3006 van ba n cu a ba i ba o 7034 1 10 20210812 6617

146 Nguyễn Đức Quận MƠ HÌNH HĨA, MƠ PHỎNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ ĐỒNG BỘ TỐC ĐỘ CAO MODELLING, SIMULATION AND CONTROL OF HIGH SPEED SYNCHRONOUS RELUCTANCE MOTORS Nguyễn Đức Quận Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng; nguyenducquan06@gmail.com Tóm tắt - Bài báo trình bày phương pháp tiếp cận để điều khiển động từ trở đồng tốc độ cao Sau mơ hình hóa, xác định thơng số mô động cơ, đề xuất chiến lược điều khiển tối ưu nhằm đảm bảo tạo mô men tối đa, đặc biệt vùng suy giảm từ thơng Trong phương pháp này, véc tơ dịng điện đươc điều khiển trực tiếp Ở vùng tốc độ thấp (vùng mô men không đổi), sử dụng chiến lược điều khiển tối ưu mơmen/dịng điện (M/I), vùng tốc độ cao (vùng suy giảm từ thông), sử dụng chiến lược điều khiển tối ưu mômen/từ thông (M/Ψ) Hệ thống truyền động hoạt động phạm vi giới hạn điệp áp giới hạn dòng điện động Các kết mô thực nghiệm thực động từ trở đồng Phòng thí nghiệm IREENA (Institut de Recherche en Energie Electrique de Nantes Atlantique), Đại học Nantes Abstract - In this paper, a new approach to control high speed synchronous reluctance motors is presented After modeling, identification of parameters and simulation, we propose an optimal control strategy that ensures the production of maximum torque, especially in the field-weakening region In this method, the current vector is controlled directly The Maximum Torque Per Amper (MTPA) operation is used in below the base speed (constant torque region) and Maximum Torque Per Weber (MTPW) operation is used in above the base speed (fieldweakening region) The drive operates within the voltage and current limits of the motor The simulation and experimental results have been verified on a prototype synchronous reluctance motor at IREENA Laboratory (Institut de Recherche en Energie Electrique de Nantes Atlantique), the University of Nantes Từ khóa - động từ trở đồng bộ; tốc độ cao; mơ hình hóa; mơ phỏng; suy giảm từ thông Key words - synchronous reluctance motor; high-speed; modeling; simulation; field-weakening Đặt vấn đề Động từ trở đồng (Synchronous reluctance motor) bắt đầu nghiên cứu vào đầu năm 1920 [1], [2] với khám phá khái niệm mô men từ trở Các nghiên cứu loại động thực J K Kostko vào năm 1923 [3] Động từ trở đồng (ĐCTTĐB) có nhiều ưu điểm cấu trúc đơn giản vững Stator ĐCTTĐB giống hệt stator động không đồng hay động đồng truyền thống; rotor dạng cực lồi đặc, khơng có cuộn dây hay nam châm vĩnh cửu, phù hợp cho ứng dụng tốc độ cao môi trường nhiệt độ cao Do cấu trúc đơn giản, nên dễ dàng chế tạo, giá thành rẻ so với loại động khác công suất Nguyên lý hoạt động dựa bất đối xứng từ [4], [5] Hiện nay, ĐCTTĐB hoạt động dải công suất rộng: từ 750W đến 120kW tốc độ từ 3000 vòng/phút đến 54.000 vòng/phút [6] ĐCTTĐB đặc trưng hệ số lồi rotor Ld/Lq, Ld điện cảm stator theo trục d, Lq điện cảm theo trục q hệ tọa độ chuyển đổi Park (Hình 1) Từ phương trình mơ men động với p cặp cực Γ= − , nhận thấy việc điều khiển mô men động trở thành điều khiển đồng thời hai dòng điện id iq hệ tọa độ chuyển đổi Park, việc chọn lựa phương pháp điều khiển thơng qua việc lựa chọn dịng điện tham chiếu ∗ , ∗ [7] Có nhiều phương pháp điều khiển với tiêu chí tối ưu khác như: tối ưu mô men, tối ưu hiệu suất hay tối ưu hệ số công suất [8] Trong báo này, thực chiến lược điều khiển kết hợp nhằm đạt hiệu suất tối đa ĐCTTĐB tốc độ cao Ở tốc độ thấp, để có khả tăng tốc động cơ, thực với phương pháp điều khiển tối ưu M/I (MTPA), để đạt tốc độ cao mà khơng địi hỏi điện áp chiều biến tần lớn, phương pháp điều khiển tối ưu M/Ψ(MTPW) cần thiết Các chiến lược điều khiển ĐCTTĐB tốc độ cao thử nghiệm qua mơ thí nghiệm phịng thí nghiệm IREENA Mơ hình động từ trở đồng 2.1 Phương trình điện áp hệ tọa độ abc Với giả thiết thông thường, mơ hình ĐCTTĐB hệ tọa độ cố định stator mô tả sau [9]: [ với: [ ]=[ ]= ;[ [ Hình Hệ tọa độ cố định αβ hệ tọa độ quay dq ][ ]+ [ ]= ][ ][ ;[ ] ] (1)  ]=   (2) Với [L] ma trận điện cảm, ma trận điện cảm phụ thuộc vào vị trí góc θ biểu diễn Hình ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN L (θ) [L] = M (θ) M (θ) M (θ) L (θ) M (θ) M (θ) M (θ) L (θ) (3) Trong đó, hệ số điện cảm Lx hỗ cảm Mxy biểu diễn sau: ( )= + (2 ) cos + 2 − + ( )= + + ( )= + + ( )= ( )= + ( )= ( )= + ( )= ( )= với : =− 2 + (2 ) − + 2.2 Phương trình điện áp hệ tọa độ quay d-q Nếu chuyển tất đại lượng (1) sang hệ tọa độ quay d-q thơng qua phép biến đổi Park (Hình 1), phương trình điện áp sau [7]: v v với: R = N ΩL −N ΩL R i i L + = + ( + ) = + ( − ) d i L dt i (4) Phương trình mơ men phương trình động học động viết sau: = − + =− Hoạt động điều khiển phạm vi giới hạn dòng điện điện áp cho phép Để có giá trị mơ men cực đại, phải tìm giá trị tối ưu dòng điện tham chiếu ∗ ∗ theo tốc độ động đồng thời tuân thủ giới hạn dòng điện xét đến vấn đề bảo hịa điện áp nguồn cấp (Hình 6) 4.1 Giới hạn dòng điện điện áp Trước giới thiệu chiến lược điều khiển khác nhau, cần xét đến giới hạn dòng điện điện áp Giới hạn véc tơ dòng điện: ‖i ‖ = = (5) (6) Cấu trúc điều khiển Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển véc tơ ĐCTTĐB trình bày Hình 2, gồm cấp điều khiển: cấp vòng điều khiển dòng điện sử dụng điều khiển PI Cấp thứ xác định giá trị dòng điện tham chiếu ∗ ∗ theo giá trị mô men giá trị giới hạn dòng điện điện áp Cấp cuối vòng điều khiển tốc độ sử dụng điều khiển PI 147 (7) i +i ≤i Quỹ đạo giới hạn dòng điện đường tròn có bán kính ism mặt phẳng id-iq Tương tự cho giới hạn điện áp nguồn cấp động cơ, ta có: ‖v ‖ = (8) v +v ≤v Nếu bỏ qua điện trở stator, chế độ xác lập từ phương trình (4) ta có: v = −ωL i (9) ⇒v =ω L i +ω L i v = ωL i Chúng ta thu giới hạn điện áp đường e-lip tương ứng với giá trị điện áp vs tốc độ ω động L v (10) = Ψ = L (i + i ) ω L 4.2 Phương pháp điều khiển tối ưu M/I (MTPA) Phương pháp phù hợp để khởi động động trường hợp động làm việc tốc độ thấp Biểu thức mô men điện từ động viết sau: = − = − (2 ) (11) Chiến lược điều khiển giá trị giới hạn ĐC Hình Sơ đồ cấu trúc điều khiển Chiến lược điều khiển động từ trở đồng Phương pháp điều khiển véc tơ sử dụng báo này, chiến lược điều khiển kết hợp thực hiện: Ở vùng tốc độ thấp (trong giai đoạn động tăng tốc) sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu M/I (MTPA) chuyển sang phương pháp điều khiển tối ưu M/Ψ (MTPW) động hoạt động tốc độ cao Hình Dịng điện vàt thơng hệ tọa độ d-q Theo Hình ta có: i = i cos(γ) i = i sin(γ) Với giá trị mô đun is xác định, giá trị tuyệt đối mô men đạt cực đại góc γ = ± (Hình 4), khí giá trị dịng điện tham chiếu i∗ = i∗ i∗ = | ∗| i∗ = i∗ sign(Γ ∗ ) (12) 148 Nguyễn Đức Quận Dò ng điệ n trụ cq (iq) Quỹ đạo điều khiển MTPW Đường e-lip giới hạn điện áp Đường tròn giới hạn dịng điện Quỹ đạo điều khiển MTPA Hyperbol mơ men khơng đổi Hình Quỹ tích mơ men với giá trị dòng điện 4.3 Phương pháp điều khiển tối ưu M/Ψ (MTPW) Phương pháp điều khiển tối ưu M/Ψ sử dụng áp dụng phương pháp tối ưu M/I để có mô men cực đại giới hạn điện áp tốc độ tăng cao Biểu thức mô men điện từ động viết lại sau: = − = Ta có: = ( ) = = ; (13) − ( ) = (Hình 3) Do đó, biểu thức mơ men viết lại sau: = − (14) (2 ) Nếu bỏ qua điện trở stator, biểu thức mô men theo điện áp stator là: = ( )= Với = − = (15) (2 ) = ( ) − ( ) ( ) (16) Chúng ta thu giá trị mô men cực đại với giá trị từ thông = tương ứng với δ = ± hay tan( ) = ± (Hình 5) d = |q|, giá trị tham chiếu dòng điện: ∗ = | ∗| ; ∗ = Hình Quỹ đạo điều khiển giới hạn dịng áp Kết mơ thực nghiệm Trong phần chúng tơi trình bày kết mô thực nghiệm thực ĐCTTĐB có cơng suất 15kW, tốc độ 20.000 vịng/phút phịng thí nghiệm IREENA, Đại học Nantes (Hình 9) Chúng thực thử nghiệm cho động khởi động không tải cho mang tải tốc độ cao, thực mơ phần mềm matlab-simulink sau thực thí nghiệm động với giá trị đặt tốc độ để so sánh kết mô thí nghiệm Để đảm bảo an tồn thí nghiệm này, chúng tơi giới hạn việc thí nghiệm với tốc độ tối đa 15.000 vòng/phút Để kiểm tra động hoạt động chiến lược điều khiển MTPW, giảm giá trị giới hạn điện áp cho động xuống giá trị 110V thay 230V Khi động có làm việc chiến lược điều khiển MTPW từ 8.700 vòng/phút thay làm việc 17.700 vịng/phút 5.1 Kết mô : hệ số lồi rotor Chúng ta có biểu thức mơ men sau sau: = Dòng điện trục d(id) ∗ ( ∗ ) (17) Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển véc tơ vịng kín ĐCTTĐB trình bày Hình 2, tham số động trình bày Bảng Hình trình bày đáp ứng tốc độ, đáp ứng dịng điện, đáp ứng mơ men đáp ứng điện áp cho tín hiệu tốc độ đặt 15.000 vòng /phút.Để khởi động động tốc độ cao, thực khởi động với độ dốc 110 rad/s2 Động tăng tốc từ đến giá trị đặt 15.000 vòng/phút với khoảng thời gian 14s Ở chế động khởi động vùng tốc độ thấp, sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu M/I để có mơ men tối đa giá trị dịng điện đặt theo cơng thức (12) với id=iq Khi tốc độ đạt 8.700 vòng/phút, điều khiển chuyển từ phương pháp tối ưu M/I sang phương pháp điều khiển tối ưu M/Ψ giá trị đặt dịng điện xác định cơng thức (17) Quá trình độ xảy chuyển đổi phương pháp điều khiển, dòng id giảm tăng dòng iq Tốc độ động tiếp tục tăng đến giá trị đặt 15.000 vòng/phút Trong suốt trình tăng tốc, tốc độ động ln bám theo giá trị đặt với sai số tốc độ 42 vòng/phút Khi tốc độ động đạt đến giá trị xác lập, sai số tốc độ trở (Hình 7b) Hình Quỹ tích mơ men với giá trị từ thông Tại thời điểm t=18s, áp vào động mô men tải ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN với giá trị 2Nm, giá trị sụt tốc thời điểm mang tải khoảng 10 vòng/phút trở giá trị tốc độ đặt sau thời gian khoảng chừng 0.12s 14000 12000 ốc độ (vò ng/ phú t) 16000 14000 12000 ốc 10000 độ (vò 8000 ng/ phú 6000 t) 10000 8000 6000 4000   ref 2000 0   2000 10 12 14 16 18 20 Sai số tốc độ (vò ng/ phú t) 10 -10 -30 -40 -50 10 12 14 16 18 20 16 18 20 16 18 20 Thời gian (s) -30 Sai số tốc độ đo giá trị đặt -40 60 10 12 14 16 18 50 Dò 40 ng điệ 30 n 20 (A) id iq Is 50 40 id iq Is 20 Sai số tốc độ 10 0 30 10 12 14 Thời gian (s) 20 Giá trị đo dòng điện 10 10 12 14 16 18 20 Thời gian (s) Mơ me n (N m) Đáp ứng dịng điện e r 0 10 12 14 Thời gian (s) Giá trị mô men động 20 -20 -60 60 Mô me n (N m) 18 -20 16 -10 Thời gian (s) Dò ng điệ n (A) 14 10 Đáp ứng tốc độ -50 12 Tốc độ động giá trị đặt ref Thời gian (s) Sai số tốc độ (vò ng/ phú t) 10 Thời gian (s) 4000 149 16000 150 10 12 14 16 18 20 Thời gian (s) Điệ n áp (V) Đáp ứng mô men 200 vd vq Vs 100 50 -50 150 -100 Điệ 100 n 50 áp (V) 0 10 12 14 16 18 20 Thời gian (s) Giá trị đo điện áp -50 Hình Khởi động động với tốc độ đặt 15.000 (v/p) vd vq Vs -100 -150 2 10 12 14 16 18 20 Thời gian (s) Đáp ứng điện áp Hình Đáp ứng hệ thống với tốc độ đặt 15.000 (v/p) 5.2 Kết thực nghiệm Để thực kết thực nghiệm, chúng tơi tiến hành làm thí nghiệm bàn thí nghiệm điều khiển động tốc độ cao Hình 9, bàn thí nghiệm bao gồm động đồng NCVC (làm việc 150 Nguyễn Đức Quận phụ tải) kết nối trực tiếp với ĐCTTĐB Động cấp nguồn biến tần ba pha, phần điều khiển sử dụng card DSP DS1005 thực điều khiển thời gian thực Chúng tơi thực thí nghiệm hồn tồn giống giá trị q trình mơ phỏng, để so sánh kết mô kết thực nghiệm Trên Hình trình bày kết thí nghiệm, động khởi động với giá trị đặt tốc độ 15.000 vòng/phút với độ dốc trường hợp mơ 110rad/s2 Chúng ta thấy kết gần với kết mô phỏng, giá trị sai số tốc độ trung bình q trình khởi động khoảng 42 vịng/phút tốc độ xác lập, có chút dao động tốc độ (khoảng vòng/phút) Tương tự thực phần mơ phỏng, q trình động khởi động tăng tốc đến 8.700 vòng/phút với phương pháp điều khiển tối ưu M/I, thấy dịng id ln có giá trị dịng iq Tiếp theo id giảm dịng iq tăng lên tương ứng với phương pháp điều khiển tối ưu M/Ψ, giá trị đo dịng điện có nhiễu, giá trị trung bình có dạng tương tự q trình mơ Tại thời điểm khoảng 18s, áp vào động giá trị mô men tải 2Nm, sụt tốc trình độ khoảng 20 vòng/phút với khoảng thời gian 0.3s, khẳng định điều khiển tốc độ kháng nhiễu tốt Kết luận Trong báo này, việc nghiên cứu điều khiển véc tơ ĐCTTĐB có xét đến giới hạn dòng điện điện áp động trình bày Nhằm đạt mơ men tối đa tồn dải tốc độ, đặc biệt vùng tốc độ cao (vùng điều khiển suy giảm từ thông), mà không cần cung cấp điện áp chiều cho biến tần lớn, điều khiển kết hợp hai phương pháp điều khiển tối ưu M/I điều khiển tối ưu M/Ψ thực Ở giai đoạn động khởi động bắt đầu tăng tốc, sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu M/I Khi động hoạt động tốc độ cao, giới hạn điện áp, phương pháp điều khiển tối ưu M/Ψ thực Các phương pháp điều khiển kiểm chứng mơ thực nghiệm động thí nghiệm Kết mô thực nghiệm cho thấy trình độ chuyển đổi phương pháp điều khiển trơn Đối với thực nghiệm, tốc độ động có dao động nhẹ (2 vịng/phút), để thực việc chuyển đổi chắn, sử dụng chuyển đổi trễ tốc độ Đối với hệ truyền động tốc độ cao, sử dụng cảm biến để xác định vị trí rotor nhược điểm, nhằm nâng cao độ tin cậy, giảm cồng kềnh giá thành hệ thống Điều khiển ĐCTTĐB tốc độ cao không sử dụng cảm biến tốc độ cần thiết, hướng nghiên cứu tác giả Bảng Tham số động từ trở đồng Tham số Tốc độ định mức Công suất định mức Số cặp cực Dòng điện định mức Điện áp pha định mức Điện trở stator Điện cảm trục d Điện cảm trục q Mơmen qn tính(cả động cơ) Hệ số ma sát (cả động cơ) Giá trị 20.000 vòng/phút 15 kW 40 A 230 V 120 mΩ 4,1 mH 1,3 mH 1,6 10-2 kg.m2 1,1 10-3 N.m.s/rad Hình Bàn thí nghiệm ĐCTTĐB tốc độ cao TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Vagati, “The synchronous reluctance solution: a new alternative in A C drives”, IEEE, IECON’94 (Bolagna), 1994 [2] T A Lipo, T J E Miller, A Vagati, I Boldea, L Malesani, and T Fukao, “Synchronous reluctance drivers”, Tutor Present IEEEIAS Annu Meet., 1994 [3] J K Kostko, “Polyphase Reaction Synchronous Motors”, J Am Inst Electr Eng., vol 42, pp 1162–1168, 1923 [4] M Correvon, “Conversion electromagnetique”, in Cours Systèmes électromécaniques, Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion Du canton de Vaud, 2008, pp 1–26 [5] F Meibody-Tabar, “Etude d’une machine synchrone réluctance variable pour des applications grande vitesse”, Thèse de Doctorat, Institute National Polytechnique de Lorraine, 1986 [6] J.-D Park, C Kalev, and H F Hofmann, “Control of High-Speed Solid-Rotor Synchronous Reluctance Motor/Generator for Flywheel-Based Uninterruptible Power Supplies”, IEEE Trans Ind Electron., vol 55, no 8, pp 3038–3046, Aug 2008 [7] R E Betz, R Lagerquist, M Jovanovic, T J E Miller, and R H Middleton, “Control of Synchronous Reluctance Machines”, IEEE Trans Ind Appl., vol 29, no 6, pp 1110–1122, 1993 [8] Y Inoue, S Morimoto, and M Sanada, “A Novel Control Scheme for Maximum Power Operation of Synchronous Reluctance Motors Including Maximum Torque Per Flux Control”, IEEE Trans Ind Appl., vol 47, no 1, pp 115–121, Jan 2011 [9] T Matsuo and T A Lipo, “Rotor position detection scheme for synchronous reluctance motor based on current measurements”, IEEE Trans Ind Appl., vol 31, no 4, pp 860–868, 1995 (BBT nhận bài: 21/07/2015, phản biện xong: 24/08/2015) ... Jovanovic, T J E Miller, and R H Middleton, “Control of Synchronous Reluctance Machines”, IEEE Trans Ind Appl., vol 29, no 6, pp 11 10? ? ?11 22, 19 93 [8] Y Inoue, S Morimoto, and M Sanada, ? ?A Novel... [1] A Vagati, “The synchronous reluctance solution: a new alternative in A C drives”, IEEE, IECON’94 (Bolagna), 19 94 [2] T A Lipo, T J E Miller, A Vagati, I Boldea, L Malesani, and T Fukao, “Synchronous... Control Scheme for Maximum Power Operation of Synchronous Reluctance Motors Including Maximum Torque Per Flux Control”, IEEE Trans Ind Appl., vol 47, no 1, pp 11 5? ?12 1, Jan 2 011 [9] T Matsuo and