Luận văn đieu khien pid mờ dong co ba pha

Điều khiển thông minh Truyền động động cơ bao gồm 3 phần chính: động cơ, bộ điều khiển và bộ điện tử công suất. Nếu yếu tố thông minh được thêm vào một trong những phần chính kia thì truyền động đó gọi là truyền động thông minh. Điều khiển thông minh là bộ điều khiển trong đó bộ điều khiển là bộ não và trung tâm ra quyết định bao gồm 2 phần: phần mềm và phần cứng. Phần cứng của đơn vị điều khiển đã phát triển trong hai thập kỷ gần đây. Còn phần mềm chứa những kỹ thuật điều khiển khác nhau được lập trình vào phần cứng. Điều khiển dựa vào trí tuệ nhân tạo được gọi là điều khiển thông minh: điều khiển thích nghi hay điều khiển tự tổ chức. Mỗi hệ thống có trí tuệ nhân tạo gọi là hệ thống tự tổ chức hoặc tự xử lý. Trong thập niên 80 với sự phát triển nhanh của thiết kế và sản xuất mạch điện tử, vi xử lý đã đạt tốc độ và khả năng tính toán cao đưa điều khiển thông minh vào sử dụng rộng rãi trong truyền động điện. Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo chia thành 2 nhóm: tính toán cứng và tính toán mềm. Hệ chuyên gia thuộc về tính toán cứng cũng là kỹ thuật nhân tạo đầu tiên. Trong 2 thập kỷ gần đây, tính toán mềm đã được sử dụng nhiều trong truyền động điện như sự cải tiến cấu trúc vi xử lý. Thành phần chính của chúng là mạng neural nhân tạo, tập logic mờ, mạng neural – mờ, hệ thống dựa vào thuật toán gen. Bộ điều khiển logic mờ cơ bản (Fuzzy logic controller FLC) được quan tâm đến như một kiểu bộ điều khiển cấu trúc biến đổi (Hung et al., 1993) nhằm ổn định và tăng độ bền cơ học. Ngôn ngữ diễn tả cho bộ điều khiển này là luật If then (Kawaji and Matsunaga, 1994). Ngoài ra cũng có những bộ điều khiển dùng ANN được ứng dụng rộng rãi vì những đặc tính đặc biệt sau: Tất cả tín hiệu ANN được truyền theo một hướng, giống như hệ thống điều khiển tự động. Khả năng của ANN có thể học mẫu. Khả năng tạo ra tín hiệu song song trong hệ thống tương tự và rời rạc. Khả năng thích nghi. Từ những ưu điểm đó, người ta đã ứng dụng mạng neural phục vụ trong lĩnh vực điều khiển động cơ như: bộ ước lượng neural dùng để ước lượng tốc độ động cơ; bộ điều khiển neural được dùng để tạo ra tín hiệu điều khiển bộ biến tần… Kết quả mô phỏng sẽ được giới thiệu nhằm chứng minh hiệu quả của mạng neural trong lĩnh vực điều khiển động cơ khi so sánh với hệ thống thông thường (như bộ điều khiển PI) không có ANNs.

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI:

Điều khiển tự động Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại chứa đựng nhữngphương pháp mới trong việc mô hình hóa đối tượng động cơ, từ đó xây dựng nên cácthuật toán điều khiển phù hợp với các tiến bộ mới của công nghệ vi điện tử, vi xử lý vàđiện tử công suất Cơ sở Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại là phương phápđiều khiển tựa theo từ trường quay của Rotor được Haase đưa ra 1968 và Balaschke đưa

ra 1970

K.Haase : Về động học truyền động có điều chỉnh tốc độ quay dùng động cơ khôngđồng bộ ba pha rotor ngắn mạch nuôi bằng biến tần (Luận văn phó tiến sĩ 1969)

F.Balaschke : Phương pháp tựa theo trường trong điều chỉnh động cơ không đồng bộ

ba pha Thông báo kết quả nghiên cứu và phát triển của Siemens 1972

TS Nguyễn Phùng Quang đã cho ra đời lý thuyết cơ sở: “Các phương pháp điềuchỉnh dòng trong truyền động điện xoay chiều ba pha: nguyên lý và hạn chế của chúng”nhằm giới thiệu phương pháp điều khiển tựa theo từ thông, một phương pháp mạnh dùng

mô tả và chế ngự Động cơ xoay chiều ba pha và giới thiệu cách tiếp cận với các thuậttoán thích hợp cho việc điều khiển bằng số, cụ thể là điều khiển gián đoạn bằng vi xử lý.Phần ứng dụng của tác giả TS Nguyễn Phùng Quang dựa trên cơ sở đó đã ra đời vàđược ứng dụng thành công không chỉ trong phòng thí nghiệm mà còn cả trên thiết bị hiệnđang được hai hãng REFU và Siemens chế tạo và lưu hành trên thị trường

Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động đơn lẻ bao gồm:

• Phần công suất với động cơ xoay chiều ba pha và biến tần dùng van bán dẫn

• Phần điều khiển với nhiều vi xử lý khác nhau, trong đó một vi xử lý để giảiquyết các bài toán điều khiển thời gian thực, một vi xử lý phụ trách việc đối thoại với hệthống cấp trên, một vi xử lý phụ dùng để điều khiển ghép nối – đối thoại với thiết bịngoại vi tại chỗ PLC

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

1.2.1 Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar)

Hiện nay, phần lớn hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ là truyềnđộng đặc tính thấp trong đó cả biên độ lẫn tần số của dòng điện và điện áp của nguồncung cấp có thể điều chỉnh đồng thời Cách điều chỉnh này cho phép điều khiển tốc độhoặc momen đến trạng thái xác lập trong khi vẫn giữ từ thông của động cơ ổn định Điềukhiển này được gọi là điều khiển vô hướng, khi giả thiết điện áp hoặc dòng điện đượcđiều khiển có dạng hình sin, duy nhất biên độ và tần số được điều chỉnh, không liên quanđến vị trí không gian của những vector tương ứng

Điều khiển vô hướng đơn giản hơn điều khiển vector Kỹ thuật vô hướng chung

nhất thường được dùng trong thực tế là không đổi (Constant Volts/Hertzs - CVH)nghĩa là biên độ điện áp stator được điều chỉnh tỉ lệ với tần số nhằm duy trì từ thôngstator không đổi Phương pháp này bao gồm điều khiển tốc độ từ trường quay của statorbằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp Momen được cải tiến phụ thuộc vào sựkhác biệt giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor Hệ thống điều khiển đơn giản chỉduy nhất yêu cầu hồi tiếp tốc độ Tín hiệu tốc độ thật sẽ so sánh với tín hiệu tốc độchuẩn , sai số đạt được đưa vào bộ điều khiển trượt (slip controller), cho ra tín hiệu

tốc độ trượt chuẩn Tín hiệu này cộng với tạo ra tín hiệu đồng bộ, qua khối tỉ lệp/2 tạo tần số góc đúng yêu cầu cung cấp cho biến tần Bộ điều chỉnh điện áp (VoltageController) tạo ra tín hiệu điện áp stator cung cấp cho bộ biến tần.

Hình 1.2 Mô hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng

Một phương pháp điều khiển scalar khác sử dụng kỹ thuật điều khiển momen(Torque Control - TC) là điều chỉnh biên độ và tần số của dòng điện stator, vì thế momenxác lập được điều khiển trong khi biên độ từ trường được duy trì không đổi Trong trườnghợp này, hồi tiếp tốc độ chỉ đóng vai trò phụ vì hồi tiếp dòng điện có phần phức tạp hơnphương pháp Constant Volts/Hertzs (CVH)

h 1.3 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mômen vô hướng

1.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian

Bộ điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM) là một trong nhữngthiết bị điện tử công suất được nghiên cứu rộng rãi nhất trong 3 thập niên qua Không chỉđòi hỏi khả năng đóng ngắt nhanh của thiết bị đóng ngắt bán dẫn công suất mà còn yêucầu kỹ thuật điều chế phải đơn giản và chính xác Có nhiều kỹ thuật điều chế như: kỹ

thuật dao động phụ, điều chế vectơ không gian nhưng bổ sung thêm ứng dụng số là điều chế vector không gian ở bộ biến đổi nguồn dòng và nguồn áp Phương pháp điều chế

vector không gian (space vector modulation) xuất phát từ các ứng dụng của vector khônggian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong hệ thống điện bapha Phương pháp này là phương pháp phổ cập trong các hệ truyền động đã số hóa toànphần dùng để điều khiển biến tần dùng van bán dẫn Thông thường, các đôi van được vi

xử lý điều khiển sao cho điện áp xoay chiều 3 pha với biên độ cho trước, với tần số cũngnhư góc pha cho trước cung cấp cho động cơ đạt yêu cầu Biến tần được nuôi bởi điện ápmột chiều Biến tần thường hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cắt cao Van bán dẫnđược dùng ở đây là IGBT, MOSFET

vector không gian tương đương của vector điện áp nghịch lưu trên quỹ đạo đường tròn.Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quỹ đạo đường tròn, các sóng hàibậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ áp ra trở nên tuyếntính Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấymẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp.

Hình 1.4 Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian

1.2.3 Điều khiển định hướng trường

Động cơ AC, cụ thể là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có những ưu điểm làđơn giản, tin cậy, giá thành thấp, và ít bảo dưỡng Tuy nhiên, trong những ứng dụng trongcông nghiệp đòi hỏi hiệu suất truyền động cao thì việc điều khiển chúng vẫn gặp phảinhững thử thách lớn bởi vì chúng là đối tượng phi tuyến và nhiều thông số, chủ yếu làđiện trở rotor thay đổi theo những điều kiện vận hành

Điều khiển định hướng trường (Field orientation control - FOC) hoặc điều khiểnvector (Vas, 1990) cho động cơ không đồng bộ đạt được việc tách biệt thay đổi động giữamomen và từ thông dẫn đến việc điều khiển độc lập giữa từ thông và momen tương tựnhư động cơ DC kích từ độc lập

Điều khiển định hướng trường là điều kiện tối ưu hóa momen và tách rời điềukhiển momen khỏi điều khiển từ thông trong điều kiện vận hành ổn định và quá độ củađộng cơ không đồng bộ

Có 2 loại điều khiển định hướng trường điển hình: Phương pháp trực tiếp trong đó

sử dụng cảm biến đo từ thông của động cơ, và phương pháp gián tiếp dựa vào đo lường

vị trí rotor

1.2.4 Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp

Trong hệ thống định hướng trường trực tiếp, vị trí góc và biên độ của vector từthông chuẩn được đo hoặc ước lượng từ điện áp và dòng điện stator sử dụng bộ quan sát

từ thông (flux observer) Đặt cảm biến ở khe hở không khí của động cơ, trục dq nhằm xácđịnh vector từ thông hỗ cảm (từ thông khe hở không khí)

Hình 1.5 Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản

1.2.5 Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp

Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp dựa vào tính toán tốc

độ trượt được yêu cầu cho điều khiển định hướng trường chính xác và sự áp đặt tốc

độ này lên động cơ

Hình 1.6 Hai mô hình hệ thống điều khiển vector đối với động cơ cảm ứng có định

hướng từ thông rotor gián tiếp

1.2.6 Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường

Để có thể giảm tần số đóng ngắt, đặc biệt trong truyền động công suất lớn, người

ta sử dụng đường bao sai số hình vuông gắn với vector từ thông rotor của máy điện Cáchlựa chọn này dĩ nhiên sẽ làm xuất hiện thêm một lượng sóng hài bậc cao theo hướng từthông rotor Tuy nhiên, điều này không ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo thành momenđộng cơ (hằng số thời gian khá lớn của rotor đã loại bỏ tác dụng gián tiếp của từ thôngrotor lên momen động cơ) Việc lựa chọn vector đóng ngắt sẽ thực hiện theo phươngpháp dự báo sao cho tần số đóng ngắt là nhỏ nhất và việc đóng ngắt theo trục d của dòngđiện có thể được hạn chế do khả năng mở rộng đường bao của nó Các sóng hài momengiảm xuống nhưng các sóng hài dòng điện sẽ tăng lên (theo trục d)

1.2.7 Nhận xét

Hiện nay các phương pháp trên đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điềukhiển động cơ Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, các phương pháp vẫn tồn tại nhữngkhuyết điểm:

- Điều chế độ rộng xung (PWM) trên cơ sở điều chế vector không gian gây sóng hàibậc cao

- Điều khiển vô hướng chỉ dùng cho truyền động đặc tính thấp

- Điều khiển định hướng trường vẫn gặp một số hạn chế: nhạy với sự thay đổi thông

số của động cơ như hằng số thời gian rotor và đo lường từ thông không chính xác tại tốc

độ thấp Do đó, hiệu suất giảm và bộ điều khiển phổ biến như PID thì không thể duy trìyêu cầu điều khiển dưới những điều kiện thay đổi

Do đó, để khắc phục những nhược điểm trên, việc kết hợp điều khiển trí tuệ nhântạo với kỹ thuật điều khiển kinh điển đã ra đời góp phần không nhỏ trong việc phát triểnlĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều 3 pha

1.3 NHỮNG KỸ THUẬT TIÊN TIẾN HIỆN NAY

1.3.1 Điều khiển thông minh

Truyền động động cơ bao gồm 3 phần chính: động cơ, bộ điều khiển và bộ điện tửcông suất Nếu yếu tố thông minh được thêm vào một trong những phần chính kia thìtruyền động đó gọi là truyền động thông minh

Điều khiển thông minh là bộ điều khiển trong đó bộ điều khiển là bộ não và trungtâm ra quyết định bao gồm 2 phần: phần mềm và phần cứng Phần cứng của đơn vị điềukhiển đã phát triển trong hai thập kỷ gần đây Còn phần mềm chứa những kỹ thuật điềukhiển khác nhau được lập trình vào phần cứng

Điều khiển dựa vào trí tuệ nhân tạo được gọi là điều khiển thông minh: điều khiểnthích nghi hay điều khiển tự tổ chức Mỗi hệ thống có trí tuệ nhân tạo gọi là hệ thống tự

tổ chức hoặc tự xử lý Trong thập niên 80 với sự phát triển nhanh của thiết kế và sản xuấtmạch điện tử, vi xử lý đã đạt tốc độ và khả năng tính toán cao đưa điều khiển thông minhvào sử dụng rộng rãi trong truyền động điện

chuyên gia thuộc về tính toán cứng cũng là kỹ thuật nhân tạo đầu tiên Trong 2 thập kỷgần đây, tính toán mềm đã được sử dụng nhiều trong truyền động điện như sự cải tiến cấutrúc vi xử lý Thành phần chính của chúng là mạng neural nhân tạo, tập logic mờ, mạngneural – mờ, hệ thống dựa vào thuật toán gen

Bộ điều khiển logic mờ cơ bản (Fuzzy logic controller - FLC) được quan tâm đếnnhư một kiểu bộ điều khiển cấu trúc biến đổi (Hung et al., 1993) nhằm ổn định và tăng độbền cơ học Ngôn ngữ diễn tả cho bộ điều khiển này là luật If- then (Kawaji andMatsunaga, 1994)

Ngoài ra cũng có những bộ điều khiển dùng ANN được ứng dụng rộng rãi vìnhững đặc tính đặc biệt sau:

- Tất cả tín hiệu ANN được truyền theo một hướng, giống như hệ thống điều khiển

tự động

- Khả năng của ANN có thể học mẫu

- Khả năng tạo ra tín hiệu song song trong hệ thống tương tự và rời rạc

- Khả năng thích nghi

Từ những ưu điểm đó, người ta đã ứng dụng mạng neural phục vụ trong lĩnh vực điềukhiển động cơ như: bộ ước lượng neural dùng để ước lượng tốc độ động cơ; bộ điềukhiển neural được dùng để tạo ra tín hiệu điều khiển bộ biến tần…

Kết quả mô phỏng sẽ được giới thiệu nhằm chứng minh hiệu quả của mạng neuraltrong lĩnh vực điều khiển động cơ khi so sánh với hệ thống thông thường (như bộ điềukhiển PI) không có ANNs

1.3.2 Những kỹ thuật khác

Trở ngại chính trong việc sử dụng động cơ không đồng bộ là giá thành cao củanhững thiết bị biến đổi, sự phức tạp của xử lý tín hiệu và độ chính xác kém Trong nhữngnăm gần đây, lý thuyết điều khiển vector đã trở nên linh hoạt vì sự tiến bộ của kỹ thuậtđiện tử và bộ vi xử lý tốc độ cao Trong hầu hết những ứng dụng, cảm biến tốc độ là cầnthiết và thích hợp trong vòng kín điều khiển tốc độ Tuy nhiên, cảm biến tốc độ có một

vài nhược điểm ở giá cả, độ tin cậy và khả năng loại trừ nhiễu Những phương pháp khácnhau được đề xuất nhằm ước lượng tốc độ sử dụng một vài thông số điện như dòng điện,điện áp, tần số và từ thông Chúng dựa vào sự kết hợp của lý thuyết ước lượng trạng thái

và thuyết điều khiển vector (điều khiển động cơ không có cảm biến tốc độ)

Tuy nhiên, các giá trị của thông số điện bị lệch do các giá trị thiết kế vì sự thay đổicủa môi trường làm việc, nhiệt độ, tốc độ, tải và tiếng ồn

Những phương trình chuyển động của động cơ cảm ứng không phù hợp vì một vài

lý do như trên…Vì vậy, một vài mô hình thể hiện mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra màkhông cần biết đến phương trình chuyển động Nhiệm vụ chính là tập trung vào việc nhậndạng bao gồm bộ lọc tuyến tính để ước lượng hàm chuyển tuyến tính (Schouken, 1990),

để ước lượng thông số vật lý (Moons và Moor, 1995) và ước lượng hệ số hàm chuyểntuyến tính dựa vào đo lường lực từ và tốc độ (Gahler và Herzog, 1994), kỹ thuậtNARMAR (Leontaritis và Billing, 1985) nhằm mô hình hóa mối quan hệ giữa tốc độ vàđiện áp của động cơ không đồng bộ

Tương tự, khi ước lượng từ thông, người ta cũng áp dụng những nguyên tắc giốngnhư điều khiển và ước lượng tốc độ Thật sự, cảm biến từ thông khó chế tạo và lắp đặt Vìvậy, việc chế tạo ra một bộ ước lượng từ thông từ những thông số điện có sẵn, hoặcnhững kỹ thuật tiên tiến là mối quan tâm thiết yếu cho những ai quan tâm đến lĩnh vựcđiều khiển động cơ

1.4 TRÌNH TỰ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ:

Thông thường, để điều khiển động cơ không đồng bộ, người ta thường tiến hànhtheo những bước chính sau:

1.4.1 Xây dựng mô hình toán học của động cơ không đồng bộ cho cấu trúc điều khiển

Thông thường, mô hình toán học của động cơ không đồng bộ là: phương trìnhvector tổng quát, mô hình mạch điện dưới dạng 2 pha, phương trình trạng thái Thông sốcủa động cơ được xác định theo phương pháp thực nghiệm Điện trở stator đo được từ

từ hóa khi kiểm tra không tải Việc điều chỉnh thông số khi mô phỏng động cơ trong điềukiện nguồn cung cấp ở chế độ định mức lúc tải định mức.

1.4.2 Bộ biến tần điều khiển

Bộ biến tần có tụ DC được dùng trong truyền động động cơ không đồng bộ gồm

bộ biến tần nguồn áp (VSI) và bộ biến tần nguồn dòng (CSI), dựa theo phương pháp điềuchế độ rộng xung (PWM) nhằm điều khiển điện áp và dòng điện Ngoài ra còn có bộ biếntần kết hợp bộ CSI công suất cao và bộ VSI công suất thấp làm việc song song

1.4.3 Kiểm tra thiết bị truyền động AC

Một phòng thí nghiệm được xây dựng bao gồm: động cơ không đồng bộ cần kiểmtra làm việc như tải cơ được kéo bởi máy phát điện đồng bộ Mỗi máy điện được cấpnguồn từ bộ biến tần, và được điều khiển bởi bộ điều khiển card ở PC

1.4.4 Phương pháp điều khiển, xây dựng và thiết kế bộ điều khiển đi kèm

Tùy theo tính chất, mục đích sử dụng, tài nguyên hiện có mà ta lựa chọn phươngpháp điều khiển thích hợp như điều khiển vô hướng, điều chế vector không gian, địnhhướng trường

1.5 ĐỊNH HƯỚNG:

Tác giả kết hợp tính ưu việt của các phương pháp điều khiển khác nhau, cũng như

với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều Trong luận văn

thạc sỹ này, đề tài “Ứng dụng phương pháp điều khiển PID mờ kết hợp với phương

pháp định hướng trường để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha” được

thực hiện

1.6 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI:

-Tìm hiểu phương pháp điều khiển định hướng trường, là phương pháp điều khiểntốt đã được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ điện

- Từ thông rotor để sử dụng trong hệ thống điều khiển định hướng trường đượcước lượng dựa trên cơ sở của hàm Lyapunov

-Xây dựng hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID mờ để điều khiển tốc

độ động cơ Các luật hợp thành của tập mờ được xây dựng dựa vào các suy luận củangười thiết kế, kinh nghiệm của chuyên gia…

1.7 PHẠM VI NGHIÊN CỨU:

Đề tài này tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển định hướng trường sửdụng bộ điều khiển PID mờ lai để điều khiển tốc độ động cơ Việc ước lượng từ thôngrotor nhằm ổn định và điều khiển động cơ không đồng bộ theo định hướng trường đượcthực hiện dựa vào tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov

1.8 NỘI DUNG LUẬN VĂN:

Luận văn được trình bày theo các chương như sau:

Chương 1 TỔNG QUAN

Chương 2 MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA.

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG-FOC.

Chương 4 DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ KẾT HỢP ĐIỀU

KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNGĐỒNG BỘ

1.9 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI:

Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm đến phương pháp điềukhiển mờ kết hợp với phương pháp định hướng trường điều khiển động cơ không đồng

bộ, cách thức thiết kế và mô hình hóa các bộ điều khiển trong Simulink và ControlSystem Toolbox

Chương 2

MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

2.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Máy điện không đồng bộ ba pha có dây quấn stator được cung cấp điện từ lướiđiện, và nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ có được sức điện động cảm ứng và dòng điệnbên trong dây quấn rotor Dòng điện ba pha đối xứng trong dây quấn ba pha sẽ tạo ra từtrường quay với tốc độ đồng bộ (rad/s) Rotor máy không đồng bộ gồm 2 loại:

Rotor dây quấn với dây quấn nhiều pha (thường là ba pha) quấn trong các rãnhrotor, có cùng số cực với dây quấn stator với các đầu dây ra nối với các vành trượt đượccách 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,chúng được nối tắt ở hai đầu nhờ hai vành ngắn mạch Do kết cấu rất đơn giản và chắcchắn, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được sử dụng làm nguồn động lực rất rộngrãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp cũng như trong sinh hoạt

Trong hai loại động cơ trên, loại có rotor lồng sóc đã chiếm ưu thế tuyệt đối trênthị trường vì dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ hơn Sự phát triển như vũbão của kỹ thuật vi điện tử với giá thành ngày càng hạ đã cho phép thực hiện thành côngcác kỹ thuật điều chỉnh phức tạp đối với loại rotor lồng sóc

2.2 VECTOR KHÔNG GIAN CỦA CÁC ĐẠI LƯỢNG BA PHA

2.2.1 Xây dựng vector không gian

Động cơ không đồng bộ ba pha đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bốtrí không gian tổng quát như hình 3.1

Trong hình trên không quan tâm đến động cơ đấu hình sao hay tam giác Ba dòngđiện isu, isv, isw là ba dòng chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ Khi động cơ chạy bằngbiến tần thì đó là ba dòng ở đầu ra của biến tần

Hình 2.1 Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ không đồng bộ 3 pha

Ba dòng điện đó thỏa mãn phương trình:

isu(t) + isv(t) + isw(t) = 0 (2.1)

Trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau:

(2.2)(2.3)(2.4)

Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang), động cơ xoay chiều 3 pha có

ba cuộn dây lệch nhau một góc 120o Nếu trên mặt phẳng đó ta thiết lập một hệ tọa độphức với trục thực đi qua cuộn dây u, ta có thể xây dựng vector không gian sau:

(2.5)Theo công thức (3.5), vector là một vector có modul không đổi quay trênmặt phẳng phức với tốc độ góc và tạo với trục thực (đi qua cuộn dây pha u)một góc , trong đó fs là tần số mạch stator Việc xây dựng vector được mô

tả trong hình 3.2

Hình 2.2 Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha

stator mới thu được lên trục của cuộn dây pha tương ứng.

Gọi trục thực của mặt phẳng phức nói trên là trục và trục ảo là trục Chiếuvector lên hai trục, ta được hai hình chiếu là và Hệ tọa độ này gọi là hệ tọa độ

cố định (hệ tọa độ stator)

Hình2.3 Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian ở hệ tọa độ

Theo phương trình isu(t) + isv(t) + isw(t) = 0 và dựa trên hình 3.3 thì chỉ cần xác địnhhai trong số ba dòng điện stator là có đầy đủ thông tin về vector

(2.6)(2.7)

Tương tự như đối với vector dòng stator, các vector điện áp stator , dòng rotor, từ thông stator , hoặc từ thông rotor cũng được biểu diễn tương tự.

2.2.2 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian

Ta xây dựng một hệ tọa độ mới dq có chung điểm gốc với hệ tọa độ và nằmlệch đi một góc Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector không gian tương ứng vớihai hệ tọa độ này Mối liên hệ được thể hiện ở hình vẽ 3.4

Hình 2.4 Chuyển hệ tọa độ giữa và dq

Dễ dàng chuyển tọa độ sang tọa độ dq:

2.2.2 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor

(2.8)(2.9)

Hình 2.5 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor

Giả thiết động cơ không đồng bộ quay với tốc độ , trong đó là góc tạo

bởi trục rotor và trục chuẩn Từ thông rotor quay với tốc độ góc trong

đó fs là tần số của mạch điện stator

Sự chênh lệch giữa và sẽ tạo nên dòng điện rotor với tần số , dòng điện

đó có thể được biểu diễn dưới dạng vector quay với tốc độ

Xây dựng một hệ tọa độ mới với trục thực có hướng trùng với hướng của vector

và gốc tọa độ trùng với gốc của hệ là hệ trục tọa độ dq

Gọi là vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ

là vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ dq

Chuyển tọa độ từ 3 pha uvw qua tọa độ :

Chuyển tọa độ sang tọa độ dq:

Toàn bộ quá trình trên được diễn tả theo sơ đồ khối sau:

(2.14)

(2.13)

(2.15)(2.16)

Ta có do trục q đứng vuông góc với vector Khi xây dựng mô hìnhtính toán trong hệ tọa độ dq, trên thực tế do không thể tính tuyệt đối chính xác góc nênvẫn giữ lại để đảm bảo tính khách quan trong khi quan sát.

2.3 MÔ HÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

2.3.1 Lý do xây dựng mô hình

Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả đối tượng điềuchỉnh Xuất phát điểm để xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ rotorlồng sóc là mô hình đơn giản của động cơ trong hình 3.7

Hình 2.7 Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc

Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ đặc tính thời gian của đối tượngđiều chỉnh, phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh Điều đó dẫn đến cácđiều kiện được giả thiết trong khi lập mô hình Các điều kiện đó một mặt đơn giản hóa

mô hình có lợi cho việc thiết kế, mặt khác chúng gây nên sai lệch nhất định, sai lệchtrong phạm vi cho phép giữa đối tượng và mô hình

Về phương diện động, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được mô tả bởi hệphương trình vi phân bậc cao Vì cấu trúc của các cuộn dây phức tạp về mặt không gian,

vì các mạch từ móc vòng, một số điều kiện được chấp nhận khi mô hình hóa động cơ:

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

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

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

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

Trục chuẩn của mọi quan sát được quy ước là trục đi qua tâm cuộn dây pha u Ta

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

Hệ phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator:

(2.21)Trong đó:

RS: điện trở cuộn dây pha Stator: vector từ thông StatorPhương trình trên thu được do các quan sát từ hệ thống 3 cuộn dây stator, vì vậycũng thu được trên hệ tọa độ :

Tương tự, phương trình điện áp của cuộn dây rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch)

(2.19)

(2.18)(2.17)

(2.23)

Trong đó : vector từ thông rotor trên hệ tọa độ rotor

Rr: điện trở rotor đã quy đổi về phía stator

Nhưng để dễ dàng tính toán trên các loại tọa độ, ta có phương trình tổng quát cho điện áp stator:

(2.24)Phương trình tổng quát trên có thể áp dụng cho mọi hệ tọa độ vuông góc

Trong đó:

với là góc giữa trục thực với hệ tọa độ bất kỳ k

Đối với hệ tọa độ cố định Stator thì = 0 cho ta công thức (3.22) Thay “k”

=”s”

Đối với hệ tọa độ từ thông rotor (dq) thì với là góc lệch giữatrục q với trục thực Thay “k” =”f”

Tương tự, ta có phương trình tổng quát điện áp rotor:

Với : vector từ thông ở hệ tọa độ “k” bất kỳ so với rotor

2.3.3 Các tham số của động cơ

Lm hỗ cảm giữa rotor và stator

điện cảm tiêu tán phía cuộn dây statorđiện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor (đã quy đổi

về stator)

điện cảm statorđiện cảm rotor

Ts = Ls/Rs hằng số thời gian stator

Tr = Lr/Rr hằng số thời gian rotor

hệ số tiêu tán tổngPhương trình từ thông stator và từ thông rotor:

Mô men điện từ:

(2.27)Phương trình chuyển động:

Với: mT là mômen tải, J là mômen quán tính cơ, là tốc độ góc của rotor

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

Phương trình mô tả trạng thái của động cơ như sau:

Với: Lm :hỗ cảm giữa stator va rotor

Ls: điện cảm stator

(2.26)

(2.25)

(2.30)

(2.29)

(2.32)(2.31)

Ta chuẩn hóa và như sau:

là các phần tử của vectơ dòng từ hóa của động cơ

Thay các vector dòng từ hóa vào hệ phương trình (3.35) đồng thời chuyển sangviết dưới dạng các phần tử của vector, ta thu được hệ phương trình mới mô tả đầy đủphần hệ thống điện của một ĐCKĐB như sau:

(2.35)

(2.36)(2.37)

Trong đó: : hệ số tiêu tán tổng.

Ta cũng có phương trình mômen:

Từ phương trình: ta rút rồi thế vào phương trình mômen:

(2.41)Thay các vector bằng các phần tử tương ứng, ta được:

(2.40)

(2.43)

(2.46)(2.45)(2.44)

(2.48)

Thay phương trình (3.47), 3.48) vào (3.43, 3.44) trên và biến đổi:

Vì trong trường hợp định hướng chính xác từ thông rotor ta có =0

Cuối cùng thu được hệ phương trình mô tả động cơ không đồng bộ sau:

(2.51)Trong đó: : hệ số tiêu tán tổng

2.3.5 Ưu điểm của việc mô tả động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor

Trong hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq), các vector dòng stator và vector từthông rotor , cùng với hệ tọa độ dq quay đồng bộ với nhau với tốc độ quanh điểm

(2.49)(2.50)

gốc, do đó các phần tử của vector (isd và isq) là các đại lượng một chiều Trong chế độxác lập, các giá trị này gần như không đổi, trong quá trình quá độ, các giá trị này có thểbiến đổi theo một thuật toán điều khiển đã được định trước Hơn nữa, trong hệ tọa độ dq,

2.3.6 Bộ điều chế độ rộng xung PWM

Ngày nay, do sự phát triển của công nghệ điện tử, các bộ biến tần tĩnh được chế tạo

từ các van bán dẫn công suất đã đảm nhiệm được nguồn cung cấp năng lượng điện có tần

số thay đổi

Về nguyên lý, phương pháp thực hiện dựa vào kỹ thuật analog Giản đồ kích đóngcông tắc bộ nghịch lưu dựa trên hai tín hiệu cơ bản: sóng mang có tần số cao và sóng điềukhiển (hoặc sóng điều chế) dạng sin

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ PWM

Cơ chế đóng ngắt: Nếu sóng mang nhỏ hơn hoặc bằng sóng điều khiển thì ngõ ralogic bằng1 Ngược lại, nếu sóng mang lớn hơn hoặc bằng sóng điều khiển thì ngõ ralogic bằng 0

Hình 2.9 Cơ chế đóng ngắt của PWM (pha U)

Hình 2.10 Dạng sóng 3 pha khi được điều chế PWM

Sóng mang có thể ở dạng tam giác Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậccao bị khử càng nhiều Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm cho tổn hao phát sinh do quátrình đóng ngắt các công tắc tăng theo Ngoài ra, các linh kiện đòi hỏi có thời gian đóngngắt nhất định Các yếu tố này làm hạn chế việc chọn tần số sóng mang Sóng điều khiểnmang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra Đểđơn giản mạch kích hơn nữa, có thể sử dụng một sóng điều khiển duy nhất để kích đóng

2.3.7 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ stator trong Simulink của Matlab

2.3.7.1 Các giá trị cần thu thập của động cơ không đồng bộ 3 pha

Hệ phương trình biểu diễn đầy đủ trạng thái của động cơ không đồng bộ ba phatrong hệ tọa độ stator:

(2.37)

(2.36)

(2.38)(2.39)

Ta thu được giá trị dòng điện 3 pha isu, isv, isw từ , thông qua biến đổi tọa độ từ ->uvw.

Momen điện từ của động cơ:

Tốc độ của động cơ:

Mô đun dòng từ hóa từ các thành phần , thông qua công thức:

2.3.7.2 Mô hình động cơ trong simulink

Các giá trị liên quan: Tr = Lr/Rr;

Rr, Rs: điện trở rotor, stator

Hình 2.11 Mô hình mô phỏng của động cơ không đồng bộ ba pha

2.3.7.3 Mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ

TL

Uw Uv

Uu

U V W

Fi'r W

mM Iuv w

DCKDB

Hình 2.12 Mô hình mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ qua PWM

Động cơ không đồng bộ có các thông số sau:

Công suất của động cơ: 10Hp

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 -400

2.4- Nhận xét:

Lúc khởi động trực tiếp qua PWM, dòng khởi động của động cơ lớn khoảng80(A) Vì vậy, cần có phương pháp hạn chế dòng khởi động nhằm duy trì tuổi thọ và hoạtđộng ổn định của động cơ

Phương pháp điều khiển định hướng trường ra đời đã khắc phục được nhược điểmkhởi động dòng quá lớn và còn đạt được những thành tựu kỹ thuật to lớn về tính năngvượt trội trong việc điều khiển động cơ không đồng bộ

Chương 3

ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG

(FOC - FIELD ORIENTED CONTROL)

3.1 Đại cương về phương pháp FOC

Phương pháp điều khiển vectơ được nghiên cứu lần đầu tiên vào đầu những năm 70 củathế kỷ trước và nó nhanh chóng trở thành một phương pháp điều khiển được chuẩn hóa nhờnhững ưu điểm của nó so với phương pháp điều khiển vô hướng (điều khiển V/f = const)

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 haithành phần: thành phần tạo từ thông isd và thành phần tạo moment isq Hai thành phần này củadòng điện có thể tách rời và được điều khiển một cách độc lập giống như trong máy điện mộtchiều

Phương pháp điều khiển định hướng trường FOC sử dụng hai thành phần của dòng điệngắn 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)

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

+ Phương pháp điều khiển trực tiếp.

Trong sơ đồ điều khiển vector trực tiếp, biên độ và vị trí góc (pha) của vector từ thôngđược đo hoặc được ước lượng từ các giá trị điện áp hoặc dòng điện stator thông qua các cảmbiến Cảm biến Hall có thể được sử dụng để đo từ trường bằng cách đặt nó vào trong khe hởkhông khí của động cơ Tuy nhiên, việc đặt cảm biến vào trong khe hở không khí sẽ làm tăng giáthành 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 tronghình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC trực tiếp.

+ Phương pháp điều khiển gián tiếp

Trong phương pháp điều khiển gián tiếp thì góc θ được tính toán dựa trên tốc độ trượt

và thông tin về tốc độ động cơ ω Theo sơ đồ, ta thấy đặc tính của hệ thống phụ thuộc rấtnhiều vào việc xác định chính xác các thông số động cơ Phương pháp này nhìn chung đơn giảnhơn phương pháp trực tiếp, tuy nhiên cũng có một số nhược điểm nên đặc tính của sơ đồ sẽ kémnếu không sử dụng các giải pháp đặc biệt khác

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển định hướng trường gián tiếp được trình bày tronghình 3.2

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC gián tiếp.

3.2 Cấu trúc nội dung phương pháp FOC

3.2.1 Giới thiệu cấu trúc cơ bản của FOC

Cấu trúc của hệ thống điều khiển định hướng từ thông rotor trong điều khiển động cơkhông đồng bộ ba pha được trình bày như hình 3.3 Bằng việc mô tả các thành phần của động cơkhông đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor (d, q) Vector dòng stator được chia thànhhai thành phần isd và isq Thành phần isd điều khiển từ thông rotor còn thành phần isq điều khiểnmoment quay Trong hình 3.3, động cơ được nuôi bởi biến tần nguồn áp, đại lượng điều khiển làđiện 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 được giữ ổn định bởi dòng i sd , moment và tốc độ động cơ được điều

Hình 3.3 Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC 3.2.2 Xây dựng thuật toán điều khiển

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

từ các đại lượng từ thông rotor và tốc độ vượt trước của từ thông rotor so với trụcrotor

Mạng tính dòng (MTi):

(3.1)

(3.2)Mạng tính áp (MTu):

(3.3)