nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng...
TRANSCRIPT
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA
Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập-Tự do-Hạnh phúc
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN - CƠ
Giảng viên hướng dẫn : ThS.NGUYỄN ĐĂNG KHANG
Nhóm Sinh viên thực hiện : TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN
Lớp :ĐIỆN 1
Khóa :3
Khoa : CÔNG NGHỆ KỈ THUẬT ĐIỆN
Tên đề tàiNGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
ROTO LỒNG SÓC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTƠ TỰA TỪ
THÔNG ROTO (FOC)
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 1
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Lời nói đầuLời nói đầu
Ngày nay,động cơ điện được sử dụng rộng rải trong mọi lỉnh vực của đời sống xã hội,đặc biệt là trong các ngành công nghiệp sản xuất hiện đại,và trong nhiều lỉnh vực đời sống không thể thiếu các động cơ điện,vì vậy các loại động cơ điện được chế tạo ngày càng hoàn thiện hơn,trong đó động cơ điện không đồng bộ 3 pha chiếm tỉ lệ lớn trong các ngành công nghiệp do động cơ không đồng bộ 3 pha có nhiều ưu điểm như việc khởi động dể dàng,giá thành rẻ,vận hành êm,kích thước nhỏ gọn,làm việc chắc chắn,đặc tính làm việc tố,bảo quản đơn giản,chi phí vận hành và bảo trì thấp.tuy vậy nó có nhược điểm đặc tính cơ phi tuyến mạnh nên trước đây, với các phương pháp điều khiển còn đơn giản, loại động cơ này phải nhường chỗ cho động cơ điện một chiều và không được ứng dụng nhiều.tuy nhiên với sự phát triển mạnh của ngành khoa học kỉ thuật ngày nay như ngành kỉ thuật vi xử lý,điện tử công suất cộng các lý thuyết điều khiển, truyền động thì việc ứng dụng động cơ không đồng bộ 3 pha là được ứng dụng rộng rải trong hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần động cơ một chiều.
Trước đây thường điều khiển động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp. Đây là một phương pháp đơn giản nhưng chất lượng điều chỉnh kể cả tĩnh lẫn động đều không cao. Để điều khiển được chính xác và hiệu quả phải nói đến phương pháp thay đổi tần số điện áp nguồn cung cấp. Do tốc độ động cơ không đồng bộ xấp xỉ tốc độ đồng bộ nên động cơ làm việc với độ trượt nhỏ và tổn hao công suất trượt trong mạch rôto nhỏ. Tuy nhiên phương pháp này còn phức tạp và đắt tiền. thiết bị dùng để biến đổi tần số là các bộ nghịch lưu, có thể là nghịch lưu trực tiếp hoặc gián tiếp. Ta có thể sử dụng bộ biến tần là một thiết bị tích hợp cả chỉnh lưu, nghịch lưu lẫn điều khiển. Luật điều khiển trong mỗi biến tần tuỳ thuộc vào nhà sản xuất.
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 2
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Hiện nay để điều khiển động cơ đã có nhiều biến tần bán sẵn trên thị trường, ít khi còn phải thiết kế theo phương pháp kinh điển nữa. Các nhà sản xuất lựa chọn biến tần nhiều hơn bảng điều khiển sao - tam giác hoặc điện trở phụ hoặc các thiết bị điều khiển khác vì nó gọn nhẹ, điều khiển chính xác, tin cậy, đáp ứng được nhu cầu tự động hoá và từng bước hiện đại hoá xí nghiệp của họ. Biến tần đơn giản thường điều khiển tốc độ theo luật U/f để đảm bảo động cơ sinh mômen tốt nhưng cho các hệ truyền động yêu cầu cao hơn thì có biến tần điều khiển theo vectơ tựa từ thông roto (foc).
Mục đích của đồ ánTuy hiện nay các loại biến tần đã được bày bán và sử dụng rộng rãi trên thị trường
của các hãng Toshiba, Omron, Siemens ... với nhiều phương pháp điều khiển khác
nhau như : theo luật U/f không đổi, điều khiển vectơ tựa từ thông roto.. nhưng việc
tìm hiểu để chọn ra một phương pháp thích hợp hoặc nghiên cứu tìm ra một
phương pháp điều khiển mới sao cho tối ưu về giá thành, độ chính xác, độ tin cậy
thì vẫn còn những tranh luận vì mỗi loại đều có ưu nhược khác nhau.Bản đồ án này
của chúng em xin được trình bày rỏ hơn về phương pháp biến tần sử dụng luật
FOC (điều khiển vecto tựa từ thông roto) bao gồm các phần chính sau:
- Xây dựng cơ sở lý thuyết thuật toán FOC
- Mô phỏng bằng Matlab đánh giá đáp ứng hệ thống biến tần dùng thuật toán
điều khiển FOC để chứng minh việc đúng đắn của công việc mình đang làm
- Đi đánh giá ưu nhược điểm biến tần sử dụng luật FOC và củng như vị trí
ứng dụng của nó.
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 3
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
LỜI CẢM ƠNĐầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong
khoa điện đặc biệt là thầy giáo NGUYỄN ĐĂNG KHANG,giáo viên khoa điện
trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI người đả trực tiếp giảng dạy và
cho chúng em kiến thức để hoàn thành đồ án môn học này.
Là một kỉ sư điện tương lai chúng em hiểu rỏ tầm quan trọng của động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc trong công nghiệp,quá trình sản xuất và củng như tầm quan trọng của việc điều khiển tốc độ nó,trong đó có phương pháp điều khiển theo vectơ tựa từ thông roto (foc).
Do kiến thức có hạn củng như chưa có kinh nghiệm thực tế nên bản đồ án này
của chúng em không tránh khỏi nhửng thiếu sót,em kính mong thầy giáo xem
xét và góp ý để chúng em hoàn thành đồ án này được tốt hơn sau này.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo!
Hà nội,ngày 23/12/2011.
Nhóm sinh viên thực hiện
TÔN QUANG TOÀN
VÕ VĂN TRIỀN
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 4
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 5
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
I. XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC
I.1. VÀI NÉT SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO LỒNG SÓC
I.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
I.3. XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC
I.3.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ FOC
I.3.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC
I.3.2.1. MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
I.3.2.2. PHÉP BIẾN ĐỔI KHÔNG GIAN VECTO
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 6
MỤC LỤC
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
I.3.2.3. HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ TRONG KHÔNG GIAN VECTO
I.3.2.4. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
I.3.2.5. TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH
I.3.2.6. QUAN SÁT TỪ THÔNG
1.3.3. CẤU HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC
II. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BIẾN TẦN DÙNG
THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC
2.1. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB
2.2. ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BIẾN TẦN DÙNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC
III. ĐÁNH GIÁ ƯU NHƯỢC ĐIỂM BIẾN TẦN SỬ DỤNG LUẬT FOC VÀ VỊ TRÍ
ỨNG DỤNG
3.1. ƯU ĐIỂM CỦA FOC
3.2. NHƯỢC ĐIỂM CỦA FOC
3.3. VỊ TRÍ ỨNG DỤNG CỦA FOC
I. XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC
1.1. VÀI NÉT SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO LỒNG SÓC
Ta đi tổng quan về động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hai
dây quấn trong đó chỉ có dây quấn stato (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lưới
với tần số fs, dây quấn rôto (dây quấn thứ cấp) được nối ngắn mạch (hoặc được
khép kín qua điện trở). Dòng điện trong dây quấn rôto được lấy cảm ứng từ
phía dây quấn stato, có tần số fr và là hàm của tốc độ góc rôto r. So với động
cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có ưu điểm về mặt cấu tạo và giá
thành,làm việc tin cậy và chắc chắn. Khuyết điểm chính cuả động cơ KĐB là
đặc tính mở máy xấu và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn so với
động cơ một chiều. Trong thời gian gần đây, với sự hỗ trợ của một số nghành
khoa học khác như: Điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý ... đã làm tăng khả
năng sử dụng đối với động cơ không đồng bộ ngay cả trong những trường hợp
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 7
NHÓM 35
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
có yêu cầu điều chỉnh tự động tốc độ trong dải rộng với độ chính xác cao mà
trong các hệ truyền động trước đây vẫn thường phải sử dụng động cơ một
chiều.
Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điện xoay chiều,làm việc theo nguyên lý
cảm ứng điện từ,có tốc độ của roto khác với tốc độ từ trường quay trong máy.
Động cơ không đồng bộ 3 pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì
chế tạo đơn giản,giá rẻ,độ tin cậy cao,vận hành đơn giản,hiệu suất cao,và gần
như không bảo trì.dải công suất rất rộng.
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 8
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Động cơ không đồng bộ 3 pha chia thành:
Động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc
Động cơ không đồng bộ 3 pha roto dây quấn
ở đây ta tập trung vào nghiên cứu về động cơ 3 pha roto lồng sóc
Hình ảnh về rotor lồng sóc:
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 9
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Lá thép của rotor và stator:
Các thanh nhôm được gắn trên rotor (thành dạng "cái lồng nhốt con sóc" nên
gọi là "lồng sóc"):
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Ta có từ phương trình momen của động cơ : ta có thể
dựa vào đó để điều khiển moomen bằng cách thay đổi các thông số như điện trở phụ,tốc độ trượt,và tần số nguồn cấp.
Điều khiển điện áp statorDo momen động cơ không đồng bộ tỷ lệ bình phương điện áp stato,do đó có thể điều chỉnh được momen và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stato trong khi giử nguyên tần số.đây là phương pháp đơn giản nhất.chỉ sử dụng một bộ biến đổi điện năng (biến áp,triristor)để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn stator.phương pháp này kinh tế nhưng đặc tính cơ thu được không tốt,thích hợp với phụ tải máy bơm,quạt gió.
Điều khiển điện trở rotoSử dụng trong cơ cấu dịch chuyển cầu trục,quạt gió,bơm nước;bằng việc điều khiển tiếp điểm hoặc trisistor làm ngắn mạch/hở mạch điện trở phụ
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 10
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
của roto ta điều khiển được tốc độ động cơ,phương pháp này có ưu điểm mạch điện an toàn,giá thành rẻ.nhược điểm:đặc tính điều chỉnh không tốt,hiệu suất thấp,vùng điều chỉnh không rộng.
Điều chỉnh công suất trượtTrong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt ps= pđt được tiêu tán trên điện trở mạch roto.ở các hệ thống truyền động điện công suất lớn,tổn hao này là đáng kể.vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động điện,vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ công suất trượt (sơ đồ nối tầng / nối cấp)P1 = Pcơ + Ps = P1(1 –s) +sP1 = const.Nếu lấy Ps trả lại lưới thì tiết kiệm được năng lượng-khi điều chỉnh với < :được gọi là điều chỉnh nối cấp dưới đồng bộ (lấy năng lượng Ps ra phát lên lưới).- khi điều chỉnh với > (s<0):điều chỉnh công suất trượt trên đồng bộ (nhận năng lượng ps vào ) hay còn gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ hai nguồn cung cấp.- nếu tái sử dụng năng lượng Ps để tạo Pcơ : được gọi là truyền động nối cấp cơ.phương pháp này không có nghỉa nhiều vì khi giảm còn 1/3 thì Ps = 2/3.P1 tức là công suất động cơ 1 chiều dùng để Ps phần gần đúng bằng động cơ chính xoay chiều.nếu không nên điều chỉnh xuống.trong thực tế ta không dùng phương pháp này.
Điều chỉnh tần số nguồn cấp stator Khi điều chỉnh tần số động cơ đồng bộ thường phải điều chỉnh cả điện áp,dòng điện,hoặc từ thông trong mạch stator do trở kháng,từ thông,dòng điện của động cơ bị thay đổi.-luật điều chỉnh tần số - điện ápở hệ thống điều khiển điện áp/tần số,sức điện động stator động cơ được điều chỉnh tỉ lệ với tần số đảm bảo duy trì từ thông khe hở không đổi.động cơ có khả năng sinh momen như nhau ở mọi tần số định mức.có thể điều chỉnh tốc độ ở 2 vùng:vùng dưới tốc độ cơ bản : giử từ thông không đổi qua điều khiển tỷ số sức điện động khe hở/tần số là hằng sốvùng trên tốc độ cơ bản :giử công suất động cơ không đổi,điện áp được duy trì không đổi,từ thông động cơ giảm theo tốc độ.
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 11
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
+theo khả năng quá tải :Để đảmbảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá tải dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện áp.đối với biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giử cho khả năng quá tải về momen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ.luật điều chỉnh là Us = fs
(1+x/2) với x phụ thuộc tải.khi x = 0 (Mc = const,ví dụ cơ cấu nâng hạ )thì luật điều chỉnh us/fs không đổi.+điều chỉnh từ thông:Trong chế độ định mức,từ thông là định mức và mạch từ là tối đa.luật điều chỉnh tần số - điện áp là giử gần đúng từ thông không đổi trên toàn dải điều chỉnh.tuy từ thông động cơ trên mổi đặc tính cơ còn phụ thuộc rất nhiều vào độ trượt s,tức là phụ thuộc vào momen tải trên trục động cơ.vì vậy trong các hệ điều chỉnh yêu càu chất lượng cao cần tìm cách bù từ thông. Phương pháp này có nhược điểm là mổi đông cơ phải cài đặt một sensor do từ thông không thích hợp cho sản xuất đại trà và cơ cấu đó gắn liền trong đó bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và nhiểu.Nếu điều chỉnh cả biên độ và pha của dòng điện thì có thể điều chỉnh được từ thông roto mà không cần cảm biến tốc độ.+ Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện:Phương pháp điều chỉnh này sử dụng biến tần nguồn dòng. Biến tần nguồn dòng có ưu điểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản mà vẫn thực hiện hãm tái sinh động cơ . Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là nguồn dòng điện, tức là dòng điện không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển . Để tạo nguồn điện một chiều thường dùng chỉnh lưu điều khiển hoặc băm xung áp một chiều có bộ điều chỉnh dòng điện có cấu trúc tỷ lệ - tích phân (PI), mạch lọc là điện kháng tuyến tính có trị số điện cảm đủ lớn.+ Điều chỉnh tần số - dòng điện:Việc điều chỉnh từ thông trong hệ thống biến tần nguồn dòng được thực hiện tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp.
+ Điều chỉnh vectơ dòng điện:Tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp ở hệ thống biến tần nguồn dòng cũng có thể thực hiện điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh vị trí vectơ
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 12
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
dòng điện không gian. Điều khác biệt là trong hệ thống biến tần nguồn dòng thì dòng điện là liên tục và việc chuyển mạch của các van phụ thuộc lẫn nhau.
Điều khiển trực tiếp mômenRa đời năm 1997, thực hiện được đáp ứng nhanh. Vì r có quán tính cơ nên không biến đổi nhanh được, do đó ta chú trọng thay đổi s không thay đổi r. Phương pháp này không điều khiển theo quá trình mà theo điểm làm việc. Nó khắc phục nhược điểm của điều khiển định hướng trường vectơ rôto r cấu trúc phức tạp, đắt tiền, độ tin cậy thấp (hiện nay đã có vi mạch tích hợp cao, độ chính xác cao), việc đo dòng điện qua cảm biến gây chậm trễ, đáp ứng momen của hệ điều khiển vectơ chậm (cỡ 10 ms) và ảnh hưởng của bão hoà mạch từ tới Rs lớn.Kết luận :trong hệ thống truyền động điều khiển tần số,phương pháp điều khiển theo từ thông roto có thể cho ta đặc tính tỉnh và động của động cơ tốt.
1.3.XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN FOC1.3.1 Tổng quan về FOCMoment sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dòng trong cuộn ứng và từ thông sinh ra trong hệ thống kích từ động cơ .Từ thông phải được giữ ở mức tối ưu nhằm đảm bảo sinh ra moment tối đa và giảm tối thiểu mức độ bão hòa của mạch từ .Với từ thông có giá trị không đổi ,moment sẽ tỷ lệ với dòng phần ứng Động cơ điện tương tự như 1 nguồn moment điều khiển được . Yêu cầu điều khiển chính xác giá trị moment tức thời của động cơ đặt ra trong các hệ truyền động có đặc tính truyền động cao và sử dụng phương pháp điều khiển vị trí trục rotoViệc điều khiển moment ở xác lập có thể mở rộng cho quá độ được thực hiện trong các hệ thống điều khiển vecto dựa theo nguyên lý định hướng từ trường .Việc điều khiển động cơ theo nguyên lý định hướng từ trường có nhiều phương pháp khác nhau như : định hướng từ thông roto , định hướng từ thông stator ,
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 13
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
định hướng từ thông khe hở không khí . Trong đó việc điều khiển từ thông roto ( FOC ) đơn giản và được sử dụng rộng rãi .Nguyên lý điều khiển định hướng theo vecto từ thông dựa trên phương pháp phân tách phi tuyến được sử dụng trong điều khiển các hệ thống phi tuyến . Bản chất của phương pháp này là điều khiển các biến đã chọn sao cho chúng luôn bằng 0 . Như vậy mô hình toán học sẽ trở nên đơn giản hơn vì có thể loại bỏ 1 số nhánh trong mô hình tổng quát1.3.2. XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN FOC1.3.2.1.MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
Đối với các hệ truyền động điện đã được số hoá hoàn toàn, để điều khiển biến tần người ta sử dụng phương pháp điều chế vectơ không gian. Khâu điều khiển biến tần là khâu nghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển/ điều chỉnh bằng số với khâu chấp hành. Như vậy cần mô tả động cơ thành các phương trình toán học.
Quy ước : A,B,C chỉ thứ tự pha các cuộn dây rotor và a,b,c chỉ thứ tự pha các cuộn dây stator.
Giả thiết : - Cuộn dây stato, roto đối xứng 3 pha, rôto vượt góc .- Tham số không đổi.- Mạch từ chưa bão hoà.- Khe hở không khí đồng đều.- Nguồn ba pha cấp hình sin và đối xứng (lệch nhau góc 2/3)
Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn dây k như sau:
Trong đó :k là thứ tự cuộn dây A,B,C rotor và a,b,c stator.:k là từ thông cuộn dây thứ k. k=Lkjij. Nếu i=k: tự cảm, jk: hỗ cảm.
Ví dụ:a =L a ai a+L abi b+L aci c+L aAi A+L aBi B+L aCi C
Vì ba pha đối xứng nên :Ra =Rb =Rc = Rs , RA =RB =RC =Rr L aa =L bb =L cc =L s1 , L AA =L BB =L CC =L r1 L ab =L ba =L bc ...=-M s , L AC =L BC =L AB ...=-M r L aA =L bB =L cC =L Aa = L Bb =L Cc =McosL aB =L bC =L cA =L Ba = L Cb =L Ac =Mcos(+2/3)
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 14
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
L aC =L bA =L cB =L Ca = L Ab =L Bc =Mcos( -2/3)
__ __ __ s = r = =
_ _ _ _is = , ir = , us = , ur =
[Rs] = [Rr] =
[Ls] = [Lr] =
[Lm()]=M.
= x
= x
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 15
a b c A B C
A B C
i a i b i c
uA uB uC
ua ub u c
iA iB iC
RS 0 00 RS 00 0 R S
Rr 0 00 Rr 00 0 R r
LS1 -MS -MS -MS LS1 -MS -MS -MS LS1
Lr1 -Mr -Mr
-Mr Lr1 -Mr
-Mr -Mr Lr1
cos cos(+2/3) cos(-2/3)cos(-2/3) cos cos(+2/3)cos(+2/3) cos(-2/3) cos
is
ir
s
r
[LS] [Lm()][Lm()]t [Lr]
us
ur
is
ir
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
})({ rmts iL
ddiM
Các hệ phương trình trên là các hệ phương trình vi phân phi tuyến có hệ số biến thiên theo thời gian vì góc quay phụ thuộc thời gian:
= 0+(t)dtKết luận : nếu mô tả toán học như trên thì rât phức tạp nên cần phải đơn giản bớt đi. Tới năm 1959 Kôvacs(Liên Xô) đề xuất phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ và Park (Mỹ) đưa ra phép biến đổi d, q.
1.3.2.2 PHÉP BIẾN ĐỔI TUYẾN TÍNH KHÔNG GIAN VECTO
Trong máy điện ba pha thường dùng cách chuyển các giá trị tức thời của điện áp thành các véc tơ không gian. Lấy một mặt phẳng cắt môtơ theo hướng vuông góc với trục và biểu diễn từ không gian thành mặt phẳng. Chọn trục thực của mặt phẳng phức trùng với trục pha a.
Hình2-1: Tương quan giữa hệ toạ độ và toạ độ ba pha a,b,c
Ba véc tơ dòng điện stator ia, ib, ic tổng hợp lại và đại diện bởi một véc tơ quay tròn is . Véc tơ không gian của dòng điện stator:
)(32i 2
s cba iaaii
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 16
is
+1()
+j()
is
a.ib
a2 .ic
Ia
is
is
is
a.ib a2 .ic
Ia
x
y
k
k
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Muốn biết is cần biết các hình chiếu của nó lên các trục toạ độ: is,is.
ss jii si
)2(31}Re{is cbas iiii
)(33}Im{is cbs iii
Hình 2-2: Cuộn dây 3 pha nhìn trên Theo cách thức trên có thể chuyển vị từ 6 phương trình (3 rôto, 3 stato) thành
nghiên cứu 4 phương trình .Phép biến đổi từ 3 pha (a,b,c) thành 2 pha (, ) được gọi là phép biến đổi thuận.
Còn phép biến đổi từ 2 pha thành 3 pha được gọi là phép biến đổi ngược.Đơn giản hơn, khi chiếu is lên một hệ trục xy bất kỳ quay với tốc độ k:k =0 + kt
Nếu k=0, 0=0 :đó là phép biến đổi với hệ trục , (biến đổi tĩnh) Nếu k=1, 0 tự chọn bất kỳ (để đơn giản một phương trình cho x trùng r để ry=0): phép biến đổi d,q. Nếu k= 1 - =r : hệ toạ độ cố định , đối với rôto (ít dùng).
Hìh 2-3: Chuyển sang hệ toạ độ quay bất kỳCác hệ toạ độ được mô tả như sau:
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 17
u
u
pha C
S
dq
is
is
is
q
is
d
pha B
pha A
hướng trục rôto r
is
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Hình 2-4: Các đại lượng is , r của động cơ trên các hệ toạ độ
Các phương trình chuyển đổi hệ toạ độ:a,b,c :
)(3
1bas
as
iii
ii
d,qisd = iscos + issinisq = iscos - issin
a,b,c:
d,q is = isdcos - isqsinis = isdsin + isqcos
1.3.2.3.HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ TRONG KHÔNG GIAN VECTO
Để dễ theo dõi ta ký hiệu :
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 18
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Chỉ số trên s: xét trong hệ toạ độ stato (toạ độ ,) f: trong toạ độ trường (field) từ thông rôto (toạ độ dq) r: toạ độ gắn với trục rôto.
Chỉ số dưới s: đại lượng mạch stator: đại lượng mạch rôto
Phương trình mômen :
).(.23).(.
23
rrsrM ipipm (2-1)
Phương trình chuyển động :
dtd
pJmm cM
(2-2)
Phương trình điện áp cho ba cuộn dây stato :
dttdtiRtu
dttdtiRtu
dttdtiRtu
scscssc
sbsbssb
sasassa
)()(.)(
)()(.)(
)()(.)(
(2-3)
Tương tự như vectơ dòng điện ta có vectơ điện áp:us(t)= 2/3.[usa(t) + usb(t).ej120 + usc(t).ej240]Sử dụng khái niệm vectơ tổng ta nhận được phương trình vectơ:
dtdiRu
sss
ssss
. (2-4)
Trong đó uss, is
s, ss là các vectơ điện áp, dòng điện, từ thông stato.
Khi quan sát ở hệ toạ độ ,:Đối với mạch rôto ta cũng có được phương trình như trên, chỉ khác là do cấu tạo
các lồng sóc là ngắn mạch nên ur=0 (quan sát trên toạ độ gắn với trục rôto)Từ thông stato và rôto được tính như sau:
dt
diRrrr
rr
.0
s = isLs+irLm (2-5)
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 19
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
r = isLm+irLr
Trong đó Ls : điện cảm stato Ls = Ls+ Lm (Lós : điện cảm tiêu tán phía stato)Lr : điện cảm rôto Lr = Lr+ Lm (Lór : điện cảm tiêu tán phía rôto)Ls : hỗ cảm giữa rôto và stato
(Phương trình từ thông không cần đến chỉ số hệ toạ độ vì các cuộn dây stato và rôto có cấu tạo đối xứng nên điện cảm không đổi trong mọi hệ toạ độ).
a) Phương trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định Phương trình điện áp stato giữ nguyên, còn phương trình điện áp rôto có thay đổi
do rôto quay với tốc độ so với stato nên có thể nói hệ toạ độ quay tương đối với rôto tốc độ -
rsrm
ss
sr
msrs
ss
ss
sr
srs
rr
sss
ssss
LiLi
LiLi
jdt
diR
dtdiRu
________
________
________
__
________
.0
.
(2-6)
Tìm cách loại bỏ s và ir: ta rút từ phương trình thứ 3 và 4 trong hệ (2-6) được:
)(
)(1
mss
sr
r
ms
ss
ss
mss
sr
r
sr
LiLLLi
LiL
i
(2-7)
Đặt =1-Lm2/(LsLr)(hệ số tản từ), Ts=Ls/Rs , Tr=Lr/Rr và thay lại phương trình 1
và 2 trong hệ (2-6) :
dtdj
TTLi
dtd
LL
dtidLiRu
sr
r
sr
r
mss
sr
r
mss
s
sss
ss
)1(0
.
(2-8)
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 20
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Biến đổi (2-8) sang dạng từng phần tử của vectơ :
rr
rsr
mr
rrr
sr
mr
ss
rmr
rm
srs
s
ss
rm
rmr
srs
s
Ti
TL
dtd
Ti
TL
dtd
uLLTL
iTTdt
di
uLLLT
iTTdt
di
1
1
111)11(
111)11(
(2-9)
Thay irs từ phương trình thứ 2 của (2-5) vào phương trình mômen (2-1):
)i(LL.p.)L)Li(.(p.)i.(p.m s
ssr
r
m
rm
ss
sr
sr
sr
srM
231
23
23
(2-10)
Thay các vectơ trong (2-10) bằng các phần tử tương ứng ta được :
)ii(LL.p.m srsr
r
mM
23
(2-11)
Từ hệ phương trình (2-9) và phương trình (2-11) ta có công thức mô tả động cơ
không đồng bộ trên hệ toạ độ , trong đó thay T theo công thức: rs TTT
111
rrsmrr
rrsmrr
ss
rrm
rm
s
ss
rm
rmr
s
TiLpT
TiLpT
uLTLL
iT
p
uLLLT
iT
p
)1(
)1(
111)1(
111)1(
(2-12)
Từ (2-13) ta lập được mô hình điện cơ của động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ như sau:
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 21
1-LmTr
T
1+pT
1Ls
Pc
pJ
1-LmTr
T
1+pT
1Ls
1-Lm
Tr
3pcLm
2Lr
us
us
is
is
-
-
-
r
r
mM
mC
Lm
Lm
11+pTr
11+pTr
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Hình 2-5: Mô hình động cơ trên hệ toạ độ cố định
Đầu vào của mô hình là đại lượng điện áp. Do vậy mô hình chỉ đúng với biến tần nguồn áp. Còn khi sử dụng biến tần nguồn dòng (cho công suất truyền động rất lớn) thì phải biến đổi mô hình thành đầu vào là dòng stato is, is
Hệ phương trình (2-9) khi viết lại dưới dạng ma trận:
ss
ssss
uBxAdt
dx (2-13)
Trong đó:xs: ma trận trạng thái, xsT =[is, is, r, r]us
s: ma trận đầu vào, ussT =[us, us]
As: ma trận hệ thốngBs: ma trận đầu vào
As=
ss
ss
AA
AA
2221
1211
, với các phần tử như sau:
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 22
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
.J T1
T1
- T1
A
TL
TL 0
0 TL
A
T1
L1
T1-
T1
L1
LT1 L
-1-
L-1 LT
1
A
T1 0
0 T1
T1 0
0 T1
A
r
r
rs22
r
m
r
m
r
m
s21
rmr
r
m
mrm
mmrs12
s11
I
I
JI
I
.
.
)..(
σ
σ
σσω
σσ
ωσ
σσ
σ
.1
1
σσ
σ
σ
00 ; .I
0
0 khitrong ;
BBB s
2
s1s
001
1
1
21s
s
s
ss BL
L
LB
Lập mô hình của động cơ theo các ma trận : từ (12) : ss
ssss
uBxAdt
dx ta có
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 23
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Hình 2-6: Mô hình động cơ dạng ma trận
Khi mô tả chi tiết bằng các phần tử ma trận:
b, Phương trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq:
Tương tự như trên, khi chiếu trên hệ toạ độ này thì các phương trình từ thông vẫn không đổi, chỉ có các phương trình điện áp thay đổi như sau: - Toạ độ từ thông rôto quay tốc độ s so với stato. - Hệ toạ độ chuyển động vượt trước so với rôto một tốc độ góc r = s -.Từ đó ta thu được hệ phương trình :
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 24
Uss(t)
Bs
As11
As22
As12
As21
drs
dt
Iss(t)dIs
s
dt
rs(t)
Bs
As
xs(t)Uss(t)
dxs(t)dt
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
rf
rmf
sf
r
mf
rsf
sf
r
frr
frf
rr
frs
frf
ssf
s
LiLi
LiLi
jdt
diR
jdt
diRu
________
________
________
__
_______
____
0
(2-14)
Tìm cách loại bỏ ifr và f
s : từ (2-14) có
)(
)(1
____________
________
mf
sf
rr
ms
fs
fs
mf
sf
rr
fr
LiLLLi
LiL
i
(2-15)
Thế trở lại phương trình thứ 3 và 4 của (2-14) ta được phương trình :
rqr
rdrsqr
mrq
rqrrdr
sdr
mrd
sqs
rqrm
rdm
sqrs
sdssq
sds
rqm
rdrm
sqssdrs
sd
Ti
TL
dtd
Ti
TL
dtd
uLTLL
iTT
idt
di
uLLTL
iiTTdt
di
1
1
111)11(
111)11(
(2-16)
Biến đổi tiếp hệ (2-16) với điều kiện chọn trục d trùng với vectơ r , tức là rq = 0:
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 25
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
rd
sqr
m
r
sdmrdr
sqs
rdm
sdssq
sds
rqm
rdrm
sqssd
iTL
iLpT
uLL
iipT
uLLTL
iipT
)1(
11)1(
111)1(
(2-17)
Thay T theo công thức: rs TTT
111
Tương tự như trên toạ độ ta cũng có phương trình mômen cho toạ độ dq:
)(..23 f
sf
rr
mcM i
LL
pm
Thay đại lượng vectơ bằng các phần tử của nó : isf = isd+jisq và s
f = sd+jrq ta có:
sqrdr
mcM i
LLpm ..
23
(2-18)
Từ (2-17) và (2-18) ta vẽ được sơ đồ toán học của động cơ trên hệ toạ độ từ thông rôto dq:
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 26
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Hình 2-7: Mô hình động cơ trên hệ toạ độ quay dq
Sau này, khi đi sâu vào bài toán điều khiển ta sẽ sử dụng mô hình quay dq.Mô hình động cơ biểu diễn dưới dạng ma trận: hệ phương trình (2-16) sau khi tách r
= s - có thể viết lại dưới dạng mô hình trạng thái phi tuyến như sau:
sff
sfff
f
xNuBxAdtxd (2-19)
Trong đó: xf = [isd, isq, rd, rq] T
ufs = [usd, usq] T
rr
m
rr
m
rmm
mrm
f
TTL
TTL
TLLT
LTLT
A
10
10
1110
1101
;
0000
10
01
s
s
f
L
L
B
;
0100100000010010
N
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 27
1p
Lm
Tr
T
1+pT
1Ls
Lm
1+pTr
Pc
pJ
T
1+pT
1Ls
1-Lm
Tr
Lm
3pcLm
2Lr
us
d
us
q
isd
isq
-
r
d
mM
mC
e-j s
:
us
us
-
s
r
s
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Hình minh hoạ cho mô hình (2-19) cho thấy đầu vào stato động cơ gồm thành phần vectơ điện áp us và tần số nguồn s. Như vậy so với mô hình trên hệ toạ độ tĩnh thì mô hình trên hệ toạ độ quay cần thêm tốc độ quay của hệ tọa độ đó. Điều đó có thể hiểu được vì vectơ us trên dq chỉ gồm hai thành phần một chiều usd, usq , còn trên toạ độ tĩnh thì tần số s đã chứa trong hai thành phần xoay chiều us us.
Hình 2-8: Mô hình ĐCKĐB trên toạ độ dq theo dạng vectơ
1.3.2.4.CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Trước đây ta đã đề cập đến vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ theo công
thức (2-18) : sqrdmM iKm để có thể điều khiển được chính xác tương tự như động
cơ một chiều (điều khiển độc lập thành phần kích từ r và thành phần dòng phần ứng is).
Như vậy hệ điều khiển cũng tương tự như hệ điều khiển động cơ một chiều.
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 28
Bf
N
Af
s
ufs(t)
xf(t)dt(t)dx f
R Riư
Rikt
*
ik
t* i
ư*
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Hình 2-9: Mô hình điều khển động cơ một chiều.
Ta sẽ xây dựng một hệ điều khiển tương tự cho động cơ không đồng bộ nhưng trên toạ độ dq. Như vậy động cơ cũng phải biểu diễn trên dq (mục 2-3-2), lượng đặt là và isd :
Hình 2-10: Tư tưởng điều khiển ĐCKĐB.
Nhưng trong hệ thống thực, nguồn cung cấp cho động cơ là ba pha abc và các đại lượng dòng phản hồi đo về được cũng là trên toạ độ abc, vậy giữa hai hệ toạ độ đó phải có các bộ chuyển đổi toạ độ, cụ thể là từ bộ điều chỉnh lượng đặt để thành tín hiệu đưa vào biến tần nuôi động cơ phải có một bộ chuyển đổi dq/abc từ các đại lượng dòng đo được đem phản hồi có một bộ chuyển đổi ngược từ abc/dq.
Vấn đề nảy sinh là khi chuyển đổi giữa hai toạ độ cần phải có góc lệch giữa chúng (s). Từ đây có hai giải pháp:
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 29
R Risq
Risd
*
Is
d* I
s
q*
Nhánh kích từ
Nhánh mômen
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
- Lấy s bằng cách tích phân tốc độ quay s của dòng, áp stato hoặc của từ thông rôto.
- Vì hệ toạ độ quay dq có trục thực gắn với r nên góc s có thể xác định bằng cách tính góc của r trên hệ toạ độ
Từ phân tích trên ta có hệ thống điều khiển như hình vẽ:
Hình 2-11: Sơ đồ hệ thống điều chỉnh dòng điện và tốc độ của động cơ trên dq.
Góc s dùng để chuyển toạ độ từ tĩnh sang quay theo chiều thuận hoặc ngược (dq hoặc dq) . s có thể được tính trực tiếp s = arctg(r) hoặc gián tiếp : s
= s.t + 0 Tuỳ theo cách xác định góc quay từ trường s mà ta có hai phương pháp điều khiển
vectơ: phương pháp điều khiển trực tiếp và phương pháp điều khiển gián tiếp:Điều khiển vectơ gián tiếp
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 30
a,b,c
d,q
a,b,c
d,q
Nghịch lưuđộc lậpPWM
ias
ibs
ics
ua
s*
ubs*
ucs*
q*
us
d*
*
isq*
isd*
Isqisd
Nguồnmột chiều
R Risq
Risd
a+1()
+j()
r
b c
r
r
=s.t
d
s
q
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Hình 2-12: Đồ thị góc pha của phương pháp điều khiển vectơ gián tiếp
Ở phương pháp này , góc s được tính toán dựa vào các đại lượng đầu cực của động cơ. từ đó tính ra các phần tử quay cos, sin .
Theo đồ thị trên, góc pha được tính như sau:s =sdt + o
s: tốc độ quay của vectơ dòng điện stato, từ thông rôto và là tốc độ quay của hệ trục toạ độ dq.
Từ phương trình cân bằng điện áp rôto (2-14) :f
rr
frsf
rr jdt
diR
0
Xét trên hai trục d và q tương ứng ta được:
rdrrq
rqr
rqrrd
rdr
dtd
iR
dtd
iR
0
0
(2-20)Từ công thức r = Lrir + Lmis ta suy ra :
m
sqmrqrq
m
sdmrdrd
LiL
i
LiL
i
(2-21)
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 31
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Thay (2-21) vào (2-20) được
0
0
dqrsqrr
mrq
r
rrq
rqrsdrr
mrd
r
rrd
IRLL
LR
dtd
IRLL
LR
dtd
(2-22) Vì hệ toạ độ dq gắn vào vectơ từ thông rôto và các điều kiện sau giả sử được
đảm bảo:
constdt
d
rrd
rqrq
0
Thay các điều kiện đó vào (2-22) và biến đổi được:
sdmrr
r
rr
sqmr
iLdt
dT
TiL
(2-23)Khi đã tính được r ta có công thức tính góc quay s dựa vào isd, isq và tốc độ :
Hình 2-13: Sơ đồ tính toán góc quay từ trường theo phương pháp gián tiếp.
Điều khiển vectơ trực tiếp theo từ thông rôto
Phương pháp này xác định trực tiếp góc quay từ trường s từ từ thông rôto r
hoặc từ thông khe hở 0 trên hai trục của hệ toạ độ vuông góc:r có thể được xác định bằng cảm biến từ thông Hall hoặc bằng tính toán.
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 32
Lm
Tr:
Lm
Trp+1
1p
r
r
is
d
is
q
s
+
+
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Việc dùng cảm biến thường tín hiệu thu được dễ bị nhiễu trong quá trình đọng cơ làm việc nên ta có thể xác định r bằng tính toán: Tính toán từ thông theo mô hình quan sát Mô hình quan sát từ thông đủ bậc trong đó tính toán cả dòng stato và từ thông rôto được xây dựng theo phương trình ở chương 2-7:
)(0
.
)(.
^
2
11^
^
2221
1211^
^
^^^.
sss
r
s
r
s
sss
iiGG
uBi
AAAAi
dtd
iiGuBXAX
Hay viết cách khác:
)(
)(
^
2
^
22
^
21
.^
^^
1112
^
11
.^
ssrsr
sssrss
iiGAiA
iiGuBAiAi
Hình 2-18: Tính toán r theo mô hình quan sát.
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 33
Động cơ
G1
A11
A12
B1 1p
A21
A22
G2
1 p
is is
isus
r
+
-
Mô hình dòng điện Mô hình từ thông
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Sau khi đã có r , r ta tính góc quay từ trường bằng các công thức:
r
rs
r
rs
sin;cos
Từ đó ta có được mô hình toàn bộ hệ thống điều khiển trực tiếp như sau:Sơ đồ dưới dạng vectơ gồm hai nhánh song song : một là động cơ thực tế và
một là mô hình quan sát động cơ lấy thông số là dòng điện, điện áp stato, sau khi tính toán được vectơ dòng điện stato mẫu is đem so với dòng stato thực tế từ đó tính ra vectơ từ thông r .
Hình 2-19: Mô hình điều khiển vectơ kiểu trực tiếp lấy s từ bộ quan sát
1.3.2.5. Tổng hợp các bộ điều chỉnha. Tổng hợp hệ theo hàm chuẩn:
Cấu trúc hệ gồm các mạch vòng điều chỉnh lệ thuộc lẫn nhau (cấu trúc mạch vòng phù hợp với các hệ điều chỉnh công nghiệp)
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 34
dq
abc
dq
Tính toán từ thông rôto
Nghịch lưuPWM
r*
Id
s*
Bộ đ/c R
Bộ đ/c Ri
Iq
sId
s
Iq
s* uds
*
uqs* ua
*
ub*
uc*
us
is
ĐK
abc
Bộ đ/c Ri
s
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Hình 2-20: Cấu trúc tổng quát một hệ điều chỉnh
*Đặc tính động của hệ: là đáp ứng của hệ khi lượng vào là hàm nhảy cấp 1(t).
- Tốc độ điều chỉnh: (gia tốc của hệ thống) =w/Tv
- Độ quá điều chỉnh: (mong muốn nhỏ): %=100(ym=w)/w
- Số lần dao động.- Thời gian điều chỉnh: Tđc , cần
nhỏ
Hình 2-21: Đặc tính quá độ của hệ thống .
Việc điều chỉnh các thông số trên phụ thuộc lẫn nhau. Ví dụ nếu giảm Tđc sẽ làm tăng %. Vậy phải đưa ra một sự dung hoà giữa các tiêu chuẩn để có được hệ thống tối ưu.
* Tiêu chuẩn môđun tối ưu:Đặc tính mođun của hàm truyền kín của hệ là một hàm không tăng, không cộng
hưởng và = 1 trong dải tần số sao cho rộng nhất.
- Hàm không tăng: 0)(2
2
H
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 35
R1 R2 R3 Fs3Fs2Fs1 y
M
y
s%
%
y
Tđc
2%
Tv
w
H()
c=1/Tc
có cộng
hưởng
1
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
- Không cộng hưởng: 0)(
)(22
2
H
- Bằng 1: limH(2) =1
Hình 2-22: Đặc tính tần của hàm truyền kín tối ưu
Từ tiêu chuẩn đó muốn môđun hệ kín là một khâu bậc hai thì hàm chuẩn bậc
hai có dạng: 222211
pTpTF
ccch
(tiêu chuẩn môđun tối ưu)
Nếu muốn môđun hệ kín là một khâu bậc ba thì hàm chuẩn bậc ba có dạng:
3322 884141
pTpTpTpT
Fccc
cch
(tiêu chuẩn môđun tối ưu đối xứng)
Trong đó Tc được chọn sao cho nhỏ nhất để c =1/Tc là lớn nhất.
Hàm truyền kín của mỗi môđun dạng: ss
ss
RFRF.1
. . Nếu đã biết hàm truyền hệ
thống Fs ta có thể dựa vào các tiêu chuẩn tối ưu để xác định hàm truyền bộ điều chỉnh Rs .b. Tuyến tính hoá mô hình động cơ
Hệ phương trình (2-17) mô tả động cơ hệ phương trình phức tạp, có độ phi tuyến cao dẫn đến một sơ đồ rất phức tạp và khó có thể tổng hợp mạch theo các phương pháp thông thường được. Do vậy ta phải dùng phương pháp tuyến tính hoá quanh điểm làm việc:
Gọi điểm làm việc ổn định của động cơ là điểm có tốc độ 0 ứng mômen tải m0
(và gọi tất cả các thông số tại điểm đó đều có chỉ số dưới là 0). Hệ thống xê dịch quanh điểm làm việc ổn định một lượng rất nhỏ kéo theo tất cả các đại lượng cũng đều bị thay đổi một lượng rất nhỏ nào đó, ví dụ = o +
Thay tất cả các đại lượng biến đổi được vào (2-17): i sq=isq0+isq , = o + , m=m0+m ... ta được:
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 36
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
)..(..23
..1
.).1(
.1.1.1...1
.1.1...1
00
00
0000
00
rdsqsqrdr
mM
rdrsqr
m
rdr
sdmrdr
sqs
rdm
rdm
ssdsdssq
sds
rdrm
ssqsqssd
iiLL
pm
iTL
iLpT
uLLL
iiiT
pT
uLTL
iiiT
pT
(2-28)
Từ đó ta có sơ đồ cấu trúc động cơ đã tuyến tính hoá:
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 37
Lm .
1+Trp
usdisd
m
mc
-usq
rmTL1
LTrrd
0
isq0
s0
s0
isd0
rd0
--
-
isq
-
rd
s
r
r
rd0
rd0
0
s0
is
q
0
T 1+T
T 1+Tp
1 .Ls
1 .
Ls
Pc
pJ3L.pc
2Lr
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Hình 2-23: Sơ đồ mô tả động cơ trên hệ toạ độ dqđã tuyến tính hoá quanh điểm làm việc
c. Tổng hợp Risq và R
Sơ đồ trên còn nhiều phức tạp mặc dù đã bỏ bớt khâu nhân và chia. Ta còn phải tiếp tục làm đơn giản bớt bằng các giả thiết sau:
Giả thiết điều chỉnh tốc độ động cơ ở mức dưới tốc độ định mức. Khi đó giống như điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, ta sẽ theo luật từ thông không đổi
nhánh từ hoá rd có rd = 0. Theo phương trình 2 của (2-17) ta suy ra isd = 0.Vậy (2-28) có dạng:
).(..23
.1
.1.1..1
0
0
00
sqrdr
mM
sqrdr
r
sqs
rdm
ssdmsq
iLL
pm
iT
uLL
iLiT
pT
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 38isd0
rd0
Lm . Trrd0
3Lmpc
2Lr
Pc
pJ
usq isq
m
mc
--
T1+T
p
rd0
1 .Ls
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Hình 2-24: Sơ đồ cấu trúc khi r = const
Biến đổi sơ đồ :
Hình 2-25: Mô hình sau khi đã biến đổi.
Đặt rrd
m
T0
sd0iL A
B = mL1rd0 + isd0
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 39
rd0 3Lmpc
2Lr
Pc
pJ
usqisq
m
mc
--
B
T Tp
Cp 1 .
p+D
Lmisd0
rd0
Tr
rd0+isd0
1 .Ls
A
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
JLpL
Cr
cmrd
23 2
0
AT
D
pTATT
pTT
A
pTT
Dp
1
)1(1
.1
11
Tổng hợp mạch: mạch điều khiển gồm khâu điều chỉnh tốc độ và khâu điều chỉnh dòng điện. Coi khâu nghịch lưu có quán tính rất nhỏ, cỡ 1ms (Tnl = 0.001)
Hình 2-26: Tổng hợp các mạch vòng dòng điện và tốc độ.Nhận thấy tương tự như khi tổng hợp mô hình động cơ một chiều, khâu phản
hồi B giống khâu phản hồi sức điện động. Mà ta biết quán tính của khâu này thì rất nhỏ so với quán tính cơ nên một cách gần đúng có thể bỏ qua để tổng hợp được.
Fsi = )11)(1(
K))(1(
K nlnl
pD
pTLpDpTLnls
nls
Theo tiêu chuẩn tối ưu môđun ta có:
pTL
KDp
pTDL
K
pD
nls
nlnl
s
nl
22
11
Risq
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 40
R Risq 1 .p+D
Cp
B
* usq*i
s
q*
isq
Knl
1+Tnlp1 .Ls
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Như vậy theo luật điều khiển môđun tối ưu hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện là:
22 ..2..211
pTpTF
nlnlki
Để đơn giản bớt cho phần tổng hợp sau ta bỏ bớt thành phần bậc 2 của Fki:
pTF
nlki ..21
1
.
Hàm truyền đối tượng của mạch vòng tốc độ Rs : pC
pTF
nls .
.211
Đối với mạch điều chỉnh tốc độ, do quán tính của hệ thống lớn nên khi tổng hợp theo chuẩn tối ưu ta không thể đặt hằng số Tc cỡ miligiây như khi áp dụng cho mạch vòng dòng điện được.Nếu đặt Tc quá nhỏ sẽ gây hai bất lợi: thứ nhất để tốc độ ổn định từ 0 tới định mức trong khoảng thời gian miligiây thì dòng sinh mômen lúc đó phải có giá trị rất lớn, cỡ vài nghìn ampe, điều này không thể chấp nhận được. Thứ hai là tín hiệu đặt của mạch vòng dòng điện là tín hiệu đầu ra của mạch vòng tốc độ. Nếu tần số dao động của mạch vòng ngoài đưa vào cũng xấp xỉ tần số dao động của mạch vòng trong thì hệ thống dễ mất ổn định. Ta phải làm sao cho chu kỳ dao động của mạch vòng trong rất nhỏ so với mạch vòng ngoài thì hệ kín mới đảm bảo ổn định được.
Áp dụng tiêu chuẩn môđun tối ưu đối xứng ở (2-68) cho mạch vòng tốc độ ta được:
pTpT
pTpT
CpTpTCpTpT
R
pTpTpT
RpC
pT
FF
RF
FRF
RF
c
c
c
nl
cc
cnl
cc
c
nl
ch
chs
chs
s
141
.8
.21.1
)1(8.)41).(.21(
8841
...21
11
1
22
3322
Nếu đơn giản chỉ lấy R là khâu PI: pTCpTT
Rc
cnl28.
)2(21
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 41
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
d. Tổng hợp Risd: Để giảm bớt phức tạp trong việc tổng hợp ta dựa vào lý luận sau: Khi khởi động
ta làm theo quy trình như máy điện một chiều: sau khi ổn định việc cấp nguồn phía kích từ isd xong mới cấp mômen quay isq nên có thể coi khi đưa isd vào thì mạch phía phần ứng chưa có hoạt động. Nhờ vậy ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của phía phần ứng trong quá trình khởi động .
Lúc đó mạch (2-23) có dạng:
Hình 2-27: Nhánh kích từ của mô hình động cơ trên hệ toạ độ dq.
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 42
usd
isd
m
mc
isq0
r0r
d0
isq0-
Risd
rmTL1
1 .Ls
T 1+Tp
Knl
1+Tnl
p
3Lm.pc
2Lr
Pc
pJ Lm .
1+Trp
usd
isd
isq0
00
01sq
rd
r
rm
iTL
Risd1 .
Ls
Knl
1+Tnlp T .
1+Tp Lm .
1+Trp
isq0 3Lmpc2
2Lr J.p
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Hình 2-28: Biến đổi nhánh kích từ.
Đơn giản bớt và lấy )1)(1(1.
1.1.
1.
pTpTLTK
pTT
LpTK
Fnls
nl
snl
nlsi
Suy ra pTL
TK
pTRi
nls
nl
sd
2
1
theo hàm chuẩn bậc hai.
1.3.2.6 Bộ quan sát từ thông
Trong phần này ta sẽ xây dựng bộ quan sát từ thông thích nghi mới của động cơ không đồng bộ cho điều khiển trong dải tốc độ rộng.
Một ĐC KĐB được mô tả bằng phương trình trạng thái như sau:
__1
___
__
2221
1211___
__
0. s
r
s
r
s uBi
AAAAi
dtd
(2-29)
viết gọn:
CXiBuAXX
s
trong đó:
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 43
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
0
1
1
11
11
u , ,
11
1222222
2121
1121212
1111
__
s
_____
IC
IbIL
B
JaIaJIT
A
IaITL
A
JaIaJITL
A
IaTT
A
uu
ii
i
s
rrr
rr
m
rrrm
rrs
s
s
r
rr
s
ss
2212221
1222221
1212211
1121211
2221
1211
00
00
rr
rr
rr
rr
aaaaaa
aaaaaa
AAAA
A
0110
1001
J
I
Mô hình quan sát đủ bậc trong đó tính toán cả dòng stato và từ thông rôto được xây dựng theo phương trình sau:
)(0
.
)(.
____^
2
1__
1___
^
__^
2221
1211___
^
__^
____^__
___^
^___
.
sss
r
s
r
s
sss
iiGG
uBi
AAAAi
dtd
iiGuBXAX
(2-30)
Trong đó ^ nghĩa là giá trị tính toán được.Chất lượng tính toán từ thông rôto bao gồm độ chính xác tĩnh và thời gian hội
từt thông tính toán về giá trị thực (chế độ động). Chất lượng này sẽ góp phần quan
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 44
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
trọng nâng cao chất lượng điều chỉnh của hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ. Mô hình quan át được thiết kế thoả mãn hai chỉ tiêu: độ chính xác tĩnh cao và thời gian hội tụ đủ bé. Chỉ tiêu thứ hai có nghĩa là các thông số sẽhội tụ về giá trị thực của động cơ trong thời gian đủ nhỏ mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng động của toàn hệ thống.
Trong phương trình (2-30), có G là một ma trận trọng số dùng để bù sai lệch giữa các thông số thực của động cơ và các thông số trong mô hình quan sát sao cho mô hình quan sát mô tả các thông số động cơ giống thực tế nhất.
Phương pháp lựa chọn G: vì động cơ là đối tượng ổn định, nghiệm cực của phương trình mô tả động cơ luôn nằm ở phía trái mặt phẳng phức nên để mô hình quan sát hoạt động ổn định ta phải lựa chọn G như sau: chọn G sao cho nghiệm cực của phương trình quan sát tỷ lệ với nghiệm cực của phương trình trạng thái mô tả động cơ theo một hệ số dương. Nếu mô hình quan sát có nghiệm cực tỷ lệ như vậy với nghiệm cực của động cơ thì có nghĩa là mô hình quan sát có nghiệm cực cũng nằm ở phía bên trái trục ảo của mặt phẳng phức (phần thực của nghiệm có giá trị âm). Như vậy mô hình quan sát làm việc ổn định.
Các bước tính toán để xác định các phần tử của ma trận G:- Tìm các nghiệm cực của phương trình trạng thái biểu diễn động cơ.- Giải phương trình trạng thái của khâu quan sát để tìm nghiệm cực của mô hình,
trong đó có chứa các phần tử của ma trận G như là các ẩn số.- Cho nghiệm cực của mô hình quan sát tỷ lệ với nghiệm cực của động cơ theo
một hệ số tỷ lệ k dương bất kỳ. Từ đó tính ra từng phần tử ma trận G theo k.Sau khi đã tìm được G ta sẽ tiến hành hiệu chỉnh hệ số k sao cho các đại lượng
quan sát được ở mô hình quan sát là is , is , r , r có giá trị gần đúng với các đại lượng của động cơ, sai lệch giữa chúng ở cả chế độ tĩnh và chế độ động là nhỏ nhất. Việc tìm hệ số tỷ lệ k sao cho phù hợp nhất sẽ được thực hiện ở chương 4 khi sử dụng phần mềm mô phỏng Simulink MATLAB.
Mô hình quan sát đã nêu ở trên có cấu trúc như hình vẽ, trong đó G đóng vai trò ma trận hiệu chỉnh:
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 45
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Hình 2-29: Mô hình tổng quát bộ quan sát từ thông rôto.Nếu tách riêng mô hình quan sát thành hai khâu: khâu quan sát dòng điện và
khâu quan sát từ thông thì bộ quan sát sẽ có cấu trúc như hình 2-30:
Hình 2-30: Mô hình dòng điện stato và từ thông rôto trong bộ quan sát.
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 46
Động cơ
G1
A11
A12
B1 1 p
A21
A22
G2
1 p
is is
isus
r
+
-
Mô hình dòng điện Mô hình từ thông
ĐC KĐB
B
C(-)
is
si^
us
G
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Theo (3-20), G là một ma trận độ rộng 4 x 2 trong đó ta giả thiết các phần tử của nó như sau:
84
73
62
51
gggggggg
G
Tới đây ta phải giải tìm G : theo phân tích đã nói ở trên ta lần lượt giải tìm nghiệm cực của động cơ và mô hình.
Phương trình trạng thái mô tả động cơ như sau:pX=AX+Bu(pI-A)X=BuTừ đó rút ra phương trình đặc tính: pI -A= 0 (2-31)
0)(
0))((
0
00
0
2112221122112
21122211
2221
1211
2221
1211
aaaapaap
aaapapapa
aap
aaaa
pp
Phương trình đặc tính này có 2 ma trận nghiệm p1 và p2 thoả mãn điều kiện sau: p1+p2=a11+a22 và p1.p2=a11.a22+a12.a21 (2-32)Tìm nghiệm cực của mô hình quan sát :Lấy (2-2) -(2-30) được:
0)]([
G.C. A. p.
)X-XG.C( A. p.
)iiG.( A. p.
)i-iG.( A. p.
)i-iG.( )X-XA.( )X-Xp.(
__
______
__^______
__^
s
__
s
____
__
s
__^
s
____
__
s
__^
s
__^__
__^__
EGCApI
EEE
EE
EE
EE
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 47
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Phương trình đặc tính của nó có dạng: pI - (A+GC) =0 trong đó:
221228214
122227321
121126112
112125111
2221
1211
''''
rr
rr
rr
rr
aagagaagga
aagagaagga
aaaa
GCA
Khi đem giải như giải phương trình (2-31) được p2 -[a’11+a’22].p + a’11. a’22 - a’12. a’21 =0Giả sử phương trình này cũng có 2 nghiệm cực p1’, p2’ tỷ lệ dương với nghiệm
cực của phương trình trạng thái mô tả động cơ p1 , p2 như sau:p1’=k.p1 và p2’=k.p2 (k > 0)Tổng và tích hai nghiệm p1’, p2’ được rút ra từ phương trình trên:
p1’+p2’= a’11+ a’22 và p1’.p2’= a’11. a’22 - a’12. a’21 (2-33)Có thể suy ra được p1’+p2’=k(p1+p2) và p1’+p2’=k2(p1.p2)Từ (2-32) và (2-33) suy ra: a’11+ a’22 =k.(a11+a22)
a’11.a’22 =k2.(a11.a22) (2-34)Phương trình thứ nhất của (2-34) tương đương:
2211122
1222211
226112122
512222111 .rr
rr
rr
rr
aaaaaa
kagaga
gaaga
Đồng nhất từng phần tử của hai ma trận ở hai vế ta được:ar11 +g1+ ar22 = k(ar11 + ar22)-a122 +g5 = k(-a122) a122 +g2 = k(a122) ar11 +g6+ ar22 = k(ar11 + ar22)
Từ 4 phương trình đó rút ra kết quả:g1= g6 = (k-1)(ar11+ar22) (2-35)g2 = -g5 = (k-1)(-a122)
Phương trình 2 của (2-34) tương đương:
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 48
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
211222112111212211
2111212211211222112
821127112226112122412321112122611222
821112712522122111411232112122522111
.
)()()()(
)()()()(
rrrrrr
rrrrrr
rrrrrrrr
rrrrrrrr
aaaaaaaaaaaaaaaa
k
gaagaagagagagaaagaga
gaagagaagagagaaagaga
Đến đây lại sử dụng phương pháp đồng nhất ma trận như đã làm ở trên ta được:
)()()(
)()()(
21112122112
412321112122611222
211222112
411232112122522111
74
83
52
61
rrrrrr
rrrrrrrr
aaaakgagaaagaga
aaaakgagaaagaga
gggg
gggg
(2-36)
Kết hợp (2-35) trong khi giải hệ gồm phương trình 3 và 4 của (2-36):
)()()])(1([)1(
)()()1()])(1([
21112122112
41232111212222111122122
211222112
411232112212222221111
rrrrrrrr
rrrrrrrrrr
aaaakgagaaaaakaaak
aaaakgagaaakaaaka
Hệ trên tương đương:
)()1()1(
)()1()1(
21112122112
412311221112122221221122122
211222112
411231221122122
2222211
rrrrrrr
rrrrrrrrrr
aaaakgagaaaaakakaaak
aaaakgagaaaakakaka
Rút gọn:
1222221112
212211
24123112
2122
2222112
22211
24112312
)1(2)1()(
))(1()1()(
aakaakaakkgaga
aakaakaakkgaga
rrrr
rrrrrr
(2-37)
Từ (2-37) lấy (pt 1)*ar12 +(pt 2)*a112 được phương trình :
)()1(
)2)(1()()()(2112
21221
2
1121222212212212
222122112122211
23
2112
212
aaak
aaaaaaakaaaaakkgaa
rr
rrrrrrrr
Xét các định nghĩa:
JaIaJI
TA
JaIaJITL
A
rrr
rrrm
1222222
1121212
1
11
Nhận thấy nếu đặt c = Lm/(1-) thì ar22 = - c.ar12, a122 = - c.a112 Thay vào phương trình trên được:
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 49
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
))(1())(1(
)1()1()(
)()1(
)2()1()()()(
)()1(
)2()1())()(()()(
221121112
3
212
122
112
3
2112
21221
2
2122
2122
22212
2112
21211
23
2112
212
2112
21221
2
1121222122
22212112112121211
23
2112
212
rrrr
rrr
rr
rrrrr
rr
rrrrrr
aakcacakg
akackcakkg
aaak
aaaakaaakkcgaa
aaak
acaaaakcaaacaakkgaa
Thay trở lại g3 vào phương trình thứ 2 của (2-37) được:
1224
211122
122112
412212
122
112
112
)1(
)1()(])1()1()([
cakg
aakaakkgaakackcakka rrrrrr
Vậy ta đã tìm được ma trận GT
gggggggg
G
3412
4321
Trong đó:g1 = (k-1)(ar11+ar22)g2 = (k-1).a122
g3 = (k2-1)(c.ar11+ ar21) -(k-1)c(ar11+ ar22)g4= - c(k-1)a122
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 50
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
XÂY DỰNG CẤU HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC
Đầu tiên, ta có một cái động cơ không đồng bộ, một bộ biến đổi điện tử công suất (nghịch lưu sử dụng IGBT hoặc MOSFET) và khâu điều chế xung PWM.
Ta tiến hành đo dòng điện isa, isb, isc, cho qua khâu biến đổi (ma trận Clack transform) abc/α-β để tạo thành 2 dòng isα và isβ.
Sau đó cho qua khâu quay trục tọa độ (ma trận Park transform) α-β /d-q để tạo ra 2 dòng isd và isq.
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 51
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Bây giờ, ta tạm để vòng dòng điện ở đó mà đi ra vòng ngoài cùng: vòng điều khiển tốc độ và vòng điều khiển từ thông. . Ta sẽ có cảm biến tốc độ đưa về tín hiệu phản hồi tốc độ động cơ, có lượng đặt tốc độ ω*, có khâu giảm từ thông với nhiệm vụ giữ nguyên từ thông định mức ở dải tốc độ cơ bản và giảm từ thông ở dải tốc độ cao, đầu ra là lượng đặt từ thông φr*.
Lượng đặt tốc độ ω* và lượng đặt từ thông φr* so sánh với tốc độ phản hồi ω và từ thông φr, qua bộ điều khiển tốc độ và điều khiển từ thông (thường là các bộ PI) để tạo thành lượng đặt dòng điện isd* và isq*. (ω phản hồi từ cảm biến tốc độ, còn φr được lấy từ khâu ước lượng từ thông sẽ nói sau).
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 52
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Lượng đặt dòng isd* và isq* được so sánh với dòng phản hồi isd và isq mà ta đã có được, cho qua bộ điều khiển dòng điện (thường là PI) tạo ra tín hiệu điện áp đặt usd* và usq*.
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 53
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Tín hiệu điện áp đặt usd* và usq* này được cho qua hệ thống chuyển tọa độ ngược d-q/α-β rồi α-β /abc để tạo ra tín hiệu đặt usa*, usb*, usc* đưa vào khâu điều khiển điện tử công suất PWM (điều chế sóng mang tam giác hoặc điều biến không gian vector) phát xung cho mạch lực nghịch lưu, cấp điện cho động cơ quay.
Nếu bộ điều khiển dòng điện ta không dùng PI mà dùng điều khiển dải trễ (Hysteresis Current Control - HCC) thì tín hiệu sau bộ điều khiển được đưa thẳng vào nghịch lưu để đóng cắt van. Thực tế thì HCC cũng là một phương pháp PWM chứ không chỉ có điều chế sóng tam giác và điều biến không gian vector.Để có từ thông rotor ta không đo được mà cần phải ước lượng nó sử dụng một bộ ước lượng từ thông. Công thức cụ thể các anh xem trong tài liệu.
Để có được góc theta (sin cos của nó) sẽ có 2 phương pháp, từ đó chia FOC thành 2 loại: Điều khiển FOC trực tiếp (Direct Vector Control) và gián tiếp (Indirect Vector Control).
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 54
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Điều khiển FOC trực tiếp
Điều khiển FOC gián tiếp
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 55
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
II. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BIẾN TẦN DÙNG
THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC
II.1. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB
Ta sử dụng mô SimpowerSyrtem với các sản phản MathWorks khác cùng với hướng dẫn có sẵn trong phần mềm m
Ta vào matlap rồi mở simulink chọn simpowersystem lấy các khối vào nối chúng atlap để mô phỏng đáp ứng của hệ thống biến tần thuật toán điều khiển FOC. lại như hình :
Các đầu vào thuật toán được mô phỏng sử dụng khối nguồn Simulink. Để thay thế cho các tín hiệu đầu vào trong thuật toán này, chúng ta sử dụng các biến số điểm cố định lấy trong thư viện c28xdmlib của simulink với các thông số bình thường, như khối DMC chờ đợi tín hiệu thay đổi từ 0-1 là góc mở của điện thay đổi từ 0 đến 2 *pi. Vì vậy , tín hiệu vị trí là một chuyển đổi bình thường mà chúng ta có thể
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 56
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
chứng tỏ bằng cách sử dụng Q17 định dạng cố định điểm. Các đầu vào Ia và Ib đại diện cho các dòng giai đoạn A và B.
Khối pass Thought Control là một subsysterm được xây dựng với mô hình.
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 57
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Với các thông số cài đặt đầu vào như sau:
Khối nguồn Ia:
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 58
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Khối nguồn Ib:
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 59
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Kết quả mô phỏng ta thu được các dạng song với các thông số trên như sau.
Dạng sóng đầu ra.
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 60
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Dòng theo trục Q,D
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 61
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Dạng sóng đầu vào:
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 62
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Bây giờ ta có thể quan sát sự thay đổi của dạng sóng khi thay đổi các yếu tố đầu vào mô phỏng trên hệ thống PMSM kiểm soát. Tăng biên độ của Ia và Ib lên. Cụ thể tăng giá trị “Number of offset samples” của Ia lên 12500,tăng giá trị “Number of offset samples” của Ib lên 12500-20000/3.
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 63
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Các dạng sóng thu được lần lượt là.
Dạng sóng đầu vào
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 64
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Dạng đầu ra.
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 65
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Dạng sóng theo truc Q,D.
Đánh giá đáp ứng của thuật toán điều khiển FOC.
Hệ thống ổn định. Sai số xác lập tốc độ nhỏ, sai số xác lập của từ thông rôto lớn. Thời gian đáp ứng của hệ thống tương đối nhanh. Mômenet tải không tác động nhiều đến đáp ứng của tốc độ, và đáp ứng của
từ thông roto. Chất lượng đáp ứng suy giảm khi bị nhiễu tác động lên tín hiệu hồi tiếp. Hệ thống dễ mất ổn định khi có sai số mô hình hay bị tác động của nhiễu. Dòng điện khởi động lớn so với dòng làm việc, dòng khởi động tăng lên khi
có sai số mô hình.
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 66
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
3. Kết luận.
Về cơ bản đồ án của ta đã hoàn thành: Đã giải quyết được khâu then chốt của đồ án, khâu then chốt thiết kế thuật toán điều chỉnh dòng trong hệ TĐĐXCBP theo nguyên lý điều chỉnh tựa từ theo từ thông rotor T4R. Về cơ bản khâu điều chỉnh dòng được chia làm 2 họ chính.
+ Một họ hoạt động trên cơ sở xử lý vector sai lệch điều chỉnh (mục 7.1) và (mục 7.2) .
+ Một họ hoạt động trên cơ sở hồi tiếp vector trạng thái.
Kinh nghiệm thực tế cho thấy: Khâu điều chỉnh dòng hoạt động trên cơsở điều chỉnh vector sai lệch điều chỉnh hoạt động với độ tin cậy rất cao, ngay cả khi các thông số điều chỉnh kém chính xác (ví dụ như: tham số chỉ được tính từ nhán máy chứ không được xác định thông qua đo lường).
Ưu điểm có thể cho khâu trở thành giải pháp chuẩn cho loại biến tần van năng phải hoạt động tốt ở điều kiện động cơ “ ít quen biết “. Ngược lại khâu điều chỉnh trạng thái (không phân tích trong đồ án) khá nhậy với sai lệch tham số điều chỉnh. Nếu được cung tham số một cách chính xác khâu cho phép đạt được một vài chỉ tiêu chất lượng cao hơn khâu trên và vì thế có thể sử dụng có lợi trong hệ thống chất lượng cao nơi mà phí tổn phụ không đáng kể.
Trong hệ TĐĐXCBP có các khâu điều chỉnh vòng trong và vòng ngoài khâu điều chỉnh vòng trong ta đã sử dụng song. Sau đây ta xây dựng các bộ điều chỉnh vòng ngoài cùng các giải pháp đi theo dựa trên cơ sở điều chỉnh vòng trong - điều chỉnh dòng (ĐCD).
NSVTH: TÔN QUANG TOÀN – VÕ VĂN TRIỀN- LỚP Đ1K3 Page 67