Nghiên cứu hệ thống điều khiển truyền động điện biến tần không dùng cảm biến tốc độ

Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc đô, xây dựng thuâtk toán tính toán tốc độ động cơ và từ thông roto, hệ thống truyền động điện biến tần điều chỉnh từ thông không dùng cảm biến tốc độ; xây dựng thuật toán nhận dạng thông số động cơ

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

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

-1

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung của bản luận văn do tôi tự làm dưới sự hướng dẫn tận tình và chu đáo của T.S Nguyễn Mạnh Tiến, tuyệt đối không sao chép hay cắt dán ở bất kỳ tài liệu nào Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

-2

Mục lục

Trang Trang phụ bìa

3.2 Hệ thống truyền động điện điều chỉnh từ thông không đổi theo độ

Tuy nhiên do cấu trúc phi tuyến nên việc điều khiển động cơ không đồng

bộ phức tạp hơn nhiều so với việc điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Gần đây nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo bán dẫn, vi

điện tử và lý thuyết điều khiển nên có nhiều phương pháp điều khiển hiệu quả đã

được ứng dụng và đề xuất cho điều khiển động cơ không đồng bộ Chính vì vậy

động cơ không đồng bộ ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất và thay thế dần dần động cơ

điện một chiều

Đối với động cơ không đồng bộ ba pha xoay chiều có nhiều phương pháp

điều chỉnh tốc độ động cơ nhờ:

- Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp

- Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở mắc vào mạch rôto

- Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở mắc vào mạch stato Xong các phương pháp trên thì việc điều khiển đơn giản nhưng chất lượng

điều chỉnh tĩnh và động không cao, hơn nữa chỉ thích hợp với một phụ tải nhất

định Phương pháp điều khiển hiệu quả nhất hiện nay là thay đổi tần số điện áp nguồn cung cấp cho động cơ Do tốc độ động cơ xấp xỉ bằng tốc độ đồng bộ, nên

động cơ làm việc với tốc độ trượt nhỏ và tổn hao công suất trượt trong mạch rô to nhỏ Tuy nhiên phương pháp này phức tạp và đắt tiền Trong hệ thống truyền

-5

động điện điều khiển tần số bằng phương pháp tựa theo từ thông có thể tạo ra cho

động cơ các đặc tính tĩnh và đặc tính động rất tốt Đối với phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số điện áp nguồn cung cấp có hai phương pháp: điều khiển gián tiếp và điều khiển trực tiếp Với phương pháp điều khiển gián tiếp gồm các hệ thống điều khiển điện áp/tần số (biến tần nguồn áp)

và điều khiển dòng điện/tần số (biến tần nguồn dòng) đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp

ở hệ thống điều khiển điện áp/tần số, sức điện động stato động cơ được

điều chỉnh tỉ lệ với tần số đảm bảo duy trì từ thông khe hở không đổi Động cơ có khả năng sinh mômen như nhau ở mọi tần số dưới định mức Có khả năng điều chỉnh được cả hai vùng: vùng dưới tốc độ cơ bản - điều chỉnh từ thông không đổi, thông qua điều khiển giữa tỷ số sức điện động khe hở/tần số là hằng số; vùng trên tốc độ cơ bản - điện áp được duy trì không đổi từ thông động cơ giảm theo tốc độ

đảm bảo công suất động cơ không đổi

Hệ thống điều khiển dòng điện /tần số trượt nó có ưu điểm với điều chỉnh

điện áp/tần số là có thể duy trì từ thông không đổi ở cả vùng tốc độ thấp do thuật toán không phụ thuộc vào các tham số mạch stato; đồng thời động cơ có thể làm việc ở chế độ tối ưu tương ứng với phụ tải của hệ thống

Các phương pháp điều khiển trên có thể tạo ra đặc tính tĩnh tốt, nhưng không đáp ứng được chất lượng điều chỉnh trong thời gian quá trình quá độ Phương pháp điều khiển điện áp/tần số rất đơn giản chỉ có một mạch vòng điều chỉnh tốc độ, trong khi điều khiển dòng điện/tần số trượt gồm có một mạch vòng dòng điện và mạch vòng điều chỉnh tốc độ

Một hệ thống điều khiển yêu cầu chất lượng điều chỉnh động cao như điều khiển rôbôt v.v thì các phương pháp điều khiển kinh điển khó đáp ứng được Hệ thống điều khiển định hướng theo từ trường còn gọi là điều khiển vectơ có thể

-6

đáp ứng được các yêu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và động Nó cho phép

điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện stato tương ứng Hệ thống điều chỉnh gồm hai kênh điều khiển độc lập: điều khiển mômen và điều khiển từ thông rôto Kênh điều khiển mômen gồm một mạch vòng điều chỉnh tốc độ và mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh mômen, kênh điều khiển từ thông đơn giản gồm một mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh từ thông Do đó, hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ có thể tạo ra

được những đặc tính tĩnh và động cao so với động cơ điện một chiều

Như vậy, ở hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ kinh điểm

sẽ có một mạch vòng điều chỉnh tốc độ với tín hiệu phản hồi tốc độ thông thường nhận được từ cảm biến tốc độ gắn trên trục động cơ

Tuy nhiên, những cảm biến tốc độ quay có một số nhược điểm nó làm cho

hệ thống truyền động điện không đồng nhất do cần thiết lắp thêm trên trục động cơ một máy phát tốc hay cảm biến số Trong một số trường hợp không thể lắp

được cảm biến trên trục động cơ, ví dụ như ở hệ thống truyền động điện cao tốc,

ở hệ thống truyền động điện của ô tô hay động cơ làm việc ở môi trường độc hại Hơn nữa, nhiễu gây ra do truyền dẫn tín hiệu từ máy phát tốc về tủ điều khiển khi động cơ ở xa trung tâm điều khiển là vấn đề phức tạp cho việc nâng cao

độ chính xác điều khiển, giá thành của các cảm biến quay hiện nay rất đắt

Hệ thống truyền động điện không đồng bộ với điều khiển từ thông có thể chế tạo ra các đặc tính tương tự như truyền động điện một chiều Trong hệ thống

đó việc đo lường chính xác từ thông rôto đóng vai trò quyết định cho việc nâng cao độ chính xác điều khiển Phương pháp đo lường từ thông dùng cảm biến Hall không thể ứng dụng trong những hệ thống truyền động điện hiện đại do khó chế tạo, khó lắp đặt, giá thành cao; phương pháp tính trực tiếp từ thông rôto khó đạt

độ chính xác ở vùng tốc độ thấp

-7

Trong việc thiết kế thuật toán tính toán tốc độ và xây dựng hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ, hiện nay có hai hướng nghiên cứu chính Hướng thứ nhất nhằm tăng phản ứng động của hệ thống, nâng cao độ chính xác tính toán tốc độ và từ thông rôto; chất lượng điều chỉnh trong dải điều chỉnh tốc độ rộng, đặc biệt ở vùng tốc độ thấp Hướng thứ hai là xây dựng thuật toán nhận dạng thông số động cơ hợp lý nhằm loại trừ ảnh hưởng của sự thay đổi các thông số trong quá trình làm việc Trong bản luận văn này tác giả đi tìm hiểu và nghiên cứu hướng thứ nhất đó là:

- Nghiên cứu thuật toán xác định tốc độ động cơ dựa vào điện áp và dòng

điện (u, i)

- ứng dụng cho hệ điều khiển từ thông không đổi

- Nghiên cứu phương pháp nhận dạng thông số động cơ

Nội dung luận văn được chia làm 5 chương

- Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ

- Chương 2: Xây dựng thuật toán tính toán tốc độ động cơ và từ thông rôto

- Chương 3: Hệ thống truyền động điện biến tần điều chỉnh từ thông không đổi không dùng cảm biến tốc độ

- Chương 4: Xây dựng thuật toán nhận dạng thống số động cơ

Sau hơn 6 tháng nghiên cứu và làm luận văn, bản luận văn đến nay đã hoàn thành Tôi xin chân thành cám ơn T.S Nguyễn Mạnh Tiến, chủ nhiệm Bộ môn Tự

Động Hóa XNCN - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội thầy đã ân cần chỉ bảo

và hướng dẫn tận tình để tôi hoàn thành bản luận văn này

-8

Tôi chân thành cám ơn PGS TS Nguyễn Văn Liễn, Trưởng Khoa Điện - Trường Đại Học Bách Khoa Hà nội đã động viên, khuyến khích và giúp đã tôi trong quá trình học tập

Tôi chân thành cảm ơn các Thày Cô giáo ở Bộ môn Tự Động Hóa XNCN - Trường Đại Học Bách Khoa Hà nội đã giúp đỡ tôi trong thời gian hcọ tập

Tôi chân thành cảm ơn Giám đốc, Phó giám đốc cùng các cán bộ Trung tâm bồi dưỡng sau Đại Học - Trường Đại Học Bách Khoa Hà nội đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khóa học

Tôi chân thành cảm ơn Đảng uỷ, Ban Giám Hiệu, các thầy cô giáo trường Cao Đẳng Công Nghiệp Sao Đỏ đã động viên khuyến khích và tạo điều kiện giúp

đỡ tôi trong quá trình học tập

Hà Nội, tháng 12 năm 2004

Tác giả

Đỗ Văn Đỉnh

-9

Chương 1 Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ

không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ

1.1 Mô tả toán học động cơ không đồng bộ trong không gian vectơ

1.1.1 Vectơ không gian

Trong động cơ không đồng bộ ba pha có ba cuộn dây stato với dòng điện

ba pha, bố trí không gian tổng quát như hình (1.1)

Hình 1.1 Sơ đồ cuộn dây và dòng Stato của ĐCXC ba pha

Ta không cần quan tâm đến việc đông cơ được cấu theo hình sao hay tam giác, ba dòng iR as R, iR bs R và iR cs R là ba dòng chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ Khi dùng bộ biến tần để điều khiển động cơ, đó là ba dòng ở đầu ra của bộ biến tần

Ba dòng đó thoả mãn phương trình

isa

Pha c Pha b

Pha a

Rôto Stato

(t) i

) 120 t cos( ω i

(t) i

t) cos( ω i

(t) i

0 s

s cs

0 s

s bs

s s

as

Có thể coi các dòng cơ học (mặt cắt ngang), động cơ không đồng bộ xoay

0

P

Nếu trên mặt cắt đó ta thiết lập một hệ toạ độ phức với trục thực đi qua trục cuộn dây pha a của động cơ, ta

3

2 (t)

s e i

=

phẳng phức (cơ học ) với tốc độ góc ω =s 2 ππsvà tạo với trục thực (đi qua trục cuộn dây pha a) một góc γ = ω s t Trong đó fR s R là tần số mạch starto

Qua hình (1.2) ta dễ dàng thấy rằng các dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vectơ mới thu được lên trục của trục cuộn pha tương ứng

ej240

ej120

Im

0 240

)(3

cs t e i

0

120

)(

3

bs t e i

)(

-11

Giả thiết ta đặt lên cho trục thực của mặt phẳng phức nói trên là trục α và

Hai hình chiếu đó được đặt lên là hai dòng iR s α R và iR s β R( hình 1.3)

Hình1.3 Biểu diễn dòng điện stato dưới dạng vecto không gian

với các phần tử iR s α Rvà iR s β R thuộc các toạ độ stato cố định Trên cơ sở công thức (1.1) kèm theo điều kiện điểm trung tính của ba cuộn dây stato không nối đất, ta chỉ cần đo 2 trong 3 dòng điện stato (ví dụ iR sa R và iR sb R )

quy chiếu chuẩn Khi đó ta có:

i i

sb sa sβ

sa sα

3

Bằng cách tương tự như đối với vectơ dòng stato, các vecto điện áp stato

uR s R(t) dòng rôto iR s R(t), từ thông stato ψR s R(t) hoặc từ thông rôto ψR r R(t) đều có thể được biểu diễn bởi các phần tử thuộc hệ toạ độ cố định

α

jβ

s i

Cuộn dây pha a

Cuộn dây pha c

Cuộn dây pha b

ibs

is β

ics

ias=is α

r β

r α r

r β

r α r

s β

s α s

s β

s α

s α

jψ ψ ψ

jψ ψ ψ

ji i i

ju u u

ji i i

i

2 cs

0 j120 cs

Vectơ dòng điện không gian của stato được định nghĩa như sau:

) i a ai (i 3

2

Trong hệ toạ độ 2 trục, vectơ dòng điện stato có thể viết ở dạng:

βs αs

Với giả thiết dòng điện ba pha đối xứng, tức là thành phần thứ tự không bằng không, các thành phần của dòng điện stato trên 2 trục thực và trục ảo được tính từ các thành phần dòng điện ở các pha a, b, c:

βs

s α

i i i

3

1 3

1 3 2

3

1 3

1 0 i

i

và phép biến đổi ngược biểu diễn quan hệ các thành phần dòng điện các pha (a,

b, c) và các thành phần dòng điện trên 2 trục của hệ toạ độ cố định:

cs bs as

i i 1 3 2

1 2

3

1 0 3 2 i i i

a ψ ( ψ 3

2

2 bs as

) u a au (u 3

2

bs as

trong đó : ψR as R, ψR bs R, ψR cs R – các thành phần từ thông móc vòng của các pha a,b,c stato

U R as R, U R bs R, U R cs R – các thành phần điện áp của các pha a,b,c stato

Các vectơ không gian dòng điện, điện áp và từ thông móc vòng rôto có thể

định nghĩa như sau:

) i a ai (i 3

2

) u a au (u 3

2

) ψ a aψ

(ψ 3

2

2 br ar

trong đó: iR ar R, iR br R, iR cr R – các thành phần dòng điện của các pha a,b,c rôto

uR ar R, uR br R, uR cr R – các thành phần điện áp của các pha a, b, c, rôto

ψR ar R, ψR br R, ψR cr R – các thành phần từ thông móc vòng của các pha a, b, c, rôto

1.1.2 Hệ thống phương trình trong không gian vectơ

1.1.2.a Hệ thống phương trình cân bằng điện áp ở dạng vec tơ

Ta xét động cơ có số đôi cực p`=1, trên stato có 3 cuộn dây bố trí lệch

-14

dt

d ψ i R

k k

Khi đó phương trình cân bằng điện áp stato va rôto của động cơ không

as s

dt

d ψ i

R

dt

d ψ i R

cs s

dt

d ψ i R

ar r

dt

dψ i R

br r

điện áp stato và rôto ở dạng vectơ được viết như sau:

dt

ψ d i R

dt

ψ d i R

r r

1.1.2.b Hệ toạ độ quay chuẩn

Để nghiên cứu quá trình điện từ của động cơ không đồng bộ có số đôi cực

m p

tương tự tốc độ rôto điện được tính từ tốc độ rôto cơ khí:

m p

tương tự vectơ dòng điện rôto biểu diễn ở hệ toạ độ quay có dạng:

k r jθ r k

=

t

0 k so k

∫+

0 k ro k

trong đó ωR k R và ωR r R – tốc độ quay của hệ toạ độ quay và hệ toạ độ rôto

k r

α (Re)

s

i

-16

Hình 1.4 Hệ toạ độ chuẩn

- ωR k R = 0: hệ toạ độ tĩnh với stato (hệ trục tọa độ αβ);

- ωR k R = ωR r R: hệ toạ độ cố định với rôto

dt

ψ d i R

r r k r

r r

dt

ψ d i R

Vectơ từ thông móc vòng stato và rôto ở hệ toạ độ quay được xác định như sau:

r m s s

r r s m

trong đó: LR s R, LR r R - điện cảm mạch stato và rôto;

-17

Kết hợp các phương trình (1.30) và (1.31), dòng điện rôto và từ thông móc vòng stato được biểu diễn thông qua dòng điện stato và từ thông móc vòng rôto bằng các phương trình sau:

r

s m r r

L

i L ψ

s s r r

2 m

L L

L 1

1 ( L

L i σ) L jω L

L R (R

s r r r r

m s s k r 2

2 m r s

r r k r

s m r

r r r

dt

ψ d i L L

R ψ L

Sau một vài phép biến đổi, ta nhận được hệ phương trình trạng thái tổng

s 2 1 r

s k 22 k 21

k 12 k 11 r

s

u B

B ψ

i A A

A A ψ

i dt

-18

J ω I σ L

) L

L R (R

s

2 r

2 m r s k

L

r r s

m k

T

L A

r

m k

1 0 J

; 1 0

0 1 I

; 0 0

0 0 B I;

σ L

1

s 1

Mô men động cơ xác định dựa trên quan hệ năng lượng điện cơ như sau:

L

L p 2

3 ) i ψ Im(

p 2

3

r

m p s

* s

r

B

B i

A A

A A i

21

12 11

ψ

-19

σ L

) L

L R (R A

s

2 r

2 m r s 11

L

r r s

2 m r

r r r

r 22

.L L

L 1 σ

; R

L T J;

ω I T

1 0 J

; 1 0

0 1 I

; 0 0

0 0 B I;

σ L

1

s 1

Hệ phương trình (1-40) sẽ sử dụng cho xây dựng thuật toán tính toán tốc độ

động cơ và từ thông rôto ở phần sau

1.1.2.d Mô hình trạng thái của động cơ ttrên hệ tọa độ từ thông rô to

Các phương trình (1.16), (1.35) và (1.30), (1.31) được tập hợp lại trong hệ phương trình mô tả động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ dq sau đây Trong hệ phương trình các vectơ đã được định nghĩa như (1.5)

=

+ +

=

r r m s r

m r s s s

r r r r r

s s s s s s

L i L i ψ

L i L i ψ

ψ

j ω dt

dψ i R 0

ψ

jω dt

d ψ i R u

(1.42)

Từ hai phương trình dưới của hệ (1.42) ta rút ra iR r R và ψR r R sau đó thế vào hai phương trình trên của hệ (1.42) và đặt ψ’R rd R= ψR rd R/LR m R, ψ’R rq R = ψR rq R/LR m R

− + +

rq r sq r rq

rq s

rd r sd r rd

sq s rq r rd sq

r s sd

s sq

sd s rq rd

r sq s sd r s sd

ψ ω ω

ψ T

1 i T

1 dt

ψ d

ψ ω ω

ψ T

1 i T

1 dt

ψ d

u σL

1 ψ σT

σ 1 ψ ω σ

σ 1 i σT

σ 1 σT

1 i

ω dt di

u σL

1 ψ ω σ

σ 1 ψ σT

σ 1 i ω i σT

σ 1 σT

1 dt

di

(1.43)

Tương tự như trên ta có phương trình mômen trên hệ tọa độ dq là

) i ψ Im(

L

L p 2

3 ) i ψ Im(

p 2

3

r

m p s

* s

L

L p 2

3

Từ đó ta có mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ dq như hình 1.5

-21

1.2.1 Các phương pháp tính toán tốc độ và từ thông rôto

Có nhiều phương pháp tính toán tốc độ và từ thông đã được công bố, về phương diện hệ thống điều khiển chia làm hai nhóm chính:

- Nghiên cứu ứng dụng các hệ thống truyền động điện biến tần điều khiển tần số trượt

- Các phương pháp điều khiển định hướng theo từ thông

Trên cơ sở cấu trúc của thuật toán, trong mục này sẽ phân tích tổng quan về bốn nhóm điển hình: tính toán độ trượt, tính toán tốc độ dựa trên mô hình chuẩn (Model Reference Adaptive System), hệ thống tính toán từ thông thích nghi theo tốc độ (Speed Adaptive Flux System) và tính toán trực tiếp tốc độ động cơ

-23

1.2.1a Tính toán độ trượt

Nội dung cơ bản của phương pháp tính toán tốc độ theo độ trượt là tốc độ

động cơ được tính toán từ tốc độ stato (ωR s R) và tốc độ trượt (ωR sl R) theo biểu thức sau:

T K

R

r s

s r

β β

β α

E

s s

N- biểu thị công suất truyền sang mạch rôto và D- biểu thị mối quan hệ giữa sức điện động khe hở và tần số stato

Thuật toán của Abbomdanti có thể sử dụng để tính toán tốc độ động cơ làm việc ở hệ thống điều khiển độ trượt

1.2.1.b Tính toán tốc độ theo mô hình chuẩn (MRAC)

Phương pháp tính toán tốc độ theo mô hình chuẩn dựa trên hệ phương trình trạng thái mô tả động cơ trong hệ tọa độ cố định với stato sử dụng khái niệm

số phức:

d L

L i R

s r

r

m s s

r

r r

s r r

m

j L

R dt

d i R L

L dt

s s s s m

r

i T

L j

T dt

d

++

−

ψ

(1.50)

trong đó mô hình điện áp không phụ thuộc vào tốc độ, còn mô hình dòng điện có liên quan đến tốc độ

Dựa trên 2 mô hình đó, thuật toán tính toán tốc độ theo mô hình chuẩn đã

được đề xuất Về nguyên lý, mô hình điện áp không liên quan đến tốc độ được coi là "mô hình chuẩn" mô hình dòng điện có tốc độ là tham số coi là "mô hình chỉnh định" Sai số biểu thị độ lệch từ thông của 2 mô hình sẽ là tín hiệu đầu vào

sơ đồ cấu trúc thuật toán tính toán tốc độ theo nguyên tắc mô hình chuẩn Cấu trúc khâu chỉnh định thích nghi được thiết kế theo tiêu chuẩn siêu ổn định của Popov, Schauder C.[10] và Tajma H., Hori Y [11] đã chọn khâu chỉnh định thích nghi có cấu trúc PI

trong đó: eˆ = ψαriψβr − ψ ˆαruψ ˆβri là độ lệch của hai mô hình

định thích nghi

Phương pháp tính toán tốc độ theo mô hình chuẩn có thể đạt độ chính xác cao ở cả quá trình xác lập và quá trình quá độ bằng cách lựa chọn thích hợp các tham số của khâu chỉnh định thích nghi: tuy nhiên, tương tự như thuật toán của Abbondanti sự có mặt của hai khâu tích phân hở trong các mô hình tính toán từ thông là nguyên nhân của hiện tượng trôi điểm không và sai số lớn ở vùng tốc độ thấp

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc thuật toán tính toán tốc độ theo mô hình chuẩn

eˆ

ri

ψˆ

- + ψˆrv

-26

Với mục đích loại trừ hiện tượng trôi điểm không của phương pháp trên Feng F.Z [12] đã đề suất thuật toán tính toán tốc độ dựa trên nguyên lý mô hình

và (1.53):

dt

i d σ L i (R u

s s s s

T

1 i T

1 i ( ω L

L dt

i d L

L

r m r m r r

2 m m r

2 m

r m r m r m

i T

1 i T

1 i ω dt

i d

+

−

tích phân hở Do đó sẽ tránh được trôi điểm không và ảnh hưởng của sơ kiện đầu

đến giá trị tính toán Thuật toán này áp dụng cho hệ điều khiển vecto gián tiếp đã tạo ra đặc tính tốt trong dải tốc độ rộng (200/1) Tuy nhiên mô hình chỉnh định sẽ mất khả năng chỉnh định trong một số chế độ làm việc khi sức điện động bằng không

-27

Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc thuật toán tính toán tốc độ

theo mô hình chuẩn sử dụng sức điện động

1.2.1.c Mô hình quan sát từ thông thích nghi theo tốc độ

Trong phương pháp này đã giải quyết các vấn đề tồn tại của các phương pháp trên bằng cách sử dụng mô hình quan sát từ thông đủ bậc như đã trình bày ở phần mô tả toán học động cơ không đồng bộ, phương trình trạng thái mô tả động

thuyết quan sát, hai trạng thái của động cơ có thể tính toán bằng một mô hình quan sát đủ bậc:

B

B ψˆ

iˆ A A

A A ψˆ

iˆ dt

d

s s s 2 1 r

s 22 21

12 11 r

Mô hình chuẩn (1.52)

Phương trình (1.53)

Phương trình (1.54)

-28

Trên quan điểm mô hình chuẩn, động cơ là mô hình chuẩn mô hình quan sát

mô hình quan sát từ thông thích nghi theo tốc độ Hình (1.8) trình bày sơ đồ cấu trúc của mô hình quan sát từ thông thích nghi theo tốc độ Ma trận hệ số G của mô hình quan sát được tính toán theo tiêu chuẩn

ổn định và hội tụ của mô hình quan sát

Ưu điểm của thuật toán là mức độ hội tụ của từ thông rôto không phụ thuộc vào giá trị ban đầu của mạch tích phân và hoàn toàn loại trừ hiện tượng trôi điểm không Do vậy hệ thống điều khiển không dùng cảm biến tốc độ có thể làm việc

ở mọi trạng thái và điều kiện đầu của máy điện Tuy nhiên, tốc độ là tín hiệu đầu

ra của cơ cấu chỉnh định thích nghi, nên mức độ chính xác tính toán tốc độ ở cả chế độ xác lập lẫn quá độ sẽ phụ thuộc vào cấu trúc và tham số của khâu hiệu chỉnh

s

i

s u

Phương trình mô tả động cơ viết ở hệ tọa độ cố định stato có dạng như sau:

r r r r m

m r

r r r r m r m

m s

s

m s

s βs

αs

i i i i

pL R L ω pL

L ω

L ω pL R L

ω pL

pL 0

pL R 0

0 pL

0 pL

R

0 0 u

u

(1.56)

αr βs s βs βr αs s αs

αr βs s βs βr αs s αs r

)ψ i L (ψ )ψ i L (ψ

)pψ i L (ψ )pψ i L (ψ ω

− +

Thuật toán rất đơn giản vì tốc độ được tính toán trực tiếp từ các thành phần

điện áp và dòng điện stato là những đại lượng dễ dàng đo được Tuy nhiên, phương pháp này có một số hạn chế Từ thông được tính toán bằng mạch tích phân hở nên giá trị tính toán sẽ phụ thuộc vào sơ kiện cuả mạch tích phân và do hiện tượng trôi điểm không, nên khó đạt được độ chính xác ở vùng tốc độ thấp

-30

Hạn chế thứ hai là tốc độ được tính bằng chia hai đa thức, đa thức mẫu số có thể bằng không khi tử số khác không

-31

Chương 2 Xây dựng thuật toán tính toán tốc độ động cơ

và từ thông Rôto

Thuật toán tính toán tốc độ và từ thông rôto gồm hai phần:

- Tính toán tốc độ từ hệ phương trình Stato và từ thông rôto

- Từ thông rôto cần thiết cho tính toán tốc độ được xác định bằng mô hình quan sát với tốc độ là một tham số Cấu trúc và tham số của mô hình quan sát

được lựa chọn theo tiêu chuẩn ổn định và hội tụ

Hình 2.1 Sơ đồ khối bộ tính toán tốc đố

2.1 Thuật toán xác định tốc độ

Phương trình vi phân thứ nhất của (1.40) biển thị mối quan hệ giữa tốc độ rôto, từ thông rôto, điện áp và dòng điện của động cơ trong hệ toạ độ cố định Vì thế có thể dùng phương trình đó để xác định tốc độ động cơ

Tính toán tốc độ rôto (phương trình động

học)

Tính toán tốc độ rôto (mô hình quan sát)

-32

Thay thế các ma trận hệ số (1.41) vào phương trình (1.40) khi đó phương

s r r r s s m s

s 2 r

2 m r s s

u σ L

1 Ψ J) ω I T

1 ( σ L L

L σ

L

i ) L

L R (R dt

i d

+

− +

u J Ψ Ψ Ψ ω σ L L

L i J Ψ σ L

) L

L R (R dt

i d J Ψ

s s T r r T r r r s

m s

T r s

2 r

2 m r s í

s s 2 r

2 m r s s s T r r

L

L Ψ Ψ

u i ) L

L R (R dt

i d σ L J Ψ ω

+

Từ (2.3) thấy rằng tốc độ rôto được tính toán trực tiếp từ các thành phần điện

áp, dòng điện và từ thông rôto trong hệ trục toạ độ vuông góc cố định với stato Các thành phần điện áp và dòng điện đó nhận được từ điện áp và dòng điện 3 pha

động cơ bằng phép biến đổi tọa độ (abc/αβ) (1.9) Điện áp và dòng điện động cơ

có thể đo bằng các cảm biến điện áp và dòng điện

Từ thông rôto không đo được sẽ xác định bằng phương pháp gián tiếp cụ thể

sẽ được trình bày trong mục (2.2) Như vậy tốc độ động cơ được xác định như

^ r

T r

^

s s 2 r

2 m r s s s

T

^ r r

^

L

L Ψ Ψ

u i ) L

L R (R dt

i d σ L J Ψ ω

+

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc thuật toán tính toán tốc độ

Trong phương trình (2.4) có chứa mẫu số do vậy để tránh phép chia 0 khi thực hiện thuật toán, trong thực tế ( ΨrTΨr ≠ 0) có thể thay thế bằng ε khi

Thực tế ở các hệ truyền động điện biến tần-động cơ không đồng

bộ, các mạch điện có điện cảm lớn như điện cảm lọc, điện cảm của động cơ tạo thành các mạch lọc tần số thấp; hơn nữa tần số chuyển mạch của mạch nghịch

r

m r s

L

L R

Hệ phương trình vectơ trạng thái mô tả động cơ không đồng bộ trong hệ toạ

độ tĩnh với 2 biến trạng thái là dòng điện và từ thông rôto được viết cụ thể như sau:

s

u B Ψ A i A dt

i d

+ +

=

r

Ψ A i A dt

Ψ d

+

=

trong đó:

σ L

)I L

L R (R A

s

2 r

2 m r s 11

L

r r s

m

I L

L A

1 B

0 0

0 1

1 0 J

Hệ phương trình (2.5) cho thấy rằng hai trạng thái của động cơ biểu diễn hai phương trình trạng thái có thể được xác định bằng mô hình quan sát đủ bậc Tuy nhiên dòng điện stato có thể đo được bằng cảm biến dòng điện, nên coi là các trạng thái đã biết Như vậy có thể dùng mô hình quan sát giảm bậc để tính toán trạng thái chưa biết là từ thông rôto động cơ Cấu trúc mô hình quan sát từ thông rôto giảm bậc được biểu diễn bởi phương trình sau:

(2.5)

-35

A A

G A

i A dt

trong đó:

r r

r s

u GB dt

i d G i GA A

GA A

dt

d

1 11

21

^ 12 22

^

) (

GA A

dt

F

^ 12 22

^

Ψ^ r =F^ f +G i s

Phương trình của mô hình quan sát từ thông rôto có dạng như hình 2.3

ở mô hình quan sát (2.11), vectơ điện áp stato là tín hiệu vào, vectơ dòng

điện stato là trạng thái có thể đo bằng cảm biến dòng Vectơ từ thông rôto được xác định từ vectơ phụ và dòng điện stato theo phương trình thứ hai của (2.11), vectơ phụ nhận được bằng cách tích phân phương trình thứ nhất của (2.11)

(2.11)

-36

Ma trận hệ số G được thiết kế theo tiêu chuẩn ổn định hội tụ của mô hình quan sát

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc mô hình quan sát từ thông rôto

2.2.3 Tính ổn định và hội tụ của mô hình quan sát từ thông

Tính ổn định và hội tụ của mô hình quan sát được đánh giá thông qua sai số tính toán động cơ của từ thông rôto Vectơ sai số tính toán từ thông là hiệu quả của vectơ từ thông tình toán và vectơ từ thông thực:

^

Ψ Ψ

Với giả thiết các thông số của động cơ là hằng số, phương trình động học của sai số từ thông nhận được bằng cách loại trừ phương trình (2.9) cho phương trình thừ hai của (2.6) và sử dụng phương trình thứ nhất của (2.6)

dt

Ψ d dt

ψˆ d dt

e d

12 22

L J g I g J I T

r r s

m r

r

ω σ

hay:

0 )

1 (

) 1

1

T

g L L

L g

L L

L I

g L L

L T

g L L

L T

p

r r

s

m r

r s

m r

r r

s

m r

r s

m

r s m

r r

s m

r

g L L

L T

g L L

L T

− +

−

r r

s

m r r

s

m r

T

g L L

L g

L L

L

σ

ω σ

Thùc hiÖn phÐp nh©n c¸c matrËn ta ®­îc:

0 0

0 0

0

2 2 1

p

b p

(2.17) Hay

0

1 2

b b p

s m

r s m

r

L L

L g

L L

L

σ σ

r r so so r

r s

m r

r s

m

T L L

L g

L L

σ

ω σ

-38

) 1 (

1

11 +

L L

L

r r s

m

phần thực và ảo của các nghiệm cực của mô hình quan sát ở tốc độ động cơ bằng không

Độ ổn định và hội tụ của mô hình quan sát phụ thuộc vào nghiệm của phương trình (2.13), có nghĩa là phụ thuộc vào các tham số của động cơ và hệ số

ma trận G Với giả thiết các tham số của động cơ đã biết và là hằng số, có thể lựa chọn thích hợp G để đạt được độ ổn định và hội tụ mong muốn

Phương pháp tính toán hệ số phản hồi ở đây dựa trên phương pháp phân bố nghiệm Ma trận phản hồi G được lựa chọn sao cho phân bố các nghiệm cực của mô hình quan sát sẽ nằm ở những vị trí mong muốn trong mặt phẳng phức

Cân bằng các thành phần nghiệm cực của mô hình quan sát ứng với tốc độ

động cơ bằng không và nghiệm cực mong muốn:

β β α