Bài viết Dự đoán tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha dùng giải thuật ước lượng cho điện áp đầu cực của động cơ trình bày phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha và không dùng cảm biến tốc độ, tối giản cảm biến áp bằng cách ước lượng giá trị từ thông rotor và ước lượng tốc độ của động cơ thông qua phương pháp dự báo điện áp tại đầu cực của động cơ. Với giải pháp điều khiển này, tốc độ đặt của động cơ đáp ứng tốt chỉ với hai cảm biến dòng lắp bên trong bộ nghịch lưu, giúp hệ thống làm việc hiệu quả hơn, giảm thiểu tối đa các sai số khách quan do đo lường gây ra. Mời các bạn cùng tham khảo!
Kỷ yếu Hội thảo khoa học cấp Trường 2022 Tiểu ban Điện-ĐTVT-CNTT Dự Đốn Tốc Độ Động Cơ Khơng Đồng Bộ Ba Pha Dùng Giải Thuật Ước Lượng Cho Điện Áp Đầu Cực Của Động Cơ Dương Thùy Liên Khoa Điện-Điện tử viễn thông Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam lien.duong@ut.edu.vn Trần Thanh Vũ Khoa Điện-Điện tử viễn thông Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam vu.tran@ut.edu.vn Tóm tắt - Bài báo trình bày phương pháp điều khiển tốc độ động không đồng ba pha không dùng cảm biến tốc độ, tối giản cảm biến áp cách ước lượng giá trị từ thông rotor ước lượng tốc độ động thông qua phương pháp dự báo điện áp đầu cực động Với giải pháp điều khiển này, tốc độ đặt động đáp ứng tốt với hai cảm biến dòng lắp bên nghịch lưu, giúp hệ thống làm việc hiệu hơn, giảm thiểu tối đa sai số khách quan đo lường gây Để đánh giá khả làm việc thời gian thực mơ hình đề xuất, kết mô thực rời rạc hóa tảng phần mềm PSIM có hỗ trợ lập trình thời gian thực ngơn ngữ C với thời gian lấy mẫu thực vi điều khiển tầm trung thị trường Phương pháp ước lượng vòng hở đơn giản, dễ dàng thực hiện, số lượng tính tốn hơn, nhiên lại phụ thuộc nhiều vào thông số động tín hiệu hồi tiếp [2]-[4] Bài báo trình bày sử dụng phương pháp điều khiển vơ hướng v/f = const ước lượng tốc độ vịng kín Ưu điểm phương pháp ước lượng vịng kín phụ thuộc vào thông số động tín hiệu hồi tiếp, sai lệch tốc độ điều chỉnh tự động dùng lọc Kalman để giảm bớt sai số tốc độ ước lượng Tín hiệu hồi tiếp sử dụng cảm biến dịng, khơng sử dụng cảm biến áp giá trị điện áp ước tính nên giảm sai số trình ước lượng [5][6] Ước lượng tốc độ động cơ, sau so sánh với tốc độ đặt dùng khâu PI để hiệu chỉnh sai số αβ Từ khóa - Estimation, predict control, motor control I GIỚI THIỆU II MƠ HÌNH TƯƠNG ĐƯƠNG MỘT PHA VÀ PHƯƠNG TRÌNH TỐN CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ Sự phát triển hệ thống điểu khiển tốc độ động không dùng cảm biến tốc độ nhận nỗ lực đáng kể thập kỷ gần Nó sử dụng mạnh mẽ ứng dụng có u cầu hiệu suất cao, động, ví dụ băng chuyền, cần cẩu, xe điện, máy bơm, quạt…Sự vắng mặt cảm biến (tốc độ, vị trí, moment) thuộc động khơng đồng làm giảm chi phí, kích thước tăng độ tin cậy hệ thống tổng thể Hơn nữa, cảm biến thường khó cài đặt vào ứng dụng định dễ bị nhiễu điện từ Động không dùng cảm biến thay giá trị đo lường giá trị ước tính mà khơng làm suy giảm tính động, hiệu suất, đặc biệt trường hợp moment tải không cố định [1] Để ước lượng tốc độ động cơ, ta có phương pháp ước lượng vòng hở tốc độ ước lượng vòng kín tốc độ [2] Phương pháp ước lượng vịng hở dựa vào phương trình trạng thái động cơ, thực tính tốn tốc độ động Phương pháp ước lượng vịng kín sử dụng mơ hình thích nghi-MRAS (Model Reference Adaptive System) để tính tốn tốc độ A Mơ hình tương đương pha Hình Sơ đồ tương đương pha động không đồng ba pha Rs: Điện trở cuộn stator dây pha (Ω); Lσs: Điện cảm tản cuộn dây stator (H); Rr: Điện trở rotor qui đổi stator (Ω); Lσr: Điện cảm tản cuộn dây rotor qui đổi stator (H); Lm: Hỗ cảm stator rotor (H) 56 Dương Thùy Liên, Trần Thanh Vũ B Mơ hình tương đương pha 𝑑𝑖𝑠𝛼 1−𝜎 1−𝜎 = −( + )𝑖 + 𝛹 𝑑𝑡 𝑐𝑇𝑠 𝜎𝑇𝑟 𝑠𝛼 𝜎𝑇𝑟 𝐿𝑚 𝑟𝛼 1−𝜎 + 𝛹𝑟𝛽 + 𝑢 𝜎𝐿𝑚 𝜎𝐿𝑠 𝑠𝛼 𝑑𝑖𝑠𝛽 1−𝜎 1−𝜎 = −( + ) 𝑖𝑠𝛽 + 𝛹 𝑑𝑡 𝜎𝑇𝑠 𝜎𝑇𝑟 𝜎𝑇𝑟 𝐿𝑚 𝑟𝛽 1−𝜎 + 𝛹 + 𝑢 𝜎𝐿𝑚 𝑟𝛼 𝜎𝐿𝑠 𝑠𝛽 Các phương trình tốn học động thể rõ đặc tính thời gian đối tượng Việc xây dựng mơ hình tương đương khơng nhằm mục đích mơ xác mặt tốn học đối tượng động cơ, để phục vụ cho xây dựng thuật toán điều chỉnh mơ tả hình Các phương trình tốn động khồng đồng (KĐB) ba pha: ⃗⃗⃗⃗ 𝑢𝑠𝑠 0= = 𝑅𝑟 ⃗𝑖⃗𝑟𝑠 ⃗⃗⃗⃗⃗ 𝛹𝑠𝑠 𝑀𝑒 = 𝑅𝑠 ⃗⃗𝑖𝑠𝑠 + + ⃗⃗⃗⃗⃗𝑠 𝑑𝛹 𝑟 𝑑𝑡 − 𝑑𝛹𝑟𝛼 𝑑𝑡 (1) 𝑑𝛹𝑟𝛽 𝑑𝑡 ⃗⃗⃗⃗⃗𝑟𝑠 𝑗𝜔𝛹 (2) = 𝐿𝑚 𝑖 𝑇𝑟 𝑠𝛼 − 𝑇 𝛹𝑟𝛼 − 𝜔𝛹𝑟𝛽 = 𝐿𝑚 𝑖 𝑇𝑟 𝑠𝛽 − 𝑇 𝛹𝑟𝛽 − 𝜔𝛹𝑟𝛼 𝑀𝑒 = 𝑃 𝑟 𝑟 𝐿𝑚 (𝛹𝑟𝛼 𝑖𝑠𝛽 𝐿𝑟 − 𝛹𝑟𝛽 𝑖𝑠𝛼 ) 𝐿𝑚 ⃗𝑖⃗𝑟𝑠 (3) Trong đó: ⃗⃗⃗⃗⃗ 𝛹𝑟𝑠 = 𝐿𝑚 ⃗⃗𝑖𝑠𝑠 + 𝐿𝑟 ⃗𝑖⃗𝑟𝑠 (4) Ts: Hằng số thời gian stator; (5) Tr: Hằng số thời gian rotor; (6) σ: Hệ số từ tản tổng; ̅̅̅𝑠 𝑃(𝛹 = × 𝑀𝑒 = 𝐿𝑠 ⃗⃗𝑖𝑠𝑠 ⃗⃗⃗⃗⃗𝑠 𝑑𝛹 𝑠 𝑑𝑡 + ̅̅̅ 𝑖̅) 𝑠 = − 𝑃(𝛹𝑟 𝐽 𝑑𝜔 𝑀𝑟 + × 𝑃 𝑑𝑡 × 𝑖̅) 𝑟 (7) (8) (9) (10) (11) P: Số đơi cực động cơ; Phương trình toán động KĐB ba pha hệ αβ: Me: Moment điện từ III PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯƠNG VỊNG KÍN TỐC ĐỘ VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN A Phương pháp ước lượng tốc độ vịng kín Hình Sơ đồ ngun lý ước lượng vịng kín tốc độ MRAS Trong phương pháp ước lượng vịng kín tốc độ, từ thơng rotor tính tốn theo mơ hình tham khảo mơ hình thích nghi, hai giá trị từ thơng tính độc lập với Từ thơng mơ hình tham khảo tính theo phương trình (1), (2) (4) Từ thơng mơ hình thích nghi tính theo phương trình (9), (10) phụ thuộc vào tốc độ n động Nếu tốc độ ước lượng động khác với tốc độ thực động vector từ thơng tính mơ hình thích nghi sai lệch với vector từ thơng mơ hình tham khảo Sai lệch định nghĩa phần thực tích hai vector từ thơng tính từ hai mơ hình Sai lệch nhỏ, tốc độ ước lượng động gần với tốc độ thực động sai lệch hiệu chỉnh khâu PI để giảm thiểu sai lệch hai vector từ thơng 57 Dự đốn tốc độ động không đồng ba pha dùng giải thuật ước lượng cho điện áp đầu cực động A Lưu đồ giải thuật Hình Lưu đồ giải thuật Sơ đồ giải thuật trình bày hình Hệ thống điều khiển đề xuất hoạt động dựa giá trị hồi tiếp dòng điện Trong đó, dịng điện Ia Ib đo lường dòng điện pha A pha B cách tương ứng Các giá trị điện áp đầu cực động dự báo thơng qua mơ hình điều khiển động đề cập hình Sau ước lượng tốc độ, hiệu chỉnh sai số khâu PI, đạt giá trị tần số điều khiển phương pháp điều khiển V/f = const tạo ba sóng điều khiển cho mạch điều khiển Bộ lọc Kalman sử dụng để lọc tốc độ ước lượng cho giảm dao động gần với tốc độ đặt để việc ước lượng xác Điện áp ngõ nghịch lưu không điện áp động lọc làm suy hao biên độ trễ pha, điện áp ngõ tính tốn dự báo cho giống với điện áp đầu cực động động điện áp ngõ nghịch lưu trừ cho dòng điện hồi tiếp nhân Zl Hình Mơ hình dự báo điện áp IV KẾT QUẢ MÔ PHỎNG, KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ MƠ HÌNH THỰC TẾ Hình mơ tả phương pháp dự báo điện áp đầu cực động Từ ngõ sáu khóa điện áp cấp cho động qua lọc LC, dịng điện qua tụ bé nên khác điện áp điện áp ngõ nghịch lưu đầu cực động định cuộn cảm Do điện áp đầu cực B Kết mô kết thực Động dùng để mơ có thơng số sau: P = 370 W, U = 220 V, I = 2.5 A, f = 50 Hz, p = 2, Rs = Ω, Rr = 6.5 Ω, Ls = 0.1857 H, Lm = 0.16991 H, Lr = 0.1857 H 58 Dương Thùy Liên, Trần Thanh Vũ Hình Tốc độ đo từ cảm biến, tốc độ ước lượng chưa lọc tốc độ ước lượng lọc với ndat = 900 rpm Hình Tốc độ đo từ cảm biến, tốc độ ước lượng chưa lọc tốc độ ước lượng lọc với ndat = 1200 rpm Hình hình thể tốc độ ước lượng n, tốc độ ước lượng n’ sau qua lọc Kalman từ phương pháp đề xuất tốc độ đặt ndat 900 rpm 1200 rpm Tốc độ đối chiếu nthuc giá trị đo lường từ cảm biến tốc độ Tại thời điểm t = 1.5 s, đóng tải định mức cho động Từ hình cho thấy tốc độ ước lượng n dao động quanh giá trị tốc độ tham chiếu từ cảm biến việc sử dụng lọc Kalman làm chon tốc độ ước lượng gần với tốc độ tham chiếu Hình hình thể sai số hệ thống tốc độ đặt ndat tốc độ ước lượng n’ sau lọc, tốc độ đặt 900 rpm 1200 rpm Từ hình cho thấy sai số ban đầu 100% sau tiến dần 0% Hình Sai số hệ thống với ndat = 900 rpm Hình Sai số hệ thống với ndat = 1200 rpm Hình hình 10 thể sai số ước lượng tốc độ đo từ cảm biến tốc độ ước lượng n’ sau lọc, tốc độ đặt 900 rpm 1200 rpm Từ cho thấy ban đầu sai số ước lượng lớn sau giảm dần mức 59 Dự đốn tốc độ động không đồng ba pha dùng giải thuật ước lượng cho điện áp đầu cực động Hình Sai số ước lượng với ndat = 900 rpm Hình 10 Sai số ước lượng với ndat = 1200 rpm Hình 11 Điện áp pha ngõ nghịch lưu Hình 12 Điện áp dây ngõ nghịch lưu Hình 13 Dịng điện ngõ nghịch lưu điện ngõ nghịch lưu với lý thuyết, động chạy tốt, hoạt động ổn định Hình 11, hình 12 hình 13 thể dạng sóng điện áp pha ,điện áp dây dịng điện ngõ nghịch lưu Ta nhận thấy dạng sóng điện áp dịng 60 Dương Thùy Liên, Trần Thanh Vũ Hình 14 Tốc độ ước lượng thực tế Hình 15 Tốc độ đo thực tế từ Tachometer Hình 16 Dạng sóng tần sỗ tốc độ đặt 900rpm Hình 14 thể cho tần số đặt 40.5 Hz chạy vòng hở tốc độ tốc độ ước lượng khoảng 1220 rpm, gần giống với tốc độ đo tachometer hình 15 (1216) Khi bắt đầu đóng tải nhẹ, tốc độ động giảm cong 1050 (điểm hình 14) tương ứng tốc độc đo Tachometer 1003 Khi đóng tải mạnh 61 Dự đốn tốc độ động khơng đồng ba pha dùng giải thuật ước lượng cho điện áp đầu cực động động dừng giây lát, tốc độ ước lượng giảm (điểm hình 14), sau nhả tải, tốc độ lại trở ban đầu Kết cho thấy thuật toán ước lượng tốc độ hoạt động tốt kín tốc độ, lúc đầu chưa đóng tải tốc độ dao động quanh 900 rms (hình 17) tần số khoảng 32 Hz (hình 16) Sau đóng tải, tốc độ trước tần số tăng lên khoảng 36 Hz, moment tăng nhằm giữ cho tốc dộ khơng đổi Hình 18 thể sai số tốc độ đặt tốc độ ước lượng Hình 16 thể đáp ứng tần số tần số đặt 31 Hz (tương ứng tốc độ đặt 930rms) chạy vịng Hình 17 Đáp ứng tốc độ ước lượng tốc độ đặt 900rpm Hình 18 Sai số tốc độ đặt tốc độ ước lượng Hình 19 hình 20 thể mơ hình tổng thể, mạch động lực mạch điều khiển thi công thực tế Hình 19 Mơ hình tổng thể Hình 20 Mạch động lực mạch điều khiển 62 Dương Thùy Liên, Trần Thanh Vũ direct torque control (DTC)”, in SPEEDAM 2010, 1416 June 2010, Pisa, Italy, IEEE, 2010 IV KẾT LUẬN Mô hình điều khiển động khơng đồng ba pha điều kiện không cảm biến tốc độ, tối giản cảm biến điện áp giải thuật đề xuất nghiên cứu xây dựng hồn chỉnh Các phương trình giải thuật mô tả chi tiết, mô thực rõ ràng phần mềm hỗ trợ lập trình PSIM Nghiên cứu chứng minh cảm biến dòng điện từ nghịch lưu hệ thống điều khiển tốc độ động đạt kết khả quan Điều có ý nghĩa lớn lĩnh vực điều khiển khắc nghiệt cần độ ổn định cao, chi phí thấp Các thơng số cần thiết cho q trình điều khiển ước lượng cách xác dự báo thông qua thông số kết nối hệ thống phần cứng Các phương trình giải thuật thực với chu kỳ lấy mẫu thực tế nên lập trình ứng dụng cách dễ dàng [3] C Nagamani, N.Prasannakumar, R V Raju, “Analysis of the performance of an MRAS based sensorless speed estimation scheme for induction motors under fluctuating inputs”, in 2014 International Conference on Green Computing Communication and Electrical Engineering (ICGCCEE), 06-08 March 2014, Coimbatore, India, IEEE, 2014 [4] R Pena, R Cardenas, J Proboste, G Asher, J Clare, “Sensorless Control of Doubly-Fed Induction Generators Using a Rotor-Current-Based MRAS Observer”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 55, issue 1, pp 330-339, 2008 DOI: 10.1109/TIE.2007.896299 [5] S Ishida, T Endo, H Fujii, H Tomita, N Fujimoto, “Sensorless Vector Control with Quick Response for General Purpose Inverters”, in Conference Record of the Power Conversion Conference - Yokohama 1993, 19-21 April 1993, Yokohama, Japan, IEEE, 1993 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C C Gastaldini, R P Vieira, R Z Azzolin, H A Gründling, “Speed Sensorless Sliding Mode Observer for Three-Phase Induction Motor”, in 2012 XXth International Conference on Electrical Machines, 02-05 September 2012, Marseille, France, IEEE, 2012 [6] C Patel, R Ramchand, K Sivakumar, A Das, K Gopakumar, “A Rotor Flux Estimation During Zero and Active Vector Periods Using Current Error Space Vector From a Hysteresis Controller for a Sensorless Vector Control of IM Drive”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.58, issue 6, 2011 [2] G Adamidis, M Leibadaras, “Evaluation of methods of speed estimation of asynchronous motor based on 63 ... 61 Dự đốn tốc độ động khơng đồng ba pha dùng giải thuật ước lượng cho điện áp đầu cực động động dừng giây lát, tốc độ ước lượng giảm (điểm hình 14), sau nhả tải, tốc độ lại trở ban đầu Kết cho. .. nhỏ, tốc độ ước lượng động gần với tốc độ thực động sai lệch hiệu chỉnh khâu PI để giảm thiểu sai lệch hai vector từ thơng 57 Dự đốn tốc độ động không đồng ba pha dùng giải thuật ước lượng cho điện. .. số ước lượng tốc độ đo từ cảm biến tốc độ ước lượng n’ sau lọc, tốc độ đặt 900 rpm 1200 rpm Từ cho thấy ban đầu sai số ước lượng lớn sau giảm dần mức 59 Dự đốn tốc độ động không đồng ba pha dùng