Nghiên cứu thiết kế, thi công mô hình giảm tổn hao động cơ không đồng bộ ba pha trên cơ sở dsp f28335

Luận văn nghiên cứu tập trung ứng dụng giảm tổn hao sắt từ trong động cơ cũng như điều khiển sensorless với thông số điện trở stator được quan sát theo thời gian.. Luận văn nghiên cứu tậ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HOÀI PHONG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, THI CÔNG MÔ HÌNH GIẢM TỔN HAO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA TRÊN

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…………

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin được gửi những lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS TS Lê Minh Phương, người thầy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện tốt nhất và cung cấp cho tôi nhiều tài liệu quý giá giúp tôi hoàn thành cuốn luận văn này

Đồng thời, tôi xin cảm ơn các thầy cô khoa Điện - Điện Tử đã nhiệt tình truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm trong suốt thời gian theo học tại trường

Bên cạnh đó, tôi cũng xin cảm ơn các bạn cùng nghiên cứu trong phòng thí nghiệm nghiên cứu điện tử công suất Đặc biệt là các cộng sự thân thiết trong nhóm nghiên cứu năng lượng tái tạo: Nguyễn Minh Huy, Đặng Ngọc Hưng đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian trên

Cuối cùng, tôi muốn nói lời cảm ơn đến cha, mẹ và gia đình đã sinh thành và nuôi tôi khôn lớn, đã động viên và là chỗ dựa vững chắc về tinh thần và vật chất, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và trưởng thành như ngày hôm nay

bộ là rất cấp thiết và có thể đem lại nguồn lợi lớn về mặt kinh tế

Đối với những hệ thống yêu cầu chính xác cao về tốc độ người ta buộc dùng cảm biến tốc độ (encoder) hồi tiếp tốc độ Vì thế, việc loại bỏ cảm biến tốc độ (sensorless) góp phần giảm chi phí cũng như đơn giản hoá việc lắp đặt, bảo trì cho

hệ thống động cơ không đồng bộ 3 pha Đây là xu hướng phát triển chung của các

bộ điều khiển động cơ cao cấp hiện nay

Một số công trình nghiên cứu trên thế giới đã đề cập ứng dụng điều khiển giảm tổn hao động cơ đồng thời không dùng cảm biến tốc độ, nhưng còn hạn chế thí nghiệm ở trạng thái lý tưởng động cơ hoạt động với thông số không thay đổi theo thời gian Trên thực tế khi làm việc lâu dài nhiệt độ động cơ tăng, điện trở và điện cảm cuộn dây thay đổi đáng kể ảnh hưởng đến bộ ước lượng tốc độ và tính toán từ thông, gây sai lệch đáng kể về tính toán giảm tổn hao cũng như điều khiển tốc độ Luận văn nghiên cứu tập trung ứng dụng giảm tổn hao sắt từ trong động cơ cũng như điều khiển sensorless với thông số điện trở stator được quan sát theo thời gian Điều này đảm bảo động cơ hoạt động ổn định, vì điện trở stator ảnh hưởng chính đến việc tính toán từ thông

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Tôi xin cam đoan luận văn này là nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nêu trong luận văn chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác Các số liệu, ví

dụ, trích dẫn đảm bảo tính chính xác, tin cậy và trung thực

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 8

1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu 8

1.2 Phạm vi nghiên cứu luận văn 11

1.3 Sản phẩm của luận văn 12

CHƯƠNG 2: VECTOR KHÔNG GIAN VÀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 13

2.1 Vector không gian 13

2.1.1 Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha 13

2.1.2 Hệ tọa độ α-β 13

2.1.3 Hệ tọa độ d-q 15

2.2 Tổng quan về động cơ không đồng bộ ba pha 16

2.2.1 Mô hình toán trên hệ tọa độ α-β 18

2.2.2 Mô hình toán trên hệ tọa độ d-q 21

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 24

3.1 Tổng quan về bộ nghịch lưu áp 24

3.2 Nguyên lý điều chế vector không gian 26

3.3 Phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ 32

3.4 Phương pháp điều khiển định hướng trường 33

3.4.1 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp-DRFOC 38

3.4.2 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp-IRFOC 42

3.5 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC 43

3.6 Kết luận 52

CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN SENSORLESS 53

4.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển sensorless 53

4.2 Một số mô hình sensorless 56

4.1.1 Ước lượng tốc độ vòng hở sử dụng mô hình động cơ 56

4.1.2 Ước lượng tốc độ dùng mô hình Kalman Filter 57

4.1.3 Ước lượng tốc độ dùng mô hình tham chiếu thích nghi (MRAS) 58

4.3 Mô hình MRAS ước lượng tốc độ, điện trở stator sử dụng 59

4.3.1 Phương trình tham chiếu 60

4.3.1 Phương trình hiệu chỉnh 60

4.3.2 Bộ quan sát từ thông vòng kín Luenberger [26], [31] 60

4.3.3 Luật hiệu chỉnh trên cơ sở lý thuyết ổn định Popov 60

4.4.2 Mô hình nội ước lượng song song tốc độ rotor và điện trở stator 63

4.4 Kết luận 63

CHƯƠNG 5: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 64

5.1 Cơ sở lý thuyết ứng dụng giải thuật điều khiển tối ưu công suất trong động cơ .64

5.2 Mô hình tương đương tổn hao 69

5.2.1 Các giá trị qui đổi trên sơ đồ 71

5.2.2 Tổn hao tương đương động cơ không đồng bộ 73

5.3 Các phương pháp điều khiển giảm tổn hao 74

5.3.1 Phương pháp điều khiển LMA (Loss minimization algorithms) 74

5.3.2 Phương pháp tìm kiếm (Search Control) 77

5.3 Giải thuật giảm tổn hao đề xuất 78

5.4 Kết luận 82

CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK 83

6.1 Mô hình tổng thể 83

6.2 Phương pháp mô phỏng 84

6.2 Mô hình tương đương tổn hao 85

6.2.1 Tổn hao đồng stator 85

6.2.2 Tổn hao đồng rotor 86

6.2.4 Công suất cơ 86

6.3 Mô hình điều khiển định hướng trường trực tiếp DFOC 87

6.4 Mô hình tiết kiệm năng lượng 87

6.5 Mô hình MRAS ước lượng song song tốc độ rotor, điện trở stator 88

6.5.1 Mô hình tham chiếu và bộ quan sát từ thông vòng kín Luenberger 89

6.5.2 Mô hình thích nghi tốc độ rotor 90

CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 91

7.1 Trường hợp điều khiển V/f 91

7.1.1 Trường hợp n = 500 (v/p) 92

7.1.2 Trường hợp n = 1000 (v/p) 93

7.1.3 Trường hợp n = 1500 (v/p) 94

7.2 Trường hợp điều khiển FOC 95

7.2.1 Trường hợp n = 500 (v/p) 96

7.2.2 Trường hợp n = 1000 (v/p) 96

7.2.3 Trường hợp n = 1500 (v/p) 97

7.3 Trường hợp điều khiển sensorless FOC + tiết kiệm năng lượng 98

7.3.1 Trường hợp n = 500 (v/p) 98

7.3.2 Trường hợp n = 1000 (v/p) 99

7.3.3 Trường hợp n = 1500 (v/p) 100

7.3.4 Đáp ứng hệ thống thi điện trở stator (Rs) thay đổi 101

7.4 Đánh giá kết quả 103

CHƯƠNG 8: THỰC NGHIỆM 108

8.1 Mô hình phần cứng 108

8.1.1 Tổng quan mô hình 108

8.1.2 Mạch điều khiển 110

8.1.3 Mạch chỉnh lưu tự động 114

8.1.4 Mạch nghịch lưu 3 pha 6 khoá 115

8.1.5 Mạch hồi tiếp tín hiệu dòng áp DC bus 116

8.1.6 Mạch hồi tiếp tín hiệu dòng áp 3 pha ngõ ra 118

8.1.9 Mạch nguồn 380VAC/5V, +/-15V, 15VDC 121

8.2 Động cơ không đồng bộ 3 pha sử dụng thí nghiệm 123

8.2.1 Thông số động cơ 123

8.2.1 Mô hình truyền động 124

8.3 Kết quả thực nghiệm 125

8.4 Kết luận 128

8.5 Hướng pháp triển đề tài 129

THAM KHẢO 130

PHỤ LỤC 133

CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Tiết kiệm năng lượng nói chung và tiết kiệm điện năng nói riêng đang là mối quan tâm đặc biệt của xã hội, đặc biệt trong bối cảnh hiện nay của Việt Nam khi

mà nền công nghiệp đang trên đà phát triển mạnh cũng như thực trạng thiếu nguồn phát

Động cơ không đồng bộ chiếm tỷ trọng rất lớn trong công nghiệp (75%-80%), trong đó phần lớn động cơ công suất từ 0.75-75 kW là đa phần Các động cơ này thường không được trang bị thiết bị điều khiển nên rất lãng phí điện năng Việc áp dụng các phương pháp điều khiển tiết kiệm điện năng cho các động cơ không đồng

bộ là rất cấp thiết và có thể đem lại nguồn lợi lớn về mặt kinh tế

Đối với những hệ thống yêu cầu chính xác cao về tốc độ người ta buộc dùng cảm biến tốc độ (encoder) hồi tiếp tốc độ Vì thế, việc loại bỏ cảm biến tốc độ (sensorless) góp phần giảm chi phí cũng như đơn giản hoá việc lắp đặt, bảo trì cho

hệ thống động cơ không đồng bộ 3 pha Đây là xu hướng phát triển chung của các

bộ điều khiển động cơ cao cấp hiện nay

Một số công trình nghiên cứu trên thế giới đã đề cập ứng dụng điều khiển giảm tổn hao động cơ đồng thời không dùng cảm biến tốc độ, nhưng còn hạn chế thí nghiệm ở trạng thái lý tưởng động cơ hoạt động với thông số không thay đổi theo thời gian Trên thực tế khi làm việc lâu dài nhiệt độ động cơ tăng, điện trở và điện cảm cuộn dây thay đổi đáng kể ảnh hưởng đến bộ ước lượng tốc độ và tính toán từ thông, gây sai lệch đáng kể về tính toán giảm tổn hao cũng như điều khiển tốc độ Luận văn nghiên cứu tập trung ứng dụng giảm tổn hao sắt từ trong động cơ cũng như điều khiển sensorless với thông số điện trở stator được quan sát theo thời gian Điều này đảm bảo động cơ hoạt động ổn định, khi điện trở stator thay đổi ảnh hưởng chính đến việc tính toán từ thông

1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu

Ý tưởng nghiên cứu các giải thuật giảm tổn hao công suất đã xuất hiện từ những năm 1983 với các phương pháp điều khiển đơn giản dễ thực hiện như điều

khiển theo hệ số công suất [1],[2] Phương pháp điều khiển này mặc dù đơn giản trong thực hiện, nhưng lại khó khăn trong việc xác định hệ số công suất yêu cầu vì mỗi động cơ giá trị này khác nhau

Với sự phát triển trong lĩnh vực điều khiển các bộ biến đổi công suất, một số phương pháp hiện đại hơn liên quan đến điều khiển tần số được đề xuất vào

những năm 1996-2000 như phương pháp điều khiển tần số trượt [3],[4] phương pháp hiệu chỉnh trực tiếp từ thông tối ưu thông qua các thông số thực nghiệm Hiệu suất của các hệ truyền động được nâng cao nhưng thực hiện hệ thống điều khiển khá khó khăn do hệ số trong các biểu thức tính từ thông được xác định bằng thực nghiệm

Trong thời gian sau, nhờ khả năng và tốc độ tính toán nhanh của vi điều khiển, các nhà nghiên cứu đã triển khai các giải thuật điều khiển theo mô hình tổn hao của động cơ chỉ trong trường hợp có tính đến tổn hao trong lõi sắt từ [5],[6],[7],[8] Các mô hình tổn hao này được xây dựng dựa trên thông số của động cơ, như điện trở, điện kháng của stator và của rotor, tổn hao…Lợi ích kinh tế đem lại khá cao so với các phương pháp điều khiển truyền thống Tuy nhiên, chất lượng điều khiển dựa theo phương pháp này bị ảnh hưởng nhiều nếu thông số của động cơ không chính xác hoặc thay đổi liên tục

Hướng nghiên cứu mới dựa trên nguyên tắc tìm kiếm cực trị tổn hao công suất hoặc công suất tiêu thụ được đề xuất để khắc phục nhược điểm của phương pháp dựa trên mô hình động cơ [9],[10] Tuy nhiên, phương pháp này phức tạp và khó thực hiện trong điều kiện cảm biến không chính xác

Nhiều phương pháp và giải thuật điều khiển tiết kiệm năng lượng cho động cơ không đồng bộ 3 pha được nghiên cứu và đề xuất, tuy nhiên chúng có một số nhược điểm sau:

Phương pháp điều khiển theo hệ số công suất có thể thực hiện đơn giản, nhưng mỗi động cơ có hệ số công suất khác nhau, nên không thể tổng hợp mô hình thống nhất Ngoài ra, người điều khiển phải có kiến thức nhất định về động cơ và lợi ích kinh tế đem lại không lớn đặc biệt đối với các động cơ loại nhỏ

Với phương pháp hiệu chỉnh trực tiếp từ thông tối ưu từ các biểu thức đòi hỏi phải có thông số thực nghiệm động cơ chính xác đồng thời phải ước lượng chính xác mô men và tốc độ động cơ mới có thể đạt chất lượng điều khiển cũng như hiệu suất cao

Điều khiển theo phương pháp tìm kiếm điểm cực trị không phụ thuộc vào thông số của động cơ, nhưng khả năng đáp ứng của hệ thống chậm vì vậy không thể áp dụng đạt hiệu quả cao cho các loại tải khác nhau

Điều khiển từ thông động cơ sẽ ảnh hưởng nhiều đến thông số cũng như đặc tính của động cơ và vì vậy có thể gây ra tổn hao công suất trong lõi sắt cũng như tổn hao phụ do hiện tượng sóng hài dòng điện gây ra Cần phải có các giải thuật điều khiển tối ưu tìm từ thông hay dòng điện từ hóa để giảm thiểu các tổn hao này Nhiều giải thuật điều khiển đề xuất mới chỉ dừng lại ở mức mô phỏng, chỉ có một số được thực nghiệm sử dụng DSPACE, vi điều khiển và áp dụng cho tải dạng

tỷ lệ thuận với tốc độ và bình phương của tốc độ

Bên cạnh đó những năm gần đây việc điều khiển động cơ không đồng bộ

không dùng cảm biến tốc độ (sensorless) phát triển mạnh vì những ưu điểm vượt trội của nó như: giảm giá thành, đơn giản hoá hệ thống cơ khí v.v Một trong những phương pháp điều khiển hay được sử dụng là phương pháp điều khiển định hướng trường FOC (Field Oriented Control) được phát triển bởi blaschke[32] Phương pháp FOC được đánh giá có khả năng đáp ứng tốt hơn phương pháp so với phương pháp hay được sử dụng thứ 2 là phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC(Direct Torque Control) được phát triển bởi Takahashi[33]

Phương pháp FOC thường được dùng trong điều khiển sensorless Tuy nhiên, việc điều khiển sensorless phụ thuộc nhiều vào thông số động cơ đặc biệt ở vùng tốc độ thấp[35, 36].Một số bộ quan sát tốc độ vòng hở hay được sử dụng như:

 Current model

 Voltage model

 Full-order observer

Các bộ quan sát vòng hở dựa trên mô hình động cơ Điều này dẫn đến mất

chính xác khi thông số động cơ thay đổi cũng như sai số tín hiệu hồi tiếp [37],

[38], [39]

Để cải thiện chính xác người ta dùng một số bộ quan sát vòng kín ước tính tốc

độ như:

 Model Reference Adaptive Systems (MRAS)

 Kalman filter techniques

 Adaptive observers based on both voltage and current model

 Neural network flux and speed estimators

 Sliding mode flux and speed estimators

Vấn đề khó khăn khi thiết kế các bộ quan sát ước tính tốc độ rotor bao gồm 3

yếu tố chính đó là sự nhạy cảm các thông số động cơ, khâu hiệu chỉnh PID đáp

ứng tuyến tính trong vùng có giới hạn và sự trùng lặp các vòng điều khiển

Các bộ quan sát vòng kín có ưu điểm là không phụ thuộc nhiều vào thông số

động cơ Người ta dùng các bộ hiệu chỉnh thông minh Neural network, Kalman

filter, Sliding mode xây dựng giải thuật điều chỉnh tối ưa dựa trên mô hình động

cơ và mô hình toán, các phương pháp này có ưu điểm là có thể ước lượng chính

xác sai số hệ thống từ đó ước tính chính xác tốc độ rotor, nhưng nhược điểm tính

toán khá phức tạp, sử dụng chỉ hiệu quả trên các bộ tính toán tốc độ cao

Trong khuôn khổ luận văn trình bày bộ ước tính tốc độ rotor trên mô hình tham chiếu thích nghi (MRAS) trên cơ sở quan sát từ thông hệ thống Ưu điểm, bộ quan sát MRAS là đơn giản tuy nhiên sai số lớn khi từ thông quan sát đâu vào sai số Để cải thiện chính xác bộ quan sát từ thông, trong đề tài dùng song song thêm mô hình tham chiếu thích nghi ước tính điện trở stator

1.2Phạm vi nghiên cứu luận văn

Nghiên cứu xây dựng giải thuật điều khiển tiết kiệm điện năng cho động cơ

không đồng bộ 3 pha có tính đến sự thay đổi của đặc tính năng lượng của động cơ

phụ thuộc vào tần số của điện áp stator

Nghiên cứu xây dựng bộ quan sát tốc độ vòng kín trên cơ sở mô hình tham chiếu thích nghi cho động cơ không đồng bộ 3 pha, ước tính thông số điện trở stator nhằm đảm bảo mô hình chạy ổn định khi điện trở stator thay đổi, đều này có

ý nghĩa thực tế vì khi làm việc động cơ nóng dần lên điện trở stator sẽ thay đổi khá lớn ảnh hưởng đến bộ quan sát tốc độ

Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển tiết kiệm điện năng cho động cơ không đồng bộ 3 pha

Nghiên cứu xây dựng giải thuật lập trình trên cơ sở DSP TMS 28335

1.3 Sản phẩm của luận văn

Bài báo khoa học đăng tại hội nghị khoa học và tạp chí KHCN: 03

 01 bài báo khoa học được nhận đăng trên Tạp chí Phát triển KH&CN, tập 16, số K4-2013: “Thiết kế bộ nguồn cung cấp liên tục trên cơ sở bộ biến đổi DC/DC Push-Pull hiệu suất cao”

 01 bài báo khoa học được nhận đăng trên Tạp chí Phát triển KH&CN, tập 16, số K3-2013: “Điều khiển trực tuyến giảm tổn hao trong động cơ cảm ứng trên cơ sở DSP TMS320LF2812”

 01 bài báo khoa học được nhận đăng tại hội nghị khoa học “The 2013 International Symposium on Electrical-Electronics Engineering” : “A New Approach of Perturb and Observe (P&O) Techniques for Energy

Efficient Controlled Induction Motor Drive”

Giải thuật lập trình và chương trình điều khiển tiết kiệm điện năng cho động

cơ không đồng bộ trên cơ sở DSP TMS320F28335

Mô hình điều khiển động cơ KĐB công suất 1HP tiết kiệm điện năng trên cơ sở DSP TMS320F28335

CHƯƠNG2: VECTOR KHÔNG GIAN VÀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG

BỘ BA PHA 2.1 Vector không gian

2.1.1 Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha

Trong phần này, ta chỉ xét vector không gian điện áp stator cấp cho động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha, các vector không gian dòng điện và từ thông được tính tương tự Vector không gian điện áp stator được định nghĩa như sau:

3 / 2 t cos u t u

t cos u t u

s s

sc

s s

sb

s s

Hình 2 1 - Vector không gian điện áp stator trên hệ α-β

Ta có thể chuyển đổi vector không gian điện áp stator từ hệ tọa độ α-β sang hệ tọa độ α-β và ngược lại bằng phép chuyển trục: αβ-abc và abc-αβ

Phép chuyển trục αβ-abc: bằng cách tính chiếu các thành phần của vector

không gian điện áp stator lên trục A,B,C như hình 2.2, có thể xác định các thành phần theo phương pháp hình học:

P hép chuyển trục abc-αβ: thực hiện tương tự ta có:

sa s

uu3

1u

uu

s

sc sb

sa s

u 2

3 u 2

3 3

2 u

u 0 u 0 u 3

2 u

Hình 2 3 - Vector không gian điện áp stator trên hệ tọa độ d-q

Mối liên hệ giữa vector không gian điện áp stator trên hệ α-β và hệ d-q được cho như sau:

sq

r s r s

sd

cosusinu

u

sinucos

2.2 Tổng quan về động cơ không đồng bộ ba pha

Hiện nay, động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp (chiếm hơn 90%) do nó có những thuận lợi sau: dễ sản xuất, giá thành rẻ, dễ vận hành, có khả năng làm việc ở môi trường độc hại và không cần phảo bảo trì

Động cơ không đồng bộ ba pha (động cơ cảm ứng) có dây quấn stator (bố trí lệch nhau 120o) được cấp điện từ lưới, và nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ có được sức điện động cảm ứng và dòng điện bên trong dây quấn rotor Dòng điện ba pha đối xứng chạy trong dây quấn ba pha sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ

)ph/v(p

f60

Hình 2 4 - Động cơ không đồng bộ và sơ đồ đấu dây

Rotor động cơ không đồng bộ gồm hai loại:

 Rotor dây quấn với dây quấn ba pha trong các rãnh rotor, có cùng số cực với dây quấn stator với các đầu dây ra nối với vành trượt được cách điện với trục rotor Việc tiếp điện được thông qua các chổi than đặt trong các

bộ giá đỡ chổi than Do kết cấu khá phức tạp và giá thành cao, hiện nay động cơ không đồng bộ rotor dây quấn rất ít được sử dụng

Hình 2 5 - Rotor dây quấn

 Rotor lồng sóc gồm các thanh dẫn (nhôm, đồng) trong rãnh rotor, chúng được nối tắt hai đầu nhờ hai vành ngắn mạch Do kết cấu đơn giản và chắc chắn, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong sinh hoạt

Hình 2 6 - Rotor lồng sóc

Rotor của động cơ không đồng bộ quay với tố độ n khác với tốc độ của từ

trường quay đồng bộ của stator n1 = nđb và độ trượt s được định nghĩa như sau:

1

1

n

nn

Khi mở máy, rotor đứng yên, s = 1, tần số dòng rotor bằng tần số lưới điện f

Từ trường quay rotor sẽ quay cùng tốc độ với từ trường quay stator, tạo ra moment

mở máy làm quay rotor theo chiều của từ trường stator

Khi vận hành bình thường, rotor quay với tốc độ n<n1, tần số của dòng rotor là

f2 = s.f, và từ trường quay sinh ra do dòng rotor sẽ quay với tốc độ sn1 so với rotor,

và quay cùng chiều với từ trường stator

2.2.1 Mô hình toán trên hệ tọa độ α-β

 Các thông số cơ bản của động cơ không đồng bộ:

Lr : điện kháng tản của cuộn dây rotor

p : số đôi cực của động cơ

J (kg.m2) : moment quán tính cơ

s m

r m

s

s s

R

L

r s

2 m

L.L

L1



 Phương trình cơ bản của ĐCKĐB:

Các phương trình toán học của động cơ cần phải thể hiện rõ các đặc tính thời gian của đối tượng Việc xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha ở đây chỉ nhằm mụch đích phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh Điều đó cho phép chấp nhận một số điều kiện giả định trong quá trình thiết lập mô hình, tất nhiên sẽ tạo ra một số sai lệch nhất định giữa đối tượng và mô hình trong phạm vi cho phép Các sai lệch này đượcloại trừ bằng kĩ thuật điều chỉnh

Đặc tính động của ĐCKĐB ba pha được mô tả với một hệ phương trình vi phân Để xây dựng phương trìnnh cho ĐCKĐB ba pha, cần phải chấp nhận một số giả thiết sau :

 Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng trong không gian

 Bỏ qua tổn hao sắt từ và sự bão hòa mạch từ

 Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trong khe hở không khí

 Các giá trị điện trở và điện kháng không thay đổi

: tốc độ góc của rotor so với stator

: góc lệch giữa trục rotor và trục α (cuộn dây pha A)

r (chỉ số trên): hệ quy chiếu trục rotor

r (chỉ số dưới): đại lượng rotor

s (chỉ số trên): hệ quy chiếu stator (hệ tọa độ α-β)

s (chỉ số dưới): đại lượng stator

Kết hợp hai phương trình này với các phương trình cơ bản của ĐCKĐB, (2.14), (2.15), (2.16) ta được:

s r e

s r s r r

m e

r r

r s r

m r

r r

r s r

m r

s s r

m r

m r s r s s

s s r

m r

m r s r s s

T T J

p dt

d

i i

L

L p 2

3 T

T

1 i T

L dt

d

T

1 i T

L dt

d

u L

1 L

1 L

T

1 i T

1 T

1 dt

di

u L

1 L

1 L

T

1 i T

1 T

1 dt

di

(2.27)

Hệ phương trình (2.26) hoặc (2.27) đặc trưng cho mô hình toán của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ α-β

Hình 2 7 - Hệ trục α-β và d-q

2.2.2 Mô hình toán trên hệ tọa độ d-q

Mối quan hệ của các đại lượng trong hệ trục α-β và d-q được xác định như sau:

r r r r r

r (chỉ số trên): hệ quy chiếu trục rotor

s r e

sd rq sq rd r

m e

rd sl rq r sq r

m rq

rq sl rd r sd r

m rd

sd s rd m rq m r sd s sq r s sq

sd s rq m rd m r sq s sd r s sd

TTJ

pdt

d

ii

L

Lp2

3T

T

1iT

Ldt

d

T

1iT

Ldt

d

uL

1L

1L

T

1ii

T

1T

1dt

di

uL

1L

1L

T

1ii

T

1T

1dt

hệ tọa độ d-q như sau:

sq rd r

m e

rd sl sq r

m rq

rd r sd r

m rd

sd s rd m sd s sq r s sq

sd s rd m r sq s sd r s sd

TTJ

pdt

d

iL

Lp2

3

T

0i

T

Ldt

d

T

1iT

Ldt

d

uL

1L

1iiT

1T

1dt

di

uL

1L

T

1iiT

1T

1dt

di

(2.35)

 Ưu điểm của mô hình ĐCKĐB trên hệ tọa độ (d-q)

Trong hệ từ thông rotor (d-q), các vector dòng stator ifs

Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như không đổi; trong quá trình quá

độ, các giá trị này có thể biến thiên theo một thuật toán đã được định trước

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG

ĐỒNG BỘ 3.1 Tổng quan về bộ nghịch lưu áp

Chức năng chính của bộ nghịch lưu áp là chuyển đổi điện áp DC ở ngõ vào thành điện áp AC ở ngõ ra Đây là dạng điện áp yêu cầu trong điều khiển động cơ

AC, trong các bộ lưu điện, bộ lọc tích cực, thiết bị bù tĩnh công suất phản kháng Biên độ và tần số điện áp ngõ ra được điều khiển được Bộ nghịch lưu áp được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp như điều khiển động cơ không đồng bộ-là một ứng dụng phổ biến nhất Phương pháp điều khiển thường được sử dụng nhất là các kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM (SINPWM), kỹ thuật điều chế vector không gian (Space Vector)

Cấu tạo của bộ biến tần nguồn áp bao gồm bộ: bộ chỉnh lưu với chức năng chỉnh lưu điện áp AC tần số cố định thành điện áp DC, bộ nghịch lưu với chức năng biến đổi điện áp DC thành điện áp AC ở ngõ ra Với cấu trúc này, ta có thể điều khiển tần số ngõ ra độc lập với tần số ngõ vào

Hình 3 1 - Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu 6 khóa

Bộ chỉnh lưu: có chức năng biến đổi điện áp AC 1 pha hoặc 3 pha thành điện

áp DC để nạp vào tụ C Thông thường bộ chỉnh lưu có dạng không điều khiển, bao gồm các diode mắc dạng mạch cầu Để tránh quá áp trên tụ C, ta có thể xả tụ qua điện trở thông qua khóa S7

Mạch DC-link: bao gồm một tụ C mắc vào ngõ vào của bộ nghịch lưu, đóng

vai trò như một nguồn điện áp Để nắn dòng chỉnh lưu cho phẳng, ta có thể mắc thêm cuộn dây L

Bộ nghịch lưu: bao gồm 6 khóa bán dẫn (MOSTFET hoặc IGBT), có chức

năng biến đổi điện áp DC ở ngõ vào thành điện áp xoay chiều ba pha ở ngõ ra Các khóa (S1, S2), (S3, S4 ), (S5, S6) được kích đối nghịch và tạo một khoảng thời gian trễ để tránh ngắn mạch nguồn DC Ba cặp khóa này tạo ra 8 trạng thái đóng ngắt, ứng với mỗi trạng thái, ta tính được điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu

Hình 3 2- Trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn

Bảng 3.1 - Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu ứng với mỗi trạng thái đóng ngắt

3.2 Nguyên lý điều chế vector không gian

Trên thực tế, có rất nhiều phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp để tạo ra điện áp có biên độ và tần số mong muốn cấp cho động cơ Trong đó, phương pháp điều chế vector không gian được xem là phương pháp chính xác và hiện đại nhất Mục đích của kỹ thuật điều chế độ rộng xung theo vector không gian

(SVPWM) là xấp xỉ vector điện áp đặt sử dụng tám mẫu đóng ngắt của 3 khóa S1, S3, S5 Một phương pháp xấp xỉ đơn giản là lấy trung bình ngõ ra của bộ nghịch lưu trong chu kì nhỏ

Tám tổ hợp trạng thái đóng ngắt được trình bày ở phần trên là tám vector chuẩn (V0…V7) Trong đó, V0 và V7 là hai vector không vì điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu bằng không Tám vector này chia mặt phẳng thành 6 phần bằng nhau, mỗi

phần có độ lớn là 60o được gọi là một sector

Hình 3 3 - Các vector điện áp chuẩn và các sector

5

4π/3 ≤ < 5π/3 Hoặc -2π /3 ≤ < - π/3

6 5π/3 ≤ < 2π

Hoặc -π /3 ≤ <0 Tùy vào vị trí của vector điện áp tham khảo nằm trong sector nào, hai vector điện áp chuẩn liền kề sẽ được chọn để thực hiện vector điện áp đó Để chuyển từ vector này sang vector khác chỉ nên thay đổi trạng thái của một khóa, điều này tránh được sự đóng ngắt quá nhiều của các khóa, từ đó giảm được tổn hao do đóng ngắt và đặc biệt là giảm được tổn hao do sóng hài bậc cao được tạo ra trong quá trình đóng ngắt tần số cao

Xét vector điện áp Vref nằm trong sector 1

Hình 3 4 - Vector Vref nằm trong sector 1

Với Vref Va Vb (3.1)

Bằng cách chuyển đổi vector điện áp dạng thời gian đóng ngắt trong nữa chu

kỳ lấy mẫu Ts, ta được thời gian thực hiện vector V1 là T1 và thời gian thực hiện vector V2 là T2 Ngoài thời gian thực hiện V1, V2; thời gian còn lại (T0) biến tần thực hiện vector V0 hoặc V7

0 0 2 2 1 1 ref

T T  0 T

T0  s 1 2  (3.3) Xét riêng trạng thái V1, V2, V0, V7 ta được:

Bảng 3.3 - Trạng thái V1, V2, V0, V7

Trạng thái đóng ngắt Vector

Bước 1: Xác định vector điện áp đặt Vref và góc 

Từ hình 3.5, Vref và góc  được xác định như sau:

Hình 3 5 - Vector không gian Vs-ref

Với :

2 s 2 s ref _

V     (3.4)

ft2tV

Vtan

s

s 1

s

sc sb

sa s

V2

3V2

33

2V

V5.0V5.0V3

2V

2 1

1

1

T T 0

T T

T 2 T

0 1 T

0

2 2 1 1 ref

3/cosV3

2T0

1V3

2Tsin

cosV

ref s

dc

ref s 2

dc

ref s

dc

ref s 1

T T T T

sin V

V 3 T 3 / sin

sin V 3 2

V T T

3 / sin V

V 3 T 3 / sin

3 / sin V 3 2

V T T

(3.10)

Với: n: sector (1-6)

0 ≤ α ≤ π/3

Các sector khác được tính tương tự như công thức (3.10)

Bước 3: Xác định thời gian đóng ngắt của các khóa S1-S6

Thời gian đóng ngắt của các khóa trong nữa chu kì được xác định trong bảng sau:

Bảng 3.4 - Thời gian đóng ngắt của các khóa

Hình 3 6 - Giản đồ đóng ngắt của các khóa.

Dạng điện áp và dòng pha tải của bộ nghịch lưu áp mô

phỏng

Hình 3 8 - Dạng điện áp dây ở tần số 50Hz

Hình 3 9 - Dạng dòng điện pha ở tần số 50Hz

3.3 Phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

Trên thực tế, có nhiều phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ,

có thể chia làm hai loại:

 Điều khiển vô hướng:

 Điều khiển điện áp stator

 Điều khiển tần số

 Điều khiển điện trở rotor

 Điều khiển công suất trượt rotor

 Thay đổi số cực

 Điều khiển vector:

 Điều khiển định hướng theo trường (FOC_Field Oriented Control)

 Điều khiển trực tiếp moment (DTC_Direct Torque Control)

Hình 3 10 - Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ.

3.4 Phương pháp điều khiển định hướng trường

Tổng quát, một động cơ điện tương tự như một nguồn moment điều khiển được Yêu cầu điều khiển chính xã giá trị moment tức thời của động cơ được đặt ra trong hệ truyền động có đặc tính động cao và sử dụng phương pháp điều khiển vị trí trục rotor

Moment sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dòng trong cuộn ứng

và từ thông sinh ra trong hệ thống kích từ của động cơ Từ thông phải được giữ tối

ưu nhằm đảm bảo moment sinh ra tối đa và giảm tối thiểu độ bão hòa của mạch từ Với từ thông có giá trị không đổi, moment sẽ tỉ lệ thuận với dòng ứng Trong động

cơ không đồng bộ, dòng ứng là dòng rotor và từ thông được sinh ra bởi dòng stator Tuy nhiên, dòng rotor không được trực tiếp điều khiển bởi nguồn ngoài mà

là hệ quả do sức điện động cảm ứng sinh ra do kết quả chuyển động của rotor so với từ trường stator Do đó, dòng stator là nguồn của từ thông và dòng ứng

Trong động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, chỉ có dòng stator được điều

trí cố định về mặt vật lý giữa từ thông stator và rotor được và phương trình

moment là phi tuyến

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã đưa ra nguyên lý định hướng theo trường (FOC) Nguyên lý này xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thông và moment, nó dựa trên phương pháp phân tách phi tuyến được sử dụng trong điều khiển các hệ thống phi tuyến Bản chất của phương pháp này là điều khiển các biến đã chọn sao cho chúng luôn bằng 0 Điều này làm cho mô hình toán trở nên đơn giản hơn rất nhiều vì có thể loại bỏ một số nhánh trong mô hình tổng quát

Phương pháp điều khiển định hướng theo trường bao gồm:

 Điều khiển định hướng theo vector từ thông stator (trực tiếp, gián tiếp)

 Điều khiển định hướng theo vector từ thông rotor (trực tiếp, gián tiếp)

 Điều khiển định hướng theo vector từ thông khe hở không khí (trực tiếp, gián tiếp)

Hệ thống định hướng trường (từ thông) tổng quát được cho như trong hình bên dưới, tạo ra các tín hiệu điện áp đặt ở ngõ ra *

c

* b

Trong chương này, ta chỉ đề cập đến phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor do nó có thể điều khiển độc lập từ thông và moment Còn phương pháp điều khiển định hướng từ thông stator và từ thông khe hở không khí không thể điều khiển độc lập hai thành phần này

Trong phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor, mô hình động cơ không đồng bộ được biểu diễn trên hệ tọa độ d-q bởi nó những ưu điểm sau:

 Trong hệ từ thông rotor (d-q), các vector dòng stator rifsvà vector từ thông rotor urfr, cùng với hệ tọa độ (d-q) quay gần đồng bộ với nhau với tốc độ  quanh điểm gốc, do đó các phần tử của vector s rifs (i ,i ) là sd sqcác đại lượng một chiều

 Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như không đổi; trong quá trình quá độ, các giá trị này có thể biến thiên theo một thuật toán đã được định trước

Từ phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ được trình bày trong chương hai:

f s r m f

T

1 i T

L dt

m rq

rq sl rd r sd r

m rd

T

1iT

Ldtd

T

1iT

Ldtd

(3.18)

Trong hệ tọa độ d-q, rq  Suy ra, phương trình từ thông được viết lại như 0sau:

rd r sd r

m rd r

T

1 i T

L dt

d dt





 (S: toán tử laplace) (3.20) Moment của động cơ được tính như sau:

f s m f

r

f r m

f s s f

s

i L i L

i L i L

(3.22)

r m f s r

2 m r s f

s

L

LiL

LLL

3 i i

L

L p 2

3

r

m sd

rq sq rd r

m

Từ các phương trình (4.10) và (4.14) cho thấy có thể điều khiển từ thông và moment điện từ thông qua dòng stator Khi đó, phương pháp mô tả ĐCKĐB ba pha giống như động cơ một chiều kích từ độc lập

Ta cũng có thể điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha thông qua điều khiển hai phần tử của dòng điện là i và sd i Từ thông rotor được giữ bằng hằng số bằng sqcách giữ cố định thành phần i và moment được thay đổi thông qua thay đổi sdthành phần i sq

Trong phương pháp này, vector từ thông rotor được chọn làm chuẩn, được gắn với hệ tọa độ d-q và quay cùng tốc độ với hệ tọa độ này

Hình 3 13- Hệ tọa độ từ thông rotor

3.4.1 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp-DRFOC

Hình 3 14 - Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp

Sơ đồ định hướng từ thông rotor trực tiếp được trình bày trên hình 4-3, bao gồm hai vòng kín: một cho i (điều khiển từ thông) và một chosd i (điều khiển tốc sq

độ hay moment)

Tín hiệu ngõ vào là từ thông rotor *

r

 và tốc độ  *sẽ được chuyển thành tín hiệu dòng đặt tương ứng *

sq

*

sd,i

i , thông qua khâu so sánh (với từ thông rotor và tốc

độ hồi tiếp) và khâu hiệu chỉnh PI Hai tín hiệu dòng đặt *

sq

*

sd,i

i tiếp tục được so sánh với tín hiệu dòng hồi tiếp id, iqvà qua khâu hiệu chỉnh PI sẽ chuyển thành tín hiệu điện áp đặt mong muốn *

Trong phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp, biên độ và

vị trí góc của từ thông rotor được đo hoặc ước lượng Cảm biến Hall có thể được

sử dụng để đo từ trường bằng cách đặt các cảm biến này vào trong khe hở không khí của động cơ

Tuy nhiên, phương pháp này làm cho giá thành của hệ thống cao, giảm độ tin cậy của hệ truyền động và việc thi công rất khó khăn Phương pháp ước lượng từ thông thường được sử dụng vì nó có những ưu điểm là thực hiện dễ dàng và sai số

có thể chấp nhận được

Sai số là do phương pháp ước lượng phụ thuộc rất nhiều vào thông số của động

cơ Có ba phương pháp ước lượng là : ước lượng từ dòng và áp hồi tiếp; ước lượng

từ tốc độ và dòng hồi tiếp; ước lượng từ dòng, áp và tốc độ hồi tiếp

Phương pháp ước lượng từ thông rotor từ dòng và áp hồi tiếp cho kết quả tốt ở tốc độ cao nhưng tại tốc độ thấp thì độ chính xác thấp Phương pháp này được xây dựng từ hai phương trình điện áp stator và từ thông stator của ĐCKĐB

m s s s s s m s s s s

s

s s s s s s

s

iLL

LiLiLiL

dt

diRu

(3.25)