Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc bằng phương pháp dtc kết hợp với điều khiển thích ứng mô hình đa biến

CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN usA, usB, uSc Điện áp các pha stator isA, isB, isC Dòng điện các pha stator ψsA, ψ sB, ψ sC Từ thông móc vòng của các pha stator ura, urb, urc Điện áp cá

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Direct Torque Control (DTC) là một công nghệ điều khiển truyền động cơ xoay chiều cao cấp Năm 1995 thì công nghệ này được ABB đưa vào trong sản phẩm ACS600 và ACS1000 Nay công nghệ này cũng được áp dụng rộng rãi cho họ biến tần hạ thế ACS800

Với biến tần sử dụng công nghệ DTC ( ABB) thì moment và tốc độ của động

cơ sẽ được điều khiển trực tiếp dựa trên tình trạng điện từ của motor giống như trường hợp của động cơ một chiều nhưng lại khác với biến tần sử dụng phương pháp PWM là dựa vào tần số và điện áp cấp vào biến tần DTC là công nghệ tiên phong trong điều khiển sự biến thiên của hai yếu tố là moment và từ thông của motor

Luận văn tập trung mô phỏng phương pháp điều khiển DTC động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc với mô hình động cơ lý tưởng (bỏ qua tổn hao sắt từ

và bão hòa từ) và kết hợp với điều khiển thích ứng mô hình đa MRAS (Model Reference Adaptive System)

Phần mở rộng của luận văn là điểu khiển DTC động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc với mô hình động cơ có tổn hao sắt từ (không có phần MRAS)

Matlab được dùng để mô phỏng

Kết quả của hai mô hình này có sự khác nhau

MỤC LỤC

Tóm tắt nội dung luận văn i

Mục lục ii

Các kí hiệu iii

Chương 1

MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 Động cơ không đồng bộ

1.1.1 Giới thiệu động cơ không đồng bộ

1.1.2 Các phương trình toán học mô tả động cơ

1.2 Mô phỏng động cơ không đồng bộ

1.2.1 Các phương trình toán học để mô phỏng động cơ

1.2.2 Thông số động cơ

1.2.3 Kết quả mô phỏng

1.3 Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ( Website ABB)

1.3.1 Phương pháp V/f = const (điều khiển vô hướng)

1.3.2 Phương pháp định hướng từ trường FOC

1.3.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC

Chương 2

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMENT (DTC) ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 2.1 Một số khái niệm chung

2.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment động cơ (DTC)

2.2.1 Kỹ thuật điều khiển trực tiếp moment động cơ

2.2.2 Giải thuật điều khiển DTC của Takahashi

2.3 Mô phỏng

2.3.1 Kết quả mô phỏng

2.3.2 Nhận xét kết quả mô phỏng

2.4 Phân tích cụ thể cho giải thuật DTC

2.5 Điều khiển tốc độ động cơ với giải thuật DTC

2.5.1 Bộ bù PI

2.5.2 Bộ bù PI có AntiWindup

Chương 3

ĐIỀU KHIỂN THÍCH ỨNG MÔ HÌNH ĐA BIẾN (MRAS) 3.1 Điều khiển không cảm biến

3.1.1 Giới thiệu

3.1.2 Nguyên lý của mô hình MRAS

3.2 Kết quả mô phỏng

Chương 4

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMENT (DTC) CÓ TỔN HAO SẮT TỪ 4.1 Giới thiệu

4.2 Mô phỏng động cơ không đồng bộ có tổn hao sắt từ

4.2.1 Mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ

4.2.2 Kết quả mô phỏng

4.2.3 Nhận xét

4.3 Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp DTC có tổn hao sắt từ

4.3.1 Thông số mô phỏng

4.3.2 Kết quả mô phỏng

4.3.3 Nhận xét kết quả mô phỏng

4.4 Điều khiển tốc độ với giải thuật DTC có tổn hao sắt từ

Chương 5

SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HAI PHƯƠNG PHÁP: DTC ĐỘNG CƠ

LÝ TƯỞNG VÀ DTC ĐỘNG CƠ CÓ TỔN HAO SẮT TỪ

5.1 So sánh kết quả mô phỏng động cơ lý tưởng

và động cơ có tổn hao sắt từ

5.2 So sánh kết quả mô phỏng DTC động cơ lý tưởng và DTC động cơ có tổn hao sắt từ

5.3 So sánh kết quả mô phỏng điều khiển vận tốc DTC động cơ lý tưởng và DTC động cơ có tổn hao sắt từ

5.4 Nhận xét chung

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN

usA, usB, uSc Điện áp các pha stator

isA, isB, isC Dòng điện các pha stator

ψsA, ψ sB, ψ sC Từ thông móc vòng của các pha stator

ura, urb, urc Điện áp các pha rotor khi chưa quy đổi

ira, irb, irc Dòng điện các pha rotor khi chưa quy đổi

ψra, ψrb, ψrc Dòng điện các pha rotor sau khi quy đổi

Rs Điện trở các cuộn dây stator

Rr Điện trở của các cuộn dây rotor sau khi quy đổi

Rfe Điện trở thay thế có tổn hao sắt từ

Lls Điện cảm rò các cuộn dây stator

Llr Điện cảm rò các cuộn dây rotor

k

s

u Vector điện áp tổng của stator trong hệ tọa độ k (k=s,r…)

δ Khe hở không khí giữa stator và rotor

Te Moment điện từ trên trục động cơ

J Moment quán tính trên trục động cơ

• Nhân vô hướng giữa hai vector

⊗ Nhân hữu hướng giữa hai vector

1.1 Động cơ không đồng bộ

1.1.1 Giới thiệu động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) đặt biệt là động cơ rotor lồng sóc ngày nay được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp do có nhiều ưu điểm hơn động cơ một chiều (DC) như không đòi hỏi bảo trì thường xuyên, độ tin cậy cao, khối lượng và quán tính nhỏ hơn, giá rẻ hơn và có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc có khả năng cháy nổ Do đó, ĐCKĐB được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hơn so với tất cả các loại động cơ khác

Tuy nhiên, phần lớn ĐCKĐB được sử dụng trong các ứng dụng với tốc độ không đổi, do các phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB trước đây thường đắt hoặc có hiệu suất kém

Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất cao và kỹ thuật vi

xử lý, hiện nay những bộ điều khiển ĐCKĐB đã được chế tạo với đáp ứng cao hơn

và giá thành rẻ hơn các bộ điều khiển động cơ DC Do đó, ĐCKĐB có thể thay thế được động cơ DC trong rất nhiều ứng dụng Dự kiến trong tương lai gần, ĐCKĐB

sẽ được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ

1.1.2 Các phương trình toán học mô tả động cơ

Máy điện không đồng bộ được mô tả bởi hệ phương trình vi phân Các cuộn dây của máy điện có cấu trúc phân bố phức tạp trong không gian Trong mô hình hóa máy điện, ta chấp nhận các điều kiện sau đây:

- 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 hòa của mạch từ

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

Xét máy điện không đồng bộ có P đôi cực Tại thời điểm đang xét, trục pha a của rotor lệch một góc cơ γ R so với trục pha A của stator, tương ứng độ lệch góc điện của rotor so với stator là θr=Pγr

Phương trình điện áp phía stator:

dt

d i R

sA s sA

sB s sB

sC s sC

ra r ra

rb r rb

rc r rc

Từ thông móc vòng ở stator

ra r sr sC s sB s sA s

+M srcos(θr + 2π/ 3 )i rb +M sr cos(θr + 4π/ 3 )i rc (1.7)

ra r

sr sC s sA s sB s

sB L i M i M i M cos(θ 4π/ 3 )i

+M srcosθr i rb +M sr cos(θr + 2π/ 3 )i rc (1.8)

ra r

sr sA s sB s sC s

+M srcos(θr + 4π/ 3 )i sB +M srcos(θr + 2π/ 3 )i sC (1.10)

sA r

sr rc r ra r rb r

rb L i M i M i M cos(θ 2π/ 3 )i

+M srcosθr i sB +M srcos(θr + 4π / 3 )i sC (1.11)

sA r

sr ra r rb r rc r

rc L i M i M i M cos(θ 4π/ 3 )i

+M srcos(θr + 2π/ 3 )i sB +M srcosθr i sC (1.12) Kết hợp các phương trình từ (2.1) đến (2.12), phương trình điện áp stator và rotor được viết lại như sau:

+ +

+ +

r r r

r sr

sr sr

r r

r r

sr sr

sr

r r

r r sr

sr sr

sr sr

sr s

s s

s

sr sr

sr s

s s s

sr sr

sr s

s s

L p R M

p M

p M

p M

p M

p

M p L

p R M

p M

p M

p M

p

M p M

p L

p R M

p M

p M

p

M p M

p M

p L p R M

p M

p

M p M

p M

p M

p L

p R M

p

M p M

p M

p M

p M

p L

θ

θ θ

θ

θ θ

θ

θ θ

θ

θ θ

θ

θ θ

θ

cos cos

cos

cos cos

cos

cos cos

cos

cos cos

cos

cos cos

cos

cos cos

cos

1 2

2 1

1 2

2 1

1 2

2 1

(1.13)

9 Các phương trình vector không gian trong hệ tọa độ stator

Trong mặt phẳng cắt vuông góc với trục động cơ, ta thiết lập một truc tọa độ (Oαβ) có tâm O và O thuộc trục động cơ, trục Oα trục thực trùng với trục pha A của stator Trục ảo (Oβ) vuông góc với trục thực Hệ trục tọa độ (Oαβ) gắn với stator động cơ

Giả sử cuộn dây stator được cấp nguồn từ hệ thống điện áp xoay chiều ba pha cân bằng với tần số góc ωs (ωs=2 πfs) Tổng dòng điện trên mỗi pha stator isA, isB

và isC của động cơ không nối điểm trung tính:

) 3 2 cos(

) 0 sin(

) 0 cos(

( 3 2

ππ

ππ

j i

j i

j i

i

sC

sB sA

s

+ +

+ +

s

i i

i i

i

2

32

30

2

12

113

2β

sB

sA

i

i i

i

i

2

3 2

1 2

3 2 1

0 1

(1.17)

Vector không gian điện áp stator và rotor

dt

d i R u

s s s s s

r r r

r r

Thay (2.7), (2.8), (2.9) vào (2.20) ta được

s r m s s

j r m s s

s =L i +L i e θr =L i +L i

Tương tự vector không gian từ thông rotor là:

r s m r r

j s m r r

9 Khảo sát trong hệ tọa độ stator

Phương trình vector không gian điện áp stator

dt

d i R u

s s s s s

i R e

j s r j

s r r j s

r

θ θ

−

r r

r r

r

j s r j

s r j

r s r j

s r j

s

dt

d e

dt

d j e

dt

d dt

e

Thay vào (2.19) ta được vector không gian điện áp rotor trong hệ tọa độ

stator là:

s r r

s r r

s

dt

d i R

Vector không gian từ thông stator và rotor

s r m

s s s

s

s = L i +L i

s s m

s r r

j r

Phương trình điện áp stator

dt

di L dt

di L i R u

s r m

s s s

s s s

di L i R u

s r m

s s s

s s s

s

s

β β

β

β = + + (1.28) Tương tự cho điện áp rotor

s r r

s r r

s r r

s s m

s s m

s

dt

di L i R i L dt

di L

α β

α

α = +ω + + +ω (1.29)

dt

di L i R i L dt

di L i L u

s r r

s r r

s r r

s s m

s s m

s

r

β β

α

β α

β =−ω + −ω + + (1.30) Các phương trình điện áp có thể được viết lại như sau

s r

s s

s s

r r r

m m

r

r r m

m

m s

s

m s

s

r r

s r

s s

s s

i i i i

dt

dL R L dt

dL L

L dt

dL R L

dt

dL 0

dt

dL R 0

0 dt

dL 0

dt

dL R

β α β α

ωω

ω

hoặc biến đổi thành

s r

s s s

s m

s m

m r

m r

s r

s r

s s s

s r r

s m

s m s

r s s

r m s m

s

m r m r r

s 2 m

r r m

r 2

m r

L 0 L 0

0 L 0 L

L 0 L 0

0 L 0 L

i i i i

L R L

L L

R L L

L L L

R L L L

R

L R L L L

R L

L L L

R L

L R L

β α β α

ω ω

ω ω

ω ω

(1.32)

m r

s L L L

Lσ = − là điện cảm tương hỗ

Phương trình moment

dt

d P

J T

) i Im(

P 5 1

Te = sψ*s (1.34)

r m

s s s

[2

r m

s s s

s s

s r m

s s s

s s

s r

s s m

T = β α − α β (1.36) Các phương trình (1.18), (1.23), (1.25) và (1.26) mô tả mạch điện trên hình 1.2 đặc trưng mô hình động của động cơ không đồng bộ

Hình 1.2 Mạch điện động tương đương của động cơ KĐB

jwrψr

1.2 Mô phỏng động cơ không đồng bộ

1.2.1 Các phương trình toán học để mô phỏng động cơ

s r

s s

s s

s m

s m

m r

m r

s r

s r

s s

s s

s r r

s m

s m s

r s s

r m s m

s

m r m r r

s 2 m

r r m

r 2

m r

L 0 L 0

0 L 0 L

L 0 L 0

0 L 0 L

i i i i

L R L

L L

R L L

L L L

R L L L

R

L R L L L

R L

L L L

R L

L R L

β α β α

ω ω

ω ω

ω ω

(1.32)

)(

2

r

s s

s r

s s m

s s

s

s i i i T i

P J

P

dt

d

)(

2

3

β α α β

1.2.3 Kết quả mô phỏng

Thời gian mô phỏng là 2s, bước mô phỏng 1µs, phương pháp tính ode5, động

cơ được mô phỏng trong hai trường hợp: không tải và tải định mức Hình ,tại 0.2669 s vận tốc động cơ đạt vận tốc định mức, tại thời điểm này ta cho tải định mức vào động cơ

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Tu thong theo truc Alpha (Wb)

Tu thong theo truc Alpha (Wb)

Biên độ từ thông stator (Wb) 1.366 0.9898 1.365 0.9492

Hình 1.14 isa

1.3 Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ (trang web ABB)

1.3.1 Phương pháp V/f = const (điều khiển vô hướng)

Các đặc trưng:

- Biến điều khiển là điện áp và tần số

- Sử dụng bộ điều chế độ rộng xung

- Thông thường điều khiển dạng vòng hở

- Từ thông được giữ không đổi bằng cách giữ V/f = const

Ưu điểm:

- Đơn giản, không cần hồi tiếp

- Rẻ tiền

Nhược điểm:

- Không điều khiển tối ưu được moment

- Không điều khiển trực tiếp được moment và từ thông stator

- Đảm bảo moment ở vận tốc zero

- Tương tự như điều khiển động cơ DC

Nhược điểm:

- Phải có hồi tiếp tốc độ trong giải thuật điều khiển

- Chuyển đổi hệ quy chiếu liên tục

- Cần phải điều chế độ rộng xung, phụ thuộc vào bộ điều khiển dòng và tham

- Định hướng được từ thông do đó tối ưu được moment

- Điều khiển trực tiếp moment và từ thông

- Không cần bộ hồi tiếp tốc độ, moment, từ thông lấy trực tiếp từ hệ quan sát

- Không cần các bộ điều khiển dòng điện, các bộ điều chế độ rộng xung, khâu chuyển hệ tọa độ (biến đổi Park)

- Tính động cao

- Thời gian tính toán nhanh

- Ít phụ thuộc tham số động cơ

2.1 Một số khái niệm chung

9 Biến thiên của từ thông stator

Từ phương trình cân bằng điện áp (1.18)

dt

d i R u

s s s s s

s

s u dt

9 Biến thiên của từ thông rotor

Theo công thức về từ thông stator và rotor (1.25) và (1.26)

s r m

s s s

s

s = L i +L i

ψ

r s m

s r r

L

1

s m

s r r

s

Thế vào (2.25)

s r r

m s s s r s

2 m s

s m

s r r

m s s s

s

s

L

L i L ) L L

L 1 ( ) i L (

L

L i

L L

L 1 (

r s

2 m

L (

L

1 i

L

L i L

s r r

m s s s

s

s

s r r

m s s s

s

s

ψψ

σ

ψσ

Theo phương trình (2.24) viết cho các vector không gian rotor:

0 dt

d j

i R u

s r s

r r

s r r

) i L (

L

R 0

s r s r r

s s m

s r r

)) L

L ( L

L (

T

1 0

s r s r r

s s

s r r

m s

m s r r

ψψ

ωψ

ψσ

=

s s r r r

s

m s

r

T j sT 1

L

L

ψσωσ

ψ

−+

Biểu thức trên cho thấy từ thông rotor phụ thuộc vào từ thông stator, hàm truyền là khâu quán tính bậc nhất (s là toán tử Laplace) tức từ thông rotor thay đổi theo từ thông stator nhưng chậm hơn Với hằng số thời gian rotor thường khá lớn, nếu xét trong khoảng thời gian rất ngắn có thể coi từ thông rotor không đổi khi từ thông stator thay đổi

9 Biến thiên của điện áp stator

Điện áp cấp từ một biến tần gồm 6 khóa bán dẫn lý tưởng gồm tám tổ hợp tạo thành vector zero và sáu tổ hợp tạo thành sáu vector là các đỉnh của lục giác đều trong không gian

9 Biến thiên của moment

Phương trình moment (1.36) thu được:

) i i i i ( PL 5 1

r

s s

s r

s s m

Theo phương trình (3.2)

) L

L (

L

1

r r

m s s s

) L

L (

L

1

r r

m s s s

L (

L

1

r r

m s s s

( P 5 1

s

s s

s s

s s

e = ψ α β −ψ β α

)) L

L (

) L

L (

)(

L

1 ( P 5 1

r r

m s s

s s

s r r

m s s

s s s

=

) )(

L

L )(

L

1 ( P 5 1

r

s s

s r

s s r

m s

=

) )(

L

L )(

L

1 ( P 5 1

s

s s r

m s

=

) sin(

) L

L )(

L

1 ( P 5 1

s

s r r

m s

2.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment động cơ (DTC)

Từ (2.6), moment của động cơ phụ thuộc vào tích biên độ vector từ thông stator, rotor và sin của góc lệch pha giữa hai vector Vector từ thông rotor biến thiên theo từ thông stator nhưng chậm hơn do giá trị thời hằng giao động của mạch rotor khá lớn Trong một khoảng thời gian rất nhỏ (tính bằng vài µs đến vài chục µs ) có thể coi như vector từ thông rotor không thay đổi khi vector từ thông stator thay đổi

Sự thay đổi của vector từ thông stator phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp stator

Như vậy biến thiên của moment động cơ phụ thuộc vào biến thiên của vector điện áp stator

2.2.1 Kỹ thuật điều khiển trực tiếp moment động cơ

Dựa trên tính chất từ thông stator và moment động cơ phụ thuộc vào sự biến thiên của vector điện áp stator, kỹ thuật này điều khiển trực tiếp moment và từ thông stator yêu cầu bằng cách tổng hợp một vector điện áp thích hợp thông qua một bảng đóng cắt ( Takahashi, 1986 )

Để thực hiện được điều này, mặt phẳng phức được chia thành sáu sector giống nhau giới hạn mỗi sector là

3

π

mô tả như trong hình (2.1), tại thời điểm thực hiện giải thuật DTC, căn cứ vào các thông số vị trí tức thời của vector điện áp stator tại sector nào trong mặt phẳng phức, yêu cầu thay đổi của moment và từ thông stator, giải thuật DTC sẽ chọn một trong tám tổ hợp đóng cắt nhằm tổng hợp được vector điện áp stator tối ưu

9 Khi vector từ thông stator nằm trong sector thứ nhất (I)

Khi vector từ thông stator thuộc sector thứ nhất, có tám khả năng được xem xét chọn tổ hợp đóng cắt cho bộnghịch lưu, trong đó:

- Nếu tổ hợp được chọn tổng hợp vector V1, biên độ của vector từ thông tăng lên, vector từ thông quay ngược, giảm độ lệch pha giữa vector từ thông stator

và vector từ thông rotor

- Nếu tổ hợp được chọn tổng hợp vector V6, biên độ của vector từ thông tăng lên (nhỏ hơn so với tổng hợp vector V1, vector từ thông quay ngược, giảm độ lệch pha giữa vector từ thông stator và vector từ thông rotor, độ lệch này giảm nhiều hơn so với tổng hợp vector V1

- Nếu tổ hợp được chọn tổng hợp vector V2, biên độ của vector từ thông tăng lên (nhỏ hơn so với tổng hợp vector V1, vector từ thông quay thuận, tăng độ lệch pha giữa vector từ thông stator và vector từ thông rotor

- Nếu tổ hợp được chọn tổng hợp vector V3, biên độ của vector từ thông giảm

đi, vector từ thông quay thuận, tăng độ lệch pha giữa vector từ thông stator

và vector từ thông rotor

- Nếu tổ hợp được chọn tổng hợp vector V4, biên độ của vector từ thông giảm

đi (nhiều hơn so với tổng hợp vector V3, vector từ thông quay thuận, tăng độ lệch pha giữa vector từ thông stator và vector từ thông rotor, độ lệch này tăng

ít hơn so với tổng hợp vector V3

- Nếu tổ hợp được chọn tổng hợp vector V5, biên độ của vector từ thông giảm

đi (ít hơn so với tổng hợp vector V4, vector từ thông quay ngược, giảm độ lệch pha giữa vector từ thông stator và vector từ thông rotor, độ lệch này giảm tương đương với tổng hợp vector V6

- Nếu tổ hợp được chọn tổng hợp vector V0 (000) hay V7 (111), biên độ của vector từ thông suy giảm nhẹ do sụt áp trên thành phần điện trở stator,

Hình 2.2 Minh hoạ việc tổng hợp vector từ thông stator khi vector

từ thông stator thuộc sector I

moment động cơ suy giảm nhẹ do rotor vẫn quay theo quán tính khi vector từ thông stator đứng yên

Moment động cơ phụ thuộc vào góc lệch giữa vector từ thông stator và rotor, ta có các bảng tóm tắt sau

s

) 0 (

T e ω > ↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↓↓ ↓↓ ↓ nhẹ ↓ nhẹ

) 0 (

(

) 0

(

) 0

(

T e ω > ↑ ↓↓ ↓↓ ↓ ↑ ↑↑ ↓ nhẹ ↓ nhẹ

) 0

(

T e ω< ↓ ↑↑ ↑↑ ↑ ↓ ↓↓ ↓ nhẹ ↓ nhẹ

9 Khi vector từ thông stator nằm trong sector thứ nhất ( V )

s

) 0 (

T e ω > ↑↑ ↓ ↓↓ ↓ ↑ ↑↑ ↓ nhẹ ↓ nhẹ

) 0 (

T e ω > ↑↑ ↑↑ ↓ ↓↓ ↓↓ ↑ ↓ nhẹ ↓ nhẹ

) 0 (

T e ω < ↓↓ ↓↓ ↑ ↑↑ ↑↑ ↓ ↓ nhẹ ↓ nhẹ

9 Nhận xét về sự biến thiên của vector từ thông stator và moment

Căn cứ vào sáu bảng tổng kết bên trên, một kết quả chung (chiều quay thuận

là chiều kim đồng hồ) có thể rút ra kết luận như sau:

Khi vector từ thông stator thuộc sector K:

- Khi vector từ thông stator đang ở srctor thứ k, việc chọn đóng cắt các vector điện áp Vk-1 Vk Vk+1 sẽ làm tăng biên độ vector từ thông stator, các vector điện áp Vk+2 Vk+3 Vk-2 sẽ làm giảm biên độ vector từ thông stator khi được chọn đóng,việc tăng hay giảm nhiều hay ít phụ thuộc vào vector cụ thể được chọn

- Việc chọn đóng các vector điện áp Vk+1 và Vk+2 làmtăng moment, các vector điện áp Vk-1 và Vk-2 làm giảm moment động cơ khi được chọn đóng Khi đóng các vector điện áp Vk và Vk+3 (còn gọi là vector hướng tâm) tác dụng tăng hay giảm moment phụ thuộc vào vi trí của sector trong mắt phẳng lục giác

- Đóng các vector zero làm giảm nhẹ từ thông và moment

Sector Tăng ψs Giảm ψs Tăng T Giảm e T e Giảm nhẹ

2.2.2 Giải thuật điều khiển DTC của Takahashi

Giải thuật này ra đời năm 1986 bởi giáo sư Takahashi, hiện nay được tập đoàn ABB thương mại hóa

Các yêu cầu có thể cho việc điều khiển đông cơ:

- Tăng từ thông ( biên độ ) và tăng moment

- Tăng từ thông ( biên độ ) nhưng không tăng cũng không giảm moment

- Tăng từ thông ( biên độ ) nhưng giảm moment

- Giảm từ thông ( biên độ ) nhưng tăng moment

- Giảm từ thông ( biên độ ) nhưng không tăng cũng không giảm moment

- Giảm từ thông ( biên độ ) và giảm moment

Hình 2.4 Nguyên lý điều khiển từ thông và moment của Takahashi (Vas, 1998)

Để mô phỏng hình 2.4 , ta phải tìm hiểu các khối trong hình vẽ

9 Bộ so sánh từ thông và moment

1

0 2HBψ

Hình 2.5 Bộ so sánh từ thông và moment (Bimal K.Bose)

ψ ψ

ψ ψ

ψ

ψ

HB E

, 0 d

HB E

, 1 d

Te

Te Te

Te Te

HB E

HB

- , 0 dTe

HB E

, 1 dTe

HB E

, 1 dTe

Bộ so sánh

từ thông

Bảng đóng cắt

Bộ nghịch lưu

Bộ so sánh moment

Bộ ước lượng từ thông và moment

M 3~

Vị trí của ψs

Điện áp và Dòng điện từ motor

-9 Bảng đóng cắt tối ưu

Theo Takahashi, khi vector từ thông stator đang ở sector k:

- Nếu có yêu cầu tăng biên độ từ thông, các vector điện áp Vk+1 và Vk-1 được

chọn, khi có yêu cầu giảm biên độ từ thông, các vector điện áp Vk+2 và

Vk-2 được chọn

- Khi có yêu cầu tăng moment, các vector điện áp Vk+1 và Vk+2 được chọn,

khi có yêu cầu giảm moment, các vector điện áp Vk-1 và Vk-2 được chon

- Các vector zero được chọn khi không cần tăng hay giảm từ thông hoặc

moment, điều này làm cho từ thông và moment suy giảm chậm theo thời

gian, việc chọn các vector zero cần dựa trên nguyên tắc tối ưu tần số đóng

cắt cho các khóa bán dẫn, cụ thể với các vector lẻ gồm V1(100), V3(010),

V5(001), chọn vector zero để chuyển mạch là vector V0(000) Với các vector

chẵn gồm V2(110), V4(011), V6(101), vector zero V7(111) được chon để

chuyển mạch

Bảng Đóng cắt tối ưu theo Takahashi

Khai triển bảng đóng cắt tối ưu cho sáu sector, ta được bảng đóng cắt như

sau:

Theo bảng đóng cắt cụ thể khai triển trên, ta thấy có sáu khả năng xảy ra cho

tổ hợp yêu cầu về từ thông và moment, tương ứng với sáu khả năng này là sáu khả năng chọn tổ hợp đóng cắt theo vị trí của vector từ thông sttor khi nó nằm tại một trong sáu sector trong không gian Như vậy ta có tham chiếu bảng 6 hàng và 6 cột

Bảng tham chiếu bảng cho các pha

Bảng phân tích cụ thể cho bảng đóng cắt pha A

SWa Index

Bảng phân tích cụ thể cho bảng đóng cắt pha C

SWc Index

9 Bộ ước lượng từ thông và moment

Các phương trình toán học để ước luợng từ thông, moment, vị trí sector (k) là góc θ và tần số stator

2.3 Mô phỏng

2 s s 2 s s

s (ψ α ) (ψ β )

) (

s

s s 1

2

r

s s

s r

s s m

) (

s

s s 1

ψ ψ

ψ ψ ψ ψ θ ω

β α

α β β α

2 f

) ( ) (

dt

d dt

d dt d

s s

2 s 2 s

s s s s s

INDUCT ION MOTOR

- Hysteresis band của từ thông bằng ±1 % từ thông đặt

- Hysteresis band của moment bằng ±1 % moment định mức

-50 0 50 100 150 200 250 300 350

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -1

0.2 0.2001 0.2002 0.2003 0.2004 0.2005 0.2006 0.2007 0.2008 0.2009 0.201 -10

2.3.2 Nhận xét kết quả mô phỏng

Vận tốc: lúc khởi động, yêu cầu tăng từ thông và moment, các vector thuận

được chọn liên tục, tại 0.55 s nếu ta không đóng tải tốc độ rotor sẽ tiếp tục tăng

theo phương trình cân bằng moment (1.33)

Moment: đạt giá trị định mức rất nhanh khoảng 0.01 s, tại thời điểm 0.7 s ta

giảm moment tải và moment đặt, moment điện ngay thời điểm này lớn hơn tổng

moment tải và hysteresis band Torque (dTe= -1), thực hiện điều khiển đóng các

vector ngược làm giảm moment động cơ Tại thời điểm rotor đạt tốc độ định mức,

các vector zero được chọn làm suy giảm moment rất lớn, nó chính là nguyên nhân

tạo ra dao động lớn của moment ở vùng tốc độ cao

Từ thông: dao động lúc khởi động

Dòng điện: dòng khởi động rất cao

2.4 Phân tích cụ thể cho giải thuật DTC

Phương trình biến thiên của từ thông stator và rotor

s r r

m s

s s s s

s s s

s s

L

L L

R L

R u dt

σ

ψσ

s s r s m

s

T

1 j

( ) T

1 L

L ( dt

σωψ

σ

ψ

−+

Biến thiên của từ thông trong một khoảng ∆t có thể viết lại theo dạng rời rạc

như sau:

t dt

) k ( s s

) k ( s

s

) 1 k (

t dt

) k ( r s

) k ( r

s

) 1 k (

R

L

T = là thời hằng stator, thu được công thức sau:

t u t L

L T

1 )

t T

1 1

) k ( s r

m s

s ) k ( r s

s ) k ( s

s

) 1 k (

σψΔσψ

) t ) T

1 j

( 1 ( t

) T

1 L

L (

r r

s ) k ( r r

s

m s ) k ( s

s

) 1 k (

σωψ

Δσ

ψ

Theo công thức (2.11) và (2.12), từ thông rotor không chịu tác động trực tiếp của điện áp stator mà chịu ảnh hưởng gián tiếp thông qua từ thông stator Trong phương trình tính từ thông stator, có thể thấy rằng khi áp dụng vector zero, từ thông stator bị suy giảm bởi thành phần sụt áp trên điện trở stator, khi bỏ qua các tổn hao trên thành phần điện trở stator, công thức (2.11) trở thành dạng mô tả biến thiên của từ thông stator theo các vector điện áp, là lý thuyết dùng để áp dụng giải thuật DTC:

t

) k ( s

s ) k ( s

s

) 1 k (

Theo phương trình (3.6) về moment:

s s

s r r

m s

L

L )(

L

1 ( P 5 1

s ) 1 k ( r r

m s )

1 k

(

L

L )(

L

1 ( P 5 1

Thế (3.11) và (3.12) vào (3.13):

t u t L

L T

1 )

t T

1 1 ( (

)) t ) T

1 j

( 1 ( t

) T

1 L

L ( )(

L

L )(

L

1 ( P 5 1 T

s ) k ( r

m s

s ) k ( s

s ) k (

r r

s ) k ( r

s

m s ) k ( r

m s )

1 k

(

e

ΔΔ

σψΔσψ

Δσωψ

Δσ

ψσ

++

−

⊗

−+

) T

1 j

(

t T

1 )(

L

L )(

L

1 ( P 5 1 T

s ) k (

s ) k ( r

r

s ) k (

s ) k (

s

s ) k (

s ) k (

s ) k (

s ) k ( r

m s )

1 k

(

e

Δψ

Δσωψ

ψ

Δσψψ

ψψ

σ

⊗+

−

⊗+

L

L )(

L

1 ( P 5 1

t j T t ) T

1 T

1 ( T T T

s ) k (

s ) k ( r

m s

r ) k ( e r

s ) k ( e ) k ( e ) 1 k

(

e

Δψ

σ

ΔωΔ

σσ

⊗+

++

−

=

+

(2.14)