
mạch vòng điều khiển đến 1 giá trị thích hợp, và theo dõi giá trị vận tốc phản hồi của động
cơ gần với giá trị vận tốc đặt. Sau đó tăng dần hệ số Ki, để bộ điều khiển vận tốc khử đi
sai số xác lập.

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

21


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG, KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT
LƯỢNG
4.1. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab – Simulink
4.1.1. Sơ đồ hệ thống mô phỏng trong phần mềm Matlab – Simulink

Mạch động lực của hệ thống:

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

22


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

Tốc độ đặt vào hệ thống có đồ thị như sau:

4.1.2.

Kết quả mô phỏng hệ thống
 Kết quả mô phỏng các mạch vòng điều khiển
- Đối với mạch vòng tổng hợp dòng điện 𝑖𝑠𝑞 sau khi ta đặt Kp=6, Ki=1,2 ta
được đáp ứng của dòng 𝑖𝑠𝑑 như sau:

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

23


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

-

Đối với mạch vòng tổng hợp dòng điện 𝑖𝑠𝑑 sau khi ta đặt Kp=6; Ki=1,2 ta
được đáp ứng của dòng 𝑖𝑠𝑑 như sau:

-

Sau khi ta đặt Kp=20, Ki=4 ta được đáp ứng của tốc độ ω như sau:

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

24


ĐỒ ÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

-

 Các giá trị đáp ứng của động cơ
Moment

-

Dòng điện

SVTH: NGUYỄN ĐÌNH HOÀNG

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×