Nhận viết luận văn Đại học , thạc sĩ - Zalo: 0917.193.864 Tham khảo bảng giá dịch vụ viết bài tại: vietbaocaothuctap.net Download luận văn tốt nghiệp với đề tài: Kết cấu, công dụng cũng như mô hình toán học của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, cho các bạn làm luận văn tham khảo

1. EBOOKBKMT.COM
1
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU....................................................................................................2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐCĐB KÍCH THÍCH VĨNH CỬU (PMSM)......3
1.1. Giới thiệu về động cơ PMSM........................................................................3
1.2. Vector không gian của các đại lượng ba pha..................................................4
1.2.1. Xây dựng vector không gian ......................................................................4
1.2.2. Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian.....................................................5
1.2.3. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor......................6
1.3. Xây dựng mô hình của động cơ PMSM.........................................................6
1.3.1. Lý do xây dựng mô hình............................................................................6
1.3.2. Hệ phương trình cơ bản của động cơ ..........................................................7
1.3.3. Các tham số của động cơ............................................................................7
1.3.4. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor (dq) .............................8
1.3.5. Đặc điểm phi tuyến của mô hình PMSM...................................................11
CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ BIẾN TẦN – BIẾN TẦN NGUỒN ÁP.........................12
2.1. Mô tả về cấu trúc bộ biến tần ......................................................................12
2.2. Mạch động lực biến tần nguồn áp................................................................13
2.3. Xây dựng mô hình bộ biến tần ....................................................................14
CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ PMSM & MÔ HÌNH MÔ
PHỎNG TRÊN MATLAB - SIMULINK...........................................................18
3.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển tựa theo từ thông rotor.....................................18
3.2. Xây dựng thuật toán điều khiển..................................................................19
3.3. Mô hình mô phỏng trên Matlab – Simulink .................................................21
3.3.1. Mô hình động cơ đồng bộ........................................................................21
3.3.2. Mô hình mạng tính áp..............................................................................21
3.3.3.Chuyển đổi hệ tọa độ điện áp ....................................................................21
3.3.4. Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện ...............................................................21
3.3.5. Kết quả mô phỏng...................................................................................21
Kết luận............................................................................................................24
Tài liệu tham khảo ............................................................................................25

2. EBOOKBKMT.COM
2
LỜI MỞ ĐẦU
Đối với những kỹ sư điều khiển tự động hóa nói riêng và những người nghiên
cứu khoa học kỹ thuậtnói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép khảo
sát các đối tượng, hệ thống hay quá trình kỹ thuậtvật lý, mà không nhất thiết phải
có đối tượng hay hệ thống thật. Được trang bị một công cụ mô phỏng mạnh và
những hiểu biết về các phương pháp mô hình hóa, người kỹ sư sẽ có khả năng rút
ngắn thòi gian và giảm chi phí nghiên cứu – phát triển sản phẩm một cách đáng
kể. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi sản phẩm là các hệ thống thiết bị phức hợp
với giá trị kinh tế lớn. Các khái niệm mô phỏng Off-line, Software - in-the-Loop,
Hardware-in-the-Loop và Prototyping, đã thể hiện rõ nét các bước của quá trình
phát triển sản phẩm với sự hỗ trợ của máy tính.
Trong nhiều năm qua phần mềm mô phỏng đã được sử dụng rất rộng rãi trong
các lĩnh vực giảng dạycũng nhưnghiên cứu các thiết bị điện của giáo viên và sinh
viên ngành kỹ thuật. Vì thế trong bài tập lớn này em sẽ sử dụng một công cụ rất
mạnh của matlab đó là Simulink để mô phỏng mô hình của một “Động cơ đồng bộ
kích thích vĩnh cửu”.
Với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy TS. PHẠM TÂM THÀNH đã giúp em tìm
hiễu rõ và sâu sắc hơn về động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, cũng như công cụ
mô phỏng matlab và simulink. Từ đó em đã có cơ sở xây dựng bài tập lớn này.
Trong nội dung của bàitập lớn môn học: “Tổng hợp hệ điện cơ” mà em trình
bày dưới đây sẽ thấy được những kiến thức về kết cấu, công dụng cũng như mô
hình toán học của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu. Đồng thời cũng giới thiệu
tổng quan về matlab và đặc biệt là simulink và đưa ra kết quả của quá trình mô
phỏng động cơ qua những hình vẽ các đường đặc tính tốc độ, dòng điện...
Tuy đã cố gắng nhiều nhưng trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi
những sai sót và nhầm lẫn. Vì thế em mong thầy tiếp tục giúp đỡ em nhiều hơn
nữa.

3. EBOOKBKMT.COM
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐCĐB KÍCH THÍCH VĨNH CỬU
(PMSM)
1.1. Giới thiệu về động cơ PMSM
- Động cơ đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu (PMSM) có kết cấu phía stato
giống như động cơ dị bộ. Phía rôto, nơi động cơ dị bộ phải dựa vào sự trượt tốc
độ giữa rôto và hệ thống véc tơ phía stato để tạo từ thông rôto, PMSM có một hệ
thống nam châm vĩnh cửu gắn chặt trên bề mặt. Nghĩa là: từ thông luôn luôn tồn
tại, không còn nhu cầu trượt tốc độ để cảm ứng từ stato sang rôto nữa và động cơ
hoạt động hoàn toàn đồng bộ.
- Phạm vi sử dụng chính của PMSM là công nghiệp chế tạo máy, chế biến (ví
dụ: Máy gia công cắt gọt kim loại, máy đóng bao gói, máy gia công chính xác...).
Trong các ứng dụng đó, PMSM gần như tuyệt đối và chỉ được sử dụng kèm theo
thiết bị điều khiển (ví dụ: nghịch lưu có điều chỉnh) chất lượng cao.
- Cấu trúc của động cơ đồng bộ được mô tả theo hình vẽ:
a) Ba pha b) Biến đổi α,β c) Biến đổi d,q
Hình 1.0: Cấu tạo động cơ đồng bộ ba pha

4. EBOOKBKMT.COM
4
1.2. Vectorkhông gian của các đại lượng ba pha
1.2.1. Xây dựng vectorkhông gian
- Động cơ xoay chiều ba pha đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bố trí
không gian:
     w 0su sv si t i t i t   (1.1)
- Nếu trên mặt phẳng đó ta thiết lập một hệ tọa độ phức với trục thực đi qua cuộn
dây u, ta có thể xây dựng vector không gian sau:
       120 240
w
2
3
o o
j j j
s su sv s si t i t i t e i t e i e     
  (1.2)
Hình 1.1: Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha
- Dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector dòng stator si mới thu
được lên trục của cuộn dây pha tương ứng.

5. EBOOKBKMT.COM
5
- Gọi trục thực của mặt phẳng phức nói trên là trục α và trục ảo là trục β. Chiếu
vector si lên hai trục, ta được hai hình chiếu là si  và si  . Hệ tọa độ này gọi là hệ
tọa độ cố định (hệ tọa độ stator):
Hình 1.2: Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian ở hệ tọa độ αβ
1.2.2. Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian
- Ta xây dựng một hệ tọa độ mới dq có chung điểm gốc với hệ tọa độ αβ và nằm
lệch đi một góc s .
- Dễ dàng chuyển tọa độ αβ sang tọa độ dq:
sin cos
cos sin
sd s s s s
sq s s s s
i i i
i i i
 
 
 
 
 
  (1.3)

6. EBOOKBKMT.COM
6
1.2.3. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor
Hình 1.3: Biểu diễn các vector trên hệ tọa độ từ thông rotor
- Giả thiết động cơ quay với tốc độ
d
dt

  . Từ thông rotor r quay với tốc độ
góc 2 s
s s
d
f
dt

   trong đó sf là tần số của mạch điện stator. s  và
s  .
1.3. Xây dựng mô hình của động cơ PMSM
1.3.1. Lý do xây dựng mô hình
- Để xây dựng, thiết kế bộ điều khiển cần phải có mô hình tả đối tượng điều khiển.

7. EBOOKBKMT.COM
7
1.3.2. Hệ phương trình cơ bản của động cơ
- Phương trình điện áp:
f
f f fs
s s s f s
d
u R i j
dt

    (1.4)
- Vector từ thông rotor:
f f f
s s s pL i   (1.5)
- Phương trình moment:
3
( * )
2
M c s sm p i (1.6)
- Phương trình cân bằng moment: M T
c
J d
m m
p dt

  (1.7)
1.3.3. Các tham số của động cơ
- Tần số f
- Công suất P
- Hiệu suất 
- Tốc độ định mức dmn
- Dòng điện định mức dmI
- Điện áp định mức dmU
- Hệ số công suất cos

8. EBOOKBKMT.COM
8
1.3.4. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor (dq)
- Phương trình điện áp:
sd
sd s sd sd s sq sq
sq
sq s sq sq s sd sd s p
di
u R i L L i
dt
di
u R i L L i
dt

  
  
   
(1.8)
- Phương trình dòng điện:
1 1
1 1
sqsd
sd s sq sd
sd sd sd
sq psd
s sd sq sq s
sq sq sq sq
Ldi
i i u
dt T L L
di L
i i u
dt L T L L


 
   
    
(1.9)
- Phương trình moment của động cơ PMSM:
3
( )
2
p
M c sd sd sq sq sd sq
sd
m p i L i L i i
L
 
   
  (1.10)

9. EBOOKBKMT.COM
9
- Từ các phương trình (1.9) và (1.10) ta xây dựng mô hình động cơ như sau:
Hình 1.4:Mô hình động cơ đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu trên hệ tọa độ dq
- Phương trình (1.9) được viết lại dưới dạng mô hình trạng thái sau:
f
f f f f f fs
s s s s p s
di
A i B u N i S
dt
      (1.11)
(1.12)

10. EBOOKBKMT.COM
10
Hình 1.5: Mô hình trạng thái liên tục của động cơ đồng bộ trên hệ tọa độ dq
- Mô hình trạng thái gián đoạn:
Để thiết kế một hệ thống điều khiển cho động cơ đồng bộ trên cơ sở sử dụng vi xử
lý thì cần phải có một mô hình gián đoạn để có thể mô tả một cách chính xác đối
tượng tại các thời điểm.
(1.13)

11. EBOOKBKMT.COM
11
Hình 1.6: Mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ đồng bộ trên hệ tọa độ dq.
1.3.5. Đặc điểm phi tuyến của mô hình PMSM
a) Cấu trúc phi tuyến, tham số phi tuyến, phi tuyến rác.
b) Kết luận:
-Ưu điểm của việc mô tả động cơ đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor như
sau:
+ Trong hệ tọa độ từ thông rotor ( hệ tọa độ dq), các vector dòng stator
f
si và vector
từ thông rotor p , cùng với hệ tọa độ dq quay đồng bộ với nhau với tốc độ s
quanh điểm gốc, do đó các phần tử của vector
f
si là các đại lượng một chiều.
+ Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như không đổi, trong quá trình quá độ,
các giá trị này có thể biến đổi theo một thuật toán điều khiển đã được định trước.

12. EBOOKBKMT.COM
12
CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ BIẾN TẦN – BIẾN TẦN NGUỒN ÁP
2.1. Mô tả về cấu trúc bộ biến tần
- Biến tần là thiết bị biến đổi điện năng xoay chiều từ tần số này sang tần số khác.
-Biến tần được chia làm hai loại:
+ Biến tần trực tiếp:
Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc biến tần trực tiếp.
+ Biến tần gián tiếp:
Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc biến tần gián tiếp.
- Biến tần nguồn áp:
Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc biến tần nguồn áp.

13. EBOOKBKMT.COM
13
2.2. Mạchđộng lực biến tần nguồn áp
- Mạch động lực của biến tần nguồn áp ba pha gồm 6 Thyristor công suất T1 : T6.
Các van này có nhiệm vụ đóng hay cắt từng khoảng điện áp đặt lên tải. Các van
được lựa chọn tùy thuộc vào công suất của phụ tải.
- Các Điốt D1 : D6 là các Điốt công suất được nối ngược với các van Thyristor có
tác dụng khép mạch dòng điện tải , trả phần năng lượng tích lũy của tải về nguồn
trong trường hợp tải có tính cảm. Khi các Thyristor ở trạng thái khóa thì dòng tải
sẽ được duy trì qua các điot này. Nguồn cung cấp cho bộ nghịch lưu là nguồn áp có
giá trị U ổn định, hoặc bộ nguồn có thể điều chỉnh được điện áp nhờ bộ chỉnh lưu
có điều khiển.
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mach động lực biến tần.
Hình 2.5: Sóng điện áp ba pha đối xứng.

14. EBOOKBKMT.COM
14
2.3. Xây dựng mô hình bộ biến tần
a) Khối tạo dao động
- Ta chọn vi mạch tạo dao động 555: Bộ định thời 555 hoạt động với nguồn một
chiều có điện áp từ 5 đến 8V. Vì vậy nó tương thích với những mức logic thông
thường và cả những mức điện áp của các bộ khuếch đại thuật toán.
- Đầu dương của nguồn nuôi nối vào chân số 8 (+Uc), cực âm mắc vào chân số 1
(nối đất). Đầu nối đất được dùng làm điểm chung để so sánh các điện thế trên các
điểm khác của mạch. Đầu ra có thể có một trong hai mức là mức cao và mức thấp,
mức cao xấp xỉ với Uc (khoảng 4,5V), mức thấp khoảng 0,1V.
Hình 2.6: Vi mạch tạo dao động 555.
Hình 2.7: Dạng xung của khối tạo dao động.

15. EBOOKBKMT.COM
15
b) Bộ dịch pha số
- Khối này có nhiệm vụ là gửi xung từ bộ dao dộng tới các van động lực một cách
tuần tự và có tính chu kỳ. Trong mạch có sử dụng IC4013 và IC4081. Đây là loại
IC chuyên dụng để tạo ra các độ trễ khác nhau đối với tín hiệu. IC4013 là loại vi
mạch thuộc loại CM05 có đặc điểm là công suất tiêu thụ ở trạng thái tĩnh nhỏ, tốc
độ chuyển đổi trạng thái cao, khả năng chống nhiễu cao và có khả năng mang tải
lớn. Nguồn nuôi IC4013 là nguồn một chiều +3V đến +15V.
Hình 2.8: Bộ dịch pha số
Hình 2.9: Dạng xung của điện áp ra.

16. EBOOKBKMT.COM
16
c) Khối tạo Sin
- Phần tạo Sin gồm 3 khối hoàn toàn giống nhau cho pha A, B, C. Khối này lấy tín
hiệu từ khối dịch pha và chia pha ở dạng số.
Hình 2.10: Khối tạo sin.
-Khối tạo sin được tạo thành bởi các bộ khuếch đại thuật toán OA, OA đầu vào có
nhiệm vụ biến đổi xung vuông thành xung lưỡng cực và nó được nối thành một
Trigo Smith.
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch Trigo Smith và đặc tính truyền đạt điện áp.

17. EBOOKBKMT.COM
17
d) Khối dịch pha và chia pha
- Khối này sử dụng 3 IC4013 cung cấp xung đơn cực cho 3 bộ tạo sin chuẩn của
pha A,B,C.
e) Khối nhân tần
- Sử dụng 1 IC4016 kết hợp với 1 IC4013 nhằm nâng cao tần số đầu vào.
f) Khối phát xung răng cưa
- Sử dụng 2 IC741 với các mác như IC1 và IC2 của bộ tạo xung hình sin.
g) Khối so sánh và tạo xung
- Tổng hợp và so sánh tín hiệu từ khối tạo sóng dạng răng cưa và khối tạo sin nhằm
cấp xung điều khiển đến đóng mở các Tranzitor của mạch động lực.

18. EBOOKBKMT.COM
18
CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ PMSM & MÔ
HÌNH MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB - SIMULINK
3.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển tựa theo từ thông rotor
- Cần sử dụng một khâu điều chỉnh dòng nhằm áp đặt nhanh 2 dòng sdi , sqi để
điều khiển từ thông rotor và momen quay. Vì vậy, người ta sử dụng riêng rẽ 2 bộ
điều chỉnh dòng sdi và sqi (ĐCid và ĐCiq) kiểu PI, trong đó giá trị cần và giá trị
thực là các đại lượng hình sin. Các đầu ra của ĐCid và Đciq được gọi là dy và qy
Hình 3.1: Cấu trúc truyền động động cơ đồng bộ nuôi bởi biến tần nguồn áp và
điều khiển tựa theo từ thông rotor.

19. EBOOKBKMT.COM
19
3.2. Xây dựng thuật toán điều khiển
- Mạch vòng điều khiển tốc độ:
Hình 3.2: Mạch vòng điều khiển tốc độ.
- Đặt: 1 2
3
1;
2
c pp
K K

 
Ta có, hàm truyền hở:
1 2
( )
(1 2 ).
o
i
K K
S s
T s Js


Bộ điều khiển tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đốixứng:
w
w2 2
2 1 2 1 2
1 2
1 8 8. .
1 8.
pi i
p
i i i
i
KT s J T J
R K
K K T K K T s T sK K T s
J


    
- Ta có:
1
1
s
sd s d s q
s
s
sq s q s d
s
L
u R y y
pT
L
u R y y
pT






 

 

(3.1)

20. EBOOKBKMT.COM
20
- Chuyển đổihệ tọa độ dòng điện (CTĐi):
1
( 2 )
3
s su
s su sv
i i
i i i



  (3.2)
sin cos
cos sin
sd s s s s
sq s s s s
i i i
i i i
 
 
 
 
 
  (3.3)
- Chuyển đổihệ tọa độ điện áp
( CTĐu):
(3.4)
(3.5)
- Khâu điều chỉnh tốc độ quay (ĐC ):
(3.6)
- Các khâu điều chỉnh dòng ( ĐCid và ĐC qi ):
cos sin
sin cos
s sd s sq s
s sd s sq
su s
u u u
u u u
u u



 
 
 
 

w
1 3
2 2
sv s s
s su sv
u u u
u u u
   
  
* *
( )( )I
r p
K
K
p

    

21. EBOOKBKMT.COM
21
+ Điều chỉnh dòng sdi (ĐCid ):
( )Id
d Pd sd
K
y K i
p
  
(3.7)
+ Điều chỉnh dòng sqi (ĐC qi ):
( )Iq
q Pq sq
K
y K i
p
   (3.8)
3.3. Mô hình mô phỏng trên Matlab – Simulink
3.3.1. Mô hình động cơ đồng bộ
- Để thành lập mô hình động cơ đồng bộ ta dựa vào các phương trình đã tính trong
hệ tọa độ dq.
3.3.2. Mô hình mạng tính áp
- Khối mạng tính áp Mtu được xây dựng từ biểu thức (3.1)
3.3.3.Chuyển đổi hệ tọa độ điện áp
- Khối đổi hệ tọa độ điện áp CTĐu được xây dựng từ biểu thức (3.4) và (3.5)
3.3.4. Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện
- Khối đổi hệ tọa độ dòng điện CTĐi được xây dựng từ biểu thức (3.2) và (3.3)
3.3.5. Kết quả mô phỏng
Hình 3.3: Nguồn ba pha

22. EBOOKBKMT.COM
22
Hình 3.4: Điện áp Ud, Uq
Hình 3.5: Dòng điện isd
Hình 3.6: Dòng điện isq

23. EBOOKBKMT.COM
23
Hình 3.7: Momen của động cơ
Hình 3.8: Tốc độ góc của động cơ

24. EBOOKBKMT.COM
24
Kết luận
Qua các bước phân tích và mô phỏng ở trên đã giải quyết được các vấn đề sau:
Nghiên cứu cấu trúc điều khiển động cơ xoay chiều ba pha kích thích vĩnh cửu dựa
trên nguyên lý tựa theo từ thông rô-to, xây dựng hệ thống mô phỏng trên matlab và
simulink hệ truyền động đồng bộ, cài đặt và tiến hành thử nghiệm một số cấu trúc
điều khiển điển hình cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu.
Các thông số và kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống hoạt động tốt, ổn định

25. EBOOKBKMT.COM
25
Tài liệu tham khảo
+ [1] Nguyễn Phùng Quang - Andreas Dittrich; Truyền Động Điện Thông Minh;
NXB Khoa học kỹ thuật; 2002.
+ [2] Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Phạm Quốc Hải – Dương VĂn Nghi;
Điều Chỉnh Tự Động Truyền Động Điện; NXB Khoa học kỹ thuật; 2008.
+ [3] Nguyễn Phùng Quang; Matlab & Simulink dành cho Kỹ sư ĐKTĐ; NXB
Khoa học kỹ thuật; 2006.