(Luận văn thạc sĩ hcmute) điều khiển định hướng từ thông rotor (rfoc) động cơ không đồng bộ ba pha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC SƠN ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR (RFOC) ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA S K C 0 9 NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2012 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC SƠN ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR (RFOC) ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MINH TÂM TP Hồ Chí Minh, tháng 11/2012 Luan van Luận văn tốt nghiệp LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ tên: NGUYỄN NGỌC SƠN Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 06/09/1977 Nơi sinh: Quảng Bình Quê quán: Quảng Bình Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: Ấp 2, xã Bàu Cạn, huyện Long Thành, tỉnh Đồng Nai Điê ̣n thoa ̣i quan: (061)3558700 Điê ̣n thoa ̣i nhà riêng: (061)6286086 Fax: (061)3558711 Email: sonly222@yahoo.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/1996 đến 03/ 2001 Nơi học: Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Ngành học: Điện khí hóa & cung cấp điện ( ĐKC ) Tên đồ án tốt nghiệp: Tài liệu giảng PLC Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 03/2001 – Trƣờng ĐH SPKT TP.HCM Ngƣời hƣớng dẫn: TS Nguyễn Minh Tâm III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Cty CP ĐT TM Incomfish – KCN Vĩnh Lộc, Quận Bình Tân, Tp.HCM Cty Xây dựng Cơng trình Phúc Khang – 7/2003 – 02/2008 Quận 3, Tp.HCM Trƣờng Cao đẳng nghề Lilama – 3/2008 đến Long Thành, Đồng Nai 9/2001 – 06/2003 i Luan van Công việc đảm nhiệm Nhân viên Nhân viên Giảng viên, P Khoa Luận văn tốt nghiệp LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác TP Hồ Chí Minh, ngày tháng 11 năm 2012 Ngƣời viết Nguyễn Ngọc Sơn ii Luan van Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Sau hai năm học tập nghiên cứu Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh, tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp cao học Để có đƣợc thành này, tơi nhận đƣợc nhiều hỗ trợ giúp đỡ tận tình từ Thầy Cơ, gia đình, quan bạn bè Đầu tiên , xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy TS Nguyễn Minh Tâm, ngƣời tận tình hƣớng dẫn trực tiếp tơi hồn thành luận văn Tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất quý Thầy Cô giảng dạy cho suốt thời gian qua Tôi xin gƣ̉i lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Trƣờng Cao đẳng nghề Lilama đã ta ̣o mo ̣i điề u kiê ̣n thuận lợi giúp tơi hồn thành khóa học Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè động viên, giúp đỡ cho tơi có niềm tin nỗ lực cố gắng suốt trình học tập Xin chân thành cảm ơn ! Học viên thực Nguyễn Ngọc Sơn iii Luan van Luận văn tốt nghiệp TĨM TẮT Động khơng đồng ba pha thiết bị chủ lực truyền động điện x oay chiề u ƣu điểm nhƣ : cấu tạo đơn giản , chắn, vận hành tin cậy , bảo trì , sữa chữa, giá thành hạ , hiê ̣u suấ t cao ,… so với đô ̣ng mô ̣t chiề u Tuy nhiên, việc điều khiển động không đồng vấn đề khó khăn, phức tạp động không đồng hệ phi tuyến và cầ n mô ̣t thuâ ̣t toán điề u khiể n hế t sƣ́c chă ̣t chẽ Phƣơng pháp điề u khiể n đinh ̣ hƣớng từ thông rotor (Rotor Flux Oriented Control – RFOC) đƣơ ̣c sƣ̉ du ̣ng phổ biế n để điề u khiể n đô ̣ng Phƣơng pháp RFOC có khả điề u khiể n đô ̣c lâ ̣p tƣ̀ thông và tốc độ động Để việc điều khiển đƣợc xác địi hỏi phải có tín hiệu hồi tiếp từ thông tốc độ Trên hệ thực, việc sử dụng cảm biến từ thông cảm biến tốc độ sẽ làm tăng chi phí làm giảm độ tin cậy hệ thống Một phƣơng pháp đƣợc đề xuất sử dụng ƣớc lƣợng tƣ̀ thông t ốc độ động kết hợp với phƣơng pháp RFOC để điều khiển động Với mu ̣c đić h cải tiế n phƣơng pháp RFOC việc ƣớc lƣợng từ thông tốc độ, nội dung luận văn sẽ tập trung vào xây dựng mơ hình điều khiển động không đồng phƣơng pháp RFOC để ƣớc lƣợng tƣ̀ thông tốc độ động Các kết mô (tƣ̀ thông, tố c đô ̣, moment, dòng điện ba pha ) Simulink / Matlab phƣơng pháp sẽ đƣợc so sánh với với phƣơng pháp FOC truy ền thống Viê ̣c so sánh đƣơ ̣c thƣ̣c hiê ̣n đ ảo chiều quay động cơ, thay đổ i tải ở trục động nhƣ thay đ ổi tốc độ Từ đánh giá thấ y hiê ̣u quả của phƣơng pháp đề xuấ t iv Luan van Luận văn tốt nghiệp ABTRACT Induction motors, are known with their ruggedness and reliability, due to their simple construction, much lower cost, lack of commutating elements, better power to mass ratio compared to the DC motors, which make them an attractive alternative in these applications However, the advantages above mentioned come with the very complicated, coupled nonlinear dynamics, which requires putting in place sophisticated control algorithms in order to obtain good controlling Rotor Flux Oriented Control (RFOC) method is being used popularly to control induction motor The RFOC provides independent control of speed and flux It is necessary to have feedback signals of speed and flux for the accuracy control With the real system, the using of encoder and flux sensor will increase cost and decrease reliability of system A proposed method is to use estimate speed and flux combined with RFOC method for controlling three - phase induction motor With an aim of improving the Rotor Flux Oriented Control (RFOC), the main content of this thesis will concentrate to establish the model of control induction motor by combining RFOC for estimating speed and flux Simulation results (flux, speed, torque, three - phase current) by Matlab / Simulink of proposed method are compared with the traditional method The methods are compared in terms of their ability to handle loads on the motor shaft, their speed tracking capability and their sensitivity to operating condition variations Since then, we evaluate effectiveness of the proposed method v Luan van Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt ix Danh sách hình x Danh sách bảng xvi Chƣơng TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Phạm vi nghiên cứu 1.4 Trình tƣ̣ bƣớc tiế n hành 1.5 Ý nghĩa đề tài Chƣơng MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1 Đa ̣i cƣơng về đô ̣ng không đồ ng bô ̣ ba pha 2.1.1 Cấu tạo 2.1.2 Nguyên lý hoạt động động không đồng ba pha 10 2.2 Vectơ không gian của đa ̣i lƣơ ̣ng ba pha 12 2.3 Hệ trục toạ độ quay 15 2.4 Mơ hình trạng thái ̣ng khơng đờ ng bô ̣ ba pha 17 2.4.1 Lý xây dựng mơ hình 17 2.4.2 Hệ phƣơng trình động không đồng ba pha 19 vi Luan van Luận văn tốt nghiệp 2.4.3 Mô hình trạng thái động khơng đồng hệ tọa độ αβ 20 2.4.4 Mơ hình trạng thái động không đồng hệ tọa độ dq 22 Chƣơng CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 25 3.1 Các phƣơng pháp điều khiển động không đồng ba pha 25 3.2 Điều khiển động cách thay đổi tần số nguồn áp (V/f) 25 3.3 Phƣơng pháp điều khiển moment trực tiếp động 28 Chƣơng HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG ĐỊNH HƢỚNG TRƢỜNG 30 4.1 Đại cƣơng FOC 30 4.2 Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng từ thông rotor trực tiếp (DRFOC) 34 4.3 Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng từ thông rotor gián tiếp (IRFOC) 38 4.4 Thuật toán điều khiển RFOC 39 4.5 Thiết kế PID 40 Chƣơng ƢỚC LƢỢNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TRONG 43 5.1 Đặt vấn đề 43 5.2 Ƣớc lƣợng vecter từ thông rotor 44 5.2.1 Mơ hình áp 44 5.2.2 Mơ hình dịng 45 5.3 Ƣớc lƣợng tốc độ động 46 5.3.1 Phƣơng pháp tổng hợp trực tiếp từ phƣơng trình trạng thái 46 5.3.2 Phƣơng pháp tính toán trƣợt (Slip calculation) 48 5.3.3 Phƣơng pháp hệ thống tham khảo thích ứng (MRAC) 48 5.4 Mơ hình mơ điều khiển động khơng đồng theo phƣơng pháp RFOC có sử dụng cảm biến tốc độ 50 5.4.1 Khối chuyển hệ tọa độ: dq −  51 5.4.2 Khối chuyển hệ tọa độ:  - abc 51 vii Luan van Luận văn tốt nghiệp 5.4.3 Khối nghịch lƣu 52 5.4.4 Khối mơ hình động cơ: Induction motor 53 5.4.5 Khối ƣớc lƣợng tốc độ rotor 55 5.4.6 Khối ƣớc lƣợng từ thông rotor 57 5.4.7 Khối chuyển hệ toạ độ: abc – dq 58 5.5 Mô hình mơ điều khiển động khơng đồng theo phƣơng pháp RFOC không dùng cảm biến tốc độ 59 Chƣơng KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 60 6.1 Mơ phƣơng pháp RFOC có dùng cảm biến tốc độ 60 6.1.1 Chế độ không tải: TL = Nm 61 6.1.2 Động hoạt động có tải 63 6.1.3 Động hoạt động có tải thay đổi 65 6.1.4 Đảo chiều động 67 6.1.5 Thay đổi tốc độ 68 6.2 Mô phƣơng pháp RFOC không dùng cảm biến tốc độ 70 6.2.1 Chế độ không tải: TL = Nm 71 6.2.2 Động hoạt động có tải 72 6.2.3 Động hoạt động có tải thay đổi 75 6.2.4 Đảo chiều động 77 6.2.5 Thay đổi tốc độ 79 6.3 Kết luận 80 Chƣơng KẾT LUẬN 81 7.1 Kế t luâ ̣n 81 7.2 Hƣớng phát triể n của đề tài 81 Tài liệu tham khảo 82 Phụ lục 84 viii Luan van Chương – Kết mô Nhận xét: Tốc độ động tăng nhanh vượt tốc độ đặt (0.3s) xác lập thời gian ngắn khoảng 0.5s Khơng có sai số tốc độ rotor tốc độ đặt Từ thông rotor từ thông ước lượng gần khơng có sai số  Trong q trình khởi động:  Moment khởi động 0.76 Nm  Tốc độ động tăng đến giá trị 168.5 rad/s  Từ thơng tăng đến 0.8 Wb  Dịng điện khởi động 1.88 A  Trong trạng thái xác lập:  Tốc độ rotor 157.2 rad/s vọt lố so với tốc độ đặt 0.128%  Tốc độ ước lượng 157 rad/s  Moment Te≈0  Giá trị từ thơng 0.8 Wb  Dịng xác lập 1.64 A 72 Luan van Chương – Kết mơ 6.2.2.Động hoạt động có tải Tại thời điểm t=1s cấp cho động moment tải không đổi Te=0.48 Nm Tốc độ đặt cho động wref = 157 rad/s fi (Wb) fest fs 0.5 0 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 Te (Nm) 0.5 wr (rad/s) 200 100 ia ib ic iabc (A) -1 -2 0.5 1.5 t (s) 2.5 3.5 Hình 6.13 Đáp ứng động có tải 180 160 140 wref west wr w (rad/s) 120 100 80 60 40 20 0 0.5 1.5 t (s) 2.5 Hình 6.14 Đáp ứng tốc độ có tải 73 Luan van 3.5 Chương – Kết mô Nhận xét :  Trong trình khởi động :  Tốc độ rotor tăng nhanh đến giá trị 168.6 rad/s, độ vọt lố 7.4%  Tốc độ ước lượng 168.45 rad/s  Dòng điện khởi động 1.84 A  Từ thông tăng đến giá trị ψs = 0.8 Wb  Moment khởi động 0.78 Nm  Thời điểm t = 1s  Moment tải tăng lên xác lập với giá trị Te=0.48 Nm  Tốc độ rotor giảm xuống đến giá trị 151.6 rad/s, độ sụt tốc 3.8%  Động hoạt động ổn định :  Vận tốc 157.3 rad/s, vọt lố so với tốc độ đặt 0.191%  Dòng điện xác lập 1.71 A  Từ thông xác lập ψs = 0.8 Wb  So sánh với trường hợp không tải :  Tốc độ vọt lố nhiều 0.191% so với 0.128%  Từ thông gần không thay đổi  Dòng điện xác lập lớn 1.71 A so với 1.64 A 74 Luan van Chương – Kết mô 6.2.3.Thay đổi tải : Tốc độ đặt cho động wr_ref = 157 rad/s Moment tải thay đổi: t=0÷1s : TL = N/m t=1÷2s : TL = 0.34 N/m t=2÷3s : TL = 0.48 N/m t>3s : TL=0.62 N/m fi (Wb) fest fs 0.5 0 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 Te (Nm) 0.5 wr (rad/s) 200 100 ia ib ic iabc (A) -1 -2 0.5 1.5 t (s) 2.5 3.5 Hình 6.15 Đáp ứng động thay đổi tải 180 160 140 wref west wr w (rad/s) 120 100 80 60 40 20 0 0.5 1.5 t (s) 2.5 Hình 6.16 Đáp ứng tốc độ động thay đổi tải 75 Luan van 3.5 Chương – Kết mô Nhận xét:  Tốc độ:  t=1s: tăng moment tải từ lên 0.34 Nm, tốc độ rotor giảm xuống đến wr = 153.4 rad/s, độ sụt tốc 2.3%  t=2s: tăng moment tải từ 0.34Nm lên 0.48Nm, tốc độ rotor giảm xuống đến wr = 153 rad/s, độ sụt tốc 2.5%  t=3s: tăng moment tải từ 0.48Nm lên 0.62Nm, tốc độ rotor giảm xuống đến wr = 154.1 rad/s, độ sụt tốc 1.85%  t>3s: tốc độ rotor wr = 157.2 rad/s, độ vọt lố 0.127%  Dòng điện:  Dòng điện khởi động 1.83 A  t=0.5÷1s dịng điện 1.64 A  t=1÷2s dịng điện 1.67A  t=2÷3s dịng điện 1.69A  t>3s dịng điện 1.73A  Từ thông gần không thay đổi so với trường hợp không tải  Moment tải đáp ứng nhanh ổn định 76 Luan van Chương – Kết mô 6.2.4 Đảo chiều động cơ: Moment tải giữ không đổi TL = 0.36 Nm Tốc độ đặt cho động wref = -157 rad/s fi (Wb) fest fs 0.5 0 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 Te (Nm) 0.5 -0.5 -1 wr (rad/s) -100 -200 ia ib ic iabc (A) -1 -2 0.5 1.5 t (s) 2.5 3.5 Hình 6.17 Đáp ứng động đảo chiều động wref west wr -20 -40 w (rad/s) -60 -80 -100 -120 -140 -160 -180 0.5 1.5 t (s) 2.5 Hình 6.18 Đáp ứng tốc độ đảo chiều động 77 Luan van 3.5 Chương – Kết mô Nhận xét: Động đáp ứng tốt  Quá trình độ:  Moment giảm xuống đến -0.8 Nm  Tốc độ wr = -168.6 rad/s  Dịng điện khởi động 1.83 A khơng thay đổi so với chưa đảo chiều  Từ thông không thay đổi so với trường hợp không tải  Khi t=1s cấp cho động moment tải 0.36Nm, tốc độ giảm xuống – 152.6 rad/s, sau 0.2s tốc độ ổn định - 157.2 rad/s  Dòng điện 1.87A  Trạng thái xác lập:  Dòng điện xác lập 1.67 A  Tốc độ rotor động cơ: wr = -157.2rad/s, sai số 0.127%  Tốc độ ước lượng -156,9 rad/s 78 Luan van Chương – Kết mô 6.2.5 Thay đổi tốc độ Moment tải giữ khơng đổi TL = 0.48 Nm t=0÷1s Tốc độ đặt cho động wref = t=1÷2s Tốc độ đặt cho động wref = 50 rad/s t=2÷3s Tốc độ đặt cho động wref = 100 rad/s t>3s Tốc độ đặt cho động wref = 157 rad/s fi (Wb) fest fs 0.5 0 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 Te (Nm) 1.5 0.5 wr (rad/s) 200 100 ia ib ic iabc (A) -1 -2 0.5 1.5 t (s) 2.5 3.5 Hình 6.19 Đáp ứng động thay đổi tốc độ 180 160 140 wref west wr w (rad/s) 120 100 80 60 40 20 0 0.5 1.5 t (s) 2.5 Hình 6.20 Đáp ứng tốc độ thay đổi tốc độ 79 Luan van 3.5 Chương – Kết mô Nhận xét:  Tại thời điểm thay đổi tốc độ moment tăng nhanh xác lập t>3s  0