điều khiển trực tiếp momen (dtc) cho động cơ không đồng bộ ba pha bằng bộ biến tần nguồn áp

CHƯƠNG 1. CÁC VẤN ĐỀ VỀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ĐẾN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN 1.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen. Điều khiển trực tiếp momen cho động cơ không đồng ba pha là phương pháp điều khiển trực tiếp lên momen điện từ, tốc độ là đại lượng điều khiển gián tiếp. Nội dung phương pháp dựa trên tác động trực tiếp của các vectơ điện áp lên vectơ từ thông móc vòng stator. Thay đổi trạng thái của vectơ từ thông stator dẫn đến thay đổi trực tiếp tới momen điện từ của động cơ. Các vectơ điện áp được chọn lựa dựa trên sai lệch của từ thông stator và momen điện từ với các giá trị đặt. Tuỳ thuộc vào trạng thái sai lệch của từ thông và momen điện từ, một vectơ điện áp tối ưu đã định trước được chọn để điều chỉnh đại lượng về đúng với lượng đặt. Đây là phương pháp điều khiển đơn giản, ít phụ thuộc vào các thông số động cơ, đáp ứng momen nhanh, linh hoạt. 1.2 Điều khiển trực tiếp momen (DTC) cho động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc (IM) bằng bộ biến tần nguồn áp: Giả thiết động cơ IM đối xứng ba pha. Momen điện từ do các cuộn dây stator sinh ra được xác định theo công thức: sse ipT ×= ψ 2 3 (1.1) Trong đó: p : số đôi cực. s ψ : vectơ từ thông stator s i : vectơ dòng điện stator e T : Momen điện từ do cuộn dây stator sinh ra Trong hệ toạ độ cố định DQ, các vectơ s ψ và s i là các vectơ quay. Biểu diễn trong trường phức: )exp( sss j ρψψ = (1.2) 1 )exp( sss jii α = (1.3) ss αρ , : góc lệch của vectơ từ thông stator và vectơ dòng điện stator so với trục thực D Thay (1.2) và (1.3) vào (1.1): )sin( 2 3 sssse ipT ραψ −= (1.4) Đặt ss ραα −= αψ sin 2 3 sse ipT = (1.5) Quan sát biểu thức (1.5) rút ra nhận xét: bằng cách giữ nguyên giá trị vectơ từ thông móc vòng stator ψ s , thay đổi thật nhanh góc lệch ρ s ta có thể điều khiển được giá trị momen điện từ. Bằng cách biểu diễn khác: sr sr m e LL L pT ψψ ×= ' ' 2 3 (1.6) với s sr m ss L LL L LL σ =−= )1( ' (điện cảm tản stator) (1.7) )( '' s ss m r r iL L L −= ψψ (Từ thông qui đổi roto về stator) (1.8) hay )sin(. 2 3 ' ' rssr sr m e LL L pT ρρψψ −= (1.9) γψψ sin. 2 3 ' ' sr sr m e LL L pT = (1.10) ( rs ρργ −= ) Thông thường, hằng số thời gian cơ (T cơ > 0.1 s) của động cơ lớn hơn rất nhiều so với hằng số thời gian điện từ. Nói cách khác, sự thay đổi của từ thông roto chậm hơn rất nhiều so với từ thông móc vòng stator, có thể coi là hằng số. Theo công thức tính momen (1.10) khi giá trị từ thông stator và từ thông roto 2 là hằng số, momen điện từ có thể được điều chỉnh linh hoạt bằng cách thay đổi góc lệch γ . Đây chính là nguyên lý cơ bản của phương pháp điều khiển trực tiếp momen động cơ: Sử dụng vectơ từ thông stato là đại lượng điều khiển, thay đổi góc lệch tương đối giữa vectơ từ thông stator và vectơ từ thông roto để thay đổi momen điện từ. Điều này khác với phương pháp điều khiển vectơ là sử dụng biến dòng điện stator là đại lượng điều khiển Như đã phân tích ở trên, phương pháp DTC sử dụng vectơ từ thông stator là biến điều khiển. Ta có thể chứng minh được rằng sử dụng các vectơ điện áp hợp lý có thể điều khiển được vectơ từ thông stator. Phương trình điện áp stator trong hệ toạ độ cố định DQ: dt d Riu s s s s ψ += (1.11) Với động cơ không đồng bộ, ảnh hưởng của cảm kháng lớn hơn rất nhiều so với ảnh hưởng trở kháng. ở các động cơ công suất lớn, giá trị điện trở của các cuộn dây thường khá nhỏ (cỡ m Ω ). Bỏ qua điện áp rơi trên thành phần điện trở, coi như điện áp phần ứng chỉ sinh ra thành phần từ thông stator: dt d u s s ψ = (1.12) Biểu diễn ở dạng gián đoạn: tu t u ss s s ∆=∆→ ∆ ∆ = ψ ψ (1.13) Trong khoảng thời gian ∆t, vectơ từ thông stator biến đổi lượng s ψ ∆ : theo hướng vectơ điện áp, tỉ lệ với biên độ vectơ điện áp và thời gian tác động (Hình 1.1) 3 sD sQ Ψ ∆ Ψ Ψ k k+1 Hình 1.1: Trạng thái thay đổi vectơ từ thông stator khi áp đặt vectơ điện áp. Sáu vectơ điện áp và hai vectơ điện áp không được sử dụng bằng bộ biến tần nguồn áp. Các vectơ điện áp có giá trị: )] 3 )1(exp[ 3 2 π −== kjUuu d ks ( k= 1, 2, … 6) 0 70 == uu U d : Điện áp một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu sD sQ u1 = (100) u2 = (110) u3 = (010) u4 = (011) u5 = (001) u6 = (101) 4 Các vectơ điện áp khác không (u 1 , u 2 , u 7 ) làm thay đổi biên độ vectơ từ thông stator trong phạm vi sai lệch cho phép 2∆Ψ( Ψ ref - ∆Ψ ÷ Ψ ref + ∆Ψ ) và thay đổi góc lệch γ . Ngược lại, vectơ điện áp không u 0 và u 7 làm ổn định momen điện từ. Giả thiết vectơ từ thông stator đang ở điểm P 0 , quay theo chiều dương (ngược chiều kim đồng hồ), cần tăng góc lệch γ để thay đổi momen. Căn cứ vào trạng thái sai lệch từ thông và momen, vectơ u 3 được chọn theo sự định sẵn. Một cách nhanh chóng, đầu mút vectơ Ψ s dịch chuyển tới P 1 . Nếu giữ nguyên vectơ u 3 , biên độ vectơ Ψ s sẽ vượt quá phạm vi sai số cho phép. Cần giảm biên độ Ψ s và giữ nguyên yêu cầu tăng góc lệch γ , vectơ u 4 được chọn để giảm biên độ vectơ Ψ mà mà vẫn tiếp tục tăng góc lệch γ . Có thể thấy rằng, các vectơ điện áp khác không có ưu điểm làm thay đổi trạng thái vectơ Ψ s nhanh chóng nhưng lại dễ gây ra thay đổi biên độ không mong muốn. Để đưa biên độ vectơ Ψ s về lượng đặt cần các vectơ điện áp khác không khác và lại có thể gây ra các sai lệch. Vì vậy, vai trò sử dụng hai vectơ điện áp không u 0 và u 7 còn có mục đích giảm thiểu tối đa số lần đóng cắt, giữ ổn định khi hệ thống đạt trạng thái cân bằng . Cần chú ý thêm rằng: khi vector không được chọn lựa, không thể giữ nguyên momen kể cả khi không tải lý tưởng. Momen liên tục giảm do vectơ từ thông roto vẫn tiếp tục quay tiến dần tới vectơ từ thông stator, góc lệch làm γ giảm dần. 5 Hình 1.2: quĩ đạo vectơ từ thông stator 1.3 Kết luận Phương pháp điều khiển trực tiếp momen là phương pháp điều khiển khá hiệu quả: • Momen được điều khiển trực tiếp nhờ tác động của các vectơ điện áp tới vectơ từ thông stator • Đáp ứng momen theo tải tốt. • Thuật toán điều khiển không quá phức tạp • Không cần phép chuyển đổi toạ độ do các phương trình được khảo sát trên hệ toạ độ DQ. 6 CHNG 2 TNG HP H THNG THEO PHNG PHP IU KHIN TRC TIP MOMEN 2.1 S cu trỳc kinh in phng phỏp iu khin trc tip momen Phng phỏp iu khin trc tip momen ( DTC) cho ng c khụng ng b ba pha cú cu trỳc mch vũng iu khin kớn cú phn hi t thụng stator v momen . Bảng chọn lựa vectơ điện áp tối &u Mô hình động cơ ref ref vectơ điện áp điện áp DC dòng pha A dòng pha B vị trí vectơ từ thông stator Hỡnh 2.1: S cu trỳc iu khin phng phỏp DTC cho ng c khụng ng b D 7 2.2 Mô hình ước lượng từ thông Phương pháp điều khiển trực tiếp momen sử dụng vectơ từ thông stator là nhân tố điều khiển chính. Các thành phần toạ độ của vectơ từ thông stator trong hệ tọa độ tĩnh D -Q chỉ có thể xác định gián tiếp theo giá trị dòng điện và điện áp pha. Quan hệ từ thông stator, điện áp pha và dòng điện pha: dt d Riu s s s s ψ += (2.1) -> dtRiu s s s s )( −= ∫ ψ (2.2) Công thức (2.2) có vẻ khá thuận tiện và đơn giản trong việc ước lượng từ thông stator vì chỉ cần duy nhất điện trở pha stator và phép tính tích phân thực. Tuy nhiên, kết quả luôn gây ra sai lệch lớn giữa giá trị ước lượng với giá trị thực do sử dụng phương pháp số để thực hiện các phép toán. Độ chính xác của phép tích phân số phụ thuộc nhiều vào độ lớn của chu kỳ tính, sai lệch tích luỹ sau mỗi chu kỳ tính. Đồng thời, giá trị dòng điện và điện áp đo cũng phụ thuộc vào độ chính xác phép đo và từ thông stator là đại lượng phi tuyến, phụ thuộc nhiều vào sự bão hoà mạch từ. Độ chính xác của kết quả ước lượng từ thông stator quyết định chất lượng của thuật toán điều khiển. Có nhiều giải pháp để nâng cao độ chính xác phép ước lượng từ thông: 1. Xây dựng khâu sát tức thời bằng thuật toán Luenberger 2. Xây dựng hàm xác định thay thế phép tính phân thực theo mục tiêu kết quả gần với giá trị thực và không chịu ảnh hưởng nhiều của các tham số phi tuyến Phương pháp ước lượng từ thông stator theo mô hình quan sát Luenberger có ưu điểm cho độ chính xác cao. Nội dung phương pháp là xây dựng thuật toán ước lượng có sử dụng các tham số: R s , L s , L m , L r . Kết quả ước lượng chính xác cần sử dụng thêm các mô hình nhiệt của điện trở theo đặc tính tải hoặc chế độ làm việc, sự ảnh hưởng của bão hoà từ trong lõi thép tới L s , L m , L r . Khó có thể xác định chính xác các tham số nếu không sử dụng các thuật toán nhận dạng tham số động cơ phức tạp. Để giảm thiểu tối đa tính phức tạp cũng như tăng độ 8 ổn định của kết quả ước lượng, phép tích phân thực được thay thế bằng khâu quán tính bậc nhất: pT T p + → 1 1 (2.3) Khâu quán tính bậc nhất cho kết quả khá tốt trong phạm vi tần số nhỏ hơn tần số cắt ( w s =1/T). Tuy nhiên, nếu tần số tín hiệu lớn hơn tần số cắt của khâu quán tính, biên độ và góc pha của giá trị ước lượng xuất hiện sai lệch. Có rất nhiều phương pháp cải thiện đặc tính làm việc của khâu quán tính bậc nhất đã được đưa ra, điển hình nhất là phương pháp có sử dụng hồi tiếp bù để nâng cao độ chính xác ở vùng tần số cao của hai tác giả Hu và Wu [9]. Công thức tổng quát để xác định giá trị ước lượng: z pT x Tp T y + + + = 1 1 1 (2.4) Trong đó: x : giá trị vào. y: giá trị ước lượng được. z : lượng tín hiệu hồi tiếp bù. Số hoá hàm ước lượng ( p=∆/∆t) : )( 1 nnn yz T t txyy − ∆ +∆+= + (2.5) Tín hiệu hồi tiếp bù z được hạn chế trong phạm vi: pT T + 1 pT + 1 1 + + y x z Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc phương pháp ước lượng theo thuật toán của Hu và Wu 9 • z = 22 ˆˆ sQsD ψψ + nếu 22 ˆˆ sQsD ψψ + < ref ψ . • z = ref ψ nếu 22 ˆˆ sQsD ψψ + ref ψ ≥ . Trong đó: ref ψ giá trị biên độ từ thông stator đặt. 22 ˆ , ˆ sQsD ψψ giá trị ước lượng . Dựa trên thuật toán ước lượng của hai tác giả Hu và Wu, xây dựng thuật toán ước lượng các thành phần toạ độ của vectơ từ thông stator: Biên độ và góc pha của giá trị vectơ từ thông stator ước lượng: 22 ˆˆˆ sQsDs ψψψ += (2.6) sD sQ s ψ ψ ρ ˆ ˆ ˆ tan = (2.7) Trong đó s ρ ˆ : góc lệch giữa vectơ từ thông stator và trục sD. 2.3Mô hình ước lượng momen điện từ Giá trị ước lượng momen điện từ được xác định theo công thức: ) ˆˆ ( 2 3 sDsQsQsDe iipT ψψ −= (2.8) 2.4 Bảng chọn lựa vectơ điện áp tối ưu 2.4.1. Qui luật chọn lựa vectơ điện áp tối ưu Hình2.3: Sơ đồ thuật toán ước lượng các thành phần toạ độ vector từ thông stator 10 [...]... cỏc dao ng Theo [7] quan h ti u gia momen in t v t thụng stator Teref 3 = 4 L p m L s ( s ) 2 L' r 2 (2.9) Trong ú: -> s = 4Teref L'r Ls 3 Lm 2 = K Teref (2.10) 13 ref Bảng chọn lựa vectơ điện áp tối ưu f tối ưu ref vị trí vectơ từ thông stator Mô hình động cơ vectơ điện áp điện áp DC dòng pha A dòng pha B Hỡnh 2.6: S iu khin kinh in iu khin trc tip momen theo quan h ti u 2.6 Xõy dng... xõy dng bng cỏch ghộp thờm b iu khin t chnh PID trc mch vũng iu khin momen Sai lch sau b iu chnh tc a vo b iu khin momen. T thụng ng c c t giỏ tr nh mc ( w . PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN 1.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen. Điều khiển trực tiếp momen cho động cơ không đồng ba pha là phương pháp điều khiển trực tiếp lên momen điện. cơ, áp ứng momen nhanh, linh hoạt. 1.2 Điều khiển trực tiếp momen (DTC) cho động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc (IM) bằng bộ biến tần nguồn áp: Giả thiết động cơ IM đối xứng ba pha. Momen. Phương pháp điều khiển trực tiếp momen là phương pháp điều khiển khá hiệu quả: • Momen được điều khiển trực tiếp nhờ tác động của các vectơ điện áp tới vectơ từ thông stator • áp ứng momen theo