Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế điều khiển Mô hình động cơ Dựa theo tài liệu 1 ta có các phương trình về dòng điện, từ thông và momen trên hệ tọa độ dq trong miền thời gian như sau: Trong đó: là hằng số thời gian rotor và stator, à hệ số tiêu tán tổng, từ thông rotor quy đổi trên hệ tọa độ dq (Wb), là tốc độ động cơ và tốc độ đồng bộ (rads), Khi momen do động cơ sinh ra sẽ là: Trong đó: là momen động cơ phát huy (Nm), là momen tải (Nm), zp số đôi cực, J là momen quán tính quy đổi về trục động cơ (kg.m2). Hệ phương trình (1.1) kết hợp với phương trình (1.2) cho ta cái nhìn hoàn thiện về mô hình động cơ không đồng bộ. Để dễ dàng cho việc mô hình hoá mô phỏng, ta khử các thành phần bằng 0 ở (1.1) và viết lại phương trình như sau: Nhận xét: Hai phương trình thứ nhất và thứ hai của hệ (1.3) là hai phương trình mô hình dòng điện của động cơ không đồng bộ, dùng để thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện. Hai phương trình thứ 3 và 4 của hệ (1.3) là hai phương trình mô hình từ thông, sử dụng để thiết kế mô hình từ thông của động cơ không đồng bộ. Phép chuyển hệ tọa độ Mục tiêu của khối chuyển toạ độ là biến đổi dòng điện, điện áp từ không gian vector về hệ toạ độ quay dq để phục vụ mô hình hoá, mô phỏng sau đó sẽ chuyển từ hệ toạ độ quay dq sang hệ toạ độ cố định αβ để thực hiện điều chế xung điều khiển mạch van. Hình 51:Vector dòng điện stator trên hệ toạ độ cố định αβ và hệ toạ độ quay dq Biến đổi từ hệ toạ độ không gian vector abc sang hệ toạ độ quay dq Trong không gian vector, ba dòng pha của động cơ chạy hơn kém nhau 120o. Do đó ta có được phương trình sau: hay có thể viết là . Khi xét trong hệ toạ độ cố định αβ với a trùng α (Hình 51), ta thu được (1.4): Do nên hệ trên trở thành Từ (Hình 51) ta biểu diễn được hệ toạ độ quay dq theo hệ toạ độ αβ như (1.6): Như vậy từ không gian vector, ba dòng điện pha abc đã được biến đổi thành dòng điện trên hệ toạ độ quay dq. Ở đây chính là vận dụng phép biến đổi Park và Clarke. Phép biến đổi Clarke: Phép biến đổi Park: Chuyển từ hệ toạ độ quay dq sang hệ toạ độ αβ Để chuyển đổi ngược từ hệ toạ độ quay dq sang hệ toạ độ cố định αβ, ta sử dụng phép biến đổi Park ngược (inverse Park). Mô hình từ thông Mục đích của khối mô hình từ thông là dựa vào dòng điện isd và isq để tính toán ra góc tựa từ thông rotor, từ đó có thể tính toán bộ điều khiển dòng điện cũng như biến đổi hệ toạ độ. Tính toán từ thông Sử dụng phương trình số 3 của hệ phương trình (1.3), ta có: Laplace 2 vế ta được: Thực hiện gián đoạn theo phương pháp Euler với , T là tần số lấy mẫu. Để thuận tiện trong việc biến đổi ta đặt và . Ta có: Thực hiện biến đổi z ngược ta được: Trong đó, Ik1 là giá trị đo được của tín hiệu Isd tại thời điểm (k1)T, và là giá trị ước lượng từ thông tại thời điểm kT và (k1)T. Từ phương trình (1.11) ta hoàn toàn có thể mô phỏng được việc ước lượng từ thông bằng Matlab hoặc đưa vào vi điều khiển. Tính toán tốc độ đồng bộ Từ phương trình 4 của hệ (1.3) ta có thể tính được tốc độ đồng bộ của động cơ như sau: Trong đó, tốc độ động cơ ω là tốc độ điện bằng tốc độ động cơ thực nhân với số đôi cực zp. Tính toán góc tựa từ thông Góc tựa từ thông là hàm tích phân của ωs. Được tính theo công thức: . Laplace 2 vế ta được Thực hiện gián đoạn hoá bằng phương pháp Euler ta được: . Thực hiện hàm z ngược phương trình (1.14) ta được: Từ các phương trình (1.11), (1.12) và (1.15), ta xây dựng được mô hình từ thông bằng phần mềm mô phỏng MatlabSimulink như (Hình 52): Hình 52: Mô hình từ thông thiết kế trên Matlab Thiết kế mạch vòng dòng điện Vai trò của bộ điều khiển dòng điện Bộ điều khiển dòng điện được thiết kế để đảm bảo chất lượng vector dòng điện stator bằng việc điều khiển hai dòng điện quy đổi isd và isq. Khi hai dòng điện này được giữ ổn định momen sinh ra sẽ ổn định. Có ba yêu cầu khi thiết kế bộ điều khiển dòng đó là: đảm bảo nhanh, chính xác và không tương tác (giữa quá trình từ hoá và quá trình tạo momen quay, đảm bảo tách kênh giữa hai trục d và q). Bộ điều khiển dòng điện bao gồm hai bộ điều khiển dòng PI điều khiển hai thành phần dòng một chiều isd và isq. Đầu vào của bộ điều khiển dòng điện bao gồm dòng điện đặt được tính từ bộ điều khiển từ thông và được tính từ bộ điều khiển tốc độ. Tuy nhiên vì các vector dòng điện là các vector quay nên trong hai phương trình mô hình dòng điện trong hệ (1.3) có xuất hiện các thành phần xen kênh vì vậy khi thiết kế bộ điều khiển dòng điện ta phải khử xen kênh. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện Mặc dù ta thiết kế hệ thống điều khiển số, tuy nhiên để đơn giản phần trình bày, ở đây các mạch vòng dòng điện, từ thông và mạch vòng tốc độ được thiết kế trên miền tần số. Sau đó, các bộ điều chỉnh sẽ được gián đoạn hóa chuyển sang bộ điều chỉnh số một cách phù hợp. Như đã trình bày ở trên, mô hình dòng điện có các thành phần xen kênh, sau khi khử thành phần xen kênh ta có thể viết lại hai phương trình dòng điện của hệ (1.3) như sau: Trong phương trình (1.16) và (1.17) ta thấy rằng dạng của hai phương trình là giống nhau nên hàm truyền đạt và tham số bộ điều khiển của hai thành phần dòng điện là giống nhau. Vì vậy, trong trường hợp này ta sẽ thiết kế bộ điều khiển cho thành phần dòng isd như sau: Laplace 2 vế của phương trình (1.18) ta được: Đặt và ta có: . Phương trình (1.20) cho ta thấy mối quan hệ giữa isd và usd là khâu quán tính bậc nhất, ta sẽ thiết kế bộ điều khiển với cấu trúc mạch vòng kín như (Hình 53): Hình 53: Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện Hàm truyền hệ hở của mô hình có dạng: . Nếu ta chọn thì suy ra . Lúc này hàm truyền hệ kín của mô hình sẽ là: . Ta thấy hàm truyền hệ kín có dạng khâu quán tính bậc nhất. Vì vậy . Giá trị isd sẽ bám giá trị đặt. Chọn hằng số thời gian T từ đó ta có thể tính được giá trị Kp. Hình 54: Mạch vòng dòng điện thiết kế trên Matlab Thiết kế mạch vòng từ thông Đầu ra của bộ điều chỉnh từ thông sẽ là lượng đặt của bộ điều chỉnh dòng isd. Đầu vào của bộ điều khiển từ thông là từ thông đặt và từ thông ước lượng được từ mô hình từ thông. Mạch vòng điều khiển từ thông mạch vòng ngoài của mạch vòng điều khiển dòng điện isd. Đáp ứng mạch vòng ngoài sẽ chậm hơn đáp ứng mạch vòng trong, vì vậy ta coi như mạch vòng dòng điện đáp ứng tức thời và có hàm truyền là ≈1. Từ phương trình số 3 của hệ (1.3) ta rút ra mối quan hệ giữa và là hàm quán tính bậc nhất như (Hình 55). Vì vậy cách thiết kế và tính toán giống với bộ điều khiển dòng điện. Hình 5 5 Cấu trúc mạch vòng điều khiển từ thông rotor Thiết kế mạch vòng tốc độ Bộ điều khiển nhận giá trị đặt tốc độ và tốc độ điện của rotor động cơ để tính toán lượng đặt dòng điện isq. Mạch vòng điều khiển tốc độ là mạch vòng ngoài của mạch vòng điều khiển dòng điện isq. Đáp ứng mạch vòng ngoài sẽ chậm hơn đáp ứng mạch vòng trong, vì vậy ta coi như mạch vòng dòng điện đáp ứng tức thời và có hàm truyền là ≈1. Mặt khác, thành phần momen cản Mc sẽ coi là nhiễu và sẽ loại bỏ khi thiết kế. Hình 5 6 Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ Trong đó . Ta có hàm truyền hệ hở của mô hình có dạng: . Từ (1.23) ta có thể suy ra hàm truyền hệ kín của mô hình là: Ta thấy hàm truyền hệ kín Gkω là khâu dao động bậc 2 có dạng . Chọn các giá trị và ta tính được các gí trị Kp và Ti của bộ điều khiển theo công thức: và Thiết kế mạch hãm dập động năng: Hình 57: Sơ đồ bộ biến tần có mạch hãm dập đông năng thiết kế trên Matlab Nguyên lý: khi điện áp trên tụ DC dâng lên cao hơn so với điện áp đầu ra chỉnh lưu thì vi điều khiển sẽ đọc giá trị điện áp đo được và đưa ra tín hiệu để van IGBT dẫn dòng và năng lượng sẽ được giải phóng trên Rhãm. Cấu trúc mô phỏng được thể hiện trên (Hình 58). Hình 5 8: Cấu trúc mô phỏng trên Maltab Bộ điều khiển từ thông: Bộ điều khiển tốc độ: Khối điều chế xung SVM: Mô phỏng kiểm chứng Thông số mô phỏng: Thông số động cơ như sau: Bảng 1 Thông số động cơ Công suất định mức 45 KW Momen định mức 290 Nm Dòng định mức 83.6 A Điện áp định mức 400 V Tần số 50 Hz Số đôi cực 2 Điện trở stator 0.0379 Điện trở Rotor 0.0379 Điện cảm stator 0,0191H Điện cảm rotor 0,0191H Hỗ cảm giữa stator và rotor 0,0179H Tốc độ định mức 1479 vph Momen quán tính 0.366 Thông số mô phỏng: Bảng 2 Thông số mô phỏng Tần tố phát xung PWM fx 10 kHz Điện trở hãm dập động năng R 10 Ω Điện áp lưới 3 pha Vac 380 VAC Giá trị tụ DC Cdc 15e3 F Thông số PI dòng điện Kp1; Ki1 Kp1 = 200; Ki1 = 60 Thông số PI từ thông Kp2; Ki2 Kp2 = 5; Ki2 = 70 Thông số PI tốc độ Kp3; Ki3 Kp3 = 40; Ki3 = 600 Kịch bản mô phỏng: Kịch bản mô phỏng theo một chu trình hoạt động của cầu trục với momen tải bằng momen định mức của động cơ là 290 Nm Đi lên không tải Đi xuống không tải Đi lên mang tải Đi xuống mang tải Xây dựng đồ thị tốc độ để làm giá trị đặt đầu vào cho bộ điều khiển: Từ kết quả mô phỏng ta xác định được thời gian đáp ứng từ thông là t_(1 )= 0.12(s) vì vậy sau 0.12s từ khi đóng điện cho động cơ, mới bắt đầu tăng tốc độ. Thời gian động cơ tăng tốc từ 0 vp lên 1075 vp là: t_(2 )= 112.5225 = 0.5(s) Quãng đường tải đi được trong khoảng thời gian t_(2 )là: s_(2 )= 12 x 0.5 x 〖0.5〗2=0.0625 (m) Thời gian động cơ giảm tốc từ 1075 vp về 0 vp là: t_(4 )=t_(2 ) Quãng đường tải đi được trong khoảng thời gian t_(2 )là: s_(4 )=s_(2 )=0.0625 (m) Quãng đường tải di chuyển với tốc độ v = 0.25 ms là: s_(3 )=150.0625 x 2=14.875 (m) Thời gian để tải di chuyển hết quãng đường s_(4 )là: t_3=14.8750.25 = 59.5(s) Hình 60: Đồ thị vận tốc nâng của tải Đồ thị vận tốc hạ tải cũng tương tự đồ thị vận tốc nâng tải. Kết quả mô phỏng Nâng không tải Momen cản quy đổi về đầu trục động cơ: M =(G_(mt ) x R x g)(2 x i x ŋ) = (255 x 0.2 x 9.81)(2 x 45 x 0.85) = 6.54 (Nm) Momen quán tính quy đổi về đầu trục động cơ: Jqd = Jđc + Jt + Jqd = 0.366 + 0.5x0.156 = 0.444 (kg.s2) Hình 63 : Đáp ứng dòng Isq Hình 64: Đáp ứng dòng Isd Hạ không tải Nâng mang tải với M = 290 Nm Momen cản quy đổi về đầu trục động cơ: M = 290 (Nm) Momen quán tính quy đổi về đầu trục động cơ: Jqd = Jđc + Jt + Jqd = 0.366 +0.112 + 0.5x0.156 = 0.556 (kg.s2) Hạ mang tải: Nhận xét: Các mạch vòng dòng điện, tốc độ, từ thông hoàn toàn đáp ứng yêu cầu bài toán khi cho sai lệch < 5%, tuy nhiên độ quá điều chỉnh của mạch vòng từ thông vẫn còn lớn do tham số thiết kế chưa tốt. Đồ thị vận tốc nânghạ tải cho kết quả đúng như thiết kế với v = 0.25ms, dạng hình thang. Có giá trị âm khi hạ tải. Gia tốc buồng thang đúng như yêu cầu với a = 0.5 ms2. Dòng điện stator có chất lượng THD