Điều khiển và ước lượng thông số động cơ không đồng bộ theo phương pháp foc sử dụng card dspace 1104

Nhóm tác giả thực hiện điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC, và các giá trị từ thông Stator và tốc độ Rotor cũng được ước lượng.. 38 4.5 Kết quả mô phỏng điều khiển động

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Phan Quốc Dũng, Thầy Lê Đình Khoa đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi làm việc tại phòng thí nghiệm điện tử công suất để hoàn thành luận văn này

Và tôi xin cảm ơn đến các nhóm sinh viên và nhóm nghiên cứu làm tại phòng thí nghiệm điện tử công suất trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã cùng tôi trao đổi trong quá trình thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn gia đình và những người thân đã luôn động viên, giúp đỡ

để vượt qua những khó khăn để hoàn thành khóa học này

Tp Hồ Chí Minh ngày… tháng… năm 2010

Hồ Viết Phát

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ bán dẫn và kỹ thuật vi điều khiển, các hệ thống truyền động điện đã đạt được những bước tiến nhảy vọt Đáp ứng

độ chính xác cao, cả trong chế độ động và tĩnh khiển độc, động cơ không đồng bộ ba pha với các nguyên lý điều khiển tựa hướng vector từ thông Rotor đang được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp Đặc biệt là động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc, có giá thành thấp và khả năng làm việc cao, không cần bảo trì sẽ dần thay thế động cơ một chiều trong các ứng dụng thay đổi vận tốc của truyền động

Nguyên lý điền khiển định hướng tựa theo trường sẽ xác định điền kiện để điều khiển độc lập từ thông và moment, đồng thời điều khiển được moment tối ưu

Hệ dsPACE nói chung là một hệ thống xử lý tính toán thời gian thực rất nhanh, nhờ sự tích hợp bộ xử lý tốc độ cao, các giao diện phần cứng phục vụ cho việc giao tiếp giữa hệ thống chương trình điều khiển mềm với đối tượng điều khiển bên ngoài Trong những bài toán lớn, phần cứng có thể có nhiều modul ghép nối với nhau, có thể kết nối thành mạng tính toán Hiện nay, hệ dSPACE đã được ứng dụng để điều khiển trong công nghiệp, trong xe ôtô, tàu điện, máy bay… Hệ dSPACE còn hỗ trợ liên kết lập trình với các ngôn ngữ bậc cao, vì vậy người sử dụng có thể dễ dàng lập trình và có thể chỉ tập trung vào phát triển thuật toán điều khiển

Dùng phần mềm Matlab-Simulink để thu thập dữ liệu và quan sát đáp ứng

Thời gian thực hiện luận văn tương đối ngắn từ tháng 9/2010 đến 12/2010 Nên kết quả đạt được cũng ở một giới hạn nhất định

Điểm mới của đề tài luận văn:

Thực nghiệm dùng card dsPACE 1104 điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương phương RFOC trực tiếp có cảm biến tốc độ, và phương phương RFOC trực tiếp không dùng cảm biến tốc độ

Sử dụng các LEM cảm biến điện áp và dòng điện, được card dsPACE 1104 đọc

về và tính toán ước lượng các giá trị điều khiển bao gồm góc quay từ thông Rotor và tốc độ Rotor

Tóm tắt một số nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài luận văn điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC:

Trong nước:

- Luận văn thạc sĩ 2008, Nguyễn Đức Trí, Điều Khiển Động Cơ Không Đồng

Bộ Bằng Phương Pháp RFOC/SFOC & FUZZY LOGIC Nội dung chính của luận văn là: Từ những phương trình toán học tác giả mô hình hóa động cơ không đồng bộ lý tưởng và bằng phần mềm Matlab-Simulink thực hiện quá trình mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC và FUZZY LOGIC

- Luận văn tốt nghiệp 2009, Hồ Viết Phát, Điều Khiển Động Cơ Không Đồng

Bộ Bằng Phương Pháp RFOC có tính đến bù tổn hao sắt từ Nội dung chính luận văn

là bằng phần mềm Matlab-Simulink, tác giả đã thực hiện quá trình mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ lý tưởng và động cơ có tính đến tôn hao sắt từ

- Luận văn tốt nghiệp 2010, Hồ Thiện Lợi, Điều Khiển Động Cơ không đồng

bộ bằng phương pháp FOC trên cơ sở dsPACE 1104 Nội dung chính luận văn: tác giả tìm hiều về card dsPACE 1104 và tiến hành thực nghiệm điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp RFOC gián tiếp

Ngoài nước:

- NPEC-2010, Chintan Patel, Rijil Ramchand, K Sivakumar, Anandarup Das,

K Gopakumar A Vector Control for IM Drives Using Current Error Space Phasor Based Hysteresis Controlle Without Speed Sensor Nội dung chính của bài báo: thực hiện mô phỏng và làm thực nghiệm với TM320F2812 DSP điều khiển động cơ bằng phương pháp FOC bằng cách điều khiển sai số dòng điện và không sử dụng cảm biến tốc độ Từ giá trị áp và dòng điện Stator động cơ đã ước lượng được vận tốc Rotor

- HyperSciences.Publisher 2010 A Simple DSP based Speed Sensorless Field Oriented Control of Induction Motor Raju Yanamshetti, Sachin S.Bharatkar, Debashis Chatterjee, A.K.Ganguli Nội dung chính của bài báo : Thực hiện mô phỏng và thực nghiệm với hệ thống TMS320F2407 DSP Nhóm tác giả thực hiện điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC, và các giá trị từ thông Stator và tốc độ Rotor cũng được ước lượng Kết quả tốc độ hồi tiếp và tốc độ ước lượng cũng khá chính xác Ngoài ra, bài báo còn cho thấy mối quan hệ giữa từ thông Rotor và điện trở Stator phụ thuộc vào tần số của điện áp Và mối quan hệ giữa tốc độ trượt và điện trở Rotor phụ thuộc vào độ lớn tải

- J Electrical Systems x-x (2010) Electromechanical Multi-machine System for Railway Modelling, Analysis and Control W Ben Mabrouk J Belhadj M Pietrzak-david Bằng phương pháp Mean Rotor Field Oriented Control (MRFOC), nhóm tác giả đã thực hiện quá trình mô phỏng điều khiển 2 hay nhiều động cơ không đồng bộ bằng một bộ inverter Tác giả cũng xây dựng lên mô hình điều khiển hệ thống đường sắt, ổ đĩa hệ thống với hai động cơ điện cảm ứng kết nối song song

Cấu trúc luận văn

Chương I Giới thiệu động cơ không đồng bộ và các phương pháp điều khiển

Tìm hiểu động cơ không đồng bộ và các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ hiện nay

Chương II Mô hình động cơ và các phương pháp ước lượng thông số động cơ Bằng các phương trình toán học, thực hiện quá trình mô hình hóa động cơ không đồng bộ

Tìm hiểu các phương pháp ước lượng các thông số động cơ Ước lượng từ thông Rotor, ước lượng vận tốc quay của Rotor từ các giá trị áp và dòng điện hồi tiếp

Chương III Điều khiển định hướng từ thông Rotor

Chương IV Kết quả mô phỏng điều khiển định hướng tựa từ thông

Trong chương IV sẽ trình bày tổng quan tất cả các cả các mô hình được xây dựng trong Matlab Simulink thông qua những phương trình toán học Và toàn bộ kết quả mô phỏng cho động cơ không đồng bộ Với 4 trường hợp chính là:

Chương V Giới thiệu dsPACE 1104 và phần mềm dsPACE controldesk

Tìm hiểu card dsPACE1104 và cách sử dụng phần mềm dsPACE controldesk

Chương VI Kết quả thực nghiệm điều khiển động cơ không đồng bộ

Giới thiệu các phần cứng thực hiện trong quá trình làm thực nghiệm

Thực hiện quá trình điều khiển động cơ theo ba phương pháp:

- Phương pháp định hướng từ thông Rotor gián tiếp

- Phương pháp định hướng từ thông Rotor trực tiếp

- Phương pháp định hướng từ thông Rotor trực tiếp, dùng mô hình ước lượng tốc độ Rotor

Chương VII Tài liệu tham khảo

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI NÓI ĐẦU ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iii

Chương I GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1

1.1 Động cơ không đồng bộ 1

1.2 Giới thiệu phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ 1

1.2.1 Phương pháp điều khiển V/f (điều khiển vô hướng) 1

1.2.2 Phương pháp định hướng từ trường FOC 2

1.2.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC 2

Chương II MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ 4

2.1 Mô hình động của động cơ lý tưởng 4

2.1.1 Các phương trình cơ bản mô tả động cơ lý tưởng 4

2.1.2 Các phương trình vector không gian trong hệ trục tọa độ Stator 5

2.2 Các phương pháp ước lượng vecter từ thông Rotor 9

2.2.1 Một số phương pháp ước lượng từ thông Rotor trong điều trực tiếp 9

2.2.2 Phương pháp ước lượng từ thồng Rotor trong điều khiển gián tiếp……….13

2.3 Các phương pháp ước lượng tốc độ Rotor 13

Chương III ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR 16

3.1 Nguyên lý điều khiển định hướng từ thông 16

3.2 Điều khiển định hướng từ thông Rotor gián tiếp 16

3.4 Lý thuyết về bộ nghịch lưu 20

3.4.1 Bộ nghịch lưu áp ba pha 21

3.4.2 Phương pháp điều khiển PWM dòng điện 25

4.1 Các thông số mô phỏng 27

4.2 Mô hình mô phỏng RFOC 27

4.2.1 Mô hình mô phỏng INVERTER 27

4.2.2 Mô hình khối PI với hai khâu Anti-Windup và Setpint-Weighting 28

4.3 Kết quả mô phỏng động cơ KĐB 30

4.3.1 Khối mô phỏng động cơ KĐB trong Matlab-Simulink 30

4.3.2 Kết quả mô phỏng 32

4.4 Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp định hướng từ thông Rotor gián tiếp 36

4.4.1 Mô hình mô phỏng 36

4.4.2 Kết quả mô phỏng 38

4.5 Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp định hướng từ thông Rotor trực tiếp, dùng mô hình ước lượng tốc độ Rotor 44

4.5.1 Mô hình mô phỏng 44

4.5.2 Kết quả mô phỏng 46

4.6 Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp định hướng từ thông Rotor trực tiếp 53

4.6.1 Mô hình mô phỏng 53

4.6.2 Kết quả mô phỏng 54

4.7 Phân tích kết quả 60

Chương V GIỚI THIỆU DSPACE DS1104 VÀ PHẦN MỀM DSPACE CONTROLDESK 62

5.1 Giới thiệu dsPACE 1104 62

5.1.1 Tổng quan về dsPACE 11044 62

5.1.2 Các cổng xuất nhập dữ liệu của DS1104 65 5.1.3 Thư viện dsPACE rti1104 trong Matlab-Simulink……… 72 5.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm ControlDesk 80

Chương VI KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 84

6.1 Mô hình thực nghiệm điều khiển động cơ không đồng bộ 84 6.2 Mô hình & kết quả thực nghiệm điều khiển định hướng từ thông Rotor bằng phương pháp gián tiếp 89 6.2.1 Xây dựng mô hình điều khiển trên Matlab – Simulink 89 6.2.2 Kết quả thực nghiệm điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp RFOC gián tiếp 93 6.3 Mô hình & kết quả thực nghiệm điều khiển định hướng từ thông roto bằng phương pháp trực tiếp 95 6.3.1 Xây dựng mô hình điều khiển trên Matlab – Simulink 95 6.3.2 Kết quả thực nghiệm điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp RFOC trực tiếp 96 6.4 Mô hình & kết quả thực nghiệm điều khiển định hướng từ thông Rotor bằng phương pháp trực tiếp, dùng mô hình ước lượng tốc độ Rotor 99 6.4.1 Xây dựng mô hình điều khiển trên Matlab – Simulink 99 6.4.2 Kết quả thực nghiệm điều khiển động cơ bằng phương pháp RFOC trực tiếp, dùng mô hình ước lượng tốc độ Rotor 99 6.5 Kết luận và hướng phát triển đề tài 102

Chương VII TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

DTC Direct Torque Vector Control

CRPWM Current Regulated Pulse Width Modulation

S1; S3; S5 Tín hiệu kích của bộ nghịch lưu

VAn;VBn;VCn Điện áp bộ ngõ ra của bộ nghịch lưu so với

L L bb Lcc Thành phần tự cảm khe hở của pha a, b, c

viết trong hệ tọa độ Stator

AA

BB CC Thành phần tự cảm khe hở của pha A, B, C

viết trong hệ tọa độ Rotor

bB Tự cảm tương hỗ giữa Stator và Rotor viết

trong hệ quy chiếu Stator

Chương I GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ CÁC

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1.1 Động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) đặc biệt là động cơ Rotor lồng sóc ngày nay được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp do có nhiều ưu điểm hơn động cơ DC nhưng không đòi hỏi bảo trì thường xuyên, độ tin cậy cao, khối lượng và quán tính nhỏ hơn, giá thành rẻ hơn và khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc 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, cho đến gần đây, phần lớn ĐCKĐB được sử dụng trong các ứng dụng với tốc độ không đổi, do phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB trước đây thường đắt tiền hoặc là 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 phận điều khiển ĐCKĐB đã được chế tạo với đáp ứng cao hơn

và giá thành rẻ hơn các bộ điều khiển DC trong 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

1.2 Giới thiệu phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

1.2.1 Phương pháp điều khiển V/f (điều khiển vô hướng)

Tốc độ đồng bộ của động cơ KĐB tỷ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp Do

đó, khi thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ, ta sẽ thay đổi tốc độ đồng bộ và tương ứng là tốc độ của động cơ

Các đặc trưng:

- Biến điều khiển là biến 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

- Độ chính xác không cao

Chương I : Giới thiệu động cơ không đồng bộ và các phương pháp điều khiển

- Đảm bảo moment ở vận tốc zerô

- Tương tự như điều khiển DC

Nhược điểm:

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

- Chuyển đổi hệ quy chiếu liên tục

- Cần phải điều khiển độ rông xung, phụ thuộc vào bộ điều khiển dòng và tham số động cơ

1.2.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC:

Các đặc trưng:

- Điều khiển độc lập giữa moment và từ thông

Ưu điểm:

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

- Điều khiển trực tiếp moment và từ thông

- Không cần hồi tiếp tốc độ, moment, từ thông được 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

Nhược điểm:

- Khởi động không tốt

moment ở vùng vận tốc cao

- Tần số đóng cắt bộ nghịch lưu biến đổi theo điểm làm việc của động cơ

Chương II: Mô hình động cơ KĐB và các phương pháp ước lượng

Chương II MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KĐB VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

ƯỚC LƯỢNG 2.1 Mô hình động của động cơ lý tưởng

2.1.1 Các phương trình cơ bản mô tả động cơ lý tưởng

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 động

cơ điện, ta chấp nhận các điều kiện sau đây:

- Các cuộn đây Stator được bố trí đối xứng về mặt không gian

- Dây quấn Rotor đã quy đổi sang dây quấn Stator

- Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bão hoà 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 cặp cực Tại thời điểm đang xét, trục pha A của Rotor lệch một góc cơ R so với trục pha A của Stator, tương ứng với độ lệch góc điện của Rotor so với Stator r

Hình 2.1 Mô hình cấu trúc động cơ Phương trình điện áp phía Stator:

Từ thông móc vòng của Stator:

sAL i s sAM i s sBM i s sC M cos i sr  r raM cos sr ( r  4 / 3) i rcM cos sr ( r  2 / 3) i rb

(2.7) sBL i s sBM i s sAM i s sC M cos i sr  r rbM cos sr ( r 4 / 3) i ra M cos sr ( r  2 / 3) i rc

(2.8) sC L i s sCM i s sBM i s sAM cos i sr  r rc M cos sr ( r  4 / 3) i rbM cos sr ( r  2 / 3) i ra

(2.9)

Từ thông móc vòng ở Rotor:

sa L i s saM i s sbM i s scM cos i sr  r rAM cos sr ( r 4 / 3) i rC M cos sr ( r  2 / 3) i rB

(2.10) sb L i s sbM i s saM i s scM cos i sr  r rBM cos sr ( r  4 / 3) i rAM cos sr ( r  2 / 3) i rC

(2.11) sc L i s sc M i s sbM i s saM cos i sr  r rCM cos sr ( r 4 / 3) i rB M cos sr ( r  2 / 3) i rA

(2.12) Kết hợp các phương trình 2.1 đến 2.12, phương trình điện áp Stator và Rotor được viết lại như sau:

1

2

coscoscos

coscos

sr sr sr

sr sr

r r

pM pM pM

pM pM

pM pM

2.1.2 Các phương trình vector không gian trong hệ trục tọa độ Stator:

Giả sử cuộn dây Stator được cung cấp nguồn từ hệ thống điện áp xoay chiều ba pha cân bằng với tần số góc  s Ba dòng hình sin phía Rotor i sA,i sB và i sC của ĐCKĐB không nối điểm trung tính

Chương II: Mô hình động cơ KĐB và các phương pháp ước lượng

sB s

sC

i i

i i

s sC

i

i i

i i

Khảo sát trong hệ tọa độ Stator:

Phương trình vector không gian điện áp Stator:

Chương II: Mô hình động cơ KĐB và các phương pháp ước lượng

Phương trình điện áp Stator:

v v v v

J : Moment quán tinh của hệ thống quy đổi về trục động cơ [kgm2]

2.2 Các phương pháp ước lượng vecter từ thông Rotor

Điều khiển trực tiếp

Điều khiển trực tiếp là điều khiển mà trong đó việc tính toán dựa trên các giá trị

đo đạc của các đại lượng điện từ Hay nói một cách khác trong các đại lượng hồi tiếp

có các đại lượng điện từ

Điều khiển gián tiếp

Điều khiển gián tiếp là điều khiển mà trong đó việc tính toán dựa trên các giá trị đặt của các đại lượng điện từ Hay nói một cách khác trong các đại lượng hồi tiếp không có các đại lượng điện từ

2.2.1 Một số phương pháp ước lượng từ thông Rotor trong điều trực tiếp

Các giá trị tức thời chính xác của vị trí cũng như độ dài của vector từ thông Rotor cần thiết cho việc chuyển đổi hệ quy chiếu tức thời trong điều khiển định hướng vector

từ thông Rotor

 Phương pháp ước lượng từ thông Rotor từ dòng hồi tiếp và từ thông khe hở không khí

Phương pháp này được xử dụng rộng rãi trước đây, cảm ứng Hall được dùng để

đo từ thông khe hở không khí

Chương II: Mô hình động cơ KĐB và các phương pháp ước lượng

Hình 2.2 Mô hình ước lượng từ thông Rotor từ dòng hồi tiếp và từ thông khe hở

không khí Dòng hồi tiếp được chuyển sang hệ quy chiếu -:

Do đó, phương trình ước lượng từ thông Rotor theo dòng hồi tiếp và từ thông khe

hở không khí như sau:

(2.40) Moment điện từ được ước lượng như sau:

 Phương pháp ước lượng từ thông Rotor từ áp và dòng hồi tiếp

Hình 2.3 Mô hình ước lượng từ thông Rotor từ áp và dòng hồi tiếp

Dòng và áp được chuyển sang hệ quy chiếu -:

L L i L

Chương II: Mô hình động cơ KĐB và các phương pháp ước lượng

Hình 2.4 Mô hình ước lượng từ thông Rotor từ dòng hồi tiếp vân tốc quay của

Rotor Phương pháp này được dùng phổ biến hiện nay do không phải dùng cảm ứng và

có thể ước lượng từ thông Rotor chính xác trong vùng vận tốc thấp

Phương pháp này sử dụng mô hình máy trong hệ quy chiếu quay định hướng từ thông Rotor

Dòng được biến đổi sang hệ quy chiếu quay d-q như sau:

(2.49)

Và moment được ước lượng như sau:

2.2.2 Phương pháp ước lượng từ thông Rotor trong điều khiển gián tiếp

Các phương trình ước lượng vị trí vector từ thông Rotor từ các giá trị đặt của từ thông Rotor và moment điện từ như sau:

(2.51)

Hình 2.5 Nguyên lý điều khiển RFOC gián tiếp

Hình 2.6 Mô hình ước lượng từ thông Rotor trong điều khiển gián tiếp

Chương II: Mô hình động cơ KĐB và các phương pháp ước lượng

2.3 Các phương pháp ước lượng tốc độ Rotor

Các phương pháp ước lượng vận tốc mạch hở

Phương pháp 1:

(2.52) Phương pháp 2:

Từ phương trình điện áp Rotor ta có:

(2.53) Thay thế dòng Rotor bằng từ thông Stator và dòng Stator, biểu thức tính vận tốc như sau:

Trong đó, từ thông Stator và Rotor được tính như sau:

(2.55)

Hinh 2.7 Mô hình ước lượng tốc độ

Chương III: Điều khiển định hướng từ thông Rotor

Chương III ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR3.1 Nguyên lý điều khiển định hướng từ thông:

Tổng quát một động cơ điện tương tự như một nguồn moment điều khiển được Yêu cầu điều khiển chính xác giá trị moment tức thời của động cơ được đặt ra trong các hệ truyền động có đặt tính động cao và sử dụng phương pháp điều khiển vị trí Moment sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dòng trong cuộn ứng và

từ thông sinh ra trong hệ thống từ động cơ Từ thông phải được giữ ở mức tối ưu nhằm đảm bảo moment sinh ra là tối đa, giảm thiểu mức độ bão hòa của mạch từ Với từ thông có giá trị không đổi, moment sẽ tỉ lệ thuận với dòng ứng

Điều khiển độc lập từ thông và dòng ứng được thực hiện dễ dàng động cơ điện một chiều kích từ độc lập Ở đây, dòng điện trong cuộn Stator xác định từ thông Rotor dùng điều khiển moment

Tương tự động cơ không đồng bộ, cuộn ứng là Rotor và từ thông sinh ra bởi dòng điện trong cuộn Stator Tuy nhiên, dòng Rotor không 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 vậy, dòng của Stator là nguồn của từ thông và dòng ứng

Trong động cơ KĐB Rotor lồng sóc chỉ có dòng điện trong Stator được điều khiển trực tiếp, do đó việc điều khiển tối ưu là 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 Việc điều khiển moment ở xác lập có thể mở rộng cho quá đọ được trong các hệ thống điều khiển, dựa theo nguyên lý tựa trường Nguyên lý này xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thông với moment Động cơ KĐB theo phương pháp điều khiển vector mô phỏng động cơ một chiều theo hai phương diện:

- Từ thông và moment có thể điều khiển độc lập

- Các điều kiện để điều khiển moment tối ưu cho cả hai trạng thái xác lập và quá độ

3.2 Điều khiển định hướng từ thông Rotor gián tiếp

Tương tự như điều khiển định hướng từ thông Stator, điều khiển định hướng từ thông Rotor dùng trong hệ quy chiếu quay, nhưng gắn liền với vector từ thông r  s  r,  r  r,  a  r, r

r

d dt



Hình 3.1 Vector không gian trong hệ tọa độ quay gắn với vector từ thông

R

 hằng số thời gian Rotor

Phương trình (3.2) có thể biểu diễn trong hệ quy chiếu d-q như sau:

Các phương trình điều khiển định hướng từ thông Rotor trực tiếp:

Dòng và áp được chuyển sang hệ quy chiếu -:

Chương III: Điều khiển định hướng từ thông Rotor

Các phương trình điều khiển định hướng từ thông Rotor gián tiếp:

Các phương trình ước lượng vị trí vector từ thông Rotor từ các giá trị đặt của

từ thông Rotor và moment điện từ như hình (3.3) sau:

Hình 3.3 Nguyên lý điều khiển gián tiếp

*

*

*

23

qs

e r

r m

T L i

r r

i L T

Mô hình tổng quát điều khiển định hướng từ thông gián tiếp:

Từ các giá trị từ thông lênh và moment đặt hoặc từ các giá trị thừ thông đặt và vận tốc đặt Thông qua các phương trình toán học (3.6-3.9) ta sẽ tính toán được các giá trị điện cần thiết để điều khiển động cơ

Chương III: Điều khiển định hướng từ thông Rotor

ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng nguồn áp

Ứng dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của bộ nghịch lưu là nhằm vào lĩnh vực truyền động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao Trong lĩnh vực tần số cao bộ nghịch lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần Bộ nghịch lưu còn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điền liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu còn được ứng dụng vào bù nhuyễn công suất phản kháng

Các tải xoay chiều thường mang tính cảm (động cơ không đồng bộ, lò cảm ứng),

quá trình ngắt dòng điện

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

Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra Ta khảo sát

bộ nghịch lưu áp với quá trình chuyển mạch cương bức và sử dụng linh kiện có khả năng điều khiển ngắt dòng điện

Nguồn điện áp một chiều có thể ở dạng đơn giản như Accu, pin điện hoặc ở dạng phức tạp hơn gồm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng tự kích đóng và kích ngắt dòng điện qua nó, tức là đóng vai trò một công tắc Trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc và ở phạm vi công suất lớn có thể sử dụng GTO, IGTC hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch

Với tải tổng quát, mỗi công tắc còn trang bị một Diode mắc đối song song với nó Các Diode mắc đối song song tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn điện ngược lại với chiều dẫn điện của công tắc Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu cầu Diode là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế điện áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc

3.4.1 Bộ nghịch lưu áp ba pha:

Trong thực tế bộ nghịch lưu áp ba pha chỉ gặp ở dạng mạch cầu Mạch chứa sáu công tắc S1, S2, S3…S6 và sáu Diode mắc đối song song D1, D2, D3…D6

Chương III: Điều khiển định hướng từ thông Rotor

Hình 3.5 Bộ nghịch lưu áp ba pha dạng mạch cầu, giản đồ xung kích và dạng áp

tải

Phân tích bộ nghịch lưu áp ba pha

Giả thiết tải ba pha đối xứng thỏa mãn hệ thức:

Gọi N là điểm nút của tải ba pha dạng sao Điện áp pha tải u t1,u t2,u t3

Điện áp u10 , u20, u30 được gọi là điện áp pha tâm nguồn của pha 1, 2, 3 các điện

áp u t1,u t2,u t3, u10 , u20, u30 và uNO có chiều dương quy ước vẽ trên hình (3.6a)

sẽ được xác định khi ta xác định được các điện áp trung gian u10; u20; u30

Xác định điện áp pha tâm nguồn cho bộ nghịch lưu áp Cặp công tắc cùng pha: gồm hai công tắc cùng mắc chung vào một pha tải, ví dụ (S S1, 4), (S S3, 6), (S S5, 2) là các cặp công tắc cùng pha

Quy tắc kích đóng đối nghịch, cặp công tắc cùng pha được kích đóng theo quy tắc đối nghịch nếu như hai công tắc trong cặp luôn luôn ở trạng thái một được kích đóng và một được kích ngắt Trạng thái cả hai công tắc cùng đóng (trạng thái ngắn mạch điện áp nguồn) hoặc cùng kích ngắt không được phép

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

S S  , S3S6 0, S5S2 0 (3.19) Quy tắc: Giả thiết bộ nghịch lưu áp ba pha có cấu tạo mạch và chiều điện thế của các phần tử trong mạch cho như hình (3.1) Giả thiết các công tắc cùng pha được kích đóng theo nguyên tắc đối nghịch và giả thiết dòng điện của các pha tải có khả năng đổi dấu

Điện áp pha tâm tải đến điện áp pha tâm nguồn của một pha nào đó có giá trị

nghịch lưu áp bằng cách điều khiển giản đồ xung kích đóng các công tắc

b Nếu các cặp công tắc cùng pha không được kích đóng theo quy tắc đối nghịch, dạng điện áp tải sẽ thay đổi phụ thuộc vào trạng thái dòng điện tải (và nhưng tham số tải) Nay là trường hợp kích đóng do ý muốn đối với tải cộng hưởng Dòng

điện có thể ở trạng thái liên tục hoặc gián đoạn

Ta cần chú ý rằng, một công tắc được kích đóng không có nghĩa là nó sẽ dẫn điện Phụ thuộc vào chiều dòng điện dẫn qua tải có thể xảy ra trường hợp công tắc kích đóng không dẫn điện mà dòng điện lại dẫn qua Diode mắc đối song với công tắc

Chương III: Điều khiển định hướng từ thông Rotor

c Dạng dòng điện được xác định dựa trên phương trình mạch tải Ví dụ đối với tải đối xứng ba pha gồm RL mắc nối tiếp, ta có phương trình dòng điện ba pha tải

Do thời gian chết quá nhỏ, không đáng kể, trong quá trình phân tích hoạt động của mạch, ta thường giả thiết bỏ qua giai đoạn này

Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp

Các bộ nghịch lưu áp thường điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) và quy tắc kích đóng đối nghịch Quy tắc kích đóng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích đóng công tắc

và kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng han chế tối đa ảnh hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải

Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng các công tắc trong bộ nghịch lưu áp, ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khác nhau

Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng cắt

Công suất tổn hao xuất hiện trên linh kiện bao gồm hai thành phần: tổn hao công suất khi linh kiện ở trạng thái dẫn điện PON và tổn hao công suất động Pdyn Tổn hao công suất Pdyn tăng lên khi tần số đóng ngắt của các linh kiện không thể tăng lên tùy ý

vì những lý do sau

- Công suất tổn hao linh kiện tăng lên theo tỉ lệ với tần số đóng cắt

- Linh kiện công suất lớn thường gây ra công suất tổn hao đóng ngắt lớn hơn Do đó, tần số kích đóng của nó phải giảm cho phù hợp, ví dụ các linh kiện GTO công suất MW chỉ có thể đóng ngắt ở tần số khoảng 100Hz

- Các quy định về tương thích điện từ (Electromagnet Compatibility - EMC) quy định khá nghiêm ngặt đối với các bộ biến đổi công suất đóng ngắt với tần số cao hơn 9kHz

Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp:

 Phương pháp điều khiển theo tần số

 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (sin PWM)

 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến

 Điều chế theo mẫu

 Phương pháp điều rộng

 Phương pháp điều chế vector không gian

3.4.2 Phương pháp điều khiển PWM dòng điện

Nguyên lý cơ bản: giản đồ kích đóng các công tắc được xác định trên cơ sở so sánh dòng điện yêu cầu của tải và dòng điện thực tế đo được

Hai phương pháp điều khiển dòng điện chính:

 Điều khiển dòng điện trong hệ quy chiếu cố định

 Điều khiển dòng điện trong hệ quy chiếu quay

Điều khiển dòng điện trong hệ quy chiếu 

Đặc điểm chính của phương pháp điều khiển dòng trong hệ quy chiếu  :

 Thường được thực hiện theo dạng Analog kết hợp với Digital do phải phụ thuộc vào một số thiết bị Analog

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

 Có hai dạng chính: điều khiển vòng trễ (Hysteresis Current Control) và điều khiển so sánh (Ramp Comparison Current Control)

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

 Điều khiển so sánh có tần số đóng cắt cố định Nhưng phải dùng bộ điều khiển PI để hỗ trợ điều chỉnh sai số

Điều khiển vòng trễ

Hình 3.6 Điều khiển bộ nghịch lưu bằng phương pháp điều khiển vòng trễ

Chương III: Điều khiển định hướng từ thông Rotor

Hình 3.7 Mạch lái với điều khiển vòng trễ

Dòng điện pha tải sẽ được điều khiển theo dòng điện yêu cầu hay dòng điện đặt với bộ sai số cho phép thiết bị trong mạch trễ Ưu điểm của mạch điều chỉnh dòng điện dùng mạch trễ là đáp ứng quá độ nhanh và có thể thực hiện dễ dàng Tuy nhiên nhược điểm của nó là sai số trong quá độ có thể đạt giá trị lớn và tần số đóng cắt nhiều Sai số dòng điện cực đại có thể đạt hai lần giá trị sai số cho bởi mạch trễ Các nhược điểm nêu ở trên đã làm cho khả năng ứng dụng của phương pháp bị hạn chế đối với tải công suất lớn

Hình 3.8 Nguyên lý điều khiển vòng trễ

ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG

Trong chương IV sẽ trình bày tổng quan tất cả các cả các mô hình được xây dựng trong Matlab Simulink thông qua những phương trình toán học Và toàn bộ kết quả mô phỏng cho động cơ không đồng bộ Với 4 trường hợp chính là:

4.2 Mô hình mô phỏng RFOC

4.2.1 Mô hình mô phỏng INVERTER

Bộ điều khiển INVERTER tính toán hiệu pha cung cấp cho động cơ từ đầu vào là sai lệch giữa dòng đặt và dòng thực Và được biểu diễn trong hình (4.1)

Hình 4.1 Mô hình mô phỏng bộ Inverter Phần chính của khối điều khiển dòng là bộ nghịch lưu cung cấp áp nguồn áp được điều khiển dòng và nguồn kích cho bộ nghịch lưu hay bộ điều khiển dạng điều khiển dòng điện theo kỹ thuật dùng mạch trễ (Hysteresis Current Control)

Hệ phương trình mô tả:

2 3