Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha sử dụng giải pháp instaspin

Vì lý do này, động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần cho động cơ một chiều.. Với phương pháp điều khiển gián tiếp

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Ỹ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN THỊ NINH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC

ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA SỬ DỤNG GIẢI PHÁP

INSTASPIN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 60 52 02 16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG

- 2014

Trang 2

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ một chiều: hệ số công suất cao, vận hành tin cậy, giá thành chế tạo và chi phí vận hành thấp Tuy nhiên do cấu trúc phi tuyến với đa thông số nên điều khiển động cơ không đồng bộ là rất khó khăn

Những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật bán dẫn công suất lớn, nhiều phương pháp điều khiển hiệu quả đã được đề xuất cho điều khiển động cơ không đồng bộ Vì lý do này, động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần cho động cơ một chiều

Điều khiển điện áp nguồn cung cấp cho động cơ là một phương pháp đơn giản

và kinh tế, nhưng chất lượng điều chỉnh tĩnh và động không cao

Phương pháp điều khiển hiệu quả là thay đổi tần số điện áp nguồn cung cấp cho động cơ Do tốc độ động cơ xấp xỉ bằng tốc độ đồng bộ, nên động cơ làm việc với độ trượt và tổn hao công suất trượt mạch rotor nhỏ Tuy nhiên phương pháp này phức tạp và đắt tiền Trong hệ thống truyền động điện điều khiển tần số phương pháp điều khiển theo từ thông có thể tạo cho động cơ đặc tính tĩnh và động tốt Với phương pháp điều khiển gián tiếp, các hệ thống điều khiển điện áp/ tần số và dòng điện/ tần

số trượt đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

Ở hệ thống điều khiển điện áp tần số, sức điện động khe hở động cơ được điều chỉnh tỷ lệ với tần số Động cơ có khả năng sinh momen như nhau ở mọi tần số dưới định mức Có khả năng điều khiển hai vùng, vùng dưới tốc độ cơ bản điều chỉnh từ thông không đổi, điều khiển giữ tỉ số sức điện động khe hở tần số là hằng số, vùng trên tốc độ cơ bản điện áp được duy trì không đổi, từ thông động cơ được giảm theo tốc độ đảm bảo công suất động cơ không đổi

Phương pháp trên có thể tạo ra đặc tính tĩnh tốt nhưng không đáp ứng được chất lượng điều chỉnh trong quá trình quá độ Hệ thống điều chỉnh định hướng theo từ trường còn gọi là điều khiển vector có thể đáp ứng được các yêu cầu điều chỉnh trong

Trang 3

chế độ tĩnh và động Nó cho phép điều chỉnh chế độ momen và từ thông động cơ bằng điều chỉnh hai thành phần dòng điện stator tương ứng Hệ thống điều chỉnh gồm hai kênh điều khiển độc lập: điều khiển momen và điều khiển từ thông rotor, kênh điều khiển momen gồm một mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh từ thông Như vậy hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ có thể tạo ra được đặc tính tĩnh và động cao so sánh được với động cơ một chiều

Gói giải pháp InstaSpin là các thuật toán và phần mềm sử dụng cho các ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều (biến tần) trên nền tảng các vi điều khiển sản xuất gần đây Các phần mềm nói trên được tích hợp ngay bên trong của vi điều khiển nên sẽ rất dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng

Bộ DRV8312-69M là một thiết bị dựa trên công nghệ của hãng InstaSpin để điều khiển đánh giá động cơ Bằng cách sử dụng công nghệ mới InstaSpin, DRV8312-69M cho phép nhận dạng nhanh chóng, tự động điều chỉnh và điều khiển động cơ theo yêu cầu công nghệ Cùng với công nghệ InstaSpin, DRV8312-69M cung cấp một hệ thống làm việc với hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng Ngoài ra, khi

sử dụng thiết bị này trong sơ đồ mạch, động cơ được nối trực tiếp với DRV8312-69M

mà không cần phải qua các thiết bị hỗ trợ khác

Vì vậy với yêu cầu cấp thiết trên, tôi xây dựng đề tài nghiên cứu khoa học:

“Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha

sử dụng giải pháp InstaSpin.”

Mục tiêu của luận văn

Mục tiêu chính là thiết kế được bộ điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha

sử dụng giải pháp InstaSpin Qua đó nghiên cứu về các bộ điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều, ưu nhược điểm của từng bộ điều khiển Mục tiêu cụ thể như sau:

- Phân tích các hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều

- Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin

- Tiến hành thí nghiệm để phân tích đánh giá chất lượng thực của hệ thống nhằm tiếp tục phát triển, hoàn thiện và hiện thực hóa đề tài

Nội dung luận văn:

Trang 4

Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:

Chương 1: Tổng quan về các bộ điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều ba pha

Chương 2: Mô hình hóa động cơ xoay chiều ba pha

Chương 3: Nghiên cứu giải pháp InstaSpin

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin

Kết luận và kiến nghị

Trang 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG

CƠ XOAY CHIỀU BA PHA 1.1 Tổng quan về động cơ xoay chiều ba pha

Động cơ xoay chiều ba pha bao gồm động cơ đồng bộ (ĐCĐB) và động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ĐCKĐB được sử dụng rộng rãi hơn ĐCĐB do có cấu tạo đơn giản, vận hành không phức tạp, giá thành rẻ và làm việc tin cậy ĐCKĐB có ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc và ĐCKĐB ba pha rotor dây quấn Tuy nhiên hiện nay loại rotor lồng sóc đã chiếm ưu thế tuyệt đối trên thị trường do dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng và kích thước nhỏ gọn Mặt khác các ưu thế dễ điều khiển, điều chỉnh của loại ĐCKĐB rotor dây quấn không còn tồn tại nữa do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật vi điều khiển đã cho phép thực hiện thành công các yêu cầu điều khiển phức tạp đối với loại ĐCKĐB rotor lồng sóc Vì những lý do trên, trong đề tài này tác giả chỉ

đề cập đến ĐCKĐB rotor lồng sóc

Động cơ không đồng bộ là động cơ điện xoay chiều hai dây quấn mà chỉ có một dây (sơ cấp) nhận điện từ lưới Nguyên lý làm việc chung của động cơ không đồng bộ dựa trên hiện tượng từ tính quay mà F.D Arago phát hiện ra năm 1824 và được M.Faraday giải thích vào năm 1931 Nhưng trong những thí nghiệm của Arago đĩa bằng đồng đã chuyển động được nhờ nam châm quay chứ không phải từ trường quay tạo nên bằng thiết bị đứng yên là stator như các máy điện hiện nay Chỉ đến năm

1979, U Beli mới phát hiện ra một dụng cụ trong đó việc dịch chuyển trong không gian của từ trường nhờ một thiết bị đứng yên gồm 4 nam châm điện được đặt trên khoảng cách như nhau so với trụ quay của đĩa bằng đồng

Để tạo nên từ trường quay người ta sử dụng một thiết bị chuyển mạch đặc biệt cung cấp cho nam châm điện những xung điện một chiều có biên độ và chiều tương ứng Nhà bác học người Ý G.Fecrarix và nhà bác học người Nam Tư Ntecla, sống và làm việc chủ yếu ở Mỹ đã phát hiện ra hiện tượng từ trường quay như nhận thức hiện nay vào năm 1888 một cách độc lập nhau Họ đã chứng minh thành công hai cuộn dây đặ vuông góc với nhau và được cung cấp các dòng điện hình sin lệch nhau 90o

sẽ tạo ra được từ trường quay, vectơ cảm ứng của từ trường này đặt ở điểm giao nhau của trục, các cuộn dây sẽ quay đều không thay đổi biên độ Nhưng động cơ hai pha của Fecrarix có mạch từ hở còn rotor là một hình trụ bằng đồng sinh ra công suất tất

cả khoảng 3W và gần giống với động cơ không đồng bộ hiện nay

Các động cơ không đồng bộ do Ntesla thiết kế đã được hãng westing hoax nhận chế tạo Nhược điểm của động cơ này là việc dùng dây quấn tập trung ở stator

và rootor của máy Điều đó làm cho việc mở máy xấu đi và mômen phụ thuộc vào vị trí ban đầu của rotor

Trang 6

Việc phát minh ra động cơ không đồng bộ ba pha và những đặc điểm và kết cấu có tính nguyên lý vẫn được giữ đến ngày nay gắn liền với tên tuổi của M.D Dalivo Dabrovolxki sau khi tìm hiểu những kết luận của Fecrarix về tính không triển vọng của động cơ không đồng bộ Trong thời gian ngắn ông đã hoàn thành nghiên cứu động cơ không đồng bộ được cung cấp từ hệ ba pha và hoàn thành phát minh có

ý quan trọng là động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, stator có kiểu dây quấn trải hình trống, còn loại rotor có dây quấn bap ha được lấy ra từ các vành trượt, biến trở mở máy được đưa vào rotor khi mở máy động cơ

Vậy nguyên lý được phát hiện năm 1824 và 1890, động cơ không đồng bộ ngày càng được xây dựng và phát triển về kết cấu, công suất, công nghệ và ngày càng phát huy được tác dụng và càng hoàn thiện hơn đến ngày hôm nay

Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đặc biệt là kỹ thuật

vi xử lý tín hiệu đã cho phép giải quyết các thuật toán phức tạp điều khiển động cơ xoay chiều bap ha với chất lượng điều khiển cao trong thời gian thực Điều đó dẫn đến xu hướng thay thế triệt để động điện một chiều bơi vì truyền động điện ba pha có mọi ưu điểm của truyền động một chiều và ít phải bảo dưỡng để chế tạo cùng mọi ưu điểm khác

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều ba pha

Từ phương trình cân bằng momen của động cơ:

(1)

Trong đó:

U1 là trị số hiệu dụng điện áp pha stato

R’2 là điện trở của mạch roto đã quy đổi về stato

ω1 là tốc độ góc của từ trường quay

f1 là tần số điện áp nguồn đặt vào stato

p là số đôi cực của động cơ

R1 là điện trở cuộn dây stato

Xnm = (X1 + X’2) là điện kháng ngắn mạch của roto

X1, X’2 là điện kháng stato và điện kháng roto đã quy đổi về stato

Trang 7

Ta có thể dựa vào đó để điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi các thông số như điện áp nguồn cung cấp, điện trở phụ mạch roto, công suất trượt và tần

số nguồn cung cấp

1.2.1 Điều chỉnh điện áp Stato

Do momen động cơ tỉ lệ với bình phương điện áp mạch stato, do vậy ta có thể điều chỉnh momen và tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stato và giữ nguyên tần số nguồn cung cấp Đây là phương pháp đơn giản nhất chỉ sử dụng một bộ biến đổi điện năng (biến áp, tiristor) để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn stator Phương pháp này kinh tế nhưng họ đặc tính cơ thu được không tốt

1.2.2 Điều chỉnh điện trở Rotor

Ta có thể điều khiển tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh điện trở mạch roto bằng cách điều khiển tiếp điểm hoặc tiristor làm ngắn mạch hoặc hở mạch điện trở phụ Phương pháp này có ưu điểm mạch điện an toàn, giá thành rẻ nhưng đặc tính điều chỉnh không tốt, hiệu suất thấp và vùng điều chỉnh hẹp

1.2.3 Điều chỉnh công suất trƣợt

Để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm mềm đặc tính và giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt được tiêu tán trên điện trở mạch roto Ở các hệ thống truyền động công suất lớn thì tổn hao này là đáng kể Vì thể để điều chỉnh được tốc độ hệ thống truyền động vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ công suất trượt

(1-s)+s = const Nếu lấy Ps trả lại lưới thì tiết kiệm được năng lượng

Khi điều chỉnh với gọi là điều chỉnh nối cấp dưới đồng bộ (lấy năng

lượng P s phát lên lưới)

Khi điều chỉnh với gọi là điều chỉnh công suất trượt trên đồng

bộ (nhận năng lượng Ps từ lưới) hay còn gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ hoặc truyền động động cơ hai nguồn cấp

Nếu tái sử dụng năng lượng Ps để tạo Pcơ gọi lại truyền động nối cấp cơ Phương pháp này không có ý nghĩa nhiều vì khi giảm còn thì tức là

Trang 8

công suất động cơ một chiều dùng để tận dụng Ps phải gần bằng động cơ chính (động

cơ xoay chiều), nếu không thì lại không nên điều chỉnh sâu xuống Trong thực tế, người ta không sử dụng phương pháp này

1.2.4 Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp stator

Khi điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ thường phải điều chỉnh cả điện

áp, dòng điện hoặc từ thông trong mạch stator do trở kháng, từ thông, dòng điện, … của động cơ bị thay đổi

1.2.4.1 Luật điều chỉnh tần số- điện áp

Ở hệ thống điều khiển điện áp/ tần số, sức điện động stator động cơ được điều chỉnh

tỉ lệ với tần số đảm bảo duy trì từ thông khe hở không đổi Động cơ có khả năng sinh momen như nhau ở mọi tần số định mức Có thể điều chỉnh tốc độ ở hai vùng:

- Vùng dưới tốc độ cơ bản: giữ từ thông không đổi thông qua điều khiển tỷ số sức điện động khe hở/ tần số là hằng số

- Vùng trên tốc độ cơ bản: giữ công suất động cơ không đổi, điện áp được duy trì không đổi, từ thông động cơ giảm theo tốc độ

+ Theo khả năng quá tải: Để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động

cơ bị quá dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện áp Đối với biến tần nguồn áp thường

có yêu cầu giữ cho khả năng quá tải về momen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ Luật điều chỉnh là với x thuộc phụ tải Khi x=0 (Mc không đổi) thì luật điều chỉnh là us/fs là hằng số

+ Điều chỉnh từ thông: Trong chế độ định mức, từ thông là định mức và mạch từ có công suất tối đa Luật điều chỉnh tần số- điện áp là luật giữ gần đúng từ thông không đổi trên toàn dải điều chỉnh Tuy nhiên từ thông động cơ trên mỗi đặc tính còn phụ thuộc rất nhiều vào độ trượt s, tức là phụ thuộc momen tải trên trục động cơ Vì thế trong các hệ điều chinh yêu cầu chất lượng cao cần tìm cách bù từ thông

Do nên nếu muốn giữ từ thông ψr không đổi thì dòng điện phải được điều chỉnh theo tốc độ trượt Phương pháp này có nhược điểm là mỗi động cơ phải cài đặt một sensor đo từ thông, không thích hợp cho sản xuất hàng loạt và cơ cấu

đo gắn trong đó bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và nhiễu

Trang 9

Nếu điều chỉnh cả biên độ và pha của dòng điện thì có thể điều chỉnh được từ thông rotor mà không cần cảm biến tốc độ

1.2.4.2 Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện

Phương pháp điều chỉnh này sử dụng biến tần nguồn dòng Biến tần nguồn dòng

có ưu điểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản mà vẫn thực hiện hãm tái sinh động cơ Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là nguồn dòng điện, tức là dòng điện không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển Để tạo nguồn điện một chiều thường dùng chỉnh lưu điều khiển hoặc băm xung áp một chiều có bộ điều chỉnh dòng điện có cấu trúc tỷ lệ- tích phân (khâu PI), mạch lọc là điện kháng tuyến tính có trị số điện cảm đủ lớn

- Điều chỉnh tần số- dòng điện: Việc điều chỉnh từ thông trong hệ thống biến tần nguồn dòng được thực hiện tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp

- Điều chỉnh vector dòng điện: Tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp, ở hệ thống biến tần nguồn dòng cũng có thể thực hiện điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh vị trí vector dòng điện không gian Điều khác biệt là trong hệ thống biến tần nguồn dòng thì dòng điện là liên tục và việc chuyển mạch của các van phụ thuộc lẫn nhau

- Điều khiển trực tiếp momen: Phương pháp này ra đời từ năm 1997, thực hiện được đáp ứng nhanh Vì ψr có quán tính cơ nên không biến đổi nhanh được, do đó ta chú trọng thay đổi ψs không thay đổi ψr Phương pháp này không điều khiển theo quá trình mà theo điểm làm việc Nó khắc phục nhược điểm của điều khiển định hướng trường vector rotor ψr cấu trúc phức tạp, đắt tiền, độ tin cậy thấp (hiện nay đã có vi mạch tích hợp cao, độ chính xác cao), việc đo dòng điện qua cảm biển gây chậm trễ, đáp ứng momen của hệ điều khiển vector chậm và ảnh hưởng của bão hòa mạch từ tới Rs lớn

Trong hệ thống truyền động điện điều khiển tần số, phương pháp điều khiển theo từ thông rotor có thể tạo ra cho động cơ các đặc tính tĩnh và động tốt Các hệ thống điều khiển điện áp/ tần số và dòng điện/ tần số trượt đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp

Ngày nay có rất nhiều các nghiên cứu của nhiều tác giả trong lĩnh vực điều chỉnh tự động truyền động điện động cơ xoay chiều ba pha Mỗi đề tài nghiên cứu đều đã đưa ra được những ưu và nhược điểm của từng hệ thống Kế thừa và tiếp tục

Trang 10

phát huy những ưu điểm của những nghiên cứu trước đó, tác giả nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển tự động động cơ xoay chiều ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin

1.3 Kết luận chương 1

Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau:

- Tổng quan được những nét cơ bản nhất về động cơ xoay chiều ba pha

- Lựa chọn được động cơ để nghiên cứu là động cơ không đồng bộ

- Giới thiệu được các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều ba pha

Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về động cơ xoay chiều ba pha, trong chương 2 sẽ

đi nghiên cứu mô hình hóa động cơ xoay chiều ba pha

Trang 11

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA

Sau đây ta đi xây dựng mô hình toán học của hệ thống [3]

2.1 Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha rotor lồng sóc

2.1.1 Hệ phương trình cơ bản của động cơ

Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả chính xác đến mức tối đa đối tượng điều chỉnh Để xây dựng mô hình toán học cho ĐCKĐB ta dựa vào mô hình đơn giản của động cơ

Hình 2.1: Mô hình đơn giản của động cơ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc

Về phương diện động, ĐCKĐB được mô tả bởi một hệ phương trình vi phân bậc cao Do cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian và các mạch từ móc vòng ta phải chấp nhận các điều kiện sau khi tiến hành mô hình hóa động cơ:

- Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian

- Các tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ có thể bỏ qua

- Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ

- Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi

Trục chuẩn của mọi quan sát được quy ước là trục đi qua tâm trục cuộn dây pha u (hình 2.1) Ta sẽ sử dụng mô hình trong không gian trạng thái để mô tả động cơ Phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator như sau:

Trang 12

Trong đó: lần lượt là điện áp stator của cuộn dây pha u,v và w

là điện trở của cuộn dây pha stator

là từ thông stator của cuộn dây pha u,v và w

Chuyển sang hệ tọa độ phức ta được:

(2.2) Thay các điện áp pha trong (2.1 a,b,c) vào (2.2) ta có phương trình điện áp stator dưới dạng vector như sau:

(2.3)

Ta thấy rằng phương trình (2.3) thu được do các quan sát từ hệ thống ba cuộn dây stator cũng chính là thu được trên hệ tọa độ , do đó phương trình (2.3) được viết như sau:

(2.4) Tương tự, ta có phương trình điện áp của mạch rotor do các quan sát trên hệ thống rotor lồng sóc:

(2.5)

Trong đó: Rrlà điện trở rotor đã quy đổi về stator

Phương trình (2.5) được biểu diễn trong hệ tọa độ cố định trên rotor và có trục thực đi qua tâm trục rotor

Các cuộn dây của động cơ có các điện cảm:

- L m hỗ cảm giữa rotor và stator

- Lσs điện cảm tiêu tán trên cuộn dây stator

- L σr điện cảm tiêu tán trên cuộn dây rotor đã quy đổi về stator

Ta có các tham số sau:

Trang 13

- Điện cảm stator: L s = L m + L σs

- Điện cảm rotor: L r = L m + L σr

- Hằng số thời gian stator: T s =L s / R s

- Hằng số thời gian rotor: T r =L r / R r

- Hệ số tiêu tán tổng: /(

Ta có các phương trình của từ thông stator và từ thông rotor như sau:

Do các cuộn dây stator và rotor có cấu tạo đối xứng về mặt cơ học nên tất cả các giá trị điện cảm là bất biến với mọi hệ tọa độ quan sát

Phương trình momen:

Phương trình chuyển động: (2.8)

Trong đó: m T là momen tải, momen cản

J là momen quán tính cơ

ω là tốc độ góc của rotor

Ta hình dung ra một hệ tọa độ vuông góc quay tròn quanh điểm gốc tọa độ chung với

tốc độ góc ω k bất kỳ và chuyển các phương trình vừa thu được sang hệ tọa độ k đó

2.1.1.1 Phương trình điện áp stator

Sử dụng công thức chuyển hệ tọa độ ta có:

Đạo hàm bậc nhất (2.9c) ta có:

Trong đó là góc giữa trục thực của hệ tọa độ bất kỳ k và trục α của hệ tọa độ stator

thỏa mãn điều kiện: ω k = Thay (2.9 a, b, d) vào phương trình 2.4 ta có phương

trình tổng quát điện áp stator:

Trang 14

Phương trình tổng quát (2.10) có thể áp dụng cho mọi hệ tọa độ vuông góc Ta sẽ mô

tả trên hai hệ tọa độ, đó là hệ tọa độ cố định trên stator (hệ tọa độ αβ) và hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (hệ tọa độ dq)

* Hệ tọa độ cố định trên stator (hệ tọa độ αβ)

Trường hợp này xảy ra khi ωk=0 Phương trình điện áp stator giữ nguyên dạng ban

đầu của nó như (2.4)

* Hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (hệ tọa độ dq)

Trường hợp này xảy ra khi ω k = ω s Thay vào (2.10) ta có phương trình điện áp stator

trên hệ tọa độ dq:

2.1.1.2 Phương trình điện áp rotor

Áp dụng công thức chuyển hệ tọa độ ta có:

Lấy đạo hàm bậc nhất của (2.12b) ta có:

Thay (2.12a, c) vào (2.5) ta có phương trình tổng quát cho điện áp rotor trên hệ tọa độ

k bất kỳ, quay quanh điểm gốc với tốc độ góc ω k so với rotor:

* Hệ tọa độ cố định trên stator (hệ tọa độ αβ)

Ta thấy rằng rotor đang quay với tốc độ góc ω so với stator, nếu ta quan sát từ rotor thì đó chính là chuyển động quay của stator với tốc độ góc –ω, ngược với chiều quay của rotor Thay ω k =- ω vào phương trình (2.13) ta có:

* Hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (hệ tọa độ dq)

Trang 15

Ta xét trường hợp ωk = ω s–ω=ωr Hệ tọa độ chuyển động vượt trước so với

rotor bởi tốc độ góc ω r =2 chính là hệ tọa độ có trục thực trùng với trục từ thông

rotor, hệ tọa độ dq Thay vào phương trình (2.13) ta có phương trình điện áp rotor

trên hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor:

2.1.2 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator

Các phương trình (2.4), (2.14) và (2.6 a, b) được tập hợp lại trong một hệ

phương trình mô tả đầy đủ ĐCKĐB Với các vector thu được trên hệ tọa độ αβ ta có:

Từ hai phương trình (2.16 c, d) ta có:

(2.17a)

(2.17b) Thay (2.17a, b) vào (2.16a, b) ta có:

Đặt và thay vào (2.18a, b), chuyển sang dạng các phần tử của vector ta có hệ phương trình mô tả đầy đủ phần hệ thống điện của ĐCKĐB như sau:

Trang 16

Từ phương trình momen của động cơ, thay từ (2.6b) vào (2.7) ta có:

(2.20) Hay

Hệ phương trình (2.19a, b, c, d) và (2.21) là mô hình cơ điện đầy đủ của

ĐCKĐB trên hệ tọa độ αβ

Thay trong phương trình (2.17a) vào (2.14) ta thu được phương trình sau đây:

Chia cả hai vế của (2.22) cho L m và viết lại dưới dạng các phần tử hệ tọa độ αβ

Phương trình (2.21) và hệ phương trình (2.23a, b) tạo thành mô hình đầy đủ của ĐCKĐB nuôi bằng biến tần nguồn dòng

Hệ phương trình (2.19a, b, c, d) có thể được viết lại dưới dạng sau:

Phương trình (2.24) là phương trình trạng thái của ĐCKĐB, với:

là vector đại lượng đầu vào với các phần tử là số thực

là vector trạng thái với các phần tử là số thực

Trang 17

là ma trận hệ thống và là ma trận đầu vào

Các vector mới định nghĩa có dạng:

Các ma trận có thể được viết lại dưới dạng ma trận con và có công thức cụ thể như sau:

(2.25)

;

Mô hình trạng thái (2.24) được minh họa như sau:

Hình 2.2: Mô hình tổng quan của ĐCKĐB trong không gian trạng thái

∫ (t)

Trang 18

Mô hình biểu diễn dưới dạng các ma trận con như sau:

Hình 2.3: Mô hình trạng thái của ĐCKĐB minh họa bởi các ma trận con

2.1.3 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ từ thông rotor

Các phương trình (2.11), (2.15), 2.6a, b) được tập hợp lại trong hệ phương

trình mô tả ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq

Trang 19

Thay (2.28a, b) vào (2.27a, b) ta có hệ phương trình:

Ta có phương trình momen cho hệ tọa độ dq như sau:

Thay (2.11b) và (2.14c) vào (2.30) ta có phương trình tính momen trên cơ sở dòng stator và từ thông rotor như sau:

Hệ phương trình (2.29 a, b, c, d) và (2.31) là mô hình cơ điện đầy đủ của ĐCKĐB trong trường hợp động cơ được nuôi bởi biến tần nguồn áp

Hệ phương trình (2.29a, b, c, d) có thể được viết lại dưới dạng mô hình trạng thái phi tuyến như sau:

Trong đó:

là vector đại lượng đầu vào (vector điện áp stator) với các phần tử là số thực

là vector trạng thái với các phần tử là số thực

là ma trận hệ thống, là ma trận đầu vào, là ma trận ghép phi tuyến

là đại lượng đầu vào thứ ba

Từ hệ phương trình (2.29 a, b, c, d) ta có các ma trận sau:

Trang 20

(2.33)

Ta có mô hình tổng quan của ĐCKĐB trong không gian trạng thái trên cơ sở

hệ tọa độ dq

Hình 2.4: Mô hình tổng quan của ĐCKĐB trong không gian trạng thái trên cơ sở hệ tọa độ dq

2.2 Mô hình gián đoạn của ĐCKĐB

2.2.1 Mô hình gián đoạn của động cơ trên hệ tọa độ stator

Lấy tích phân phương trình (2.24) trong phạm vi giữa hai thời điểm lấy mẫu, ta có mô hình gián đoạn tương ứng như sau:

(2.36) Trong đó:

(2.37a)

(2.37b)

∫ (t)

Phần phi tuyến

Trang 21

Với k = 0,1,2, , ; T là chu kỳ trích mẫu

là ma trận quá độ trạng thái phụ thuộc vào chu kỳ trích mẫu T và tốc độ góc giống như ma trận đầu vào

Trang 22

Hình 2.5: Mô hình gián đoạn của ĐCKĐB trên hệ tọa độ αβ

2.2.2 Mô hình gián đoạn của động cơ trên hệ tọa độ từ thông rotor

Để xây dựng mô hình gián đoạn của hệ phi tuyến yếu một cách đơn giản nếu thỏa mãn điều kiện các đại lượng đầu vào được coi là không đổi trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu Lấy tích phân phương trình (2.32) ta có:

(2.41) Trong đó:

Trang 23

(2.43a)

(2.43b)

Biểu diễn hai ma trận trên dưới dạng ma trận con như sau:

Tương tự như hệ tọa độ αβ, mô hình (2.41) có thể được biểu diễn như sau:

Các phương trình trên được minh họa như sau:

Nửa mô hình trên

Nửa mô hình dưới

Trang 24

Hình 2.6: Mô hình gián đoạn của ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq

2.3 Cấu trúc cơ bản của một hệ truyền động dùng động cơ không đồng bộ điều khiển tựa theo từ thông rotor

Trên cơ sở của động cơ đã xây dựng ta đi xây dựng cấu trúc cơ bản động cơ dựa trên nguyên lý tựa theo từ thông rotor [3] Để xây dựng sơ đồ cấu trúc ta xuất phát từ các quan điểm sau:

Động cơ được nuôi bằng biến tần nguồn áp, có nghĩa là đại lượng điều khiển phải là nguồn áp, điện áp đó sẽ thông qua khâu điều chế vector không gian ĐCVTKG

và biến tần để đặt lên stator động cơ Khâu ĐCVTKG được coi là khâu truyền đạt trung thành về pha Nếu điện áp cho trước dưới dạng và thì không cần khâu chuyển hệ tọa độ điện áp CĐTu nữa, nếu điện áp cho trước dưới dạng , và

ta cần sử dụng khâu CĐTu để tính chuyển sang và

Ta sử dụng một khâu điều chỉnh nào đó nhằm áp đặt nhanh 2 dòng isd và isq thực sự biến chúng thành hai đại lượng điều khiển từ thông rotor và momen Để làm được việc này ta sử dụng riêng rẽ hai bộ điều chỉnh dòng điện ĐCid và ĐCiq kiểu PI

để giải quyết vấn đề đặt ra Nhưng ta chưa được biết nếu như các đại lượng đầu ra ĐCid và ĐCiq là yd và yq thì kích cỡ và đơn vị như các đại lượng đầu vào, như dòng điện và ghép chúng vào chuyển tạo độ điện áp như thế nào và ở đầu vào ngoài giá trị phản hồi còn có một giá trị cần nhận biết và được cung cấp từ đâu Để giải quyết vấn đề trên thì ta phải:

- Dùng một mạng tính các giá trị usd và usq từ yd và yq Đó gọi là mạng tính áp MTu

- Dùng một mạng tính dòng MTi để tính và từ từ thông rotor và momen quay

Trang 25

Xuất phát từ quan điểm xây dựng hệ thống cấu trúc như vậy ta có thể ghép các khâu

đó thành một khối hoàn chỉnh như sau:

Hình 2.7: Cấu trúc kinh điển của một hệ truyền động dùng động cơ không đồng bộ

nuôi bởi biến tần nguồn áp và điều chỉnh tựa theo từ thông rotor

Trong thực tế cấu trúc kinh điển trên chỉ làm việc tốt trong chế độ tĩnh, chế độ

xác lập, trong chế độ động hay quá trình quá độ còn bộc lộ nhiều nhược điểm Hiện

nay người ta sử dụng cấu trúc khác với hai đại lượng isd và isq là hai đại lượng phụ

thuộc lẫn nhau thông qua phần phi tuyến Vì vậy khâu điều chỉnh dòng ĐCD phải

được thiết kế dưới góc độ coi động cơ không đồng bộ là đối tượng điều chỉnh đa

thông số và khâu ĐCD lúc đó sẽ là khâu điều chỉnh đa thông số Khâu này có nhiệm

vụ áp cho từng thành phần dòng các đặc tính truyền đạt cho trước thông qua hai cụm

điều chỉnh nội tại nhánh dọc- đồng thời có nhiệm vụ cách ly và thông qua hai cụm

điều chỉnh nội tại nhánh ngang- hai đại lượng khỏi tác động nội tại lẫn nhau

Trang 26

Ngoài việc thể hiện khâu điều chỉnh dòng cấu trúc này còn sử dụng trong hệ thống các khâu: mô hình từ thông MHTT, khâu điều chỉnh dòng từ thông ĐCTT và khâu dẫn từ thông DTT Sơ đồ cấu trúc như hình vẽ:

Hình 2.8: Cấu trúc hiên đại của một hệ truyền động dùng động cơ không đồng bộ

nuôi bởi biến tần nguồn áp và điều chỉnh tựa theo từ thông rotor

2.4 Kết luận chương 2

Chương 2 đã giải quyết được một số vấn đề sau:

- Xây dựng được mô hình liên tục của động cơkhông đồng bộ ba pha rotor lồng sóc trên hệ tọa độ stator và hệ tọa độ từ thông rotor

- Xây dựng mô hình gián đoạn của động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc trên hệ tọa độ stator và hệ tọa độ từ thông rotor

- Xây dựng cấu trúc cơ bản của một hệ truyền động dùng động cơ không đồng

bộ ba pha điều khiển tựa theo từ thông rotor

u v w

3~

ĐCTT

Trang 27

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP INSTASPIN

3.1 Giới thiệu gói giải pháp InstaSpin

Gói giải pháp InstaSpin là các thuật toán và phần mềm sử dụng cho các ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều (biến tần) trên nền tảng các vi điều khiển sản xuất gần đây Các phần mềm nói trên được tích hợp ngay bên trong của vi điều khiển nên sẽ rất dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng

Gói giải pháp này cho phép điều khiển nhanh chóng và dễ dàng với tất cả động cơ ba pha mà không yêu cầu thông số kỹ thuật của động cơ [5] Ngoài ra, công nghệ này không sử dụng cảm biến nên giá thành tiết kiệm hơn so với những công nghệ khác

Giải pháp InstaSpin bao gồm nhiều giải pháp, trong phạm vi luận văn này, tác giả chỉ nghiên cứu giải pháp InstaSpin- FOC (Field oriented control- điều khiển tựa theo từ thông)

Giải pháp này giúp tự động nhận dạng và điều chỉnh ở tất cả các tốc độ và các loại tải của động cơ [4] Công nghệ InstaSpinTM- FOC cho phép người thiết kế- ngay

cả những người ít kinh nghiệm về điều chỉnh động cơ có thể xác định, điều chỉnh và điều khiển hoàn toàn bất kỳ loại động cơ ba pha nào, thay đổi tốc độ, không cảm biến, điều khiển động cơ đồng bộ hay không đồng bộ chỉ trong vài phút Công nghệ mới này không cần đến bộ cảm biến cơ làm giảm chi phí cho hệ thống và cải thiện hoạt động sử dụng phần mềm mã hóa mới (khâu quan sát không cảm biến), FASTTM(từ thông, góc, tốc độ và momen) được gắn trong bộ nhớ ROM của thiết bị Piccolo Đây là giải pháp cao cấp để cải thiện hiệu suất động cơ và độ tin cậy ở tất cả cấp tốc

độ và với mọi loại tải

3.2 Các bộ điều chỉnh [7]

3.2.1 Giới thiệu các bộ điều khiển PI

Đây là các bộ điều khiển PI được phát minh vào những năm 1920 bởi một kỹ

sư tên là Nicolas Minorsky thiết kế các hệ thống lái tự động cho Hải quân Hoa Kỳ vào đầu thập niên 1920 bằng cách quan sát một người cầm lái lái một con tàu trong điều kiện khác nhau Ông nhận thấy rằng các hành động của người cầm lái có thể

Trang 28

được xấp xỉ bởi một khuếch đại đơn giản của tín hiệu sai lệch trong điều kiện tĩnh, nhưng mô hình đơn giản này không đủ để mô tả phản ứng của người cầm lái khi có ảnh hưởng của một cơn gió mạnh Điều này dẫn đến việc bổ sung một thành phần để

bù sai lệch trạng thái ổn định liên tục Sau đó, thuật ngữ vi phân đã được thêm vào để cải thiện khả năng kiểm soát

Các thử nghiệm hệ thống lái tự động dựa trên một bộ điều khiển PI được thực hiện ở tàu sân bay USS New Mexico Sau khi điều chỉnh một số thông số, ông đã có thể kiểm soát các sai lệch ít hơn hai độ Khi thành phần D được bổ sung, sai lệch cải thiện 1/6 độ, tốt hơn so với những gì mà người cầm lái có thể đạt được bằng tay Minorsky công bố phát hiện của mình (cũng ở những năm đầu 1920) Chúng ta biết rằng phát hiện của ông đưa ra một kỷ nguyên mới trong việc thiết kế các hệ thống điều khiển

Để điều chỉnh một bộ điều khiển PI người ta thường chỉ ra các biểu đồ Bode hoặc một vài dữ liệu mô phỏng cho thấy rằng quá trình này là thực tế, và phù hợp với các loại phản ứng

Phần này trong hướng dẫn InstaSpin cho người sử dụng được đặt với nhau để thiết kế và điều chỉnh các mạch vòng PI (bất kể là mạch vòng tốc độ hay mạch vòng dòng điện) một cách xác định Như vậy, vẫn có rất nhiều bậc tự do tùy thuộc vào loại người sử dụng tìm kiếm, cũng như không giới hạn sự thay đổi tinh tế về cấu trúc PI

cơ bản Tuy nhiên, bằng cách tuân theo một số quy tắc cơ bản người dùng có thể điều chỉnh vòng lặp PI

Nếu tải đang xem xét có các cực phức tạp nổi bật do cộng hưởng xoắn giữa động cơ và tải, thì bộ điều khiển sẽ phức tạp hơn một cấu trúc PI đơn giản để hủy bỏ các hiệu ứng cộng hưởng Nhưng trong nhiều trường hợp, một bộ nối cứng trục nên kiểm soát sự cộng hưởng xoắn đến điểm mà chấp nhận việc sử dụng một cấu trúc điều khiển PI tiêu chuẩn Ngoài ra, giả thiết rằng tải trọng không có giảm xóc nhớt Tuy nhiên, nếu quá trình điều chỉnh được mô tả trong phần này không phù hợp cho một thiết kế nhất định, có khả năng là cực phức tạp hoặc giảm xóc nhớt tồn tại ở đâu

đó trong tải mà ảnh hưởng đến kết quả

Hình 3.1 biểu diễn một cấu trúc song song của một bộ điều khiển PI Các tín hiệu sai lệch được chia thành hai đường riêng biệt: một là trực tiếp khuếch đại và một

Trang 29

được khuếch đại và sau đó tích phân Bộ tích phân được kể đến để điều khiển sai lệch trạng thái ổn định của hệ thống về không, vì bất kỳ sai lệch trạng thái ổn định khác không sẽ dẫn đến một kết quả tích phân không giới hạn Hai đường dẫn tín hiệu này sau đó được kết hợp ở đầu ra một lần nữa thông qua một bộ cộng tín hiệu

Kp hệ số ở các tần số cao

Ki hệ số ở các tần số thấp

Hình 3.1: Bộ điều khiển PI nối song song

Thành phần Kp thiết lập hệ số khuếch đại tần số cao của mạch vòng điều khiển Thành phần Ki thiết lập hệ số khuếch đại tần số thấp, và về mặt lý thuyết có hệ

số không xác định ở DC Tần số mà giao giữa tần số cao và các tần số thấp được gọi

là "điểm không" của bộ điều khiển và tương ứng với các điểm uốn trong đặc tính tần

số

Bộ tích phân đóng một vai trò quan trọng trong hoạt động của bộ điều khiển

PI Ví dụ, chúng ta có sai lệch trong vòng lặp điều khiển là không, có nghĩa là các tín

Tín hiệu đặt +

-

Tín hiệu phản hồi

Sai lệch

Trang 30

hiệu điều khiển bằng tín hiệu đặt Bây giờ thêm một sai lệch nhỏ vào tín hiệu điều khiển, đầu ra bộ tích phân sẽ bắt đầu tăng để loại bỏ sai lệch một lần nữa

Khi loại bỏ độ lệch, tín hiệu điều khiển cuối cùng sẽ trở về giá trị đặt một lần nữa, nhưng không phải về ngay Đầu ra tích phân vẫn lớn, gây ra tín hiệu được điều khiển vọt giá trị điều khiển trong khi đầu ra tích phân bị xóa Trong thời gian này, biên dạng của tín hiệu "được điều khiển" không được điều khiển toàn bộ, và thậm chí

có thể dẫn đến ảnh hưởng xấu cho hệ thống nếu không được hạn chế Đó là lý do tại sao hiệu ứng này trong bộ điều khiển PI được gọi là windup Có nhiều cách để giảm thiểu tác động windup, nhưng hầu hết các kỹ thuật liên quan đến một số loại hạn chế đầu ra bộ tích phân

Một dạng phổ biến của bộ điều khiển PI (và là bộ sẽ sử dụng để phân tích) là cấu trúc "nối tiếp" được chỉ ra trên hình 3.2

Hình 3.2: Bộ điều khiển PI nối tiếp

Trang 31

series i

K

là thành phần cụ thể cho tần số uốn Nhưng trong cấu trúc này, series

p

K đặt hệ số cho tất cả các tần số, và series

i

K trực tiếp xác định điểm uốn (điểm không) của bộ điều khiển trong rad/ s Cả hai dạng đều cân bằng về độ phức tạp phần mềm Tuy nhiên, nhiều người thích dạng nối tiếp hơn dạng song song bởi vì series

p

K và series

i

K tương quan trực tiếp với các thông số hệ thống

Nó dễ dàng để hiểu được ảnh hưởng mà series

p

K có trong hoạt động của bộ điều khiển,

vì nó chỉ đơn giản là một hệ số trong hàm truyền vòng lặp hở

3.2.2 Thiết kế PI cho các bộ điều khiển dòng điện

Phần trước đã tổng quan về lịch sử của bộ điều khiển PI và trình bày hai dạng cấu trúc điều khiển thường được sử dụng Bất kể là dạng cấu trúc sử dụng như thế nào, các đáp ứng tần số trông giống hệt nhau, như hình 3.3 Từ biểu đồ ta thấy hệ số của bộ điều khiển PI có hiệu quả rõ rệt về sự ổn định hệ thống Nhưng nó chỉ ra rằng điểm uốn của đồ thị (tần số “không") cũng đóng một vai trò quan trọng trong hoạt động của hệ thống Để hiểu được điều này, chúng ta cần phải đưa ra hàm truyền của

bộ điều khiển PI, và hiểu vai trò của “điểm không” trong đáp ứng của toàn hệ thống

Hình 3.3: Hệ số bộ điều khiển PI

Sử dụng dạng nối tiếp các bộ điều khiển PI, ta có thể định nghĩa hàm truyền trong "miền - s" từ tín hiệu sai lệch tới đầu ra bộ điều khiển như sau:

) 1 3 (

1 )

(

s K

K K

s

K K

s PI

series i

series i series p series p

series i series p

Trang 32

Từ biểu thức (3.1), chúng ta có thể thấy rõ ràng cực tại = 0, cũng như không

ở series

i

s K rad/ s Chúng ta đưa bộ điều khiển PI vào bộ điều khiển dòng điện để điều chỉnh dòng điện của động cơ, như hình 3.4

Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc bộ điều chỉnh tốc độ động cơ

Chúng ta sẽ sử dụng xấp xỉ bậc nhất của cuộn dây động cơ để tạo thành một mạch điện nối tiếp chứa một điện trở, một cuộn cảm và một nguồn điện áp sức phản điện động EMF Giả sử điện áp sức phản điện động-EMF là một hằng số (vì nó thường thay đổi chậm đối với dòng điện), chúng ta có thể xác định các hàm truyền tín hiệu nhỏ từ điện áp động cơ với dòng động cơ là:

) 2 3 ( 1

1 )

(

) (

s R L

R s

V

s I

Nếu ta giả thiết rằng điện áp bus và tỷ lệ hệ số PWM được bao gồm trong thành phần s ieser

p

K , ta có thể xác định "hệ số vòng lặp" như phép nhân của hàm truyền

bộ điều khiển PI và hàm truyền V-cho-I của mạch RL:

) 3 3 ( 1

1 1

) (

) ( ) ( ) (

s R L

R s

K

s K

K s V

s I s PI s G

series i

series i series p loop

+

∫

Sai lệc

Trang 33

Để tìm đáp ứng tổng hệ thống (hệ số vòng kín), chúng ta sử dụng các biểu thức sau đây:

)4.3()(1

)()

(

s G

s G s

G

loop loop

Thay phương trình (3.3) vào phương trình (3.4) ta có:

) 5 3 (

1

1 1

1

1 1

) (

s R L

R s

K

s K

K

s R L

R s

K

s K

K

s G

series i

series i series p

series i

series i series p

Ta thấy rằng biểu thức nhận được lớn hơn nhiều, chúng ta có thể đơn giản biểu thức này như sau:

) 6 3 ( 1 1

1 )

(

2

s K K

K

R s

K K

L

K s

s G

series i series i series p series

i series p

series i

Mẫu số là hàm bậc hai trong "miền s" có nghĩa là có hai cực trong hàm truyền Nếu ta chọn s ieser

1 )(

1 ( 1 1

2

Ds Cs

s K K

K

R s

K K

L

series i series i series p series

i series p

Nếu ta nhân các biểu thức ở bên phải của phương trình, và so sánh các kết quả với phía bên trái của phương trình, ta thấy rằng để có được các cực thực, các điều kiện sau đây phải được đáp ứng:

)8.3(

D C K

K

L

series i series p

Trang 34

K K

K

R

series i series i series p

Cân bằng các thành phần trên cả hai vế của phương trình (3.9) Nói cách khác:

C K

K

R

series i series p

D

K i series

1

(3.10)Nếu chúng ta thay thế mẫu số của phương trình (3.6) với biểu diễn tương đương của nó như thể hiện trong phương trình (3.7), và thực hiện thay thế được đưa

ra trong phương trình (3.10), chúng ta có phương trình sau:

) 11 3 ( 1

1

1 )

(

series i

series p

series i

K

s s

K K

R K

s

s G

Bằng cách lựa chọn C và D một cách chính xác, chúng ta không chỉ kết thúc với cực thực, mà có thể tạo ra một đáp ứng hệ thống mạch vòng kín chỉ có một cực thực và không có điểm không, không có các đáp ứng tần số đỉnh hoặc các điều kiện cộng hưởng, chỉ cần một đáp ứng thông thấp đơn cực đơn giản

Ngoài ra, bằng cách thay thế các biểu thức C và D trong phương trình (3.10) thay vào phương trình (3.8), ta có:

) 12 3 (

L

R

K series i

Trong đó, s ieser

i

K là tần số mà ở đó điểm không bộ điều khiển không xuất hiện

Vì vậy, để có được đáp ứng mô tả trong phương trình (3.11), chúng ta phải thiết lập

er

s ies

i

K (tần số bằng không bộ điều khiển) cân bằng với cực của đối tượng

Để thiết lập được s ieser

p

K ta ghi lại đáp ứng của hệ kín G(s), ta có:

) 13 3 ( 1

1 )

s K L s

series p

Ta có một số quy tắc đơn giản có thể sử dụng để thiết kế bộ điều khiển PI cho vòng lặp dòng điện

Trang 35

càng cao thì dải vòng lặp dòng điện càng lớn

3.2.3 Thiết kế PI cho các bộ điều khiển tốc độ

Xét một vòng lặp điều khiển tốc độ, trong đó có một bộ điều khiển PI Có thể thiết kế mạch vòng tốc độ đơn giản, làm tương tự các giá trị hệ số thực hiện các chức năng hệ thống tương tự với các bộ điều khiển dòng điện

Ta thấy rằng khép kín mạch vòng tốc độ ít phức tạp hơn so với khép kín mạch vòng dòng điện Để thiết kế mạch vòng tốc độ, ta phải biết các thông số hệ thống nhiều hơn mạch vòng dòng điện Điều này được mô tả trong hình 3.5, tất cả các thành phần chứa một vòng điều khiển tốc độ nối tầng "Nối tầng" có nghĩa là một hệ thống điều khiển bao gồm một vòng ngoài với một hoặc nhiều vòng trong

Hình 3.5: Sơ đồ khối bộ điều khiển tốc độ hai mạch vòng

Giả sử chúng ta thiết kế vòng lặp dòng điện, hàm truyền vòng kín là:

Lọc

Tốc độ đặt Dòng điện đặt

series p series i

spdK spdK

series p series i

K K

Điện áp động cơ

Momen động cơ

Momen động cơ Dòng điện động cơ

Phản hồi tốc độ

Trang 36

) 14 3 ( 1

1 )

(

s K

L s

G

series p current

) 15 3 (

1 )

(

s

spdK

s spdK

spdK spdK

s

spdK spdK

s

PI

series i

series i series

p series

p

series i series

p speed

Hàm truyền dòng điện động cơ với mô-men xoắn sẽ thay đổi như là một chức năng của loại động cơ đang sử dụng Đối với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu điều khiển từ thông, hàm truyền giữa dòng điện trục - q và mô-men xoắn động cơ là:

) 16 3 ( 4

3 2

2

3 )

3 ) (

2

d

I Lr

Lm P s

Mtr

Trong đó:

P là số cực stator

Trang 37

Lm là điện cảm từ hóa

Lr là điện cảm rotor

Id là thành phần dòng điện được điều chỉnh với từ thông rotor

Ta giả thiết đang sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Cuối cùng, hàm truyền tải giữa mô-men xoắn động cơ và tốc độ tải là:

) 18 3 ( 1 1 ) (

s J s Load

Trong đó:

J = quán tính của động cơ cộng với tải trọng

Nhân tất cả các thành phần với nhau cho kết quả hàm truyền mạch vòng hở

)19.3(114

31

11

)

(

s J P s

K

L s

spdK

s spdK

spdK s

series p

series i

series i series

p

Ta kết hợp tất cả các thông số động cơ và tải vào phương trình (3.19) thành một hằng

số K không đổi:

) 20 3 ( 4

1)

(

2

s K

L s

spdK

s spdK

spdK K

s GH

series p

series i

series i series

K

L (cực bộ điều khiển dòng điện)

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	4,29 MB

Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha sử dụng giải pháp instaspin

Quá trình nhận dạng tham số động cơ