tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG hệ TRUYỀN ĐỘNG DÙNG ĐỘNG cơ ĐỒNG bộ

TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ĐCĐBNCVC 1.1 Khái quát 1.2 Động học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 1.2.1 Phương trình của động cơ trong hệ toạ độ a,b

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp Thái Nguyên.

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp Thái Nguyên.

Vào 14 giờ 30 phút ngày tháng năm 2011.

Cú thể tỡm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên

và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công

Đóng góp có ý nghĩa của luận văn là đề xuất xây dựng quy luật điều khiển

tỷ lệ tối ưu giữa moment/dòng điện (T/I), các kết quả mô phỏng đã chứng minhmột cách thuyết phục ý nghĩa thực tiến của đề tài Điều khiển trực tiếp theo mộtquy luật, đáp ứng moment nhanh hơn nhiều so với phương pháp điều vectơ(nhanh hơn từ 57 lần), giảm được tổn thất trong động cơ

Các chương nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan hệ thống truyền động động cơ đồng bộ NCVC

Chương 2: Điều khiển trực tiếp moment động cơ đồng bộ NCVC

Chương 3: Điều khiển trực tiếp moment ĐCĐBNCVC tối ưu dòng điện

Trong quá trình thực hiện luận văn, dưới sự hướng dẫn Tiến sỹ Võ QuangVinh, tác giả đã nỗ lực thực hiện để hoàn thành các nội dung đề ra thuộc hướngnghiên cứu Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn các thầy trước việc địnhhướng rõ nét và góp nhiều ý kiến quí báu cho bản luận văn này

Do hạn chế về thời gian cũng như về kiến thức của bản thân chắc chắnbản luận văn này còn nhiều khiếm khuyết, tác giả sẽ rất hạnh nếu được tiếp nhậncác ý kiến phê phán các nội dung đề cập trong luận văn

Chương 1

TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

NAM CHÂM VĨNH CỬU (ĐCĐBNCVC) 1.1 Khái quát

1.2 Động học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

1.2.1 Phương trình của động cơ trong hệ toạ độ (a,b,c)

Phương trình điện áp:

Phương trình động học của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu:

1.2.2 Phương trình của động cơ trong hệ toạ độ (dq)

1.2.3 Phương trình trong hệ toạ độ từ thông stator (xy)

1.2 Các sơ đồ điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu

1.3.1 Vấn đề chung về điều khiển vectơ

Hình 1.4: Sơ đồ điều khiển vectơ trong truyền động ĐCĐBNCVC

1.3.2 Vấn đề chung về điều khiển trực tiếp moment

Ưu điểm của phương pháp điều khiển trực tiếp moment:

- Ít phụ thuộc tham số máy điện, chỉ sử dụng một tham số duy nhất của

- Không sử dụng bộ điều khiển dòng điện, có điều biến độ rộng xung

- Không cần biết vị trí rotor, kết cấu đơn giản, thời gian tác động nhanh.

1.4 Kết luận chương 1

Trong chương 1 đã giới thiệu những vấn đề chung và phương pháp luậnđiều khiển trực tiếp moment động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu từ đó đưa rahướng nghiên cứu điều khiển trực tiếp nhằm áp nhanh moment trong hệ truyềnđộng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửa, ít ảnh hưởng bởi các tham số động

cơ, kết cấu mạch đơn giản, không cần xác định vị trí rotor là một hướng tiếp cậnmới Tuy nhiên trong DTC hiện nay còn gặp một số hạn chế ở vùng tốc độ thấpkhông điều khiển được moment, gây tổn thất cho động cơ Đây là vấn đề đượcđặt ra và luận văn nghiên cứu

Chương 2

ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMENT ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 2.1 Điều khiển từ thông stator

Từ các công thức ở chương 1 đã chứng minh rằng moment thay đổi có thểđiều khiển bằng cách giữ biên độ của từ thông stator bằng hằng số và tăng tốc độquay của từ thông stator càng nhanh càng tốt, để đạt sự thay đổi moment cựcđại Trong phần này sẽ chứng minh cả biên độ và tốc độ quay của từ thông stator

có thể điều khiển bằng cách lựa chọn các vectơ điện áp thích hợp

Vs 32Va Vbe j2/3 Vce j4/3 

(2.1)

2.2 Lựa chọn vectơ điện áp

Hình 2.4 Sự lựa chọn vectơ điện áp tuỳ thuộc theo vùng, với S = 1

2.4 Ước lượng từ thông stator, moment điện từ

4 F- beta

3 F- alpha

2 F- beta

1 F- alpha

T T.s+1 Transfer Fcn8

T T.s+1 Transfer Fcn7 T T.s+1 Transfer Fcn6

T T.s+1 Transfer Fcn5

T T.s+1 Transfer Fcn4

T T.s+1 Transfer Fcn3

T T.s+1 Transfer Fcn2

T T.s+1 Transfer Fcn1

Saturation

Re

Im

Real-Imag to Complex1

Re

Im

Real-Imag to Complex

min MinMax

Demux

Demux

Re(u)

Im(u) Complex to Real-Imag1

Re(u)

Im(u) Complex to Real-Imag

|u|

u

Complex to Magnitude-Angle1

|u|

u

Complex to Magnitude-Angle

3 F- alpha

2 F- beta

1 F- alpha

T T.s+1 Transfer Fcn8

T T.s+1 Transfer Fcn7 T T.s+1 Transfer Fcn6

T T.s+1 Transfer Fcn5

T T.s+1 Transfer Fcn4

T T.s+1 Transfer Fcn3

T T.s+1 Transfer Fcn2

T T.s+1 Transfer Fcn1

Saturation

Re

Im Real-Imag to Complex1

Re

Im Real-Imag to Complex

min MinMax

Demux Demux

Re(u)

Im(u) Complex to Real-Imag1

Re(u)

Im(u) Complex to Real-Imag

|u|

u Complex to Magnitude-Angle1

|u|

u Complex to Magnitude-Angle

Hình 2.6: Cấu trúc bộ ước lượng

(2.21)

2.5 Thiết lập bộ phận hiệu chỉnh từ thông, moment

vectơ điện áp này phụ thuộc vào tín hiệu sai lệch của từ thông chứ không phụthuộc vào biên độ từ thông Điều này chứng tỏ rằng đầu ra của bộ phận hiệuchỉnh từ thông có thể là một biến số Bool

2.6 Thiết lập bảng chuyển mạch

chuyển mạch của biến tần là ít nhất

Bảng 2.1: Bảng lựa chọn vectơ điện áp điều khiển trễ moment 3vị trí, 6 vectơ

2.7 Cấu trúc hệ thống điều khiển trực tiếp moment

Cấu trúc của các bộ phận chủ yếu của hệ thống điều khển trực tiếp moment

đối với hằng số thời gian của máy điện

ĐC ncvc

Bộ ĐK trễ moment

Bộ chuyển mạch

Hình 2.9: Cấu trúc hệ thống DTC động cơ đồng bộ NCVC

Hình 2.10: Sơ đồ khối điều khiển trực tiếp moment động cơ ĐBNCVC

2.8 Ảnh hưởng của điện trở stator trong phương pháp điều khiển trực tiếp moment (DTC)

phương pháp DTC, do vậy ảnh hưởng của tham số này tới chất lượng điều khiểncần phải xét tới Phần cốt lõi của phương pháp DTC là dựa vào sai lệch giữamoment đặt với moment được ước lượng và sai lệch giữa từ thông đặt với từthông được ước lượng, trong đó việc ước lượng moment được tính theo giá trị từthông được ước lượng, do vậy việc ước lượng từ thông có tính quyết định trongphương pháp điều khiển trực tiếp moment

2.9 Bù ảnh hưởng của điện trở stator

Để bù ảnh hưởng của điện trở stator có 2 phương pháp thực hiện ướclượng điện trở Phương pháp 1: là sử dụng bộ điều khiển PI để ước lượng điệntrở (M E Haque và M F Rahman, 1998.) thông qua lượng sai lệch từ thông tạithời điểm đang xét và hai bộ lọc thông thấp Phương pháp 2: Ước lượng điện trởstator ở trạng thái nghỉ của động cơ

2.9.1 Ước lượng điện trở stator sử dụng bộ điều khiển bù PI

Trong phương pháp này, sai lệch giữa giá trị đặt từ thông stator với giá trị

từ thông stator được ước lượng tại thời điểm đang xét là đầu vào bộ ước lượng

PI

Bảng chọn vectơ điện áp

IGBT Bridgess

U0

s

T statorAng

PMSM

Tính toán moment T

s

Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp moment có tính đến bộ bù điện trở statorđược trình bày hình (2.9).

Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc DTCcủa ĐCĐBNCVC có bù R s

Phương pháp này dựa trên lập luận, sự thay đổi giá trị điện trở stator sẽtạo nên sự thay đổi thành phần dòng điện stator và biên độ từ thông stator, giá trịsai lệch từ thông tỉ lệ thuận với lượng thay đổi giá trị điện trở stator, phươngtrình được sử dụng cho bộ bù điện trở PI có biểu thức:

IGBT Bridges

Tính toán biên độ và góc quay từ thông Tính toán moment

Tính

Ua, Ub

PMSM

Ước lượng điện trở stator

2 3

U0

T

 s

 Tính

TTínhStatorAngl

*s

2.10 Mô phỏng và so sánh kết quả

+

- v

Re Im

Us_ab F_alpha F_beta

+ - pulses

A B C Universal Bridge

U_ab

Is_abc Is_alpha Is_beta

Vdc SABC U_ab

Sis_alpha Sis_beta Is_alpha Is_beta T T_tinh

T_do2 T_do1

T_do

deltamomen

deltasi

sector Pulse

SwitchMatrix tinhsector

Pulse

Generator

A B C Tm

m

18.6

|u|

u Mag_Phase

m is_abc wm Te Iabc

Flux_locus Flux1

0.48 Flux

F_tinh1

F_tinh

Demux

DC

Hình 2.13: Mô phỏng bằng Matlab điều khiển 3 vị trí

* Kết quả mô phỏng điều khiển trực tiếp moment động cơ đồng bộ namchâm vĩnh cửu sử dụng khâu trễ moment 3 vị trí:

a Quỹ đạo từ thông, điều khiển 3 vị trí

b Dòng điện (A), điều khiển 3 vị trí

c Moment (N.m), điều khiển 3 vị trí

Hình 2.14: Các đặc tính của động cơ, khi điều khiển trễ moment 3 vị trí

* Nhận xét kết quả các đặc tính của động cơ, khi điều khiển trễ

moment 3 vị trí.

Để điều khiển trực tiếp moment của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửunhư ở chương 1 đã phân tích là biên độ từ thông stator được giữ là hằng số,

trong khi đó điều khiển dòng điện id được giữ ở 0 Trong trường hợp trênmoment đặt có thể thay đổi 1 cách đột ngột, đáp ứng moment thực hiện bằngđiều khiển trực tiếp moment thì nhanh hơn nhiều so với điều khiển dòng điện(gấp 5  6 lần).

Từ kết quả mô phỏng, chúng ta thấy rằng: điều khiển trễ moment 3vị trí,quá trình quá độ xảy ra nhanh, nhiễu moment, dòng điện nhỏ hơn

Việc áp dụng điều khiển trực tiếp moment, trong truyền động động cơđồng bộ nam châm vĩnh cửu đã được khảo sát trong luận văn, đã được chứngminh một cách toán học sự gia tăng moment điện từ, trong động cơ nam châmvĩnh cửu thì tương ứng với sự gia tăng về góc lệch pha giữa từ thông rotor vàstator và vì vậy moment nhanh chóng được hình thành, bằng cách điều chỉnh tốc

độ quay từ thông stator càng nhanh càng tốt

2.11 Kết luận chương 2

Để đáp ứng moment nhanh chóng được hình thành, trong chương 2 đãnghiên cứu và mô phỏng phương pháp điều khiển trực tiếp moment động cơđồng bộ nam châm vĩnh cửu, phương pháp mới này đã chứng tỏ những ưu điểmnổi bật so với phương pháp điều khiển vectơ kinh điển

Chương3 ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMENT ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU TỐI ƯU DÒNG ĐIỆN

3.1 Xác định quy luật điều khiển tỷ lệ tối ưu moment/dòng điện maximum torque-per-ampere)

(MTPA-3.1.1 Xác định quy luật giới hạn dòng điện

3.1.2 Xác định quy luật giới hạn điện áp

2 2

q om

nếu bỏ qua điện trở của stator thì ta có biểu thức quan hệ sau:

đơn giản điện áp giới hạn cực đại ứng với mỗi tốc độ được coi là 1 đường thẳngđứng

Với mỗi moment tỷ lệ thì từ thông móc vòng stator sẽ là giá trị tỷ lệ củamoment trong MTPA Nếu tốc độ rotor nhỏ hơn tốc độ đồng bộ thì đường điện

áp giới hạn sẽ nằm bên phải của điểm A (điểm giao MTPA và dòng điện giớihạn) và vì vậy điện áp sẽ luôn luôn phù hợp với điều khiển quy luật MTPA Khitốc độ rotor tăng quá tốc độ đồng bộ thì điện áp giới hạn sẽ dịch chuyển sangtrái và từ thông móc vòng stator phải giảm theo biểu thức (3.5) với công suấtlàm việc không đổi Nói cách khác với điểm làm việc tốc độ rotor nhanh hơn tốc

độ đồng bộ thì độ lớn của từ thông móc vòng sẽ tỉ lệ của động cơ rotor

3.1.3 Cấu trúc điều khiển tỷ lệ tối ưu giữa moment/dòng điện (T/I)

3.1.4 Xác định Moment hằng số và công suất không đổi

Điều khiển moment bằng hằng số và công suất không đổi được biểu diễn

ở lưu đồ thuật toán hình 3.4

r

r

*

Moment bằng hằng số

Công suất hằng số

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

100 80 60 40 20 0

S WB

IGHMTPA

UGH

(1500) 2400

4000

A

120



MC

Hình 3.5: Biến đổi PWM sử dụng cho từ thông tối ưu.

Hình3.6: Giải pháp bộ biến đổi PWM với máy tăng áp

3.2.1 Vận hành từ thông tối ưu

3.2.1.1 Xây dựng giới hạn dòng điện và điện áp

3.2.1.2 Vận hành để moment đạt giá trị cực đại

3.2.1.3 Đặc điểm của sự vận hành từ thông tối ưu

3.2.2 Vận hành bằng bộ biến đổi PWM với máy tăng áp

3.2.2.1 Vận hành khi máy tăng áp nghỉ

3.2.2.2 Sự vận hành với máy bù điện áp

* Kết qủa mô phỏng:

Miền moment hằng số

A

Đường tròn giới hạn dòng điện

10.6 Đường hyperbolas

Moment không đổi

i

q[A]

T= 9.165Nm T= 8 Nm T= 6 Nm T= 4 Nm T= 2 Nm

Moment đạtcực đại

i

d[A]

Miền công suấtkhông đổi

Toàn bộ quy luật của dòng điện stator

A

Đường elip giới hạn điện áp

Đường hyperbolas Moment không đổi

i

q[A]

id[A]

T= 9.1Nm T= 8.65Nm

T= 3.66Nm T= 6.86Nm

105rad/s 101.9rad/s93.9rad/s 85.9rad/s 79.96rad/s

Hình 3.7: Quỹ đạo dòng điện của phương pháp vận hành từ thông tối ưu

Miền moment hằng số

Miền hằng số công suất

A

Đường tròn giới hạn dòng điện

10.6 Đường hyperbolas

Moment không đổi

iq[A]

T= 9.165Nm T= 8 Nm T= 6 Nm T= 4 Nm T= 2 Nm

Moment đạtcực đại

id[A]

i q[A]

A

Đường elip giới hạn điện áp

Đường tròn giới hạn dòng điện Đường hyperbolas Moment không đổi

Toàn bộ quy luật của dòng điện stator

Hình 3.8: Quỹ đạo dòng điện của phương pháp vận hành bằng bộ biến đổi

PWM với máy tăng áp

80 rad/s 105rad/s

r[rad/s]

[N-m]

Hình 3.9: Biểu diễn đặc tính moment, dòng điện hãm tốc của phương pháp

vận hành từ thông tối ưu

T

Miền III Miền II

Hình 3.10: Biểu diễn đặc tính moment, dòng điện hãm của phương pháp vận

hành bằng bộ biến đổi PWM với máy tăng áp

3.4 Kết luận chương 3

Qua nghiên cứu lý thuyết và kết quả mô phỏng đã chứng minh thuật xâydựng quy luật điều khiển tỷ lệ tối ưu moment/dòng điện (T/I) trong hệ truyềnđộng điều khiển trực tiếp moment động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cho chấtlượng điều khiển tốt hơn so với các phương pháp điều khiển sử dụng khâu trễ 3

vị trí Cụ thể là điều khiển trực tiếp moment theo quy luật (MTPA) đã thay đổiđược biên độ từ thông stator, dòng điện, tốc độ điều khiển (giảm), moment vẫnđạt được cực đại ở vùng tốc độ thấp, giảm được tổn thất công suất của động cơ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng việt:

1 Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến, Đoàn Quang Vinh (2003), Điều khiển

Động cơ xoay chiều cấp từ biến tần bán dẫn, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà

Nội

2 Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittricg (2002), Truyền động điện thông

minh, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội

3 Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba

pha, NXB Giáo dục

Tiếng Anh:

4 Takashi Aihara, Akio Toba, Takao Yanase, Akihide M., Kenji Endo (1999),

“ Sensorless Torque Control of Salient – Pole Synchronous Motor at Zero

Speed Operation”, IEEE Trans Industrial Electronics, Vol 41, No.1, pp

202-208

5 Rober H Bishop (2000), Modern Control Systems Analysis and Design

Using Matlab and Simulink, Addison Wesley, New York

6 Swierczynski D, Kazmierkowski M.P, “Driect Torque Control of

Permanent Magnet Motor (PMSM) Using space Vector Modulation SVC)-Simulation and Experimental”.

(DTC-7 Sun Dan Fang Weizhong He Yikang, “Study on the Driect Torque Control

of Permanent Magnet Drivesr” Electrical Machines and Systems, 2001.

ICEMS 2001 Proceeding of the fifth International Conference on

8 Chris French and Paul Acarnley (1990),’’ Direct TorqueControl of Permanent

Magnet Drives’’ IEEE Trans Industrial on Industrial Application, Vol 32,

No.1, pp 1080- 1087

9 Chris French and Paul Acarnley (1996), “ Control of Permanent Magnet

Drives Using a New Position Estimation Technique”, Trans Industrial on