Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - PHẠM THANH TIẾN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG TỪ THƠNG ROTOR TRỰC TIẾP DÙNG MƠ HÌNH ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ ROTOR LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - PHẠM THANH TIẾN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR TRỰC TIẾP DÙNG MƠ HÌNH ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ ROTOR LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN XN HỒNG VIỆT TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Xuân Hoàng Việt (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ Tp HCM ngày … tháng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ tên Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện Phản biện Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp HCM, ngày tháng năm 2018 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Thanh Tiến Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: I- Tên đề tài: Điều khiển động không đồng theo phương pháp định hướng từ thơng rotor trực tiếp dùng mơ hình ước lượng tốc độ rotor II- Nhiệm vụ nội dung: - Tổng quan nghiên cứu liên quan đến điều khiển động không đồng bộ; - Nghiên cứu sở lý thuyết kỹ thuật điều khiển động không đồng bộ; - Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển động không đồng theo phương pháp định hướng từ thơng rotor trực tiếp dùng mơ hình ước lượng rotor; - Nghiên cứu mơ hình kỹ thuật điều khiển động không đồng theo phương pháp định hướng từ thơng rotor trực tiếp dùng mơ hình ước lượng rotor; - Nghiên cứu mô kỹ thuật điều khiển động không đồng theo phương pháp định hướng từ thơng rotor trực tiếp dùng mơ hình ước lượng rotor III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Xuân Hoàng Việt CÁN BỘ HUỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu kết đạt Luận văn trung thực chưa công bố Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn tài liệu tham khảo Luận văn trích dẫn đầy đủ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Phạm Thanh Tiến LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS Nguyễn Xuân Hoàng Việt tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi hoàn thành đầy đủ tốt nhiệm vụ giao đề tài luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trang bị cho nhiều kiến thức quý báu chuyên ngành Kỹ thuật điện mà tảng vững cho tơi hồn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ12 động viên giúp đỡ trình thực đề tài luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp HCM; Viện Khoa học Kỹ thuật, Viện Đào tạo sau đại học quan nơi công tác tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành khóa học đề tài luận văn tốt nghiệp Phạm Thanh Tiến i Tóm tắt Với phát triển mạnh mẽ công nghệ bán dẫn kỹ thuật vi điều khiển, hệ thống truyền động điện đạt bước tiến nhảy vọt Các đáp ứng điều khiển đạt độ xác cao, chế độ động tĩnh Trong hệ thống truyền động điện, động không đồng sử dụng phổ biến với nguyên lý điều khiển định hướng từ thông rotor mà áp dụng rộng rãi Đặc biệt động khơng đồng rotor lồng sóc, có giá thành thấp, hiệu suất cao, bảo trì Trong tương lai, động dần thay động chiều ứng dụng cần thay đổi vận tốc truyền động Chính lý này, luận văn thực nghiên cứu vấn đề liên quan đến, "Điều khiển động không đồng theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mơ hình ước lượng tốc độ rotor" mà bao gồm nội dung sau: - Chương 1: Giới thiệu chung - Chương 2: Cơ sở lý thuyết động không đồng - Chương 3: Điều khiển động không đồng theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mơ hình ước lượng tốc độ rotor - Chương 4: Mô điều khiển động không đồng theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mơ hình ước lượng tốc độ rotor - Chương 5: Kết luận hướng phát triển tương lai ii Abstract With the rapid development of semi-conductor and microcontroller technologies, electric drive systems have made great strides Control responses achieve high accuracy, both in dynamic and static states In electric drive systems, induction motors are commonly used with rotor field-oriented control principles Especially, the induction motors with the squirrel cage rotor have low cost, high performance, less maintenance In the future, this engine may gradually replace the DC motor in applications that need to change the speed of the drive For this reason, the thesis does research on issues related to, "Induction motor control using direct rotor field-oriented controllers and a rotor speed estimation model" which includes the following content: - Chapter 1: Introduction - Chapter 2: Theory to induction machines - Chapter 3: Induction motor control using a direct rotor field-oriented controller and a rotor speed estimation model - Chapter 4: Simulations - Chapter 5: Conclusions and future works iii MỤC LỤC Tóm tắt i Mục lục iii Danh sách hình vẽ vi Chương - Giới thiệu chung 1.1 Giới thiệu 1.2 Nhiệm vụ mục tiêu nghiên cứu luận văn 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận văn 1.4 Tổng quan nghiên cứu liên quan 1.5 Bố cục dự kiến luận văn Chương - Cơ sở lý thuyết động không đồng 2.1 Giới thiệu động không đồng .5 2.2 Các phương pháp điều khiển động không đồng 2.2.1 Phương pháp điều khiển V/f (điều khiển vô hướng) 2.2.2 Phương pháp định hướng từ trường FOC 2.2.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC .6 2.3 Mơ hình động động không đồng lý tưởng 2.3.1 Phương trình tốn học mơ tả động khơng đồng lý tưởng 2.3.2 Phương trình vector không gian hệ tọa độ stator 2.4 Phương pháp ước lượng từ thông rotor 13 2.4.1 Phương pháp ước lượng từ thông rotor điều khiển trực tiếp 13 2.4.2 Phương pháp ước lượng từ thông rotor điều khiển gián tiếp 18 2.5 Phương pháp ước lượng tốc độ rotor 19 Chương - Điều khiển động không đồng theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mơ hình ước lượng tốc độ rotor 21 3.1 Giới thiệu 21 3.2 Điều khiển động không đồng theo phương pháp định hướng từ iv thông rotor gián tiếp 22 3.3 Bộ nghịch lưu 25 3.3.1 Bộ nghịch lưu áp pha 26 3.3.2 Phương pháp điều khiển PWM dòng điện 31 Chương - Mô điều khiển động không đồng theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mơ hình ước lượng tốc độ rotor 34 4.1 Giới thiệu 34 4.2 Các thông số mô 34 4.3 Mô kỹ thuật điều khiển RFOC 35 4.3.1 Mơ hình mơ nghịch lưu 35 4.3.2 Mơ hình mô khối PID với hai khâu setpoint-weighting anti-windup 36 4.3.3 Mơ hình mơ động lý tưởng Simulink/Matlab 38 4.4 Mô ĐCKĐB 40 4.4.1 Thông số ĐCKĐB 40 4.4.2 Động hoạt động không tải TL = 41 4.4.3 Động hoạt động với tải TL = 4,1 N.m 42 4.5 Mô điều khiển ĐCKĐB phương pháp định hướng từ thông rotor gián tiếp 44 4.5.1 Động chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa 46 4.5.2 Động chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước 49 4.5.3 Động chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức 51 4.5.4 Động chạy không tải với vận tốc 1/2 vận tốc định mức đổi chiều 54 4.6 Mô điều khiển ĐCKĐB phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp 56 4.6.1 Động chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa 59 4.6.2 Động chạy khơng tải với vận tốc định mức từ hóa trước 61 4.6.3 Động chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức 64 Luan van Luan an Do an 69 4.7 Mô điều khiển ĐCKĐB phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mơ hình ước lượng tốc độ rotor Bằng việc sử dụng phần mềm Simulink/Matlab, tiến hành xây dựng mơ hình mơ điều khiển ĐCKĐB Trong hệ thống này, từ thông vận tốc chọn giá trị đặt để điều khiển Góc quay từ thông rotor tốc độ động ước lượng trực tiếp từ dòng áp động Hình 4.5 Hình 4.53 Mơ hình mơ điều khiển động phương pháp RFOC trực tiếp dùng mơ hình ước lượng tốc độ rotor Hình 4.54 Mơ hình ước lượng tốc độ rotor từ dịng áp Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Luan van Luan an Do an 70 *Khối ước lượng tốc độ rotor trực tiếp: dψ β r dt = di Lr (vβ s − Rs iβ s − σ Ls β s ) Lm dt ψ αr = Lr [ (vα s − Rs iα s )dt − σ Ls iα s )] Lm ∫ ψ βr = Lr [ (vβ s − Rs iβ s )dt − σ Ls iβ s )] Lm ∫ ψ r = ψ β2 r +ψ α2r ω =ωr − ωsl = ψαr dψ β r dψ α r −ψ β r dt dt − Lm (ψ i −ψ i ) αr βr βr αr 2 Tr ψ r2 ψ β r +ψ α r 4.7.1 Động chạy khơng tải với vận tốc định mức chưa từ hóa + Thời gian mô phỏng, t = s; + Vận tốc đặt, ω = 292,2 rad/s; + Moment tải, TL = N.m; + Từ thông rotor đặt, ψ = 0,34 Wb Hình 4.55 Vận tốc góc rotor ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Luan van Luan an Do an 71 Hình 4.56 Dịng điện stator ĐCKĐB chạy khơng tải với vận tốc định mức chưa từ hóa Hình 4.57 Moment điện từ ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Luan van Luan an Do an 72 Hình 4.58 Từ thơng rotor ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa 4.7.2 Động chạy khơng tải với vận tốc định mức từ hóa trước + Thời gian mô phỏng, t = 2s; + Trong khoảng thời gian, - s: động từ hóa trước; + Sau đó, khoảng thời gian cịn lại - s: động bắt đầu tăng tốc giá trị vận tốc đặt, ω = 292,2 rad/s; + Trong trường hợp này, moment tải, TL = N.m; + Từ thông rotor, ψ = 0,34 Wb Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Luan van Luan an Do an 73 Hình 4.59 Vận tốc góc rotor ĐCKĐB chạy khơng tải với vận tốc định mức từ hóa trước Hình 4.60 Dịng điện stator ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Luan van Luan an Do an 74 Hình 4.61 Moment điện từ ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước Hình 4.62 Từ thơng rotor ĐCKĐB chạy khơng tải với vận tốc định mức từ hóa trước Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Luan van Luan an Do an 75 4.7.3 Động chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức + Thời gian mô phỏng, t = s; + Trong khoảng thời gian - s: động từ hóa trước; + Sau đó, khoảng thời gian lại - s: động bắt đầu tăng tốc giá trị vận tốc đặt ω = 292,2 rad/s; + Trong trường hợp này, moment tải, TL = 4,1 N.m đưa vào lúc động khởi động sau thời điểm 1,5 s; + Từ thơng đặt, ψ = 0,34 Wb Hình 4.63 Vận tốc góc rotor ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Luan van Luan an Do an 76 Hình 4.64 Dịng điện stator ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức Hình 4.65 Moment điện từ ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Luan van Luan an Do an 77 Hình 4.66 Từ thơng rotor ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức 4.7.4 Động chạy khơng tải với vận tốc ½ vận tốc định mức đổi chiều + Thời gian mô phỏng, t = s; + Trong khoảng thời gian - s: động từ hóa trước; + Sau đó, khoảng thời gian cịn lại - s: động bắt đầu tăng tốc; + Trong khoảng thời gian - 1,5 s: động chạy với vận tốc giá trị vận tốc đặt, ω = 146,1 rad/s Sau khoảng thời gian đó, động đảo chiều chạy với vận tốc vận tốc đặt ω = -146.1 rad/s; + Trong trường hợp này, moment tải, TL = N.m; + Từ thông đặt, ψ = 0,34 Wb Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Luan van Luan an Do an 78 Hình 4.67 Vận tốc góc rotor ĐCKĐB chạy khơng tải với vận tốc ½ vận tốc định mức đổi chiều Hình 4.68 Dịng điện stator ĐCKĐB chạy khơng tải với vận tốc ½ vận tốc định mức đổi chiều Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Luan van Luan an Do an 79 Hình 4.69 Moment điện từ ĐCKĐB chạy khơng tải với vận tốc ½ vận tốc định mức đổi chiều Hình 4.70 Từ thơng rotor ĐCKĐB chạy khơng tải với vận tốc ½ vận tốc định mức đổi chiều Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Luan van Luan an Do an 80 4.8 Kết luận Các kết mô cho thấy giá trị moment, vận tốc, từ thơng động chạy ổn định giá trị xác với giá trị đặt Ưu điểm phương pháp FOC đáp ứng nhanh vận tốc, moment với giá trị đặt Nhược điểm tần số đóng cắt phương pháp điều khiển PWM dịng điện ln thay đổi, khơng xác định có tần số đóng cắt cao động có vận tốc vận tốc đặt có tải * Động chưa từ hóa - Trong thời gian đầu, cấp nguồn, động bắt đầu khởi động vận tốc bắt đầu tăng lên đạt giá trị ổn định - Moment tăng đến giá trị tối đa sau đưa giá trị âm, sau khơng - Từ thông đưa đến giá trị định mức, moment vẩn có giá trị zero * Động từ hóa trước - Moment zero suốt thời gian từ hóa - Sau q trình từ hóa, bắt đầu tăng tốc động vận tốc động tăng nhanh với giá trị vận tốc đặt * Động chạy chế độ khơng tải - Động sau q trình khởi động, vận tốc ổn định giá trị đặt giá trị moment đưa giá trị đặt zero * Động chạy chế độ có tải - Khi đóng tải vào, moment động tăng lên giá trị đặt, vận tốc động bị giảm xuống sau tăng lên lại, với giá trị đặt Và biên độ dòng điện tăng lên Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Luan van Luan an Do an 81 * Động chạy không tải đảo chiều - Từ thông giữ giá trị không đổi giá trị định mức - Vận tốc động sau tăng lên đạt ½ vận tốc đặt, giữ thời gian sau đảo chiều -½ vận tốc đặt Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Luan van Luan an Do an 82 Chương Kết luận hướng phát triển tương lai 5.1 Kết luận Các kết mô cho thấy rằng: + Ở chế không tải: tốc độ điều khiển phương pháp định hướng từ thông rotor gián tiếp có đáp ứng nhanh, việc đảo chiều động đáp ứng nhanh + Khi động mang tải: vận tốc động có đáp ứng tốt, có giá trị gần giá trị đặt Nhưng từ thơng ước lượng có sai số so với từ thông đặt + Trong phương pháp điều khiển động phương pháp RFOC trực tiếp, dùng ước lượng vận tốc, động đáp ứng nhanh khơng tải, động chay có tải có chênh lệch đáng kể vận tốc ước lượng vận tốc thực tế 5.2 Hướng phát triển tương lai + Điều khiển động không đồng có tính đến tồn hao sắt từ động + Khi động hoạt động giá trị điện trở stator rotor bị thay đổi nên dựa vào đường đặc tuyến phụ thuộc điện trở rotor độ trượt theo theo tải, điện trở stator từ thông rotor ước lượng theo tần số hoạt động điện áp Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Luan van Luan an Do an Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn