Điều khiển động cơ không đòng bộ dùng định hướng từ thông rotor và logic mờ

Do đó việc tìm hiểu ứng dụng logic mờ trong điều khiển động cơ không đồng bộ nói riêng và điều khiển các thiết bị thông minh là một đề tài khá nhiều quan tâm vì ngày nay tốc độ vi xử cao

TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA

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

Cán bộ hướng dẫn khoa học : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ tại:

HỘI ðỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2006

Tp HCM, ngày tháng năm 2006

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: VÕ ðÔN LONG Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 23-06-1979 Nơi sinh: Ninh Thuận Chuyên ngành: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ðIỆN M SHV: 01804492

I- TÊN ðỀ TÀI:

ðIỀU KHIỂN ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ DÙNG

ðỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR VÀ LOGIC MỜ

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1) 2) 3)

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06-02-2006

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06-10-2006

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, con xin ựược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc

ựến Ba Mẹ và những người thân trong gia ựình ựã ựộng viên

và tạo mọi ựiều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập và thực hiện ựề tài

Em xin gởi lời cảm ơn ựến Quý Thầy Cô trường đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chắ Minh, Quý thầy cô khoa điện Ờ

điện Tử ựã truyền ựạt cho em những kiến thức quý báu trong

suốt quá trình học tập tại trường ựể em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp cũng như trên con ựường phát triển sự nghiệp say này

đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy Phạm đình

Trực ựã tận tình hướng dẫn và ựộng viên em trong thời gian qua ựể em có thể hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này

Cuối cùng tôi xin cám ơn tất cả những người bạn ựã cùng tôi hỗ trợ giúp ựỡ lẫn nhau trong suốt thời gian học tập cũng như trong cuôc sống

TP Hồ Chắ Minh, tháng 10 - 2006 Học viên thực hiện

Võ đôn Long

Họ và tên: Võ đôn Long Ngày, tháng, năm sinh: 23-06-1979 Nơi sinh: Ninh Thuận địa chỉ liên lạc: 144/2 Bình Thời, Phường 14, Quận 11, TP.HCM

QUÁ TRÌNH đÀO TẠO

Từ năm 1997 Ờ 2002 : học tại trường đại Học Bách Khoa TP.HCM Chế ựộ : Chắnh quy

Chuyên ngành : Kỹ Thuật điện

[1] Nguyễn Văn Nhờ, Điện Tử Công Suất 1, NXB Đại học quốc gia TP.HCM,

2002

[2] Phan Quốc Dũng, Tô Hữu Phúc, Truyền Động Điện, NXB Đại học quốc gia TP.HCM, 2003

[3] Peter Vas, Artificial – Intellligence – Based Electrical Machines and Drives,

Oxford university Press,1999

[4] Dr.Levi, High Performance Drives, Liverpool John Moores University,1997 [5] Lương Văn Lăng, Cơ Sở Tự Động, NXB Đại học quốc gia TP.HCM, 2002 [6] Nguyễn Đức Thành, Matlap và ứng dụng trong điều khiển, NXB Đại học quốc gia TP.HCM, 2004

[7] Phạm Đình Trực, Principles of Vector Control and Direct Torque Control [8] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2005

[9] Peter Vas, Sensorless Vector and Direct Torque Control, Oxford university Press,1998

[10] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich, Truyền Động Điện Thông Minh, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2002

GIỚI THIỆU ðỀ TÀI

1 ðẶT VẤN ðỀ

Động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi do có ưu điểm hơn so với động cơ DC không đòi hỏi phải bảo trì thường xuyên, độ tin cậy và tuổi thọ cao Tuy nhiên về mặt cấu trúc thì động cơ này có cấu trúc phức tạp vì cuộn dây và điện áp cấp nguồn ba pha Do đó việc xây dựng mô hình toán học trong điều khiển động cơ cũng rất phức tạp Phương pháp điều khiển định hướng trường theo vector từ thông rotor nhằm điều khiển độc lập từ thông và mô men tạo điều kiện tối ưu cho việc điều khiển mô men cho cả trạng thái xác lập và quá độ

Hiện nay, ngày càng phát triển tốc độ vi xử lý nên các kỹ thuật logic mờ,

nơ ron, logic mờ – nơ ron, kỹ thuật di truyền được ứng dụng phổ biến để giải quyết các bài toán phức tạp trong một số trường hợp các kỹ thuật điều khiển truyền thống không giải quyết được bởi vì để giải quyết các bài toán này cần khối lượng tính toán rất lớn Hơn nữa trong điều khiển tự động đòi hỏi đáp ứng nhanh do đó đòi hỏi tốc độ vi xử lý cao

Trong mô hình điều khiển động cơ không đồng bộ có khối điều khiển RFOC (Rotor –Flux Oriented Control) phải dùng sensor hồi tiếp tốc độ Tuy nhiên việc dùng sensor hồi tiếp gây tốn kém, dễ hư hỏng, có thể bị nhiễu do ảnh hưởng môi trường Do đó, người ta đã đưa ra phương pháp ước lượng MRAS (Model reference adaptive system), tức là mô hình ước tốc độ động cơ không cần sensor tốc độ hay còn gọi là ước lượng tốc độ không cảm ứng

Do đó việc tìm hiểu ứng dụng logic mờ trong điều khiển động cơ không đồng bộ nói riêng và điều khiển các thiết bị thông minh là một đề tài khá nhiều quan tâm vì ngày nay tốc độ vi xử cao do đó phương pháp này có nhiều cơ hội ứng dụng trong thực tiễn

2 MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN

Điều khiển động cơ không đồng bộ dùng định hướng từ thông và logic mờ Trong phần của đề tài này sẽ xây dựng bộ PI sử dụng logic mờ cho khối điều khiển RFOC trong trường hợp có dùng sensor tốc độ và trong trường hợp không dùng sensor tốc độ (MRAS)

Tiến hành mô phỏng, so sánh tốc độ, dòng điện stator, mô men điện từ, từ thông rotor giữa các phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp, gián tiếp có bộ PI truyền thống và PI có logic mờ trong hai trường hợp dùng sensor tốc độ và trong trường hợp không sử dụng sensor tốc độ(MRAS)

Dùng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng mô hình động cơ, các mô hình điều khiển Sử dụng khối Fuzzy logic toolbox để huấn luyện bộ PI của khối điều khiển RFOC

Xây dựng được bộ PI sử dụng logic mờ của khối điều khiển RFOC trong trường hợp có dùng sensor tốc độ và không dùng sensor tốc độ (MRAS), kết quả giảm độ vọt lố vận tốc và thời gian tiến đến giá trị đặt nhanh

Gồm phần giới thiệu đề tài, 6 chương nội dung, tài liệu tham khảo, phụ lục Trong đó 6 chương nội dung là:

Chương 1: Mô hình động cơ không đồng bộ

Chương 2 : Phương pháp điều khiển RFOC

Chương 3:Ước lượng thích ứng mô hình MRAS

Chương 4: So sánh giữa các phương pháp điều khiển RFOC trực tiếp và

gián tiếp

Chương 6: Kết quả và kết luận

GIỚI THIỆU ðỀ TÀI

1 ðẶT VẤN ðỀ i

2 MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN ii

3 NHỮNG HƯỚNG TÌM HIỂU CỦA ĐỀ TÀI ii

4 PHƯƠNG PHÁP TÌM HIỂU ii

5 KẾT QUẢ ðẠT ðƯỢC ii

6 THUYẾT MINH LUẬN VĂN ii

Chương 1: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 Mơ hình động của động cơ khơng đồng bộ 1

1.1.1 Hệ phương trình cơ bản của động cơ 1

1.1.2 Các phương trình vector không gian trong hệ tọa độ stator(α −β) 4

1.2 Mô phỏng động cơ không đồng bộ 8

1.2.1 Mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ 8

1.2.2 Kết quả mơ phỏng động cơ KðB 10

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN RFOC (Rotor –Flux Oriented Control) 2.1 Giới thiệu bộ nghịch lưu 16

2.1.1 Bộ nghịch lưu áp 16

2.1.2 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp 19

2.1.3 Phương pháp điều khiển PWM dịng điện 19

2.2 Nguyên lý điều khiển định hướng tựa trường 21

2.3 ðiều khiển định hướng từ thơng rotor RFOC 24

2.3.1 ðiều khiển định hướng từ thơng rotor trực tiếp 27

2.3.2 Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp 29

2.4 Mô hình mô phỏng tổng quan hệ thống điều khiển động cơ KĐB 30

2.4.1 Phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp .30

2.4.2 Phương pháp định hướng từ thông rotor gián tiếp .37

2.5 Điều khiển PID bằng fuzzy logic 38

2.5.1 Bộ điều khiển PID truyền thống 38

2.5.2 Điều khiển PID fuzzy logic 39

REFERENCE ADAPTIVE SYSTEM)

3.1 Giới thiệu phương pháp sensorless 44

3.2 Giới thiệu mô hình MRAS 44

3.3 Định lý ổn định Popov 46

3.4.Mô phỏng MRAS trên Matlab – Simulink 49

Chương 4: SO SÁNH GIỮA CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN RFOC TRỰC TIẾP VÀ GIÁN TIẾP 4.1 So sánh RFOC-direct và RFOC-indirect 52

4.1.1 Động cơ không tải với vận tốc định mức 53

4.1.2 Động cơ với tải định mức 56

4.1.3 Động cơ không được từ hóa trước 59

4.1.4 Động cơ không tải với vận tốc 1/2 vận tốc định mức có đổi chiều 61

4.2 So sánh RFOC-indirect và RFOC - indirect logic mờ 64

4.2.1 Động cơ không tải với vận tốc định mức 64

4.2.2 Động cơ với tải định mức 67

4.2.3 Động cơ không được từ hóa trước 69

4.2.4 Động cơ không tải với vận tốc 1/2 vận tốc định mức có đổi chiều 72

4.3 So sánh RFOC-direct và RFOC- direct fuzzy logic 75

4.3.1 Động cơ không tải với vận tốc định mức 75

4.3.2 Động cơ với tải định mức 77

4.3.3 Động cơ không được từ hóa trước 80

4.3.4 Động cơ không tải với vận tốc 1/2 vận tốc định mức có đổi chiều 83

4.4 So sánh RFOC-indirect fuzzy logic và RFOC-direct fuzzy logic 85

4.4.1 Động cơ không tải với vận tốc định mức 85

4.4.2 Động cơ với tải định mức 88

4.4.3 Động cơ không được từ hóa trước 91

4.4.4 Động cơ không tải với vận tốc 1/2 vận tốc định mức có đổi chiều 93

4.5 Phân tích kết quả mô phỏng 96

4.5.1 So sánh RFOC-direct và RFOC-indirect 96

4.5.2 Các nhận xét về RFOC trực tiếp và gián tiếp 97

4.5.3 Các kết luận rút ra khi RFOC dùng bộ PI logic mơ 98

Chương 5: SO SÁNH GIỮA CÁC PHƯƠNG PHÁP RFOC TRỰC TIẾP VÀ RFOC MRAS 5.1 So sánh RFOC-direct và RFOC MRAS 99

5.1.1 Động cơ không tải với vận tốc định mức 99

5.1.2 Động cơ với tải định mức 102

5.1.3 Động cơ không được từ hóa trước 104

5.1.4 Động cơ không tải với vận tốc 1/2 vận tốc định mức có đổi chiều 107

5.2.2 Động cơ với tải định mức 113 5.2.3 Động cơ không được từ hóa trước 115 5.2.4 Động cơ không tải với vận tốc 1/2 vận tốc định mức có đổi chiều 118 5.3 Phân tích và so sánh kết quả mô phỏng của RFOC MRAS

và RFOC trực tiếp 121

Chương 6: KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN

6.1 KẾT QUẢ ðẠT ðƯỢC CỦA ðỀ TÀI 122 6.2 KẾT LUẬN 122 6.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ðỀ TÀI 123

Phụ lục

Tài liệu tham khảo

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

Chương 1 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.1 Mơ hình động của động cơ khơng đồng bộ

1.1.1 Hệ phương trình cơ bản của động cơ

Đặc tính động của động cơ KĐB được mô tả với hệ phương trình vi phân Các cuộn dây của động cơ có cấu trúc phân bố phức tạp trong không gian Mụch đích của việc xây dựng các hệ phương trình động cơ không nhằm mô phỏng chính xác động cơ mà khảo sát các đáp ứng vận tốc, từ thông, dòng điện, moment theo thời gian Do đó trong mô hình hóa động cơ ta phải chấp nhận một số các điều kiện sau:

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

Dây quấn rotor đã qui đổi sang dây quấn stator

Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bảo hòa của mạch từ

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

Tiến hành khảo sát máy điện không đồng bộ có p đôi cực Tại thời điểm khảo sát, trục pha a của rotor lệch một góc cơ γR so với trục pha A của stator, tương ứng độ lệch góc điện của rotor so với stator là θR=pγR

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

Hình 1.1 Mô hình của động cơ cảm ứng

Phương trình điện áp phía stator

dt

d i

dt

d i

dt

d i

Phương trình điện áp phía rotor

dt

d i

dt

d i

dt

d i

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

Từ thông móc vòng ở stator

ra r sr sC s sB s sA

sr sC s sA s sB

sr sA s sB s sC

sr rc r ra r rb

sr ra r rb r rc

r

+M srcos(θr + 2π/ 3 )i sB+M srcosθr i sC (1.12)

Kết hợp các phương trình từ (1.1) đến (1.12), phương trình điện áp stator và

rotor được viết lại như

+ +

+ +

r r r

r sr

sr sr

r r

r r

sr sr

sr

r r

r r sr

sr sr

sr sr

sr s

s s

s

sr sr

sr s

s s s

sr sr

sr s

s s

L p R M

p M

p M

p M

p M

p

M p L

p R M

p M

p M

p M

p

M p M

p L

p R M

p M

p M

p

M p M

p M

p L p R M

p M

p

M p M

p M

p M

p L

p R M

p

M p M

p M

p M

p M

p L

p R

θ

θθ

θ

θθ

θ

θθ

θ

θθ

θ

θθ

θ

cos cos

cos

cos cos

cos

cos cos

cos

cos cos

cos

cos cos

cos

cos cos

cos

1 2

2 1

1 2

2 1

1 2

2 1

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

1.1.2 Các phương trình vector không gian trong hệ tọa độ stator(α−β)

Giả sử cuộn dây stator được cấp nguồn từ hệ thống điện áp xoay chiều ba pha cân bằng với tần số gĩc ωs. Ba dịng hình sin phía stator isA, isB, và isC của động cơ KðB khơng nối điểm trung tính

s s j

sC j

sB sA

π

i j

s

s

i i i i

i

2

3 2

3 0

2

1 2

1 1 3

s s

sC

sB

sA

i i i

i

i

2

3 2

1 2

3 2 1 0 1

(1.17)

Vector không gian điện áp stator và rotor

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

dt

d i R v

s s s s s s

s

ψ+

=

(1.18)

dt

d i R v

r r r r r r

r

ψ+

=

(1.19) Vector không gian từ thông stator

3

ψψ

ψ

sC j

sB sA

s = t + t e + t e (1.20)

Thế (1.7), (1.8), (1.9) vào (1.20) ta được

s r m s s j r m

= , L m: điện cảm tương hỗ

Khảo sát trong hệ tọa độ stator

Phương trình vector không gian điện áp stator

dt

d i

R

v

s s s

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

dt

e d e i R

e

v

r r

r

j s r j

s r r j

r r

r

j s r j

s r j

r s r j

s r j

s

dt

d e

dt

d j e dt

d dt

e

ωψψ

θψψ

(

Thay vào (1.19) ta được vector không gian điện áp rotor trong hệ tọa độ stator là:

s r

s r s

R

Vector không gian từ thông stator và rotor

s r m s

Phương trình điện áp stator

dt

di L dt

di L i R v

s r m

s s s s s s s

s

α α

α

α = + + (1.27)

dt

di L dt

di L i R v

s r m

s s s s s s s

s

β β

β

β = + + (1.28)

Tương tự cho điện áp rotor

s r r

s r r s r r s s m

s s m s

dt

di L i R i L dt

di L

vα = α +ω β + α + α +ω β (1.29)

dt

di L i R i L dt

di L i L v

s r r s r r s r r

s s m s s m s

r

β β

α β

α

β = −ω + −ω + + (1.30)

Các phương trình điện áp cĩ thể được viết lại như sau

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

s r

s s

s s

r r r m

m

r r

r m m

m s

s

m s

s

r r

s r

s s

s s

i i i i

dt

dL R L dt

dL L

L dt

dL R L

dt dL

dt

dL dt

dL R

dt

dL dt

dL R

v v v v

β α β α

β α β α

ωω

ωω

0 0

0 0

s r

s s

s s

s m

s m

m r

m r

s r

s r

s s

s s

s r r

s m

s m s

r s s

r m

s m

s

m r m r r

s m

r r m

r m

r s

L L

L L

L L

L L

i i i i

L R L

L L

R L L

L L L

R L

L L

R

L R L L L

R L

L L L

R L

L R

β α β α

ωω

ωω

ωω

0 0

0 0

0 0

0 0

J T

+

= (1.33)

Te : moment điện từ do động cơ sinh ra [N.m]

TL : moment cản qui đổi về trục động cơ [N.m]

J : moment quán tính của hệ thống qui về trục động cơ [kgm2]

P: số đơi cực của động cơ

2

s s

T = ψ (1.34)

Với: s

r m s s s s

ψ suy ra

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

)]

( ) (

[ 2

r m s s s s s s r m s s s s s

T = β α − α β (1.36)

1.2 Mô phỏng động cơ không đồng bộ

1.2.1 Mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ

Các phương trình mô phỏng động cơ không đồng bộ

s r

s s

s s

s m

s m

m r

m r

s r

s r

s s

s s

s r r

s m

s m s

r s s

r m s m

s

m r m r r

s m

r r m

r m

r s

L L

L L

L L

L L

i i i i

L R L

L L

R L L

L L L

R L

L L

R

L R L L L

R L

L L L

R L

L R

L i

β α β α

σ β

α

β

α

ωω

ωω

ωω

ωω

0 0

0 0

0 0

0 0

2

) (

2

r s s s r s s m

i P J

P

dt

d

) (

2

3

β α α β

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

6

T e

5 w

1 s

1 s

1 s

1 s

Hình 1.2 Mô phỏng hệ phương trình mô tả động cơ KĐB

Angul a r el ectri cal speed

Hi#nh 1.3 Mơ phỏng động cơ KðB sử dụng Simulink

Thơng số động cơ

ðộng cơ KðB được khảo sát cĩ 4 cực, P = 2, điện áp định mức Udm = 380 V, tần số định mức fdm = 50 Hz, cơng suất P = 7993 W, vận tốc định mức nr = 1440 rpm (hay 301,6 rad/s), moment quán tính J = 0.1kg.m2, moment tải định mức TL = 26.5 N.m

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

Tính tốn các thơng số máy theo phương pháp khơng cĩ cosφ ta cĩ được các thơng số chi tiết như sau:

1.2.2.Kết quả mơ phỏng động cơ KðB

Với bước thời gian mơ phỏng (step size) là 10µs Thực hiện chạy mơ phỏng trong 1.0s từ mơ hình động cơ khơng đồng bộ với 2 trường hợp: động cơ chạy khơng tải và động cơ chạy ở tải định mức, quan sát kết quả trên figure

Hình 1.4 Giao diện chỉnh định và nhập thời gian mơ phỏng

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

Hình 1.5 Giao diện nhập thơng số cho moment tải T L trong tr ường hợp động cơ chạy khơng tải

Trong trường hợp động cơ chạy cĩ tải, tại 0.266s tăng moment tải lên giá trị định mức (26.5Nm), đây là thời điểm động cơ bắt đầu đạt vận tốc định mức

Hình 1.6 Giao diện nhập thơng số cho moment tải T L trong tr ường hợp động cơ chạy tải định mức

ðộng cơ hoạt động khơng tải

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

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

50 100 150 200 250 300 350

-20 0 20 40 60 80 100 120 140

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

Hình 1.9 Dịng điện stator i a theo th ời gian

ðộng cơ hoạt động ở tải định mức

0 50 100 150 200 250 300 350

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

-20 0 20 40 60 80 100 120 140

Dòng điện khởi động của động cơ rất cao ia = 80A

Ở trạng thái dao động thì ω, ia, Te dao động mạnh

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

Ở chế độ xác lập, trong trường hợp động cơ chạy không tải dòng điện stator ia = 6.5A , tăng lên 12A khi mang tải đinh mức

Moment điện từ ở chế độ xác lập khi động cơ không mang tải là Te = 0, và tăng lên Te = 26.5Nm khi mang tải định mức

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN RFOC

(Rotor –Flux Oriented Control)

Bộ nghịch lưu cĩ nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều khơng đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều 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 lị cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần Bộ nghịch lưu cịn được dùng làm nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu cịn được ứng dụng vào bù nhuyễn cơng suất phản kháng

Các tải xoay chiều thường mang tính cảm ( động cơ khơng đồng bộ, lị cảm ứng), dịng điện qua các linh kiện khơng thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên Do đĩ, mạch bộ nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để cĩ thể điều khiển quá trình quá trình ngắt dịng điện

Trong trường hợp đặc biệt như mạch tải cộng hưởng tải mang tính chất dung kháng (động cơ đồng bộ kích từ dư), dịng điện qua các linh kiện cĩ thể ngắt do quá trình chuyển mạch tự nhiên phụ thuộc vào điện áp nguồn hoặc phụ thuộc vào điện

áp mạch tải Khi đĩ linh kiện bán dẫn cĩ thể chọn là thyristor (SCR)

2.1.1 Bộ nghịch lưu áp

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 cưỡng bức và sử dụng linh kiện cĩ khả năng điều khiển ngắt dịng điện

Trong phần này ta xét bộ nghịch lưu áp ba pha sau:

Bộ nghịch lưu áp ba pha mạch cầu (hình 2.1a) Mạch chứa sáu cơng tắc S1, S2, S3… S6 và sáu diode đối song D1, D2,D3… D6

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

Tải ba pha cĩ thể mắc hình sao hoặc tam giác

1 1

1 1

1

1

− 1

− 1

− 1

−

1

−

0 0 0 0 0

Phân tích bộ nghịch lưu áp ba pha

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

ut1 + ut2 + ut3 = 0 (2.1)

Ta tưởng tượng nguồn áp U được phân chia làm hai nửa bằng nhau với điểm nút phân thế O (một cách tổng quát, điểm phân thế O cĩ thể chọn ở vị trí bất kỳ trên mạch nguồn DC)

Gọi N là điểm nút của tải ba pha dạng sao ðiện áp pha tải ut1, ut2, ut3

ut1=u10–uNO; ut2=u20–uNO; ut3=u30-uNO (2.2)

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

ðiện áp u10, u20, u30 được gọi là các điện áp pha – tâm nguồn của pha 1, 2, 3 Các điện áp ut1, ut2, ut3; u10, u20, u30 và uNO cĩ chiều dương quy ước vẽ trên hình (3.6a)

Cộng các hệ thức trên và để ý rằng: ut1 + ut2 + ut3 = 0

NO

u u u

= (2.5) ðiện áp dây trên tải:

20 10

u t = − ; u t23 =u20−u30; u t31=u30−u10 (2.6)

Quá trình điện áp (và do đĩ quá trình dịng điện) ngõ ra của bộ nghịch lưu áp

ba pha 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 cơng tắc cùng

pha : gồm hai cơng tắc cùng mắc chung vào một pha tải, ví dụ (S1, S4), (S3, S6), (S5,

S2) là các cặp cơng tắc cùng pha

Quy t ắc kích đĩng đối nghịch: cặp cơng tắc cùng pha được kích đĩng theo quy tắc đối nghịch nếu như hai cơng tắc trong cặp luơn ở trạng thái một được kích đĩng

và một được kích ngắt Trạng thái cả hai cơng tắc cùng kích đĩng ( trạng thái ngắn

mạch điện áp nguồn) hoặc cùng kích ngắt khơng được phép

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

1

4

1+ S =

S ; S3+ S6 = 1 ; S5 + S2 = 1

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

Quy tắc: giả thiết bộ nghịch lưu áp ba pha cĩ cấu tạo mạch và chiều điện thế của các phần tử trong mạch cho như hình (3.1) Giả thiết các cơng tắc cùng pha được kích đĩng theo quy tắc đối nghịch và giả thiết dịng điện của các pha tải cĩ khả năng đổi dấu

ðiện áp pha tải đến tâm nguồn của một pha nguồn nào đĩ cĩ giá trị +U/2 nếu cơng tắc lẻ của pha được kích đĩng và –U/2 nếu cơng tắc chẵn được kích khơng phụ thuộc vào trạng thái dịng điện

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 đĩng đối nghịch Quy tắc kích đĩng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích đĩng cơng tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung cĩ tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của sĩng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải

Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp

Phương pháp điều khiển theo biên độ

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

Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến

ðiều chế theo mẫu

Phương pháp điều chế độ rộng xung tối ưu

Phương pháp điều rộng

Phương pháp điều chế vector khơng gian

2.1.3 Phương pháp điều khiển PWM dịng điện

Nguyên lý cơ bản: giản đồ kích đĩng các cơng tắc được xác định trên cơ sở so

sánh dịng điện yêu cầu của tải và dịng điện thực tế đo được

Hai phương pháp điều khiển dịng điện chính:

ðiều khiển dịng điện trong hệ quy chiếu cố định α-β

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

ðiều khiển dịng trong hệ quy chiếu quay

ðiều khiển dịng trong hệ quy chiếu ααα-βββ

ðặc điểm chính của phương pháp điều khiển dịng trong hệ quy chiếu α-β:

Thường được thực hiện theo dạng analog kết hợp với digital do phải phụ thuộc vào một số thiết bị analog

Cĩ độ chính xác cao khi máy hoạt động ở vận tốc thấp ðộ chính xác kém khi máy hoạt động ở vận tốc cao

Cĩ hai dạng chính: điều khiển vịng trễ (hysteresis current control) và

điều khiển so sánh (ramp comparison current control)

ðiều khiển vịng trễ cĩ cấu trúc đơn giản Nhưng tần số đĩng cắt của bộ nghịch lưu luơn biến đổi

ðiều khiển so sánh cĩ tần số đĩng cắt cố định Nhưng phải dùng bộ điều khiển PI để hỗ trợ để điều chỉnh sai số

ðiều khiển vịng trễ

inverter PWM

rectifier bridge Diode

DC

control current

SM SPM

Hình 2.2 ðiều khiển bộ nghịch lưu bằng điều khiển vịng trễ

with Comparator hysteresis

switch Lower

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

Hình 2.3 Mạch lái với điều khiển vịng trễ

Dịng điện pha tải sẽ được điều khiển theo dịng yêu cầu hay dịng đặt với độ sai biệt cho phép thiết lập trong mạch trễ Ưu điểm của mạch điều chỉnh dịng điện dùng mạch trễ là đáp ứng quá độ nhanh và cĩ thể thực hiện dễ dàng Tuy nhiên nhược điểm của nĩ là sai số trong quá độ cĩ thể đạt giá trị lớn và tần số đĩng ngắt thay đổi nhiều Sai số dịng điện cực đại cĩ thể đạt hai lần giá trị sai số cho bởi mạch trễ Các nhược điểm vừa nêu làm cho khả năng ứng dụng của phương pháp bị hạn chế đối với tải cơng suất lớn

Hình 2.4 Nguyên lý điều khiển vịng trễ

2.2 Nguyên lý điều khiển định hướng tựa trường

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 cĩ đặc tính động cao và sử dụng phương pháp điều khiển

vị trí trục rotor

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

Moment sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dịng trong cuộn ứng

và từ thơng sinh ra trong hệ thống kích từ động cơ Từ thơng phải được giữ ở mức tối ưu nhằm đảm bảo sinh ra momen tối đa và giảm thiểu mức độ bão hịa của mạch

từ Với từ thơng cĩ giá trị khơng đổi, momen sẽ tỉ lệ thuận với dịng ứng

ðiều khiển độc lập từ thơng và dịng ứng thực hiện dễ dàng đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập Ở đây, dịng trong cuộn stator xác định từ thơng, dịng rotor dùng điều khiển moment

Tương tự trong động cơ khơng đồng bộ, cuộn ứng là rotor và từ thơng sinh ra bởi dịng trong cuộn stator Tuy nhiên, dịng rotor khơng được trực tiếp điều khiển bởi nguồn ngồi 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, dịng stator là nguồn của từ thơng và dịng ứng

Trong động cơ KðB rotor lồng sĩc, chỉ cĩ dịng stator được điều khiển trực tiếp, do đĩ việc điều khiển moment tối ưu khĩ thực hiện vì khơng thể bố trí cố định

về mặt vật lý giữa từ thơng stator và rotor được và phương trình moment là phi tuyến Việc điều khiển moment ở xác lập cĩ thể mở rộng cho quá độ được thực hiện trong các hệ thống điều khiển vector, dựa theo nguyên lý định hướng tựa trường (field-oriented principle) Nguyên lý này xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thơng với điều khiển moment ðộng cơ KðB theo phương pháp điều khiển vector

mơ phỏng động cơ một chiều theo hai phương diện

Từ thơng và moment cĩ thể điều khiển độc lập

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

ðiều kiện điều khiển moment tối ưu

ðiều kiện để moment tối ưu đạt được khi cuộn dây mang điện đặt trong từ trường với mặt phẳng cuộn dây song song với đường sức của từ trường Khi đĩ, vector dịng điện của cuộn dây sẽ vuơng gĩc với vector từ thơng

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

Ψ Ψ

Hình 2.5 ðiều kiện đạt moment khơng tối ưu (a), và tối ưu (b)

ðối với động cơ một chiều, điều kiện để đạt được moment tối ưu luơn thỏa

+ + + + + +

Ψ

a

i

Hình 2.6 Moment sinh ra trong động cơ DC

Chổi quét cấp dịng ứng cho cuộn rotor thơng qua cổ gĩp được bố trí sao cho vector dịng ứng luơn vuơng gĩc với vector từ thơng sinh ra trong cuộn stator Moment động cơ tỷ lệ với dịng ứng và từ thơng kích từ :

u

K

M = Φ (2.8)

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

Do dịng ứng và từ thơng kích từ cĩ thể được điều khiển một cách độc lập, phương trình trên tương đương mơ hình bộ biến đổi tuyến tính dịng – moment với

hệ số khuyếch đại KΦkt cĩ thể hiệu chỉnh được

Hình 2.7 Mơ hình của động cơ DC kích từ độc lập

2.3 ðiều khiển định hướng từ thơng rotor RFOC

Vector điện áp và dòng điện stator được định nghĩa trong hệ quy chiếu quay stator ta có phương trình điện áp và dòng điện như sau:

s s

j s s s s

s

j s s s

s

s

e i ji i

i

e v jv v

v

ε β

α

β β

α

= +

=

= +

=

(2.9)

a s

s

i a ai i i

v a av v v

2 2

=

+ +

=

Vector dòng và áp trong hệ quy chiếu quay bất kỳ:

s s

j s

s

s

j s s

s

e i

i

e v

v

θ θ

j s qs ds

s

j s qs ds s

e i i i

i

e v v v

v

θ ε

θ β

−

−

= +

=

= +

=

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

θ là góc giữa vector điện áp stator và trục thực d bất kỳ

Phương trình áp động cơ trong hệ quy chiếu bất kỳ:

s m r

r

r

r m s

s

s

s a

r r

r

s a s

s

s

s

i L

i

L

i L

i

L

j dt

d

i

R

j dt

+

=

+ +

=

ψ

ψ

ψωωψ

ψωψ

;

;

;

;

r r

r s

s r s

r s

s

j r s j r s r

j s s

s

j r r j

r r

j s s

e i i e e

e i i e

e

ε φ

φ

θ ε θ

φ θ

φ

ψψψ

ψ

ψψψ

) Im(

2

r s r

m

L

L P

r

θ = , θr =φr −θ , ωa =ωr, ω =r dφr/dt (2.16) Phương trình từ thơng rotor:

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

r qr dr

ψ = + = hoặc ψdr = ψr , ψqr = 0 , dψ qr /dt = 0 (2.17) Moment điện từ cĩ thể được tính như:

qs r r

m r

s r

m

L

L P i

L

L P

2

3 ) Im(

r r

r

i L T

j dt

d

T

1 ) (

1

0 = ψ + ψ + ω −ωψ − (2.20) Với: T r = L r/R r, hằng số thời gian rotor

Phương trình (2.20) có thể biểu diễn trong hệ quy chiếu d-q như sau:

ds m r

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

qs m r

r

Với: ωsl =ωr −ω, vận tốc góc trượt

2.3.1 ðiều khiển định hướng từ thơng rotor trực tiếp

Phương pháp ước lượng từ thơng rotor từ áp và dịng hồi tiếp

Hình 2.9 Phương pháp ước lượng từ thơng rotor từ áp và dịng hồi tiếp

Dịng và áp được chuyển sang hệ quy chiếu α-β:

) 5 0 5 0 )(

CBHD: TS Phạm Đình Trực HVTH: Võ Đôn Long

r s s r

L

L L

α α

s m

r s s r

L

L L

β β

2 2

r r

Phương pháp ước lượng từ thơng rotor từ dịng hồi tiếp vân tốc quay của rotor

Hình 2.10 Phương pháp ước lượng từ thơng rotor từ dịng hồi tiếp vân tốc quay của

rotor

Phương pháp này được dùng phổ biến hiện nay do khơng phải dùng cảm ứng

và cĩ thể ước lượng từ thơng rotor chính xác trong vùng vận tốc thấp