nghiên cứu phân tích tổng hợp và mô phỏng truyền động điện xoay chiều điều khiển vec-tơ trên cơ sở ứng dụng Matlab Simulink

đề tài nghiên cứu phân tích tổng hợp và mô phỏng truyền động điện xoay chiều điều khiển vec-tơ trên cơ sở ứng dụng Matlab Simulink

Mở đầu

Hiện nay, trong các hệ truyền động điện của các dây truyền công nghệhiện đại, động cơ không đồng bộ đang được ứng dụng rất rộng rãi bởi nó cónhiều ưu điểm so với động cơ một chiều Tuy nhiên do cấu trúc phi tuyến đathông số, nên việc điều khiển đông cơ không đồng bộ gặp nhiều khó khăn.Những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật,công nghệ vi điện tử, khoa học máy tính, công nghệ bán dẫn công suất và kỹthuật điều khiển đã tạo sự chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho giải pháp tựđộng hoá công nghiệp, nhiều phương pháp điều khiển hiện đại, hiệu quả đãđược đề xuất cho việc điều khiển động cơ không đồng bộ Đặc biệt, phươngpháp điều khiển véc tơ là một phương pháp tin cậy và hiệu quả để điều khiểncác hệ động cơ không đồng bộ nhờ đó có thể thay thế dần động cơ một chiều

Để đưa lý thuyết vào thực tế hiệu quả, nhằm giảm được giá thành cũngnhư đảm bảo an toàn trong thực nghiệm, chúng ta sử dụng các công cụ môphỏng mạnh để mô phỏng, đặc biệt là Matlab Simulink Quá trình phân tích

và mô phỏng không những làm sáng tỏ, tường minh và trực quan các vấn đềcủa các thuật toán mà lý thuyết đưa ra, là công cụ tốt để nghiên cứu và họctập mà còn cho phép chúng ta nghiên cứu bản chất vật lý, các quá trình điện

từ xảy ra trong các kênh năng lượng và kênh điều khiển của truyền động điệnxoay chiều 3 pha; giúp giảm chi phí trong quá trình thực nghiệm và là mộtcông đoạn không thể thiếu được trong quy trình áp dụng các công nghệ mới

xây dựng mô hình mô phỏng các khối điều khiển này bằng phần mềm MatlabSimulink

Cấu trúc của luận văn gồm: phần mở đầu; chương 1, 2, 3 và 4; phần kếtluận chung; tài liệu tham khảo; phụ lục

Nội dung chính của luận văn:

Chương 1 chủ yếu nghiên cứu về các phương pháp điều khiển động cơ

Trước hết, tác giả luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới sự giúp đỡchỉ bảo, hướng dẫn tận tình của Tiến sĩ Phạm Tuấn Thành Thầy đã gợi mởhướng nghiên cứu và đã tận tình hướng dẫn với những ý kiến cụ thể, sâu sắc,tạo điều kiện giúp tôi từng bước hoàn thiện, nâng cao khả năng nghiên cứutrong quá trình thực hiện luận văn này

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo và các cán bộ, nhân viên thuộcKhoa Kỹ thuật Điều khiển, Học Viện Kỹ thuật Quân sự đã giúp đỡ và tạođiều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian thực hiện luận văn tại Học Viện.

Tôi xin chân thành cảm ơn một số đồng nghiệp, bạn cùng lớp đã cónhững đóng góp nhất định đối với công việc học tập, nghiên cứu của tôi trongthời gian qua

Chương 1 Tổng quan các phương pháp điều khiển Động cơ không đồng bộ ba pha 1.1 Tổng quan về động cơ không đồng bộ ba pha

1.1.1 Đặc điểm chung của động cơ xoay chiều ba pha

Ngày nay, động cơ xoay chiều ba pha được sử dụng rộng rãi trong côngnghiệp và chiếm một tỉ lệ lớn so với các động cơ khác ưu điểm của động cơxoay chiều là cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, giá thành hạ, vận hành antoàn, chịu được điều kiện làm việc môi trường khắc nhiệt, nối trực tiếp vớilưới điện áp xoay chiều ba pha nên không cần dùng đến bộ biến đổi

Tuy nhiên nhược điểm cơ bản của động cơ này là hệ số cos khôngcao, đặc tính điều chỉnh (khi mở, khi điều chỉnh tần số, ổn định và khống chếtốc độ) phức tạp nên gặp khó khăn trong qúa trình điều chỉnh

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của điện tửcông suất, vi xử lý, tin học, đã cho phép giải quyết những bài toán phức tạptrong vấn đề điều khiển động cơ xoay chiều ba pha, đáp ứng thời gian thựcvới chất lượng điều khiển cao, khắc phục được những hạn chế trước đây (mởrộng dải điều chỉnh, điều chỉnh với độ chính xác cao) và dần dần thay thế hệtruyền động một chiều

1.1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều ba pha

Khi coi ba pha động cơ là đối xứng, được cấp bởi nguồn xoay chiềuhình sin ba pha đối xứng và mạch từ động cơ không bão hoà thì có thể xemxét động cơ qua sơ đồ thay thế một pha Đó là sơ đồ điện một pha phía statorvới các đại lượng điện ở mạch rotor đã quy đổi về stator, như hình 1.1a,b

Đường đặc tính của động cơ điện xoay chiều ba pha là một đường

tương đối phức tạp gồm có hai đoạn AK và BK (hình 1.1c) Trong đó:

- Đoạn AK gần thẳng và cứng Trên đoạn này, mômen của động cơtăng thì tốc độ của động cơ giảm Do vậy, động cơ làm việc trong vùng đặctính này sẽ ổn định

Hình 1.1 Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều ba pha và

sơ đồ thay thế tương đươngGiả sử động cơ đang làm việc tại điểm P với mômen cản Mp xuống Mq

c,

thì động cơ sẽ tăng tốc theo đặc tính từ P đến Q và mômen động cơ giảm đi.Tại điểm Q thì mômen động cơ MĐ = MQ và động cơ sẽ làm việc ổn định tạiđiểm làm việc mới (Q) với tốc độ Q lớn hơn trước (Q > P).

Ngược lại khi tải tăng từ MP lên MS thì bằng cách lý giải tương tự,động cơ sẽ chuyến tới điểm làm việc S tốc độ thấp hơn và mômen lớn hơn

- Đoạn KB cong với độ dốc dương, đoạn này động cơ làm việc không ổnđịnh

Giả sử với MR, động cơ làm việc tại điểm R trên đoạn NK của đặctính cơ Khi tải bị biến động, chẳng hạn tải tăng lên thì tốc độ động cơ bị giảmtheo đặc tính về phía B như khi đó mômen của động cơ lại giảm nên động cơkhông thể lấy lại được sự cân bằng giữa mômen động cơ và mômen tải Kếtquả, động cơ tiếp tục giảm tốc độ cho tới khi dừng (điểm B)

Trên đường đặc tính cơ tự nhiên điểm B ứng với tốc độ  = 0 (s=1) làmtròn nhiệm vụ mở máy Mmm

2 1 0

' 2

2 1 3

nm

ph mm

X R R

R U M

Điểm A ứng với mômen cản bằng 0 (MC=0) và tốc độ đồng bộ:

' 2

nm

th

X R

R s



1.1.3 Các đặc điểm điều chỉnh khi sử dụng biến tần

Mô hình tổng quát điều khiển động cơ bằng biến tần như hình 1.2

P

Hình 1.2 Mô hình điều khiển động cơ bằng biến tần

Tuỳ theo hệ điều khiển biến tần - động cơ mà người ta phân biến tần thành hai loại chính:

- Biến tần trực tiếp: là loại biến tần có tần số đầu ra luôn nhỏ hơn tần sốđầu vào (thường nhỏ hơn 50Hz) dùng cho các hệ truyền động công suất lớn.Loại này biến đổi thẳng dòng điện xoay chiều tần số f1 thành f2, không quakhâu chỉnh lưu (CL) nên hiệu suất cao hơn loại biến tần độc lập (biến tần giántiếp) nhưng việc thay đổi tần số ra khó khăn và phụ thuộc vào tần số vào f1

- Biến tần gián tiếp nguồn áp: là loại biến tần dùng cho hệ truyền độngnhiều động cơ, bộ điều khiển biến tần này có thêm bộ điều chế độ rộng xungcho chất lượng điều chỉnh điện áp cao hơn Biến tần loại này, dòng điện xoaychiều tần số f1 được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều (tần số f = 0), rồi lạiđược biến đổi thành dòng xoay chiều tần số f2 Đây là loại biến tần được dùngphổ biến hơn vì tần số f2 cần phải có hoàn toàn không phụ thuộc vào f1 mà chỉphụ thuộc vào mạch điều khiển

Biến tần cho phép ta thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ khôngđồng bộ, tốc độ quay của động cơ được xác định như sau:

s

f s

fs - tần số của nguồn cung cấp

Từ biểu thức trên ta thấy khi thay đổi tần số nguồn cấp thì tốc độ thay đổi, động cơ không đồng bộ trong hệ biến tần - động cơ được coi nhưmột đối tượng điều khiển có nhiều tham số Trong đó đại lượng đầu vào làđiện áp Us, tần số fs, đại lượng đầu ra là tốc độ , mômen và vị trí, ngoài racòn có đại lượng mômen tới hạn (Mth)

Bài toán điều khiển động cơ không đồng bộ có thể gọi là bài toán phituyến vì có nhiều tham số: tốc độ, mômen, dòng điện, từ thông, điện áp, trởkháng, phụ thuộc vào tần số nguồn cung cấp Để đảm bảo chỉ tiêu và đặc tínhđiều chỉnh ta thực hiện điều chỉnh cả điện áp nguồn cấp sao cho đảm bảo tỉ số

1.2 Tổng quan về các phương pháp điều khiển

Ta biết rằng , tốc độ của động cơ không đồng bộ có thể điều chỉnh đượcbằng cách thay đổi thông số của điện áp nguồn Cụ thể là thay đổi biên độđiện áp đặt vào các cuộn dây stator hoặc thay đổi tần số của dòng điện stator

Do đó ta có thể chia các phương pháp điều chỉnh này thành 2 phương pháp:phương pháp điều khiển biên độ điện áp và phương pháp điều khiển tần số

Sơ đồ tổng quát của hệ Truyền động điện xoay chiều 3 pha có bộ biến đổithông số nguồn được trình bày trên hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát hệ TĐĐ có bộ điều chỉnh thông số nguồn.1.2.1 Phương pháp điều khiển biên độ:

Để điều chỉnh điện áp, người ta dùng bộ biến đổi điện áp để có điện áp

ra thay đổi tuỳ theo tín hiệu đặt điều khiển Uđk

Trong thực tế có nhiều loại bộ biến đổi điện áp xoay chiều: Biến áp tựngẫu, khuếch đại từ, bộ điều chỉnh tiristor, bộ điều chỉnh xung Hệ TĐĐ dùngbiến áp tự ngẫu có cấu trúc đơn giản, nhưng các chỉ tiêu chất lượng không cao

Ulưới

U

đk

BộBiến đổi

ĐC XC3 P

và khó tự động hoá, nên hệ này rất ít được ứng dụng Ba loại sau có cải thiệnđược các đặc tính điều chỉnh, cho phép khả năng tự động hoá nên được sửdụng nhiều hơn

Phương pháp điều khiển điện áp còn bộc lộ nhiều nhược điểm như: tổnthất lớn, độ chính xác chưa cao Hệ truyền động điện dùng phương phápđiều áp nói chung có một nhược điểm rất lớn, đó là gặp nhiều khó khăn trongvấn đề đảo chiều động cơ

1.2.2 Phương pháp điều khiển tần số

Để thực hiện điều tần người ta dùng bộ biến tần để làm thay đổi tần số

điện áp cấp cho stator theo đúng quy luật của tín hiệu đặt Ta có thể chia các

bộ biến tần thành 2 loại: Biến tần dùng máy điện và biến tần dùng van

Nói chung, các bộ biến tần dùng máy điện đều phức tạp, sử dụng nhiềumáy điện trong đó có máy điện một chiều, công suất tổng cộng lớn, hiệu suấtthấp và khó điều chỉnh Do đó các bộ biến tần dùng máy điện trong thực tế ítđược sử dụng

Các bộ biến tần dùng van có thể được phân thành ba loại: biến tần trựctiếp, biến tần có khâu trung gian một chiều và biến tần có khâu trung gianxoay chiều Các bộ biến tần này đều sử dụng van điều khiển động lực(Thyristors) Khi sử dụng phương pháp điều tần cần chú ý rằng: máy điệnđược chế tạo để làm việc ở một tần số định mức, nên khi thay đổi tần số thìchế độ làm việc của máy điện sẽ bị thay đổi vì tần số ảnh hưởng trực tiếp đến

từ thông máy điện Do đó dễ gây hiện tượng quá tải về dòng (khi tần số quálớn) hoặc nóng máy (khi tần số quá nhỏ) Cho nên, khi điều tần người ta phảiđồng thời thay đổi biên độ điện áp đặt lên stator

Mặc dù phương pháp điều tần đã khắc phục được nhiều nhược điểm so với phương pháp điều áp, đó là: nâng cao được các chỉ tiêu chất lượng, dễ

dàng trong việc đảo chiều động cơ Tuy nhiên việc điều khiển tốc độ động cơ

xoay chiều vẫn còn gặp rất nhiều khó khăn, bởi vì động cơ xoay chiều là phần

tử phi tuyến mạnh, phần cảm và phần ứng không tách biệt nên rất khó khănkhi điều chỉnh tốc độ và mômen

1.2.3 Điều khiển điện áp - tần số không đổi

Chế độ làm việc của động cơ khi điều khiển điện áp - tần số không đổiđược phân tích trên cơ sở giả thiết: điện áp stato có dạng hình sin đối xứng ở

ba pha, có trị số biên độ và tần số không đổi Với giả thiết đó có thể bỏ quahiệu ứng bề mặt; điện trở stato không đổi, điện trở từ hoá có thể bỏ qua Sứcđiện động stato Es sinh ra bởi từ thông khe hở sẽ nhỏ hơn điện áp stato Us mộtlượng sụt áp trên trở kháng tản từ stato Do bỏ qua các thành phần sóng hàicủa sức từ động nên từ thông khe hở sẽ có dạng hình sin và từ thông mócvòng mỗi vòng dây cũng là hàm hình sin

Từ thông móc vòng một vòng dây stato có dạng:

Trong đó: s = 2fs – tần số góc của điện áp nguồn cung cấp

Sức điện động ứng với một vòng dây stato là:

es = d dt = s.m.cosst ; (1.6)

và trị số hiệu dụng sức điện động stato là:

Es = s.m.Kw.N1/ 2 = 4,44.Kw.fs.N1.m ; (1.7)Với N1 là số vòng dây nối tiếp của một pha; Kw là hệ số dây quấn

Từ biểu thức (1.7) thấy rằng m sẽ tỉ lệ với tỉ số Es/s hoặc Es/fs

Khi điều khiển tần số, nếu giữ từ thông khe hở không đổi thì động cơ sẽđược sử dụng hiệu quả nhất, tức là khả năng sinh mômen lớn nhất Từ thôngkhe hở không đổi khi duy trì tỉ số Es/fs không đổi Nếu sụt áp trên tản từ bé có thể bỏ qua thì sức điện động Es sẽ xấp xỉ bằng điện áp Us Do đó từ thông khe

hở sẽ được duy trì gần không đổi khi duy trì tỉ số Us/fs hằng số Đây là nộidung cơ bản của luật điều khiển điện áp - tần số không đổi và phương pháp

điều khiển này được sử dụng phổ biến trong các hệ điều khiển hở đơn giản.

Điều khiển từ thông khe hở không đổi:

Điều khiển từ thông khe hở không đổi, động cơ không đồng bộ 3 pha

có khả năng sinh mômen lớn trong dải điều chỉnh tốc độ rộng, ngay cả ở dảitần số thấp khi ảnh hưởng của điện trở stato lớn Để duy trì được từ thông khe

hở không đổi trong dải tốc độ rộng, sức điện động stato sẽ được điều chỉnh tỉ

lệ với tần số stato thay cho phương pháp điều chỉnh tỉ lệ điện áp - tần sốkhông đổi như đã trình bày ở mục 1.2.3

Sức điện động stato Es được tính theo công thức (1.7) :

Es = s.m.Kw.N1/ 2 = 4,44.Kw.fs.N1.m

Từ sơ đồ thay thế hình T của ĐCKĐBBP có:

Es = j.Xm.Im = j.m.Lm.Im (1.8)Trong đó: Lm - điện cảm từ hoá

Im – dòng điện từ hoá

s – tần số góc nguồn stato

Các biểu thức trên cho thấy từ thông khe hở tỉ lệ với tỉ số Es/s và do

đó tỉ lệ với tích số Lm.Im Do đó điều khiển từ thông khe hở không đổi sẽ đồngnghĩa với điều chỉnh tỉ số Es/s không đổi Nếu mạch từ động cơ không bãohoà và Lm là hằng số, từ thông khe hở sẽ tỉ lệ với dòng từ hoá

ở chế độ non tải, dòng điện từ hoá sẽ có giá trị lớn tương đối với giá trị

ở chế độ làm việc bình thường của động cơ

1.2.4 Phương pháp điều khiển vectơ

Nguyên lý điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ là chiếu các tham

số dòng điện, điện áp, từ thông lên các trục tọa độ  từ đó qua các bộ biếnđổi thay đổi các tham số để điều khiển động cơ Sự tương tác này được trìnhbày trên hình 1.4

ở động cơ một chiều bỏ qua phản ứng phần ứng và giả thiết mạch từ

không bão hoà mômen động cơ một chiều được tính như sau:

M = Km Iư = K’Ikt Iư (1.9)Trong đó:

M: là mômen quay của động cơ

m là từ thông của động cơ

bộ nếu sử dụng khái niêm không gian vectơ Với ý tưởng định nghĩa vectơkhông gian dòng điện của động cơ và mô tả động cơ ở hệ toạ độ quay với tốc

độ đồng bộ s (0dq) các đại lượng dòng điện, điện áp và từ thông khi đó làcác đại lượng một chiều Vectơ dòng điện có thể tách ra hai thành phần trênhai trục vuông góc d và q là Ids và Iqs Mômen động cơ không đồng bộ là

Hình 1.4 Sự tương tác giữa phương pháp điều khiển động cơ một chiều

và điều khiển vectơ

a i u khi n m t chi u b i u khi n xoay chi u

I * ds

I*

qs

Hình 1.5 ĐCồ thị pha của phương pháp điều khiển vectơ ịch lưu th pha c a phủa phương pháp điều khiển vectơ ưuơng pháp điều khiển vectơng pháp i u khi n vectđiều khiển vectơ ều khiển vectơ ển vectơ ơng pháp điều khiển vectơ

a i u ch nh th nh ph n mômem b i u ch nh th nh ph n t thông ĐC ều khiển vectơ ần ĐC ều khiển vectơ ần ừ thông

hàm của từ thông và dòng điện stato Bằng cách chọn trục d trùng với trục từthông rôto phương trình từ thông và mômen được viết như sau:

m P I L

dr: Hình chiếu của vector từ thông rotor trên trục d

Ids, Iqs: Hình thiếu của vector dòng điện stator trên hai trục d và q

M: Mômen quay của động cơ

Lr, Lm: điện cảm rotor, hỗ cảm giữa stator và rotor

pc: Số đôi cực của động cơ

Tr: hằng số thời gian rotor

p: toán tử laplac

Phương trình (1.10a) chỉ ra rằng từ thông rotor có thể được tăng giảmgián tiếp thông qua tăng giảm Ids Tuy nhiên, cần lưu ý rằng quan hệ (1.10a)giữa hai đại lượng ds và Ids là quan hệ trễ bậc nhất với hằng số thời gian Tr.Nếu thành công trong việc áp đặt nhanh và chính dòng Ids, có thể coi Ids là đạilượng điều khiển từ thông, nó tương ứng với Ik trong động cơ một chiều kích

từ độc lập Mặt khác, tại mỗi thời điểm làm việc của cộng cơ, từ thông đã giữ

ổn định, khi đó, quan hệ (1.10b) cho thấy rằng mômen M có thể được điềukhiển thông qua việc điều khiển Iqs Do đó Iqs còn được gọi là dòng tạomomen quay và nó tuơng ứng với dòng phần ứng Iư trong động cơ một chiềukích từ độc lập Phương pháp điều khiển tách rời hai thành phần dòng điệnstato có thể được minh hoạ bằng đồ thị pha hình 1.5

abc





dq

mô hình

I

* s

Bi n ến điều khiển vectơ i ngưu c to ạch ĐK điều khiển vectơộ Biến đổi thuận toạ độ Bi n ến điều khiển vectơ i thu n to ận toạ độ ạch ĐK điều khiển vectơộ Biến đổi thuận toạ độ

Hình 1.6 S ơng pháp điều khiển vectơ điều khiển vectơồ thị pha của phương pháp điều khiển vectơ kh i c b n c a h ối cơ bản của hệ đều khiển vectơ với mô hình động cơ ơng pháp điều khiển vectơ ản của hệ đều khiển vectơ với mô hình động cơ ủa phương pháp điều khiển vectơ ệ dq điều khiển vectơều khiển vectơu khi n vect v i mô hình ển vectơ ơng pháp điều khiển vectơ ới mô hình động cơ điều khiển vectơộ Biến đổi thuận toạ độ ng cơng pháp điều khiển vectơ

Thành phần dòng điện stato trên trục q (Iqs) là thành phần sinh mômen

và sẽ tương ứng với công suất tác dụng truyền qua khe hở Uqs Iqs

Thành phần dòng điện stato trên trục d (Ids) là thành phần sinh từ thông

và sẽ tương ứng với công suất phản kháng truyền qua khe hở Uqs Ids

Các thành phần dòng điện trên hai trục có thể thay đổi một cách độc lậpnhau Với đồ thị hình 1.5a thành phần dòng điện Idsduy trì không đổi tươngứng với từ thông rôto được duy trì không đổi, mômen động cơ thay đổi khithay đổi thành phần Iqs (từ Iqs1đến Iqs2) Kết quả vectơ dòng điện stato thay đổi

từ Is1đến Is2 Rõ ràng trong trường hợp này cả biên độ và góc pha của vectơdòng điện stato thay đổi

Tương tự như vậy hình 1.5b thành phần Iqsđược duy trì không đổi, thayđổi thành phần Ids sẽ làm thay đổi độ lớn và góc pha của vectơ dòng điệnstato

Ta có sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vectơ của động cơ khôngđồng bộ trình bày trên hình 1.6

Hình 1.6 không vẽ bộ nghịch lưu và coi các thành phần dòng điện 3pha chuẩn ia*, ib*, ic* nhận được từ hệ thống điều khiển Bằng hai phép biến đổi(abc/),(/dq) với góc quay từ trường s ta nhận được các thành phần Ids và

Iqs đặt vào mô hình động cơ ở hệ toạ độ quay đồng bộ

1.3 Phân tích so sánh các phương pháp điều khiển.

Vậy để điều khiển động cơ không đồng bộ 3pha có nhiều phương pháp,mỗi phương pháp có ưu, nhược điểm riêng

- Với phương pháp điều khiển biên độ có cấu tạo đơn giản nhưng chỉtiêu chất lượng không cao và khó tự động hoá, nên hệ này rất ít được ứng dụng.Phương pháp điều khiển điện áp còn bộc lộ nhiều nhược điểm như: tổn thất lớn, độ chính xác chưa cao Hệ truyền động điện dùng phương pháp điều ápnói chung có một nhược điểm rất lớn, đó là gặp nhiều khó khăn trong vấn đềđảo chiều động cơ

- Với phương pháp điều khiển tần số:

Mặc dù phương pháp điều tần đã khắc phục được nhiều nhược điểm so với phương pháp điều áp, đó là: nâng cao được các chỉ tiêu chất lượng, dễ

dàng trong việc đảo chiều động cơ Tuy nhiên việc điều khiển tốc độ động cơxoay chiều vẫn còn gặp rất nhiều khó khăn, bởi vì động cơ xoay chiều là phần

tử phi tuyến mạnh, phần cảm và phần ứng không tách biệt nên rất khó khănkhi điều chỉnh tốc độ và mômen

- ở hệ truyền động điện xoay chiều ba pha, khi áp dụng phương phápđiều khiển véc tơ thì việc điều khiển từ thông và momen quay của động cơcũng tương tự như đối với động cơ điện một chiều

Như vậy, khi áp dụng phương pháp điều khiển véc tơ ta đã tạo ra mộtcông cụ cho phép tách các thành phần dòng tạo từ thông và tạo momen quay

từ dòng điện xoay chiều ba pha chảy trong cuộn dây stato của động cơ Hơnnữa khi sử dụng phương pháp điều khiển véc tơ chúng ta có thể xây dựng được một

hệ thống truyền động điện có chất lượng điều khiển rất cao ở cả bốn góc phần tư

Kết luận chương 1

Trong chương 1 ta đã xây dựng được các phương pháp điều khiểnĐCKĐBBP, phân tích so sánh các phương pháp về ưu, nhược điểm của từngphương pháp và chọn phương pháp điều khiển biên độ - tần số và phươngpháp điều khiển véc tơ để thực hiện đề tài Nội dung của phương pháp là sửdụng bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha với van bán dẫn là các tranzito Khi cáckhoá bán dẫn được đóng theo trật tự nhất định thì tạo thành hệ thống điện ápxoay chiều 3 pha đặt lên động cơ điều khiển Điện áp dây của nghịch lưu làcác xung chữ nhật và thoả mãn điều kiện phân tích chuỗi điều hoà Fourier.Véc tơ điện áp điều khiển trong một khoảng thời gian và bước tức thời sang vịtrí mới khi các van bán dẫn chuyển mạch với mỗi bước nhảy nhất định Việcđiều khiển các van bán dẫn của bộ nghịch lưu được thực hiện theo điều chế độrộng xung bằng cách đưa ra hệ thống biến logic sau đó phân tích tổng hợp thànhcác hàm điều khiển cho các van Nội dung cụ thể sẽ được trình bày ở các chươngtiếp theo

Chương 2 Xây dựng động học hệ điều khiển vecto động cơ điện xoay chiều ba pha

Trong chương này, luận văn sẽ đi sâu phân tích cấu trúc hệ thống điềukhiển vecto ĐCĐXCBP Từ các mô tả toán học quá trình động học sự biếnđổi năng lượng trong động cơ điện xoay chiều ba pha nghiên cứu ở chươngtrước, ta đã có cơ sở để xây dựng mô hình của ĐCĐXCBP trên các hệ tọa độkhác nhau Thêm vào đó, tùy thuộc kiểu biến tần được sử dụng là biến tầnnguồn áp hay biến tần nguồn dòng, ta sẽ xây dựng mô hình ĐCĐXCBP tươngứng Cùng với ĐCĐXCBP, các phần tử, các khối chức năng của hệ thốngđiều khiển vecto ĐCĐXCBP sẽ được được đề cập một cách ngắn gọn, lầnlượt theo trình tự sau:

 Các bộ điều chỉnh từ thông, điều chỉnh tốc độ quay

Tiếp theo các nội dung trên, luận văn sẽ đề cập đến các phương phápđiều khiển vecto cơ bản và một số sơ đồ cấu trúc điển hình hệ điều khiểnvecto cho ĐCĐKĐB

2.1 Mô hình ĐCĐXCBP

Quá trình thiết kế một hệ thống điều khiển tự động bao gồm quá trìnhtìm mô hình của đối tượng điều khiển, mô hình tín hiệu (các tác động kíchthích, tín hiệu đặt, điều kiện đầu ) để từ đó đưa ra phương pháp thiết kế và

thuật toán điều chỉnh Động cơ điện xoay chiều ba pha là đối tượng điều khiểnnên việc xây dựng mô hình toán học của nó được luận văn xem xét trước tiên.

Do tính chất đa dạng của hệ trục tọa độ, miền thời gian quy chiếu, kiểubiến tần, mô hình của ĐCĐXCBP cũng rất đa dạng, phong phú

Có thể tóm tắt các dạng mô hình cơ bản của ĐCĐXCBP như sau:

Các mô hình, tùy thuộc vào tính liên tục hay gián đoạn theo thời gian,lại được phân ra thành mô hình liên tục hay gián đoạn Hệ thống điều khiểnvecto ĐCĐXCBP là hệ thống điều khiển số, do đó việc xây dựng mô hìnhgián đoạn của ĐCĐXCBP có ý nghĩa thực tiễn quan trọng, ta sẽ nghiên cứuvấn đề này ở mục 2.1.2

2.1.1 Mô hình trạng thái của ĐCĐKĐB

Mô t toán ả toán

Mô hình trên

h t a ệ tọa độ ( ọc độ ( (d- q)

v i bi n t n ới biến tần ến tần ần ngu n áp ồn dòng

Mô hình trên

h t a ệ tọa độ ( ọc độ ( (d- q)

v i bi n t n ới biến tần ến tần ần ngu n dòng ồn dòng

Trước tiên, ta hãy xem xét mô hình của ĐCĐKĐB theo cách thể hiệntrong không gian trạng thái trên hệ tọa độ stato Hình 2-2 là biểu diễn củaphương trình trạng thái.

s 12

s 11 s

A A

A A

B

B B

Đầu vào mô hình là vecto điện áp stato với hai thành phần us , us Đầu

ra của mô hình là vecto dòng điện stato Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện stato không đơn giản mà rất phức tạp thông qua đại lượng trung gian là

từ thông rôto Trong hệ tọa độ (d-q), mô hình trạng thái được xây dựng dựa trên phương trình trạng thái (1.12) Đại lượng vào là vecto điện áp (với hai thành phần một chiều usd , usq) và tần số s , tất cả là ba thành phần Đây là điểm khác với mô hình trạng thái trên hệ tọa độ (-) mà ta vừa xem xét Lý

do là trong hệ tọa độ (-), hai đại lượng xoay chiều us , us đã bao gồm cả thành phần tần số s rồi

2.1.2 Mô hình gián đoạn của ĐCĐKĐB

Mô hình gián đoạn của ĐCĐKĐB nhận được bằng cách tích phân các phương trình (1.9) và (1.12) tương ứng giữa hai thời điểm lấy mẫu Trước tiên, ta xem xét một trường hợp điển hình là mô hình gián đoạn của ĐCĐKĐB trên hệ tọa độ từ thông rôto Theo [9], mô hình gián đoạn của ĐCĐKĐB trên hệ tọa độ từ thông rôto được mô tả bởi phương trình:

xf(k+1) = f(, s , T) xf(k) + Hf(, s , T) uf

s(k) (2.1) Trong đó:

(2.2)

T T 1 T ) ( T T 0 T ) ( T T 1 0 T T T T 1 T 1 T 1 T 1 T 1 T T 1 T T 1 T T 1 T 1 T 1 r s r s r r r r s s r s r s f                                                                            (2.3)

0

0

0 0 L

T 0

0 L T

H

s

s f











































Các ma trận f(, s ,T) và Hf(, s ,T) thường được biểu diễn quacác ma trận con như sau:

Hình 2.4 là mô hình gián đoạn của ĐCKĐB trên hệ tọa độ (d-q)

Đối chiếu hình 2.3 và hình 2.4, ta thấy chúng có cấu trúc tương đốigiống nhau, mặc dù tính chất (liên tục - gián đoạn) và hệ tọa độ quy chiếu củachúng khác nhau Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta phân nhỏ môhình 2.4 thành hai nửa: Nửa mô hình trên (gọi là mô hình dòng điện - được vẽ

f 12

f 11 f

HHH

ở hình 2.5) và nửa mô hình dưới (gọi là mô hình từ thông - được vẽ ở hình2.6).

Trong mô hình dòng điện, từ thông được xem như là nhiễu Khi thiết kế

bộ điều chỉnh dòng điện, ta sẽ có biện pháp khử ảnh hưởng của nhiễu này

Trong mô hình từ thông, ta thấy được sự tương ứng giữa đầu vào (vectodòng điện stato) và đầu ra (vecto từ thông rôto) Từ thông rôto là đại lượngkhông đo lường trực tiếp được song có thể ước lượng được nếu biết dòng điện

(2.4) )

k ( ) k ( i ) 1 k (

) k ( u H ) k ( ) k ( i ) 1 k ( i

f , r f 22 f

s f 21 f

, r

f s f 1 f

, r f 12 f

s f 11 f

Phương trình (2.1) được viết lại dưới dạng:

Khai triển hệ phương trình trên bằng cách thay các ma trận 11, 12,

21, 22, H1 vào và chuyển sang miền Z, với chú ý là trong hệ tọa độ (d-q) thì

’rq= 0, ta có:

Hệ phương trình (2.5) là mô tả toán học của ĐCĐKĐB trên hệ tọa độ

từ thông rôto (d-q) Hệ phương trình trên là cơ sở để xây dựng mô hình môphỏng của ĐCĐKĐB mà luận văn sẽ tiến hành ở chương 4

2.2 Các khâu cơ bản của hệ thống điều khiển vecto ĐCĐXCBP

2.2.1 Các khối chuyển đổi tọa độTrong hệ thống điều khiển vecto ĐCĐXCBP, ta thường gặp các khốichuyển đổi tọa độ Chúng chuyển đổi các đại lượng đầu vào từ hệ trục (d-q)sang (-), từ hai pha sang ba pha và ngược lại ý nghĩa của việc chuyểnđổi tọa độ đã được xem xét ở chương 1 nên không được lặp lại ở đây Sơ đồcấu trúc của các khối chuyển đổi tọa độ được đưa ra ở chương 4

2.2.2 Khâu dẫn từ thông Thuật ngữ dẫn từ thông (DTT) được sử dụng ở đây để phù hợp với [9]

là tài liệu giáo khoa duy nhất về điều khiển vecto bằng tiếng Việt Nó khôngsát với ý nghĩa, chức năng của khâu này Thuật ngữ được sử dụng trong các

tài liệu tiếng Anh là field weakening có nghĩa là làm suy giảm từ thông.

Khâu DTT là một khâu hoạt đông theo nguyên tắc khi tốc độ động cơ nhỏhơn tốc độ cơ bản (tốc độ định mức), đầu ra của nó tương ứng với từ thông

1

) z ( i A z

A )

z

(

(2.5 )

) z ( u B )

z ( A

) z (

T i A

z 1 )

z

(

i

) z ( u B )

z ( A

) z (

T i A

z 1 )

z

(

i

' rd sq r r

s d

3 3 31 '

rd

sq 11 '

rd 14

sd s

1 1 sq

s d 11 '

r d

1 3

s q s

1 1 sd

Khi đảm bảo các yêu cầu về chế độ làm mát của động cơ, để động cơ

có thể làm việc lâu dài trong tất cả các vùng thì dòng điện đi qua động cơ phải

có giá trị nằm trong khoảng giá trị định mức (I*=1) Bởi vì ở các tốc độ dướitốc độ cơ bản (*1), từ thông được giữ không đổi và bằng giá trị định mức(*=1), do đó giá trị mômen cho phép của động cơ bằng định mức (M*=1) ởcác tốc độ trên tốc độ cơ bản, giá trị mômen cho phép của động cơ giảmxuống, nhưng giá trị công suất cho phép không thay đổi, bởi vì U* không thayđổi (U*=1)

Ta có thể thấy điều khiển tốc độ hai vùng hợp lý trong những trườnghợp, khi mômen phụ tải ở tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản nhỏ hơn mômen phụ

tải ở tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản Do có sự tương tự giữa truyền động điệnđộng cơ điện một chiều và ĐCĐXCBP theo phương pháp điều khiển hướngtheo từ thông rôto nên những vấn đề nêu ra ở đây đúng cho cả hai trường hợp.

Ta hãy xem xét các phương trình từ thông và mômen cho động cơ điệnmột chiều (2.6) và ĐCĐKĐB (2.7):

Nếu so sánh (2.6) và (2.7) ta thấy sự tương ứng giữa từ thông  củađộng cơ điện một chiều do cuộn dây kích từ sinh ra với thành phần từ thôngrôto rd , sự tương ứng giữa dòng điện phần ứng Iư của động cơ điện mộtchiều với thành phần dòng điện stato Isq của ĐCĐKĐB

Qua các phân tích ở trên, ta thấy được vai trò của khâu dẫn từ thôngtrong các hệ thống điều khiển ĐCĐXCBP theo phương pháp hướng theo từthông rôto

2.2.3 Mô hình từ thông

Mô hình từ thông là một khâu quan trọng trong hệ thống điều khiểnvecto Khâu này sẽ được đề cập đến một cách chi tiết ở chương 4 của luậnvăn

2.2.4 Bộ điều chỉnh dòng điện

Tùy thuộc vào phương pháp đo lường dòng điện (đo tức thời (không cótrễ) hay đo theo phương pháp tích phân (có trễ)) và thời gian đáp ứng mongmuốn của hệ thống, ta xây dựng được các bộ ĐCD khác nhau Hình 2.8 là sơ

đồ khối khâu điều chỉnh dòng điện có bù tác động của từ thông rôto Giá trị từthông rôto dùng để bù do mô hình từ thông hoặc khâu quan sát, hoặc khâu lọcKalman cung cấp Ngoài khả năng triệt tiêu ảnh hưởng của từ thông rôto, bộđiều chỉnh dòng còn phải có khả năng cách ly tác động qua lại giữa hai thành

(2.7) I K I p 2 M I K I pT 1

(2.6) I k M I k

sq 2 sq c m sd 1 sd r m rd 2 kt 1

phần dòng kích từ và dòng tạo mômen quay Khả năng cách ly đó phải đượcđảm bảo cả ở quá trình quá độ lẫn chế độ xác lập của hệ thống

Trong sơ đồ hình 2.8, nếu coi đầu vào là i *s , đầu ra là i s , ta có hàmtruyền đạt:

Ta lần lượt xét các trường hợp:

- Khi hệ thống có thời gian đáp ứng là 2T và đo tức thời dòng điện:

Khi đó

W(z) = z - 2 (2.9)Nếu đặt xw(z) = i *s (z) – i s (z) là vecto sai lệch dòng điện thì ta có:

y(k) = xw(k) -  xw(k-1) + y(k-2) (2.10)

và

us(k+1) = H-1[ y(k) – h (k+1)] (2.11)

(2.8) R

z I

z

R z )

z ( i

) z ( i ) z ( W

I 1 I 1

* s

u s (k) y(k)

Hình 2.8 S ơng pháp điều khiển vectơ điều khiển vectơồ thị pha của phương pháp điều khiển vectơ kh i khâu i u ch nh dòng i nối cơ bản của hệ đều khiển vectơ với mô hình động cơ điều khiển vectơ ều khiển vectơ điều khiển vectơ ệ dq

i*

s (k)

_

_

Hai phương trình trên là cơ sở để xây dựng bộ điều chỉnh dòng điện.Khi thay các ma trận tương ứng vào (2.10) và (2.11) và chuyển sang miền Z,

1 ) z ( u

(2.14) )

z ( A ) z ( y z B

1 ) z ( u

(2.13) ) z ( x ) 1 z (

Tz )

z ( x ) 1 z (

) z A z ( ) z ( y

(2.12) ) z ( x ) 1 z (

Tz )

z ( x ) 1 z (

) z A z ( ) z ( y

' rd 14 q

1 - 11 sq

' rd 13 d

1 - 11 sd

wd 2

s wq

2 11 2 q

wq 2

s wd

2 11 2 d

) z z ( ) z ( x 1

z z 2

z A z ) A 1 ( z ) z

(

y

(2.18) ) z ( x T ) 1 z z 2 (

) z z ( ) z ( x 1

z z 2

z A z ) A 1 ( z ) z

(

y

wd s 2

2 wq

2

11

2 11 3

q

wq s 2

2 wd

2

11

2 11 3

z 2 )

z ( x 1 z z 2

) z A z ( 2 ) z ( y

(2.21) ) z ( x T ) 1 z z 2 (

z 2 )

z ( x 1 z z 2

) z A z ( 2 ) z ( y

wd s 3

2 wq

3

2 11 3 q

wq s 3

2 wd

3

2 11 3 d

2.2.5 Các bộ điều chỉnh từ thông, điều chỉnh tốc độ quay

Nếu bộ điều chỉnh dòng điện được xem là bộ điều chỉnh bên trong thì

bộ điều chỉnh từ thông, điều chỉnh tốc độ quay được coi là các bộ điều chỉnhvòng ngoài Các bộ điều chỉnh này thường là các bộ điều chỉnh PI hoặc PID,được tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu môdul hay môdul đối xứng Sau đây, ta

sẽ xem xét thuật toán điều chỉnh PID số

Khi chu kỳ lấy mẫu nhỏ, có thể biến đổi phương trình bộ điều chỉnhPID liên tục thành phương trình sai phân bằng cách thay thế phép đạo hàmbằng phép sai phân bậc nhất, thay thế phép tích phân bằng phép lấy tổng.Thay thế phép tích phân có thể thực hiện theo phương pháp chữ nhật hoặcphương pháp hình thang

- Xấp xỉ tích phân bằng phương pháp chữ nhật:

Khi đó, quan hệ vào-ra bộ điều chỉnh PID số được thể hiện bởi phương trình:Với

K : Hệ số khuếch đại

TI : Hằng số thời gian tích phân

TD : Hằng số thời gian vi phân

T : Chu kỳ lấy mẫu

e(k) : Đầu vào bộ điều chỉnh ở nhịp thứ k

u(k) : Đầu ra bộ điều chỉnh ở nhịp thứ k

Để thuận tiện cho lập trình trên máy tính, phương trình trên thường được đưa về dạng truy hồi Giá trị nhịp (k-1) đầu ra bộ điều chỉnh:

Từ (2.23) và (2.24) ta có:

e ( k 1 ) e ( k 2 ) (2.24) T

T ) 1 i ( e T

T ) 1 k ( e K ) 1 k

(

0 i

T ) 1 i ( e T

T ) k ( e K ) k (

0 i

u(k) - u(k-1) = q0.e(k) + q1.e(k-1) + q2.e(k-2) (2.25)Trong đó:

- Xấp xỉ tích phân bằng phương pháp hình thang:

Khi đó, quan hệ vào-ra bộ điều chỉnh PID số được thể hiện bởi phương trình:

2.3 Các phương pháp điều khiển vecto cơ bản

Người ta phân ra hai phương pháp điều khiển vecto cơ bản:

 Phương pháp điều khiển vecto trực tiếp

 Phương pháp điều khiển vecto gián tiếp

2.3.1 Phương pháp điều khiển vecto trực tiếp

T

T K q

T

T T

T 2 1 K q

T

T 1 K q

D 2

I

D 1

D 0

T ) i ( e 2

) k ( e ) 0 ( e T

T ) k ( e

T 2

T T

T 2 1 K q

T

T T 2

T 1 K q

D 2

I

D 1

D I 0

Theo phương pháp này, s được xác định từ các thành phần của từthông khe hở hoặc từ thông rôto trên hai trục của hệ tọa độ vuông góc Cácthành phần của từ thông khe hở được đo bằng các cảm biến Hall gắn trênstato theo các trục ,  với điều kiện trục  trùng với trục cuộn dây pha U.

Nếu do và qo là hai thành phần dọc trục và ngang trục củavecto từ thông khe hở o thì

Phương pháp điều khiển vecto trực tiếp theo từ thông khe hở đã bỏ quađiện cảm tản mạch rôto Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, điện cảm tản làđáng kể và không thể bỏ qua F Blashke - người đầu tiên đề xuất ra phươngpháp này - đã chỉ ra rằng điều khiển vecto trực tiếp dựa trên từ thông khe hởcũng có thể gây ra hiện tượng không ổn định của hệ thống Thực tế, phươngpháp điều khiển theo từ thông rôto được sử dụng thay thế cho phương phápđiều khiển theo từ thông khe hở Vecto từ thông rôto được tính toán trực tiếp

từ từ thông khe hở hoặc bằng các phương pháp tính toán gián tiếp khác thôngqua điện áp và dòng điện stato

Vecto từ thông khe hở:

cos

(2.28)

0

qo s 0

do s

2 qo 2 do 0

L L

L

s r 0 m

r



(2.33)

i L L

L

sd r do m

r



(2.34)

i LL

L

sq r qo m

Hình 2.9 là sơ đồ cấu trúc một hệ điều khiển vecto trực tiếp

ĐC

(d-q) (u,v,w)

2.3.2 Phương pháp điều khiển vecto gián tiếp

Theo phương pháp này, s được xác định thông qua dòng điện I s và tốc

độ quay  của động cơ Từ phương trình:

(2.37)

(2.36)

ít nhiều Các hệ điều khiển vecto hiện đại thường được trang bị chức năngnhận dạng các tham số này

Ta đã biết, mô tả toán học của ĐCĐKĐB trên hệ tọa độ từ thông rôtogiống với mô tả toán học của động cơ điện một chiều (ĐCĐMC) Như vậy,trong hệ tọa độ này, ta có thể hy vọng là các tính năng của hệ thống điều

khiển ĐCĐKĐB đạt được tương tự như hệ thống điều khiển ĐCĐMC Đốivới ĐCĐMC kích từ độc lập, cuộn dây kích từ và cuộn dây phần ứng riêng rẽ,không phụ thuộc nhau nên điều khiển từng thành phần dòng điện phần ứng vàdòng điện kích từ rất dễ dàng Đối với ĐCĐKĐB, vấn đề phức tạp hơn nhiều.Năng lượng được cấp theo con đường duy nhất là qua stato, do đó điều khiểntách riêng (decouple) từng thành phần dòng điện sinh ra từ thông (Isd) vàthành phần dòng điện sinh ra mômen (Isq) là khó khăn vì chúng có liên hệ vớinhau.

Hình 2.11 là sơ đồ cấu trúc một hệ điều khiển vecto ĐCĐKĐB hướngtheo từ thông rôto dùng biến tần nguồn áp

ĐC

(d-q) (u,v,w)

MHTT

(d-q) (- )

(- ) (u,v,w)

Hình 2.11 S ơng pháp điều khiển vectơ điều khiển vectơồ thị pha của phương pháp điều khiển vectơ ấu trúc một hệ điều khiển vecto trực c u trúc m t h i u khi n vecto C K B ộ Biến đổi thuận toạ độ ệ dq điều khiển vectơ ều khiển vectơ ển vectơ ĐC ĐC ĐC

hưuới mô hình động cơng theo t thông rôto dùng bi n t n ngu n ápừ thông ến ần ồ thị pha của phương pháp điều khiển vectơ

Trong sơ đồ cấu trúc này, ta thấy được sự phân tách của hai mạch vòngđiều chỉnh: Mạch vòng điều chỉnh từ thông và mạch vòng điều chỉnh mômen(hay tốc độ quay) Khâu điều chỉnh dòng Ri có nhiệm vụ áp cho từng thànhphần dòng các đặc tính truyền đạt cho trước, đồng thời có nhiệm vụ cách lytác động nội tại lẫn nhau của chúng Vấn đề thiết kế bộ điều chỉnh dòng đápứng được yêu cầu như vậy đã được đề cập đến ở mục 2.2.4 Các khối chứcnăng khác trong sơ đồ (trừ khối MHTT) cũng đã được nghiên cứu kỹ

Hình 2-11 chỉ là một sơ đồ cụ thể minh họa hệ điều khiển vectoĐCĐKĐB hướng theo từ thông rôto trên hệ tọa độ (d-q) Cấu trúc hệ điềukhiển vecto ĐCĐKĐB rất đa dạng, phong phú Do các bộ vi xử lý hiện đại đãđạt tốc độ rất cao nên các hệ điều khiển vecto thường được xây dựng trên hệtọa độ (d-q) Nếu xây dựng hệ điều khiển vecto ĐCĐKĐB hướng theo từthông rôto trên hệ tọa độ (-), ta sẽ không tận dụng được các ưu điểm nhưtrên hệ tọa độ (d-q) nhưng ngược lại, công suất tính toán đòi hỏi sẽ giảm đinhiều

Hình 2-12 là sơ đồ cấu trúc một hệ điều khiển vecto ĐCĐKĐB hướngtheo từ thông rôto dùng biến tần nguồn dòng So với biến tần nguồn áp, biếntần nguồn dòng ít phổ biến bởi vì đại đa số các biến tần công suất dưới 300kVA là các biến tần nguồn áp Biến tần nguồn dòng chỉ gặp ở dải công suấtrất lớn Đối chiếu với sơ đồ cấu trúc hình 2-11, ta thấy chúng đơn giản hơn và

có một số khối chức năng tương đối giống nhau

*

ĐC

MHTT

(d-q) (u,v,w)

VTKG

Hình 2.12 S ơng pháp điều khiển vectơ điều khiển vectơồ thị pha của phương pháp điều khiển vectơ ấu trúc một hệ điều khiển vecto trực c u trúc m t h i u khi n vecto C K B ộ Biến đổi thuận toạ độ ệ dq điều khiển vectơ ều khiển vectơ ển vectơ ĐC ĐC ĐC

hưuới mô hình động cơng theo t thông rôto dùng bi n t n ngu n dòngừ thông ến ần ồ thị pha của phương pháp điều khiển vectơ

2.3.3 Phương pháp điều khiển mômen trực tiếp DTC (Direct Torque Control)

DTC là phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông và mômen Hai đạilượng được đo là điện áp và dòng điện stato Điện áp đo là điện áp một chiềusau chỉnh lưu Tín hiệu điện áp và dòng điện là đầu vào mô hình động cơ, để

từ đó tính ra giá trị của từ thông và mômen Hai bộ so sánh mức so sánh cácgiá trị này với các giá trị đầu ra của hai bộ điều khiển Dựa vào đầu ra này,logic đóng-mở xác định vị trí van đóng mở tối ưu Do đó, mỗi điện áp xungđược xác định riêng rẽ ở mức "tế vi" Vị trí van đóng mở làm thay đổi điện áp

và dòng điện, nó lại ảnh hưởng tới mômen và từ thông Hình 2-13 là sơ đồcấu trúc của một hệ thống xây dựng theo phương pháp điều khiển mômen trựctiếp của hãng ABB Hệ thống không sử dụng cảm biến tốc độ Tốc độ động

cơ (cũng như từ thông) được tính toán bởi một khâu gọi là mô hình động cơ

thích nghi Các mạch vòng điều chỉnh, về cơ bản, ta thấy có cấu trúc giốngvới các hệ thống đã được xem xét

2.4 Các hệ thống điều khiển vecto khác

Các hệ điều khiển vecto ĐCĐXCBP đã và đang được phát triển theonhiều hướng nhưng tất cả đều nhằm mục đích thông minh hóa, đa năng hóatính năng thiết bị và nâng cao chất lượng điều khiển Có thể liệt kê một vài xuhướng là:

- Các hệ điều khiển vecto thích nghi và nhận dạng tham số động cơ

- Các hệ điều khiển vecto ứng dụng lý thuyết tập mờ

- Các hệ điều khiển cấu trúc biến đổi, điều khiển chế độ trượt

- Các hệ điều khiển vecto không dùng cảm biến tốc độ (sensorless)

Trong các phân tích, tính toán ở trên, ta đã giả thiết là các tham số củađộng cơ không thay đổi Thực tế, trong quá trình làm việc, dưới tác động củamôi trường, động cơ nóng lên hay nguội đi làm cho điện trở rôto và điện trở

B ch n xung ộ Biến đổi thuận toạ độ ọa độ (

t i u ối cơ bản của hệ đều khiển vectơ với mô hình động cơ ưu

So sánh mômen

So sánh

t thông ừ thông

Mô hình điều khiển vectơộ Biến đổi thuận toạ độ ng

c thích nghi ơng pháp điều khiển vectơ

B /k ộ Biến đổi thuận toạ độ điều khiển vectơ mômen

B /k ộ Biến đổi thuận toạ độ điều khiển vectơ

t thông ừ thông

t

ĐCặc tuyến điều chỉnh tốc độ hai vùng

mômen

B /k ộ Biến đổi thuận toạ độ điều khiển vectơ

t c ối cơ bản của hệ đều khiển vectơ với mô hình động cơ điều khiển vectơộ Biến đổi thuận toạ độ

T thông t i ừ thông ối cơ bản của hệ đều khiển vectơ với mô hình động cơ

u ưu on/off

stato thay đổi theo Điện cảm rôto và điện cảm stato cũng thay đổi mà mộttrong những nguyên nhân chính là hiện tượng bão hòa của mạch từ Do đó,nếu sử dụng các giá trị tham số định mức của động cơ thì sẽ không phản ánhđúng giá trị thực tế dẫn tới chất lượng điều khiển không được như mongmuốn Mặt khác, các giá trị tham số định mức của động cơ, trong đại đa sốcác trường hợp, là không được biết một cách chính xác do nhà sản xuấtkhông cung cấp đầy đủ hoặc vì các lý do khác Vì vậy, ta cũng chỉ có thể biếtđược một cách tương đối bằng cách tính toán thông qua nhãn máy Hiện nay,người ta thường sử dụng các biện pháp nhận dạng tham số của động cơ Nhưvậy, hệ thống điều khiển sẽ hoạt động tốt ngay cả khi tham số động cơ khôngđầy đủ hoặc không biết trước, hơn nữa là khi các tham số của động cơ thayđổi trong quá trình làm việc và theo thời gian Có thể chia các phương pháptrên ra làm hai nhóm:

- Nhận dạng một lần trước khi vận hành hệ thống (off-lineidentification)

- Nhận dạng song song với quá trình làm việc của hệ thống (on-lineidentification)

Phương pháp off-line có ưu điểm không đòi hỏi công suất tính toán lớn

Nó áp dụng được đối với các động cơ có tham số không đầy đủ hoặc khôngbiết trước, bằng cách nhận dạng một lần trước khi hệ thống đi vào hoạt động.Phương pháp này không cho phép nhận biết chính xác tham số thực của động

cơ và sự thay đổi của chúng trong quá trình làm việc Phương pháp on-line

có thể thực hiện được điều này nhưng nó đòi hỏi công suất tính toán phải rấtcao, có thể vượt quá khả năng của các bộ xử lý ( P, C, DSP ) thôngthường

Trong các ứng dụng điều khiển, người thiết kế luôn mong muốn hệthống không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi tham số và các tác động nhiễu loạn

Một phương pháp gọi là điều khiển chế độ trượt có thể áp dụng trong hệthống điều khiển truyền động diện XCBP để giải quyết vấn đề này ý tưởng

cơ bản của điều khiển chế độ trượt là điểm làm việc của hệ thống sẽ bị cưỡngbức di chuyển theo một mặt trượt hoặc các mặt trượt định trước trong khônggian trạng thái, bằng cách này sẽ khử được ảnh hưởng của sự thay đổi cáctham số hệ thống và ảnh hưởng của nhiễu loạn Để đạt được chế độ trượt, cấutrúc của hệ thống cần phải thay đổi theo thời gian Một hệ như vậy được gọi

là hệ điều khiển có cấu trúc biến đổi Hệ thống tự động điều khiển với cấutrúc biến đổi, hoạt động ở chế độ trượt có những đặc tính ưu việt nổi bật như:

- Đảm bảo tính bền vững: Khi hệ thống hoạt động ở chế độ trượt, sựthay đổi của các tham số động học của đối tượng điều khiển trong phạm vinhất định sẽ không làm giảm các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống Sở dĩ nhưvậy là vì điều kiện cần và đủ cho chế độ trượt được thể hiện ở dạng các bấtđẳng thức Sự thay đổi của các tham số động học trong phạm vi cho phép củacác bất đẳng thức sẽ không làm mất đi chế độ trượt của hệ thống Trong khi

đó, chất lượng của hệ thống ở chế độ trượt chỉ phụ thuộc vào mặt trượt Điều

đó có nghĩa là hệ thống đảm bảo được tính bền vững

- Đảm bảo tính bất biến đối với các tác động bên ngoài: Nếu trong hệthống điều khiển với cấu trúc biến đổi, đảm bảo điều kiện cần và đủ cho chế

độ trượt với tác động điều khiển cùng mức với tác động bên ngoài, hệ thống

sẽ hoạt động với các chỉ tiêu chất lượng không thay đổi, không phụ thuộc vàocác tác động bên ngoài mà chỉ phụ thuộc vào mặt trượt Đó chính là khả năngbất biến của hệ thống

Điều khiển chế độ trượt có nhược điểm là hiện tượng “rung”(chattering) xung quanh mặt trượt Để khắc phục hiện tượng này, người tađưa ra một số phương pháp như sử dụng điều khiển mờ, phương pháp lớpbiên vv

Định nghĩa điều khiển thích nghi là gì còn chưa được thống nhất nhưng

ý nghĩa của từ “thích nghi” là “thay đổi theo (tương ứng với) sự thay đổi củahoàn cảnh” “Hệ thống điều khiển thích nghi” thường được dùng để diễn tả

hệ thống có khả năng thích ứng với sự thay đổi không biết trước của môitrường, sự thay đổi này có thể xuất hiện bên trong hoặc bên ngoài hệ thống.Luận văn muốn nói tới hệ điều khiển vecto thích nghi, trong đó các tham sốnội tại của hệ thống (điện trở, điện cảm rôto và stato ) thay đổi

Hệ thống điều khiển thích nghi tham số gồm có:

 Điều khiển thích nghi mô hình chuẩn (Model Reference AdaptiveControl)

 Bộ điều chỉnh tự chỉnh định (Self-Tuning Regulator)

 Sơ đồ lấy tỷ lệ (Gain Scheduling)

Sơ đồ lấy tỷ lệ là quá trình trong đó một trong số các thuật toán điềukhiển khác nhau được chọn lựa dựa trên điều kiện nào đó Bởi vì các thuậttoán điều khiển được thiết kế từ trước (off-line) với các thông tin tiền định, do

đó sự phức tạp của sơ đồ lấy tỷ lệ là xác định thuật điều khiển nào là thíchhợp và đảm bảo chuyển từ thuật điều khiển này sang thuật điều khiển khácmột cách êm ái trong quá trình làm việc của hệ thống Tính ổn định của hệthống khi chuyển đổi từ vùng này sang vùng khác tương đối phức tạp, người

ta thường sử dụng mô phỏng để nghiên cứu quá trình này Hình 2-14 là sơ đồcấu trúc của hệ điều khiển theo sơ đồ lấy tỷ lệ

Mặc dù sơ đồ lấy tỷ lệ là điều khiển thích nghi, song nó có vẻ khôngđược mềm dẻo lắm, bởi vì chỉ một số lượng tương đối nhỏ thuật điều khiểnđược thiết kế từ trước (off-line) và nạp vào thiết bị điều khiển Tuy vậy, sơ

đồ lấy tỷ lệ rất có hiệu quả và được sử dụng nhiều nhất trong số các dạng điềukhiển thích nghi, ví dụ như trong hệ thống điều khiển máy bay, khi mà cáctham số động học của hệ thống thay đổi rất nhiều

Về điều khiển thích nghi mô hình chuẩn và bộ điều chỉnh tự chỉnh định,

do khuôn khổ giới hạn của đề tài nghiên cứu nên luận văn không có điều kiện

để trình bày ở đây Nói chung, điều khiển thích nghi phức tạp hơn nhiều sovới điều khiển có tham số cố định (fixed-parameter) thông thường Điềukhiển thích nghi là phi tuyến và biến đổi theo thời gian Nó làm tăng sự phứctạp của tính ổn định của hệ thống cũng như trong việc phân tích các chỉ tiêuchất lượng Do đó, việc áp dụng điều khiển thích nghi cũng cần phải được cânnhắc kỹ Để tìm hiểu rõ hơn về điều khiển thích nghi ứng dụng trong các hệđiều khiển truyền động điện như thế nào, có thể tham khảo [11]

Kết luận chương 2

B i u khi n ộ Biến đổi thuận toạ độ điều khiển vectơ ều khiển vectơ ển vectơ ĐCối cơ bản của hệ đều khiển vectơ với mô hình động cơ ưu i t ng

Ch n l a ọa độ ( ực tham s ối cơ bản của hệ đều khiển vectơ với mô hình động cơ

b i u khi n ộ Biến đổi thuận toạ độ điều khiển vectơ ều khiển vectơ ển vectơ

o b tr ĐC