Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển tốc độ truyền động động cơ KĐB khi kết hợp mạch vòng momen nhanh và chính xác

Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển tốc độ truyền động động cơ KĐB khi kết hợp mạch vòng momen nhanh và chính xác Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển tốc độ truyền động động cơ KĐB khi kết hợp mạch vòng momen nhanh và chính xác

Mục Lục

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

FOC Field Oriented Control Lĩnh vực điều khiển định hướngIGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4 1 Thông số động cơ không đồng bộ

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2 1 Sơ đồ thay thế dạng biến thế của ĐCKĐB rotor lồng sóc

Hình 2 2 Xây dựng vector dòng áp stator từ ba điện áp pha

Hình 2 3 Xây dựng vector dòng áp stator trên hệ tọa độ αβ

Hình 2 4 Xây dựng vector dòng áp stator trên hệ tọa độ dq

Hình 2 5 Biểu diễn vector dòng stator trên hệ tọa độ cố định và hệ tọa độ quay

Hình 2 6 Mô hình ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq

Hình 2 7 Mô hình trạng thái dạng phi tuyến yếu của ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq

Hình 2 8 Sơ đồ mạch nghịch lưu ĐCXCBP nuôi bởi biến tần nguồn áp

Hình 2 9 Các vector điện áp chuẩn trên hệ tọa độ

Hình 2 10 Thực hiện vector điện áp từ hai vector biên

Hình 2 11 Mẫu xung của vector điện áp thuộc S1

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cấu trúc điều khiển hệ truyền động KĐB hiện đại tựa theo từthông rotor được sử dụng khá phổ biến Do nguyên lý này tạo ra một công cụ cho

mái trong việc lựa chọn một luật điều khiển tuyến tính, phi tuyến để giải quyết bàitoán bám cho từng mạch vòng Trong những nghiên cứu về FOC, cấu hìnhthường thấy là ĐC KĐB-RLS được nuôi bởi nghịch lưu nguồn áp với mạch vòngtrong được thiết kế theo các phương pháp điều khiển phi tuyến, trong khi đó bộđiều khiển vòng ngoài thường là một khâu PI truyền thống hoặc cả hai mạch vòngnày được điều khiển theo cùng một phương pháp phi tuyến hay tuyến tính (chẳnghạn như mạch vòng PI, tuyến tính hóa chính xác) Cấu trúc kinh điển và phươngpháp thiết kế trên thì dẫn đến bộ điều khiển dòng tính toán phức tạp, đáp ứngmomen quay bị trễ nhiều chu kỳ trích mẫu Để hoàn thiện hướng nghiên cứu cấuFOC và nâng cao chất lượng truyền động KĐB, thì đã có nhiều đề tài, luận văntiến sỹ nghiên cứu tập trung vấn đề này Ở đây đồ án đưa ra một hướng tiếp cậnkhác trong nghiên cứu về FOC – áp dụng phương pháp TTHCX thiết kế bộ điềukhiển tốc độ Với cách tiếp cận này về nguyên lý điều khiển từ thông rotor, hứahẹn có thể đem lại một cấu trúc điều khiển tối ưu cho hệ truyền động KĐB Qua

đó đồ án của em được xác định các vấn đề như sau:

• Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ cho hệ

truyền động ĐC-KĐB nhằm mục đích nâng cao chất lượng truyền độngđiện không đồng bộ

• Đối tượng nghiên cứu: Động cơ không đồng bộ

• Phương pháp nghiên cứu:

 Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển PI, phương pháp tuyến tính hóa chính xác và phương pháp tuyến tính hóa chính xác với phản hồi đạo hàm trạng thái

 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ bằng phương pháp phương pháp tuyến tính hóa chính xác với phản hồi đạo hàm trạng thái Kết quả

mô phỏng

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1 Tổng quan

Động cơ không đồng bộ ba pha (ĐCKĐB) là loại máy điện xoay chiều hai dâyquấn mà trong đó chỉ có một dây quấn (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lưới điệnxoay chiều, dây quấn còn lại (dây quấn thứ cấp) được nối tắt lại hay được khép kínqua điện trở ĐCKĐB làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của rotor

điện một chiều Tuy nhiên trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của

kỹ thuật điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý đã làm tăng khả năng sử dụng ĐCKĐBngay cả những trường hợp có yêu cầu điều chỉnh tự động truyền động điện dải rộngvới độ chính xác cao mà trong các hệ truyền động trước đây vẫn thường phải sửdụng động cơ điện một chiều ĐCKĐB được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệpvới dải công suất từ nhỏ đến trung bình, chiếm tỷ lệ lớn so với các động cơ khác,nhờ các ưu điểm:

− Có kết cấu đơn giản, đặc biệt là động cơ rotor lồng sóc

− So với động cơ điện một chiều, kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, vận hành antoàn, tin cậy, giảm chi phí vận hành, sửa chữa

− Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêmcác

thiết bị biến đổi

− Được khai thác hết tiềm năng nhờ sự phát triển của công nghiệp chế tạo bándẫn công suất và kỹ thuật điện tử

1.1 Cấu tạo ĐCKĐB

Về cấu tạo ĐCKĐB bao gồm hai phần chính là stator (đứng im), và rotor (quay), ngoài

ra còn có khe hở không khí giữa rotor và stator

Hình 1 1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ

• Dây quấn:

Được dùng để dẫn điện, sinh ra từ trường, dây quấn được đặt vào rãnh của lõisắt và được cách điện tốt với lõi sắt Được làm bằng đồng, có tác dụng sinh ra từtrường quay cảm ứng với dòng điện tạo ra moment

1.1.2 Phần rotor

Theo cấu tạo, được chia làm hai loại đó là rotor dây quấn và rotor lồng sóc

• Loại rotor dây quấn:

Có dây quấn giống như dây quấn stator Trong máy điện công suất trung bìnhtrở lên, dây quấn rotor thường là kiểu dây quấn sóng hai lớp vì bớt được dây đầu nối,kết cấu dây quấn trên rotor chặt chẽ Trong máy điện cỡ nhỏ, thường dùng dây quấnđồng tâm một lớp Dây quấn ba pha của rotor thường đấu sao, ba đầu còn lại được nốivới ba vành trượt làm bằng đồng gắn ở một đầu trục, cách điện với nhau và với trục.Thông qua chổi than và vành trượt, có thể nối dây quấn rotor với điện trở phụ bênngoài để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suấtcủa máy Khi làm việc bình thường, dây quấn rotor được nối ngắn mạch Cách nối dâyrotor dây quấn với điện trở bên ngoài và ký hiệu của nó trong các sơ đồ điện

• Loại rotor lồng sóc:

Loại này thì rotor là một khối sắt nhưng không có dây quấn Do đó ở mạch rotorđiện áp bị ngắn mạch Ở động cơ công suất nhỏ, lồng sóc được chế tạo bằng cách đúcnhôm vào các rãnh lõi thép rotor Loại rotor lồng sóc công suất >100kW, trong các rãnhcủa lõi thép đặt các thanh đồng, các thanh được nối ngắn mạch với nhau ở hai đầu Cácrãnh trên này được thiết kế nghiêng có tác dụng giảm các sóng hài bậc cao

1.1.3 Khe hở không khí

Vì rotor là một khối tròn nên có khe hở đều Khe hở trong máy điện không đồng

bộ rất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ sốcông suất của máy cao hơn

1.2 Nguyên lý làm việc của ĐCKĐB

Nếu ta dùng một mặt phẳng cắt ngang động cơ, trong mặt phẳng này điện áp bapha chia mặt phẳng lệch nhau lệch nhau góc 120° Khi cấp điện áp ba pha xoay chiềuvào dây quấn, sinh ra dòng điện biến thiên, do sự đối xứng về cấu trúc trong khônggian, người ta đã chứng minh được nếu tổng hợp từ trường do dòng điện ba pha riêng

rẽ sinh ra sẽ có dạng một vector quay tròn trong mặt phẳng cắt, có điểm gốc cố định, cótốc độ góc n1 = 60*f/zp, với zp là số cặp cực của dây quấn stator, f là tần số điện áp cấpvào Từ trường này biến thiên này móc vòng qua qua mạch rotor và gây điện áp cảmứng trên các thanh dẫn lồng sóc của rotor Điện áp này gây ra dòng điện rotor ngắnmạch chạy trong các thanh dẫn Theo định luật cảm ứng điện từ, thanh dẫn mang dòngđiện mà có môi trường từ trường sẽ tương tác nhau sinh ra một lực có độ lớn xác địnhtheo công thức của định luật Bio-Savart-Laplace và sinh ra moment làm cho động cơquay, tốc độ quay của rotor lúc này là n với n < n1, vì vậy nên động cơ được gọi là động

cơ không đồng bộ Tuy nhiên chúng ta không thể biết rõ chính xác đại lượng dòng điệnstator hay rotor tương tác với từ trường rotor hay stator Với sự ra đời của phương phápđiều khiển vector đã giải quyết được vấn đề này đồng thời có thể điều khiển chính xáchai thành phần sinh từ thông và moment

1.3 Cấu trúc điều khiển FOC

Đối với động cơ một chiều (ĐCMC), ta biết rằng có thể điều khiển độclập theo hai thành phần đó là dòng tạo từ thông (dòng mạch điện kích từ) vàdòng tạo mômen quay (dòng phần ứng) Do hai mạch điện ĐCMC hoàn toàncách ly, ta thu được các thuật toán điều khiển đơn giản, đòi hỏi vi xử lý một

Ngược lại, động cơ xoay chiều ba pha (ĐCXCBP), do hệ thống cuộn dây

và nguồn cấp điện ba pha có cấu trúc phức tạp nên gây khó khăn trong việc mô

tả toán học các đặc điểm cách ly trên Do đó, mục đích của phương pháp tự theo

từ thông rotor (T4R): tạo công cụ cho phép tách các thành phần dòng tạo từ thông và dòng tạo mômen quay từ dòng điện xoay chiều pha pha chảy trong cuộn dây stator của động cơ Hệ truyền động điện điều khiển theo kiểu T4Rchính là hệ hoạt động trên nguyên tắc điều khiển cách ly các thành phần dòng kểtrên nhờ mạch vòng điều chỉnh dòng stator (mạch vòng trong cùng của toàn hệ) Cấu trúc hiện đại cho phương pháp điều khiển định hướng theo từ thông:Trong cấu trúc trên bao gồm các khối:

• Khối 1: DTT, khối dẫn từ thông, từ thông quyết định bởi tốc độ đặt

*

w

Trongvùng tốc độ định mức, từ thông không đổi Ngoài vùng định mức, suy giảm từ

thông theo đường hepebol để tránh sự tăng vọt điện áp do

, đầu vào là sai lệch từ thông roto đặt và giá trị

thực tính toán thông qua

Hình 1 2 Cấu trúc điều khiển định hướng theo từ thông rotor

• Khối 4: Điều khiển dòng điện i

, biến chúng trở thành 2 đại lượng điều khiển từ thông Rotor và momen quay

• Khối 5+8: là khâu chuyển tọa độ, chuyển các tọa độ giữa hệ trục dq và ab Để

chuyển được cần có thêm đại lượng góc lệch s

• Khối 9: khâu chuyển tọa độ, chuyển các tọa độ từ hệ abc sang ab.

• Khối 10: Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc (IM)

• Khối 11: IE, máy khắc vạch xung quang học để đo tốc độ quay

Trên cơ sở các tính năng lý tưởng mà ta luôn giả thiết cho bộ điều chỉnh dòng,thì ta thu được một cấu trúc hệ điều chỉnh hoàn toàn giống như các hệ thống truyềnđộng điện một chiều, cách tính toán thiết kế các bộ điều chỉnh tốc độ vòng quay vàđiều chỉnh vị trí cũng tương tự Điểm khác biệt là cách thực hiện bộ điều chỉnhdòng Điều khiển động cơ gồm có hai kênh điều khiển Kênh điều khiển từ thông

thường gồm một mạch vòng điều chỉnh dòng điện sinh từ thông i sd Kênh điềukhiển moment thường gồm một mạch vòng điều chỉnh tốc độ và một mạch vòng

điều chỉnh thành phần dòng điện sinh moment sq

i

Khâu điều chỉnh vòng trong cùng là khâu điều chỉnh dòng điều chỉnh hai thành

phần dòng một chiều i sd và i sq Với giả thiết hai thành phần dòng i sd và i sq hoàntoàn không phụ thuộc vào nhau (tức là tuyệt đối cách ly), khi ấy phương án sửdụng hai khâu điều chỉnh dòng theo luật PI sẽ là hoàn hảo Trong thực tế hai thành

phần dòng có tác dụng ảnh hưởng lẫn nhau và phụ thuộc vào ωs

Chính vì vậy nếudùng hai bộ điều chỉnh dòng độc lập thì cấu trúc điều khiển như vậy chỉ hoạt độngtốt ở chế độ tĩnh chưa tốt ở chế độ động Điều này thể hiện đặc biệt rõ khi hệ làmviệc ở vùng suy giảm từ thông (tốc độ quay lớn hơn tốc độ định mức) là vùng

thường xuyên xảy ra tương tác giữa i sd và sq

i

Khâu điều chỉnh dòng vì vậy phảiđược thiết kế dưới giác độ coi ĐCKĐB là đối tượng điều chỉnh đa thông số - sốlượng đối tượng điều chỉnh lớn hơn 1- và khâu điều chỉnh dòng lúc đó sẽ là khâuđiều chỉnh đa thông số, có nhiệm vụ áp cho từng thành phần dòng các đặc tính

truyền đạt cho trước (thông qua 2 cụm điều chỉnh nội tại nhánh dọc), đồng thời cónhiệm vụ cách ly 2 nhánh ngang).

Kênh điều chỉnh từ thông: Dòng i sd được coi là đại lượng điều khiển cho ψrd

,

tuy nhiên giữa hai đại lượng tồn tại một khâu trễ bậc nhất với hằng số thời gian T r,

vì vậy cần phải sử dụng khâu Điều chỉnh từ thông để gia tốc các quá trình từ hóa

trong động cơ thông qua việc giảm tác dụng trễ của T r Mặt khác để điều chỉnh ψrd

ta cần có giá trị thực của đại lượng đó, là giá trị không đo được Thông qua MHTT

dòng để tránh trường hợp quá dòng trên khối điều khiển cuộn dây stator Dòng i sd

và i sq thực thu được thông qua đo các giá trị dòng ba pha đưa qua bộ chuyển hệ tọa

 Xét vòng trong cùng:

ĐCXCBP được nuôi bởi nghịch lưu nguồn áp Điện áp đặt lên 3 cực củađộng cơ điều chế theo phương pháp điều chế vector không gian (ĐCVTKG).Khối ĐCVTKG (4) cho phép tạo điện áp với biên độ, góc pha, tần số mà bộđiều khiển đòi hỏi Khâu ĐCVTKG có nhiệm vụ tính thời gian đóng cắt cácvan bán dẫn của nghịch lưu từ 2 thành phần điện áp và để tạo ra các điện ápcấp vào 3 cực của động cơ

Vòng trong cùng là vòng điều khiển momen được được điều khiển thông

qua bộ điều khiển dòng mang đặc điểm động học nhanh 200 m s

việc tính toán góc pha từ mô hình từ thông (MHTT) – (7) đưa tới để tạo ra 2

thành phần điện áp usα và usβ cấp cho nghịch lưu.

Khi bộ điều dòng nhanh, chính xác và tách kênh mô hình điều khiểnđược hạ bậc từ bậc 5 xuống bậc 3 (được thể hiện ở chương 2)

 Xét các vòng điều khiển bên ngoài:

Vòng điều khiển bên ngoài bao gồm vòng điều khiển tốc độ quay mang đặc điểm

là tác động chậm so với mạch vòng dòng cỡ khoảng vài chục giây, bộ điều khiển

tương ứng R� Bộ điều khiển tốc độ khi thiết kế dựa vào mô hình tốc độ để thiết

kế đơn giản người thiết kế thường giả thiết momet cản, momen quán tính, từthông xác lập, trục nối động cơ với tải là cứng tuyệt thì mô hình là tuyến tính lúcnày ta áp dụng bộ điều khiển PI Nhưng trong thực tế momen cản, từ thông,momen quán tính, trục cứng là không tuyệt đối thì mô hình là phi tuyến Ngàynay tận dụng ưu thế của điều khiển phi tuyến để giải quyết các bài toán về ổnđịnh hệ thống truyền động điện Trong Đồ án em tập trung tìm hiểu và thiết kế bộđiều khiển tốc độ bằng phương pháp tuyến tính hóa chính xác với phản hồi đạohàm trạng thái và được chứng minh qua chương 3 và chương 4

2 Các phương pháp điều khiển cho các mạch vòng điều chỉnh

2.1 Phương pháp điều khiển tuyến tính (PI)

2.1.1 Khái quát

Nguyên lý làm việc bộ điều khiển tuyến tính PI là nhanh chóng đưa hệtruyền động xác lập ở chế độ động được thực hiện bởi bộ điều chỉnh khuếch đại P,tuy nhiên ở chế độ xác lập đáp ứng tín hiệu thực bám theo tín hiệu đặt còn sailệch, nên bộ điều chỉnh tích phân I sẽ tiến hành khử sai lệch.Theo tài liệu [4] tiếnhành thiết kế bộ điều khiển PI bằng các phương pháp như tối ưu độ lớn, tối ưu đối

có đặc điểm là hệ thống luôn phải có được đáp ứng đầu ra giống tín hiệu đặt tạimọi tần số hoặc thời gian quá độ để đầu ra bám được vào tín hiệu đặt càng nhỏ

càng tốt Có nghĩa bộ điều khiển R(s) cần phải mang đến cho hệ khả năng

có hàm truyền dạng quán tính bậc nhất, bậc hai, bậc ba…

Đối với phương pháp tối ưu đối xứng thì giải quyết được vấn đề không yêu cầu

đối tượng điều khiển S(s) ổn định, hàm quá độ không phải đi từ 0 và có dạng hình

chữ S Giống với phương pháp tối ưu độ lớn, để có G jw =( 1 trong dải tần số

PI để điều khiển các đối tượng điều khiển S(s) có hàm truyền dạng tích phân-quán

tính bậc nhất, tích phân – quán tính bậc hai và tích phân – quán tính bậc cao Hayphương pháp chọn tham số PID hay PI tối ưu theo sai lệch bám, có nghĩa xác định

bộ tham số kp, TI, TD sao cho tín hiệu ra y(t) bám được vào tín hiệu đặt w( )t

pháp tìm hệ số K p và T i có đặc điểm riêng phù hợp với từng đối tượng điều khiển,

vì vậy tác giả sử dụng phương pháp tối ưu độ lớn để thiết kế bộ điều khiển PI

2.1.2 Thiết kế bộ điều khiển PI(cho mạch vòng dòng stator)

Yêu cầu khi xây dựng bộ điều khiển dòng điện là đầu ra phải đáp ứng nhanh,

chính xác (bám sát giá trị đặt) và không tương tác (thành phần dòng i sd và i sq khithay đổi giá trị không tác động lẫn nhau – như vậy mới có thể điều khiển riêng rẽhai thành phần tạo từ thông và tạo moment này) Bộ điều khiển dòng sẽ được xâydựng như dưới đây

Dựa vào phương trình dòng điện :

Hình 1 2 Cấu trúc điều khiển định hướng theo từ thông rotor

Chọn bộ điều khiển PI:

1

11

k s

Trong đó :

1,

11

K F

22

Nhận thấy, mạch vòng dòng điện i i sd, sqlà giống nhau nên ta tổng hợp bộ điều

×

×

+ +

+-

++

sdi

+-+-

Hình 1 4 Mô hình bộ điều khiển RI có thành phần bù xen kênh

Bộ điều khiển PI thiết kế đơn giản, ít phụ thuộc tham số, đáp ứng nhanh Vẫn tồntại sai lệch, hiện tượng xen kênh có thể được giải quyết bằng cách bù xen kênhtuy nhiên vẫn triệt tiêu được hoàn toàn

2.1.3 Kết quả mô phỏng

Khi Rr không thay đổi (theo bài báo Lê Sĩ Toàn, Trần Trọng Minh, Võ Thanh

Hà, Phạm Thị Giang, Nghiên cứu phương pháp điều khiển nâng cao cho động cơkhông đồng bộ: Tựa từ thông rotor và điều khiển dự báo dòng stator – Hội nghị -Triển lãm quốc tế lần thứ 5 về Điều khiển và Tự động hóa VCCA-2019)

Hình 1 5 Kết quả dòng điện isd

Từ kết quả mô phỏng ta thấy tín hiệu thực bám tín hiệu đặt, sai lệch dần đến không, độ đập mạch momen nhỏ

Hình 1 6 Kết quả mô phỏng isq

Hình 1 7 Kết quả mô phỏng đáp ứng tốc độ quay

Hình 1 8 Kết quả mô phỏng đáp ứng moment

Để đánh giá độ bền vững của hệ truyền động điện sử dụng phương pháp điều khiển PI-FOC, dựa vào sự thay đổi thông số động cơ như Lm, Rr, Rs Ở bài báo này em sẽ đánh giá dựa vòa điện trở rotor Rr thay đổi

Hình 1 9 Kết quả mô phỏng đáp ứng tốc độ động cơ

Nhận xét: Khi Rr tăng lên 60% tốc độ thực không bám với tốc độ đặt, biên độ tốc độ

sụt giảm mạnh PI-FOC là 20%

Hình 1 10 Kết quả mô phỏng đáp ứng tốc độ động cơ

Nhận xét: Khi tăng lên 60% thì biên độ mô-men thay đổi PI-FOC là 17.6%

Bộ điều khiển PI thiết kế đơn giản, hệ ổn định tại 1 tần số xác định tuynhiên khi moment thay đổi, moment quán tính thay đổi, điện trở thay đổi thì bộđiều khiển PI không đáp ứng yêu cầu của bài toán vì vậy em đi nghiêm cứuphương pháp điều khiển phi tuyến để đáp ứng yêu cầu bài toán đề ra

2.2 Phương pháp điều khiển phi tuyến (Tuyến tính hóa chính xác)

Khái quát:

Theo tài liệu [1] và [2] bộ điều khiển tách kênh trực tiếp, thiết kế theo phươngpháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác có đặc điểm như sau:

Nếu hệ phi tuyến với m biến vào và m biến ra, lớp hệ MIMO phi tuyến có thể

mô tả bởi hệ phương trình như (3.1) (mô hình phi tuyến có dạng affine):

u u

( )( )( =

( )

m

g g

g

x x

1

1

1 1

( )( )

( )( )

( )

( )( )

( )( ) rm

r

f r

m

m n

M

MM

Hình 1 11 Cấu trúc chuyển đổi tọa độ trạng thái của một hệ phi tuyến sang tuyến tính

+ Ba hàm truyền đạt của ba kênh chỉ còn là ba khâu tích phân I.

Vì vậy có thể thay thế bộ ĐK dòng stator 2 vào-2 ra bởi một khâu chuyển tọa độ

trạng thái, và hai bộ ĐK tuyến tính (PI, deadbeat) riêng rẽ cho trục dq, sao cho áp

mô-men nhanh, chính xác.Với ý tưởng chính của phương pháp tuyến tính hóa chính xác làthực hiện việc chuyển tọa độ cho mô hình trạng thái của đối tượng phi tuyến thông quakhả năng thiết kế bộ điều khiển phản hồi trang thái hoặc phản hồi tín hiệu ra của đốitượng phi tuyến sao cho hệ kín trong trở thành tuyến tính trong toàn bộ không giantrạng thái mới

Như vậy phương pháp tuyến tính hóa chính xác và thiết kế bộ điều khiển dòngstator theo phương pháp này Phương pháp này có những ưu điểm cũng như nhượcđiểm như sau:

• Ưu điểm: Là chuyển hệ thống sang dạng quan hệ tuyến tính vào-ra, sử dụng vònglặp bên trong tách kênh phi tuyến Bộ điều khiển có thể được thiết kế đảm bảo ổnđịnh và chất lượng của hệ thống tuyến tính bằng cách sử dụng phương pháp thiết

kế tuyến tính

• Nhược điểm: Cần chuyển tọa độ và mạch vòng tách kênh bên trong, sự tách kênhgiữa các đầu ra một cách trực tiếp Phép chuyển tọa độ được dùng phức tạp hơnphép quay sử dụng trong phương pháp tựa theo từ thông Bên cạnh đó phươngpháp này phải đo lường đầy đủ các trạng thái cần thiết, loại bỏ chính xác thànhphần phi tuyến và thiết kế bộ điều khiển riêng rẽ cho mức từ thông rotor Nếu phép

đo không chính xác, sẽ có thể dẫn đến vấn đề bền vững nghiêm trọng

Kết luận chương I:

• Tìm hiểu về ĐC KĐB-RLS

• Tổng quát về phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor (FOC)

• Tổng quát phương pháp điều khiển tuyến tính (PI), phi tuyến (TTHCX vsPHĐHTT)

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐC KĐB-RLS VÀ ĐIỀU CHẾ

VECTOR ĐIỆN ÁP

2.1 Mô hình điều khiển động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ ba pha được mô tả bởi một hệ phương trình vi phân bậccao Điều này có nguồn gốc từ các cuốn dây pha được phân bố rải rác về mặt khônggian, các tương tác qua lại giữa các mạch từ Vì vậy , để có thể dễ dàng tìm được môhình đối tượng (mô hình hệ thống) cho phép thực hiện dễ dàng công việc thiết kế các

cảm - điện trở là các phần tử tham số tập trung, các cuộn dây pha luôn được bố trí đốixứng lý tưởng, khe hở không khí đồng đều, tham số của mô hình là hằng…

Trong chương này ta tiến hành đi phân tích ưu điểm và nhược điểm của hai hệtọa độ cố định stator và hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor, từ đó chọn một hệ tọa độ làmgốc, tìm hiểu chi tiết cấu trúc phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor vàphương pháp điều chế vector không gian

Các đại lượng điện và từ thông được mô tả dưới dạng vector với thành phầnthực Tại đây có một vài chỉ số quy ước như sau:

- Chỉ số viết bên phải, trên cao:

• f: Đại lượng mô tả trên hệ tọa độ tựa theo từ thông (hệ tọa độ dq quay

đồng bộ với vector từ thông)

• s: Đại lượng mô tả trên hệ tọa độ α,β, cố định với stator.

• r: Đại lượng mô tả trên hệ tọa độ cố định với rotor.

- Chỉ số viết bên phải, phía dưới:

• s: Đại lượng mạch stator.

• r: Đại lượng mạch rotor.

• d, q: Thành phần thuộc hệ tọa độ dq.

• α, β: Các thành phần thuộc hệ tọa độ αβ.

2.1.1 Mô hình trạng thái của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay

Hình 2 1 Sơ đồ thay thế dạng biến thế của ĐCKĐB rotor lồng sóc

Xuất phát điểm của mô hình là hai phương trình điện áp stator và điện áp rotor viết trên hệ thống cuộn dây stator và rotor, tức là viết trên hệ tọa độ cố định với stator

J: moment quán tính cơ

: tốc độ góc của rotor

2.1.2 Biểu diễn vector không gian các đại lượng ba pha

Trong phần này ta chỉ xét vector không gian dòng điện stator cấp cho động cơ không đồng bộ ba pha, các vector không gian điện áp và từ thông được tính tương tự

Vector không gian dòng điện stator được định nghĩa như sau:

πω

: Biên độ điện áp pha

A B

Hình 2 2 Xây dựng vector dòng áp stator từ ba điện áp pha

Theo hình vẽ trên, dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector dòng

điện i s lên trục các cuộn dây tương ứng Tương tự ta có thể biễu diễn các đại lượng ba pha khác như điện áp stator, từ thông stator và rotor dưới dạng vector Tất cả các vector

đều quay xung quanh gốc tọa độ với tốc độ góc ωs

Từ mặt phẳng phức trên hình 2.2 trên, ta đặt tên cho trục thực là α, trục ảo là β.

A,α B

đến: Ta có thể hình dung ra một động cơ điện tương ứng với hai cuộn dây cố định α và

β thay thế cho ba cuộn A, B, C Hệ tọa độ này được gọi là hệ tọa độ stator và hệ tọa độ

này cố định, để phân biệt với hệ tọa độ quay sẽ được đề cập sau này

Trên cơ sở công thức (2.8) kèm theo điều kiện điểm trung tính của ba cuộn dây

stator không nối đất, ta chỉ cần đo 2 trong số 3 dòng (i a , i b , i c) là có đầy đủ thông tin về

vector i s với các thành phần như công thức (2.9) Và công thức (2.9) chỉ đúng khi trục của cuộc dây pha A được chọn làm trục quy chiếu chuẩn như trong hình 2.2.

1

23

α β

Tương tự, các vector điện áp stator u s , dòng totor i s , từ thông stator ψ s, từ thông

rotor ψ r đều có thể biểu diễn bởi các phần từ thuộc hệ tọa độ stator.

với vector dòng điện ở hình 2.1 Động cơ đang quay với tốc độ góc ω = dθ/dt, trong đó

θ là góc tạo bởi trục rotor và trục chuẩn (đã quy ước là trục đi qua tâm cuộn dây pha A), từ thông rotor ψ r quay với tốc độ góc ω s = 2πf s = dθ s /dt, trong đó f s là tần số của

A

C

d q

Như đã trình bày ở phần trước, hệ tọa độ αβ còn gọi là hệ tọa độ cố định stator gồm hai trục tọa độ vuông góc với nhau ( trục α và trục β) Do đó khi chiếu một đại lượng vector quay lên hệ trục tọa độ này sẽ được hai giá trị ứng với hai trục α và β

d jq

còn gọi là phép chuyển đổi Clarke được định nghĩa như sau:

Hình 2 5 Biểu diễn vector dòng stator trên hệ tọa độ cố định và hệ tọa độ quay

U U

U U

U

α β