ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ

trong công nghiệp hiện nay,động cơ không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi do phương pháp điều khiển ngày càng phát triển,tiêu biểu là điều khiển vector.với các hệ thống cũ,khi điều khiển cần có cảm biến tốc độ để đưa về thông tin tốc độ.tuy nhiên đây cũng là nhược điểm và hạn chế của bộ điều khiển do việc phản hồi tốc độ hay bị nhiễu và kém chính xác hoặc khó khăn khi lắp đặt.do vậy,bộ điều khiển không dùng cảm biến sẽ có ý nghĩa thực tiễn cao.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hà Nội, 6-2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha không dùng cảm biến tốc độ do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo

PGS.TS Tạ Cao Minh Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành đồ án này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 08 tháng 6 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Hồ Trọng Đạt

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ i

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU iv

DANH MỤC KÝ HIỆU v

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3

1.1 Giới thiệu động cơ không đồng bộ 3

1.1.1 Cấu tạo 3

1.1.2 Nguyên lý làm việc 5

1.2 Ứng dụng của động cơ không đồng bộ 6

1.3 Khái quát chung về điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha 7

1.3.1 Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ 7

1.3.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 7

Chương 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 11

2.1 Điều khiển vector động cơ không đồng bộ 11

2.1.1 Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha 11

2.1.2 Hệ tọa độ cố định stator 12

2.1.3 Hệ tọa độ quay 12

2.1.4 Chuyển hệ trục tọa độ 13

2.1.5 Cấu trúc của hệ điều khiển tựa theo từ thông rotor 16

2.2 Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha 17

2.3 Hệ phương trình cơ bản của động cơ trên hệ tọa độ cố định αβ 18

2.4 Hệ phương trình cơ bản của động cơ trên hệ tọa độ quay dq 22

2.5 Lý thuyết chung về tổng hợp bộ điều khiển 25

2.5.1 Yêu cầu chất lượng điều khiển 25

2.5.2 Tiêu chuẩn hàm chuẩn môđun tối ưu 25

2.6 Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện 27

2.6.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện isd 27

2.6.2 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện isq 29

2.7 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ 32

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ 34

3.1 Đặt vấn đề 34

3.2 Phương pháp quan sát từ thông thích nghi tốc độ (Luenberger observer) 35

3.2.1 Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov 35

3.2.2 Bộ quan sát Luenberger 36

3.3 Mô phỏng hệ thống 46

3.3.1 Tính toán tham số 46

3.3.2 Mô phỏng trên hệ tọa độ dq 49

3.3.3 Mô phỏng hệ truyền động động cơ trong thư mục SimPower 53

3.4 Đánh giá kết quả mô phỏng 56

Chương 4 THIẾT KẾ VÀ KIỂM CHỨNG THỰC NGHIỆM 57

4.1 Đặt vấn đề 57

4.2 Điều chế vectơ không gian SVM cho mạch nghịch lưu ba pha 58

4.3 Thiết kế mạch điều khiển 65

4.3.1 Giới thiệu vi điều khiển dsPIC33FJ12MC202 65

4.3.2 Cấu hình các môđun chính cho dsPIC33FJ12MC202 66

4.3.3 Mạch phản hồi dòng điện 69

4.3.4 Mạch đặt tốc độ 69

4.4 Thiết kế mạch chỉnh lưu 70

4.5 Thiết kế mạch lái 72

4.5.1 Mạch nguồn cách ly 72

4.5.2 Mạch lái 73

4.6 Thiết kế mạch lực 75

4.6.1 Tính chọn van cho mạch nghịch lưu 75

4.6.2 Mạch đệm bảo vệ van (snubber circuit) 77

4.7 Tính chọn tụ cho khâu trung gian một chiều 79

4.8 Chương trình điều khiển 80

4.8.1 Chương trình chính 80

4.8.2 Chương trình phục vụ ngắt ADC 81

4.8.3 Thiết kế bộ điều khiển số 82

4.9 Hệ thống thực nghiệm và kết quả 83

4.10 Đánh giá kết quả thực nghiệm 85

KẾT LUẬN 86

PHỤ LỤC 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3

Hình 1.2 Stator động cơ không đồng bộ 4

Hình 1.3 Rotor động cơ không đồng bộ 4

Hình 1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha 5

Hình 2.1 Biểu diễn vector dòng stator trên hệ tọa độ dq và αβ 12

Hình 2.2 Phép chuyển đổi Clarke 13

Hình 2.3 Phép quay vector αβ sang dq 14

Hình 2.4 Phép chuyển đổi dq sang αβ 14

Hình 2.5 Phép chuyển đổi nghịch đảo Clarke 15

Hình 2.6 Cấu trúc kinh điển của hệ truyền động điện xoay chiều ba pha điều khiển kiểu tựa từ thông rotor 16

Hình 2.7 Mô hình động cơ trên hệ tọa độ αβ 20

Hình 2.8 Mô hình trạng thái của ĐCKĐB trên hệ toạ độ αβ 22

Hình 2.9 Mô hình động cơ trên hệ tọa độ dq 24

Hình 2.10 Mô hình trạng thái của ĐCKĐB trên hệ toạ độ dq 25

Hình 2.11 Đặc tính tần của hàm truyền kín tối ưu 26

Hình 2.12 Cấu trúc tổng quát mạch vòng điều chỉnh vòng kín 26

Hình 2.13 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện isd 28

Hình 2.14 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện isq 30

Hình 2.15 Mạch vòng điều chỉnh tốc độ 32

Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển không cảm biến tốc độ 35

Hình 3.2 Cấu trúc khâu quan sát từ thông thích nghi tốc độ quay 38

Hình 3.3 Mô phỏng hệ thống trên hệ tọa độ dq 49

Hình 3.4 Khâu quan sát từ thông tính tốc độ 50

Hình 3.5 Khối tính tốc độ từ giá trị ước lượng từ thông rotor 50

Hình 3.6 Khâu quan sát dòng điện stator và từ thông rotor 50

Hình 3.7 Khâu tính góc quay từ thông rotor 51

Hình 3.8 So sánh tốc độ đặt, thực và ước lượng 51

Hình 3.9 Sai lệch giữa tốc độ thực và tốc độ ước lượng 51

Hình 3.10 Đáp ứng dòng isd và isq 52

Hình 3.11 Đồ thị từ thông ước lượng 52

Hình 3.12 Đồ thị đáp ứng mômen 53

Hình 3.13 Mô phỏng hệ thống động cơ có khâu phát xung 53

Hình 3.14 Sơ đồ khối SVM điều khiển phát xung 54

Hình 3.15 Đồ thị so sánh tốc độ đặt, thực và ước lượng 54

Hình 3.16 Đồ thị sai lệch giữa tốc độ thực và ước lượng 54

Hình 3.17 Đồ thị đáp ứng dòng isd và isq 55

Hình 3.18 Từ thông ước lượng 55

Hình 3.19 Đáp ứng mômen của động cơ 56

Hình 3.20 Dòng điện pha của động cơ 56

Hình 4.1 Xây dựng mô hình tổng quan hệ thống thực nghiệm 57

Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha 58

Hình 4.3 Vị trí vector chuẩn trên hệ tọa độ tĩnh αβ 59

Hình 4.4 Mối liên hệ giữa các sector và điện áp tức thời 59

Hình 4.5 Thuật toán xác định vector điện áp đặt trong mỗi sector 60

Hình 4.6 Vector điện áp được điều chế trong Sector 1 60

Hình 4.7 Mẫu xung chuẩn trong Sector 1 63

Hình 4.8 Các mẫu xung chuẩn đưa ra trong mỗi sector 64

Hình 4.9 Vi điều khiển dsPIC33FJ12MC202 65

Hình 4.10 Nguyên tắc cấu hình PLL cho dsPIC33 67

Hình 4.11 Cấu hình PWM chế độ bổ phụ có thời gian chết 68

Hình 4.12 Sơ đồ chân IC ACS712 và đặc tính điện áp ra 69

Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý mạch đặt tốc độ 69

Hình 4.14 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha 70

Hình 4.15 Nguyên lý nguồn xung cách ly Half-Bridge 72

Hình 4.16 Sơ đồ kết nối IR 2151 72

Hình 4.17 Sơ đồ nguyên lý mạch Half-Bridge 73

Hình 4.18 Sơ đồ mạch nguyên lý sử dụng driver HCPL-3120 73

Hình 4.19 Sơ đồ nguyên lý điều khiển IGBT nhánh trên 74

Hình 4.20 Sơ đồ nguyên lý mạch driver cho 3 van nhánh dưới 75

Hình 4.21 Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha 76

Hình 4.22 Sơ đồ nguyên lý mạch lực 79

Hình 4.23 Chương trình điều khiển động cơ 81

Hình 4.24 Chương trình phục vụ ngắt ADC 82

Hình 4.25 Mô hình hệ thống thực nghiệm 84

Hình 4.26 Hệ thống thực nghiệm tại CTI 84

Hình 4.27 Mạch thực nghiệm 85

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 4.1 Bảng giá trị điện áp các vector chuẩn 58

Bảng 4.2 Bảng tổng hợp ma trận Anm trong mỗi sector 61

Bảng 4.3 Trạng thái logic của vector chuẩn trong Sector 1 62

Bảng 4.4 Hệ số điều chế cho nhóm nhánh van của mạch nghịch lưu 64

Bảng 4.5 Đặc tính KBU1010 71

Bảng 4.6 Thuộc tính van IGBT FGA25N120ANTD 77

Bảng P.1 Thông số động cơ IM tại trung tâm CTI 87

Lm Hỗ cảm giữa stator và rotor (H)

Lr, Ls Điện cảm rotor, stator (H)

σr

L Điện cảm tản của cuộn dây rotor quy đổi về stator (H)

σs

L Điện cảm tản của cuộn dây stator (H)

p Số đôi cực của động cơ

Rr, Rs Điện trở rotor, stator (Ω)

Tr, Ts Hằng số thời gian rotor, stator

θ Góc của trục rotor trong hệ tọa độ αβ (rad)

LỜI NÓI ĐẦU

Trong các hệ thống truyền động điện công nghiệp, các động cơ xoay chiều ba pha ngày càng chiếm vị trí quan trọng Cùng với sự phát triển của lĩnh vực công nghiệp, tự động hóa đã kéo theo sự phát triển nhanh chóng của các kỹ thuật trong lĩnh vực điện, điện tử nói chung và lĩnh vực truyền động điện nói riêng Có nhiều loại động cơ được sử dụng trong công nghiệp, nhưng động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi hơn cả vì

nó có nhiều ưu điểm như khởi động đơn giản, vận hành tin cậy, rẻ tiền và kích thước nhỏ gọn

Ở hệ thống truyền động động cơ không đồng bộ kinh điển, thường có một mạch vòng điều chỉnh tốc độ với tín hiệu phản hồi tốc độ và thông thường nhận được từ cảm biến tốc độ gắn trên trục động cơ Tuy nhiên, cảm biến tốc độ quay có một số nhược điểm là nó làm cho hệ thống truyền động điện không đồng nhất do phải lắp cùng trên trục động cơ một máy phát tốc độ hay một cảm biến số Trong một số trường hợp không thể lắp được cảm biến tốc độ trên trục động cơ, ví dụ như ở hệ thống truyền động điện cao tốc, ở hệ thống truyền động điện ôtô hay khi động cơ làm việc ở môi trường khắc nghiệt, bụi bẩn Hơn nữa, khi động cơ ở xa trung tâm, nhiễu gây ra do truyền dẫn tín hiệu từ máy phát tốc về tủ điều khiển là vấn đề phức tạp cho việc nâng cao điều khiển

Việc nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ có ý nghĩa quan trọng và mang tính thực tiễn cao Hệ thống này cho phép sử dụng

có hiệu quả động cơ không đồng bộ trong các hệ thống truyền động điện các máy công nghiệp, góp phần giảm độ phức tạp, giảm giá thành bảo dưỡng và chi phí vận hành hệ thống truyền động điện, giải quyết những vấn đề không thể khắc phục của động cơ một chiều như mức độ hư hỏng cũng như chi phí bảo dưỡng vận hành cao

Chính vì vậy, trong đồ án tốt nghiệp của mình, em đã lựa chọn đề tài "Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha không dùng cảm biến tốc độ" để hiểu kỹ hơn các

phương pháp điều khiển không dùng cảm biến tốc độ Nội dung lý thuyết tập trung nghiên cứu phương pháp quan sát từ thông tính tốc độ quay (Luenberger observer) Bài báo cáo đã cho các kết quả tốt khi mô phỏng Matlab/Simulink hệ điều khiển động cơ không dùng cảm biến tốc độ và bước đầu đã có những kết quả thực nghiệm khi điều khiển động cơ tại trung tâm CTI

Nội dung của đề tài này được trình bày trong 4 chương:

 Chương 1: Tổng quan về động cơ không đồng bộ

 Chương 2: Mô hình toán học và tổng hợp các bộ điều khiển

 Chương 3: Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha không dùng cảm biến tốc độ

 Chương 4: Thiết kế và kiểm chứng thực nghiệm

Do thời gian có hạn cũng như những hạn chế về kiến thức và điều kiện thực nghiệm, đồ án của em không tránh khỏi thiếu sót Vì thế, em kính mong nhận được những lời nhận xét, đánh giá và góp ý của các thầy cô để em khắc phục và cải tiến các vấn đề còn tồn tại của bản đồ án

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy giáo PGS.TS Tạ Cao Minh đã tận tình

hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đồ án

Em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Hồ Trọng Đạt

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.1 Giới thiệu động cơ không đồng bộ

Động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế sản xuất Ưu điểm nổi bật của loại động cơ này là: cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ không đồng

bộ rotor lồng sóc; so với động cơ một chiều động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn Ngoài ra, động cơ không đồng bộ có thể dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo

Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn Tuy nhiên với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là lĩnh vực điều khiển tự động và lĩnh vực công suất bán dẫn, các kĩ thuật điều khiển mới được phát minh, dẫn đến một bước tiến lớn trong việc điều khiển động cơ không đồng bộ Xét về mặt cấu tạo, người ta chia động cơ không đồng bộ ba pha làm hai loại: động

cơ rotor lồng sóc và động cơ rotor dây quấn

- Vỏ máy:

Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ Thường vỏ máy được làm bằng gang Đối với máy có công suất tương đối lớn (1000kW) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng

ra từ trường quay cảm ứng với dòng điện tạo ra mômen

Hình 1.2 Stator động cơ không đồng bộ

b) Phần quay

Rotor có hai loại chính là rotor dây quấn và rotor lồng sóc

a) Rotor dây quấn b) Rotor lồng sóc

Hình 1.3 Rotor động cơ không đồng bộ

- Rotor kiểu dây quấn:

Rotor có dây quấn giống như dây quấn của stator Dây quấn ba pha của rotor thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt

cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài Đặc điểm là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch Nhược điểm so với động cơ rotor lồng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt, dễ cháy nổ

- Rotor kiểu lồng sóc:

Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc

c) Khe hở không khí

Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn

1.1.2 Nguyên lý làm việc

Hình 1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha

Động cơ không đồng bộ hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Đặt điện áp

u1 vào dây quấn stator, có dòng điện stator i1 với tần số f1 Dòng điện i1 tạo ra từ thông 

theo quy tắc vặn nút chai Từ trường ba pha là từ trường quay với với tốc độ

 Lúc đầu dây quấn rotor đứng yên, nhưng so với từ trường quay, nó có vận tốc

v1 cảm ứng nên sức điện động e2 Vì dây quấn rotor nối ngắn mạch nên sức điện động cảm ứng sinh ra dòng điện i2 trong các thanh dẫn rotor và tạo ra lực điện từ Fđt, làm cho rotor quay với tốc độ n (n<n1) và cùng chiều với từ trường quay Ta có n≠n1 vì nếu n=n1

sẻ không có chuyển động tương đối giữa rotor và từ trường quay (v1=0) → Fđt=0

Hệ số trượt:

1 1

sn



1.2 Ứng dụng của động cơ không đồng bộ

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ điện Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi trong đời sống Động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp và trong đời sống hàng ngày

Ngày nay, các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết

bị dây chuyền sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải và trong thiết bị điện dân dụng

Hệ truyền động điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc với tốc độ thay đổi được Hiện nay khoảng 75-80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc độ không đổi Với các hệ thống này, tốc độ của động cơ hầu như không cần điều khiển trừ các quá trình khởi động và hãm Phần còn lại, là các hệ thống có thể điều chỉnh được tốc độ để phối hợp đặc tính động cơ và đặc tính tải theo yêu cầu

Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ

Trong nông nghiệp, nó được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm Trong đời sống hằng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, máy quay đĩa

Tóm lại, với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn, kỹ thuật vi xử lý, lý thuyết điều khiển và tự động hóa thì các hệ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ngày càng được sử dụng rộng rãi

1.3 Khái quát chung về điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

1.3.1 Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ

Phương trình mômen của động cơ:

'

1 2 '

2 2

R3UsM



 

 ω: tốc độ góc của động cơ

 f1: tần số của điện áp nguồn đặt vào stator

 p: số đội cực từ của động cơ

Từ phương trình (1.2), đặc tính cơ của động cơ bị ảnh hưởng bởi các thông số:

 Tần số lưới cấp cho động cơ f1

Ngoài ra, việc thay đổi số đôi cực sẻ thay đổi tốc độ đồng bộ và làm thay đổi đặc tính cơ (trường hợp này xảy ra đối với động cơ nhiều cấp tốc độ)

1.3.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

Động cơ không đồng bộ làm việc theo nguyên lý cảm ứng, trong đó không có sự phân ly giữa phần cảm (kích thích sinh từ thông từ hóa) và phần ứng Từ thông động cơ

và mômen là hàm phi tuyến của nhiều biến Chính vì vậy mà trong định hướng xây dựng

các hệ truyền động điện không đồng bộ người ta thường có xu hướng tiếp cận với các đặc tính điều chỉnh của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Để có thể đưa ra các phương pháp chung trong điều khiển, hãy xét phương trình cân bằng công suất của động cơ không đồng bộ

Trong đó: Pđt=M.ω1 : công suất điện từ truyền từ stator sang rotor

Pcơ=M.ω : công suất cơ

∆Ps=3R’2I’22 : tổn hao đồng trên điện trở mạch rotor Như vậy với mômen tải xác định (M=Mc), muốn điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ, chủ yếu có hai hướng: hoặc là điều chỉnh tốc độ đồng bộ, hoặc là điều chỉnh công suất tổn hao ∆Ps Phương pháp thứ nhất liên quan đến các hệ thống điều chỉnh tần

số, phương pháp thứ hai liên quan đến điều chỉnh điện trở mạch rotor hoặc điều chỉnh công suất trượt Sau đây, ta khái quát chung về các phương pháp điều chỉnh tốc độ động

cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha

a) Điều chỉnh điện áp stator

Do mômen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp stator, do đó ta có thể điều chỉnh được mômen và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stator trong khi giữ nguyên tần số Đây là phương pháp đơn giản sử dụng một bộ biến đổi điện năng (biến áp, thyristor) để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn stator Phương pháp này kinh tế nhưng họ đặc tính cơ không tốt, phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen hẹp Vì vậy ngày nay người ta ít dùng, chủ yếu dùng để khởi động động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc phụ tải máy bơm, quạt gió

b) Điều chỉnh điện trở rotor

Phương pháp này điều chỉnh điện trở phụ nối vào rotor của động cơ không đồng bộ rotor dây quấn Khi thay đổi điện trở phụ mạch rotor ta có tốc độ đồng bộ là hằng số Thực chất là phương pháp tổn thất  Ps I R'22 '2, do đó điều chỉnh được công suất cơ Pcơ Khi điều chỉnh điện trở thì mômen tới hạn của động cơ không đổi và độ trượt tới hạn tỷ lệ với điện trở mạch rotor Nhược điểm của phương pháp này là điều chỉnh có cấp, đặc tính

cơ mềm, độ ổn định tốc độ thấp, tổn thất điều chỉnh lớn Để khắc phục nhược điểm trên

có thể sử dụng phương pháp điều chỉnh trơn điện trở rotor bằng cách điều chỉnh xung điện trở Tuy vậy, phương pháp này có hiệu quả tốt là mômen khởi động lớn, thích hợp

với truyền động cơ cấu nâng hạ của cầu trục và cần trục, nên nó vẫn được sử dụng ở dải công suất nhỏ và trung bình

c) Điều chỉnh công suất trượt

Phương pháp điều chỉnh công suất trượt  Ps s.Pdtthực hiện đối với động cơ rotor dây quấn Thực chất của phương pháp này là công suất điện được cấp 100% cho động cơ

ở phía stator, với phụ tải định trước, để điều chỉnh giảm tốc độ (giảm công suất đầu ra trục động cơ), ta lấy bớt công suất ở phía rotor (gọi là công suất trượt ∆Ps) được biến đổi trả lại lưới, nếu bỏ qua tổn thất bộ biến đổi ta có: Pcơ=Pđt-∆Ps=(1-s)Pđt Như vậy công suất điện tiêu thụ của động cơ gần tương ứng với công suất cơ, nên phương pháp này gọi là phương pháp kinh tế

d) Điều chỉnh tần số nguồn cấp stator

Khi giảm tần số thì điện trở tổng giảm, nếu điện áp giữ nguyên thì dòng điện sẻ tăng lên có thể gây cháy cuộn dây Vì vậy, khi điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ thường phải điều chỉnh cả điện áp

Luật điều chỉnh giữ tỷ số điện áp tần số không đổi U/f: ở hệ thống điều khiển điện áp/tần số, sức điện động stator động cơ được điều chỉnh tỷ lệ với tần số và có thể điều chỉnh tốc độ ở hai vùng:

 Ở vùng dưới tốc độ cơ bản: cần giữ từ thông không đổi thông qua điều khiển tỷ số sức điện động/tần số là hằng số

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

e) Điều khiển trực tiếp mômen (Direct Torque Control - DTC)

Phương pháp này là dựa trên sai khác giữa giá trị đặt và giá trị ước lượng từ các khâu tính toán hồi tiếp về của mômen và từ thông Mặt khác, ta có thể điều khiển trực tiếp trạng thái của bộ nghịch lưu PWM thông qua các tín hiệu điều khiển đóng cắt các khóa công suất nhằm mục đích giảm sai số mômen và từ thông trong phạm vi cho phép được xác định trước

Sai số giữa mômen phản hồi và mômen đặt được đưa vào khâu so sánh trễ bậc 3, trong khi sai số giữa biên độ từ thông stator ước tính và từ thông đặt được đưa vào khâu

so sánh trễ bậc 2 Phương pháp điều khiển DTC có những tính chất thật sự tốt, đạt được hiệu quả như điều khiển vector nhưng cấu trúc lại đơn giản hơn Phương pháp điều khiển

DTC có thể điều khiển chính xác được từ thông stator và mômen động cơ Khi sai số của

từ thông hoặc mômen vượt qua giới hạn sai số cho phép, hệ thống sẽ phát tín hiệu cho bộ nghịch lưu, điều khiển đóng ngắt các tổ hợp khóa để từ thông và mômen đạt giá trị mong muốn

f) Điều khiển vector tựa từ thông động cơ không đồng bộ (Field Oriented Control - FOC)

Phương pháp điều khiển này còn được gọi là điều khiển định hướng từ thông

Dựa trên ý tưởng điều khiển động cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển động

cơ một chiều Động cơ một chiều có thể điều khiển độc lập dòng điện kích từ và dòng phần ứng để đạt được mômen tối ưu theo công thức tính mômen: Me = KIu = K’IktIu(Ikt; Iu là dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng,  là từ thông động cơ)

Các phương pháp trong việc điều khiển định hướng tựa theo vector từ thông thường được sử dụng là:

 Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor

 Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông stator

 Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông từ hóa

Trong phạm vi đồ án, chỉ trình bày theo phương pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor Tương tự, điều khiển động cơ không đồng bộ, nếu ta chọn trục d trùng với chiều vector từ thông rotor có thể điều chỉnh được mômen và từ thông bằng cách điều chỉnh độc lập các thành phần dòng điện trên hai trục vuông góc của hệ tọa độ quay đồng bộ với vector từ thông rotor Lúc này vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ điện một chiều Ở đây, thành phần dòng điện stator trên trục d là isdđóng vai trò là dòng sinh từ thông tương tự như dòng kích từ của động cơ một chiều và thành phần dòng điện stator trên trục q là isq đóng vai trò là dòng sinh mômen tương tự như dòng điện phần ứng của động cơ điện một chiều

Chương 2

MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN

2.1 Điều khiển vector động cơ không đồng bộ

Một số hệ thống yêu cầu chất lượng điều chỉnh cao thì các phương pháp kinh điển khó đáp ứng được Hệ thống điều khiển định hướng theo từ thông còn gọi là điều khiển vector, có thể đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và động Nguyên lý điều khiển vector động cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều Phương pháp này đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh của hệ thống trong quá trình quá độ cũng như chất lượng điều khiển tối ưu mômen Việc điều khiển vector dựa trên định hướng vector

từ thông rotor có thể cho phép tách các thành phần dòng tạo từ thông và dòng tạo mômen quay từ dòng điện xoay chiều ba pha chảy trong cuộn dây stator của động cơ Kênh điều khiển mômen thường gồm một mạch vòng điều chỉnh tốc độ và một mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh mômen Kênh điều khiển từ thông thường gồm một mạch vòng điều chỉnh dòng điện sinh từ thông

2.1.1 Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha

Ba dòng pha hình sin phía stator của động cơ xoay chiều ba pha không nối điểm trung tính:

2.1.2 Hệ tọa độ cố định stator

Vector không gian dòng điện stator là một vector có môđun xác định (|is|) quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc svà tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha A) một góc st Đặt tên cho trục thực là α và trục ảo là β, vector không gian (dòng điện stator)

có thể được mô tả thông qua hai giá trị thực  is và ảo is là hai thành phần của vector này Hệ tọa độ này là hệ tọa độ stator cố định, gọi tắt là hệ tọa độ αβ

2.1.3 Hệ tọa độ quay

Trong mặt phẳng của hệ tọa độ  xét thêm một hệ tọa độ thứ hai có trục hoành d

và trục tung q, hệ tọa độ này có chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc sso với hệ tọa

độ αβ

Tiếp theo, ta tìm cách biểu diễn các vector không gian của động cơ không đồng bộ

ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor Trong mục này ta xây dựng một hệ tọa độ mới có hướng trục hoành (trục d) trùng với trục của vector từ thông rotor rvà có gốc trùng với gốc của hệ tọa độ  hệ tọa độ này gọi là hệ tọa độ từ thông rotor, hay còn gọi là hệ tọa

độ dq Hệ tọa độ dq quay quanh điểm gốc với tốc độ góc ωs, và hợp với hệ tọa độ αβ một gócs Giả thiết một động cơ đang quay với tốc độ góc d

Như vậy, ta có thể biểu diễn các đại lượng ba pha stator và rotor như điện áp, dòng điện, từ thông dưới dạng vector Tất cả các vector đều quay xung quanh gốc tọa độ với tốc độ góc s dưới dạng như sau:

sử dụng đại lượng đầu ra của khâu điều chỉnh tốc độ quay làm giá trị chủ đạo isq* cho thành phần sinh mômen

2.1.4 Chuyển hệ trục tọa độ

Bằng cách tính hình chiếu các thành phần vector không gian từ hệ tọa độ này sang

hệ tọa độ khác ta xác định được các thành phần theo phương pháp hình học như sau Phép chuyển đổi các giá trị vector dòng điện quay từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ

αβ sử dụng phép chuyển đổi Clarke được định nghĩa như sau:

a,α

β b

c

Clarke

a b

sa s

sb s

Khi cần chuyển đổi giá trị điện áp từ hệ tọa độ cố định stator αβ sang hệ tọa độ abc,

có thể dùng phép chuyển đổi nghịch đảo Clarke như sau:

a,α

β b

a b c

s sc

u

u u

u u

2.1.5 Cấu trúc của hệ điều khiển tựa theo từ thông rotor

MHTT

s



 _

PI

rd



Mô hình từ thông

Hình 2.6 Cấu trúc kinh điển của hệ truyền động điện xoay chiều ba pha điều khiển kiểu

tựa từ thông rotor

Cấu trúc điều khiển hệ truyền động động cơ kinh điển gồm có mạch vòng điều chỉnh dòng điện stator trong cùng và mạch vòng điều khiển tốc độ bên ngoài Cấu trúc điều khiển tựa từ thông rotor được lấy ý tưởng từ việc điều khiển động cơ một chiều Cụ thể, thành phần dòng điện stator sẻ được tách riêng thành hai phần dòng tạo từ thông và thành phần dòng tạo mômen quay Như vậy ta sẻ có mạch điều khiển dòng isd (điều khiển

từ thông) và mạch điều khiển dòng isq (điều khiển mômen) Tín hiệu ngõ vào là tốc độ đặt

*

 sẻ được chuyển thành tín hiệu dòng điện đặt tương ứng isd* và isq* thông qua khâu so sánh (với từ thông rotor và tốc độ hồi tiếp) và khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-tích phân Hai tín hiệu dòng đặt isd* và isq* tiếp tục được so sánh với tín hiệu dòng hồi tiếp isd, isq và qua khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-tích phân sẻ chuyển thành tín hiệu điện áp đặt mong muốn usd* và

usq* Hai tín hiệu điện áp này tiếp tục được chuyển sang hệ tọa độ αβ hoặc abc nhằm mục đích tạo ra giá trị đặt cho khâu điều chế, tính toán phát xung, tạo ra giản đồ đóng ngắt khóa của bộ nghịch lưu điện áp ba pha, tạo ra điện áp ba pha ở đầu ra của bộ nghịch lưu cấp cho động cơ

Bên cạnh đó, trong phương pháp điều khiển kiểu tựa từ thông rotor phải xác định được vị trí góc của vector từ thông để chuyển đổi các hệ tọa độ với nhau Như vậy, thông

qua việc xác định góc này thì người ta phân thành hai phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor theo cách tính giá trị s như sau:

 scó được bằng cách đo từ thông: phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor trực tiếp

 sđược tính toán dựa trên tốc độ trượtsl: phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor gián tiếp

2.2 Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha

Để xây dựng mô hình mô tả động cơ không đồng bộ ba pha, ta thống nhất một số qui ước các ký hiệu cho các đại lượng và các thông số của động cơ như sau:

 Chỉ số viết bên phải, trên cao:

 s đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu stator (hệ tọa độ αβ)

 f đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu từ thông rotor (hệ tọa độ dq)

 Chỉ số viết bên phải, phía dưới:

 Chữ cái thứ 1: s đại lượng mạch stator

r đại lượng mạch rotor

 Chữ cái thứ 2: d, q các thành phần thuộc hệ tọa độ dq

α, β các thành phần thuộc hệ tọa độ αβ Nếu động cơ không đồng bộ là đối xứng, mạch từ còn tuyến tính và khe hở không khí là đều, thì mỗi một (trong số sáu) dây quấn pha có phương trình điện áp như sau:

Trong đó: k là chỉ số dây quấn

Phương trình điện áp stator trên hệ thống cuộn dây stator:

Từ thông móc vòng của mỗi cuộn dây quấn:

Dòng mạch điện rotor ir và từ thông stator ψs là các đại lượng không quan trọng nên

ta tìm cách khử 2 đại lượng này Từ hai phương trình từ thông (2.15) rút ra dòng rotor và

từ thông stator như sau:

2.3 Hệ phương trình cơ bản của động cơ trên hệ tọa độ cố định αβ

Phương trình điện áp stator giữ nguyên, còn phương trình điện áp rotor có thay đổi

do rotor quay với tốc độ  so với stator nên hệ tọa độ này quay tương đối với rotor tốc

độ -

Phương trình điện áp stator, phương trình điện áp rotor trên hệ tọa độ αβ như sau:

Cuối cùng là phương trình mômen, ta lấy dòng rotor từ phương trình của (2.20) rồi thay vào (2.16) được:

1 s

m r

L p

Để xây dựng mô hình trạng thái phục vụ khâu quan sát ta viết lại các đại lượng thành phần dòng, từ thông và điện áp dưới dạng vector như sau:

T s

x i ,i ,   ,  : vector trạng thái

T s

u u , u  : vector đầu vào

Khi đó hệ phương trình (2.22) được viết lại thành:

0T

r 22

2

BB

s

A



s s

u

s

dx

Hình 2.8 Mô hình trạng thái của ĐCKĐB trên hệ toạ độ αβ

Mô hình trạng thái ở hình 2.8 là cơ sở để thiết kế các khâu điều chỉnh, quan sát trên

hệ tọa độ αβ Trên hệ tọa độ αβ các thành phần của vector trạng thái xs có dạng sin

2.4 Hệ phương trình cơ bản của động cơ trên hệ tọa độ quay dq

Tương tự như xây dựng mô hình động cơ trên hệ tọa độ αβ, khi chiếu trên hệ tọa độ

dq thì các phương trình từ thông vẫn không đổi, chỉ có các phương trình điện áp thay đổi:

 Tọa độ từ thông rotor quay tốc độ s so với stator

 Hệ tọa độ chuyển động vượt trước so với rotor một tốc độ góc    r s

Từ đó ta thu được phương trình điện áp stator, phương trình điện áp rotor trên hệ

tọa độ dq như sau:

Dòng mạch điện rotor ir và từ thông stator ψs ở phương trình (2.18) được viết lại trên hệ tọa độ dq:

L iT

Từ phương trình mômen (2.29) và hệ phương trình (2.30) ta có mô hình trọn vẹn

mô tả động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ dq như hình 2.9

3 2

m r

L p

Hình 2.9 Mô hình động cơ trên hệ tọa độ dq

Hệ phương trình (2.28) được viết lại dưới dạng mô hình trạng thái sau đây:

s sd sq

u u , u  : vector đầu vào

Tham số của các ma trận hệ thống Af, ma trận đầu vào Bf và ma trận tương tác phi tuyến N như sau:

s

10

Mô hình trạng thái của động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) trên hệ toạ độ dq



s

dx dt

N

fA

fB

f s

u

s

x

Hình 2.10 Mô hình trạng thái của ĐCKĐB trên hệ toạ độ dq

2.5 Lý thuyết chung về tổng hợp bộ điều khiển

2.5.1 Yêu cầu chất lƣợng điều khiển

 Tính ổn định: mục tiêu duy trì điểm làm việc, bảo đảm vận hành hệ thống trơn tru

và an toàn

 Tốc độ và chất lượng đáp ứng: khả năng bám giá trị biến chủ đạo, khả năng kháng nhiễu, nhằm mục tiêu đảm bảo năng suất, chất lượng sản phẩm và các điều kiện vận hành

 Tính bền vững: tính ổn định và chất lượng được đảm bảo với sai lệch mô hình, đặc tính quá trình thay đổi và với tác động của nhiễu đo

 Diễn biến trơn tru và ít thay đổi của biến điều khiển, nhằm mục tiêu tiết kiệm chi phí năng lượng và tăng tuổi thọ cho thiết bị chấp hành

2.5.2 Tiêu chuẩn hàm chuẩn môđun tối ƣu

Đặc tính môđun của hàm truyền kín của hệ là một hàm không tăng, không cộng hưởng và bằng một trong dải tần số cho rộng nhất

1 T

 

Hình 2.11 Đặc tính tần của hàm truyền kín tối ưu

Từ tiêu chuẩn trên, nếu muốn hệ kín là một hàm chuẩn theo tiêu chuẩn môđun tối

ưu thì hệ có hàm truyền hệ kín là hàm bậc hai có dạng sau:

1F

Hình 2.12 Cấu trúc tổng quát mạch vòng điều chỉnh vòng kín

Trong đó, R: bộ điều khiển; P: đối tượng hệ thống;

W: giá trị đặt; E: sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực; Y: đầu ra

Hàm truyền hệ kín có dạng: Fk= RP

RP 1 , Fk được đặt trước tối ưu, nếu biết dạng hàm chuẩn hệ Fch sử dụng phương pháp cân bằng mô hình Fk=Fch ta suy ra hàm truyền bộ điều khiển: ch

2.6 Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện

2.6.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện i sd

sT

Trong đó, Kbđ là hệ số bộ biến đổi, Tbđ là hằng số thời gian bộ biến đổi

Biến đổi Pisd ta có:

isd

KP



Sau đây ta tổng hợp bộ điều khiển dòng điện isd

p1 isd

b i1

k.s 1

b i1

kTk1Tk

s

T s 1K

Để khử thời gian lớn, bộ điều khiển được chọn: Ta Ts

Khi đó ta được hàm truyền hệ hở mạch vòng dòng điện còn lại như sau:

ch 2 2

1 F

T2.TK

.s

T

K

bd bd

- Risq

* sq

Hình 2.14 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện isq Biến đổi Pisq ta có:

isq

bd

KP

.L





Chọn bộ điều khiển dòng điện isq dạng PI là:

p2

p2 isq

d i2

k.s 1

d i2

kTk1Tk

e hisq isq

T s 1K

Để khử thời gian lớn, bộ điều khiển được chọn: Te T

Khi đó ta được hàm truyền hệ hở mạch vòng dòng điện còn lại như sau:

1 hisq

T2.TK