Điều khiển động cơ không đồng bộ sử dụng bộ biến đổi ma trận

Việc sử dụng MC để điều khiển mômen trực tiếp động cơ không đồng bộ là phương pháp kết hợp các ưu điểm của MC với sơ đồ DTC, FOC là rất linh hoạt, ổn định, đặc tính điều khiển hiệu quả c

ĐOÀN QUỐC HƯNG

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ

DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI MA TRẬN

Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2010

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS LÊ MINH PHƯƠNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I - TÊN ĐỀ TÀI

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG BỘ

BIẾN ĐỔI MA TRẬN

II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

- Nghiên cứu các phương pháp điều chế cho bộ biến đổi ma trận

- Xây dựng mô hình và viết chương trình mô phỏng trên phần mềm Matlab

III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/01/2010

IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2010

V - HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LÊ MINH PHƯƠNG

QL CHUYÊN NGÀNH

Tôi xin kính gởi đến Thầy TS Lê Minh Phương lời biết ơn sâu sắc nhất

Thầy đã dành nhiều thời gian quý báu trực tiếp hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi cũng như cho tôi những lời khuyên bổ ích, giúp tôi hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô ở trường Đại học Bách Khoa, là những người truyền đạt kiến thức, định hướng nghiên cứu; đồng thời tôi cũng xin cảm ơn Ban Giám hiệu và các đồng nghiệp tại trường CĐ Kinh tế-Kỹ thuật Kiên Giang đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi được tập trung học tập tại trường

Tôi cũng nhận được sự giúp đỡ của các bạn cùng khóa, cùng lớp Các bạn đã đóng góp cho tôi những ý kiến và những tài liệu giá trị Xin gởi đến các bạn lời cảm

ơn chân thành của tôi

Cuối cùng, tôi xin kính gởi đến gia đình lòng biết ơn chân thành, sâu sắc nhất: Gia đình, Cha Mẹ, anh chị em, vợ và các con đã động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

TP HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2010

Đoàn Quốc Hưng

Thực hiện: Đoàn Quốc Hưng

Matrix Converter (MC) có những đặc tính lý tưởng là: Mạch công suất gọn

và đơn giản; tạo ra điện áp tải với biên độ và tần số bất kỳ; dòng điện ngõ vào ra dạng sin; hoạt động với hệ số công suất duy nhất cho các loại tải; và có khả năng tái sinh, MC có thể trở thành sự thay thế rất tốt cho các loại biến tần truyền thống Tuy nhiên nó vẫn còn một số hạn chế: Giải pháp đóng cắt phức tạp; Các khoá hai chiều không có sẵn trong thực tế; Tỉ số truyền còn hạn chế; Việc quyết định giải pháp điều chế rất khó khăn Việc sử dụng MC để điều khiển mômen trực tiếp động cơ không đồng bộ là phương pháp kết hợp các ưu điểm của MC với sơ đồ DTC, FOC

là rất linh hoạt, ổn định, đặc tính điều khiển hiệu quả cao và đạt được tỉ số truyền điện áp cao, nhưng việc áp dụng sơ đồ điều khiển rộng rải vào các ứng dụng thực tế vẫn cần tiếp tục nghiên cứu

Luận văn được chia thành năm chương với nội dung như sau:

 Chương 1: Giới thiệu các nghiên cứu và tình hình phát triển của bộ biến đổi ma trận hiện nay, những ưu nhược điểm của bộ biến đổi ma trận so với các loại biến tần truyền thống, đồng thời nêu lên các vấn đề sẽ được nghiên cứu trong luận văn này

 Chương 2: Khảo sát cơ sở thành lập mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ ba pha, nêu ra được mối quan hệ giữa các đại lượng trong động cơ như: điện áp, dòng điện, từ thông, moment, tốc độ…, trên cơ sở đó có thể vận dụng vào việc điều khiển động cơ và sẽ được trình bày trong chương 3

 Chương 3: Trình bày các phương pháp điều khiển động cơ KĐB: các khái niệm, phân loại, phương pháp điều khiển, mô hình điều khiển và nêu lên được ưu-nhược điểm của các phương pháp điều khiển: Điều khiển V/F; Điều khiển định

 Chương 4: Giới thiệu các bộ biến đổi tần số AC/AC, sơ đồ cấu trúc, nguyên lý cơ bản, phương trình về các đại lượng đầu vào – ra, các phương pháp điều chế, ưu - nhược trong từng phương pháp, trong đó phần nghiên cứu về điều chế vector không gian gián tiếp cho bộ biến đổi ma trận được trình bày chi tiết: Vector không gian được thực hiện trên cả hai phần VSR (Voltage Source Rectifier) và VSI (Voltage Source Inverter) của MC Cách tính dòng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra; tính toán thời gian đóng ngắt; chỉ ra được qui luật đóng ngắt cho các khoá; đưa ra kết quả mô phỏng bộ biến đổi ma trận trên phần mềm Matlab, có so sánh kết quả với bộ MC điều chế bằng kỹ thuật sóng mang

 Chương 5: Trong phần này đưa ra mô hình mô phỏng sử dụng bộ MC (điều chế bằng phương pháp vector không gian gián tiếp) điều khiển động cơ KĐB theo phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp và các kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab

3.3.2 Nguyên tắc điều khiển của DTC 31

3.4.1 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông 40

roto trực tiếp-DRFOC 3.4.2 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông 44

roto gián tiếp-IRFOC

4.1.1 Bộ biến đổi tần số nguồn điện AC/AC gián tiếp 47

4.1.2 Bộ biến đổi tần số nguồn điện AC/AC trực tiếp 48

4.3.1 Phương pháp điều chế Venturini 52 4.3.2 Phương pháp điều chế Venturini cải biến 54

4.3.3Phương pháp điều chế Vô hướng 54

(Scalar modulation menthod) 4.3.4 Phương pháp điều chế sóng mang 55

(Direct duty PWM) 4.3.5 Phương pháp điều chế Vector không gian 58

4.3.5.1 Điều chế vector không gian điện áp 59

ngõ ra (VSI Output Voltage SVM) 4.3.5.2 Điều chế vector không gian dòng điện 62

ngõ vào (VSR input Current SVM) 4.3.5.3 Điều chế vector không gian 63 dòng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra

(MC Output Voltage and input Current SVM)

4.4.1 Giải thuật lập trình 70

4.4.2.1 Khối nguồn ba pha 71

5.2.3 Thay đổi tải khi tốc độ không đổi 97

CÁC KÝ HIỆU

Ta thống nhất một số quy ước cho các ký hiệu của đại lượng và thông số của động cơ như sau:

- Trục chuẩn được quy ước là trục của cuộn dây pha A

- Ký hiệu mũi tên là vector 2 chiều

- Ý nghĩa của các vị trí ký hiệu của đại lượng như sau:

Chỉ số nhỏ góc phải trên:

độ dq )

của rotor

Chỉ số nhỏ góc phải dưới:

Chữ cái đầu tiên:

Chữ cái thứ 2:

- Các đại lượng của động cơ KĐB 3 Pha

ωs tốc độ góc của từ thông stator so với stator (ωs = ω + ωsl)(rad/s)

ωr tốc độ góc của từ thông rotor so với stator (ωr ≈ ωs) (rad/s)

ωsl tốc độ góc của từ thông rotor so với rotor (tốc độ trượt) (rad/s)

θ’ góc của trục d (hệ toạ độ quay bất kỳ) trong hệ toạ độ αβ (rad)

- Các thông số của ĐCKĐB ba pha:

Rr điện trở rotor đã qui đổi về stator (Ω)

- Các thông số định nghĩa thêm:

Ls = Lm + Lσs điện cảm stator

Lr = Lm + Lσr điện cảm rotor

s s

s

LT

R

r r

r

LT

R

2 m

s r

L1

L L

   hệ số từ tản tổng

- Các đại lượng viết bằng chữ thường, chữ hoa:

Chữ thường: Đại lượng tức thời, biến thin theo thời gian, đại lượng là

các thành phần của các vector

Chữ hoa: Đại lượng vector, module của vector, độ lớn

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

TrangHình 2.1 Sơ đồ chi tiết động cơ không đồng bộ 18

Hình 2.3 Mạch tương đương của động cơ KĐB 19

Hình 3.1 Biểu đồ phân loại các phương pháp điều khiển động cơ 26 Hình 3.2 Quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số 29

Hình 3.3 Sơ đồ khối phương pháp v/f vòng hở 30

Hình 3.4 Mô hình khối so sánh các phương pháp điều khiển động cơ 31 Hình 3.5 Mạch tương đương của động cơ KĐB 32 Hình 3.6 Mô hình bộ điều khiển DTC đơn giản 33

Hình 3.7 Đồ thị thể hiện các khoảng chia góc 35

Hình 3.8 Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển định hướng trường 38

Hình 3.10 Hệ tọa độ từ thông rotor 40 Hình 3.11 Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp 41 Hình 3.12 Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp 45 Hình 4.1 Phân loại bộ biến đổi tần số AC/AC 46 Hình 4.2 Biến đổi tần số nguồn điện gián tiếp AC/AC 47 Hình 4.3 Sơ đồ cơ bản bộ biến đổi ma trận 49

Hình 4.8 3   3  MC: (a) i nằm ở sector thứ I của rectifier hexagon iPh 59

(b) v nằm ở sector thứ I của inverter hexagon 0L

Hình 4.10 Tổng hợp vector điện áp dây ra VSI 61

Hình 4.12 3   3  MC: (a) i nằm ở sector thứ I của rectifier hexagon iPh 67

(b) v nằm ở sector thứ II của inverter hexagon 0L

Hình 4.13 Tổng hợp điện áp dây ngõ ra MC 67 Hình 4.14 3   3  MC: (a) i nằm ở sector thứ I của rectifier hexagon iPh 67

(b) v nằm ở sector thứ II của inverter hexagon 0L

Hình 4.15 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi ma trận 3x3 71

Hình 4.17 Sơ đồ khối bộ biến đổi ma trận 72

Hình 4.19a Khối biến đổi điện áp vào a,b,c sang α,β 73

Hình 4.19b Khối biến đổi điện áp ra a,b,c sang α,β 73

Hình 4.20a Khối tính toán góc pha điện áp vào 74

Hình 4.20b Khối tính toán góc pha điện áp ra 74

Hình 4.21 Khối tạo xung kích cho khối biến đổi ma trận 74

Hình 4.24-4.29 Kết quả dạng sóng áp ra của bộ biến đổi ma trận 77-82

Hình 5.1 Sơ đồ mô phỏng điều khiển động cơ KĐB theo RFOC 84

Hình 5.2 Mô hình khối nguồn ba pha 84

Hình 5.4 Mô hình khối Matrix Converter 85

Hình 5.8 Mô hình khối biến đổi điện áp-dòng điện stator động cơ hệ abc-αβ 87 Hình 5.9 Công thức 2.64 biểu diễn trong khối Fcn3 và Fcn4 88 Hình 5.10 Sơ đồ khối ước lượng từ thông roto 88 Hình 5.11 Giá trị cài đặt khối chuyển dq-abc 89 Hình 5.12 Sơ đồ khối động cơ không đồng bộ ba pha 89 Hình 5.13 Sơ đồ các khối thực hiện hệ phương trình (2.29) 90

Hình 5.14 a Khối biến đổi điện áp Va , Vb , Vc sang Vds , Vqs 90

b Khối biến đổi dòng điện ids , iqs sang ia , ib , ic

Hình 5.15-5.35 Kết quả dạng sóng điện áp-dòng diện-moment-vận tốc 91-101

roto động cơ điều khiển theo phương pháp FOC

Chương 1

TỔNG QUAN

Trong những đặc tính mong muốn nhất trong các bộ biến đổi công suất là: Mạch công suất gọn và đơn giản; tạo ra điện áp tải với biên độ và tần số bất kỳ; dòng điện ngõ vào ra dạng sin; hoạt động với hệ số công suất duy nhất cho các loại tải; và có khả năng tái sinh Các đặc điểm lý tưởng này có thể được thực hiện bằng Matrix Converter (MC) MC có những ưu điểm hơn so với các biến tần khác (Inverter) đó là một biến tần chuyển mạch cưởng bức mà nó sử dụng một dãy các khoá hai chiều điều khiển như những phần tử công suất chính để tạo ra một hệ thống điện áp ra thay đổi với tần số không hạn chế; Điều khiển dòng điện ngõ vào

và điện áp ngõ ra hình sin; MC không có mạch một chiều và củng không cần bất kỳ phần tử tích trữ năng lượng lớn nào; Hoạt động với hệ số công suất ngõ vào bằng 1 đối với bất kỳ tải nào Tuy nhiên nó vẫn còn một số hạn chế: Giải pháp đóng cắt phức tạp; Các khoá hai chiều không có sẵn trong thực tế; Tỉ số truyền còn hạn chế; Việc quyết định giải pháp điều chế rất khó khăn

Phần tử then chốt trong MC là khoá hai chiều được điều khiển bốn góc phần

tư mà nó cho phép làm việc tần số cao, đây là bộ phận quan trọng mang tính đột phá trong công nghệ, nhưng các nghiên cứu trước đây về Bộ biến đổi ma trận gặp rất nhiều khó trong việc nghiên cứu và áp dụng MC trong thực tế vì thiếu linh kiện bán dẫn công suất lớn thích hợp Ngày nay các khoá IGBT công suất đã ra đời, sẵn sàng phát huy tối đa những ưu điểm của MC trong các ứng dụng thực tế Với những ưu điểm trên, MC có thể trở thành sự thay thế rất tốt cho các loại biến tần truyền thống, nhiều bài báo khoa học củng như các thực nghiệm nghiên cứu về MC đã được triển khai, trong đó phải kể đến László Huber và Borojevíc đã phân tích, thiết kế và thực hiện MC 3 pha - 3 pha theo phương pháp điều chế vector không gian với điều chỉnh

hệ số công suất ngõ vào Các kết quả nghiên cứu về MC được mọi người đánh giá là tổng quát, bằng phương pháp điều chế đồng thời vector không gian dòng điện-điện

áp, giải thuật điều chế được xuất phát từ các hàm truyền trung bình mong muốn

Việc sử dụng phương pháp hàm truyền gián tiếp với hệ số công suất trên 0.99 trong toàn bộ dãy làm việc Hong-He Lee, Hoang Minh Nguyen và Eui-Heon Jung trình bày phương pháp điều chế vector không gian trực tiếp cho MC được điều chỉnh không sử dụng vector Zero, nhằm giảm thiểu điện áp common-mode mà hiện tượng này tồn tại trong các Converter hiện đại Ebubekir Erdem, Yetkin Tatar and Sedat Sunter đã xây mô hình mô phỏng và thực hiện với sự hỗ trợ boar điều khiển DSP Giải thuật sử dụng đơn giản hơn các giải thuật điều khiển khác để điều khiển hệ số công suất, thêm nữa là tổn thất đóng ngắt thấp hơn, dễ thực hiện hơn Peter Mutschler và Mathias Marcks [4] đưa ra phương pháp mới về điều khiển trực tiếp cho MC dùng kỹ thuật PWM, thực hiện trên bộ TMS320C30 DSP và được kiểm tra thành công với MC 10 kVA, tuy nhiên độ méo dạng dòng điện phía tải cần phải được khắc phục bằng cách giảm thời gian chu kỳ điều khiển thông qua việc chuyển một số hàm điều khiển sang phần cứng như CPLD hay ASIC Nhóm nghiên cứu Domenico Casadei [8] đưa ra lý thuyết mới mô tả trạng thái đóng ngắt tổng quát cho

MC bằng vecto không gian, đây là giải pháp tốt nhất, mở đường cho các nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi Ma trận đạt tỉ số truyền áp cao nhất và tối ưu mô hình đóng cắt qua việc sử dụng hợp lý vectơ zero, ở [9] sử dụng MC để điều khiển mômen trực tiếp động cơ không đồng bộ, đây là phương pháp kết hợp các ưu điểm của MC với sơ đồ DTC, FOC là rất linh hoạt, ổn định, đặc tính điều khiển hiệu quả cao và đạt được tỉ số truyền điện áp cao, nhưng việc áp dụng sơ đồ điều khiển rộng rải vào các ứng dụng thực tế cần tiếp tục nghiên cứu

Từ những ưu, nhược điểm của MC như đã nêu Cho thấy, việc nghiên cứu cấu trúc và cách điều chế phù hợp cho MC và đưa chúng vào thực tế sản xuất và được chấp nhận trên thị trường là thách thức không nhỏ Nhất là hiện nay, MC đối mặt với sự cạnh tranh mạnh mẻ từ loại VSI-AFE có dòng điện ngõ vào-ra dạng sin

và hệ số công suất có thể điều chỉnh được Trong luận văn này tác giả tập trung

nghiên cứu “Điều khiển động cơ động cơ không đồng bộ sử dụng bộ biến đổi ma

trận”

Chương 2

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA

Động cơ điện KĐB 3P là động cơ điện cảm ứng, thường được sử dụng trong những ứng dụng công nghiệp Động cơ KĐB là động cơ mà có tốc độ quay khác với tốc độ quay của từ trường quay

Động cơ gồm 2 phần: phần đứng yên gọi là stator và phần quay được gọi là rotor Stator gồm có lõi thép hình trụ và cuộn dây quấn stator Dây quấn stator là

bộ phận nhận điện từ nguồn điện 3 pha tạo ra từ trường quay và nó được đặt lệch nhau một góc 120 độ Dây quấn stator có thể đấu sao hoặc tam giác Tốc độ quay của từ trường quay sẽ phụ thuộc vào tần số nguồn điện và số cực của bộ dây quấn stator Rotor có cấu tạo gồm lõi thép và dây quấn Dây quấn được đúc thành dạng lồng sóc thì rotor gọi là rotor lồng sóc Rotor dây quấn thì được quấn tương tự như stator, có cùng số cực với stator, luôn đấu sao và có 3 đầu dây nối vào 3 vành trượt để đưa ra ngoài động cơ qua 3 chổi than cố định

Động cơ KĐB hoạt động theo nguyên tắt cảm ứng điện từ Khi có nguồn cung cấp cho động cơ, cuộn dây stator sẽ tạo ra từ trường quay Từ trường quay cắt ngang các thanh dẫn rotor sinh ra sức điện động cảm ứng trong dây quấn rotor làm phát sinh dòng điện cảm ứng chạy trong dây quấn rotor Các dòng điện cảm ứng trong dây quấn rotor sẽ tạo từ trường quay so với rotor Các từ trường stator vầ rotor tương tác với nhau tạo ra mômen kéo rotor quay cùng chiều với

từ trường quay

Hình 2.1 Sơ đồ chi tiết động cơ không đồng bộ Tốc độ quay của rotor nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay Độ chênh lệch đó gọi là tốc độ trượt Ta có n2 n1n , với n2 là tốc độ trượt, n1 là tốc độ đồng bộ, n là tốc độ động cơ

Hình 2.2 Các loại rotor thường gặp

Độ trượt s được định nghĩa là:

Rotor lồng sóc Rotor dây quấn

StatoVành trượt

s 

Vì vậy ta có tốc độ động cơ là: nn1s.n1 1s.n1 (2.1)

2.2 MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA

a 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

L

1



 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

Hình 2.4 Hệ trục α-β và d-q

dt

diRu

s s s s s

r r r r r

r

r    

(2.8)

r m s s

s L i L i

r r s m

x p 2

d dt

d p

J T

Dòng điện và từ thông được quy đổi từ hệ quy chiếu rotor sang hệ quy chiếu stator

theo các phương trình sau :





 s j r

: 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, (2.4),

s s s r r

m e

s r r

s s r m

s r

s s s

s r r

m

s s r s

s s

T T J

p dt

d

i x L

L p 2

3 T

j T

1 i T

L dt

d

u L

1 j

T

1 L

1 i T

1 T

1 dt

i

d

(2.15)

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

(2.16)

Hệ phương trình (2.15) hoặc (2.16) đặc trưng cho mô hình toán của động cơ không

đồng bộ trên hệ tọa độ α-β

b 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:

j f s

s s

j f r

s r

j f s

s s

j f r

s r

j f s

s s

e.uu

e

e

e.ii

e.ii

r r

j j f r

r r

e.e

e.e.ii

Với r: tốc độ góc của từ thông rotor so với stator (rad/s)

 : tốc độ góc của từ thông stator so với stator (rad/s) s

f s f r r

m e

f r sl r

f s r m

f r

f s s

f s r

m

f s s

f s r s

f s

T T J

p dt d

i x L

L p 2

3 T

j T

1 i T

L dt d

u L

1 j

T

1 L

1 i j i T

1 T

1 dt

i d

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

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 i

T

1 T

1 dt

di

u L

1 L

1 L

T

1 i i

T

1 T

1 dt

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

T T J

p dt

d

i L

L p 2

3 T

0 i

T

L dt

d

T

1 i T

L dt

d

u L

1 L

1 i i

T

1 T

1 dt

di

u L

1 L

T

1 i i

T

1 T

1 dt

di

(2.24)

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

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

f

r





, cùng với hệ tọa độ (d-q) quay gần đồng bộ với nhau với tốc độ squanh điểm gốc, do

đó các phần tử của vector ifs (i ,isd sq) là các 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

Chương 3

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

3.1 TỔNG QUÁT VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

Trong suốt một trăm năm đầu sau khi phát minh ra động cơ KĐB, nó được biết như là loại máy điện tốc độ cố định Đến khi có bộ chuyển đổi công suất những năm

1960 đã biến động cơ KĐB thành loại máy điện có thể thay đổi tốc độ được Sự phát triển gần đây của kỹ thuật số đã sinh ra khả năng thực hiện những thuật toán điều khiển phức tạp làm cho hiệu suất động cơ được nâng cao

Ngày nay, người ta đã phát minh ra nhiều phương pháp điều khiển động cơ với những tính năng riêng, thích hợp cho từng ứng dụng cụ thể Ta có thể chia ra làm 2 nhóm phương pháp điều khiển động cơ: phương pháp điều khiển vô hướng và phương pháp điều khiển vector

Phương pháp điều khiển vô hướng sử dụng những phương trình đơn giản hóa từ

mô hình vector không gian tổng quát Phương pháp này bao gồm biên độ của vector không gian và tần số tương ứng của nó và những phương trình đơn giản hóa đó chỉ đúng khi hoạt động ở chế độ xác lập Do đó, điều khiển vô hướng thì đơn giản nhưng lại sinh ra đáp ứng xấu trong các qua trình quá độ

Trái lại, phương pháp điều khiển vector hoạt động một cách trực tiếp với mô hình vector không gian của động cơ Cho nên nó cho ra kết quả tốt khi hoạt động ở chế độ xác lập và trong quá trình quá độ Nhóm điều khiển vector không gian bao gồm phương pháp điều khiển trực tiếp mômen ( DTC ), và nhóm điều khiển định hướng từ thông Lý thuyết điều khiển định hướng từ thông được phát triển bởi những nhà nghiên cứu ở Siemens trong những năm 1968-1969 Từ lúc này, các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới bổ sung những hệ thống nâng cao công suất thực tiễn dựa trên lý thuyết này Tốc độ tức thời của động cơ là thông tin quan trọng nhất cho

bất kỳ thuật toán điều khiển tốc độ nào Ngày nay, điều khiển tốc độ động cơ KĐB không dùng cảm biến hiện đang là lĩnh vực được nghiên cứu nhiều nhất trong truyền động điện

Hình 3.1 Biểu đồ phân loại các phương pháp điều khiển động cơ

Phương pháp điều khiển vector dùng mô hình vector không gian của động cơ không đồng bộ để điều khiển chính xác tốc độ và mômen cả trạng thái hoạt động xác lập và quá độ Đặc tính động ở phương pháp điều khiển vector giống như đặc tính động của động cơ DC Trên thực tế, phương pháp điều khiển vector động cơ KĐB có đặc tính cơ tốt hơn so với động cơ DC vì khả năng chịu dòng quá độ cao hơn, dãy điều khiển tốc độ tăng, quán tính rotor thấp hơn Trong phương pháp điều khiển định hướng từ thông, điều khiển vector định hướng rotor làm đơn giản hóa cấu trúc hệ thống điều khiển và đáp ứng quá độ nhanh Tuy nhiên những hệ thống làm việc với vector từ thông stator và vector từ thông khe hở không khí thì hoạt

PP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB

ĐIỀU KHIỂN

VÔ HƯỚNG

VÒNG KÍN

ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG

TỪ THÔNG ( FOC )

SENSOR

ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG KHE HỞ KHÔNG KHÍ

SENSORLESS

ĐIỀU KHIỂN VECTOR

VÒNG

HỞ

động tốt hơn Đối với phương pháp điều khiển trực tiếp mômen động cơ, ưu điểm của nó là đảm bảo đáp ứng nhanh thực thi đơn giản hơn Bất lợi của phương pháp này là làm cho mômen dao động, từ thông dao động và vấn đề sóng hài

Biểu đồ hình 3.1 trên thể hiện cái nhìn tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ KĐB 3 Pha

3.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN V/F

Tốc độ đồng bộ của ĐCKĐB tỉ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp Do

đó khi ta thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ đồng

bộ, tương ứng là tốc độ động cơ thay đổi

Sức điện động cảm ứng trong stator E tỉ lệ với tích của tần số nguồn cung cấp và từ thông trong khe hở không khí Nếu bỏ qua các điện áp rơi trên điện trở stator, có thể xem sức điện động E  điện áp nguồn cung cấp Nếu giảm tần số nguồn nhưng giữ nguyên điện áp sẽ dẫn đến việc gia tăng từ thông trong khe hở không khí Động cơ thường được thiết kế làm việc tại “điểm cách chỏ” của đặc tuyến từ hóa, nên sự gia tăng từ thông sẽ dẫn đến bảo hòa mạch từ Điều này khiến cho dòng từ hóa tăng, méo dạng dòng điện và điện áp nguồn cung cấp, gia tăng tổn hao lõi và tổn hao đồng stator và gây ra ồn động cơ ở tần số cao Ngược lại, từ thông khe hở không khí giảm dưới định mức sẽ làm giảm khả năng tải của động cơ

Vì vậy, việc giảm tần số động cơ xuống dưới tần số định mức thường đi đôi với việc giảm điện áp pha sao cho từ thông trong khe hở không khí được giữ không đổi

Nguyên lý điều khiển từ thông không đổi

Nếu bỏ qua sụt áp không đáng kể trên stator, điện áp stator ở chế độ xác lập

tỉ lệ thuận với từ thông và tốc độ đồng bộ theo biểu thức sau:

.s s

Do đó, nếu điều khiển vận tốc động cơ dưới giá trị định mức bằng cách thay đổi tần số nguồn và giữ nguyên độ lớn điện áp stator, từ thông động cơ sẽ tăng đến giá trị bảo hòa Để tránh hiện tượng bảo hòa và giảm tổn hao, điện áp stator cần

được thay đổi cùng với tần số f sao cho duy trì tác dụng của từ thông bằng định

mức

V V

= K

Với K1 là hằng số hàm điều khiển V/f ,

f là tần số nguồn cung cấp cho stator

Moment cực đại được xác định theo công thức:

'

s r

V 3

M =

2.ω X + X 3.p V .

s r

3.p K

8 L + L

Ta thấy, khi điều khiển động cơ theo nguyên lý V/f không đổi thì đặc tính

Trường hợp tốc độ động cơ thấp: khi hoạt động ở tần số thấp thì điện trở

cực đại ở tần số thấp, tỉ số V/f cần thay đổi và có giá trị lớn hơn tỉ số V/f ở chế độ

định mức

Trường hợp tốc độ lớn hơn tốc độ định mức: điện áp stator sẽ được duy trì

không đổi và bằng giá trị định mức, tần số f được điều khiển tăng lên, động cơ sẽ

làm việc ở chế độ non kích từ Khi đó, để tránh động cơ quá tải, moment động cơ sẽ được điều khiển theo nguyên lý công suất không đổi, M sẽ giảm khi tần số tăng max

Đặc tính cơ: Từ thông sẽ được giữ không đổi trong khoảng từ 0 f đm, và khi động cơ làm việc với vận tốc lớn hơn vận tốc định mức thì điện áp stator được giữ không đổi, tần số thay đổi (giảm từ thông)

Sau đây là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số

trong phương pháp điều khiển V/f = const

Hình 3.2 Quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số

Hình 3.3 là sơ đồ điều khiển tốc độ vòng hở theo nguyên lý V/f =const , đặt

được đưa vào bộ khỡi động mềm và khối V/f , khối này có chức năng thiết lập độ lớn điện áp stator theo hàm điều khiển điện áp V - f để đảm bảo từ thông động cơ

được sử dụng hiệu quả Ngõ ra của điều khiển tử thông là đại lượng điện áp yêu cầu Giá trị điện áp này được đưa vào khối vector không gian để tạo xung kích đóng cắt các khóa bán dẫn của bô nghịch lưu áp

Hình 3.3 Sơ đồ khối phương pháp v/f vòng hở

Ưu điểm của phương pháp này là đặc tính thay đổi tốc độ trơn, khả năng mang tải tốt trong phạm vi tần số định mức trở xuống

3.3 PHƯƠNG PHÁP DTC

3.3.1 Giới thiệu chung

DTC (Direct Torque Control) là một kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC) Phương pháp DTC dựa trên nền tảng của phương pháp điều khiển vector không gian

Nó được phát minh ra để thay thế phương pháp điều khiển theo kiều PWM truyền thống trong nhiều ứng dụng thực tiễn Direct Torque Control

mô tả cách thức điều khiển tốc độ và mômen động cơ dựa trên trạng thái điện

từ của động cơ điện, giống như với động cơ DC DTC là phương pháp đầu tiên điều khiển thực sự mômen và từ thông của động cơ

Hình 3.4 Mô hình khối so sánh các phương pháp điều khiển động cơ

3.3.2 Nguyên tắc điều khiển của DTC

Nguyên tắc điều khiển của phương pháp DTC là dựa trên biều thức tính mômen của động cơ để điều khiển các trạng thái đóng ngắt của bộ biến đổi ma trận, qua đó thay đổi điện áp cấp vào động cơ KĐB

Hình 3.5 Mạch tương đương của động cơ KĐB

Biểu thức tính từ thông stator và từ thông rotor:

s m

s r r

m s s s

s

L

Li

s s s s m

m

LLL

Lp2

3



Với sr là góc giữa từ thông stator và rotor, về sau còn gọi là góc mômen

Từ công thức (3.10) ta thấy rằng mômen động cơ có thể điều khiển bằng

s



thể hiện cường độ trường từ trong động cơ thì phụ thuộc hoàn toàn vào điện

áp stator theo công thức suy ra từ (2.7) như sau:

dt

)t(d)t(iR)t(u

s s s

s s

s s

t

s t

0

s s s

s s

Hình 3.6 Mô hình bộ điều khiển DTC đơn giản Các khâu tính toán ước lượng trong phương pháp DTC

Khâu ước lượng từ thông stator

Từ công thức (2.7) ta suy ra:



 (u R is).dt

s s

s s

dt.)iRu(

t

0 s s ss

t

0 s s ss

Khi đã tính được thành phần từ thông stator, ta tính được độ lớn của từ thông stator từ công thức sau:

2 s

2 s s

s        

Góc của từ thông stator được tính từ công thức sau:

s s s

s

Khi xác định được góc ta sẽ xác định được điện áp thích hợp, biên độ của

từ thông stator sẽ được dùng để so sánh với từ thông đặt

Khâu ước lượng mômen động cơ

Các thành phần trục αβ của từ thông và dòng điện ta tính được độ lớn của mômen như sau:

) i i

( p 2

3

Các thành phần αβ của từ thông và dòng điện được tính từ công thức trên

Từ đó ta đã tính được mômen động cơ, mômen được so sánh với mômen đặt

để lựa chọn điện áp cần thiết

Khâu xác định góc sector

Khi đã có được góc của điện áp , từ giá trị góc này ta so sánh với các khoảng chia góc của không gian vector từ đó xác định vector áp nằm ở vị trí sector nào

Khoảng chia được lập ra như sau:

Hình 3.7 Đồ thị thể hiện các khoảng chia góc

Khâu ước lượng tốc độ

Để ước lượng được tốc độ ta dựa vào phương pháp điều khiển thích nghi

mô hình ( Model Reference Adaptive Control – MRAC )

r

s r

m r

r r

r

s r

m r

T

1iT

Ldtd

T

1iT

Ldt

dL

Ldtd

dt

diLdt

dL

Ldtd

s s s

m

r r

s s s

m

r r

-300

300

900150

S(4)

S(5) S(6)

jβ

α

Sai số của mô hình

Phương pháp điều khiển động cơ DTC có rất nhiều điểm thuận lợi như là:

 Đáp ứng mômen điễn hình từ 1 đến 2ms dưới 40Hz so với từ 10 đến 20ms ở

cả điều khiển vector từ thông và điều khiển động cơ DC gắn với 1 encoder

 Phương pháp DTC có thể điều khiển chính xác mômen ở tần số thấp ngay cả tải đầy ở tốc độ bằng 0 không cần thiết bị hồi tiếp tốc độ

 Sự chính xác tốc độ tĩnh của động cơ: đó chính là sai số giữa tốc độ đặt và tốc độ thực tại tải cố định

 Mômen tuyến tính

 Độ chính xác tốc độ động

3.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG

Trong động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, chỉ có dòng stator được điều khiển trực tiếp, do đó việc điều khiển moment tối ưu khó thực hiện vì không thể bố 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

c

* b

*

a,U ,U

Hình 3.8 Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển định hướng trường

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 ifsvà vector từ

thông rotor fr , cùng với hệ tọa độ (d-q) quay gần đồng bộ với nhau với tốc độ squanh điểm gốc, do đó các phần tử của vector ifs (i ,isd sq) là các 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

f s m

f r

r r r r r

r r

iLiL

dt

diR0u

r r

j j f r

r r

e e

e e i i

s r r dt

Với r: tốc độ góc của từ thông rotor so với stator (rad/s)

 : tốc độ góc của từ thông stator so với stator (rad/s) s

 : tốc độ trượt (rad/s) sl

Kết hợp (3.20), (3.21) , (3.22) , (3.23) , (3.24) ta có:

f r sl r

f s r m

f

T

1iT

Ldt

sq r

m rq

rq sl rd r

sd r

m rd

T

1iT

Ldtd

T

1iT

Ldt

sd r

m rd r

T

1 i T

L dt

d dt

f s m

f r

f r m

f s s

f s

i L i L

i L i L

(3.30)

r m f s r

2 m r s f s

L

LiL

LL

  i  0

L

L p 2

3 i i

L

L p 2

3

r

m sd

rq sq rd r

m

Từ các phương trình (3.28) và (3.29) 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

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 3.10 Hệ tọa độ từ thông rotor

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

Sơ đồ định hướng từ thông rotor trực tiếp được trình bày trên hình 3.11, bao

gồm hai vòng kín: một cho isd (điều khiển từ thông) và một cho isq(điều khiển tốc