Điều khiển động cơ không đồng bộ theo nguyên lý định hướng từ thông rotor gián tiếp và thay thế một số khâu điều khiển bằng mạng neuron

HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ THỊ THANH HOÀNG ---o0o---ỨNG DỤNG MẠNG NEURAL ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƯƠNG PHÁP VECTOR TỪ THÔNG ROTOR GIÁN TIẾP CHUYÊN NGÀNH: K

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ THỊ THANH HOÀNG

-o0o -ỨNG DỤNG MẠNG NEURAL ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƯƠNG PHÁP VECTOR TỪ

THÔNG ROTOR GIÁN TIẾP

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ SỐ NGÀNH: 2.02.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2002

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : Lê Thị Thanh Hoàng Phái : Nữ

Ngày tháng năm sinh : 04/01/1974 Nơi sinh : Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

I- TÊN ĐỀ TÀI:

Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp định hướng từ thông rotor gián tiếp và thay thế một số khâu điều khiển bằng mạng neuron

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Xây dựng sơ đồ mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha

2 Xây dựng khâu điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp

3 Điều khiển dòng AC

4 Điều khiển dòng DC

5 Thay thế một số khâu điều khiển bằng mạng neuron

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20/05/2002

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 20/12/2002

V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Tiến Sỹ Phan Quốc Dũng

VI- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1:

Tiến Sỹ Phan Quốc Dũng

Nội dung luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày tháng năm 200 TRƯỞNG PHÒNG QLKH-SĐH CHỦ NHIỆM NGÀNH

Tiến Sỹ Nguyễn Hữu Phúc

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời biết ơn chân thành đến Tiến Sỹ Phan Quốc Dũng, người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa Điện Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM, Các Cán Bộ Phòng QLKH – SĐH đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học và hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa Điện Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, tôi muốn cảm ơn thật nhiều Cha Mẹ, hai chị Huy, Phước, em Ngọc Anh, và Chồng tôi, những người luôn ở bên tôi và động viên tôi rất nhiều để tôi có thể hoàn thành khóa học này

Lê Thị Thanh Hoàng

Chương 1: Giới thiệu Trang

1.2 Khái quát về phương pháp điều khiển theo hướng định trường 4 1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án 4

Chương 2: Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha trong

2.1 Cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha 6 2.2 Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ stator

13 2.3 Xây dựng khối mô phỏng động cơ không đồng bộ bằng

2.4 Nguyên lý điều khiển vector theo định hướng từ thông rotor 16

2.5 Hệ thống điều khiển vector từ thông rotor gián tiếp 20 Chương 3: Điều khiển tốc độ động cơ KĐB theo định hướng từ thông rotor gián

Chương 4: Mạng neuron và ứng dụng điều khiển động cơ không đồng bộ 57

4.2 Mô hình kết nối của các mạng neuron nhân tạo 59

4.5 Huấn luyện các khâu PI, relay và switch-table 66

4.6 Các kết quả mô phỏng theo phương pháp hiệu chỉnh dòng AC 68

4.7 Các kết quả mô phỏng theo phương pháp hiệu chỉnh dòng DC 91

Kết Luận

vi điện tử và vi tính, nhằm gán cho động cơ các tính năng cao, đáp ứng được các đòi hỏi mới của quá trình tự động hóa đặt ra cho thiết bị truyền

động

Một tiến bộ đáng kể trong việc phát triển lý thuyết điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha là phương pháp định hướng trường (field – oriented control) [1],[2],[3],[4], trong đó định hướng trường rotor gián tiếp là phương pháp được ứng dụng nhiều trong công nghiệp do tính khả thi Tuy nhiên, có hai nhược điểm mà phương pháp này mang lại Thứ nhất phương pháp này nhạy cảm đối với sự thay đổi thông số của động cơ, chủ yếu là điện trở và điện kháng rotor do sự thay đổi của nhiệt độ và độ bảo hòa của mạch từ Nhược điểm thứ hai là, mặc dù về lý thuyết có thể tách ly hai thành phần của dòng điện stator, thành phần tạo từ thông và thành phần tạo moment Nhưng việc thực hiện bộ nghịch lưu bán dẫn gây ra sự tương tác giữa hai thành phần này, và do đó không đảm bảo hoàn toàn tính tách ly (decouple) của hai thành phần này

Để giải quyết vấn đề trên, một mặt nhiều nghiên cứu cải tiên mô hình tuyến tính cục bộ bằng mô hình tuyến tính toàn phần khi xây dựng phương pháp định hướng trường [4] Mặt khác, một số phương pháp điều khiển phi tuyến được xây dựng như phương pháp điều khiển theo chế độ trượt (sliding-mode control) [5],[6], điều khiển dựa trên tính chất thụ động của hệ (passivity-based control) [7]

Để giải quyết nhược điểm nhạy cảm với thông số động cơ cũng như của hệ thống, nhiều phương pháp điều khiển thích nghi được áp dụng vào việc điều khiển động cơ không đồng bộ [8],[9],[10],[11] Các phương pháp này cũng thu được một số kết quả nhất định

Một trong những phương hướng để giải quyết bài toán điều khiển động

cơ không đồng bộ ba pha là phương hướng ứng dụng mạng neuron Nhiều

2 Cải tiến phương pháp điều khiển định hướng trường nhằm làm cho hệ có đặc tính động tốt hơn, bền vững đối với sự thay đổi thông số của động cơ, và phụ tải

3 Cải tiến phương pháp điều khiển moment trực tiếp (Direct Torque Control) nhằm làm cho hệ điều khiển có tính năng tốt hơn

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án

1.2.1 Mục tiêu

Mục tiêu điều khiển bao gồm :

- Điều khiển tốc độ ra ổn định theo định hướng từ thông rotor

- Hiệu chỉnh dòng ac và dc để tốc độ ổn định

- Thay thế các khâu hiệu chỉnh dòng bằng mạng neuron

1.2.2 Các nhiệm vụ cụ thể

Luận văn sẽ thực hiện các nhiệm vụ sau:

- Xây dựng mô hình mô phỏng và thuật toán điều khiển

- Trình bày sơ đồ điều khiển theo định hướng từ thông rotor gián tiếp

- Điều khiển dùng mạng neuron để thay thế các khâu hiệu chỉnh dòng và khâu PI

1.3 Phương pháp nghiên cứu:

Khi giải quyết các bài toán trên đã sử dụng các phương pháp chuyển trục và ma trận Để kiểm tra các tính toán và dựng các đồ thị, sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink

1.4 Điểm mới của luận án

- Nghiên cứu thay thế khâu PI bằng mạng neuron

- Nghiên cứu thay thế các khâu hiệu chỉnh dòng bằng mạng neuron

1.5 Giá trị thực tiễn của đề tài:

Nghiên cứu có thể được sử dụng làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên đại học và cao học trong việc đào tạo kỹ sư và thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật điện

1.6 Nội dung của luận án:

Luận văn gồm các phần sau:

Chương 1: Khái quát về điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ,

Chương 4: Trình bày nguyên lý điều khiển dùng mạng neuron NN, thay thế một số khâu điều khiển bằng mạng neuron và các kết quả mô phỏng

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG

CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA TRONG

MATLAB/SIMULINK

2.1 Cơ Sở Lý Thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha:

Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả chính xác đến mức tối đa đối tượng điều chỉnh Xuất phát điểm để xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ là mô hình đơn giản của động cơ trong hình 2.1

Hình 2.1 Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc

Mô hình ở đây chỉ để phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh Điều đó dẫn đến một số điều kiện được giả thiết khi lập mô hình:

- Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian

- Các tổn hao sắt từ và sự bão hoà từ có thể bỏ qua

- Dòng từ hoá và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ

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

2.1.1 Các phép biến đổi toạ độ:

Vector không gian trong hệ toạ độ Stator (d_q), hệ tọa độ stator là một hệ tọa độ phức với trục thực đi qua cuộn dây pha a của động cơ, ta có thể xây dựng vector không gian như sau:

Dòng điện đi vào stator động cơ không đồng bộ 3 pha có dạng:

sin(

I)t(i

)120tsin(

I)t(i

)tsin(

I)t(i

s m

cs

s m

bs

s m

as

ο

ο+

ω

Do đó có thể dựng một hệ tọa độ phức với trục thực đi qua cuộn dây pha a của động cơ Định nghĩa và vector không gian của dòng điện stator như sau:

ο

= j 120ea

(i [cos( 0 ) j sin( 0 )] i [cos( 120 ) j sin( 120 )] i [cos( 120 ) j sin( 120 )])

3

2

) i a ai

cs 0 0

bs 0 0

as

c 2 b

a

s

s

− +

− +

+ +

+

=

+ +

j i ) 2 / 1 ( i ) 2

cs bs

as

+

=

− +

2

3 2

3 0

2

1 2

1 1 3

2 i

as s

qs

s

ds

i i

i i

i

11

32

30

2

12

113

20

s ds

cs

bs

as

ii

3

13

13

131

032

2

3i

i

i

Theo lý thuyết toán học về phép chuyển hệ tọa độ, áp dụng cho trường hợp hai hệ tọa độ: một của stator; một của rotor có cùng một gốc tọa độ và hai hệ này quay tương đối với nhau bởi tốc độ góc ω, lệch nhau một góc θr Ta được phép chuyển đổi từ hệ tọa độ cố định stator (dq) sang hệ tọa độ quay rotor (DQ) có dạng:

−

θ θ

s ds

r r

r r

) sin(

) sin(

) cos(

θ

− θ

e DS

r r

r r

) sin(

) sin(

) cos(

i

Trong đó, góc θr xác định theo hình vẽ 2.2:

Hình 2.2: Hệ tọa độ chuyển đổi

Từ hình vẽ trên cho thấy vector is sẽ quay đồng bộ với hệ trục D_Q quanh điểm góc , còn các vector theo trục D và Q là các đại lượng một

chiều

rθ

2.1.2 Phương trình điện áp và dòng điện động cơ trong hệ toạ độ stator (dq):

Từ các phương trình điện áp trên 3 dây quấn stator :

dt

dRi

s as as

λ+

dt

dRi

s bs bs

λ+

dt

dRi

s cs cs

λ+

λas , λbs , λcs là từ thông móc vòng trên 3 dây quấn stator

Rs là điện trở dây quấn pha stator

Nếu dùng cách biểu diễn vector không gian :

] e v e

v v [ 3

v

s s s s s

s

s

λ+

Tương tự ta có thể xây dựng phương trình điện áp của dây quấn rotor :

dt

dRi

v

r r r r r

r

r

r

λ+

r 2

Ns :tổng số vòng dây quấn stator

Nr :tổng số vòng dây quấn rotor

ν : tỷ số giữa số vòng dây quấn stator và dây quấn rotor

Rr : điện trở rotor quy đổi về stator

Dòng điện rotor quy đổi về stator:

r r

j s

ω : tốc độ của động cơ

Và điện áp rotor, từ thông rotor qui đổi sang hệ toạ độ stator dq:

r r j s

r

r r j s

r

s r

j r

r

r

r

0 0 0

e

ve.v

iR

ei

R

λν

θ

−

(2.11) Thực hiện các phép biến đổi toán học, ta được:

−

λν

−ν

− θ

− θ

− θ

−

s r 0

s r j

r

r

j s r s r 0 i

j s r s r

j s

r

j r

r

jdt

de

dt

d

edt

ddt

)j(de

1e

dt

ddt

de1e

0 0

s r s r s

dt

diR

s r 0 s

r s

s s

r m

m s s

LL

(2.16)

Với Lm : Hỗ cảm giữa rotor và stator

Ls= Lm + Lσs : Điện cảm stator

Lr = Lm + Lσ : Điện cảm rotor

Lσs : Điện kháng tản của dây quấn stator

Lσr : Điện kháng tản của dây quấn rotor

Tương tự, ta được phương trình điện áp dạng ma trận:

s s

r 0 r

m 0

m s

s s

sLpL

Rv

sLR(

vss = s + s sds + sqs + m sdr + sqr

Hoặc có thể viết :

s dr m s

ds s s s

s qr m s

qs s s s

s qr r r s dr r 0 s qs m s

ds m 0 s

− ω

−

ω +

ω +

s dr

s qs

s ds

r r r 0 m

m 0

r 0 r

r m 0 m

m s

s

m s

sL R L sL

L

L sL

R L

sL

sL 0

sL R 0

0 sL

0 sL

−

ω ω

s dr

s qs

s ds

r m

r m

m s

m s

s qr

s dr

s qs

s ds

r r 0 m

0

r 0 r

m 0 s s

dt

d L 0 L 0

0 L 0 L

L 0 L 0

0 L 0 L

i i i i

R L 0

L

L R

L 0

0 0

R 0

0 0

0 R

ω

ω

−

−ω

−

ω

−

−ω

−

ωω

−+

s dr

s qs

s ds

s r r

s 0 m

s m

s 0

m s 0 s

r m

s 0 m

s

m r m

r 0 r

s 2

m 0

m r 0 m

r 2

m 0 r

s

s qr

s dr

s qs

s ds

s m

s m

m r

m r

LRL

LL

RL

L

LLL

RL

LL

R

LRL

LL

RL

LLL

RL

LR

vvvv

L0L

0

0L

0L

L0

L0

0L

0L

Te = TL +

dt

dP

J ω0 Với:

J : Moment quán tính

P : Là số đôi cực của động cơ

ω0 : Là tốc độ của động cơ

s r 0 s

i R

) i i i i ( L 3

P

trong đó chỉ số “s” ở trên chỉ hệ quy chiếu stator

Vì

Ls= Lm + Lσs : Điện cảm stator

Lr = Lm + Lσr : Điện cảm rotor

Với Lm : Hỗ cảm giữa rotor và stator

Lσ : Điện kháng tản của dây quấn stator

Lσr : Điện kháng tản của dây quấn rotor

Phương trình (2.26) và (2.27) có thể viết lại:

Từ các phương trình trên, ta có được mô hình tương đương của động cơ không đồng bộ ba pha rotor ngắn mạch (lồng sóc)

Hình 2.3: Mạch tương đương của động cơ không đồng bộ

2.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG HỆ TỌA ĐỘ STATOR

Từ phương trình (2.27) ta có :

) i L ( L

1

S m s r r

s

Thay phương trình (2.33) vào phương trình (2.30) ta được :

)ii

(LR3

P

qr s ds s dr s qs r m

r

τ

với τr =Lr/Rr: hằng số thời gian rotor

Thay phương trình (2.33) và hằng số thới rotor τr vào phương trình (2.29) ta được :

] ) j 1 ( i L [

j 1 ( ) ji i ( L [

1 ) j (

s m sds sqs 0 r sdr sqr

r

s qr s

τ

= λ +

λ

)

1i

L(s

qr 0 s dr r

s ds r

m s

τ

−τ

=

)

1i

L(s

dr 0 s qr r

s qs r

m s

τ

−τ

=

Từ các phương trình (2.36) và (2.37) có thể viết lại như sau:

] L i

R L [ R s L

qr r 0 s ds r m r r

R L [ R s L

dr r 0 s qs r m r r

Từ các phương trình (2.28) – (2.39)ta xây dựng được mô hình của động

cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ stator

2.3 XÂY DỰNG KHỐI MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG MATLAB/SIMULINK

Để chứng minh cho các kết quả khảo sát, ta dùng chương trình Matlab/Simulink để xây dựng các khối của hệ điều khiển

Khối động cơ không đồng bộ được xây dựng dựa vào các phương trình (2.28),(2.34), (2.38), (2.39) trong hệ tọa độ stator Khối động cơ có dạng như sau:

Hình2.4 Mô hình động cơ không đồng bộ

Trong đó sơ đồ cụ thể được biểu diễn trong hình 2.5

Mô hình động cơ được xây dựng trên hệ tọa độ stator theo các phương trình (2.28) – (2.39), trong đó chia làm 2 khối chính :

- Khối xác định dòng stator, từ thông stator và rotor

- Khối xác định tốc độ, góc quay theta và moment động cơ

Hình 2.5.Sơ đồ chi tiết khối xác định dòng stator,từ thông stator và

rotor

Hình 2.6 Khối xác định tốc độ, góc quay theta và moment động cơ

2.4 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VECTOR THEO ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR

Ta biết rằng cơ sở của việc thực hiện các hệ thống truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại là phương pháp tựa theo từ thông rotor Để điều khiển theo phương pháp tựa theo từ thông rotor ta cần biết hướng (biết góc pha, còn được gọi là góc tựa) của vector từ thông rotor

Điều khiển vector nghĩa là điều khiển độc lập từ thông và moment Bởi

vì sự thay đổi từ thông thì chậm, đặc biệt với điều khiển dòng, nếu giữ từ thông bằng hằng số sẽ sinh ra đáp ứng moment nhanh và đáp ứng tốc độ cũng nhanh Khi điều khiển từ thông cần chú ý đến hiện tượng bảo hòa từ và tổn hao sắt ở chế độ non tải

2.4.1 Mối Liên Hệ Giữa Hệ Tọa Độ Stator dq(Đứng Yên) Và Hệ Tọa Độ Quay DQ(Kích Từ)

Mục này trình bày các phép biến đổi ngược từ hệ tọa độ stator dq(đứng yên) sang hệ tọa độ kích từ (quay)DQ

Mối liên hệ giữa vector điện áp stator s

hoặc

t j s s e

j)t)[cos(

jvv(jv

qs s

ds e

QS e

= vsdscos(ωt)+vsqssin(ωt)+ [j−vsdssin(ωt)+vsqscos(ωt)]

Vậy ta có phép biến đổi từ dq → DQ (từ hệ tọa độ stator sang hệ tọa độ kích từ)

−

ω ω

s ds e

) t sin(

) t sin(

) t cos(

ω

− ω

e DS s

) t sin(

) t sin(

) t cos(

v

v

Phương trình điện áp và dòng điện được viết lại trong hệ tọa độ kích từ :

Từ phương trình (2.8) ta có thể viết lại :

t j e s t j e s s t

s t j t

j e s t j

e

dt

de

Thay s bằng ( s + j ω ) và phương trình (2.46) vào phương trình (2.45) ta được :

e s e

s s e

tương tự cho phương trình (2.15) ta được :

e R r e

R r e R 0 e

R r e

e R m e s s e

e R R e s m e

với ω : tốc độ đồng bộ

Từ các phương trình (2.47) – (2.50) có thể viết vector không gian điện áp dưới dạng ma trận trong hệ tọa độ kích từ (DQ) sau:

+

ω+ω

++

e s

r r r

m r

m s

s e

)js(

L)js(L

)js(Rv

ω

− +

ω

−

ω +

ω

ω

− ω

− +

e DR

e QS

e DS

r r

r m

m r

r r r

r m r m

m m

r s s s

m r m

s s

sL L

sL L

L sL

R L sL

sL L

sL R L

L sL

L sL

Khi động cơ là loại rotor lồng sóc thì veDS = veQS = 0

Phương trình moment trong hệ tọa độ kích từ :

) i i i i ( L 3

P

Từ phương trình (50) ta có :

) i L ( L

1

S m e R r

e

Thay phương trình (2.54) vào phương trình (2.53) ta được :

i(LR3

P

T eQS eDR DSe eQR

r m

r

τ

với τr =Lr/Rr: hằng số thời gian rotor

Đối với động cơ rotor lồng sóc ve 0phương trình (2.48) có thể viết lại

0)js(i

e DR

e QS r

m r

s s

m r

LPLR

e DS

i → λ

1s

L1s

11s

1L

i)

s

(

G

r m

r r

m e

DS

e DR

+τ

=τ

×+τ

Hình 2.7 Sơ đồ khối của động cơ không đồng bộ ba pha với e 0

λ

e QS

i

e DR

λ

G(s)

e QS e

DR i

λ

e DS

Lúc đó, Do đó, những vector và là trực giao (hình 2.9) điều này là điều kiện tối ưu trong việc sinh ra moment, tương tự như động

cơ một chiều Khi nhận dạng ảnh hưởng của góc giữa những vector và trên moment, góc quay này sẽ được gọi là góc moment

e R

Rλ

D

e Ri

j e QR

i

e Rλ

e DRλ

Hình 2.9 Vector từ thông rotor và dòng điện rotor của động cơ KĐB theo

hướng tựa trường

2.5 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỪ THÔNG ROTOR GIÁN TIẾP

Nếu tốc độ đồng bộ cần thiết để duy trì sự định hướng trực giao của các vector và trong động cơ ở những điều kiện vận hành cho trước được định nghĩa bởi , thì góc θ

e

R

Ri

*

ω r có thể được định nghĩa như sau:

0 t

0

* r t

0 0 t

0

* r t

ωr : tốc độ trượt của động cơ

Giá trị yêu cầu của tốc độ trượt có thể được tính từ các phương trình của động cơ theo hướng định trường Vì nên ta có :

* rω

e DR e

λ

) i L (

r e

λ

2 Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Động Cơ Không Đồng Bộ Trong Matlab/Simulink

e DS m r

* r

* e QS

λ τ

* QS r

*

i 1 τ

* S

i

Dòng tương ứng với từ thông đặt rotor có thể xác định từ phương trình (2.64)

* DS

i

* r m

*

*

Ti

λ

Với kT là hằng số moment được cho bởi phương trình (2.58)

Hệ thống điều khiển vector đối với động cơ không đồng bộ tựa từ thông rotor gián tiếp được biểu diễn trong hình 2.10

*

DS

i

*

Hình 2.10 Sơ đồ tách dòng theo phương pháp tựa từ thông rotor

Góc pha θr của vector từ thông rotor được tính bằng cách lấy tích phân tốc độ trượt ωr* cộng với độ dịch chuyển góc rotor θ0 cho phù hợp với phương trình(2.61) Trong phương trình(2.68) hằng số thời gian rotor đóng vai trò quyết định trong phương pháp điều khiển theo hướng tựa trường

r T

*

e DS

i

*

e QS

Hình 2.11 Hệ thống điều khiển ĐCKĐB bằng phương pháp tựa từ thông

rotor gián tiếp

3 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KĐB THEO ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR GIÁN TIẾP BẰNG CÁC KHÂU HIỆU CHỈNH DÒNG

3.1 KHÂU HIỆU CHỈNH DÒNG XOAY CHIỀU

Điều chỉnh dòng stator giữ vai trò quyết định trong hệ thống truyền động điện xoay chiều ba pha điều khiển theo định hướng từ thông rotor Từ giá trị dòng đặt (Reference) ID* và IQ*, ta tìm cách áp đặt dòng điện trực tiếp vào động cơ để đạt đặc tính quá độ mong muốn Ta có một bộ hiệu chỉnh dòng theo sơ đồ như sau :

Hình 3.1 Khâu Hiệu Chỉnh Dòng ac

Phương pháp điều khiển này tuân thủ tinh thần của phương pháp điều khiển theo định hướng trường, nếu giữ vững thành phần dòng ID và thay đổi IQ

theo moment tải, ta có khả năng điều khiển tức thời moment động cơ Tuy nhiên điều này còn tùy thuộc vào khả năng áp đặt dòng tức thời

Phương pháp hiệu chỉnh dòng không cần khối lượng tính toán cao Việc tính toán chủ yếu là ước lượng từ thông rotor để ổn định Như vậy việc điều khiển chính xác chỉ phụ thuộc vào phương pháp ước lượng từ thông rotor Ở đây đầu ra của bộ điều khiển tốc độ xác định moment đặt T*, từ đó xác định được dòng IQ* Dòng ID* dựa vào từ thông định mức, được ước lượng trước và giữ không đổi Thông thường, khi động cơ làm việc với tốc độ lớn hơn định mức, ta cần giảm từ thông một lượng thích hợp, và do đó giảm giá trị dòng ID*

* QSi

*θ

Phép biến đổi park

0θ

* ai

* bi

* ci

ĐC

Cảm biến tốc độ

p s

/ 1

aibi

Khâu hiệu chỉnh dòng ac

To inverter

3.1.1 Điều khiển dòng trong bộ nghịch lưu nguồn áp

Có nhiều phương án đưa ra để điều khiển áp đặt trực tiếp dòng cho động cơ Phương án đơn giản nhất là sử dụng 3 khâu điều chỉnh hai điểm độc lập cho dòng 3 pha Sơ đồ hiệu chỉnh dòng được biểu diễn trong hình

3.2

Hình 3.2 Sơ Đồ Điều Chế Dòng

Đối với mỗi nhánh của bộ nghịch lưu, ví dụ nhánh a, nếu dòng đặt Ia*

lớn hơn dòng thực Ia , ta đóng van trên, nếu dòng đặt Ia* nhỏ hơn dòng thực Ia

ta đóng van dưới Như thế, dòng Ia sẽ sai khác dòng cần Ia* một sai số do bề rộng của khâu trễ quyết định

3.1.2 Khâu tách ly dòng và các khâu biến đổi tọa độ

Giá trị đặt trong phương pháp điều khiển vector là từ thông đặt và moment đặt Vì thế, hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha có hai ngõ vào Từ thông đặt (Ref) bằng hằng số, hay phụ thuộc vào tốc độ hoặc moment tùy theo từng ứng dụng cụ thể

) i ,

Hình 3.3.Sơ đồ tách dòng (decoupling) theo vector từ thông rotor gián

tiếp

Hình 3.4 Khâu điều khiển PI

Hình 3.5 Khâu biến đổi của Park

Hình 3.6 Khâu hiệu chỉnh dòng điện a.c

Hình 3.7 Khâu chuyển abc thành qd

Hình 3.8 Khâu biến đổi tọa độ từ dq sang abc

Hình 3.9 Sơ đồ mô phỏng theo phương pháp hiệu chỉnh dòng a.c

3.1.4 CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THEO PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH DÒNG A.C:(TẢI = 4Nm SAU 0.4S)

Với sơ đồ xây dựng như trên , ta mô phỏng động cơ hai quá trình chính:

quá trình thay đổi điểm làm việc của tốc độ động cơ, và quá trình thay đổi moment Kết quả trình bày trên các đồ thị quan hệ theo thời gian

3.1.4.1.Thông Số của Động Cơ dùng làm mô phỏng

Bộ điều khiển được thiết kế theo các thông số của động cơ cho trong [2]:

Công suất định mức : Pđm= 1100W

Điện áp định mức : Uđm = 220V

Số đôi cực : p = 2

Điện trở stator : Rs = 9.53Ω

Điện trở rotor : Rr = 5.619Ω

Điện kháng stator : Ls = 0.136H

Điện kháng rotor : Lr = 0.505H

Điện kháng từ hóa Lm = 0,447H

Moment quán tính động cơ : J = 0,0026kgfm2

3.1.4.2 Các kết quả mô phỏng :

Thực hiện mô phỏng sơ đồ hình 3.9 trên phần mềm Matlab/Simulnk thu được kết quả sau đây:

3.1.4.3 Đáp ứng danh định:

Hình3 10 a, b, c, d, e trình bày đáp ứng của tốc độ động cơ ω, Moment điện

Te , từ thông stator, từ thông rotor và dòng điện stator isa theo tín hiệu đặt trong trường hợp các thông số của động cơ bằng các thông số tương ứng của mô hình

phục hồi rất nhanh

- Từ thông dao động chút ít khi có tải ở thời điểm 0,4s

- Moment mở máy lớn tốt cho quá trình khởi động và moment động cơ luôn cân bằng moment tải

- Tuy nhiên moment điện và các thành phần dòng điện, từ thông stator và từ thông rotor vẫn còn dao động nhưng mức độ dao động tương đối nhỏ

3.1.4.4 Khảo sát tính bền vững:

Với hệ thống điều khiển, trong quá trình làm việc đôi khi các thông số của đối tượng điều khiển có thể thay đổi Do đó, hệ thống có tính bền vững cao nếu có sự thay đổi của các thông số mà đáp ứng ngõ ra vẫn không thay đổi Để xem xét tính bền vững của hệ thống điều khiển vector từ thông rotor gián tiếp, ta lần lượt thay đổi các thông số Rr, Rs, Ls và Lr của động cơ khác với giá trị định mức

3.1.4.4.1 Tính bền vững đối với R r

Đáp ứng ngõ ra khi thay đổi Rr = 0.5 được trình bày trên hình 3.11 a,b,c,d

rR

Hình 3.11d Đáp ứng từ thông rotor

3.1.4.4.2 Tính bền vững đối với R s

Đáp ứng ngõ ra khi thay Rs = 2 được trình bày hình 3.12a,b,c,d,e R s

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

- Tốc độ ω ổn định rất nhanh đến giá trị đặt độ vọt lố 1.69%

- Moment động cơ luôn cân bằng moment tải

- Vậy hệ thống có tính bền vững cao đối với sự thay đổi của điện trở dây quấn stator

3.1.4.4.3 Tính bền vững đối với L s

Đáp ứng ngõ ra khi thay Ls = 0.5 được trình bày trên hình 3.13a,b,c,d,e Ls

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0