Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám trong trạm phát điện dùng năng lượng mặt trời

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình mạch tương đương của Solar cell 10 Hình 1.2 Đặc tính của pin năng lượng mặt trời theo hệ số λ 12 Hình 1.3 Đặc tính của pin năng lượng mặt trời theo nhiệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

MAI PHƯƠNG THUẤN

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả trong luận văn được xây dựng hoàn toàn là do bản thân tôi nghiên cứu và thực hiện dựa trên sự hướng dẫn của cô giáo và tham khảo các tài liệu đã được trích dẫn

Tác giả luận văn:

Mai Phương Thuấn

PID Proportion-Intergral-Derivative Controller

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình mạch tương đương của Solar cell 10

Hình 1.2 Đặc tính của pin năng lượng mặt trời theo hệ số λ 12 Hình 1.3 Đặc tính của pin năng lượng mặt trời theo nhiệt độ T0C 13

Hình 1.4 Đặc tính của pin năng lượng mặt trời theo nhiệt độ Đặc tính

công suất năng lượng theo thời gian

14

Hình 1.5 Cấu trúc chuyển động tấm pin mặt trời theo một trục 15

Hình 1.6 Vị trí các sensor đối với các phương pháp điều khiển theo 1

trục

16

Hình 1.7 Hai PPĐK bám trong trạm phát điện năng lượng mặt trời 17

Hình 1.8 Kết cấu cơ khí của chuyển động trong trạm phát năng lượng

mặt trời

17

Hình 1.9 Bố trí sensor để xác định hướng chiếu sáng mặt trời 18

Hình 1.10 Minh họa hiệu quả phương pháp điều khiển bám tấm pin

Hình 3.4 Mô hình liên tục của ĐCĐB kích thích vĩnh cửu trên hệ tọa

Hình 3.8 Luật điều khiển PD với lượng đặt tốc độ 45

Hình 3.9 Luật điều khiển PD có bù trọng trường 49

Hình 3.10 Bố trí sensor để xác định hướng chiếu sáng mặt trời 51

Hình 4.1 Cấu trúc mô phỏng hệ truyền động bám pin năng lượng mặt

trời

55

Hình 4.2 Cấu trúc mô phỏng chi tiết cho một động cơ 55

Hình 4.3 Cấu trúc mạch lực của hệ truyền động 56

Hình 4.4.a Cấu trúc chi tiết mạch chỉnh lưu 56 Hình 4.4.b Cấu trúc chi tiết mạch nghịch lưu 56

Hình 4.8 Mạch ổn định điện áp một chiều DC_LINK 58

Hình 4.10 Mô hình khớp cơ khí phần chuyển động truyền động bám

pin năng lượng mặt trời

59

Hình 4.11 Mô hình hóa hộp giảm tốc 59 Hình 4.12 Dạng góc quay để đạt được công suất lớn nhất 60

Hình 4.13 Đặc tính công suất max mà hệ cần đạt được 60

Hình 4.14 Quĩ đạo đặt và thực cho truyền động 1: góc quay θ1 61

Hình 4.15 Quĩ đạo đặt và thực cho truyền động 2: góc quay θ2 61

Hình 4.16 Mối quan hệ giữa công suất tấm pin và góc quay θ1 62

Hình 4.17 Mối quan hệ giữa công suất tấm pin và góc quay θ2 62

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan 2

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 3

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 4

MỞ ĐẦU 8

Chương I: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM TRONG

TRẠM PHÁT ĐIÊN DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT

2.1.1 Sơ đồ động học của chuyển động hai bậc tự do 20

2.1.2 Lập các phương trình tọa độ cơ bản : 21

3.2.1 Vector không gian và hệ tọa độ từ thông rotor 32

3.2.2 Động cơ đồng bộ ba pha có kích thích vĩnh cửu 36

3.3 Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện 40

năng lượng mặt

52

4.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng 52

4.2 Mô phỏng hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

(PMSM)

53

4.2.1 Tham số động cơ mô phỏng 53

4.2.2 Tính toán tham số cho mô phỏng 54

4.2.3 Cấu trúc mô phỏng hệ truyền động bám pin năng lượng mặt trời

sử dụng động cơ đồng bộ

54

4.3 Kết quả mô phỏng hệ truyền động truyền động bám pin năng

lượng mặt trời sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa hoc kỹ thuật, ngành Điều khiển và Tự động hoá cũng đã có những bước tiến quan trọng Những bước tiến đó đã góp phần không nhỏ vào việc tăng năng suất lao động, giảm giá thành và nâng cao chất lượng của sản phẩm.Hiện nay vấn đề năng lượng là vấn đề bức thiết, đòi hỏi nhiều nước phải tiết kiệm các nguồn năng lượng sẵn có đang sử dụng và tìm ra các nguồn năng lượng mới

để đáp ứng nhu cầu của con người Ở các nước có nền công nghiệp phát triển thì việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời là khá phổ biến, họ đã tận dụng nguồn năng lượng sẵn có đó để đưa vào phục vụ đời sống con người

Ở nước ta, việc khai thác nguồn năng lượng măt trời còn khá mới mẻ nhưng bước đầu đang được ứng dụng, phát triển Tuy nhiên, để phát triển trong lĩnh vực năng lượng mới đạt hiệu quả cao, chúng ta cần tiếp cận theo hướng nghiên cứu các thuật toán điều khiển thông minh, điều khiển nâng cao, áp dụng cho tấm pin năng lượngt

Theo hướng phát triển đó, tác giả luận văn đã quyết định lựa chọn đề tài: Nghiên cứu

nâng cao chất lượng điều khiển bám trong trạm phát điện dùng năng lượng mặt trời

làm đề tài cho luận văn cao học của mình Đề tài này đề cập đến một vấn đề rất quan trọng trong điều khiển tấm pin năng lượng mặt trời, đó là vấn đề nâng cao chất lượng điều khiển bám và ảnh hưởng của nhiễu đến hệ thống

Nội dung của luận văn được chia làm 4 chương với nội dung cơ bản như sau:

Chương 1- Tổng quan về hệ truyền động bám trong trạm phát điện dùng năng lượng mặt trời: Giới thiệu về nguyên tắc làm việc, các phương pháp điều khiển

tấm pin năng lượng mặt trời

Chương 2- Xây dựng phương trình động lực hệ chuyển động 2 bậc tự do:

Trình bày sơ đồ động học, xây dựng phương trình động năng, thế năng của hệ chuyển động 2 bậc tự do

Chương 3- Xây dựng bộ điều khiển bám trong trạm phát điện dùng năng lượng mặt trời: Xây dựng mô hình động lực học động cơ, thiết kế độ điều khiển dòng,

bộ điều khiển vị trí, bộ điều khiển PD bù trọng trườn và tính toán góc quay, vị trí đặt sensor xác định hướng chuyển động của mặt trời

Chương 4- Mô phỏng hệ truyền động bám trong trạm phát dùng năng lượng mặt trời và đánh giá kết quả: Tiến hành mô phỏng thuật toán điều khiển trên matlab-

simulink và đánh giá kết quả đạt được, đồng thời định hướng phát triển của đề tài Trong quá trình nghiên cứu, tác giả luận văn đã cố gắng tiếp cận và giải quyết vấn đề một cách triệt để nhất Tuy vậy, do thời gian có hạn và trình độ chuyên môn còn nhiều điểm chưa được hoàn thiện, chắc chắn sẽ không tránh khỏi những sai sót nhất định Kính mong nhận được sự đóng góp và chỉ bảo của các thầy cô

Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Viện đào tạo Sau đại học, Bộ môn Tự động hóa XNCN thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình tôi thực hiện luận văn này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS Bùi Quốc Khánh, người đã định

hướng và tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi để tôi có thể hoàn thành bản luận văn tốt nghiệp này

Cuối cùng tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè những người luôn ủng hộ nhiệt tình và là nguồn động viên to lớn đối với tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện nghiên cứu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM TRONG TRẠM PHÁT ĐIỆN DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Đặt vấn đề

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện Pin năng lương mặt trời bao gồm nhiều cell (solar cell có công suất khoảng 0,5W tại 0,5V) được kết nối với nhau theo kiểu song song hoặc nối tiếp

để tăng công suất và điện áp đầu ra

Trước hết ta cần nghiên cứu các đặc tính của solar cell dựa trên mô tả toán học và mô hình mạch tương đương

Hình 1.1 Mô hình mạch tương đương của solar cell

Dòng photo IPH được xác định

I =I −I exp(q(V+IR ) / kT A )− −(V+IR ) / R

Trong đó

q = 1,6.10-19C – hệ số lượng tử electron

K = 1,38.10-23J/K – Hệ số Boltzmann’s

Tc Nhiệt độ làm việc của solar cell

Ngoài ra dòng photo IPH còn phj thuộc vào hệ số mật độ công suất λ - tỉ số của năng lượng điện từ ánh sáng mặt trời(kW/m2) và nhiệt độ làm việc

I PH =⎡⎣I SC +K (T I C −T R ef )⎤⎦λ

Trong đó ISC dòng điện ngứn mạch của solar cell tại nhiệt độ 250C và

1kW/m2

KI Hệ số dòng điện ngắn mạch phụ thuộc nhiệt độ (mA/0C)

Từ mô hình toán học của solar cell và mạch tương đương có các đặc tính P-V

và I-V rất quan trọng và phụ thuộc vào hệ số mật độ công suất – solar insolation

λ (kW/m2) Hình 1.2 chỉ ra các đặc tính P-V và I-V của pin Solarex MSX 60

Hình 1.2a Đặc tính I-V của pin năng lượng mặt

trời Solarex MSX 60

Hình1 2b Đặc tính P-V của pin năng lượng

mặt trời Solarex MSX 60

Hình 1.2 Đặc tính của pin năng lượng mặt trời theo hệ số λ

Trong khi đó hệ số λ phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng mặt trời và có sự khác biệt trong ngày, thậm chí là theo mùa trong năm Vì vậy, nếu ta điều chỉnh

có hệ số λ như mong muốn ta sẽ xác định được đặc tính và điểm làm việc tối ưu cho pin năng lương mặt trời để nâng cao hiệu suất sử dụng pin mặt trời Cụ thể,

hệ số λ phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mặt trời trong ngày

Bên cạnh phụ thuộc vào hệ số λ đặc tính P-V và I-V còn phụ thuộc cả vào nhiệt độ hình 1.3

Hình 1.3a Đặc tính I-V của pin năng lượng mặt

trời Solarex MSX 60

Hình1 3b Đặc tính P-V của pin năng lượng

mặt trời Solarex MSX 60

Hình 1.3 Đặc tính của pin năng lượng mặt trời theo nhiệt độ T 0 C

Ngoài các đặc tính P-V và I-V của pin năng lượng mặt trời thì hệ số λ, công suất P, dòng điện I có phân bố khác nhau trong 1 ngày, điều này phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng của mặt trời Thông thường buổi trưa (thời gian từ 10h ÷ 15h) cường độ chiếu sáng cao nhất ta thu được giá trị max của P, I và hệ số λ như minh họa hình 1.4

Hình 1.4a Đặc tính hệ số λ theo thời gian Hình1 4b Đặc tính dòng điện I theo thời gian

với các giá trị điện áp ra khác nhau

Hình1 4c Đặc tính công suất P theo thời gian với các giá trị điện áp ra khác nhau

Để đạt được hệ số λ , T0C như mong muốn ta cần có thuật toán điều khiển bám tấm pin năng lượng mặt trời theo hướng chiếu sáng mặt trời Hiện nay có 2 phương pháp điều khiển bám trong trạm phát điện dùng năng lượng mặt trời:

1.2 Phương pháp điều khiển

1.2.1 Một trục

Phương pháp này sẽ sử dụng một động cơ truyền động điều chỉnh tấm pin theo hướng di chuyển của mặt trời từ đông sang tây nhờ các cảm biến dạng photo sensor phát hiện hướng di chuyển của hướng sáng mặt trời

Hình 1.5 Cấu trúc chuyển động tấm pin mặt trời theo 1 trục

Theo phương pháp điều chỉnh này thì cần phải có 2 sensor để phát hiện

hướng chiều sáng mặt trời và được bố trí trên bề mặt tấm pin như sau:

Hình 1.6 Vị trí các sensor đối với phương pháp điều khiển theo 1 trục

1.2.2 Hai trục

Khác với phương pháp điều khiển trên, phương pháp này yêu cầu cần 2 động

cơ truyền động điều chỉnh linh hoạt tấm pin mặt trời theo hướng chiếu sáng Trong phương pháp này cũng có 2 cấu trúc điều khiển: cấu trúc thứ nhất kết hợp

cả hai chuyển động điều khiển độ nghiêng tấm pin, cấu trúc thứ 2 sử dụng chuyển động quay kết hợp chuyển động nghiêng tấm pin hình 1.7

Hình 1.7 Hai PPĐK bám trong trạm phát điện năng lượng mặt trời

Cấu trúc thứ 2 được sử dụng phổ biến hơn cả do kết cấu cơ khí đơn giản hơn Trong đó sẽ sử dụng 2 động cơ thường dùng dc servo hoặc ac servo… điều khiển vòng kín 2 chuyển động riêng

Hình 1.8 Kết cấu cơ khí của chuyển động trong trạm phát năng lượng mặt

vẽ Trọng tâm sensor tạo lên hình chóp để sao cho khi hướng chiếu sáng mặt trời trùng với đỉnh hình chóp (khi đó hướng sáng mặt trời vuông góc với tấm pin) thì điện áp từ các sensor đưa ra là bằng nhau, và khi hướng sáng mặt trời không trùng với đỉnh hình chóp nữa thì điện áp trên sensor nào tăng lên thì hướng sáng mặt trời đang có hướng chiếu về phía bề mặt có chứa sensor đó Người ta sẽ sử dụng 2 sensor đối điện nhau để quyết định chuyển động nghiêng, 2 sensor còn lại

sẽ quyết định chuyển động quay cho tấm pin

Hình 1.9 Bố trí sensor để xác định hướng chiếu sáng mặt trời

Hiệu quả phương pháp điều khiển bám cho tấm pin mặt trời được so sánh khi không thực hiện điều khiển được chỉ rõ ra trong hình vẽ sau

Hình 1.10 Minh họa hiệu quả phương pháp điều khiển bám tấm pin mặt trời

1.3 Kết luận

Như các phân tích ở mục trên ta thấy rõ hiệu quả sử dụng năng lượng khi sử dụng phương pháp điều khiển bám tấm pin mặt trời theo hướng chiếu sáng Luận văn lựa chọn phương pháp điều khiển bám cho tấm pin năng lượng mặt trời theo 2 trục sử dụng động cơ AC servo loại đồng bộ nam châm vĩnh cửu Luận văn góp phần nâng cao lượng điều khiển bám thông qua việc thiết kế bộ điều chỉnh vị trí đảm bảo cho tấm pin mặt trời bám theo tín hiệu từ sensor đưa về qua đó sẽ điều chỉnh bám được theo hướng chiếu sáng mặt trời

CHƯƠNG II : XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỆ CHUYỂN

ĐỘNG 2 BẬC TỰ DO 2.1 Giới thiệu chung

hệ điều khiển chuyển động làm việc theo nguyên tắc điều khiển vị trí có độ phức tạp cao Các chuyển động của trục có thể chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện như : điều khiển chuyển động tay máy, cần cẩu, điều khiển chuyển động ăn dao của máy cắt kim loại, điều khiển quay ăng ten, kính viễn vọng, pháo cao xạ Các tham số của hệ có sự ràng buộc lẫn nhau và biến thiên phi tuyến theo trạng thái

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học thì các bộ điều khiển hệ thống chuyển động có tham số biến thiên đang nâng cao được chất lượng, đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác các vị trí, ổn định lực, ổn định momen, ổn định tốc độ… Không mất tính tổng quát, trong chương này ta nghiên cứu cụ thể hệ chuyển động hai bậc tự do

2.1.1 Sơ đồ động học của chuyển động hai bậc tự do

Ta khảo sát hệ chuyển động bao gồm 2 chuyển động quay đặc trưng cho cơ cấu chuyển động bám tấm pin năng lượng mặt trời đã khảo sát ở chương 1

Hình 2.1 Sơ đồ các gốc tọa độ

2.1.2 Lập các phương trình tọa độ cơ bản :

Hệ tọa độ X0 Y0 Z0 được gắn cố định với nền móng Hệ tọa độ X1 Y1 Z1 được gắn với tâm của chuyển động quay khớp 0-I (biến ϕ1 ) với trục quay là Z1trùng với Z0 Hệ tọa độ X2 Y2 Z2 được gắn với tâm của chuyển động quay khớp I-II (biến ϕ2 ) với trục quay là X2 trùng với X1

Một điểm i bất kỳ trong không gian được xác định trong hệ tọa độ i bằng bán kính ri thì trong hệ tọa độ i-1 được xác định bởi vecto ri-1

ri-1=Airi Trong đó, Ai là ma trận biến đổi tọa độ từ (i-1) sang tọa độ i

i i i

b U

A Với hệ đã cho ta có :

010

0

00cos

sin

00sincos

),

1 1

1 1

1

ϕϕ

ϕϕ

00

cossin

0

0sin

cos0

00

01),(

1 1 1

1 1

2 2

2

h X

Rot

A

ϕϕ

ϕϕ

ϕ

Ta có công thức chuyển hệ tọa độ bất kỳ

r0 = A1 A2…… Ai rihoặc r0 = Biri

B r

v

1

1 0

2.1.4 Gia tốc của chuyển động thứ i:

B q

q

B r

1 0

trong đó r&0 là đạo hàm theo biến thời gian

Với r& i không đổi trong hệ tọa độ thứ i:

i

i r B

r& =0 &

( T)

i

T i i

i

T i i i

i & &

21

W = & ∫ &

21

Ta ký hiệu phần trong ngoặc đơn là:

∫

= r r dm

i i i

2 1

i i i

i i i i i i

i i i i i i

i i i i i T

i i

z y x

z z y z x z

y z y y x y

x z x y x x r

x =

i i

i i

z =

trong đó : mi là khối lượng của khâu thứ i

xi* , yi* ,zi* : là tọa độ trọng tâm của khâu thứ i

i i

i zz

i zy

i zx

i i

i yz

i yy

i yx

i i

i xz

i xy

i xx

i

m z m y m x m

z m J

J J

y m J

J J

x m J

J J

) )

* )

) )

* )

) )

[ T]

i i i

i

q q

q

A A A

1

1 1

1 1 1 1

11

1

100

0

010

0

00cos

sin

00sincos

0000

0000

0001

0010

ϕϕ

ϕ

ϕϕ

1

1 1

1

100

0

010

0

00sincos

00cossin

ϕϕ

ϕ

ϕϕ

1

100

0

010

0

00sincos

00cos

sin

ϕϕ

ϕ

ϕϕ

010

0

00sincos

00cos

sin

100

0

010

0

00sincos

00cossin

2

1 1

1 1

*

*

*

* )

) )

* )

) )

* )

) )

1 1

1 1

2

1

1

ϕϕ

ϕϕ

ϕϕ

ϕϕ

i i

i zz

i zy

i zx

i i

i yz

i yy

i yx

i i

i xz

i xy

i xx

m z m y m x m

z m J

J J

y m J

J J

x m J

J J

tr

W &

2 1 1

2 1 )

2 1 ) )

2

122

)(J J ϕ& J ϕ& Jϕ&

z

i yy

i xx

⇒

2 1 1 1

2 ( )ϕ& ( )ϕ&

1 1 1 1

1 1

1 1

1 1

00

cossin

0

0sin

cos0

00

01

100

0

010

0

00cos

sin

00sincos

00

0

0

00

0

0

00

0

1

00

1

0

ϕϕ

ϕ

ϕϕ

ϕϕ

ϕϕ

1 2

1 1

2 1 2

1 1

12

10

00

00

00

0sin

sincos

sincos

0sincoscos

cossin

ϕϕ

ϕϕ

ϕϕ

ϕϕϕ

ϕϕ

2 1 1 1

1 1

1 1

1 1

00

cossin

0

0sincos

0

00

01

0000

0010

0100

0000

100

0

010

0

00cos

sin

00sincos

ϕϕ

ϕ

ϕϕ

ϕϕ

ϕϕ

2

2 1 2

1

2 1 2

1

21

10

00

0sin

cos0

0coscossin

cos

0

0cos

sinsin

sin

0

ϕϕ

ϕ

ϕϕϕ

ϕ

ϕϕϕ

2 1 2

1

2 1 2

1

2 1 2

1 1

2 1 2

1 1

2

10

00

0sin

cos0

0coscossin

cos0

0cos

sinsin

sin0

10

00

00

00

0sin

sincos

sincos

0sincoscos

cossin

ϕϕ

ϕϕ

ϕϕϕ

ϕ

ϕϕϕ

ϕ

ϕϕϕ

ϕϕ

ϕϕϕ

ϕϕ

2 2

2 = 1+cos ϕ ϕ +ϕ

2 1 2

2 2

2 1 cos2

1 + ϕ ϕ& +ϕ&

= m Z∗

2.2.1.3 Động năng của cả hệ là:

2 2 2

2 1 2

2 2

2 1 1 2

trong đó Ri* = (xi*,yi*,zi*,1) GT = (0,0,-g,o)

với g - gia tốc trọng trường

Ri – tọa độ trong tâm khâu thứ i

1

1

100

0

010

0

00cos

sin

00sincos

)0,,0,

2.2.2.2 Thế năng khâu II:

)sin

(

10

00

cossin

0

0sincos

0

00

01

1000

0100

00cossin

00sincos

)0,,0,

0

(

1 2

*

1

2

2 1 2 2

2 2

1 1

1 1

1

2

h z

g

m

z h g

ϕϕ

ϕϕ

ϕϕ

2.2.2.3 Thế năng toàn hệ:

)sin

1 2

* 1 1 2

1

R B G m P

()

)(

cos1

1 2

* 1 1

2 2 1 2

2 2

2 1

J P

W

L= − = ϕ& + + ϕ ϕ& +ϕ& − − ϕ +

Phương trình Lagrange bậc hai:

Q L L dt

trong đó: ϕi - là tọa độ suy rộng

1 2

* 1 2

* 1 1

2 2 1 2

2 2

* 1 2

* 1 1

2 2 1 2

2 2

2

1

1

sincos

1

sincos

1

Q h z

g m gz m J

J

h z

g m gz m J

+

∂

ϕ

ϕϕ

ϕϕϕ

ϕ

ϕϕ

ϕϕϕ

2 2 2 2 1 2

2

2

2

2 2 2 2

2 2 1 2 2 2

2 2

2

1

1

2 1 2 2 2

2 1 2

2 2

1 2

2 2

1

1

2sin2

sin

)cos1()

cos1(

sin

cos

2

cos1cos

12

ϕϕϕ

ϕϕ

ϕϕϕ

ϕ

ϕϕϕϕϕ

ϕϕϕϕ

m

Z m Z

m

r

m

J J

++

−+

+

=

∗

2 2 12 2 1 11 2 12 1

11

Q = && + && + & & +

)cos1

2 2 2

2 2

g m gz m J

J

h z

g m gz m J

+

∂

2

1 2

* 1 2

* 1 1

2 2 1 2

2 2

* 1 2

* 1 1

2 2 1 2

2 2

2

1

1

sincos

1

sincos

1

ϕ

ϕϕ

ϕϕϕ

ϕ

ϕϕ

ϕϕϕ

2 2 2

2 2 2

1 2 2

2

2

2 2 2 2

2 2 1 2 2 2

2

2

2

cos2

12

sin2

12

sin

2

1

)cos1()

cos1

(

ϕϕ

ϕϕ

ϕ

ϕϕϕ

ϕ

gZ m Z

m Z

m

Z m Z

M

Q = ϕ&& + ϕ&& + ϕ& + ϕ& +

( 2)

2 2 2

2 1 21

2 2 12 2 1 11 2

1 22 21

12 11

2

P D

D

D D

M M

M M

M

M

ϕϕ

ϕϕ

ϕϕ

2 2

2 1 1

11 =m r +m Z 1+cos ϕ

2 2

2 2

12 =m Z 1+cos ϕ

M

2

2 2 2

11 m Z sin2ϕ

2 2

11 m Z sin2ϕ

D =−

2 2

2 2

21 =m Z 1+cos ϕ

2 2

2 2

21 =m Z 1+cos ϕ

M

2

2 2 2

1

M

M u

u U

Ta có các phương trình dạng trạng thái cho chuyển động khớp I và II

−+

−

−

=

21 12 22

11

2 11 2

12

2

2 22 22

2 12 21 11

2 22 12 21 12 11 12 21

12 22 11

22

21 12 22

11

2 21 2

22

2

2 22 22

2 12 21 21

2 22 12 21 12 11 22 21 12 22 11

12

_

1_

1

M M M

M

U M U

M

P x D x D M x D x x D M M

M M

M

x

M M M

M

U M U

M

P x D x D M x D x x D M M M M

Lagrange thành lập các phương trình chuyển động cho từng khớp, đây chính là đối

tượng để thiết kết bộ điều chỉnh vị trí bám quĩ động trong chương 3

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM TRONG TRẠM PHÁT

ĐIỆN DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3.1 Cấu trúc bộ tổng quát điều khiển bam pin năng lượng mặt trời

Trên cơ sở tín hiệu đầu ra các sensor ta sẽ xác định lượng đặt cho bộ điều chỉnh vị bám pin năng lượng mặt trời Cấu trúc điều khiển của chuyển động trong trạm phát điện năng lượng mặt trời sử dụng động cơ servo (hình 3.1) làm việc trong chế độ vòng kín điều chỉnh vị trí Trong luận văn đưa ra các phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh vị trí sử dụng động cơ AC servo là loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu làm động cơ truyền động

Hình 3.1a Cấu trúc điều chỉnh hệ truyền động bám pin năng lượng mặt trời

Trong đó động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu điều khiển theo nguyên lý tựa từ

trường quay với thành phần dòng sinh từ thông isd_ref = 0 và thành phần dòng sinh moment isd_ref là đầu ra của bộ điều chỉnh vị trí

Hình 3.1b Cấu trúc điều chỉnh chi tiết cho một động cơ

3.2 Lý thuyết về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

3.2.1 Vector không gian và hệ tọa độ từ thông rotor

Động cơ xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) dù là động cơ đồng bộ (ĐCĐB) hay động

cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) đều có ba cuộn dây bố trí không gian tổng quát như hình

vẽ 2.6

Hình 3.2 Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của ĐCXCBP

Ba dòng pha phía stator isu, isv, isw của ĐCXCBP không nối điểm trung tính thỏa mãn phương trình:

i su (t) + i sv (t) + i sw (t) = 0 (3.1)

Trong đó dòng điện các pha thỏa mãn:

( ) cos( ) ( ) cos( 120 ) ( ) cos( 240 )

(3.2 a, b, c)

Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang), ĐCXCBP có ba cuộn dây lệch nhau một góc 120° Nếu trên mặt cắt đó ta thiết lập một hệ toạ độ phức với trục thực đi qua cuộn dây u của động cơ, ta có thể xây dựng vector không gian sau đây:

Vector is là một vector có modul không đổi quay trên mặt phẳng phức (cơ học) với tốc

độ góc ωs và tạo với trục thực (đi qua trục cuộn dây pha u) một góc γ

Hệ toạ độ stator (hệ toạ độ cố định):

Lấy trục thực của mặt phẳng phức nói trên đi qua trục cuộn dây pha u và đặt tên là trục α và trục ảo của nó là trục β Chiếu vector is lên hai trục α và β ta được hai hình chiếu là i sαvà i Như vậy, có thể coi động cơ điện xoay chiều như động cơ điện một sβ

chiều với hai cuộn cố định α và β thay thế cho ba cuộn u, v, w

Tóm lại:

i s = i sα+ j i sβ

Giữa hệ toạ độ stator với hệ toạ độ phức ban đầu có quan hệ:

1 ( 2 ) 3

Trong đó chỉ số r và s phía dưới lần lượt cho mạch rotor và stator

Hệ tọa độ từ thông rotor ( hệ toạ độ quay)

Giả sử ta quan sát một ĐCXCBP đang quay với tốc độ góc d

Hình 3.3 Biểu diễn vector không gian trên hệ toạ độ từ thông rotor

Đối với ĐCĐB thì trục của từ thông rotor cũng chính là trục của rotor nên ω ω= s

Hệ toạ độ từ thông rotor là hệ toạ độ có 2 trục d và q, trong đó trục d (trục thực) có hướng trùng với hướng của vector ψ và gốc toạ độ trùng gốc toạ độ của hệ r αβ Để phân biệt các vector được biểu diễn trong hệ toạ độ nào, người ta ký hiệu phía trên bên phải của vector: chỉ số f cho hệ toạ độ dq và chỉ số s cho hệ toạ độ αβ

Khi đó vector dòng điện stator được biểu diễn trong hệ toạ độ dq:

Cuén d©y pha u

Cuén d©y pha w

rotor