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

Nội dung phương pháp dựa trên tác động trực tiếp của các vectơ điện áp lên vectơ từ thông móc vòng stator.. Đây chính là nguyên lý cơ bản của phương pháp điều khiển trực tiếp momen động

CHƯƠNG 1.

CÁC VẤN ĐỀ VỀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ĐẾN PHƯƠNG

PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN1.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen

Điều khiển trực tiếp momen cho động cơ không đồng ba pha là phươngpháp điều khiển trực tiếp lên momen điện từ, tốc độ là đại lượng điều khiểngián 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 thôngstator dẫn đến thay đổi trực tiếp tới momen điện từ của động cơ Các vectơđiện áp được chọn lựa dựa trên sai lệch của từ thông stator và momen điện từvới các giá trị đặt Tuỳ thuộc vào trạng thái sai lệch của từ thông và momenđiện từ, một vectơ điện áp tối ưu đã định trước được chọn để điều chỉnh đạilượng về đúng với lượng đặt Đây là phương pháp điều khiển đơn giản, ít phụthuộc 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 dâystator sinh ra được xác định theo công thức:

T  (1.5)

Quan sát biểu thức (1.5) rút ra nhận xét: bằng cách giữ nguyên giá trị vectơ

từ thông móc vòng stator s , thay đổi thật nhanh góc lệch s ta có thể điềukhiển được giá trị momen điện từ Bằng cách biểu diễn khác:

r s

s r

m e

L L

L p

2

3

(1.6)với

s r

m s

L L

L L

L'  ( 1  )  

(điện cảm tản stator) (1.7)

' ( ' )

s s s m

m e

L L

L p

r

m e

L L

L p

T  (1.10) (  s  r)

Thông thường, hằng số thời gian cơ (Tcơ > 0.1 s) của động cơ lớn hơn rấtnhiều so với hằng số thời gian điện từ Nói cách khác, sự thay đổi của từ thôngroto 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

là hằng số, momen điện từ có thể được điều chỉnh linh hoạt bằng cách thay đổigóc lệch  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 làbiến điều khiển Ta có thể chứng minh được rằng sử dụng các vectơ điện áphợp lý có thể điều khiển được vectơ từ thông stator Phương trình điện ápstator trong hệ toạ độ cố định DQ:

dt

d R i

s s s





 (1.11) Với động cơ không đồng bộ, ảnh hưởng của cảm kháng lớn hơn rất nhiều sovới ảnh hưởng trở kháng ở các động cơ công suất lớn, giá trị điện trở của cáccuộn dây thường khá nhỏ (cỡ m  ) Bỏ qua điện áp rơi trên thành phần điệntrở, coi như điện áp phần ứng chỉ sinh ra thành phần từ thông stator:

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 tầnnguồn áp Các vectơ điện áp có giá trị:

3 ) 1 ( exp[

Các vectơ điện áp khác không (u1, u2, u7) làm thay đổi biên độ vectơ từthông stator trong phạm vi sai lệch cho phép 2( ref -   ref +  ) vàthay đổi góc lệch  Ngược lại, vectơ điện áp không u0 và u7 làm ổn địnhmomen điện từ

Giả thiết vectơ từ thông stator đang ở điểm P0 , quay theo chiều dương(ngược chiều kim đồng hồ), cần tăng góc lệch để thay đổi momen Căn cứ

vào trạng thái sai lệch từ thông và momen, vectơ u3 được chọn theo sự địnhsẵn Một cách nhanh chóng, đầu mút vectơ s dịch chuyển tới P1 Nếu giữnguyên vectơ u3 , biên độ vectơ s sẽ vượt quá phạm vi sai số cho phép Cầngiảm biên độ s và giữ nguyên yêu cầu tăng góc lệch , vectơ u4 được chọn

để giảm biên độ vectơ mà mà vẫn tiếp tục tăng góc lệch  Có thể thấy rằng,các vectơ điện áp khác không có ưu điểm làm thay đổi trạng thái vectơ s

nhanh chóng nhưng lại dễ gây ra thay đổi biên độ không mong muốn Để đưabiên độ vectơ s về lượng đặt cần các vectơ điện áp khác không khác và lại cóthể gây ra các sai lệch Vì vậy, vai trò sử dụng hai vectơ điện áp không u0 và u7

còn có mục đích giảm thiểu tối đa số lần đóng cắt, giữ ổn định khi hệ thốngđạt trạng thái cân bằng Cần chú ý thêm rằng: khi vector không được chọnlựa, không thể giữ nguyên momen kể cả khi không tải lý tưởng Momen liêntục giảm do vectơ từ thông roto vẫn tiếp tục quay tiến dần tới vectơ từ thôngstator, góc lệch làm giảm dần

Hình 1.2: quĩ đạo 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 sáttrên hệ toạ độ DQ

CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP HỆ THỐNG THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU

KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN

2.1 Sơ đồ cấu trúc kinh điển phương pháp điều khiển trực tiếp

momen

Phương pháp điều khiển trực tiếp momen ( DTC) cho động cơ không đồng

bộ ba pha có cấu trúc mạch vòng điều khiển kín có phản hồi từ thông stator vàmomen

B¶ng chän lùa vect¬

®iÖn ¸p tèi u

vÞ trÝ vect¬ tõ th«ng stator





Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển phương pháp

DTC cho động cơ không đồng bộ D

2.2 Mô hình ước lượng từ thông

Phương pháp điều khiển trực tiếp momen sử dụng vectơ từ thông stator lànhân tố điều khiển chính Các thành phần toạ độ của vectơ từ thông statortrong hệ tọa độ tĩnh D -Q chỉ có thể xác định gián tiếp theo giá trị dòng điện vàđiện áp pha Quan hệ từ thông stator, điện áp pha và dòng điện pha:

dt

d R i

s s s

Độ chính xác của kết quả ước lượng từ thông stator quyết định chất lượngcủa thuật toán điều khiển Có nhiều giải pháp để nâng cao độ chính xác phépước 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 kếtquả gần với giá trị thực và không chịu ảnh hưởng nhiều của các tham sốphi 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 toánước lượng có sử dụng các tham số: Rs , Ls, Lm , Lr Kết quả ước lượng chính xáccần sử dụng thêm các mô hình nhiệt của điện trở theo đặc tính tải hoặc chế độlàm việc, sự ảnh hưởng của bão hoà từ trong lõi thép tới Ls, Lm , Lr Khó có thểxác định chính xác các tham số nếu không sử dụng các thuật toán nhận dạngtham số động cơ phức tạp Để giảm thiểu tối đa tính phức tạp cũng như tăng độ

ổn định của kết quả ước lượng, phép tích phân thực được thay thế bằng khâuquán tính bậc nhất:

p  T pT

1

1

(2.3)

Khâu quán tính bậc nhất cho kết quả khá tốt trong phạm vi tần số nhỏ hơn tần

số cắt ( ws=1/T) Tuy nhiên, nếu tần số tín hiệu lớn hơn tần số cắt của khâuquán tính, biên độ và góc pha của giá trị ước lượng xuất hiện sai lệch Có rấtnhiều phương pháp cải thiện đặc tính làm việc của khâu quán tính bậc nhất đãđược 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 tổngquát để xác định giá trị ước lượng:

z

pT

x Tp

T y

x : giá trị vào

y: giá trị ước lượng được

z : lượng tín hiệu hồi tiếp bù

Số hoá hàm ước lượng ( p=/t) :

n1 n (z y n)

T

t t x y

pT

11

z = ref nếu  ˆsD2   ˆsQ2  ref

Trong đó:

ref giá trị biên độ từ thông stator đặt

 ˆsD2 ,  ˆsQ2 giá trị ước lượng

Dựa trên thuật toán ước lượng của hai tác giả Hu và Wu, xây dựng thuật toánước 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:

 ˆs   ˆsD2   ˆsQ2 (2.6)

sD

sQ s

2.3Mô hình ước lượng momen điện từ

Giá trị ước lượng momen điện từ được xác định theo công thức:

( ˆ ˆ )

2

3

sD sQ sQ sD

T     (2.8)

2.4 Bảng chọn lựa vectơ điện áp tối ưu

2.4.1 Qui luật chọn lựa vectơ điện áp tối ưu

Vectơ điện áp là công cụ duy nhất để điều khiển biên độ và góc lệch củavectơ từ thông stator vectơ điện áp được chọn lựa theo:

 Sai lệch biên độ vectơ từ thông stator so với lượng đặt

 Sai lệch biên độ momen so với lượng đặt

Hình2.3: Sơ đồ thuật toán ước lượng các thành phần toạ độ vector từ thông stator

 Vị trí vectơ từ thông stator trong hệ toạ độ

Để xác định vị trí vectơ từ thông stator, người ta chia không gian toạ độ DQ làmsáu phần bằng nhau (sáu sector) Mỗi sector giới hạn một không gian 600, đặt theo

vị trí xác định: sector 1 (-300  300), sector 2 (300  900)… , sector 6 (2700 

3300) ứng với mỗi sector có hai vectơ lân cận được chọn để tăng hay giảm biên độvectơ từ thông stator Nếu vectơ từ thông stator đang ở sector thứ k, bảng 2.1 cho taqui tắc chọn lựa chung các vectơ điện áp tối ưu điều khiển vectơ từ thông stator vàmomen:

Bảng 2.1: Qui luật chọn lựa vectơ điện áp tối ưu

Hình 2.4: Không gian phân chia sector

FI, FD : Tăng, giảm biên độ vectơ từ thông stator

TI, TD : Tăng, giảm momen điện từ

2.4.2 Bộ so sánh trễ từ thông và momen

Từ thông stator Vk, Vk+1, Vk-1 Vk+2, Vk-2, Vk+3

Momen Vk+1 , Vk+2 Vk-1, Vk-2

Các bộ relay có trễ xác định phạm vi sai lệch của từ thông stator và momen

 s : phạm vi sai lệch vectơ từ thông stator cho phép

 Khâu trễ relay ba để xác định yêu cầu điều khiển momen, tín hiệu đầu ra

2.4.3 Bảng chọn lựa vectơ điện áp tối ưu

Bảng 2.2 chỉ ra qui luật chọn lựa vectơ điện áp điện áp tối ưu theo vị tríkhông gian trong hệ toạ DQ và trạng thái logic của hai khâu so sánh trễ

-1 1

-1 1

d dT e Sector 1 Sector2 Sector 3 Sector 4 Sector 5 Sector 6

và từ thông động cơ được giữ trong phạm vi sai lệch cho phép

2.5 Quan hệ tối ưu giữa momen đặt và từ thông stator.

Xây dựng quan hệ tối ưu giữa momen đặt và từ thông stator theo hàm mụctiêu dòng điện cực đại (năng lượng dòng điện được sử dụng tối đa) Từ thôngstator có quan hệ với momen sao cho nó đủ lớn để sinh ra momen yêu cầu và

đủ nhỏ để khắc phục các dao động Theo [7] quan hệ tối ưu giữa momen điện

từ và từ thông stator

 '

2 2

4

3

r

s s

m eref

L L

L p

m

s r eref

L

L L T

2.6 Xây dựng mô hình điều khiển ĐCKĐB theo phương pháp DTC

có mạch vòng điều khiển tốc độ

Mô hình điều khiển tốc độ được xây dựng bằng cách ghép thêm bộ điềukhiển tự chỉnh PID trước mạch vòng điều khiển momen Sai lệch sau bộ điềuchỉnh tốc độ đưa vào bộ điều khiển momen.Từ thông động cơ được đặt ở giátrị định mức ( w <wdm)

2

' 2

3

4

m

r s s

pL

L L



 (2.11)

Hình 2.6: Sơ đồ điều khiển kinh điển điều khiển trực

tiếp momen theo quan hệ tối ưu

lùa vect¬

®iÖn ¸p tèi u

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP DTC BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MATLAB – SIMULINK

Trong chương này chúng ta đi xây dựng mô hình thực nghiệp thực tếphương pháp điều khiển trực tiếp momen cho động cơ không đồng bộ Kết quả

mô phỏng giúp chúng ta đánh giá tốt hơn vế phương pháp này

Mô hình hệ thống điều khiển trên môi trường Simulink:

 Cấu trúc chi tiết:

 Khối đo lường:

Tính toán chuyển đổi các đại lượng dòng điện, điện áp từ hệ toạ độ ba pha(A, B, C) sang hệ toạ độ hai pha vuông góc DQ

Giá trị dòng điện chuyển sang hệ toạ độ DQ theo công thức:

ID =Ia A 32 B

Q

I I

Khối ước lượng từ thông

Hình 3.6: Khối ước lượng từ thông

 Đầu vào là điện áp động cơ đã chuyển đổi sang hệ DQ

 Đầu ra là từ thông stator (quy đổi ở hệ DQ)

Hình 3.7: Mô hình chi tiết khối ước lượng từ thông

Khối chuyển toạ độ

Hình 3.5: Sơ đồ chi tiết khối đo chuyển hệ toạ độ

Chuyển đổi từ thông stator ở hệ DQ sang biên độ và góc pha

Hình 3.8: Khối chuyển toạ độ

Hình 3.9: Mô hình chi tiết khối chuyển toạ độ

Khối tính toán mômen

Hình 3.10: Khối tính toán mômen

Căn cứ vào biểu thức tính mômen:

) ˆ ˆ

( 2

3

sD sQ sQ sD

Tính toán giá trị thực mômen từ các giá trị thực đo được trong mạch vòngphản hồi, sau đó giá trị mômen này sẽ được so sánh với giá trị mômen đặt đểđưa vào khâu so sánh trễ 3 vị trí Đầu vào là các tín hiệu từ thông stator, dòng điện (ở hệ DQ) và số đôi cực của động cơ Đầu ra là giá trị mômen ướclượng

Hình 3.11: Mô hình chi tiết khối tính toán mômen

b Bộ điều khiển PI

c Các khâu relay

Hình 3.14: Mô hình chi tiết khối PI

Hình 3.15: Mô hình chi tiết khâu rơle 3 vị trí có trễ Hình 3.12: Công thức quy đổi Fcn

Hình 3.13: Bộ PI

d.Bảng chuyển mạch

Hình 3.16: Bảng thông số đặt khâu rơle 3 vị trí có trễ

Hình 3.17: Bảng thông số đặt khâu rơle 2 vị trí có trễ

Bảng chuyển mạch nhận tín hiệu từ đầu ra của 2 khâu so sánh trễ dựa trênsai lệch giữa đại lượng đặt và đại lượng thực tế của từ thông và mômen Đầuvào thứ ba là một trong sáu vùng sector từ thông stator Đầu ra là sáu xungđiều khiển đóng mở sáu van của biến tần.

Hình 3.21: Quỹ đạo từ thông stator

Hình 2.23: Đáp ứng tốc độ

Nhận xét:

Phương pháp điều khiển trực tiếp momen có đặc điểm chung:

- Điều khiển trực tiếp mômen và từ thông (bằng cách chọn lựa cácvectơ chuyển mạch tối ưu)

- Điều khiển gián tiếp dòng điện stator

- Đáp ứng cho chất lượng của dòng điện và từ thông stator là hình sin

- Giảm thiểu được độ nhiễu của từ thông stator và mômen điện từ sovới các phương pháp khác

ưu điểm:

- Đáp ứng nhanh mômen

Nhược điểm:

- Yêu cầu bộ ước lượng từ thông và mômen

- Thay đổi tần số chuyển mạch

- Độ đập mạch mômen cao