Điều khiển vận tốc không cảm ứng của động cơ không đồng bộ với phương pháp ước lượng thích ứng mô hình

ĐÀO HÙNG ANH ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC KHÔNG CẢM ỨNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG THÍCH ỨNG MÔ HÌNH MODEL REFERENCE ADAPTIVE SYSTEM MRAS BASED SENSORLESS CONTROL OF INDU

ĐÀO HÙNG ANH

ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC KHÔNG CẢM ỨNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG THÍCH

ỨNG MÔ HÌNH (MODEL REFERENCE ADAPTIVE SYSTEM (MRAS) BASED SENSORLESS CONTROL OF INDUCTION MOTOR)

CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG, NHÀ MÁY ĐIỆN MÃ SỐ NGÀNH : 2.02.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2005

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

NGUỜI THỰC HIỆN: ĐÀO HÙNG ANH

THẦY HƯỚNG DẨN: Ts PHẠM ĐÌNH TRỰC

LỜI NÓI ĐẦU

Luận văn này nhằm đề cập đến phương pháp ước lượng tốc độ rotor

không dùng sensor tốc độ, ứng dụng cho động cơ không đồng bộ Với tiêu chí

nâng cao độ ổn định cũng như khả năng thực hiện phương pháp thiết kế driver

không cần dùng sensor tốc độ, ở đây với một phương pháp ước lượng tốc độ khá

mới được đề cập ứng dụng cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc đó là phương pháp MRAS ( Model Reference Adaptive System)

Theo nhiều nghiên cứu trước đây người ta đưa ra rất nhiều phương pháp ước lượng vận tốc không dùng sensor Nhưng những phương pháp đó phụ thuộc rất nhiều vào thông số động cơ Do đó, đưa đến vấn đề sai số trong ước lượng và bộ điều khiển thiếu chính xác hoặc thiếu ổn định trong vùng tốc độ thấp

Phương pháp mới được dùng có khả năng tự thích ứng trong quá trình họat động của bộ điều khiển khi thông số động cơ thay đổi Phương pháp ước lượng thích ứng mô hình MRAS ( Modeling Reference Adaptive System ) được ứng dụng

Kết quả cho thấy sự ít ảnh hưởng của thông số động cơ đến quá trình ước lượng và sai số của bộ điều khiển vận tốc

Trong luận văn cũng đề cập đến phương pháp điều khiển RFOC ( Rotor Flux Oriented Control ) ứng dụng điều khiển động cơ không đồng bộ với động cơ lý tưởng bỏ qua tổn hao sắt từ và bảo hòa từ

LỜI CẢM TẠ

Tôi xin chân thành cảm tạ những thầy cô giáo trường đại học Bách Khoa Tp Hô Chí Minh đã hết lòng giảng dạy cho tôi trong khóa học

Xin chân thành cảm ơn sự tận tình giúp đỡ và truyền thụ kiến thức của thầy Phạm Đình Trực đã giành cho tôi trong quá trình hòan thành luận văn này Xin cảm ơn cha mẹ đã nuôi con khôn lớn và động viên con không ngừng để trở thành một công dân gương mẩu

Xin chân thành cảm ơn vợ tôi Hùynh Phượng Nguyệt Như Trinh đã luôn đôn đóc và thu xếp thời gian để tôi có thể hòan thành khóa học này

Tp Hồ Chí Minh Ngày 30 Tháng 6 năm 2005

MỤC LỤC

Chương1 Giới thiệu ĐCKĐB và các phương pháp điều khiển

1.1 Giới thiệu động cơ KĐB

1.2 Giới thiệu các phương pháp điều khiển

Chương 2 Mô hình Động cơ không đồng bộ

2.1 Hệ phương trình cơ bản mô tả động cơ

2.2 Hệ phương trình động cơ dưới dạng vectơ không gian

2.3 Chuyển đổi hệ trục tọa độ

2.4 Mô hình động cơ trong hệ trục Anfa-Beta

2.5 Xây dựng mô hình động cơ trong Matlab

2.6 Phân tích kết quả mô phỏng

Chương 3 Phương pháp điều khiển RFOC ( Rotor Flux Oriented Control)

3.1 Giới thiệu phương pháp định hướng từ thông rotor (RFOC)

3.2 Phương pháp ước lượng từ thông rotor

3.3 Mô hình RFOC cho ĐCKĐB lý tưởng

3.4 Xây dựng mô phỏng hệ điều khiển RFOC trong Matlab

3.5 Kết quả mô phỏng

3.6 Phân tích kết quả mô phỏng

Chương 4 Phương pháp ước lượng tốc độ không dùng sensor open-loop va loop (MRAS)

4.1 Giới thiệu Sensorless trong điều khiển động cơ

4.2 Các phương pháp Sensorless open-loop xây dựng mô phỏng trên

Mablab

4.3 Phương pháp Sensorless thích ứng MRAS ( Model Reference Adaptive System )

4.4 Mô phỏng Sensorless MRAS trên Matlab

4.5 Kết quả mô phỏng

4.6 Phân tích kết quả mô phỏng

Chương 5 Phương pháp ước lượng tốc độ và điện trở Stator thích ứng mô hình (MRAS)

5.1 Phương pháp Sensorless thích ứng MRAS ước lượng song song tốc độ và điện trở stator

5.2 Mô phỏng Sensorless thích ứng MRAS ước lượng song song tốc độ và điện trở stator

5.3 Kết quả mô phỏng

5.4 Phân tích kết quả mô phỏng

Kết luận

Trích lục

Chương 1: Giới thiệu ĐCKĐB và phương pháp điều khiển:

1.1 Động cơ không đồng bộ và lịch sử phát triển các bộ điều khiển

Động cơ không đồng bộ (ĐCKDB) đặc biệt là động cơ rotor lồng sóc ngày nay được sử dụng rộng rãi do đặt tính ưu việt về nhiều mặt như cơ cấu đơn giản, dễ bảo trì sửa chửa, giá thành hạ, độ tin cậy và tuổi thọ cao Do đó, vấn đề đặt ra là nghiên cứu khả năng điều khiển lọai động cơ này giống như điều khiển động cơ

DC, là có thể điều khiển riêng biệt về momen và từ thông Vấn đề này được khởi xướng từ những thập niên 70 và cho đến ngày nay đã đạt được một số thành tựu đáng kể trong lập luận và cũng như trong thực tiển ứng dụng

Và củng thấy rỏ rằng động cơ không đồng bộ là một phần tử vô cùng quan trọng trong đời sống hằng ngày của chúng ta, trong công nghiệp sản xuất cũng như trong các lĩnh vực khác Trong thời kỳ đầu, động cơ DC có những đặt tính vược trội, đó là dể dàng điều khiển chính xác tốc độ và momen cho những ứng dụng cần có sự chính xác cao Bên cạnh đó động cơ DC cũng có những mặt yếu là: Sự ăn mòn nhanh của chổi than, nhu cầu bảo trì bảo quản cao, cơ cấu phức tạp, công suất giới hạn, bên cạnh đó động cơ không đồng bộ thì mạnh mẽ, cơ cấu đơn giản, nhu cầu bảo trì thấp, kích thước nhỏ gọn, dãy công suất và tốc độ cao Sự khó khăn duy nhất khi sử dụng động cơ AC là bộ điều khiển khá mắc tiền, tính hiệu đo đạt phức tạp và khó chính xác Tuy nhiên có nhiều phương pháp điều khiển được đưa ra rất sớm

dùng cho động cơ không đồng bộ với giải thuật chặt chẽ ( Blaschke 1972 ) Năm

1990 Blaschke and Hass đã phát triển một phương pháp điều khiển mới để đơn giản cho driver động cơ không đồng bộ,đó là chia việc điều khiển momen và tốc độ tương đối độc lập giống như điều khiển động cơ DC Ngày nay các phương pháp điều khiển vectơ hay DTC có thể thực hiện khá dể dàng nhờ sự phát triển vũ bảo của công nghệ điện tử, các bộ microprofessor củng trở nên nhanh và rẽ tiền hơn Hầu hết các phương pháp điều khiển tốc độ cần có sensor tốc độ để ước lượng tốc độ và vị trí rotor Nhưng nếu lắp đặt sensor tốc độ sẽ đưa đến rất nhiều bất lợi như: tốn kém, dể hư hỏng, tính ổn định thấp, có thể bị nhiễu do môi trường Từ đó nảy sinh ra ý tưởng không dùng sensor, mà tốc độ sẽ được ước lượng thông qua các tính hiệu khác như dòng, áp stator, nhưng các phương pháp này chịu ảnh hưởng lớn đến thông số động cơ, như Rr, Rs hay Lr và sự nhiễu của tín hiệu đo đạt , từ đó người ta đưa ra phương pháp ước lượng MRAS ( model reference adaptive system), hệ thống có thể ước lượng tốc độ không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của thông số động cơ và đó cũng là phần nghiên cứu chính của luận văn sẽ được tiếp tục đề cập chi tiết sau

1.2 Giới thiệu các Phương pháp điều khiển:

Phương pháp U/f:

Biến điều khiển là tỉ số điện áp stator và tần số đồng bộ, tiû số này phải là hằng số trong quá trình điều khiển động cơ, nhằm giữ từ thông stator không đổi Thông thường điều khiển ở dạng vòng hơ,û không hồi tiếp đưa đến độ chính xác không cao đáp ứng về tốc độ momen chậm Ưu điểm là giá thành hạ và đơn giản

•

Phương pháp định hướng từ thông

Khả năng tối ưu được momen và từ thông khe hở nhưng ở đây momen được điều khiển gián tiếp Ưu điểm là đáp ứng khá nhanh, điều khiển chính xác vận tốc, đảm bảo được momen ở vận tốc zero Nhược điểm phải có giải thuật hồi tiếp tốc độ, chuyển đổi hệ quy chiếu liên tục, Tính tóan hệ số cho bộ điều khiển PI khó cho từng động cơ

Roto

khe không khí Stato

Dây dẩn stato

Từ thông móc vòng tạo ra sức từ động 1 phase stato

Hình 1.2 Mô hình điều khiển U/f (ABB paper)

Hình 1.1 Động cơ không đồng bộ

Phương pháp điều khiển trực tiếp momen

Phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC (Direct Torque Control) Điều khiển hòan tòan độc lập từ thông và momen do đó đưa đến hệ thống đáp ứng nhanh, không cần hồi tiếp tốc độ, không cần các khâu chuyển tọa độ, bộ điều khiển dòng điện Nhược điểm là khởi động không tốt, có sự suy giảm kích từ và giao động của từ thông ở vùng vận tốc thấp và momen ở vùng vận tốc cao

Hình 1.3 Mô hình điều khiển định hướng trường (ABB paper)

Hình 1.4 Mô hình điều khiển trực tiếp momen (ABB paper)

Chương 2: Mô hình động cơ không đồng bộ

2.1 Hệ phương trình cơ bản của động cơ

Mô hình tóan học thu được cần thể hiện rõ các đặt tính về thời gian của đối tượng điều chỉnh, tuy nhiên cần lưu ý rằng mô hình của ta không nhằm mục đích mô phỏng chính xác động cơ mà chỉ để phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh do vậy ta phải chấp nhậm một lọat các điều kiện sau đây

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

• Các tốn hao sắt từ và bảo hòa từ có thể bỏ qua

• Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên khe hở động cơ

• Các giá trị điện trở và điện cảm động cơ coi như không đổi trong điều kiện vận hành của động cơ

Hệ phương trình cơ bản của động cơ:

Sự phân bố về mặt không gian của các cuộn dây trên một đôi cực được trình bày như hình vẽ 2.1

Hình 2.1 Mô hình 1 đôi cực

Ta có phương trình như sau:

R: điện trở dây quấn

θ : góc lệch điện hiện tại giữa rotor và stator

ω:tốc độ góc điện của rotor

a, b, c : các pha stator

A,B,C : các pha rotor

Viết dưới dạng ma trận cho tất cả các thành phần thông số của động cơ:

/ /

abc s abc abc

ABC s ABC ABC

abc s abc sr ABC

ABC r ABC sr abc

t ABC A B C

t ABC A B C

2.1

2.2

2.3 2.4 2.5 2.6

aa bb cc ls ms

L = L = L = L + L

Lls: hệ số từ tản các pha stator, Lms: hệ số từ cảm các pha stator

Hệ số từ cảm các pha rotor:

ArAr BrBr CrCr lrr mr

Llrr: hệ số từ tản các pha rotor, Lmr: hệ số từ cảm các pha stator

Hệ số hổ cảm giữa các pha stator:

Hệ số hổ cảm giữa các pha stator và rotor:

Với θ là góc điện

coscos( 2 / 3)cos( 2 / 3)

Ara aAr Brb bBr Crc cCr srm

Bra aBr Crb bCr Arc cAr srm

Cra aCr Arb bAr Brc cBr srm

2.14 2.13 2.12

2.11 2.10 2.9

Nhằm đơn giản ma trận điện cảm ta tiến hành quy đổi các đại lượng rotor sang stator Về ý nghĩa vật lý thì khi quy đổi các đại lượng rotor sang stator tức là quy đổi về cùng sức điện động cảm ứng ( sử dụng chung nhánh từ hóa trong mô hình mạch) tức là thay thế cuộn dây rotor thành cuộn dây có số vòng và bước quấn dây tương tự như stator

Hệ số biến đổi:

Các đại lượng chưa quy đổi uAr, u uBr, Cr

Các đại lượng đã quy đổi , ,u u u A B C

Các đại lượng chưa quy đổi i i i Ar, ,Br Cr

Các đại lượng đã quy đổi i i i A, ,B C

Do đó để thỏa mãn phương trình điện áp rotor thì tất cả các giá trị điện trở điện cảm rotor: Rrr, Llrr, Lrm phải chia cho 2

rs lrr lr

2.20 2.19 2.18 2.17

Hệ phương trình mô tả động cơ sau khi quy đổi:

Phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator:

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

2.26 2.25 2.24 2.23

Trong đó p là số đôi cực và ω là tốc độ điện, ωrlà tốc độ góc rotor

Phương trình momen điện từ:

Bỏ qua sự bảo hòa từ , nhân 2 vế phương trình 2.35 cho [ ]T

i ta được tổng công suất tức thời đưa vào

T e

e

r

d L P

2.35

2.34 2.33 2.32 2.31 2.30 2.29

2.2 Hệ phương trình dưới dạng vectơ không gian:

Để dễ dàng tính toán các đại lượng 3 phase trong máy điện và giải quyết các bài toán phức tạp ở chế độ quá độvà các giá trị điện cảm và hổ cảm phụ thuộc vào góc quay của rotor, do đó người ta quy đổi các đại lượng 3 pha sang các đại lượng không gian

Đại lượng điện áp không gian ở trục tọa độ stator:

Trong mặt phẳng cắt ngang của động cơ, ta thiết lập một trục tọa độ

(Oαβ) có tâm là O và điểm O nằm trên trục động cơ , trục Oα là tục thực trùng với trục pha a của stator Trục ảo là Oβ vuông góc với trục thực Hệ trục tọa độ (Oαβ) gắn với stator động cơ

Vectơ điện áp pha a được định nghỉa là u sa( )t có phương trùng với trục pha

a và có biên độ , chiều biến thiên theo u t a( ) Hay có số phức u sa( )t

Tương tự ta định nghĩa cho pha b va c:

0 0

120 240

Tương tự ta có vectơ dòng điện không gian tổng là:

Phương trình điện áp rotor dưới dạng vectơ không gian:

Tương tự như đối với cuộn dây stator , ta thu được phương trình điện áp của rotor khi quan sát trên hệ tọa độ (Oαβ) quay với vận tốc ω

Khi khảo sát với độ cơ rotor lòng sóc

( ) ( )

0

r r

Phương trình từ thông stator dưới dạng vectơ không gian:

Phương trình từ thông stator:

Tương tự ta có phương trình từ thông rotor như sau:

Nhân 3 phương trình trên tương ứng với 2 / 3, 2 / 3 , 2 / 3a a2rồi cộng với nhau

sau đó rút gọn ta được phương trình từ thông trong không gian:

e r

d L P

2

32

π θ

J: Momen quán tính cơ

P: số đôi cực của động cơ

ωtốc độ góc của động cơ

l

T:Momen tải

e

T :Momen điện từ

2.3 Chuyển đổi hệ trục tọa độ

Các phương trình vectơ không gian mô tả động cơ được viết trong hệ tọa độ khác nhau do đó gây ra khó khăn cho việc giải hệ, đặt biệt đối với hệ phương trình từ thông khi có xuất hiện đại lượng θ Chúng ta cần loại bỏ những đại lượng này bằng cách quy đổi các đại lượng này về cùng một trục tọa độ :

Giả sử hệ tọa độ cần chuyển về quay với tốc độ ω a , do đó góc quay là

Với θ0là góc lệch giữa trục thực của nó và trục thực ban đầu stator,

2.4 Mô hình động cơ trong hệ trục Anfa-Beta

Bằng cách thay hệ trục a bằng hệ trục tọa độ theo s của stator hay

0

a

θ = ta viết được hệ phương trình trong hệ tọa độ stator mặt phẳng phức

(αβO) có trục thực là Oα và trục ảo là Oβ vuông góc với trục thực Các phương trình bao gồm các phần thực và phần ảo là:

u t R i t

dt d

u t R i t

dt d

Thay phương trình 2.70, 2.71 vào phương trình 2.64-2.67 ta được hệ

phương trình dưới dạng dòng điện như sau:

2.64

2.65

2.66

2.67 2.68 2.69 2.70

2.71 2.62

2.63

2 2

2.5 Xây dựng mô hình động cơ trong Matlab

Sử dụng hệ phương trình từ 2.76 đến 2.80 để mô phỏng động cơ

Mô hình gồm có đầu vào là điện áp nguồn 3 pha a, b, c và sau đó qua khâu quy đổi 2 pha αβ gọi là khâu 3/2, momen tải đầu trụcTl

Các ngỏ ra là dòng i i ia, ,b cvà momen điền từ T e và tốc độ góc điện ω

Từ phương trình vectơ không gian điện áp là:

2 2

Mô hình động cơ dựa trên hệ phương trình 2.76-2.80 như sau:

Hình 2.4 Hệ phương trình động cơ trên Matlab

Hình 2.5 Mô phỏng động cơ trên Matlab

Động cơ dùng trong mô phỏng có các thông số như sau:

2.6 Phân tích kết quả mô phỏng

Cho hai trường hợp chạy mô phỏng là chạy không tải và chạy tải định mức

Thông số chạy simulink được cài đặt như bản sau:

Hình 2.6 Thông số chạy simulink.

Trường hợp chạy không tải:

Hình 2.7 Tốc độ động cơ lúc không tải Hình 2.8 Momen động cơ lúc không tải.

Hình 2.9 Dòng điện pha stator lúc không tải.

Trường hợp chạy tải định mức26 N.m:

Hình 2.10 Tốc độ động cơ lúc tải định

Hình 2.12 Dòng điện pha động cơ lúc tải

Chương 3

Phương pháp điều khiển RFOC ( Rotor Flux Oriented Control)

3.1 Giới thiệu phương pháp định hướng từ thông rotor

Nhằm mục đích điều khiển được ĐCKĐB giống như điều khiển động cơ

DC người ta đưa ra ý tưởng điều khiển định hướng trường Momen và từ thông điều khiển bởi thành phần iq và id tương ứng riêng biệt và nhờ vậy momen được điều khiển tức thời phù hợp với tải Để hiểu rỏ chúng ta tìm hiểu đôi nét về điều khiển momen và từ thông cho động cơ DC kích từ riêng

3.1.1 Điều khiển động cơ DC:

Từ hình vẽ 3.1 có thể thấy sơ đồ của động cớ DC kích từ riêng

Với phương trình từ thông stator và momen rotor như sau:

dt d

dt

ω ω

Hình 3.1Động cơ DC kích từ riêng

3.1

từ thông không đổi trong quá trình động, trong hệ tách riêng phần cảm của động

cơ DC được biểu diễn theo các phương trình sau:

dt

ω ω

− =

=

Với C = K m.ψf phương trình 3.2 cho thấy rằng, nếu từ thông cảm không

đổi thì momen điện từ sẽ được điều khiển chỉ bởi dòng điện phần ứng, do vậy dòng phần ứng được điều khiển tức thời có nghĩa là momen điện từ được điều khiển tức thời mà hòan tòan không có những ảnh hưởng xấu không mong muốn Mặt khác phương trình cân bằng điện áp của phần ứng rotor cho thấy rằng chính

vì độ tự cảm dây quấn rotor sinh ra bởi dòng điện ứng làm cho sự thay đổi của dòng điện bị chậm khi có sự thay đổi điện áp Từ đây đi đến kết luận rằng phải có phương pháp điều khiển có hồi tiếp để giữ dòng phần ứng cần thiết phù hợp với momen và từ đó điều khiển được tốc độ

Bằng cách sử dụng những yếu tố này momen, tốc độ và vị trí của rotor có thể điều khiển một cách chính xác không những trong chế độ xác lập mà còn trong tức thời Việc tách rời điều khiển cảm ứng từ có thể được gọi là khả năng điều khiển tách rời momen và từ thông

Hình 3.2 là sơ đồ điều khiển động cơ DC với từ thông kích từ không đổi và điều khiển momen độc lập thông qua điều khiển dòng phần ứng có hồi tiếp

(closes loop control)

Speed controller là bộ điều khiển vận tốc PI, đầu vào là độ sai lệch vận tốc, ngỏ ra là momen điện từ cần thiết tức thời, sau đó tín hiệu momen đặt qua gía trị gain 1/K mψfđể cho ra giá trị dòng điện đặt phần ứng tức thời, giá trị này

3.2

Hình 3.2 Điều khiển động cơ DC có hồi tiếp và phần cảm tách riêng.

được so sánh với dòng điện hồi tiếp, giá trị sai lệch dòng điện này là tín hiệu đầu vào cho bộ kích đóng chopper một chiều, điều khiển điện áp rotor

Bộ điều khiển Power electronic converter thực chất là bộ băm xung

chopper có thể biểu diễn trong hình vẻ 3.3 như sau:

Phương pháp điều khiển dòng là phương pháp vòng trễ ( Hysteresys band ), ý tưởng của phương pháp này là dòng điện thực tế được điều khiển xung quanh giá trị đặt i* với độ sai lệch 2∆i, vận hành của phương pháp này được biểu diễn trong hình 3.3 c, với phương pháp điều khiển này, thì tần số đóng cắt của mạch chopper không cố định và phụ thuộc nhiều vào giá trị ∆i lớn hay nhỏ, và cũng phụ thuộc vào độ tự cảm của dây quấn rotor

Hình 3.3 c cũng cho thấy rằng giá trị dòng điện được điều khiển xung quanh giá trị đặt do đó momen đồng thời cũng được điều khiển tức thời theo dòng điện một cách tương xứng, như vậy để có được sự giao động của momen nhỏ thì giá trị ∆i phải càng nhỏ càng tốt

Ví dụ cho việc đáp ứng nhanh cho bộ điều khiển từ thông riêng biệt của mô hình 3.2 có kế quả như hình 3.4

Hình 3.3 Sơ đồ (chopper) băm xung là bộ nguồn cấp nguồn cho động cơ DC

Cuộn dây cảm được kích thích trước cho đến khi từ thông đạt giá trị định mức thì lúc này giá trị tốc độ đặt được gán cho bộ điều khiển, do đó momen và dòng điện động cơ tăng dần đến giá trị đặt

Momen tăng đến giá trị cực đại trong đúng khỏang thời gian tốc độ tăng từ zero đến giá trị đặt, sau đó giá trị momen giảm về zero khi giá trị tốc độ đặt đúng định mức

Như vậy đi đến kết luận rằng với động cơ DC kích từ riêng hay từ thông không đổi trong quá trình vận hành sẽ đạt tối ưu cho việc điều khiển tức thời momen thông qua dòng điện phần ứng, hay nói cách khác từ thông và momen có thể điều khiển riêng biệt không phụ thuộc lẩn nhau

Với cấu trúc của động cơ DC, do chổi than đặt vuông góc với trục của cuộn dây phần cảm do vậy từ thông sinh ra chỉ phụ thuộc duy nhất vào dòng điện cảm mà hòan tòan không bị phụ thuộc vào phản ứng sinh ra do dòng điện cuộn dây ứng, làm cho việc giữ từ thông không đổi trong khi vận hành là có thể thực hiện được cũng như việc điều khiển momen theo dòng ứng trong tức thời là hòan tòan chính xác

Hay nói cách khác đi hai giá trị dòng điện của động cơ có thể sử dụng điều khiển riêng biệt hai giá trị momen và từ thông một cách độc lập

Hình 3.4 Kết quả đáp ứng của động cơ DC với phương pháp điều

khiển kích từ riêng và Hysterisys band

3.1.1 Điều khiển định hướng từ thông rotor RFOC( Rotor Flux Oriented

j s

s s

j s

s s

i i e

θ θ

với : βS là góc giữa vectơ điện áp và trục thực α trong hệ quy chiếu quay stator

εS làø góc giữa vectơ dòng điện và trục thực α trong hệ quy chiếu quay stator

θS làgóc giữa vectơ điện áp stator và trục thực d bất kỳ

Hệ số 2/3 trong phương trình là giá trị bảo tòan công suất khi chuyển đổi 3 pha sang vectơ không gian

Từ phương trình áp động cơ trong hệ quy chiếu bất kỳ 2.57 đến 2.60 ta có:

Hình 3.5 Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ

vớ hệ quy chiếu quay bất kỳ

3.10

3.11

Vectơ từ thông rotor và và vectơ dòng điện stator trong hệ quy chiếu bất kỳ được gắn chặt với vectơ từ thông rotor thể hiện trong hình 3.6

Phương trình momen điện từ lúc này sẽ trở thành như sau:

Phương trình momen 3.12 giống như phương trình từ thông trong động cơ

DC và nó cho thấy rằng nếu từ thông rotor không đổi thì momen sẽ chỉ phụ thuộc và được điều khiển bởi dòng điện trễãân trục ảo của stator

Từ phương trình điện áp 3.7 và điều kiện mới của hệ quy chiếu 3.11 ta tìm được dòng điện rotor như sau:

Tách riêng phần thực và phần ảo ta có hệ sau:

Hình 3.6 Thể hiện sự gắn chặt của hệ quy chiếu quay dq vào vectơ

3.12

3.13

3.14

giá trị từ thông rotor được giữ không đổi thì ta đi đến kết luận rằng momen điện từ tỷ lệ với tần số trượt Nếu giá trị dòng điện trễãân trục thực được giữ không đổi thì momen có thể biến đổi tức thời bằng cách điều khiển tức thời dòng điện trục ảo iqs

Như vậy ta thấy rằng với hệ quy chiếu mới này ta có thể điều khiển từ thông và momen tách biệt và giống như điều khiển động cơ DC có momen tức thời tối

ưu khi giữ từ thông rotor không đổi

Bởi vì động cơ được điều khiển theo định hướng từ thông rotor RFOC có nghĩa là cần điều khiển không đổi từ thông và tối ưu momen trong chế độ tức thời cũng có nghĩa là dòng điện ids được giữ không đổi và isq thay đổi tức thời theo giá trị momen cần thiết Hay nói khác đi, ta cần ta điều khiến động cơ theo

cơ chế cấp điện nguồn dòng ( current fed induction machine )

Ba phương trình 3.12, 3.15, 3.16 cho thấy việc điều khiển riêng từ thông rotor và momen có thể đạt được khi ứng dụng điều khiển cấp dòng ( rotor fed ) và theo hệ quy chiếu mới RFOC, vấn đề khó khăn cho phương pháp này khi mới

ra đời là vấn đề chuyển hệ quy chiếu liên tục và tức thời theo góc quay của động

cơ, như ngày nay do những bộ vi xử lý có tốc độ nhanh và rẽ tiền ra đời nên việc này được giải quyết và trở nên khá thông dụng Hình vẽ 3.7 là sơ đồ điều khiển current-fed trong hệ quy chiếu mới RFOC

Hình 3.8 lược đồ điều khiển động cơ tách rời từ thông và momen theo hệ quy chiếu RFOC và current-fed

3.15 3.16

Hình 3.7 Sơ đồ khối động cơ lý tưởng điều khiển cấp dòng RFOC ( current fed RFOC)

3.1.2 G iới thiệu bộ nguồn áp voltage source inveter(VSI):

Nguồn động lực cấp cho động cơ là bộ nguồn áp VSI 6 khóa bán dẫn như hình vẽ

• Cấu tạo của bộ nghịch lưu gồm 6 khóa bán dẫn, mỗi pha có hai khóa Các diode mắc ngược để bảo vệ quá áp cho khóa.Thực tế có thể dùng IGBT với bộ nguồn có tần số đóng cắt cao hay GTO có tần số đóng cắt thấp hơn

• Bộ nghịch lưu họat động theo phương pháp đóng cắt đối nghịch, tại một thời điểm trễãân cùng một pha chỉ có một khóa được đóng Do vậy, ta có tất Hình 3.9 Bộ nguồn áp( VSI) voltage source inverter

Hình 3.8 Lược đồ điều khiển động cơ tách rời từ thông và momen theo hệ quy chiếu RFOC

và current-fed

cả 8 trạng thái đóng cho bộ nghịch lưu được liệt kê như bản sau Gọi điện áp uA, uB, uC đầu pha tải Như hình vẽ

Giả sử tải đấu dạng sao, gọi các điện áp pha của tải là ua ub và uc, đi tính

các giá trị điện áp pha theo giá trị điện áp một chiều đầu vào nghịch lưu VDC Ta tưởng tượng nguồn DC được chia ra 2 phần bằng nhau, với điểm phân thế nằm ở giữa tụ điện sang phẳng, gọi điểm N là điểm trung tính tải

Như vậy ta có điện áp tính cho các trường hợp đó cắt trong bảng 3.1 như sau:

Gọi Sa, Sb, Sc là các trạng thái đóng cắt của các khóa 1,3,5 tương ứng có giá trị

0 hoặc 1

Bảng 3.1 Các giá trị điện áp chân A, B, C của bộ nghịch lưu

Bảng 3.2 Các giá trị điện áp pha tải của bộ nghịch lưu trong 8 trường

hợp đóng cắt

Các vectơ điện áp được biểu diễn như sau:

3.1.3 Điều khiển bộ nghịch lưu áp theo phương pháp vòng trễ trong hệ quy chiếu αβ :

Để điều khiển bộ nghịch lưu áp cho động cơ không đồng bộ ta dùng phương pháp điều khiển dòng trễ trong hệ quy chiếu αβ Trong thực tế có nhiều lọai điều khiển bộ nghịch lưu theo phương pháp dòng điện như:

- Phương pháp dòng trễ ( Hysteresys controller )

- Phương pháp so sánh ( ramp comperation controller)

a Phương pháp dòng trễ ( Hysteresys controller )

Cấu trúc của bộ so sánh dòng trễ trong hệ quy chiếu stator được thể hiện qua hình 3.11, nguyên lý phương pháp này khá đơn giản giống như đã đề cập trong phần 3.1.1 ứng dụng điều khiển vòng trễ cho động cơ DC

Tín hiệu sai lệch dòng điện so sánh giữa dòng điện thực tế và dòng điện đặt được đưa vào bộ Hysteresys và tín hiệu ra của bộ hysteresys quyết định việc đóng cắt khóa trên pha điều khiển

Ưu điểm của bộ điều khiển dòng trễ là đáp ứng quá độ nhanh, có thể thực hiện dể dàng Nhược điểm là sai số trong quá độ có thể đạt giá trị lớn và tần số đóng cắt thay đổi nhiều phụ thuộc vào giá trị sai lệch cần thiết Do những khuyết điểm này nên phương pháp dòng trễ chỉ được ứng dụng trong tải công suất nhỏ và trung bình

Hình 3.10 Vị trí các vectơ điện áp trong không gian.

Hình 3.11 bộ hysteresys đầu vào là sai số giửa dòng đặt và

b Phương pháp so sánh ( ramp comperation controller)

Tín hiệu dòng sai lệch được hiệu chỉnh qua bộ PI cho ra tín hiệu điện áp đặt sau đó tín hiệu này được so sánh với tín hiệu sóng răng cưa để cho ra tín hiệu đóng cắt cho các switchs Phương pháp này biểu hiện qua hình 3.13

Hình 3.12 Tín hiệu dòng điện và điện áp điều khiển đóng cắt switchs

Hình 3.13 Điều khiển so sánh với khâu hiệu chỉnh PI

3.2 Phương pháp ước lượng từ thông và vị trí của vectơ từ thông rotor

Để áp dụng được phương pháp điều khiển RFOC điều cần là phải biết được vị trí vectơ từ thông và biên độ tức thời của nó, do vectơ dòng điện stator phải được cung cấp chính xác theo yêu cầu và có mối liên quan mật thiết đến vị trí của vectơ từ thông rotor có nhiều phương pháp ước lượng

a Phương pháp ước lượng từ tín hiệu dòng điện stator và từ thông khe hở không khí:

Phương pháp đầu tiên là đo dòng điện stator và từ thông khe hở không khí, để đo được từ thông khe hở, sensor Hall được phát triển và ứng dụng, nhưng nhược điểm lớn của phương pháp này có liên quan đến chính sensor, là giá thành và cấu tạo của động cơ có bị thay đổi không thể ứng dụng cho tất cả các lọai động cơ khi không có slot lắp sensor

Dòng hối tiếp 3 pha được chuyển về hệ quy chiếu αβ:

Hình 3.14 Sóng răng cưa so sánh giá trị điện áp đặt, sau đó cho tín hiệu đóng cắt

các switchs bán dẫn

3.16