Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --- PHẠM THANH TIẾN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR TRỰC TIẾP DÙNG MÔ HÌNH ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ ROTOR... TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

-

PHẠM THANH TIẾN

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR TRỰC TIẾP DÙNG MÔ HÌNH

ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ ROTOR

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

-

PHẠM THANH TIẾN

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR TRỰC TIẾP DÙNG MÔ HÌNH

ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ ROTOR

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp HCM, ngày tháng năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Phạm Thanh Tiến Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh:

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV:

I- Tên đề tài:

Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến điều khiển động cơ không đồng bộ;

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ;

- Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor;

- Nghiên cứu và mô hình kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor;

- Nghiên cứu và mô phỏng kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor

III- Ngày giao nhiệm vụ:

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

V- Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Xuân Hoàng Việt

CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả đạt được trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các tài liệu tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Phạm Thanh Tiến

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS Nguyễn Xuân Hoàng Việt đã tận tình

hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đầy đủ và tốt các nhiệm vụ được giao của đề tài luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức quý báu của chuyên ngành Kỹ thuật điện mà là một nền tảng vững chắc cho tôi hoàn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ12 đã động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp HCM; Viện Khoa học Kỹ thuật, Viện Đào tạo sau đại học và cơ quan nơi tôi đang công tác đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận văn tốt nghiệp này

Phạm Thanh Tiến

Tóm tắt

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn và kỹ thuật vi điều khiển, các hệ thống truyền động điện đã đạt được những bước tiến nhảy vọt Các đáp ứng điều khiển đạt được độ chính xác cao, cả trong chế độ động và tĩnh Trong các hệ thống truyền động điện, động cơ không đồng bộ được sử dụng phổ biến với các nguyên lý điều khiển định hướng từ thông rotor mà cũng đang được áp dụng rộng rãi Đặc biệt là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc,

có giá thành thấp, hiệu suất cao, ít bảo trì Trong tương lai, động cơ này có thể

sẽ dần thay thế động cơ một chiều trong các ứng dụng cần thay đổi vận tốc của truyền động

Chính vì lý do này, luận văn thực hiện nghiên cứu các vấn đề liên quan

đến, "Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor" mà bao gồm

các nội dung như sau:

- Chương 1: Giới thiệu chung

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ

- Chương 3: Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor

- Chương 4: Mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor

- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

With the rapid development of semi-conductor and microcontroller technologies, electric drive systems have made great strides Control responses achieve high accuracy, both in dynamic and static states In electric drive systems, induction motors are commonly used with rotor field-oriented control principles Especially, the induction motors with the squirrel cage rotor have low cost, high performance, less maintenance In the future, this engine may gradually replace the DC motor in applications that need to change the speed of the drive

For this reason, the thesis does research on issues related to, "Induction motor control using direct rotor field-oriented controllers and a rotor speed estimation model" which includes the following content:

- Chapter 1: Introduction

- Chapter 2: Theory to induction machines

- Chapter 3: Induction motor control using a direct rotor field-oriented controller and a rotor speed estimation model

- Chapter 4: Simulations

- Chapter 5: Conclusions and future works

MỤC LỤC

Tóm tắt i

Mục lục iii

Danh sách hình vẽ vi

Chương 1 - Giới thiệu chung 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của luận văn 1

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn 2

1.4 Tổng quan các nghiên cứu liên quan 2

1.5 Bố cục dự kiến của luận văn 3

Chương 2 - Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ 5

2.1 Giới thiệu động cơ không đồng bộ 5

2.2 Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ 5

2.2.1 Phương pháp điều khiển V/f (điều khiển vô hướng) 5

2.2.2 Phương pháp định hướng từ trường FOC 6

2.2.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC 6

2.3 Mô hình động của động cơ không đồng bộ lý tưởng 7

2.3.1 Phương trình toán học mô tả động cơ không đồng bộ lý tưởng 7

2.3.2 Phương trình vector không gian trong hệ tọa độ stator 9

2.4 Phương pháp ước lượng từ thông rotor 13

2.4.1 Phương pháp ước lượng từ thông rotor trong điều khiển trực tiếp 13

2.4.2 Phương pháp ước lượng từ thông rotor trong điều khiển gián tiếp 18

2.5 Phương pháp ước lượng tốc độ rotor 19

Chương 3 - Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor 21 3.1 Giới thiệu 21 3.2 Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ

thông rotor gián tiếp 22

3.3 Bộ nghịch lưu 25

3.3.1 Bộ nghịch lưu áp 3 pha 26

3.3.2 Phương pháp điều khiển PWM dòng điện 31

Chương 4 - Mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor 34

4.1 Giới thiệu 34

4.2 Các thông số mô phỏng 34

4.3 Mô phỏng kỹ thuật điều khiển RFOC 35

4.3.1 Mô hình và mô phỏng bộ nghịch lưu 35

4.3.2 Mô hình và mô phỏng khối PID với hai khâu setpoint-weighting và anti-windup 36

4.3.3 Mô hình và mô phỏng động cơ lý tưởng trong Simulink/Matlab 38

4.4 Mô phỏng ĐCKĐB 40

4.4.1 Thông số của ĐCKĐB 40

4.4.2 Động cơ hoạt động không tải TL = 0 41

4.4.3 Động cơ hoạt động với tải TL = 4,1 N.m 42

4.5 Mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương pháp định hướng từ thông rotor gián tiếp 44

4.5.1 Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa 46

4.5.2 Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước 49

4.5.3 Động cơ chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức 51

4.5.4 Động cơ chạy không tải với vận tốc bằng 1/2 vận tốc định mức rồi đổi chiều 54

4.6 Mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp 56

4.6.1 Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa 59

4.6.2 Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước 61

4.6.3 Động cơ chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức 64

4.6.4 Động cơ chạy không tải với vận tốc bằng 1/2 vận tốc định mức rồi

đổi chiều 66

4.7 Mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor 69

4.7.1 Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa 70

4.7.2 Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước 72

4.7.3 Động cơ chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức 75

4.7.4 Động cơ chạy không tải với vận tốc bằng 1/2 vận tốc định mức rồi đổi chiều 77

4.8 Kết luận 80

Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai 82

5.1 Kết luận 82

5.2 Hướng phát triển tương lai 82

Tài liệu tham khảo 83

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.1 Mô hình cấu trúc động cơ không đồng bộ 8

Hình 2.2 Mô hình ước lượng từ thông rotor từ dòng hồi tiếp và từ thông khe hở không khí 14

Hình 2.3 Mô hình ước lượng từ thông rotor từ áp và dòng hồi tiếp 15

Hình 2.4 Mô hình ước lượng từ thông rotor từ dòng hồi tiếp vân tốc quay của rotor 17

Hình 2.5 Nguyên lý điều khiển RFOC gián tiếp 18

Hình 2.6 Mô hình ước lượng từ thông rotor trong điều khiển gián tiếp 18

Hình 2.7 Mô hình ước lượng tốc độ 20

Hình 3.1 Vector không gian trong hệ tọa độ quay gắn với vector từ thông 22 Hình 3.2 Mô hình ước lượng từ thông rotor từ áp và dòng hồi tiếp 24

Hình 3.3 Bộ nghịch lưu áp 3 pha dạng mạch cầu 26

Hình 3.4 Giản đồ xung kích và áp tải của bộ nghịch lưu áp 3 pha dạng mạch cầu 27

Hình 3.5 Điều khiển bộ nghịch lưu bằng phương pháp điều khiển vòng trễ 32

Hình 3.6 Mạch lái với điều khiển vòng trễ 32

Hình 3.7 Nguyên lý điều khiển vòng trễ 33

Hình 4.1 Mô hình và mô phỏng bộ nghịch lưu 35

Hình 4.2 Mô hình và mô phỏng tính toán điện áp 3 pha Vabc 36

Hình 4.3 Mô hình bộ PI 37

Hình 4.4 Thông số của bộ điều khiển PI 38

Hình 4.5 Khối chuyển đổi các giá trị trong hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ abc 39

Hình 4.6 Khối chuyển đổi điện áp 3 pha abc sang hệ tọa độ αβ 39

Hình 4.7 Mô hình và mô phỏng ĐCKĐB sử dụng Simulink/Matlab 40

Hình 4.8 Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB với tải TL = 0 N.m 41

Hình 4.9 Moment điện từ Te của ĐCKĐB với tải TL = 0 N.m 41

Hình 4.10 Dòng điện stator pha A, ia của ĐCKĐB với tải TL = 0 N.m 42

Hình 4.11 Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB với tải TL = 4,1 N.m 43

Hình 4.12 Moment điện từ Te của ĐCKĐB với tải TL = 4,1 N.m 43

Hình 4.13 Dòng điện stator ia của ĐCKĐB với tải TL = 4,1 N.m 44

Hình 4.14 Mô hình và mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương pháp RFOC gián tiếp 44

Hình 4.15 Mô hình và mô phỏng khối RFOC có bộ PI 45

Hình 4.16 Mô hình và mô phỏng tính toán dòng đặt 45

Hình 4.17 Mô hình và mô phỏng kỹ thuật điều khiển RFOC 46

Hình 4.18 Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa 47

Hình 4.19 Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa 47

Hình 4.20 Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa 48

Hình 4.21 Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa 48

Hình 4.22 Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước 49

Hình 4.23 Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước 50

Hình 4.24 Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước 50

Hình 4.25 Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước 51

Hình 4.26 Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức 52

Hình 4.27 Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức 52

Hình 4.28 Moment điện từ của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức 53 Hình 4.29 Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức 53 Hình 4.30 Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng

½ vận tốc định mức rồi đổi chiều 54 Hình 4.31 Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng

½ vận tốc định mức rồi đổi chiều 55 Hình 4.32 Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng

½ vận tốc định mức rồi đổi chiều 55 Hình 4.33 Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức rồi đổi chiều 56 Hình 4.34 Mô hình và mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương

pháp RFOC trực tiếp 57 Hình 4.35 Mô hình khối ước lượng từ thông và góc quay từ thông 58 Hình 4.36 Mô hình ước lượng từ thông rotor từ dòng và áp 58 Hình 4.37 Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa 59 Hình 4.38 Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa 60 Hình 4.39 Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa 60 Hình 4.40 Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa 61 Hình 4.41 Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước 62 Hình 4.42 Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước 62 Hình 4.43 Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước 63

Hình 4.44 Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức

từ hóa trước 63 Hình 4.45 Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức 64 Hình 4.46 Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức 65 Hình 4.47 Moment điện từ của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức 65 Hình 4.48 Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức 66 Hình 4.49 Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng

½ vận tốc định mức rồi đổi chiều 67 Hình 4.50 Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng

½ vận tốc định mức rồi đổi chiều 67 Hình 4.51 Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng

½ vận tốc định mức rồi đổi chiều 68 Hình 4.52 Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức rồi đổi chiều 68 Hình 4.53 Mô hình và mô phỏng điều khiển động bằng phương pháp RFOC trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor 69 Hình 4.54 Mô hình ước lượng tốc độ rotor từ dòng và áp 69 Hình 4.55 Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa 70 Hình 4.56 Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa 71 Hình 4.57 Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa 71 Hình 4.58 Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa 72 Hình 4.59 Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước 73

Hình 4.60 Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước 73 Hình 4.61 Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước 74 Hình 4.62 Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức

từ hóa trước 74 Hình 4.63 Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức 75 Hình 4.64 Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức 76 Hình 4.65 Moment điện từ của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức 76 Hình 4.66 Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức 77 Hình 4.67 Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng

½ vận tốc định mức rồi đổi chiều 78 Hình 4.68 Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng

½ vận tốc định mức rồi đổi chiều 78 Hình 4.69 Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng

½ vận tốc định mức rồi đổi chiều 79 Hình 4.70 Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức rồi đổi chiều 79

có giá thành thấp, hiệu suất cao, ít bảo trì Trong tương lai, động cơ này có thể

sẽ dần thay thế động cơ một chiều trong các ứng dụng cần thay đổi vận tốc của truyền động

Nguyên lý điều khiển định hướng từ thông sẽ xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thông và moment, đồng thời có thể điều khiển được moment tối ưu

1.2 Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của luận văn

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của luận văn bao gồm:

+ Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến điều khiển động cơ không đồng bộ;

+ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ;

+ Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor;

+ Nghiên cứu và mô hình kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor;

+ Nghiên cứu và mô phỏng kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

+ Đối tượng nghiên cứu của luận văn là động cơ không đồng bộ

+ Phạm vi nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp

1.4 Tổng quan các nghiên cứu liên quan

Tác giả Nguyễn Đức Trí đã nghiên cứu điều khiển động cơ không đồng

bộ bằng phương pháp RFOC/SFOC mà được kết hợp với kỹ thuật logic mờ trong Luận văn Thạc sĩ, “Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp RFOC/SFOC và fuzzy logic”, tại Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM, năm 2008 [1] Tác giả đã tập trung thực hiện mô hình hóa động cơ không đồng

bộ lý tưởng Trên cơ sở đó, tác giả đã thực hiện mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ sử dụng kỹ thuật FOC và logic mờ bằng phần mềm Simulink/Matlab

Tác giả Hồ Viết Phát đã thực hiện điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp RFOC có tính đến bù tổn hao sắt từ trong Luận văn tốt nghiệp, tại Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM, năm 2009 [2] Tác giả đã thực hiện mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ lý tưởng và động cơ có tính đến tôn hao sắt từ

Tác giả Hồ Thiện Lợi đã thực hiện điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC trên cơ sở dsPACE 1104 trong Luận văn tốt nghiệp, tại Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM, năm 2010 [3] Tác giả đã tìm hiểu card dsPACE 1104 và tiến hành thực nghiệm điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp RFOC gián tiếp

Các tác giả C Patel, R Ramchand, K Sivakumar, A Das và K Gopakumar đã thực hiện mô phỏng và thực nghiệm điều khiển động cơ không đồng bộ sử dụng card xử lý tín hiệu số TM320F2812 DSP trong công bố, “A

vector control for IM drives using current error space phasor based hysteresis controller without speed sensor” [4] Kỹ thuật điều khiển chính được sử dụng trong nghiên cứu này là kỹ thuật điều khiển sai số dòng điện và đặc biệt, kỹ thuật điều khiển này không sử dụng cảm biến tốc độ Các tác giả đã thực hiện ước lượng vận tốc rotor dựa trên các giá trị áp và dòng điện stator của động cơ

R Yanamshetti, S S Bharatkar, D Chatterjee, A K Ganguli đã thực hiện điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC, trong đó các giá trị của từ thông stator và tốc độ rotor được ước lượng trong công bố khoa học, “A simple DSP based speed sensorleess field oriented control of induction motor” [5] Tác giả đã thực hiện mô phỏng và thực nghiệm bằng việc sử dụng card xử lý tín hiệu số DSP TMS320F2407 Kết quả tốc độ hồi tiếp và tốc độ ước lượng được so sánh với các đánh giá độ chính xác là cao Ngoài ra, nghiên cứu cũng cho thấy được mối quan hệ giữa từ thông rotor và điện trở stator; giữa tốc độ trượt và điện trở rotor

Các tác giả W B Mabrouk, J Belhadj và M Pietrzak-David đã thực hiện các nghiên cứu để điều khiển hai hoặc nhiều động cơ không đồng bộ bằng phương pháp điều khiển hướng từ rotor trung bình (Mean rotor field oriented control, MRFOC) trong công bố khoa học, “Electromechanical multi-machine system for railway: modelling, analysis and control” [6]

1.5 Bố cục dự kiến của luận văn

Luận văn nghiên cứu các vấn đề liên quan đến điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor bao gồm các nội dung cụ thể như sau:

+ Chương 1: Giới thiệu chung

Chương này giới thiệu chức năng và phạm vi sử dụng của động cơ không đồng bộ trong các hệ thống truyền động điện của các hệ thống công nghiệp

Bên cạnh đó, chương này cũng trình bày tổng quan các kết quả nghiên cứu của các tác giả khác liên quan đến nội dung của luận văn trong thời gian gần đây của điều khiển động cơ không đồng bộ

+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về mô hình toán học của động cơ không đồng bộ, cũng như các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ như phương pháp điều khiển V/f, phương pháp điều khiển định hướng từ trường FOC và phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC

+ Chương 3: Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng

từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor

Chương này trình bày kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc

- Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa;

- Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước;

- Động cơ chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức;

- Động cơ chạy không tải với vận tốc bằng 1/2 vận tốc định mức rồi đổi chiều

+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

Chương 2

Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ

2.1 Giới thiệu động cơ không đồng bộ

Ngày nay, động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB), đặc biệt là động cơ rotor lồng sóc được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp Loại động cơ này có nhiều ưu điểm hơn động cơ DC như không yêu cầu bảo trì thường xuyên, độ tin cậy cao, khối lượng và quán tính nhỏ hơn, giá thành rẻ hơn và khả năng làm việc hiệu quả hơn đặc biệt trong môi trường độc hại Do đó, ĐCKĐB được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hơn so với tất cả các loại động cơ khác Tuy nhiên, phần lớn ĐCKĐB được sử dụng trong các ứng dụng với tốc độ không đổi, do phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB thường có hiệu suất kém Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn công suất cao và kỹ thuật vi xử lý, những bộ phận điều khiển ĐCKĐB đã được chế tạo với đáp ứng cao hơn và giá thành rẻ hơn các bộ điều khiển DC trong nhiều ứng dụng Dự kiến trong tương lai gần, ĐCKĐB sẽ được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ

Các phương pháp điều khiển ĐCKĐB có thể được liệt kê như sau

2.2 Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

2.2.1 Phương pháp điều khiển V/f (điều khiển vô hướng)

Tốc độ đồng bộ của ĐCKĐB tỷ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp

Do đó, khi thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ, tốc độ đồng bộ và tương ứng là tốc độ của động cơ sẽ thay đổi

* Các đặc trưng của kỹ thuật điều khiển:

+ Biến điều khiển là biến điện áp và tần số;

+ Sử dụng bộ điều chế độ rộng xung;

+ Thông thường, điều khiển dạng vòng hở;

+ Từ thông được giữ không đổi bằng cách giữ V/f = hằng số

* Ưu điểm của kỹ thuật điều khiển:

+ Đơn giản và không cần hồi tiếp;

+ Chi phí thấp

* Nhược điểm của kỹ thuật điều khiển:

+ Không điều khiển tối ưu được moment;

+ Không điều khiển trực tiếp được moment và từ thông;

+ Độ chính xác không cao;

+ Đáp ứng chậm

2.2.2 Phương pháp định hướng từ trường FOC

* Các đặc trưng của kỹ thuật điều khiển:

+ Định hướng được từ thông nên tối ưu được moment;

+ Điều khiển vòng kín;

+ Moment được điều khiển gián tiếp

* Ưu điểm của kỹ thuật điều khiển:

+ Đáp ứng moment nhanh;

+ Điều khiển chính xác vận tốc;

+ Đảm bảo moment ở vận tốc bằng 0;

+ Tương tự như điều khiển DC

* Nhược điểm của kỹ thuật điều khiển:

+ Phải có hồi tiếp tốc độ trong giải thuật điều khiển;

+ Chuyển đổi hệ quy chiếu liên tục;

+ Cần phải điều khiển độ rông xung, phụ thuộc vào bộ điều khiển dòng

và tham số động cơ

2.2.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC

* Các đặc trưng của kỹ thuật điều khiển:

+ Điều khiển độc lập giữa moment và từ thông

* Ưu điểm của kỹ thuật điều khiển:

+ Định hướng được từ thông do đó tối ưu được moment;

+ Điều khiển trực tiếp moment và từ thông;

+ Không cần hồi tiếp tốc độ, moment, từ thông được lấy trực tiếp từ hệ quan sát;

+ Không cần các bộ điều khiển dòng điện, các bộ điều chế độ rộng xung, khâu chuyển hệ tọa độ (biến đổi Park);

+ Tính động cao;

+ Thời gian tính toán nhanh;

+ Ít phụ thuộc tham số động cơ

* Nhược điểm của kỹ thuật điều khiển:

+ Khởi động không tốt

+ Sự suy giảm kích từ và dao động của từ thông ở vùng vận tốc thấp và moment ở vùng vận tốc cao

Tần số đóng cắt bộ nghịch lưu biến đổi theo điểm làm việc của động cơ

2.3 Mô hình động của động cơ không đồng bộ lý tưởng

2.3.1 Phương trình toán học mô tả động cơ không đồng bộ lý tưởng

Máy điện không đồng bộ được mô tả bởi hệ phương trình vi phân Các cuộn dây của máy điện có cấu trúc phân bố phức tạp trong không gian Trong

mô hình hóa động cơ điện, các điều kiện sau được giả sử:

+ Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng về mặt không gian;

+ Dây quấn rotor đã quy đổi sang dây quấn stator;

+ Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bão hoà của mạch từ;

+ Các giá trị điện trở và điện cảm được xem là không đổi

Xét máy điện không đồng bộ có p đôi cặp cực Tại thời điểm đang xét, trục pha A của rotor lệch một góc cơ γR so với trục pha A của stator, tương ứng với độ lệch góc điện của rotor so với stator θr

Hình 2.1 Mô hình cấu trúc động cơ không đồng bộ

Phương trình điện áp phía stator:

Từ thông móc vòng của stator:

( 4 / 3) ( 2 / 3)

sA L i s sA M i s sB M i s sC M cos i sr θr ra M cos sr θr π i rc M cos sr θr π i rb

(2.7) ( 4 / 3) ( 2 / 3)

sB L i s sB M i s sA M i s sC M cos i sr θr rb M cos sr θr π i ra M cos sr θr π i rc

(2.8) ( 4 / 3) ( 2 / 3)

sC L i s sC M i s sB M i s sA M cos i sr θr rc M cos sr θr π i rb M cos sr θr π i ra

sb L i s sb M i s sa M i s sc M cos i sr θr rB M cos sr θr π i rA M cos sr θr π i rC

(2.11) ( 4 / 3) ( 2 / 3)

sc L i s sc M i s sb M i s sa M cos i sr θr rC M cos sr θr π i rB M cos sr θr π i rA

cos coscos

cos

1 2

coscoscos

coscos

sr sr sr

sr sr

r r

pM pM pM

pM pM

pM pM

θθθ

θθ

2.3.2 Phương trình vector không gian trong hệ tọa độ stator

Giả sử cuộn dây stator được cung cấp nguồn từ hệ thống điện áp xoay chiều ba pha cân bằng với tần số góc ωs Ba dòng hình sin phía rotor i sA,i sB và

Có thể viết lại dưới dạng vector i s quay trong không gian với tần số fs:

sB s

sC

i i

i i

s sC

i

i i

i i

α β

Tương tự, với vector không gian từ thông rotor là:

* Khảo sát trong hệ tọa độ stator:

Phương trình vector không gian điện áp stator:

Phương trình (2.18) và (2.24) không thích hợp cho việc mô phỏng dùng các đặc tính động cho máy tính số Vì vậy, cần phải triển khai các vector điện

v v v v

α β α β

2

Lσ =L L −L : Điện cảm tương hỗ

T : Moment cản quy đổi về trục động cơ [N.m];

J: Moment quán tinh của hệ thống quy đổi về trục động cơ [kgm2];

P: Số cặp cực của động cơ;

ω: Vận tốc rotor [rad/s]

Ở chế độ xác lập, thành phần d

dt

ω gọi là moment động của hệ thống và

chỉ xuất hiện ở chế độ quá độ

2.4 Phương pháp ước lượng từ thông rotor

2.4.1 Phương pháp ước lượng từ thông rotor trong điều khiển trực tiếp

Các giá trị tức thời chính xác của vị trí cũng như độ dài của vector từ thông rotor cần thiết cho việc chuyển đổi hệ quy chiếu tức thời trong điều khiển định hướng vector từ thông rotor

a Phương pháp ước lượng từ thông rotor từ dòng hồi tiếp và từ thông khe

33

2

5,05,0

3

2

c b

s

c b a

s

i i

i

i i i

=

=

=

r s m r

s

m

m m m m

m

m

i i i i

i

i

i L i

L

β β β α

α

α

β β

=

+

−

=+

=

m s m r m r

r

r

m s m r m r

r

r

i i L i

L

i i L i

L

β β β γ β β

γ

β

α α α γ α α

γ

α

ψψ

ψ

ψψ

ψ

(2.39)

Do đó, phương trình ước lượng từ thông rotor theo dòng hồi tiếp và từ thông khe hở không khí như sau:

−+

=

m

r r

r

r r

r

r r

r r

r

s r m r

r

s r m r

r

L

L

i L

i L

γ β α

β α

β γ β β

α γ α α

σ

ψ

ψϕ

ψ

ψϕ

ψψ

b Phương pháp ước lượng từ thông rotor từ áp và dòng hồi tiếp

Hình 2.3 Mô hình ước lượng từ thông rotor từ áp và dòng hồi tiếp

* Dòng và áp được chuyển sang hệ quy chiếu αβ:

33

2

5,05,0

3

2

2

32

33

2

5,05,0

3

2

c b

s

c b a

s

c b

s

c b a

s

v v

v

v v v

v

i i

i

i i i

* Từ thông stator được ước lượng từ dòng và áp như sau:

v

dt i R

i

s s s

s

s s s

s

β β

β

α α

r r

r r

L L i L

L L i L

* Dòng được biến đổi sang hệ quy chiếu quay dq như sau:

=

3

4sin3

2sinin

2coscos

3

2

πφπ

φφ

πφπ

φφ

r c r

b r a

qs

r c r

b r a

ds

i i

i

i

i i

m

e

qs m r

r

r

ds m r

r

r

i L

L

P

T

i L T

i L dt

i

ψ

ω

ψψ

Hình 2.4 Mô hình ước lượng từ thông rotor từ dòng hồi tiếp vân tốc quay của

rotor

* Vị trí tức thời của vector từ thông rotor được xác định như sau:

2.4.2 Phương pháp ước lượng từ thông rotor trong điều khiển gián tiếp

Các phương trình ước lượng vị trí vector từ thông rotor từ các giá trị đặt của từ thông rotor và moment điện từ như sau:

L

dt

d T L

i

L

L T

m

sl

r r r

m

ds

m r r

e qs

ωω

ω

ψψ

Hình 2.5 Nguyên lý điều khiển RFOC gián tiếp

Hình 2.6 Mô hình ước lượng từ thông rotor trong điều khiển gián tiếp

2.5 Phương pháp ước lượng tốc độ rotor

r

s s s

s s

m

r

r

s s s

s s

m

r

r

s s s s s

m

r

r

s s s s s

m

r

r

i L dt i R v

L

L

i L dt i R v

L

L

dt

di L i R v

σψ

σψ

σψ

β

α

β β

β

β

α β

α

α

β β

β

β

α α

r

r r r

dt

d

i

β β α

α

α β

β

α

ψψ

ψψ

s

s

i L i

L

dt

d i L dt

d i

L

β β β α α α

α β β

β α

α

ψψ

ψψ

ψψ

ψψ

ω

−+

( )

s m

r s s

m

r

r

s m

r s s

m

r

r

s s s

s

s s s

s

i L

L L L

L

i L

L L L

L

dt i R

v

dt i R

v

β β

β

α α

α

β β

β

α α

α

σψ

ψ

σψ

Chương 3

Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor

3.1 Giới thiệu

Một cách tổng quát, một động cơ điện có thể được xem tương tự như một nguồn moment điều khiển được Yêu cầu điều khiển chính xác giá trị moment tức thời của động cơ được đặt ra trong các hệ truyền động có đặc tính động cao và sử dụng phương pháp điều khiển vị trí

Moment sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dòng trong cuộn ứng và từ thông sinh ra trong hệ thống từ động cơ Từ thông phải được giữ ở mức tối ưu nhằm đảm bảo moment sinh ra là tối đa, giảm thiểu mức độ bão hòa của mạch từ Với từ thông có giá trị không đổi, moment sẽ tỉ lệ thuận với dòng ứng

Điều khiển độc lập từ thông và dòng ứng được thực hiện dễ dàng cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập Ở đây, dòng điện trong cuộn stator xác định từ thông rotor dùng để điều khiển moment

Tương tự, động cơ không đồng bộ, cuộn ứng là rotor và từ thông sinh ra bởi dòng điện trong cuộn stator Tuy nhiên, dòng rotor không trực tiếp điều khiển bởi nguồn ngoài mà là hệ quả do sức điện động cảm ứng sinh ra do kết quả chuyển động của rotor so với từ trường stator Do vậy, dòng của stator là nguồn của từ thông và dòng ứng

Trong ĐCKĐB rotor lồng sóc, chỉ có dòng điện trong stator được điều khiển trực tiếp Do đó, việc điều khiển tối ưu là khó thực hiện vì không thể bố trí cố định về mặt vật lý giữa từ thông stator và rotor được và phương trình moment là phi tuyến Việc điều khiển moment ở xác lập có thể mở rộng cho quá độ trong các hệ thống điều khiển, dựa theo nguyên lý tựa trường Nguyên

lý này xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thông với moment ĐCKĐB

theo phương pháp điều khiển vector mô phỏng động cơ một chiều theo hai phương diện là từ thông và moment có thể điều khiển độc lập

Các điều kiện để điều khiển moment tối ưu cho cả hai trạng thái xác lập

Moment điện từ có thể được tính như sau:

Tr: Hằng số thời gian rotor

Phương trình (3.2) có thể được biểu diễn trong hệ quy chiếu dq như sau:

- Các phương trình điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp:

* Dòng và áp được chuyển sang hệ quy chiếu αβ:

33

2

5,05

33

2

5,05

s

c b a

s

c b

s

c b a

s

v v

v

v v v

v

i i

i

i i

* Từ thông stator được ước lượng từ dòng và áp như sau:

(v R i )dt

dt i R

v

s s

s

s

s s

β

α α

r

s m

r s s r

r

s m

r s s r

r

i L

L L

i L

L L

σ

ψ

σψ

β

α α

=

−+