Luận văn:Điều khiển sensorless động cơ không đồng bộ ba pha

Luận văn:Điều khiển sensorless động cơ không đồng bộ ba pha Nội dung bản đồ án bao gồm bốn chương chính. Nội dung mỗi chương được trình bày như sau: Chương...

& & &

& & &

(3)

(1) (2)

(4)

H U

H

10/44

1 3 2

H U

11/44

H U

H

đi u khi n đóng c t các khóa công su t nh m m c đích gi m sai s momen và t thông trong ph m vi

15/44

K K S

H U

21/44

H U

27/44

H U

H

toàn chính xác.

28/44

H U

H

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên c u c a riêng tôi Các s li u, k t

qu nghiên c u trong lu n v n là trung th c và ch a t ng đ c ai công b trong b t

k các công trình nào khác

Tôi xin cam đoan r ng m i s giúp đ cho vi c th c hi n lu n v n đã đ c c m

n và các thông tin trích d n trong lu n v n đã đ c trích d n ngu n g c

H c viên th c hi n lu n v n

H U

H

L I C M N

hoàn thành ch ng trình cao h c và vi t lu n v n n y, tôi đã nh n đ c s

h ng d n và giúp đ nhi t tình c a quí Th y cô Tr ng i H c K Thu t Công Ngh TP.HCM và Tr ng i H c Bách Khoa TP.HCM

Tr c h t, tôi xin chân thành c m n đ n quí Th y cô Tr ng i H c K Thu t Công Ngh TP.HCM đã t n tình d y b o cho tôi su t th i gian h c t p t i

tr ng

Tôi xin g i l i bi t n sâu s c đ n PGS.TS Lê Minh Ph ng, Tr ng i H c Bách Khoa TP.HCM, đã dành r t nhi u th i gian và tâm huy t h ng d n nghiên c u

và giúp đ tôi hoàn thành lu n v n t t nghi p n y

Nhân đây, tôi cng xin chân thành c m n BGH Tr ng i H c K Thu t Công Ngh TP.HCM cùng quí Th y cô trong Khoa i n- i n t , BG Công Ty C

Ph n Long Hi p, gia đình và b n bè đã t o đi u ki n cho tôi hoàn thành t t khóa h c

M c dù đã có nhi u c g ng hoàn thi n lu n v n b ng t t c s nhiêt tình và

n ng l c c a mình, tuy nhiên tôi c ng không th tránh kh i nh ng thi u sót, r t mong

nh n đ c nh ng đóng góp quí báu c a Th y cô và các b n

HU NH VI T TH

Trong ph ng pháp đi u khi n vecto (hay còn g i là ph ng pháp đi u khi n

t a h ng t thông rotor - FOC) t c đ h i ti p t ngõ ra đ ng c s đ c dùng đ xác đ nh thông s r và góc

M t d ng đ c bi t c a ph ng pháp FOC là ph ng pháp SENSORLESS,

ph ng pháp n y s d ng b c l ng t c đ đ thay cho vi c h i ti p t c đ t ngõ ra c a đ ng c đây, các giá tr là dòng iabc và uabcđ c dùng đ làm các thông

s đ u vào cho b c l ng

tài “ i u khi n Sensorless đ ng c không đ ng b ba pha” s đi sâu vào

vi c xây d ng mô hình b c l ng t c đ theo ph ng pháp MRAS, sau đó so sánh v i ph ng pháp FOC đ đ a ra đ c tr ng đáp ng c a t ng ph ng pháp

So v i ph ng pháp FOC thì ph ng pháp SENSORLESS có u đim h n do không ph i s d ng c m bi n t c đ (th ng g p khó kh n trong vi c x lý các v n

đ k thu t liên quan) V n đ thi t l p thu t toán đ nh n d ng thích nghi thông s

đ ng c theo nhi t đ thì c n đ c quan tâm và là h ng phát tri n c a đ tài

into three main groups:

- Scalar Control

- Vector Control

- Direct Torque Control

In the Vector Control Method (it is called also Field Oriental Control – FOC) the feedback of speed will be used to determine parameters are Flux Rotor r and

angular deflection

A special form of FOC Method is Sensorless Method In this method, it have to built the Estimate Speed Block in order to create parameter and it will replace for the feedback speed from the induction motor output In there, two values are current

iabc and voltage uabc are used to create input parameters of the Estimate Speed Block

The composition “ The Induction Motor Control by Sensorless Method” will use MRAS Method to build the Estimate Speed Block and compare it with FOC Method

to decrible diference of two methods

The Sensorless Method has more advantage than FOC Method because it do not use the encorder The establishment of algorithms in order to adaptly identify IM parameters according to temperature Those are interested in problems as well as the

developing direction of this composition

M C L C v DANH M C CÁC T VI T T T ix

1.4 Mô hình tr ng thái đ ng c trên h t a đ stator 18

1.5 Mô hình tr ng thái c a đ ng c trong h tr c quay dq 23

ngu n áp 39

2.2.2.1 Ho t đ ng v i t n s d i đ nh m c (a < 1) 40 2.2.2.1.1 Ph ng pháp t thông không đ i (E/f = const) 40 2.2.2.1.2 Ph ng pháp V/f = const 43

2.2.2.2 Ho t đ ng v i t n s trên đ nh m c (a > 1) 44

2.2.3 Mômen và công su t đ ng c khi làm vi c v i bi n t n

ngu n áp 45 2.2.4 i u khi n t n s đ ng c không đ ng b v i b bi n t n

2.2.5.3 B ng tham chi u 56 2.2.6 Ph ng pháp đi u khi n t a h ng tr ng (FOC) 57 2.2.6.1 Ph ng pháp đi u khi n tr c ti p 59 2.2.6.2 Ph ng pháp đi u khi n gián ti p 61 2.2.6.3 u đi m 63

2.2.6.4 Nh c đi m 63

H U

H

Ch ng 3 I U KHI N NH H NG T THÔNG

(FIELD ORIENTED CONTROL – FOC) 64

3.1 Bi u di n vector không gian cho các đ i l ng ba pha 66

3.2 Các h t a đ và phép bi n đ i tr c 66 3.2.1 H t a đ - 66

3.2.2 Phép chuy n tr c -abc 67 3.2.3 Phép chuy n tr c abc- 68

3.2.4 H t a đ d-q 68

3.3 Mô hình toán trên h t a đ - 69

3.4 Mô hình toán trên h t a đ d-q 72

3.5 Ph ng pháp đi u khi n đ nh h ng t thông

(FOC – Field Oriented Control) 74

Ch ng 4: I U KHI N VECTO KHÔNG DÙNG C M BI N

(SENSORLESS VECTOR CONTROL) 81 4.1 Các ph ng pháp c l ng t c đ 83 4.1.1 Tính toán đ tr t 83

4.1.2 T ng h p tr c ti p t ph ng trình tr ng thái 84

4.1.3 H th ng mô hình đáp ng s tham chi u (MRAS) 86

4.1.4 Quan sát t c đ đáp ng t thông (Quan sát Luenberger) 89 4.1.5 B l c m r ng Kalman (EKF) 93 4.1.6 Khe các sóng hài 97 4.1.7 a tín hi u ph vào roto c c l i 97

4.2 i u khi n tr c ti p vect không dùng tín hi u t c đ 98

5.1.2 Mô ph ng 111

5.2 Mô ph ng đi u khi n CK B ba pha b ng các ph ng pháp

FOC & SENSORLESS 115

5.2.3.1 Mô ph ng đ ng c khi thay đ i t c đ 127

5.2.3.2 Mô ph ng đ ng c khi thay đ i đ ng th i t i và t c đ 132

5.3 K t lu n 138

K T LU N VÀ KI N NGH NH NG NGHIÊN C U TI P THEO 139

TÀI LI U THAM KH O

H U

H

i dòng đi n (A)

isd dòng stator trên tr c d (A)

isq dòng stator trên tr c q (A)

is dòng stator trên tr c (A)

is dòng stator trên tr c (A)

J momen quán tính (Kgm2)

Lm h c m gi a stator và rotor (H)

Lr đi n c m rotor (H)

Ls đi n c m stator (H)

L r đi n c m t n c a cu n dây rotor đ qui đ i v stator (H)

L s đi n c m t n c a cu n dây stator (H)

usd đi n áp stator trên tr c d (V)

usq đi n áp stator trên tr c q (V)

us đi n áp stator trên tr c (V)

H U

H

us đi n áp stator trên tr c (V)

góc c a tr c rotor trong h t a đ (rad)

r t c đ góc c a t thông rotor so v i stator (rad/s)

s t c đ góc c a t thông stator so v i stator (rad/s)

sl t c đ góc c a t thông rotor so v i rotor (rad/s)

DTC Direct Torque Control

EKF Extended Kalman Filter

FOC Field Oriented Control

MRAS Model Referencing Adaptive System

PCLPF Programmable Cascaded Low-Pass Filter

PLL Phase Locked Loop

Hình 1.7: Vecto dòng stator trên h t a đ c đ nh và h t a đ quay dq 18

Hình 1.8: Dòng đi n stator is trong h t a đ abc và h t a đ 24

Hình 1.9: Vecto không gian dòng stator trên h t a đ và h t a đ dq 25

Ch ng 2: CÁC PH NG PHÁP I U KHI N NG C KHÔNG NG B Hình 2.1: M ch t ng đ ng m t pha CK B 32

Hình 2.2: M ch t ng đ ng m t pha CK B quy đ i v stator 32

Hình 2.3: M ch t ng đ ng Thevenin suy ra t hình (2.2) 33

Hình 2.4: M ch t ng đ ng g n đúng c a CK B 33

Hình 2.5: Gi n đ vecto m ch t ng đ ng m t pha c a CK B 36

Hình 2.6: c tính CK B khi đi u ch nh đi n áp stator 37

Hình 2.7 : M ch đi u khi n đi n áp 3 pha 38

Hình 2.8 : H đ c tính c khi đi u ch nh theo qui lu t E/f = const (a<1) 40

Hình 2.9 : H đ c tính c khi đi u ch nh theo qui lu t V/f = const (a<1) 43

Hình 2.10 : H đ c tính c khi đi u ch nh theo qui lu t V/f = const (a>1) 48

Hình 2.17: S đ kh i đi u khi n đ nh h ng theo vect t thông rotor tr c ti p 59

Hình 2.18: S đ kh i đi u khi n đ nh h ng theo vect t thông rotor gián ti p 61

Hình 3.10: S đ đi u khi n đ nh h ng t thông rotor tr c ti p 77

Hình 3.11: S đ đi u khi n đ nh h ng t thông rotor gián ti p 80

Ch ng 4: I U KHI N VECTO KHÔNG DÙNG C M BI N

(SENSORLESS VECTOR CONTROL)

Hình 4.1: H th ng đi u khi n Sensorless 82

Hình 4.5: S đ ti n trình thu t toán EKF 98

Hình 4.6: Bi u di n Opamp c a PCLPF cho s tích phân 100

Hình 4.7: Vecto d ng sin t thông stator c b n PCLPF 3 b c 102

Hình 5.2: Mô ph ng mô hình toán CK B trong h t a đ 108

Hình 5.3: Mô ph ng mô hình toán CK B trong h t a đ dq 109

Hình 5.4: Khâu chuy n h t a đ dq 109

Hình 5.5: Mô ph ng mô hình toán CK B trong h t a đ ABC 110

Hình 5.6: Khâu chuy n h t a đ ABC 110

Hình 5.7: áp ng ngõ ra trên ba h t a đ , dq vàABC 113

Hình 5.8: S đ mô ph ng CK B trên 3 ph ng pháp đi u khi n 115

Hình 5.9: S đ mô ph ng đi u khi n CK B ba pha b ng ph ng pháp FOC 117

Hình 5.15: S đ mô ph ng đi u khi n Sensorless CK B ba pha 121

Hình 5.16: Kh i chuy n tr c sang abc 122

Hình 5.17: Kh i mô ph ng c l ng t c đ 123

Hình 5.18: Kh i chuy n tr c abc sang 123

Hình 5.19: Kh i c l ng t thông và momen 123

Hình 5.20: Kh i chuy n đ i đi n áp abc sang 124

Hình 5.21: Kh i chuy n đ i dòng đi n abc sang 124

Hình 5.22: Kh i mô hình c l ng t c đ 125

Hình 5.23: Kh i mô hình đáp ng 125

Hình 5.24: Kh i c l ng 126 Hình 5.25: Kh i so sánh 126 Hình 5.26: Khâu PI 126

Hình 5.27: áp ng ngõ ra c a CK B ba pha đi u khi n b ng ph ng

pháp SENSORLESS khi không t i TL=0Nm và có s thay đ i t c đ 127

Hình 5.28: áp ng ngõ ra c a CK B ba pha đi u khi n b ng ph ng pháp

FOC khi không t i TL=0Nm và có s thay đ i t c đ 128

Hình 5.29: áp ng ngõ ra c a CK B ba pha đi u khi n b ng ph ng

pháp SENSORLESS khi t i TL=50.4Nm và có s thay đ i t c đ 130

Hình 5.30: áp ng ngõ ra c a CK B ba pha đi u khi n b ng ph ng pháp

FOC khi t i TL=50.4Nm và có s thay đ i t c đ 131

H U

H

SENSORLESS khi thay đ i t i và có s thay đ i t c đ t n s 10 Hz 133

Hình 5.32: áp ng ngõ ra c a CK B ba pha đi u khi n b ng ph ng pháp

FOC khi thay đ i t i và có s thay đ i t c đ t n s 10 Hz 134

Hình 5.33: áp ng ngõ ra c a CK B ba pha đi u khi n b ng ph ng pháp

SENSORLESS khi thay đ i t i và có s thay đ i t c đ t n s 50 Hz 136

Hình 5.34: áp ng ngõ ra c a CK B ba pha đi u khi n b ng ph ng pháp

FOC khi thay đ i t i và có s thay đ i t c đ t n s 50 Hz 137

c y, r ti n và kích th c g n nh Nh c đi m là đ c tính c phi tuy n m nh nên

tr c đây, v i các ph ng pháp đi u khi n còn đ n gi n, lo i đ ng c này ph i nh ng

ch cho đ ng c đi n m t chi u Nh ng v i vi c phát tri n c a các lý thuy t đi u khi n, truy n đ ng c ng v i s ti n b c a khoa h c k thu t nh k thu t vi x lý,

đi n t công su t nên đã h n ch đ c nh c đi m trên, đ a đ ng c không đ ng b

tr thành ph bi n

Tr c đây th ng đi u khi n đ ng c b ng cách đi u ch nh đi n áp ây là m t

ph ng pháp đ n gi n nh ng ch t l ng đi u ch nh k c t nh l n đ ng đ u không cao

đi u khi n đ c chính xác và hi u qu ph i nói đ n ph ng pháp thay đ i t n s

đi n áp ngu n cung c p Do t c đ đ ng c không đ ng b x p x t c đ đ ng b nên

đ ng c làm vi c v i đ tr t nh và t n hao công su t tr t trong m ch rôto nh Tuy nhiên ph ng pháp này còn ph c t p và đ t ti n, thi t b dùng đ bi n đ i t n s là các

Quan sát m t bi n t n ta th y trên màn hi n th th ng có các kh n ng hi n th

t c đ quay c a tr c, t n s ngu n c p, th i gian t ng t c, th i gian gi m t c, theo dõi các tham s c a đ ng c nh dòng đi n, đi n áp… trong khi ta nhn th y không có

H U

H

trong ph n đi u khi n c a bi n t n

h th ng truy n đ ng đ ng c không đ ng b kinh đi n, th ng có m t m ch vòng đi u ch nh t c đ v i tín hi u ph n h i t c đ thông th ng nh n đ c t c m

bi n t c đ g n trên tr c đ ng c Tuy nhiên c m bi n t c đ quay có m t s nh c

đi m: nó làm cho h th ng truy n đ ng đi n không đ ng nh t do ph i l p cùng trên

tr c đ ng c m t máy phát t c đ hay m t c m bi n s Trong nhi u tr ng h p không

th l p đ c c m bi n t c đ trên tr c đ ng c , ví d nh h th ng truy n đ ng đi n cao t c, h th ng truy n đ ng đi n ôtô hay khi đ ng c làm vi c môi tr ng kh c nghi t H n n a, khi đ ng c xa trung tâm, nhi u gây ra do truy n d n tín hi u t máy phát t c v t đi u khi n là v n đ ph c t p cho vi c nâng cao đi u khi n

V n đ nghiên c u h th ng đi u khi n đ ng c không đ ng b không dùng c m

bi n t c đ có ý ngh a quan tr ng và mang tính th c ti n cao H th ng này cho phép

s d ng có hi u qu đ ng c không đ ng b trong các h th ng truy n đ ng đi n các máy công nghip, góp ph n gi m đ ph c t p, gi m giá thành b o d ng và chi phí

v n hành h th ng truy n đ ng đi n, gi i quy t nh ng v n đ không th kh c ph c c a

đ ng c m t chi u nh m c đ h h ng c ng nh chi phí b o d ng v n hành cao

V i m c đích trên, lu n v n đã s d ng các lý thuy t bi n đ i thông s đ ng c trên các h tr c t a đ và mô ph ng chúng b ng Matlab_Simulink nh m kh ng đ nh nét đ c

tr ng c a t ng ph ng pháp, qua đó làm c s cho vi c v n d ng sau n y

đó, CK B đ c s d ng r ng rãi trong công nghi p h n các lo i đ ng c khác

Tuy nhiên cho đ n g n đây, ph n l n các CK B đ c s d ng trong các ng

d ng v i t c đ không đ i do các ph ng pháp đi u khi n t c đ CK B tr c đây

th ng đ t ho c có hi u su t kém

V i s phát tri n m nh m c a k thu t bán d n công su t cao và k thu t vi

x lý, hi n nay nh ng b đi u khi n CK B đã đ c ch t o v i đáp ng cao h n và giá thành r h n các b đi u khi n đ ng c DC trong r t nhi u ng d ng D ki n trong t ng lai gn, CK B s đ c s d ng r ng rãi trong h u h t các h truy n

2 2

3

m

R U s M

R

R X s

Ta có th d a vào đó đ đi u khi n momen b ng cách thay đ i các thông s nh

đi n áp cung c p phía stator, đi n tr ph , t c đ tr t và t n s ngu n

H U

H

Do mômen đ ng c không đ ng b t l v i bình ph ng đi n áp stato,do đó có

th đi u ch nh đ c mômen và t c đ không đ ng b b ng cách đi u ch nh đi n áp stato trong khi gi nguyên t n s ây là ph ng pháp đ n gi n nh t, ch s d ng m t

b bi n đ i đi n n ng (bi n áp, Thyristor) đ đi u ch nh đi n áp đ t vào các cu n stator Ph ng pháp này kinh t nh ng h đ c tính c thu đ c không t t, thích h p

v i ph t i máy b m, qu t gió

- i u khi n đi n tr rotor

S d ng trong c c u d ch chuy n c u tr c, qu t gió, b m n c: b ng vi c đi u khi n ti p đi m ho c Thyristor làm ng n m ch/h m ch đi n tr ph c a rotor ta đi u khi n đ c t c đ đ ng c Ph ng pháp này có u đi m m ch đi n an toàn, giá thành

r Nh c đi m: đ c tính đi u ch nh không t t, hi u su t th p, vùng đi u ch nh không

r ng

- i u ch nh công su t tr t

Trong các tr ng h p đi u ch nh t c đ đ ng c không đ ng b b ng cách làm

m m đ c tính và đ nguyên t c đ không t i lý t ng thì công su t tr t ∆Ps=Spđtđ c tiêu tán trên đi n tr m ch rôto các h th ng truy n đ ng đi n công su t l n, t n hao này là đáng k Vì th đ v a đi u ch nh đ c t c đ truy n đ ng, v a t n d ng đ c công su t tr t ng i ta s d ng các s đ công su t tr t (s đ n i t ng/ n i c p)

P1=Pc +Ps =P1(1-s) +Sp1=const

N u l y Ps tr l i l i thì ti t ki m đ c n ng l ng

- Khi đi u ch nh v i ω < ω1: đ c g i là đi u ch nh n i c p d i đ ng b (l y

n ng l ng Ps ra phát lên l i)

- Khi đi u ch nh v i ω > ω1(s<0): đi u ch nh công su t tr t trên đ ng b (nh n

n ng l ng Ps vào) hay còn gi là đi u ch nh n i c p trên đ ng b ho c truy n đ ng

đ ng c hai ngu n cung c p