Điều khiển động cơ nhiều pha bằng phương pháp rfoc, fuzzy và ann

Mô hình toán học hệ điều khiển vector động cơ không đồng bộ nhiều pha được xây dựng trong một hệ trục tọa độ tham chiếu d-q tựa hướng từ thông rotor RFOC để phân tích khả năng điều khiển

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



NGUYỄN HỮU TUẤN ANH

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ NHIỀU PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP RFOC, FUZZY VÀ ANN

Chuyên ngành: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA…………

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN HỮU TUẤN ANH MSHV:10180068 Ngày, tháng, năm sinh: 20/10/1985 Nơi sinh: Nghệ An Chuyên ngành: Thiết bị,mạng, nhà máy điện Mã số :

I TÊN ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ NHIỀU PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP RFOC,FUZZY

VÀ ANN

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

-Mô hình hóa động cơ không đồng bộ nhiều pha và xây dựng giải thuật điều khiển RFOC cho động cơ không đồng bộ nhiều pha

-Xây dựng mô hình điều khiển RFOC độc lập các động cơ nhiều pha cấp nguồn từ 1

INVERTER cụ thể là 2 động cơ năm pha cấp nguồn từ 1 inverter

-Ứng dụng Fuzzy và ANN cải thiện đáp ứng trong điều khiển động cơ không đồng bộ nhiều pha

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) :29/08/2011

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) :16/12/2011

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):

LỜI CÁM ƠN

Đề tài này được thực hiện theo chương trình đào tạo thạc sĩ tại Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Tp.HCM, phòng Quản lý và Đào tạo SĐH, chuyên ngành Thiết bị, mạng và nhà máy điện Xin cám ơn quí thầy cô đã tạo điều kiện thuận lợi để em thực hiện luận văn này

Xin chân thành cám ơn thầy trực tiếp hướng dẫn, TS Phạm Đình Trực đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em hoàn thiện đề tài này

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Thiết bị, mạng, nhà máy điện đã tận tình dạy dỗ, giúp em có thêm những kiến thức bổ ích trong công việc cũng như trong cuộc sống.Cảm ơn tất cả các bạn học viên chuyên ngành Thiết bị, mạng nhà máy điện K2010

Lời tri ân đến gia đình và những người thân vì đã luôn ủng hộ và động viên trong suốt quá trình học, đặc biệt trong thời gian thực hiện đề tài này

Kính chúc sức khỏe quí thầy cô và các bạn!

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn trình bày các vấn đề liên quan đến việc mô hình hóa và xây dựng giải thuật điều khiển động cơ không đồng bộ nhiều pha – một dạng cơ bản nhất của động cơ nhiều pha là động cơ 5 pha Trọng tâm của luận văn là nghiên cứu khả năng có thể điều khiển nhiều động cơ không đồng bộ nhiều pha bằng một inverter nhiều pha, khả năng tiết kiệm chân linh kiện của hệ truyền động dạng này cho thấy khả năng tiết kiệm điện năng và tinh gọn thiết bị

Mô hình toán học hệ điều khiển vector động cơ không đồng bộ nhiều pha được xây dựng trong một hệ trục tọa độ tham chiếu d-q tựa hướng từ thông rotor (RFOC) để phân tích khả năng điều khiển độc lập moment và từ thông của động cơ không đồng

Trong giới hạn luận văn tập trung vào dạng cơ bản nhất là điều khiển 2 động cơ không đồng bộ 5 pha bằng một invertor 5 pha Inverter là 1 mô hình inverter áp hồi tiếp dòng Kết quả mô phỏng cho thấy ngoài khả năng đáp ứng về moment và tốc độ khác nhau của hai động cơ, còn cho thấy khả năng điều khiển độc lập về từ thông và khả năng đáp ứng nhanh thông của hệ truyền động

Từ những kết quả nghiên cứu về động cơ nhiều pha mở ra khảng năng thay thế của động cơ nhiều pha cho động cơ 3 pha truyền thống trong những lĩnh vực đòi hỏi độ an toàn và tin cậy cao như hàng không, tàu biển , tàu điện, dệt…

MỤC LỤC

Lời cám ơn I Tóm tắt luận văn II Mục lục III

Chương 1 Mở đầu 1

1.1 Giới thiệu tổng quan động cơ nhiều pha 1

1.2 Các công trình nghiên cứu gần đây 3

1.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 5

Chương 2 Mô hình động cơ không đồng bộ nhiều pha 6

2.1 Động cơ không đồng bộ 3 pha 6

2.1.1 Mô hình động của động cơ không đồng bộ 3 pha trong hệ tọa độ stator (α-β 6

2.1.1.1 Vector không gian trong hệ tọa độ stator 6

2.1.1.2 Phương trình áp và dòng trong hệ tọa độ sator 9

2.1.1.3 Phương trình moment 11

2.1.1.4 Phương trình từ thông 11

2.1.2 Mô hình động của động cơ không đồng bộ 3 pha trong hệ tọa độ quay (d-q) 12

2.1.2.1 Vector không gian d-q 12

2.1.2.2 Xây dựng mô hình động cơ trong hệ tọa độ quay 13

2.2 Động cơ không đồng bộ 5 pha 15

2.2.1 Mô hình động cơ không đồng bộ 5 pha trong hệ tọa độ stator(α-β) 15

2.2.1.1 Phương trình áp và dòng trong hệ tọa độ stator 15

2.2.1.2 Phương trình moment 18

2.2.1.3 Phương trình từ thông 19

2.2.1.4 Mô phỏng động cơ không đồng bộ năm pha 19

2.2.2 Mô hình động của động cơ không đồng bộ 5 pha trong hệ tọa độ quay (d-q) 21

2.2.2.1 Vector không gian d-q 21

2.2.2.2 Xây dựng mô hình động cơ trong hệ tọa độ quay d-q 22

2.2.2.3 Mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ 5 pha 23

3.1 Mô hình mô phỏng tổng quan hệ điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC)

động cơ không đồng bộ 3 pha 24

3.1.1 Khối động cơ cảm ứng 3 pha 24

3.1.2 Khối điều khiển dòng Inverter 25

3.1.2.1 Lý thuyết bộ nghịch lưu 25

3.1.2.2 Mô phỏng chi tiết khối điều khiển dòng Inverter 25

3.1.3 Khối chuyển đổi hệ trục tọa độ dq-abc 31

3.1.4 Khối điều khiển RFOC 31

3.1.4.1 Điều khiển định hướng tựa trường 32

3.1.4.2 Điều khiển định hướng từ thông rotor(RFOC) 33

3.1.4.3 Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp 35

3.1.4.4 Khối hiệu chỉnh PID 36

3.2.Mô hình mô phỏng hệ điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp động cơ không đồng bộ 5 pha 39

3.3 So sánh kết quả mô phỏng 41

Chương 4 Điều khiển độc lập hai động cơ không đồng bộ năm pha dùng chung 1 inverter 55

4.1 Nguyên lý điều khiển độc lập các động cơ không đồng bộ nhiều pha dùng chung 1 inverter 55

4.2 Mô hình truyền động 58

4.3 Mô phỏng điều khiển độc lập 2 động cơ không đồng bô năm pha dùng chung 1 inverter 61

4.3.1 Mô hình tổng quát 61

4.3.2 Mô hình khối inverter 62

4.4 Kết quả mô phỏng 62

Chương 5 Ứng dụng PI-Fuzzy trong điều khiển độc lập 2 động cơ không đồng bộ năm pha dùng chung một inverter 72

5.1 Fuzzy 72

5.1.1 Tập mờ 72

5.1.2 Luật hợp thành mờ 75

5.1.3 Hệ mờ 79

5.1.3.1 Cơ sở luật mờ 80

5.1.3.2 Cơ chế suy luận mờ 81

5.1.3.3 Mờ hóa 81

5.1.3.4 Giải mờ 82

5.1.4 Bộ điều khiển mờ 82

5.1.4.1 Phương pháp Mamdani và Larsen 82

5.1.4.2 Điều khiển mờ dựa trên mô hình 83

5.2 Mô phỏng 85

5.3 Kết quả mô phỏng 94

Chương 6 Ứng dụng PI-Neuron trong điều khiển độc lập 2 động cơ không đồng bộ năm pha dùng chung một inverter 101

6.1 Mạng neuron 101

6.1.1 Cơ sở sinh học của mạng neuron 101

6.1.2 Mô hình mạng neuron nhân tạo 102

6.1.3 Các thành phần cơ bản của mạng neuron nhân tạo 103

6.1.4 Ứng dụng của mạng neuron 104

6.1.5 Luật học perceptron 104

6.1.6 Mạng truyền thẳng Perceptron nhiều lớp với giải thuật họ clan truyền ngược 105

6.1.7 Mạng hồi quy 107

6.1.8 Mạng hàm cơ sở xuyên tâm 108

6.2 Mô phỏng 109

6.2.1 Mô hình RFOC ứng dụng PI-neuron 109

6.2.2 Khối PI-neuron 110

6.3 Kết quả mô phỏng 111

6.4 So sánh kết quả mô phỏng giửa việc dùng antiwinup cổ điển, Fuzzy và PI-Neuron 113

Chương 7 Kết luận 120

7.1 Nhận xét chung 120

7.2 Khả năng ứng dụng trong thực tế 120

Giới thiệu động cơ nhiều pha và ứng dụng

Chương 1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ NHIỀU

PHA VÀ ỨNG DỤNG

1.1 Giới thiệu tổng quan:

Vấn đề động cơ nhiều pha thật ra đã được đề cập từ cách đây hơn 35 năm nhưng gần đây mới được nghiên cứu một cách mạnh mẽ nhờ các ứng dụng trong các lĩnh vực đòi hỏi công suất lớn và độ tin cậy cao.Các nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực này là giáo sư Dr.Hamid A.Toliyat-Texas A&M University (bắt đầu nghiên cứu từ năm 1993) và giáo sư Dr.E.Levi-Livepool John Moores University (bắt đầu nghiên cứu từ năm 2001).Hiện tại,tại các phòng thí nghiệm của các trường trên có đầy đủ các phần cứng phân tích và mô phỏng các loại động cơ nhiều pha Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn và ưu thế của động cơ không đồng bộ (đơn giản,giá thành thấp, khả năng làm việc cao, không cần bảo trì…)các hệ truyền động động cơ không đồng bộ đã phát triển mạnh mẽ trong thời gian gần đây

Ngày nay, để cung cấp nguồn cho các hệ thống công suất lớn, người ta có hai cách tiếp cận, hoặc là dùng bộ nghịch lưu đa bậc cấp nguồn cho động cơ không đồng bộ 3 pha, hoặc dùng bộ nghịch lưu nhiều pha cấp nguồn cho động cơ không đồng bộ nhiều pha.Việc sử dụng biến tần đa bậc đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến, tuy nhiên chúng ta cần quan tâm tới phương pháp thứ hai bởi tính vượt trội của động cơ nhiều pha:

 Dòng đặt lên linh kiện bán dẫn giảm tương ứng với số lượng pha.Ít giới hạn công suất trên các khoá.Dẫn đến giảm giá thành sản phẩm

 Điện áp đầu vào thấp nên ít giới hạn điện áp nguồn và giảm cách điện do điện áp trên mỗi pha thấp

Giới thiệu động cơ nhiều pha và ứng dụng

 Lợi thế về điều khiển:khi so sánh với việc điều khiển hệ hai máy điện 3 pha, điều khiển hai động cơ 5 pha tiết kiệm một chân của biến tần, thay vì 6 chân ta chỉ dùng 5 chân.Trong khi việc điều khiển hệ hai máy điện 3 pha bị hạn chế là tốc độ và tải của máy điện lý tưởng như nhau.Nhưng trong máy điện nhiều pha ta có thể điều khiển độc lập hoàn toàn ít nhất 2 máy điện với các thông số và tốc độ khác nhau, điều khiện tải khác nhau

 Độ nhấp nhô của moment được giảm bớt, sóng hài dòng trên rotor nhỏ hơn

 Công suất động cơ gia tăng khi tăng số lượng pha cho phép giảm lượng công suất trên pha,dẫn đến làm giảm lượng công suất trên một chân của biến tần (loại chất bán dẫn).Máy điện nhiều pha vì thế được xem xét dùng trong các ứng dụng công suất cao.Với cùng kích thước thì tỉ lệ công suất trên giá trị hiệu dụng cao hơn so với động cơ 3 pha và sóng hài của dòng điện DC cung cấp cho VSI được giảm xuống, cải thiện tiếng ồn và giảm tổn thất đồng trên stator, dẫn đến cải tiến được hiệu suất

 Lợi thế khác của điều khiển động cơ nhiều pha hơn động cơ 3 pha là cải thiện độ tin cậy.Nếu 1 pha bị hỏng thì động cơ vẫn hoạt động tốt,trái ngược với động cơ 3 pha.Sự chịu đựng hư hỏng là một trong những lý do chính ứng dụng điều khiển động cơ không đồng bộ không đồng bộ 6 pha và 9 pha trong đầu máy kéo

Với những ưu điểm như trên, động cơ không đồng bộ nhiều pha đã được nghiên cứu và ứng dụng ở một số nơi trên thế giới và đã được ứng dụng trong các lĩnh vực cần công suất cao như:động cơ đẩy tàu, đầu máy kéo xe lửa, động cơ điện và các ứng dụng khác:công nghiệp dệt ,sản xuất giấy ,robot…

Như vậy ta thấy rằng việc nghiên cứu, phân tích về cấu tạo, nghiên lý làm việc của bộ truyền động động cơ nhiều pha là hết sức cần thiết để nhanh chóng áp

Giới thiệu động cơ nhiều pha và ứng dụng

1.2 Một số kết quả nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực này:

Trong bài báo “Modeling and Control of Five-Phase Induction Motors under

Asymmetrical Fault Conditions “ của tác giả H Xu, H.A Toliyat và L.J Petersen

[4]:Trình bày về hệ truyền động động cơ 5 pha mới cho đặc tính moment và độ tin cậy tốt hơn so với hệ truyền động động cơ không đồng bộ truyền thống.Với cấu trúc day quấn 5 pha tập trung và sử dụng dòng hài bậc 3 sẽ tạo ra từ thông phân bố gần tam giác và làm tăng moment.Dùng giải thuật điều khiển dòng để phân tích động cơ 5 pha trong trường hợp sự cố mất đối xứng (mất một hay hai pha) cho thấy động cơ vẫn có thể làm việc tốt

Trong bài báo “Five-phase induction motor drives with DSP-based control

system “ của tác giả H Xu, H.A Toliyat và L.J Petersen [5]:Giới thiệu 2 cách điều

khiển có thể áp dụng cho động cơ không đồng bộ 5 pha:điều khiển vector và DTC có bổ sung phần kỹ thuật số.Phương pháp điều khiển vector dựa trên dòng hài cơ bản và dòng hài bậc 3 tạo ra từ thông gần tam giác trong khe hở không khí ,từ đó làm tăng mật độ công suất và tăng moment ngõ ra.Phương pháp DTC thì có nhiều thuận tiện hơn khi áp dụng điều khiển động cơ 5 pha.Động cơ 5 pha cung cấp 32(25) vector điện áp không gian so với 8(23) vector của động cơ 3 pha,do đó cho phép thực hiện nhiều dải điều khiển từ thông và moment chi tiết hơn.Dùng phương pháp điều khiển DTC cho động cơ không đồng bộ 5 pha giảm được độ nhấp nhô của moment và từ thông và có được nhiều điều khiển moment/từ thông chính xác.Áp dụng bộ điều khiển số DSP TM320C32 để tăng tính chính xác cho 2 giải thuật điều khiển trên

Trong bài báo “A Five-Phase Series-Connected Two-Motor Drive with Current

Control in the Rotating Reference Frame” của tác giả M.Jones,E.Levi, A.Iqbal

[6]:Việc điều khiển độc lập các động cơ trong hệ thống nhiều động cơ nhiều pha mắc nối tiếp mà chỉ được cung cấp từ một nguồn VSI với giả thiết các dòng inverter được điều khiển trong hệ trục tĩnh Bài báo đưa ra ví dụ về điều khiển

Giới thiệu động cơ nhiều pha và ứng dụng

dòng trong hệ trục quay cho các vector điều khiển riêng lẻ các động cơ nhiều pha được mắc nối tiếp Qua đó cho thấy việc thực hiện điều khiển vector trong hệ trục toạ độ tĩnh thích hợp hơn

Trong bài báo “A novel concept of a multiphase, multi-motor vector controlled

drive system supplied from a single voltage source inverter, “ của tác giả E Levi, M

Jones, S.N Vukosavic and H.A Toliyat [7]:Với các hệ truyền động biến đổi tốc độ cấp nguồn từ các bộ biến đổi công suất có thể cấp điện cho các động cơ nhiều pha, và với các loại động cơ này cho thấy một VSI có thể điều khiển độc lập hai hay nhiều động cơ Để thực hiện được điều này, dây quấn stator của các động cơ phải được mắc nối tiếp theo sự chuyển pha thích hợp Ưu điểm của phương pháp này là

ta có thể tiết kiệm được số chân của inverter (phù hợp với động cơ n pha-n lẻ).Khái niệm được xác minh qua mô phỏng hệ truyền động 1 VSI cấp nguồn 3 động cơ 7 pha

Trong bài báo “A fivephase two-machine vector controlled induction motor

drive supplied from a single inverter “ của tác giả E Levi, M Jones, S.N

Vukosavic and H.A Toliyat [8]:Thực hiện mô phỏng hệ truyền động 1VSI cấp nguồn 2 động cơ 5 pha sử dụng phương pháp RFOC gián tiếp để khảo sát moment và từ thông, qua đó khằng định ưu thế chính của hệ truyền động động cơ nhiều pha là tiết kiệm được số chân inverter trong điều khiển

Trong bài báo “Five-phase induction motor drives with DSP-based control syst

Series-Connected Five-phase two-motor driver with decouple dynamic control em “

của tác giả Atif Iqbal en [9]:Ngày nay máy điện nhiều pha được sử dụng trong nhiều lĩnh vực nhờ có nhiều ưu điểm:Động cơ đẩy trong ngành đường thủy (propulsion), Xe điện (electric vehicles), Công nghiệp dệt…Về nguyên lý, vector điều khiển của máy điện chỉ cần 2 thành phần dòng stator trên trục d-q để điều

Giới thiệu động cơ nhiều pha và ứng dụng

này làm tăng tổn hao) Bài báo đề cập tới vấn đề dùng thành phần không sinh từ thông/ moment này đề điều khiển các động cơ khác trong hệ thống truyền động nhiều động cơ Để điều khiển độc lập 2 hay nhiều động cơ đòi hỏi dây quấn của các động cơ này phải được mắc nối tiếp với sơ đồ chuyển pha thích hợp và được cấp nguồn từ một bộ VSI nhiều pha sử dụng sơ đồ điều khiển vector Khái niệm này có thể thực hiện cho một động cơ có số pha tuỳ ý, tuy nhiên bài báo đi phân tích cụ thể trong trường hợp 2 động cơ 5 pha mắc nối tiếp Việc điều khiển động độc lập 2 máy điện 5 pha nối tiếp này được trình bày trên kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Trong bài báo “A simple indirect field oriented control scheme for multiphase

induction machine “ của tác giả G.K Singh, K Nam and S.K Lim [10]:Động cơ

nhiều pha có nhiều lợi thế hơn động cơ 3 pha (Giảm biên độ và tăng chu kì độ rung của moment, giảm dòng hài rotor, giảm dòng điện trên pha mà không cần giảm áp pha, có thành phần DC trong thành phần hài thấp, độ tin cậy cao hơn, Nhờ việc tăng số pha làm tăng công suất và moment trên cùng giá trị hiệu dụng so với động

cơ 3 pha có cùng dung tích Bài báo trình bày phương pháp FOC gián tiếp điều khiển động cơ KĐB 6 pha (trên cơ sở 2 động cơ 3 pha) 2 bộ điều khiển dòng PWM của bộ VSI 3 pha cấp nguồn độc lập đến 2 bộ dây quấn 3 pha Sơ đồ dựa trên 1 hệ trục d-q của máy điện 6 pha và có thể mở rộng cho động cơ có số pha bất kì Sự mất cân bằng dòng giữa 2 dây quấn được quan sát và loại bỏ qua sơ đồ thực tế đơn giản

Trong bài báo “Multiphase Space Vector Pulse Width Modulation “ của tác giả

John W.Kelly, Elias G.Strangas, and John M.Miller [11]:Trình bày nguyên lý điều rộng xung vector không gian của bộ inveter n chân-n pha, và thực hiện mô phỏng cụ thể bộ inverter 7 pha dùng phương pháp SVPWM

Trong bài báo “Analysis of Multiphase Space Vector Pulse-Width Modulation

Based on Multiple d–q Spaces “ của tác giả Hyung-Min Ryu,Jang-Hwan Kim,

Giới thiệu động cơ nhiều pha và ứng dụng

Seung-Ki Sul [12]:Động cơ nhiều pha thường được thiết kế theo dạng dây quấn tập trung và có mật độ từ thông trong khe hở không khí dạng không sin để đạt được moment cực đại Điều này có nghĩa điện áp cấp cho động cơ có dạng không sin Bài báo giới thiệu phương pháp điều khiển SVPWM tạo điện áp pha không sin dựa trên một hệ không gian nhiều trục d-q và cụ thể hóa qua mô phỏng bộ inverter 5 pha

Trong bài báo “Space Vector Modulation Schemes for a Five-Phase Voltage

Source Inverter “ của tác giả A.Iqbal,E.Levi [13]:Các ứng dụng điện tử công suất

trong hệ truyền động điện có thể áp dụng cho các máy điện nhiều pha Ngày nay, các hệ truyền động nhiều pha ngày càng được quan tâm nghiên cứu Các hệ truyền động nhiều pha được cấp nguồn từ các bộ VSI nhiều chân với phương pháp điều khiển thích hợp

1.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

Đề tài tập trung nghiên cứu mơ hình động cơ khơng đồng bộ nhiều pha Đưa ra giải thuật điều khiển cho động cơ khơng đồng bộ nhiều pha, cũng như điều khiển độc lập giữa các động cơ với nhau khi sử dụng 1 inverter cấp nguồn cho nhiều động cơ nhiều pha Ứng dụng các giải thuật điều khiển thơng minh nhằm cải thiện chất lượng đáp ứng của hệ thống

Dùng phần mềm Matlab-Simulink mơ phỏng mơ hình điều khiển ,đưa ra các đánh giá

về kết quả thu được bằng việc mơ phỏng

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

2.1.1.1 Vector không gian trong hệ toạ độ tĩnh stator (-):

Hình 2.1 trình bày mặt cắt của stator của một động cơ không đồng bộ ba pha hai cực Để đơn giản cho việc khảo sát giả sử cuộn stator mỗi pha chỉ gồm một vòng dây Hai trục: trục  (trục hoành) và trục  (trục tung) gắn với mặt cắt stator như trên hình được gọi là trục tĩnh stator

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

Hình 2.1 Mặt cắt stator và hệ trục -

Ba dòng pha hình sin phía stator ias, ibs, ics của động cơ không đồng bộ nối điểm

có thể được mô tả dưới dạng vector is(t) quay trong không gian với tần số fs

] ) ( )

( ) (

i

s s

i

s s

Vector không gian điện áp stator

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

Vector không gian từ thông stator

])()

()

Các đại lượng rotor quy về stator:

Phép chuyển đổi abc-> và  ->abc:

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

])

()

()

s

)]) 3 / 4 sin(

) 3 / 4 [cos(

)]

3 / 2 sin(

) 3 / 2 [cos(

)]

0 sin(

) 0 [cos(

3(2

12

cs bs

as s

s

s

s

i i

i i

i

2/3

2/12/3

2/10

s s

2/30

2/

1

2/

Hình 2.3 Mạch tương đương RL cho cuộn dây stator và rotor

Phương trình điện áp stator:

R

v

r r r

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

Điện trở rotor quy đổi:

r

s r j T j

s r s

r j

T

r r T

j r

dt

d dt

d e a

e dt

d dt

de a a

1

11

(2.20) Và do:

j r

dt

d a

e dt

1

(2.22) Cuối cùng thay (2.19) và (2.22) vào (2.17):

s r

s r s

s s s

m m

L L

L





Với Lm – điện cảm hỗ tương

Ls – điện cảm stator; Ls = Ls + Lm

Lr – điện cảm rotor; Lr = Ls + Lm

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

Thay (2.27) vào (2.25) và (2.26) ta được hệ phương trình điện áp:

s s r r

m m

s s

pL L

j p

pL R

v

v

)(

))(

s

s r m

s s

s s s s

s s s s

s r m

s s m

di L i

R

v

s r m

s s s

di L i

R

v

s r m

s s s

s s r

s s r

s s m

di L i

wL

v

s r r

s r r

s r r

s s m

s s m

s r

s s

s s

r r r m

r

r r m

m m

s s

m m

s s

PL R L PL L

PL R PL

PL L

PL R L

PL

PL R

0 0

s s

s s m s

m r

m

r

s r

s s

s s

m s

m r

m r

s s

m r

m r

m s

r s m

m s m

r s

v L L

L L

L

L i i i

L L

L R

L L L R

L L

L R L L

L R L L R L

L R L

0 0 1

2

(2.35)

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

2.1.1.3 Phương trình moment:

Phương trình động học của hệ truyền động tổng quát có dạng:

dt

d P

Te : moment do động cơ sinh ra, Nm

TL : moment cản quy đổi về trục động cơ, Nm

J : moment quán tính của hệ thống quy về trục động cơ, Kgm2

P : số đôi cực động cơ

 : vận tốc rotor rad/s

Ở chế độ xác lập, d  dt  0, thành phần

dt

d P

Theo công thức (2.26):

r m s

i L

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

Từ thông stator được tính từ áp và dòng stator trong hệ tọa độ tĩnh stator

Từ thông rotor:

s m m

s s s r m

L

i L L

r m

L

L L L

L L

r

L

L L L L

r

L

L L L L

 (2.43)

s m

r s m s

2.1.2.1 Vector khơng gian d-q:

Trong mặt phẳng hệ tọa độ tĩnh như trên , ta xét 1 hệ tọa độ có trục hoành d và trục tung q , 2 hệ tọa độ có chung điểm gốc và lệch 1 góc θs so với hệ tọa độ stator :

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

_ Chiếu các thành phần thực và ảo của vector không gian trong hệ tọa stator lên 2 trục tương ứng của hệ tọa quay dq ta được ma trận chuyển đổi :

s s

sq

sd

u

u u

u

cos sin

sin cos (2.47)

Và ma trận chuyển đổi ngược từ hệ toạ độ quay sang hệ toạ độ tĩnh :

s s

s

s

u

u u

sin cos

(2.48) _ Ta có :   

s s

u   (2.49) Và : dq sd sq

sq sd s

sq s sd s

sq s sd

2.1.2.2 Xây dựng mơ hình động cơ trong hệ tọa độ quay :

Phương trình áp và dịng trong hệ quy chiếu quay :

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

Bằng các phép biến đổi tương tự hệ quy chiếu stator ta được:

s dr

s qs

s ds

r r

r r a m

m a

r r a

r r

m a m

m

m r a

s s

s a

m r a

m

s a

s s

PL R

L PL

L

L

PL R L PL

PL

L

PL R L

L PL

L

PL R

) (

) (

) (

s dr

s qs

s ds

s r

m r s a m s

m r

m r

s r m a r s

s s

m r

m r

m s

m s

r s

m s r a m

m

r

s

i i i i

L R

L L L L

L

L R

L L

L L L L

L

L R

L L

L R

L R

L L

L R

L L L L

L

L

R

) (

) (

) (

) (

2 2

2 2

2 2

m

m

r m r

L

L L

L

L

L L

L

00

0

000

s dr

s qs

s ds

v v v v

Với L  LsLr  L2m

2.2 Động cơ không đồng bộ 5 pha:

2.2.1 Mô hình động cọ không đồng bộ năm pha trong hệ tọa độ -:

2.2.1.1 Phương trình áp và dòng trong hệ toạ độ -:

Đặc tính động của động cơ không đồng bộ được mô tả với hệ phương trình vi phân.Các cuộn dây của động cơ có cấu trúc phân bố phức tạp trong không gian.Mục đích của việc xây dựng các hệ phương trình động cơ không nhằm mô phỏng chính xác động cơ mà khảo sát các đáp ứng vận tốc, từ thông ,dòng

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

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

-Dây quấn rotor đã qui đổi sang dây quấn stator

-Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bảo hoà của mạch từ

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

Động cơ không đồng bộ năm pha được mô tả có khoảng cách giữa các pha là

720.Cuộn dây rotor được xem tương đương với cuộn dây năm pha,giống như tính chất của cuộn stator.Động cơ không đồng bộ được mô tả bởi những biểu thức trong dạng ma trận (các kí hiệu gạch dưới)

s

s abcde abcde

Các thành phần pha của dòng ,điện áp và từ thông được mô tả trong hệ trên

Ma trận cảm kháng: α=2π/5

ls

ls

ls s

lr

lr

lr r

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

cos cos cos 2 cos 2 cos

r

r

R R R R

R

R

000

0

00

0

0

000

0

0000

0000

s

R R R R R R

0000

00

00

000

0

0000

0000

Moment rotor có thể được biểu diễn bởi các thành phần dòng pha như sau:

Trong đó P là số đôi cực từ

Sử dụng ma trận chuyển đổi để chuyển sang hệ trục αβ:

2 1

2 cos 2 sin 2 cos 4 sin 4

1 cos3 sin 3 cos 6 sin 6

2 1 cos 4 sin 4 cos8 sin8

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

Ta có các phương trình sau viết theo hệ trục toạ độ αβ:



dt

d i R

s s

s s s

r r

m

s s

dt

d L dt

di L dt

sincos



r r

r r

di L dt

m

s s

dt

d L dt

di L dt

cossin



r r

r r

di L dt

m

r r

dt

d L dt

di L dt

sincos



s s

s s

di L dt

di

 r L r ir L m(is sin is cos) (2.58)

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

)cossin

m

r r

dt

d L dt

di L dt

cossin



s s

s s

di L dt

di

Vì rotor của động cơ không đồng bộ là ngắn mạch nên vr vr 0

Bằng các phép biến đổi ta được hệ phương trình:

m s

r

L L

r

s

v L i L

R L i L

R L i R L i L L L

m r m r r s s s

s m s s

s m m s

m r r s r m s s

s m s s

s m m s

r

r

v v

L i R L i L i L

R L i L

R L L

m s r

r s m

s r m m

s r

r r

m m

s r

r r

m

m s r m m

s r r s m

s r r r

m m

s r r r

m

m s r

r r

m m

s r

r r

m m

s r

r r m

s r m

m s r

r r

m m

s r

r r

m m

s r m m

s r

r r

L L L R L L

L L

L L

L L L R

L L

L L L R

L

L L L

L L

L L R L L

L L L R

L L

L L L R

L

L L L

L R

L L

L L

L R

L L

L L

R L L

L L L

L L L L R

L L

L L L R

L L

L L

L L

L L R L

2 2

2

2 2 2

2 2

2 2

2 2

2

2 2

2 2 2

) sin cos

( ) cos sin

(

) cos sin

( ) sin cos

(

) sin cos

( ) cos sin

(

) cos sin

( ) sin cos

m s r m m s r m

m s r m m s r m m s r r m s r r

v v v v

L L L

L L L L L

L L L

L L L L L L L L L L

L L L

2 2

2 2

cos sin

0 0

sin cos

0 0

0 0

0

0 0

J T

(2.59)

Te:moment điên từ do động cơ sinh ra [N.m]

TL:moment cản qui đổi về trục động cơ [N.m]

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

:vận tốc rotor [rad/s]

Ở chế độ xác lập, 0

dt

d ,thành phần

dt

d P

J  gọi là moment động của hệ thống chỉ xuất hiện ở chế độ quá độ

)(

2

5)Im(

2

s s s s s

s

(2.60)Với s L s is L m(ir cos irsin) (2.61)

)cossin

s L s is L m ir ir (2.62)

] sin ) (

cos ) [(

2

5

] )) cos sin

( (

)) sin cos

( [(

r s r m

s r

r m s s s r

r m s s e

i i i i i

i i i PL

i i

i L i L i i

i L i L

cos)[(

()

cossin

(

)sincos

()

sincos

(

2 2

m

r s m s

s m

r

r

s s

m

r s m s

s m

r

r

i i

L

L L L L

L

i i

L

L L L L

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

2.2.1.4 Mô phỏng động cơ không đồng bộ 5pha

Hình 2.9 – Mô hình động cơ năm pha anpha-beta

Hình 2.10 -Mô hình hệ phương trình mô tả độâng cơ không đồng bộ 5 pha

7

T e

6 tetha

5 w

4 i_beta_r

3 i_anpha_r

2 i_beta_s

1 i_anpha_s

1 s

1 s

1 s

1 s

1 s

1 s

f(u) Fcn6 u[9]

Fcn5

f(u) Fcn4

f(u) Fcn3

f(u) Fcn2

f(u) Fcn1

f(u) Fcn

1 In1

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

 Thông số động cơ không đồng bộ 5 pha trong giới hạn luận văn

Động cơ không đồng bộ 5 pha được khảo sát có 4 cực,P=2,điện áp định mức

Uđm=380V,tần số định mức fđm=50Hz,công suất P=2.5kW,vận tốc định mức

nr=1440rpm (hay 301.6rad/s),moment quán tính J=0.03kg.m2,moment tải định mức TL=8.335Nm

Tính toán các thông số máy theo phương pháp không cócos  ta có được các thông số chi tiết như sau:

Điện trở stator Rs=10Ω

Điện trở rotor Rr=6.3 Ω

Điện cảm stator Ls=0.46H

Điện cảm rotor Lr=0.46H

Điện cảm từ hoá Lm=0.42H

2.2.2 Mô hình động cơ không đồng bô 5 pha trong hệ tọa độ d-q:

2.2.2.1 Vector khơng gian d-q:

Trong mặt phẳng hệ tọa độ tĩnh như trên , ta xét 1 hệ tọa độ có trục hoành d và trục tung q , 2 hệ tọa độ có chung điểm gốc và lệch 1 góc θs so với hệ tọa độ stator :

Hình 2.11 Trục chuyển đổi tọa độ

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

_ Chiếu các thành phần thực và ảo của vector không gian trong hệ tọa stator lên 2 trục tương ứng của hệ tọa quay dq ta được ma trận chuyển đổi :

s s

sq

sd

u

u u

u

cos sin

s s

s

s

u

u u

sin cos

(2.65)

_ Ta có :   

s s

sq sd s

sq s sd s

sq s sd

Như vậy ta có mối liên hệ giữa tọa độ tĩnh và xoay : f j r

2.2.2.2 Xây dựng mơ hình động cơ trong hệ tọa độ quay :

Phương trình áp và dịng trong hệ quy chiếu quay :

Chương 2-Mô hình động động cơ khơng đồng bộ nhiều pha

Bằng các phép biến đổi tương tự hệ quy chiếu stator ta được:

s dr

s qs

s ds

r r

r r a m

m a

r r a

r r

m a m

m

m r a

s s

s a

m r a

m

s a

s s

PL R

L PL

L

L

PL R L PL

PL

L

PL R L

L PL

L

PL R

) (

) (

) (

s dr

s qs

s ds

s r

m r s a m s

m r

m r

s r m a r s

s s

m r

m r

m s

m s

r s

m s r a m

m

r

s

i i i i

L R

L L L L

L

L R

L L

L L L L

L

L R

L L

L R

L R

L L

L R

L L L L

L

L

R

) (

) (

) (

) (

2 2

2 2

2 2

m

m

r m r

L

L L

L

L

L L

L

00

0

000

s dr

s qs

s ds

v v v v

Với L  LsLr  L2m

2.2.2.3 Mơ phỏng động cơ 5 pha:

Điều khiển động cơ KĐB 5 pha bằng phương pháp RFOC

Hình 3.1-Mô hình mô phỏng định hướng từ thông rotor gián tiếp động cơ KĐB3 pha

Hệ thống gồm 4 khối chính là:

-Khối động cơ cảm ứng Three-phase Induction Machine

-Khối điều khiển dòng INVERTOR

-Khối chuyển đổi hệ trục toạ độ dqabc

-Khối điều khiển RFOC

Điều khiển động cơ KĐB 5 pha bằng phương pháp RFOC

3.1.1 Khối động cơ cảm ứng ba pha:

Hình 3.2-Mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ 3 pha

3.1.2 Khối điều khiển dòng INVERTOR:

Hình 3.3-Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu dòng

Relay2 Relay1 Relay

f(u) Fcn3 f(u) Fcn2 f(u) Fcn1

0 Constant1

600 Constant

6 ic

5 ic*

4 ib

3 ib*

2 ia

1 ia*

Điều khiển động cơ KĐB 5 pha bằng phương pháp RFOC

3.1.2.1 Lý thuyết bộ nghịch lưu:

Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều Ứng dụng quan trọng là tương đối rộng rãi của bộ nghịch lưu là nhằm vào lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần Bộ nghịch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu còn được ứng dụng vào bù nhuyễn công suất phản kháng

Các tải xoay chiều thường mang tính cảm (ví dụ động cơ không đồng bộ, lò cảm ứng), dòng điện qua các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên Do đó, mạch bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để có thể điều khiển quá trình ngắt dòng điện

Trong trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng tải mang tính chất dung kháng (động cơ đồng bộ kích từ dư), dòng điện qua các linh kiện có thể ngắt do quá trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp nguồn hoặc phụ thuộc vào điện áp mạch tải Khi đó linh kiện bán dẫn có thể chọn là thyristor (SCR)

Bộ nghịch lưu áp:

Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra Ta khảo sát bộ nghịch lưu áp với quá trình chuyển mạch cưỡng bức và sử dụng linh kiện có khả năng điều khiển ngắt dòng điện

Bộ nghịch lưu áp ba pha mạch cầu(hình 3.4a) Mạch chứa sáu công tắc S1, S2, S3… S6 và sáu diode đối song D1, D2, D3… D6

Điều khiển động cơ KĐB 5 pha bằng phương pháp RFOC

Hình 3.4-Bộ nghịch lưu áp ba pha dạng mạch cầu (a) , giản đồ kích đóng và

dạng áp tải (b)

Phân tích bộ nghịch lưu áp ba pha:

Giả thiết ba pha đối xứng thỏa mãn hệ thức:

Ta tưởng tượng nguồn áp U được phân chia làm hai nữa bằng nhau với điểm nút phân thế O (một cách tổng quát, điểm phân thế O có thể chọn ở vị trí bất kỳ trên mạch nguồn DC)

Gọi N là điểm nút của tải ba pha dạng sao Điện áp pha tải ut1, ut2, ut3

ut1 = u10 – uNO; ut2=u20-uNO; ut3 = u30 – uN0; (3.2) Điện áp u10, u20, u30 được gọi là các điện áp pha – tâm nguồn của pha 1,2,3 Các điện áp ut1, ut2, ut3; u10,u20,u30 và uNO có chiều dương quy ước vẽ trên

Điều khiển động cơ KĐB 5 pha bằng phương pháp RFOC

Thay uNO vào biểu thức tính điện áp mỗi pha tải, ta có:

3

1

u u u



(3.5)Điện áp dây trên tải:

ut12 = u10 – u20; ut23 = u20 – u30 ; ut31 = u30 – u10; (3.6) Quá trình điện áp (và do đó quá trình dòng điện) ngõ ra của bộ nghịch lưu áp

ba pha sẽ được xác định khi ta xác định được các điện áp trung gian u10, u20, u30

Xác định điện áp pha – tâm nguồn cho bộ nghịch lưu áp Cặp công tắc cùng pha: gồm hai công tắc cùng mắc chung vào một pha tải, ví dụ (S1, S4) (S3, S6), (S5,

S2) là các cặp công tắc cùng pha

Quy tắc kích đóng đối nghịch: cặp công tắc cùng pha được kích đóng theo

quy tắc đối nghịch nếu như hai công tắc trong cặp luôn ở trạng thái một được kích

đóng và một được kích ngắt Trạng thái cả hai công tắc cùng kích đóng (trạng thái

ngắn mạch điện áp nguồn) hoặc cùng kích ngắt không được phép

Nếu biểu diễn trạng thái được kích của linh kiện bằng giá trị 1 và trạng thái khóa kích bằng 0, ta có thể viết phương trình trạng thái kích của các linh kiện trong mạch nghịch lưu áp ba pha như sau:

S1 + S4 =1; S3 + S6 = 1; S5 + S2 =1

Quy tắc: giả thuyết bộ nghịch lưu áp ba pha có cấu tạo mạch và chiều điện thế của các phần tử trong mạch cho như hình 3.1 Giả thuyết các công tắc cùng pha được kích đóng theo quy tắc đối nghịch và giả thuyết dòng điện của các pha tải có khả năng đổi dấu

Điện áp pha tải đến tâm nguồn của một pha nguồn nào đó có giá trị + U/2 nếu công tắc lẻ của pha được kích đóng và – U/2 nếu công tắc chẵn được kích thông phụ thuộc vào trạng thái dòng điện

Điều khiển động cơ KĐB 5 pha bằng phương pháp RFOC

Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp:

Các bộ nghịch lưu áp thường điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM (Pule Width Modulation) và quy tắc kích đóng đối nghịch Quy tắc kích đóng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích đóng công tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải

Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp

+Phương pháp điều khiển theo biên độ

+Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM)

+Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến

+Điều chế theo mẫu

+Phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu

+Phương pháp điều rộng

+Phương pháp điều chế vector không gian

Phương pháp điều khiển PWM dòng điện:

Nguyên lý cơ bản: giản đồ kích đóng các công tắc được xác định trên cơ sở so

sánh dòng điện yêu cầu của tải và dòng điện thực tế đo được

Hai phương pháp điều khiển dòng điện chính:

+Điều khiển dòng điện trong hệ quy chiếu cố định -

+Điều khiển dòng trong hệ quy chiếu quay

Điều khiển dòng trong hệ quy chiếu -:

Đặc điểm chính của phương pháp điểu khiển dòng trong hệ quy chiếu -: +Thường được thực hiện theo dạng analog kết hợp với digital do phải phụ thuộc vào một số thiết bị analog

+Có độ chính xác cao khi máy hoạt động ở vận tốc thấp Độ chính xác kém khi máy hoạt động ở vận tốc cao

Điều khiển động cơ KĐB 5 pha bằng phương pháp RFOC

+Có hai dạng chính: điều khiển vòng trễ (hysteresis current control) và điều khiển so sánh (ramp comparison current control)

+Điều khiển vòng trễ có cấu trúc đơn giản Nhưng tần số đóng cắt của bộ nghịch lưu luôn biến đổi

+Điểu khiển so sánh có tần số đóng cắt cố định Nhưng phải dùng bộ điều khiển PI để hổ trợ điều chỉnh sai số

Điều khiển vòng trễ

Hình 3.5-Điều khiểnbộ nghịch lưu bằng điều khiển vòng trễ