Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp điều khiển moment trực tiếp không dùng cảm biến có xem xét tổn hao sắt từ

- Mô phỏng điều khiển moment trực tiếp động cơ không đồng bộ bằng kỹ thuật không cảm biến MRAS cải thiện từ thông trong vùng vận tốc thấp trong trường hợp lý tưởng.. Những thuận lợi của

HUỲNH CÔNG KHÔI

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MOMENT TRỰC TIẾP KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN CÓ XEM

XÉT TỔN HAO SẮT TỪ

Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà Máy Điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Huỳnh Công Khôi Giới tính : Nam / Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 30/12/1978 Nơi sinh : Cần Thơ

Chuyên ngành : Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2005

1- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG PHƯƠNG

PHÁP ĐIỀU KHIỂN MOMENT TRỰC TIẾP KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN CÓ XEM XÉT TỔN HAO SẮT TỪ

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Mô phỏng điều khiển moment trực tiếp động cơ không đồng bộ có và không có xem xét tổn hao sắt từ

- Mô phỏng điều khiển moment trực tiếp động cơ không đồng bộ bằng kỹ thuật không cảm biến (MRAS) có và không có xem xét tổn hao sắt từ

- Mô phỏng điều khiển moment trực tiếp động cơ không đồng bộ bằng kỹ thuật không cảm biến (MRAS) cải thiện từ thông trong vùng vận tốc thấp trong trường hợp lý tưởng

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/7/2007

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 5/11/2007

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): Tiến sĩ Phạm Đình Trực

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

Đình Trực, người đã trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ và những lời động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Tôi cũng xin cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Điện – Điện tử và những thầy cô hướng dẫn các môn học khác trong khóa học đã hướng dẫn và cung cấp các kiến thức chuyên ngành liên quan và tạo môi trường học tập chủ động trong quá trình học Xin cảm ơn quý anh chị Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, Thư viện đã hướng dẫn và hỗ trợ các thủ tục, tài liệu học tập trong khóa học Xin cảm ơn các tác giả trong tài liệu tham khảo đã cung cấp các kiến thức và thông tin khoa học hữu ích

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các bạn học viên khóa 2005 cùng lớp đã hòa đồng và giúp

đỡ tôi trong khóa học

Tôi cũng xin cảm ơn cơ quan chủ quản đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và công tác Cảm ơn các bạn đồng nghiệp là cựu sinh viên và học viên cao học của trường Đại học Bách Khoa TPHCM đã cho những lời khuyên và những

hỗ trợ về tài liệu hữu ích

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn đặc biệt đến cha mẹ và anh chị em trong gia đình đã thương yêu, động viên và hỗ trợ tôi về tinh thần và vật chất trong học tập và cuộc sống

Huỳnh Công Khôi

góp phần vào sự phát triển các công nghệ sản xuất công nghiệp hiện đại

Những thuận lợi của máy điện một chiều trong việc điều khiển như đáp ứng nhanh về tốc độ và moment cũng như việc điều khiển chúng một cách độc lập đã có thể thực hiện trên động cơ không đồng bộ, vốn điều khiển phức tạp, nhờ các phương pháp điều khiển hiện đại như các phương pháp điều khiển tựa trường (FOC, RFOC), phương pháp điều khiển moment trực tiếp (DTC) … Để đáp ứng các yêu cầu truyền động kỹ thuật cao (như điều khiển trạm rada trong quân sự, điều khiển xe hơi điện, …), các phương pháp điều khiển sao cho động cơ có đáp ứng và hiệu suất tốt nhất, một trong các phương pháp đó là phương pháp điều khiển moment trực tiếp (DTC) với việc điều khiển trực tiếp moment và

từ thông một cách độc lập Và để hệ thống làm việc tin cậy, việc điều khiển cần có thông tin phản hồi về bộ điều khiển, trong phương pháp DTC, việc điều khiển tốc độ thông qua tốc độ hồi tiếp có thể được thực hiện nhờ cảm biến tốc độ, tuy nhiên việc sử dụng cảm biến tốc độ có thể làm giảm độ tin cậy do sai số thiết bị và giảm tốc độ xử lý Với các kỹ thuật ước lượng không cảm biến có thể giải quyết được vấn đề này, một trong các kỹ thuật ước lượng không cảm biến đó là mô hình thích nghi theo mẫu chuẩn (MRAS) có thể được sử dụng thông qua các phương trình toán rõ ràng của động cơ

Trong giới hạn của luận văn, kỹ thuật DTC và MRAS được sử dụng để điều khiển động cơ không đồng bộ trong trường hợp giả định một số điều kiện lý tưởng và xem xét trường hợp tổn hao sắt từ Đặc biệt, với các ứng dụng điều khiển moment trực tiếp trong xe hơi điện thì việc xem xét tổn hao có ý nghĩa lớn về giải thuật điều khiển và ý nghĩa về năng lượng trong quá trình vận hành của động cơ Qua đó trong giải thuật điều khiển DTC, việc suy giảm từ thông trong vùng vận tốc thấp được cải thiện thông qua cải tiến bảng đóng cắt

sẽ được khảo sát Tuy nhiên, trong giới hạn luận văn việc khảo sát tổn hao sắt từ chỉ dừng lại ở việc xem xét các hiện tượng vật lý khi có mặt của tổn hao sắt từ với sóng hài cơ bản

mà việc phân tích sâu về mặt toán học và sự thay đổi các thông số trong quá trình vận hành chưa được thực hiện

Các kết quả khảo sát sẽ được thực hiện thông qua mô phỏng bằng Matlab Simulink

ψ : vector không gian từ thông stator trong hệ quy chiếu đứng yên stator

d trong hệ tọa độ quay dq)

fi (i = a, b, c): ký hiệu dùng trong biểu thức hệ tọa độ ABC

fj (j = α, β): ký hiệu dùng dùng trong hệ tọa độ đứng yên αβ

i ds : thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ quay dq trên trục d

Hình 1-1 “Động cơ điện” đầu tiên và cải tiến của Faraday [30] 1

Hình 1-2 Động cơ Tesla 1883 2

Hình 1-3 Các giai đoạn vận hành trong xe hơi điện của Toyota [Stéphan Astier, ESC 21/04/2006] 4

Hình 2-1 Tiết diện mặt cắt ngang bố trí dây quấn đối xứng của động cơ [25] 8

Hình 2-2 Sơ đồ thay thế tương đuơng động cơ trường hợp lý tưởng [9] 8

Hình 2-3 Sơ đồ thay thế tương đương động cơ có xem xét tổn hao sắt từ [26] 11

Hình 2-4 Biểu đồ cơ bản về tổn thất công suất tính toán và thực nghiệm [26] 13

Hình 2-5 Mô hình mô phỏng lý tưởng động cơ không đồng bộ trong Matlab Simulink 16

Hình 2-6 Mô hình mô phỏng chi tiết động cơ không đồng bộ trong Matlab Simulink 17

Hình 2-7 Đáp ứng tốc độ và moment mô hình máy lý tưởng khi không tải 17

Hình 2-8 Dòng pha A stator mô hình máy lý tưởng khi không tải 18

Hình 2-9 Moment tải và đáp ứng tốc độ mô phỏng mô hình máy lý tưởng khi đóng cắt tải 18

Hình 2-10 Đáp ứng moment điện từ và dòng pha A stator mô hình máy lý tưởng khi đóng và cắt tải 19

Hình 2-11 Mô hình mô phỏng động cơ có xem xét tổn hao sắt từ R Fe trong Matlab Simulink 20

Hình 2-12 Mô hình mô phỏng chi tiết động cơ có xem xét tổn hao sắt từ R Fe trong Matlab Simulink 21

Hình 2-13 Đáp ứng tốc độ rotor và moment trường hợp không tải có R Fe 22

Hình 2-14 Dòng pha A stator và giá trị tổn hao R Fe trường hợp không tải 22

Hình 2-15 Moment tải và đáp ứng tốc độ rotor có xem xét tổn hao R Fe khi đóng cắt tải 22

Hình 2-16 Đáp ứng moment và dòng stator động cơ khi đóng cắt tải có xem xét R Fe 23

Hình 2-17 Giá trị R Fe khi đóng và cắt tải trong mô phỏng động cơ 23

Hình 2-18 So sánh kết quả đáp ứng tốc độ mô hình động cơ khi có và không có R Fe – TH không tải 24

Hình 2-19 So sánh kết quả đáp ứng moment mô hình động cơ khi có và không có R Fe – TH không tải 24

Hình 2-20 So sánh kết quả dòng pha stator mô hình động cơ khi có và không có R Fe – TH không tải 25

Hình 2-21 So sánh đáp ứng tốc độ rotor khi có và không có R Fe – TH đóng và cắt tải 25

Hình 3-1 Sơ đồ khối minh họa phương pháp điều khiển tần số sử dụng PWM – [2] 26

Hình 3-2 Sơ đồ khối minh họa phương pháp điều khiển vector từ thông sử dụng PWM – [2] 26

Hình 3-3 Sơ đồ khối minh họa phương pháp điều khiển moment trực tiếp – [2] 27

Hình 3-4 Vector không gian dòng và từ thông stator [25][8] 29

Hình 3-5 Vector không gian dòng, từ thông stator và từ thông rotor [25] 29

Hình 3-6 Sơ đồ điều khiển moment trực tiếp DTC – Chế độ điều khiển moment [25][10] 31

Hình 3-7 Sơ đồ điều khiển moment trực tiếp DTC – Chế độ điều khiển tốc độ [25] 32

Hình 3-8 Tám trạng thái chuyển mạch vector không gian áp của bộ nghịch lưu 33

Hình 3-9 Quỹ đạo vector từ thông và vector chuyển mạch bộ nghịch lưu [25] 34

Hình 3-10 Vị trí vector từ thông stator và sự lựa chọn vector chuyển mạch tối ưu [3] 35

Hình 3-11 Mô hình tra bảng điều khiển DTC trong Matlab Simulink 37

Hình 3-12 Sơ đồ bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha [24] 37

Hình 3-13 Mô hình bộ nghịch lưu trong Matlab Simulink 39

Hình 3-16 Mô hình xác định vị trí vector từ thông trong Matlab Simulink 41

Hình 3-17 Mô hình mô phỏng DTC chế độ điều khiển moment trường hợp lý tưởng 42

Hình 3-18 Moment tải và moment đặt trong DTC – Chế độ điều khiển moment – TH lý tưởng 43

Hình 3-19 Biên độ và vector từ thông stator quay trong DTC – Chế độ điều khiển moment – TH lý tưởng 43

Hình 3-20 Đáp ứng tốc độ rotor và moment điện từ trong DTC - Chế độ điều khiển moment – TH lý tưởng 43

Hình 3-21 Dòng pha A stator trong DTC – Chế độ điều khiển moment – TH lý tưởng 44

Hình 3-22 Bộ bù PI không có Anti-Windup 45

Hình 3-23 Bộ bù PI có Anti-Windup 45

Hình 3-24 Mô hình mô phỏng DTC lý tưởng – Chế độ điều khiển tốc độ 46

Hình 3-25 Tốc độ đặt và moment tải trong mô phỏng DTC – Chế độ điều khiển tốc độ - TH lý tưởng 46

Hình 3-26 Biên độ và vector từ thông quay trong DTC – Chế độ điều khiển tốc độ - TH lý tưởng 47

Hình 3-27 Đáp ứng moment điện từ và tốc độ rotor trong DTC – Chế độ điều khiển tốc độ - TH lý tưởng 47

Hình 3-28 Dòng pha A stator trong DTC – Chế độ điều khiển tốc độ - TH lý tưởng 47

Hình 3-29 Moment tải và tốc độ đặt trong mô phỏng đảo chiều quay DTC – TH lý tưởng 49

Hình 3-30 Biên độ và vector từ thông trong mô phỏng đảo chiều quay DTC – TH lý tưởng 49

Hình 3-31 Đáp ứng tốc độ rotor và moment điện từ trong mô phỏng đảo chiều quay DTC – TH lý tưởng 49

Hình 3-32 Dòng pha A stator trong mô phỏng đảo chiều quay DTC – TH lý tưởng 50

Hình 3-33 Mô hình tính tổn hao sắt từ trong Matlab Simulink – mô phỏng DTC 50

Hình 3-34 Mô hình mô phỏng DTC có xem xét R Fe chế độ moment trong Matlab Simulink 51

Hình 3-35 Moment tải và moment đặt trong DTC chế độ điều khiển moment có xem xét R Fe 52

Hình 3-36 Biên độ và vector từ thông trong DTC chế độ điều khiển moment có xem xét R Fe 52

Hình 3-37 Đáp ứng tốc độ rotor và moment điện từ chế độ điều khiển moment có xem xét R Fe 52

Hình 3-38 Dòng pha A stator và điện trở tổn hao R Fe trong DTC chế độ điều khiển moment 53

Hình 3-39 Mô hình mô phỏng DTC chế độ điều khiển tốc độ có xem xét R Fe trong Matlab Simulink 53

Hình 3-40 Tốc độ đặt và moment tải trong DTC chế độ điều khiển tốc độ có xem xét R Fe 54

Hình 3-41 Biên độ và vector từ thông quay trong DTC chế độ điều khiển tốc độ có xem xét R Fe 54

Hình 3-42 Đáp ứng tốc độ và moment điện từ trong DTC chế độ điều khiển tốc độ có xem xét R Fe 54

Hình 3-43 Dòng pha A stator và giá trị tổn hao R Fe trong DTC chế độ điều khiển tốc độ 55

Hình 3-44 Moment tải và tốc độ đặt trong mô phỏng đảo chiều DTC có xem xét R Fe 56

Hình 3-45 Biên độ và vector từ thông trong mô phỏng đảo chiều DTC có xem xét R Fe 57

Hình 3-46 Đáp ứng tốc độ rotor và moment điện từ trong mô phỏng đảo chiều quay DTC có xem xét R Fe 57

Hình 3-47 Dòng pha A stator và điện trở tổn hao R Fe trong mô phỏng đảo chiều DTC 57

Hình 4-1 Hệ hồi tiếp không tuyến tính tương đương của MRAS [25] 62

Hình 4-2 Sơ đồ khối mô hình MRAS [25] 63

Hình 4-3 Mô hình MRAS trong Matlab Simulink 63

Hình 4-6 Mô hình mô phỏng DTC bằng MRAS trong Matlab Simulink – TH lý tưởng 66

Hình 4-7 Tốc độ đặt và moment tải trong mô phỏng DTC-MRAS – TH lý tưởng 66

Hình 4-8 Biên độ và vector từ thông trong mô phỏng DTC - MRAS – TH lý tưởng 67

Hình 4-9 Tốc độ thực và tốc độ ước lượng của rotor trong mô phỏng DTC - MRAS – TH lý tưởng 67

Hình 4-10 Moment điện từ và dòng pha A stator trong mô phỏng DTC - MRAS – TH lý tưởng 67

Hình 4-11 Tốc độ đặt và moment tải mô phỏng đảo chiều quay trong DTC - MRAS – TH lý tưởng 68

Hình 4-12 Biên độ và vector từ thông trong mô phỏng đảo chiều quay bằng DTC-MRAS – TH lý tưởng 68

Hình 4-13 Tốc độ thực và ước lượng của rotor trong mô phỏng đảo chiều quay DTC - MRAS – TH lý tưởng 68

Hình 4-14 Moment điện từ và dòng stator trong mô phỏng đảo chiều quay DTC-MRAS – TH lý tưởng 69

Hình 4-15 Mô hình mô phỏng DTC bằng MRAS trong Matlab Simulink – TH có R Fe 70

Hình 4-16 Tốc độ đặt và moment tải trong mô phỏng DTC-MRAS – TH có tổn hao R Fe 71

Hình 4-17 Biên độ và vector từ thông trong mô phỏng DTC-MRAS – TH có tổn hao R Fe 71

Hình 4-18 Tốc độ thực và ước lượng của rotor trong mô phỏng DTC-MRAS – TH có tổn hao R Fe 71

Hình 4-19 Moment điện từ và dòng stator trong mô phỏng DTC-MRAS – TH có tổn hao R Fe 72

Hình 4-20 Điện trở tổn hao R Fe trong DTC-MRAS 72

Hình 4-21 Tốc độ đặt và moment tải trong đảo chiều quay DTC-MRAS – TH có tổn hao R Fe 73

Hình 4-22 Biên độ và vector từ thông trong đảo chiều quay DTC-MRAS – TH có tổn hao R Fe 73

Hình 4-23 Tốc độ rotor thực và ước lượng trong đảo chiều quay DTC-MRAS – TH có tổn hao R Fe 73

Hình 4-24 Dòng stator và moment điện từ trong mô phỏng đảo chiều quay DTC-MRAS – TH có tổn hao R Fe 74

Hình 4-25 Giá trị điện trở R Fe trong mô phỏng đảo chiều quay DTC-MRAS 74

Hình 4-26 So sánh giá trị tốc độ thực và ước lượng của rotor khi xem xét R Fe trong DTC-MRAS 75

Hình 5-1 Mô hình bảng đóng cắt cải thiện từ thông stator vùng vận tốc thấp trong Matlab Simulink 79

Hình 5-2 Moment tải và moment đặt trong mô phỏng DTC cải thiện từ thông stator vùng vận tốc thấp 80

Hình 5-3 Biên độ và vector từ thông quay trong mô phỏng DTC lý tưởng cải thiện từ thông stator vùng vận tốc thấp 80

Hình 5-4 Moment điện từ và tốc độ rotor trong mô phỏng DTC lý tưởng cải thiện từ thông stator vùng vận tốc thấp 80

Hình 5-5 Dòng pha A stator trong mô phỏng DTC cải thiện từ thông stator vùng vận tốc thấp 81

Hình 5-6 So sánh biên độ và vector từ thông quay trong DTC lý tưởng a) Chưa cải thiện b) Cải thiện 82

Hình 5-7 So sánh đáp ứng moment điện từ và tốc độ trong DTC lý tưởng a) Chưa cải thiện b) Cải thiện 83

Hình 5-8 So sánh dòng pha A stator trong DTC lý tưởng a) Chưa cải thiện b) Cải thiện 83

Hình 5-9 Tốc độ đặt và moment tải trong mô phỏng DTC lý tưởng chế độ điều khiển tốc độ cải thiện từ thông stator 84

Hình 5-11 Đáp ứng moment điện từ và tốc độ trong DTC lý tưởng chế độ điều khiển tốc độ cải thiện từ

thông stator 85

Hình 5-12 Dòng pha A stator trong DTC chế độ điều khiển tốc độ cải thiện từ thông stator 85

Hình 5-13 So sánh biên độ và vector từ thông trong DTC lý tưởng chế độ điều khiển tốc độ a) Chưa cải thiện b) Cải thiện 86

Hình 5-14 So sánh dòng pha A stator trong DTC LT chế độ điều khiển tốc độ a) Chưa cải thiện b) Cải thiện 86

Hình 5-15 So sánh đáp ứng moment và tốc độ trong DTC lý tưởng chế độ điều khiển tốc độ a) Chưa cải thiện b) Cải thiện 87

Hình 5-16 Moment tải và tốc độ đặt trong đảo chiều quay DTC lý tưởng cải thiện từ thông stator 88

Hình 5-17 Biên độ và vector từ thông trong đảo chiều quay DTC lý tưởng cải thiện từ thông stator 88

Hình 5-18 Đáp ứng moment và tốc độ trong đảo chiều quay DTC lý tưởng cải thiện từ thông stator 88

Hình 5-19 So sánh biên độ và vector từ thông trong DTC lý tưởng đảo chiều quay a) Chưa cải thiện b) Cải thiện 89

Hình 5-20 So sánh dòng pha A stator trong DTC lý tưởng mô phỏng đảo chiều a) Chưa cải thiện b) Cải thiện 90

Hình 5-21 Tốc độ đặt và moment tải mô phỏng cải thiện từ thông stator vùng vận tốc thấp trong DTC - MRAS 91

Hình 5-22 Biên độ và vector từ thông trong mô phỏng cải thiện từ thông stator vùng vận tốc thấp DTC - MRAS 91

Hình 5-23 Đáp ứng moment điện từ và dòng điện stator cải thiện từ thông stator vùng vận tốc thấp trong DTC - MRAS 92

Hình 5-24 Đáp ứng tốc độ thực rotor và tốc độ ước lượng cải thiện từ thông stator vùng vận tốc thấp trong DTC - MRAS 92

Hình 5-25 So sánh tốc độ thực và tốc độ ước lượng cải thiện từ thông stator vùng vận tốc thấp trong DTC - MRAS 92

Hình 5-26 Moment tải và tốc độ đặt trong đảo chiều quay cải thiện từ thông stator vùng vận tốc thấp MRAS 93

Hình 5-27 Biên độ và vector từ thông stator trong đảo chiều quay cải thiện từ thông stator vùng vận tốc thấp DTC - MRAS 93

Hình 5-28 Đáp ứng moment điện từ và dòng stator cải thiện từ thông stator trong MRAS – đảo chiều quay93 Hình 5-29 Đáp ứng tốc độ thực và ước lượng cải thiện từ thông stator trong MRAS - Đảo chiều quay 94

Hình 5-30 So sánh cải thiện từ thông stator trong MRAS–TH tốc độ đặt dương a) Chưa cải thiện b) Cải thiện 94

Hình 5-31 So sánh cải thiện từ thông stator trong DTC - MRAS–TH đảo chiều quay a) Chưa cải thiện b) Cải thiện 95

Hình 5-33 So sánh dòng stator trước và sau khi cải thiện bảng đóng cắt trong DTC - MRAS – TH đảo chiều quay 96

BẢNG BIỂU

Bảng 3-1 Bảng lựa chọn trạng thái chuyển mạch tổng quát trong điều khiển DTC 35 Bảng 3-2 Bảng tra bảng vector điện áp tối ưu trong điều khiển DTC [25][8] 36 Bảng 3-3 Điện áp pha ngõ ra bộ nghịch lưu [9] 38 Bảng 3-4 Bảng thông số về tốc độ đặt và moment tải mô phỏng đảo chiều quay trong DTC – TH lý tưởng 48 Bảng 5-1 Bảng đóng cắt cải thiện từ thông stator ở vùng vận tốc thấp [5] 78 Bảng 5-2 Thông số mô phỏng đảo chiều quay trong DTC cải thiện từ thông stator vùng vận tốc thấp 87

Các ký hiệu dùng trong luận văn

Mục lục hình và bảng biểu trong luận văn

Chương 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Sơ lược lịch sử phát triển động cơ điện 1

1.2 Sự phát triển các kỹ thuật điều khiển động cơ 2

1.3 Ý nghĩa ứng dụng phương pháp điều khiển moment trực tiếp 3

1.4 Cấu trúc và mục tiêu của luận văn 5

1.4.1 Cấu trúc luận văn 5

1.4.2 Mục tiêu của luận văn 6

Chương 2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 7

2.1 Mô hình lý tưởng động cơ 8

2.1.1 Trên hệ tọa độ cố định stator (hệ tọa độ αβ ) 8

2.1.2 Trên hệ tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq) 10

2.2 Mô hình động cơ xem xét tổn hao sắt từ 11

2.3 Mô phỏng động cơ không đồng bộ 13

2.3.1 Các phương trình chuyển đổi hệ tọa độ ABC sang hệ tọa độ αβ 13

2.3.2 Các phương trình chuyển đổi hệ tọa độ ABC sang hệ tọa độ dq 14

2.3.3 Mô phỏng động cơ trường hợp máy lý tưởng 14

2.3.3.1 Trong hệ tọa độ αβ 15

2.3.3.2 Trong hệ tọa độ dq 15

2.3.3.3 Mô hình mô phỏng động cơ lý tưởng 16

2.3.3.4 Kết quả mô phỏng trường hợp máy lý tưởng 17

2.3.4 Mô phỏng động cơ có xem xét tổn hao sắt từ 19

2.3.4.1 Phương trình mô phỏng động cơ xem xét tổn hao R Fe 19

2.3.4.2 Mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ có xem xét R Fe 20

2.3.4.3 Kết quả mô phỏng động cơ có xem xét tổn hao sắt từ R Fe 21

2.4 Kết luận chương hai 23

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN MOMENT TRỰC TIẾP 25

3.1 Giới thiệu các phương pháp điều khiển 25

3.1.3 Phương pháp điều khiển moment trực tiếp 26

3.2 Nguyên tắc điều khiển moment trực tiếp 27

3.2.1 Giới thiệu 27

3.2.2 Điều khiển moment trực tiếp (DTC) 30

3.2.3 Sơ đồ điều khiển moment trực tiếp (DTC) 31

3.2.4 Bảng chuyển mạch bộ nghịch lưu 32

3.2.5 Bộ nghịch lưu áp hai bậc 37

3.2.6 Ước lượng từ thông và moment 39

3.2.7 Mô phỏng điều khiển moment trực tiếp trường hợp lý tưởng 41

3.2.7.1 Hình ảnh một số mô hình khác sử dụng trong Mô hình mô phỏng DTC 41

3.2.7.2 Mô phỏng DTC lý tưởng chế độ điều khiển moment (Hình 3.6) 42

3.2.7.3 Mô phỏng DTC lý tưởng chế độ điều khiển tốc độ (Hình 3.7) 44

3.2.7.4 Mô phỏng đảo chiều quay trong DTC trường hợp lý tưởng 48

3.2.8 Mô phỏng DTC trường hợp xét tổn hao R Fe 50

3.2.8.1 Mô phỏng DTC chế độ điều khiển moment có xem xét tổn hao R Fe 51

3.2.8.2 Mô phỏng DTC chế độ điều khiển tốc độ có xem xét tổn hao R Fe 53

3.2.8.3 Nhận xét chung về kết quả mô phỏng chế độ điều khiển moment và tốc độ trong DTC có xem xét tổn hao R Fe 55

3.2.8.4 Mô phỏng đảo chiều quay trong DTC có xem xét tổn hao R Fe 56

3.2.9 Kết luận chương ba 58

3.2.9.1 Trường hợp mô phỏng DTC chế độ điều khiển moment 58

3.2.9.2 Trường hợp mô phỏng DTC chế độ điều khiển tốc độ 58

3.2.9.3 Trường hợp mô phỏng đảo chiều quay trong DTC 59

Chương 4 ĐIỀU KHIỂN DTC KHÔNG CẢM BIẾN 60

4.1 Giới thiệu về điều khiển không cảm biến 60

4.2 Mô hình hệ thống thích nghi mẫu chuẩn 61

4.2.1 Giới thiệu về mô hình MRAS 61

4.2.2 Mô hình toán trong mô hình MRAS 62

4.2.3 Mô hình MRAS trong Matlab Simulink 63

4.2.3.1 Mô hình mẫu chuẩn 64

4.2.3.2 Mô hình thích nghi 64

4.3 Mô phỏng DTC không cảm biến bằng MRAS 65

4.3.1 Mô phỏng DTC-MRAS trường hợp lý tưởng 65

4.3.1.1 Thông số và mô hình mô phỏng trong Matlab Simulink 65

4.3.2 Mô phỏng DTC-MRAS trường hợp xem xét R Fe 70

4.3.2.1 Thông số và mô hình mô phỏng trong Matlab Simulink 70

4.3.2.2 Kết quả mô phỏng DTC – MRAS có xem xét tổn hao R Fe 70

4.3.2.3 Nhận xét kết quả mô phỏng DTC – MRAS có xem xét tổn hao R Fe 74

4.4 Kết luận chương 4 76

Chương 5 BẢNG ĐÓNG CẮT CẢI THIỆN TỪ THÔNG STATOR VÙNG VẬN TỐC THẤP 77

5.1 Bảng đóng cắt cải thiện 77

5.2 Mô phỏng cải thiện từ thông vùng vận tốc thấp 78

5.2.1 Mô phỏng cải thiện từ thông trong điều khiển DTC lý tưởng 78

5.2.1.1 Mô phỏng DTC cải thiện từ thông stator - Chế độ điều khiển moment 78

5.2.1.2 Mô phỏng DTC cải thiện từ thông stator - Chế độ điều khiển tốc độ 83

5.2.2 Mô phỏng cải thiện từ thông stator trong điều khiển DTC không cảm biến MRAS 90

5.2.2.1 Thông số mô phỏng 90

5.2.2.2 Kết quả mô phỏng cải thiện từ thông vùng vận tốc thấp – MRAS 91

5.2.2.3 Nhận xét kết quả mô phỏng về cải thiện từ thông stator trong MRAS 94

5.3 Kết luận chương 5 96

Chương 6 KẾT LUẬN 98

6.1 Kết luận 98

6.1.1 Điều khiển moment trực tiếp (DTC) 98

6.1.2 Điều khiển không cảm biến (MRAS) 98

6.1.3 Cải thiện bảng đóng cắt cho từ thông stator trong vùng vận tốc thấp 99

6.2 Hướng phát triển đề tài 99

- 1 -

Chương 1

GIỚI THIỆU

1.1 Sơ lược lịch sử phát triển động cơ điện

Sự phát triển của động cơ điện được bắt đầu từ sự phát minh của Hans Oersted

về hiện tượng điện từ (electromagnetism) năm 1820 Một năm sau, năm 1821, Michael Faraday đã phát triển sự phát minh đó thành “động cơ điện” đầu tiên với

định nghĩa động cơ điện lúc đó là “bất kỳ một cơ cấu nào chuyển đổi năng lượng

điện thành sự chuyển động cơ học [30]” , vào những năm 1830 có nhiều “động cơ

điện” cải tiến của Faraday, tất cả các dạng động cơ phát minh là tiền thân của động

cơ DC Nhưng tận đến năm 1883 Tesla mới phát minh ra động cơ điện không đồng

bộ xoay chiều, tiền thân của các động cơ không đồng bộ ngày nay

Hình 1-1 “Động cơ điện” đầu tiên và cải tiến của Faraday [30]

- 2 -

Hình 1-2 Động cơ Tesla 1883

Ngày nay, những loại động cơ điện DC, động cơ xoay chiều không đồng bộ và đồng bộ đều dựa trên các lý thuyết của Oerested, Faraday và Tesla đã xây dựng hơn một trăm năm trước đây

1.2 Sự phát triển các kỹ thuật điều khiển động cơ

Với sự ra đời của động cơ điện một chiều thật sự đã giải quyết được các bài toán về truyền động cần thay đổi về tốc độ và moment, tốc độ và moment được điều khiển hết sức dễ dàng nhờ cấu trúc đơn giản của mạch kích từ và mạch phần ứng làm cho việc điều khiển từ thông và moment dễ dàng và độc lập

Nhưng với các đặc điểm không thuận lợi của máy điện một chiều như kích thước lớn, do kết cấu cổ góp – chổi than nên trong trong quá trình vận hành sinh ra tia lửa điện, điều này là không thể sử dụng động cơ DC trong môi trường cháy nổ

và do cấu trúc cổ góp như vậy nên đòi hỏi việc bảo trì thường xuyên

Với động cơ không đồng bộ, do không yêu cầu liên lạc về điện giữa rotor và stator nên không cần cấu trúc cổ góp – chổi than, điều này cho phép động cơ không đồng bộ làm việc trong môi trường cháy nổ Mặt khác, động cơ không đồng bộ có

- 3 -

sóc chắc chắn nên động cơ không đồng bộ có thể vận hành ở vận tốc cao [25] Trước khi xuất hiện của điện tử công suất thì việc “thay đổi” tốc độ có thể được thực hiện bằng cách đổi nối sao – tam giác hay thay đổi số đôi cực bằng cách tăng số lượng dây quấn pha stator nhưng việc này cũng hạn chế do tăng giá thành và chỉ áp dụng dãy tốc độ không cần sự liên tục

Cùng với những đặc điểm thuận lợi của động cơ không đồng bộ và với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và điện tử công suất là sự ra đời của các kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ từ đơn giản như điều khiển V/f (Voltage/frequency) đến các kỹ thuật điều khiển hiện đại như điều khiển tựa trường (FOC – Field Oriented Control), điều khiển moment trực tiếp (DTC – Direct Torque Control) hay các sơ đồ điều khiển không cảm biến [15] Tất cả những phương pháp điều khiển đó nhằm mục đích tìm ra một phương pháp điều khiển tốc độ động cơ đơn giản nhất, một trong những phương pháp đó là phương pháp điều khiển moment trực tiếp [25]

Mô tả đặc điểm các phương pháp này được trình bày trong chương 3

1.3 Ý nghĩa ứng dụng phương pháp điều khiển moment trực tiếp

Trong vài thập kỷ vừa qua, sự tăng các khí thải vào môi trường quá sự cho phép của các động cơ truyền thống sử dụng xăng dầu và các giới hạn về khí thải cho phép trong các đô thị cũng như giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ đã tạo một xung lực mạnh mẽ việc phát triển các hệ thống truyền động điện cho các ứng dụng trong ô tô điện [1]

Các phần chính của một hệ thống xe điện là động cơ, bộ điều khiển, nguồn điện, bộ sạc và truyền động Các xe điện có thể sử dụng các động cơ DC, động cơ không đồng bộ hay động cơ điện nam châm vĩnh cữu [1] Tuy nhiên, như đã biết các điểm không thuận lợi của các máy điện DC nói chung là sinh tia lữa điện, việc bảo trì các hệ thống chổi than cổ góp, kích thước, … hay các máy điện nam châm

và được ứng dụng trong việc điều khiển moment trong xe hơi điện (Hình 1.3) , đặc

biệt là khi cần đáp ứng nhanh về moment

Hình 1-3 Các giai đoạn vận hành trong xe hơi điện của Toyota [Stéphan Astier, ESC 21/04/2006]

Với các phương pháp điều khiển trên được sử dụng trong xe hơi, trong giới hạn của đề tài, phương pháp điều khiển moment trực tiếp được chọn để mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc với các bảng đóng cắt truyền thống của Takahashi, công việc này đã được nghiên cứu trong các luận văn khóa trước và các bài báo khoa học nhưng việc xem xét yếu tố tổn hao sắt từ trong động

cơ khi điều khiển động cơ bằng phương pháp điều khiển moment trực tiếp chưa được đề cập nhiều Đặc biệt, khi động cơ được nuôi bằng biến tần thì việc xem xét tổn hao sắt từ là rất có ý nghĩa trong việc đưa ra các giải thuật điều khiển thích nghi tham số trong các điều kiện vận hành của động cơ [20]

- 5 -

1.4.1 Cấu trúc luận văn

Luận văn được thực hiện trong sáu chương với cấu trúc như sau

Chương 1: GIỚI THIỆU, giới thiệu tổng quan về các vấn đề liên quan đến đề tài như lịch sử phát triển của động cơ, sự phát triển các kỹ thuật điều khiển và ý nghĩa của phương pháp điều khiển được sử dụng trong luận văn

Chương 2: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ, trình bày các phương trình toán mô phỏng động cơ trong trường hợp lý tưởng và xem xét tổn hao sắt từ Xây dựng mô hình mô phỏng và trình bày kết quả mô phỏng động cơ cho hai trường hợp lý tưởng và tổn hao, đưa ra nhận xét ban đầu khi có mặt của tổn hao sắt

từ

Chương 3: ĐIỀU KHIỂN MOMENT TRỰC TIẾP, trong chương này nhìn lại các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ, sau đó trình bày nội dung chính về điều khiển moment trực tiếp như nguyên tắc điều khiển, sơ đồ điều khiển, giới thiệu mô hình toán của bộ nghịch lưu áp và bảng đóng cắt của Takahashi trong điều khiển moment trực tiếp, đồng thời xây dựng các bộ ước lượng từ thông và moment là hai yếu tố chính trong điều khiển moment trực tiếp

Phần cuối của chương tiến hành mô phỏng điều khiển động cơ bằng phương pháp điều khiển moment trực tiếp trong cả hai trường hợp lý tưởng và tổn hao, thực hiện mô phỏng điều khiển moment trực tiếp ở chế độ điều khiển moment và tốc độ,

cụ thể được trình bày trong chương 3

Chương 4: ĐIỀU KHIỂN KHÔNG CẢM BIẾN, chương 4 giới thiệu các dạng điều khiển không cảm biến, trình bày ý nghĩa của việc điều khiển không cảm biến, chọn một phương pháp điều khiển không cảm biến phù hợp với giải thuật điều khiển, sau đó xây dựng các mô hình toán và thực hiện mô phỏng, kết quả mô phỏng

sẽ được nhận xét trong hai trường hợp lý tưởng và xem xét tổn hao sắt từ

- 6 -

VẬN TỐC THẤP, trong vùng vận tốc thấp và không tải từ thông stator suy giảm rất nhiều do các vector zero (vector không) được chọn đóng trong giải thuật điều khiển DTC thông qua bảng đóng cắt do Takahashi và Noguchi đề xuất năm 1986 Chương

5 khảo sát bảng đóng cắt cải thiện từ thông stator ở vùng vận tốc thấp do Casadei đề xuất, kết quả khảo sát được thực hiện thông qua mô phỏng DTC lý tưởng và mô hình thích nghi mẫu chuẩn MRAS

Chương 6: KẾT LUẬN, kết luận các công việc chính được thực hiện trong các chương 2, 3, 4 và 5 đồng thời đưa ra một số đề nghị cho việc phát triển một số vấn

đề liên quan đến đề tài có thể thực hiện trong tương lai

1.4.2 Mục tiêu của luận văn

Thực hiện mô phỏng điều khiển moment trực tiếp động cơ không đồng bộ ứng với các chế độ trong điều khiển moment trực tiếp để mô phỏng xem xét tổn hao sắt

từ để so sánh kết quả

Thực hiện mô phỏng điều khiển moment trực tiếp không cảm biến bằng MRAS trong việc ước lượng tốc độ trong cả hai trường hợp lý tưởng và tổn hao Tất cả việc mô phỏng trong luận văn được thực hiện bằng Matlab Simulink

- 7 -

Chương 2

MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Việc xây dựng một mô hình toán động cơ không đồng bộ trong thực tế để thiết

kế bộ điều khiển đòi hỏi phải mô tả rất chính xác mô hình toán và thể hiện rõ đặc tính thời gian của đối tượng động cơ (đối tượng điều khiển), tức là các tham số của động cơ sẽ thay đổi theo các điều kiện vận hành như nhiệt độ, chế độ tải, …

Mô hình động cơ không đồng bộ xây dựng sau đây không mô tả chính xác về mặt toán học, chủ yếu là phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều khiển Điều này dẫn đến việc giả thiết một số điều kiện trong mô hình để đơn giản hóa mô hình nhưng đồng thời phải mô tả được sự thay đổi chủ yếu của các đại lượng vật lý của động cơ và các sai số gây ra bởi các giả thiết này nằm trong giới hạn cho phép Các phương trình mô tả động cơ trong trường hợp lý tưởng, chúng ta chấp nhận các giả thiết sau đây [19]:

• Bỏ qua tổn hao sắt từ và bảo hòa từ

- 8 -

sA’

sB

sA sB’

sC

sC’

ra

ra' rb

rc' rb'

rc

Hình 2-1 Tiết diện mặt cắt ngang bố trí dây quấn đối xứng của động cơ [25]

2.1 Mô hình lý tưởng động cơ

Sơ đồ thay thế tương đương động cơ được thể hiện dưới dạng:

Hình 2-2 Sơ đồ thay thế tương đuơng động cơ trường hợp lý tưởng [9]

2.1.1 Trên hệ tọa độ cố định stator (hệ tọa độ αβ)

Phương trình điện áp stator và rotor:

r r

- 9 -

Phương trình từ thông:

m r s

s

r r m

i d L

i

R

)(

s m

r

dt

i d L dt

i d L

di L i

R

dt

di L dt

di L i

r r r r s m r

s

dt

di L i R i L dt

r r r r s m r

s

dt

di L i R i L dt

2.1.2 Trên hệ tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq)

Phương trình tổng quát về điện áp stator và rotor:

s a

s s

r r

ds s ds

s

dt

di L dt

di L i

qs s qs

s

dt

di L dt

di L i

dr r dr

dt

di L dt

di L

qr r qr

dt

di L dt

di L

P t

23

ω

(2.20)

2.2 Mô hình động cơ xem xét tổn hao sắt từ

Vì trong phương pháp điều khiển moment trực tiếp giải thuật điều khiển chỉ sử

chỉ khảo sát trong hệ tọa độ này

Sơ đồ thay thế tương đương của động cơ khi xem xét tổn hao sắt từ:

-Hình 2-3 Sơ đồ thay thế tương đương động cơ có xem xét tổn hao sắt từ [26]

Trong hệ tọa độ αβ do ωa = 0 nên phương trình điện áp stator và rotor sẽ không tồn tại ωa

dt

di L dt

di L

dt

di L dt

di L

i

các phương trình mô tả động cơ trên hệ tọa độ này:

Phương trình điện áp stator:

dt

di L dt

di L i

R

dt

di L dt

di L i

dt

di L dt

di L

i

)(

dt

di L dt

di L

m r

dt

di R

L i

m m Fe

m r

dt

di R

L i

Phương trình moment điện từ:

- 13 -

)(

2

3

s r s r r

Hz f

f

f f

R Fe

50,

50,

/552751841

0788.0242.892

ψ φ

tan

Hình 2-4 Biểu đồ cơ bản về tổn thất công suất tính toán và thực nghiệm [26]

2.3 Mô phỏng động cơ không đồng bộ

2.3.1 Các phương trình chuyển đổi hệ tọa độ ABC sang hệ tọa độ αβ

Như đã giới thiệu, việc mô phỏng động cơ với hai giá trị điện áp trên hệ tọa độ

2(coscos

)3

2(sinsin

)32sin(

)32

)32

= ds s qs s

2.3.3 Mô phỏng động cơ trường hợp máy lý tưởng

Các thông số máy trong mô phỏng [11]:

0.141 H; Điện trở stator: Rs = 1.37 Ω; Điện trở rotor: Rr = 1.1 Ω; Moment định mức: Te = 26.5 N.m; Số đôi cực: P = 2; Moment quán tính: J = 0.1 kg.N/m; Moment tải: TL = 26.5 N.m; Điện áp pha định mức: 220 VAC

u L i L R i ωL i

L ωL i

R L L L

βs

u L i L R i ωL i

L ωL i

R L L L

r

αr

u L i L R i L ωL i

L ωL i

R L L L

r

βr

u L i L R i L ωL i

L ωL i

R L L L

P

dt

d

L r m s s s r m s s

P t

23

ω

(2.53)

2.3.3.3 Mô hình mô phỏng động cơ lý tưởng

Các phương trình từ (2.49) đến (2.52) mô tả động cơ trong hệ tọa độ quay

Do đó việc mô phỏng được thực hiện với Mô hình mô phỏng trong hệ tọa độ

dq, với giá trị ωa cũng là chọn hệ tọa độ, ωa = 0 là hệ tọa độ αβ Mô phỏng máy được thực hiện bằng Matlab Simulink

Hình 2-5 Mô hình mô phỏng lý tưởng động cơ không đồng bộ trong Matlab Simulink

- 17 -

Hình 2-6 Mô hình mô phỏng chi tiết động cơ không đồng bộ trong Matlab Simulink

2.3.3.4 Kết quả mô phỏng trường hợp máy lý tưởng

Thực hiện mô phỏng bằng Matlab Simulink, thời gian mô phỏng là 1s, nguồn

3 pha hình sin, Upha = 220 V, f = 50 Hz

Hình 2-7 Đáp ứng tốc độ và moment mô hình máy lý tưởng khi không tải

- 18 -

Hình 2-8 Dòng pha A stator mô hình máy lý tưởng khi không tải

N.m

Hình 2-9 Moment tải và đáp ứng tốc độ mô phỏng mô hình máy lý tưởng khi đóng cắt tải

- 19 -

Hình 2-10 Đáp ứng moment điện từ và dòng pha A stator mô hình máy lý tưởng khi đóng và cắt tải

2.3.4 Mô phỏng động cơ có xem xét tổn hao sắt từ

2.3.4.1 Phương trình mô phỏng động cơ xem xét tổn hao RFe

phương trình (2.26) đến (2.31), thực hiện các phép biến đổi toán học được các phương trình:

m s Fe m r s s s s

s

L L R i i i i R u

dt

di

−

−+

s

L L R i i i i R u

dt

di

−

−+

m r s r

r

r

L L i L i L L R

i i i i

R

dt

di

−+

−+

−++

m r s r

r

r

L L i L i L L R

i i i i

R

dt

di

−+

−

−

−++

- 20 -

J

P t i i L i L i

i L i L L

2.3.4.2 Mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ có xem xét RFe

Hình 2-11 Mô hình mô phỏng động cơ có xem xét tổn hao sắt từ RFe trong Matlab Simulink

- 21 -

Hình 2-12 Mô hình mô phỏng chi tiết động cơ có xem xét tổn hao sắt từ RFe trong Matlab Simulink

2.3.4.3 Kết quả mô phỏng động cơ có xem xét tổn hao sắt từ RFe

Các thông số máy mô phỏng giống như trường hợp không tải: Điện cảm stator

pha định mức: 220 VAC

- 22 -

Hình 2-13 Đáp ứng tốc độ rotor và moment trường hợp không tải có RFe

Hình 2-14 Dòng pha A stator và giá trị tổn hao RFe trường hợp không tải

0.8s, thời gian mô phỏng là 1s

Hình 2-15 Moment tải và đáp ứng tốc độ rotor có xem xét tổn hao RFe khi đóng cắt tải

- 23 -

Hình 2-16 Đáp ứng moment và dòng stator động cơ khi đóng cắt tải có xem xét RFe

Hình 2-17 Giá trị RFe khi đóng và cắt tải trong mô phỏng động cơ

2.4 Kết luận chương hai

Trong mô hình xem xét tổn hao sắt từ, với các kết quả mô phỏng rút ra được một số kết luận sau:

Về đáp ứng tốc độ của rotor: tổn hao sắt từ làm chậm đáp ứng tốc độ của rotor (0.3s trường hợp lý tưởng so với 0.55s khi có tổn hao sắt từ), vùng tốc độ thấp tốc

độ rotor dao động nhiều

cho moment dao động nhiều và sự vọt lố về biên độ dao động moment có giảm đi chút ít

- 24 -

So sánh một số kết quả mô phỏng : bên trái là mô phỏng trường hợp lý tưởng,

bên phải là mô phỏng trường hợp có xem xét tổn hao sắt từ

Hình 2-18 So sánh kết quả đáp ứng tốc độ mô hình động cơ khi có và không có RFe – TH không tải

Hình 2-19 So sánh kết quả đáp ứng moment mô hình động cơ khi có và không có RFe – TH không tải

- 25 -

Hình 2-20 So sánh kết quả dòng pha stator mô hình động cơ khi có và không có RFe – TH không tải

Hình 2-21 So sánh đáp ứng tốc độ rotor khi có và không có RFe – TH đóng và cắt tải