Điều khiển tốc độ động cơ điện không đồng bộ ba pha sử dụng logic mờ

Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo chia làm hai nhóm • Tính toán cứng • Tính toán mềm Hệ thống chuyên gia thuộc về tính toán cứng được xem là kỹ thuật trí tuệ nhân tạo đầu tiên. Trong hai thập niên gần đây kỹ thuật tính toán mềm được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện đó là: • Hệ logic mờ • Mạng nơron – Mờ • Mạng nơron nhân tạo • Giải thuật di truyền GA • Giải thuật bầy đàn PSO

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu

1.1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu

Động cơ không đồng bộ được ứng dụng trong các hệ truyền động trong Băng chuyền, băng tải, máy nghiền, máy giặt, tủ lạnh, máy điều hòa, quạt điện, vì nó có nhiều ưu điểm như:

 Cấu tạo đơn giản

 Khởi động đơn giản

 Làm việc tin cậy

 Giá thành thấp

 Chi phí cho bảo trì bảo dưỡng thấp nhất so với các loại động cơ khác Việc điều khiển động cơ không đồng bộ tương đối phức tạp so với động cơ một chiều, các vấn đề thường gặp phải như:

 Yêu cầu độ chính xác cao của mô hình toán

 Điều khiển tuyến tính cổ điển chỉ đáp ứng tốt với một tốc độ vận hành nhất định

 Hiệu suất mong muốn không đạt được do sự biến động tải, sự bảo hòa từ trong động cơ và sự thay đổi về nhiệt độ

 Các hệ số phải được lựa chọn thích hợp cho các kết quả được chấp nhận, nhưng trái lại lựa chọn các hệ số thích hợp với nhiều tham số khác nhau như việc thiết lập điểm là rất khó

 Việc thiết kế các bộ điều khiển truyền thống đạt hiệu suất cao thường tăng thêm tính phức tạp của hệ thống vì vậy gia tăng giá thành của sản phẩm

Ngày nay đã phát triển nhiều phương pháp điều khiển động cơ, các phương pháp được phát triển từ đơn giản đến phức tạp, từ cổ điển đến hiện

đại Các phương pháp điều khiển hiện đại ngày càng được áp dụng nhiều

Có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, nhưng điểm khác nhau chủ yếu giữa các phương pháp là hiệu suất và giá thành Dưới đây là một số phương pháp điều khiển hiện đại đang được áp dụng trong thực tế:

 Phương pháp V/f: là phương pháp điều khiển đơn giản và phổ biến trong phần lớn các ứng dụng trong công nghiệp Điểm đặc biệt của phương pháp đó là mối quan hệ giữa điện áp và tần số là một hằng số Cấu trúc của mạch thì đơn giản và thường sử dụng dạng không hồi tiếp tốc độ Tuy nhiên phương pháp này có độ chính xác không cao trong đáp ứng tốc

độ và moment

 Phương pháp DTC: đây là phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông stator và moment và cũng là phương pháp có hiệu suất cao Nội dung của phương pháp này là dựa trên sai biệt giữa giá trị đặt và giá trị ước lượng

từ các khâu tính toán hồi tiếp về của moment 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 khiền đóng cắt các khóa công suất nhằm mục đích giảm sai số moment và từ thông trong phạm vi cho phép được xác định trước Tuy nhiên có thể hai vấn đề thương thấy trong truyền động DTC dựa trên khâu

bản dựa vào sự tham chiếu về thời gian và tốc độ trên hệ trục d – q, đây là

hệ trục bất biến Sự tham chiếu này nhằm mục đích để hướng việc khảo sát động cơ KĐB thành việc khảo sát của động cơ DC

Điều khiển hiện đại dựa trên kỹ thuật trí tuệ nhân tạo hay còn gọi là điều khiển thông minh, các hệ thống ứng dụng trí tuệ nhân tạo được gọi là các hệ thống tự tổ chức Thập niên 80, sản xuất vi mạch và vi xử lý với khả năng tính toán cao và tốc độ xử lý cực nhanh Các vi xử lý hiện đại có tốc

độ xử lý cao, công suất lớn, giá thành thấp như DSP, FPGA và ASIC cùng với các khóa điện tử công suất như IGBT góp phần làm cho điều khiển thông minh được điều khiển rộng rãi trong các kỹ thuật truyền động

Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo chia làm hai nhóm

 Tính toán cứng

 Tính toán mềm

Hệ thống chuyên gia thuộc về tính toán cứng được xem là kỹ thuật trí tuệ nhân tạo đầu tiên Trong hai thập niên gần đây kỹ thuật tính toán mềm được sử dụng rộng rãi trong truyền động điện đó là:

 Hệ logic mờ

 Mạng nơ-ron – Mờ

 Mạng nơ-ron nhân tạo

 Giải thuật di truyền GA

 Giải thuật bầy đàn PSO

1.1.2 Một số công trình nghiên cứu có liên quan

[1] P Tripura and Y Srinivasa Kishore Babu, “Fuzzy Logic Speed Control

of Three Phase Induction Motor Drive”, World Academy of Science, Engineering and Technology 60 2011

Điều khiển tốc độ động cơ cảm ứng 3 pha dùng bộ PI truyền thống thường cho đáp ứng tốt với tải và tốc độ động cơ ổn định, nhưng trong thực

tế tải đầu trục động cơ, tốc độ động cơ thừơng hay bị thay đổi do thực tế sử

dụng, nên bộ PI tỏ ra kém hiệu quả, để cải thiện điều này bằng cách sử dụng logic mờ, tác giả đã sử dụng bộ điều khiển FLC nhằm khắc phục được những hạn chế của PI truyền thống, và cho đáp ứng điều khiển tốt hơn, tuy nhiên số luật điều khiển và biến mờ là nhiều, nên việc lựa chọ biến mờ và luật mờ sẽ phức tạp và mất nhiều thời gian điều chỉnh, hơn nữa khi mô phỏng thời gian mô phỏng sẽ dài hơn do số biến mờ và luật mờ, và kết quả

mô phỏng thường cho độ vọt lố về momen cao hơn với PI

[2] Biranchi Narayan Kar, K.B Mohanty, “Indirect Vector Control of Induction Motor Using Fuzzy Logic Controller”, Department of Electrical Engineering, National Institute of Technology, Rourkela-769008

Điều khiển véc tơ gián tiếp động cơ không đồng bộ 3 pha sử dụng logic mờ cũng cho kết quả tốt nhưng số luật điều khiển và biến mờ vẫn nhiều dẫn đến phức tạp trong thiết kế bộ PI mờ và kết quả mô phỏng thu

được cũng tương tự như [1]

[3] M. N Uddin, T S Radwan and M A Rahman “Performances of Logic Based Indirect Vector Control for Induction Motor Drive,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 38, No 5, pp 1219-1225, September/October, 2002

Fuzzy-Hệ thống điều khiển vector gián tiếp truyền thống sử dụng bộ điều khiển PI thông thường cho hồi tiếp tốc độ vì sự đơn giản và ổn định Tuy nhiên, sự thay đổi bất ngờ điều kiện tải trọng hoặc các yếu tố môi trường sẽ tạo ra vọt lố, dao động của tốc độ động cơ, dao động của mô-men xoắn, thời gian để đạt ổn định kéo dài và do đó làm giảm hiệu suất truyền động

Để khắc phục điều này, một bộ điều khiển thông minh dựa vào logic mờ có thể được sử dụng gọi là bộ điều chỉnh PI mờ Logic mờ có những lợi thế nhất định so với các bộ điều khiển cổ điển như điều khiển đơn giản, chi phí thấp, và có thể thiết kế mà không cần biết các mô hình toán học chính xác của đối tượng

Kết quả điều khiển có tốt hơn bộ PI truyền thống nhưng số luật mờ, biến mờ vẫ nhiều và phức tạp tương tự như [1], [2]

1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Tìm hiểu bộ điều khiển logic mờ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha, áp dụng lý thuyết mờ vào kỹ thuật điều khiển hiện đại FOC cho các hệ truyền động động cơ không đồng bộ 3 pha

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu “Điều khiển tốc độ động cơ điện không

đồng bộ ba pha sử dụng logic mờ”

1.2.3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Tìm hiểu một số phương pháp điều khiển hiện đại trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha, đề xuất phương pháp điều khiển FOC

Tìm hiểu, nghiên cứu sử dụng lý thuyết logic mờ trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha, đề xuất bộ điều khiển mờ FLC thay thế cho

bộ điều khiển PI cổ điển

Mô phỏng hệ truyền động điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha theo phương pháp FOC dùng bộ điều khiển mờ thay cho PI truyền thống dùng phần mềm Matlab-Simulink

1.2.4 Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu và tham khảo mô hình toán học của động cơ không đồng bộ

ba pha

Tìm hiểu và tham khảo mô hình điều khiển động cơ không đồng bộ dung bộ PI truyền thống

Xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động điều khiển tốc độ động

cơ không đồng bộ dùng bộ điều khiển logic mờ FLC

Phân tích các kết quả nhận được và so sánh với bộ điều khiển PI Truyền thống

Đánh giá, Kết luận Đề xuất hướng phát triển của đề tài

1.3 Tính cần thiết của đề tài

- Có thể nghiên cứu để ứng dụng thực tiễn trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha do có đáp ứng tốt

- Dùng làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu khác về động cơ

- Làm tài liệu tham khảo cho thiết kế, vận hành máy điện

1.4 Tính mới của để tài

Tác giả nghiên cứu thiết kế bộ PI mờ bằng việc sử dụng số luật điều khiển ít hơn, dễ điều chỉnh và đáp ứng tốt, nghiên cứu mô phỏng điều khiển mô hình động cơ dùng Matlab và cho kết quả tốt

1.5 Kết cấu của luận văn

Đề tài gồm các phần sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Xây dựng mô hình động cơ trên matlab simulink

Chương 4: Xây dựng bộ điều khiển Logic mờ PI

Chương 5: Kết quả mô phỏng

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Động cơ không đồng bộ 3 pha

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, Dòng điện ba pha đối xứng trong dây quấn ba pha sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ s(rad/s) làm cho roto quay với tốc độ là

r khác tốc độ của từ trường quay

Rotor máy điện không đồng bộ gồm 2 loại:

Rotor dây quấn với dây quấn nhiều pha (thường là ba pha) quấn trong các rãnh rotor, có cùng số cực với dây quấn stator với các đầu dây ra nối với các vành trượt được cách điện với trục rotor Việc tiếp điện được thông qua các chổi than đặt trong các bộ giá đỡ chổi than

Rotor lồng sóc có dây quấn rotor là các thanh dẫn (nhôm, đồng) trong rãnh rotor, [4] chúng được nối tắt ở hai đầu nhờ hai vành ngắn mạch Do kết cấu rất đơn giản và chắc chắn, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được sử dụng làm nguồn động lực rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp cũng như trong sinh hoạt

Hình 2.1 Máy điện KĐB 3 pha

2.2 Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ

Để tạo thuận lợi cho việc xây dựng các thuật toán điều khiển, các mô hình của động cơ được xây dựng với giả thiết:

- Các tổn hao sắt từ và sự bảo 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

Lm: Hỗ cảm giữa stator và rotor

E: Sức điện động cảm ứng trong dây quấn stator

2.3 Vector không gian và các đại lượng ba pha [4]

2.3.1 Vector không gian

Ba dòng điện isa, isb, isc là ba dòng chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ

Ba dòng điện đó thỏa mãn phương trình:

isa(t) + isb(t) + isc(t) = 0 (2.1)Trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau:

i sa(t)  i s cos( s t) (2.2)

) 120 cos(

một hệ tọa độ phức với trục thực đi qua cuộn dây u, ta có thể xây dựng vector không gian sau:



j s j

sw j

sv su

i  [ ( )  ( ) o  ( ) o] 

3

2 )

Theo (2.5), vector i s (t) là một vector có modul không đổi quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc s 2f s và tạo với trục thực (đi qua cuộn dây pha u) một góc  s t, trong đó fs là tần số mạch stator Việc xây dựng vector i s (t)được mô tả trong hình 2.3

Hình 2.3 Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha

2.3.2 Hệ tọa độ cố định stator (,  )

Trên mặt cắt ngang của động cơ không đồng bộ ba pha, ta thiết lập một hệ tọa độ phức có trục thực  trùng với trục cuộn dây pha a của động cơ và trục ảo

 Ta có hệ tọa độ cố định stator (,  ) như hình 2.4

Xét thành phần vector điện áp trong hệ tọa độ stator:

sb sa sc

s s

sb

s sa

u u

u u u

u u

u

u u

2

3 2

1 2

3 2

1

(2.6)

sa s

sa s

u u u

u u

u u

3

12

2.3.3 Hệ tọa độ từ thông rotor (d, q)

Trong mặt phẳng của hệ tọa độ (,  ) ta 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 s so với hệ tọa độ stator Khi đó sẽ tồn tại hai hệ tọa độ và một vector không gian có thể biểu diễn trên hai hệ tọa độ này

  quay tròn quanh gốc tọa độ 0, với s  a t  0

Hình 2.5 Mối liên hệ giữa hai hệ tọa độ (,  ) và (d,q)

Hệ phương trình biểu diễn mối liên hệ giữa hai hệ tọa độ [2]

s sq s sd

s

u u

u

u u

sin cos

d q s

s s

s

ju u

u

ju u

s s

sq

s s

s s

sd

u u

u

u u

sin cos

(2.11)

Hình 2.6 biểu diễn vector không gian dòng stator trên hệ tọa độ (d, q)

Khi xét hệ tọa độ (d, q), ta cho trục d trùng với trục từ thông rotor và quay với tốc

độ góc bằng với tốc độ góc của vector từ thông rotor

Trong hệ tọa độ từ thông rotor, các vector dòng stator và các vector từ thông rotor quay cùng với hệ tọa độ (d, q), do đó các phần tử của vector dòng rotor là các đại lượng một chiều, trong chế độ xác lập các giá trị này gần như không đổi; còn trong quá trình quá độ, các đại lượng này biến thiên theo một thuật toán đã định trước

Hình 2.6 Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ (d, q) Thành phần từ thông rotor trên trục q (rq) bằng 0 do vuông góc với từ thông rotor trùng với trục d, nên từ thông rotor chỉ còn thành phần theo trục d và là đại lượng một chiều

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

Với sơ đồ tương đương của động cơ không đồng bộ ở chế độ xác lập thì có thể cho phép ta tính toán các đại lượng cơ bản như dòng stator, moment… với vận tốc

cố định, nguồn cung cấp có dạng sin và cân bằng Sơ đồ này không dùng được khi phân tích trạng thái vận hành quá độ của động cơ

Mô hình động của động cơ trong hệ trục tọa độ tĩnh stator và hệ trục tọa độ quay rotor dựa trên khái niệm về các đại lượng vector của máy điện xoay chiều Mô hình cho phép phân tích đặc tính của động cơ ở chế độ quá độ lẫn xác lập và khi động cơ được cấp từ một nguồn áp có dạng bất kỳ

Một số qui ước:

Chỉ số viết bên phải trên cao:

- f: đại lượng mô tả hệ từ thông (hệ trục dq quay đồng bộ với vecto từ thông)

- s: đại lượng mô tả trên hệ tọa độ αβ cố định với stator

- r: đại lượng mô tả trên hệ tọa độ αβ cố định với rotor

Chỉ số viết bên phải phía dưới:

- s: đại lượng mạch stator

- r: đại lượng mạch rotor

Hình 2.7 Hệ trục tọa độ abc và hệ trục tọa độ αβ

Có thể thấy rằng cách biểu diễn dạng vector này mang tính tổng quát hơn so với biểu diễn các đại lượng dưới dạng vector pha, nhất là trong trường hợp dòng stator không sin và không cân bằng

Do vector là tổng các vector , , trong hệ trục tọa độ , các vector này vuông góc với mặt phẳng các cuộn dây stator đặt lệch nhau 1200

trong không gian nên dạng giải tích có thể biểu diễn như sau:

s s j0o s j120o s j240o

F F e F e F e (2.13) Khái niệm vector không gian có thể mở rộng cho các đại lượng khác như dòng điện, điện áp, từ thông

- Vecto không gian dòng stator: s s j0o s j120o s j240o

Các phương trình toán học cơ bản

Động cơ không đồng bộ được mô tả bởi hệ phương trình vi phân bậc cao Về cấu trúcphân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian, vì các mạch từ móc vòng nên ta phải chấp nhận một loạt các điều kiện sau đây trong khi mô hình hoá động cơ

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

- Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bão hòa

- 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 xem là không đổi

Ta sẽ sử dụng các mô hình trong không gian trạng thái để mô tả động cơ

Phương trình điện áp cho 3 cuộn dây quấn stator:

- u sa t u, sb t u, sc t : Điện áp trên ba cuộn dây pha của stator

- sa t , sb t , sc t : Từ thông móc vòng trên ba dây quấn stator

- : Điện trở của cuộn dây pha stator

Biểu diễn điện áp theo dạng vectơ không gian:

- iss(t): vectơ dòng stator được quan sát trên hệ tọa độ stator

- : vectơ từ thông stator được quan sát trên hệ tọa độ stator

Tương tự như đối với cuộn dây stator, ta thu được phương trình điện áp của mạch rotor khi quan sát trên hệ rotor (rotor ngắn mạch)

0    

r r

- Rr: điện trở rotor đã tính quy đổi về stator

- 0 : vectơ không (vectơ có môdul bằng không)

Chỉ số “r” ở trên chỉ các vectơ của phương trình (2.24) được biểu diễn trong hệ tọa độ cố định rotor

Các cuộn dây của động cơ có các giá trị điện cảm sau:

Lm : Hỗ cảm giữa rotor và stator

Ls : điện kháng tản của dây quấn stator

Lr : điện kháng tản của dây quấn rotor

Từ các giá trị trên ta có :

Ls =Lm +L s : Điện cảm stator

Lr =Lm +L r : Điện cảm rotor

Ts=Ls/Rs : Hằng số thời gian stator

Tr =Lr/Rr : Hằng số thời gian rotor

 =1-Lm

2

/ (Ls. Lr) : Hệ số tiêu tán tổng Phương trình của từ thông stator và từ thông rotor:

Với : j : Moment quán tính cơ

P : Số đôi cực của động cơ

25 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ stator

Ta hình dung có một hệ trục tọa độ mới quay với tốc độ , việc chuyển đổi các đại lượng này về hệ trục mới được thực hiện bằng cách áp dụng công thức chuyển đổi trục tọa độ

Hình 2.11 Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc

Hình 2.12 Vec-tơ dòng stator trên hệ tọa độ cố định αβ và hệ tọa độ quay dq

Áp dụng công thức chuyển hệ toạ độ, ta có :

s k j k

U U e (2.29)

k j



   : là góc giữa trục thực của hệ tọa độ bất kỳ “k” và trục của hệ tọa độ stator

Thay (2.29), (2.30), (2.32) vào phương trình (2.21) ta thu được phương trình

tổng quát cho điện áp stator

kỳ, quay quanh điểm gốc với tốc độ góc k so với rotor

Hình 2.13 Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ toạ độ -

Vậy từ các phương trình (2.21), (2.24), (2.25), (2.26) và (2.35) ta có hệ phương

trình:

L L

L d

L d

dt

d

f s

s s





  2  trong đó fs là tần số của mạch điện stator

Sự chênh lệch giữa  và s sẽ tạo nên dòng điện rotor với tần số f , dòng r

điện đó có thể được biểu diễn dưới dạng vector i rquay với tốc độ r 2f r

Chuyển sang dạng các thành phần của vectơ trên hai trục toạ độ, ta được:

3 2

(C e M T . p

j s

Từ (2.59b) ta biểu diễn dưới dạng đồ họa

Hình 2.14 : Mô hình động cơ KĐB ba pha trên tọa độ stato 

2.6 Mô hình trạng thái của động cơ trong hệ trục quay dq

2.6.1 Các phép chuyển đổi hệ trục tọa độ

a) Phép chuyển đổi abc → αβ (Clark - thuận) và αβ → abc (Clark - ngược)

Hình 2.15 Dòng điện stator i s trong hệ tọa độ abc và hệ tọa độ αβ

Triển khai cho vectơ dòng:

sb s

s

sc

i i

i i

2 2

i

i i

i i

b) Phép chuyển đổi αβ → dq (Park - thuận) và dq → αβ (Park - ngược)

Hình 2.16 Vectơ không gian dòng stator trên hệ tọa độ αβ và hệ tọa độ dq

Mối liên quan giữa vectơ điện áp trong hệ tọa độ αβ và dq

f s

2.6.2 Mô hình trạng thái của động cơ trong hệ trục quay dq

Trong các điều kiện vận hành xác lập, các thành phần  của các đại lượng

vector không gian có dạng xoay chiều Các đại lượng xoay chiều thường không

thích hợp cho các hệ thống điều khiển (thường dùng các biến dạng tín hiệu DC thay

đổi theo thời gian), vì vậy một phép biến hình khác sẽ được đưa vào nhằm chuyển

đổi các thành phần xoay chiều  thành các biến một chiều

Hệ trục tọa độ xoay (hệ trục tọa độ kích từ) dq được định nghĩa ở đây là hệ

trục tọa độ sẽ xoay với vận tốc gốc s, cùng chiều với vector s

s

F Kết quả là ở xác

lập, tọa độ của các vector không gian của động cơ trong hệ trục tọa độ mới dq sẽ có

giá trị không đổi theo thời gian

Hình 2.17 Mô hình động cơ khôngg đồng bộ trong hệ toạ độ dq

Hệ phương trình mô tả động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ dq có thể được biểu diễn dưới dạng sau:

Trong hệ tọa độ dq, do do trục q đứng vuông góc với vecto nên

Hình 2.18 : Mô hình động cơ KĐB ba pha trên tọa độ stato dq

Trong hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq), các vector dòng stator f

s

i và vector từ thông rotor f

T s

   

 và

3 2

Nếu thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng để điều khiển ổn định từ thông tại mọi điểm làm việc của động cơ và thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng thì theo phương trình trên thì có thể coi là đại lương điều khiển momen Ce của động cơ, và từ đó điều khiển được tốc độ động cơ

i  

i sq C e  

2.7 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

Như chúng ta đã biết, có nhiều phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha từ đơn giản đến phức tạp (đã được trình bày trong phần tổng quan về đề tài) Trong chương này tập trung tìm hiểu các phương pháp điều

khiển động cơ đang được sử dụng phổ biến hiện nay là: [4]

- Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn áp (V/f=const)

- Điều khiển trực tiếp moment động cơ không đồng bộ: phương pháp DTC (Direct Torque Control)

- Điều khiển định hướng từ thông rotor động cơ: phương pháp FOC (Field Oriented Control)

Trong đó, phương pháp FOC được tìm hiểu sâu trong luận văn này vì đây

là phương pháp đang ngự trị lĩnh vực truyền động điện xoay chiều ba pha

2.7.1 Điều khiển động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn áp (V/f)

Tốc độ đồng bộ của động cơ không đồng bộ tỉ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp Do đó, khi ta thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ đồng bộ, tương ứng là tốc độ động cơ thay đổi

Sức điện động cảm ứng trong stator E tỉ lệ với tích của tần số nguồn cung cấp và từ thông trong khe hở không khí Nếu bỏ qua các điện áp rơi trên điện trở stator, sức điện động E có thể xem gần bằng điện áp nguồn cung cấp Nếu giảm tần số nguồn nhưng vẫn giữ nguyên điện áp sẽ dẫn đến việc gia tăng từ thông trong khe hở không khí Động cơ thường được thiết kế làm việc tại “điểm cách chỏ” của đặc tuyến từ hóa nên sự gia tăng từ thông sẽ dẫn đến bão hòa mạch từ Điều này khiến cho dòng từ hóa tăng, méo dạng dòng điện và điện áp nguồn cung cấp, gia tăng tổn hao l i và tổn hao đồng stator cũng như gây ra tiếng ồn ở tần số cao Ngược lại, từ thông khe hở không khí giảm dưới định mức sẽ làm giảm khả năng tải của động cơ Vì vậy, việc giảm tần số động cơ xuống dưới

tần số định mức thường đi đôi với việc giảm điện áp pha sao cho từ thông trong khe hở không khí được giữ không đổi

2.7.2 Nguyên lý điều khiển từ thông không đổi:

Nếu bỏ qua sụt áp trên stator, điện áp stator ở chế độ xác lập tỉ lệ thuận với

từ thông và tốc độ đồng bộ theo biểu thức sau:

.s s

Do đó, nếu điều khiển vận tốc động cơ dưới giá trị định mức bằng cách thay đổi tần số nguồn và giữ nguyên độ lớn điện áp stator, từ thông động cơ sẽ tăng đến giá trị bão hòa Để tránh hiện tượng bão hòa và giảm tổn hao, điện áp stator cần được thay đổi cùng với tần số f sao cho từ thông được duy trì bằng định mức

V V

Với: K1 là hằng số hàm điều khiển V/f

f là tần số nguồn cung cấp cho stator

Moment cực đại được xác định theo công thức:

'

s r

V 3

2.ω X + X 3.p V .

s r

3.p K

Ta thấy, khi điều khiển động cơ theo nguyên lý V/f không đổi thì đặc tính

cơ có moment cực đại không đổi M max = const

Trường hợp tốc độ động cơ thấp: khi hoạt động ở tần số thấp thì điện trở

s

R không thể bỏ qua so với trở kháng  '

s r

cực đại ở tần số thấp, tỉ số V/f cần thay đổi và có giá trị lớn hơn tỉ số V/f ở chế

độ định mức

Trường hợp tốc độ lớn hơn tốc độ định mức: điện áp stator sẽ được duy trì

không đổi và bằng giá trị định mức, tần số f được điều khiển tăng lên, động cơ

sẽ làm việc ở chế độ non kích từ Khi đó, để tránh động cơ quá tải, moment động cơ sẽ được điều khiển theo nguyên lý công suất không đổi, Mmax sẽ giảm khi tần số tăng

Đặc tính cơ: từ thông sẽ được giữ không đổi trong khoảng từ 0 đến fđm, và khi động cơ làm việc với vận tốc lớn hơn vận tốc định mức thì điện áp stator được giữ không đổi, tần số thay đổi để giảm từ thông

Sau đây là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa moment và điện áp theo tần

số trong phương pháp điều khiển V/f = const

Hình 2.20 là sơ đồ điều khiển tốc độ vòng hở (không có hồi tiếp tốc độ) theo nguyên lý V/f = const Tốc độ đặt (ωđặt) được đưa vào bộ khởi động mềm

và khối V/f = const Khối này có chức năng thiết lập độ lớn của điện áp stator theo hàm điều khiển điện áp V – f để đảm bảo từ thông động cơ được sử dụng hiệu quả Ng ra của điều khiển từ thông là đại lượng điện áp yêu cầu Giá trị điện áp này được đưa vào khối vector không gian để tạo xung kích đóng cắt các khóa bán dẫn của bộ nghịch lưu áp

Hình 2.20 Sơ đồ khối phương pháp V/f vòng hở

Hình 2.21 là sơ đồ điều khiển tốc độ vòng kín theo nguyên lý V/f = const

Sơ đồ này chỉ khác với sơ đồ vòng hở là có thêm khâu hồi tiếp tốc độ từ động

cơ

Hình 2.21 Sơ đồ khối phương pháp V/f vòng kín

2.7.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment động cơ (DTC–Direct Torque Control)

Phương pháp điều khiển DTC bắt đầu được phát triển vào giữa những năm

80 của thế k trước bởi Takahashi I, và nó nhanh chóng được ứng dụng trong

công nghiệp nhờ những tính năng rất tốt Phương pháp điều khiển dựa trên mô hình của động cơ không đồng bộ với các vectơ không gian

DTC là kỹ thuật điều khiển moment động cơ không đồng bộ với một bộ nghịch lưu áp

Kỹ thuật mới này ưu thế là đơn giản vì không cần gắn cảm biến vào trục động cơ Vì vậy giá thành giảm và độ tin cậy tăng Việc điều khiển hiệu quả và tính ổn định nội cao Do đó DTC thuộc loại kỹ thuật điều khiển không dùng cảm biến

Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực tiếp moment

DTC–Direct Torque Control

Nội dung của phương pháp này là dựa trên sai biệt giữa giá trị đặt và giá trị ước lượng từ các khâu tính toán hồi tiếp về của moment 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 moment và từ thông trong phạm vi cho phép được xác định trước

Sai số giữa moment T và moment đặt T* được đưa vào khâu so sánh trễ bậc 3 Sai số giữa biên độ từ thông stator ước tính và từ thông đặt được đưa vào khâu so sánh trễ bậc 2

2.7.4 Phương pháp điều khiển dịnh hướng từ thông (FOC - Field Oriented Control)

2.7.4.1 Đại cương về phương pháp FOC

Phương pháp điều khiển vectơ FOC dựa trên mô hình hai pha của động cơ không đồng bộ Trong hệ trục tọa độ quay rotor (d, q), vectơ dòng điện stator có thể được phân tích thành hai thành phần: thành phần tạo từ thông isd và thành phần tạo moment isq Hai thành phần này của dòng điện có thể tách rời và được điều khiển một cách độc lập giống như trong máy điện một chiều

Phương pháp điều khiển định hướng theo từ trường FOC sử dụng hai thành phần của dòng điện gắn với hệ trục tọa độ rotor nên còn được gọi là phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor-RFOC (Rotor Field Oriented Control) FOC là lĩnh vực điều khiển dựa vào những đại lượng tức thời, điều này tạo

ra sự chính xác trong các chế độ làm việc (ổn định và quá độ)

Hình 2.23 Sơ đồ khối cơ bản của phương pháp FOC

Có 2 phương pháp trong việc điều khiển định hướng tựa theo vector từ thông thường được sử dụng là:

+ Phương pháp điều khiển trực tiếp (DFOC-Direct Field Oriented Control)

Trong sơ đồ điều khiển vector trực tiếp, biên độ và vị trí góc (pha) của vector từ thông được đo hoặc được ước lượng từ các giá trị điện áp hoặc dòng điện stator thông qua các cảm biến Cảm biến Hall có thể được sử dụng để đo từ trường bằng cách đặt nó vào trong khe hở không khí của động cơ Tuy nhiên, việc đặt cảm biến vào trong khe hở không khí sẽ làm tăng giá thành và làm giảm độ tin cậy của hệ truyền động

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển định hướng trường trực tiếp được trình bày trong hình 2.24

Hình 2.24 Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC trực tiếp

+ Phương pháp điều khiển gián tiếp (IFOC-Indirect Field Oriented

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển định hướng trường gián tiếp được trình bày trong hình 2.25

Hình 2.25 Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC gián tiếp

Tổng quát, một động cơ điện 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 trục rotor

Moment sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dòng trong cuộn ứng và từ thông sinh ra trong hệ thống kích từ động cơ Từ thông phải được giữ

ở mức tối ưu nhằm đảm bảo sinh ra moment tối đa và giảm tối thiểu mức độ bảo hòa của mạch từ Với từ thông không đổi, moment sẽ tỉ lệ thuận với dòng ứng Điều khiển độc lập từ thông và dòng ứng thực hiện dễ dàng đối với động

cơ DC kích từ độc lập Đối với động cơ không đồng bộ, cuộn ứng là rotor và từ thông sinh ra bởi dòng trong cuộn stator Tuy nhiên, dòng rotor không được 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 vối từ trường stator Do đó, dòng stator là nguồn của từ thông và dòng ứng

Trong động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, chỉ có dòng stator được điều khiển trực tiếp, do đó việc điều khiển moment 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 được thực hiện trong các hệ thống điều khiển vector, dựa theo nguyên lý điều khiển định hướng tựa trường, nguyên lý này xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thông với moment

FOC là phương pháp điều khiển dòng stator chủ yếu dựa vào biên độ và góc pha và đặc trưng là các vector Điều khiển này cơ bản dựa vào sự tham

chiếu về thời gian và tốc độ trên hệ trục d – q, đây là hệ trục bất biến Sự tham

chiếu này nhằm mục đích để hướng việc khảo sát động cơ KĐB thành việc khảo sát của động cơ DC

FOC cần phải có 2 tham số ng vào là:

Tóm lại nguyên tắc điều khiển của FOC dựa trên việc điều khiển động cơ

một chiều kích từ độc lập: từ thông rotor được giữ ổn định bởi dòng i sd , moment

và tốc độ động cơ được điều khiển bởi dòng tạo moment i sq

2.7.4.2 Xây dựng thuật toán điều khiển

Hình 2.26 Cấu trúc hiện đại của hệ TĐĐ điều chỉnh tựa theo từ thông

Cấu trúc của hệ thống điều khiển định hướng từ thông rotor trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha được trình bày như hình 2.26 Bằng việc mô tả các thành phần của động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor (d, q) [4] Vector dòng stator i s được chia thành hai thành phần isd và isq Thành phần isd

điều khiển từ thông rotor còn thành phần isq điều khiển moment quay Trong hình 2.26, động cơ được nuôi bởi biến tần nguồn áp, đại lượng điều khiển là điện áp và được đặt vào cuộn dây stator của động cơ

Nguyên tắc điều khiển của FOC dựa trên việc điều khiển động cơ một chiều

kích từ độc lập: từ thông rotor đƣợc giữ ổn định bởi dòng i sd , moment và tốc

độ động cơ đƣợc điều khiển bởi dòng tạo moment i sq

Các đại lượng đầu ra của bộ ĐCid và bộ ĐCiq được gọi là yd và yq Các đại lượng này có kích cỡ và đơn vị như đại lượng dòng điện Để ghép nối các tín hiệu này với usd và usq,ta phải dùng một mạng tính áp (MTu) Ngoài ra, ta phải dùng thêm một mạng dòng (MTi) để tính *

 

m

r r sd

L sT i

r r sq L

T

Mạng tính áp (MTu):

q s

s s d s

sT

L y

R u

m d s s q s sq

L

L y s sT

L y

s s

R

L L R

0

* 0

sa s

i i i

i i

2 3

s s s s

sd

i i

i

i i

sin cos

(2.97) Chuyển đổi hệ tọa độ điện áp (điều chế véc tơ không gian)

s sq s sd s

u u

u

u u

sin cos

sb sa sc

s s

sb

s sa

u u u

u u

u

u u

s

Khi quan sát đối tượng điều chỉnh là dòng stator với hai thành phần isd và

isq ta nhận thấy: nếu hai thành phần dòng điện trên hoàn toàn độc lập với nhau, thì việc sử dụng cấu trúc cơ bản như trên là hợp lý Tuy nhiên trong thực tế, cấu trúc cơ bản chỉ làm việc tốt ở chế độ xác lập Còn trong chế độ động (quá độ),

do hai thành phần isd và isd phụ thuộc lẫn nhau nên cấu trúc cơ bản đã bộc lộ nhiều nhược điểm Vì thế, người ta xây dựng một cấu trúc FOC kiểu gián tiếp khác và gọi là cấu trúc hiện đại

Trong cấu trúc hiện đại của phương pháp FOC, xuất hiện các khối mới: khối “Ước lượng”, khối “ n định từ thông”, khâu “Giới hạn dòng” và khâu

“Điều chỉnh từ thông” (khâu PI), bỏ đi các khâu tính áp (MTu) và tính dòng (MTi)

Trên hệ tọa độ (d, q), dòng isd được coi là đại lượng điều khiển từ thông rotor Tuy nhiên, giữa hai đại lượng tồn tại khâu trễ bậc nhất với hằng số thời gian Tr

sd r

s

r sl s

rd r

sq r

Ngoài ra, khối “ n định từ thông” có tác dụng ổn định giá trị từ thông đặt

và khâu “Giới hạn dòng” làm cho dòng điện không vượt quá giá trị đặt