TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DỊ BỘ
Khái niệm
Máy điện dị bộ, hay còn gọi là máy điện không đồng bộ (KĐB), là loại máy điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Đặc điểm nổi bật của máy này là tốc độ của rotor n khác với tốc độ từ trường quay n1 Máy điện không đồng bộ có khả năng hoạt động ở hai chế độ chính: động cơ và máy phát.
Máy phát điện KĐB ít được sử dụng do đặc tính làm việc không hiệu quả, chủ yếu tập trung vào động cơ Động cơ KĐB phổ biến trong sản xuất và sinh hoạt nhờ vào thiết kế đơn giản, giá thành thấp, độ tin cậy cao, dễ vận hành, hiệu suất tốt và gần như không cần bảo trì.
Cấu tạo, phân loại
Hình 1.1: Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha
1: Lõi thép stato 6: Hộp dầu cực
2: Dây quân stato 7: Lõi thép roto
4: Ổ bi 9:Quạt gió làm mát
Giống như các loại máy điện quay khác, động cơ không đồng bộ ba pha gồm có các bộ
Máy điện không đồng bộ bao gồm hai bộ phận chính là stator và rotor, cùng với các thành phần phụ như vỏ máy, nắp máy và trục máy Trục máy được chế tạo từ thép, trên đó lắp đặt rotor và ổ bi, đồng thời ở cuối trục có gắn quạt gió để làm mát máy theo chiều dọc.
Stator bao gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, cùng với vỏ máy và nắp máy Lõi thép stator có hình trụ, được làm từ các lá thép kỹ thuật điện có rãnh bên trong, ghép lại để tạo thành các rãnh theo hướng trục Lõi thép được ép chặt vào vỏ máy, trong khi mạch từ được chế tạo từ nhiều lá thép kỹ thuật điện mỏng ghép lại với nhau, trên đó có các rãnh để đặt dây quấn.
Vỏ máy đóng vai trò quan trọng trong việc cố định lõi thép và dây quấn, thường được chế tạo từ gang Đối với những máy có công suất lớn, vỏ máy thường được làm từ thép tấm hàn Hình thức và cách làm nguội của máy cũng sẽ ảnh hưởng đến thiết kế của vỏ máy.
Lõi thép là phần dẫn từ, được làm từ các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm để giảm tổn hao do từ trường quay Khi đường kính ngoài của lõi thép nhỏ hơn 990mm, sử dụng tấm thép tròn ép lại; nếu lớn hơn, cần dùng các tấm thép hình rẻ quạt ghép thành khối tròn Mỗi lõi thép đều có lớp sơn cách điện để giảm hao tổn do dòng điện xoáy Đối với lõi thép ngắn, có thể ghép thành một khối, trong khi lõi quá dài thì ghép thành các tấm ngắn, mỗi tấm dài từ 6 đến 8cm và cách nhau 1cm để thông gió tốt Mặt trong của lá thép có rảnh để đặt dây quấn.
Lõi thép hình rẻ quạt chứa dây quấn stator được cách điện tốt, đảm bảo an toàn cho động cơ Dây quấn phấn ứng, làm từ đồng, được đặt trong các rãnh và tạo thành nhiều vòng kín, đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng từ điện năng thành cơ năng Ngoài ra, chi phí dây quấn cũng chiếm tỷ lệ cao trong tổng giá thành của máy, ảnh hưởng đến tính kinh tế của sản phẩm.
Phần này gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn rotor:
Lõi thép được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện, thường được gắn trực tiếp lên trục máy hoặc giá rotor Bên ngoài các lá thép này có rãnh để lắp đặt dây quấn, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho thiết bị.
Dây quấn rotor được chia thành hai loại chính: rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc Rotor kiểu dây quấn tương tự như dây quấn ba pha của stator và có số cực từ giống như stator Loại dây quấn này thường được đấu hình sao (Y) và có ba đầu ra đấu vào các vành trượt gắn trên trục quay của rotor, cách điện với trục Ba chổi than cố định tiếp xúc với vành trượt để dẫn điện, cùng với một biến trở nối sao bên ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.
Rotor động cơ không đồng bộ dây quấn bao gồm hai loại chính: rotor kiểu lồng sóc và rotor có dây quấn Rotor kiểu lồng sóc, như hình 1.4, được cấu tạo từ các thanh đồng hoặc nhôm nằm trong rãnh và được nối ngắn mạch bởi hai vành ở hai đầu Đối với động cơ nhỏ, rotor thường được đúc nguyên khối, bao gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát Trong khi đó, các động cơ công suất trên 100kW sử dụng thanh dẫn bằng đồng được gắn chặt vào các rãnh rotor và vành ngắn mạch.
Hình 1.4: Rotor lồng sóc 1.2.3 Khe hở
Rotor có hình dạng tròn, dẫn đến khe hở đều và nhỏ trong máy điện không đồng bộ, thường từ 0,2mm đến 1mm cho các máy cỡ nhỏ và vừa Khe hở này giúp hạn chế dòng điện từ hóa từ lưới vào, qua đó nâng cao hệ số công suất của máy.
Nguyên lý làm việc
Khi dòng điện ba pha chạy qua dây quấn stato, từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1/p xuất hiện trong khe hở Từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha, tạo ra dòng điện I2 trong dây quấn rotor Dòng điện này sinh ra từ thông kết hợp với từ thông của stator, hình thành từ thông tổng trong khe hở Dòng điện trong dây quấn rotor tương tác với từ thông khe hở, sinh ra momen, và momen này có mối quan hệ chặt chẽ với tốc độ quay n của rotor Ở các tốc độ khác nhau, chế độ làm việc của máy cũng thay đổi Chúng ta sẽ nghiên cứu tác động của chúng trong ba phạm vi tốc độ khác nhau, cùng với hệ số trượt s của máy.
Như vậy khi n = n1 thì s = 0, còn khi n = 0 thì s = 1 ; khi n > n1, s < 0 và rotor quay ngược chiều từ trường quay n < 0 thì s > 1.
Rotor quay cùng chiều từ trường nhưng tốc độ n < n1(0 < s < 1).
Giả thuyết về chiều quay n1 của từ trường khe hở Φ và rotor n cho thấy rằng theo quy tắc bàn tay phải, có thể xác định chiều sức điện động E2 và dòng điện I2 Đồng thời, theo quy tắc bàn tay trái, lực F và momen M cũng được xác định Kết quả là lực F cùng chiều quay của rotor, cho thấy rằng điện năng cung cấp cho stator đã được chuyển đổi thành cơ năng trên trục quay rotor theo chiều từ trường quay n1, từ đó cho thấy động cơ hoạt động ở chế độ động cơ điện.
Hình 1.5: Chiều quay rotor Rotor quay cùng chiều nhưng tốc độ n > n1 (s < 0).
Khi động cơ sơ cấp quay rotor của máy điện không đồng bộ vượt tốc độ đồng bộ (n > n1), chiều từ trường quay quét qua dây quấn rotor sẽ thay đổi, dẫn đến sức điện động và dòng điện trong dây quấn cũng đổi chiều Kết quả là moment M sẽ ngược chiều với n1, tạo ra moment hãm Do đó, máy biến cơ năng tác dụng lên trục động cơ thành điện năng, cung cấp cho lưới điện, cho thấy động cơ hoạt động ở chế độ máy phát.
Rotor quay ngược chiều từ trường n < 0 (s > 1)
Khi rotor của máy điện quay ngược chiều với từ trường, chiều của sức điện động và momen tương tự như khi hoạt động ở chế độ động cơ Momen sinh ra ngược chiều với rotor sẽ hãm rotor lại, dẫn đến việc máy vừa lấy điện năng từ lưới điện vừa nhận cơ năng từ động cơ sơ cấp Chế độ làm việc này được gọi là chế độ hãm điện từ.
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB ba pha
Trước đây, động cơ điện một chiều thường được sử dụng để điều chỉnh tốc độ cao Tuy nhiên, nhờ sự phát triển của kỹ thuật điện tử, việc điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ hiện nay trở nên dễ dàng hơn, đáp ứng tốt yêu cầu về phạm vi điều chỉnh, độ mượt mà trong quá trình điều chỉnh và tiết kiệm năng lượng Các phương pháp điều chỉnh chủ yếu hiện có rất hiệu quả.
Trên stato: Thay đổi điện áp U đưa vào dây quấn stato, thay đổi số đôi cực từ p dây quấn stato và thay đổi tần số f nguồn điện.
Với rô to dây quấn: Thay đổi điện trở rôto, nối cấp hoặc đưa suất điện động phụ vào rôto.
1.4.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp:
Hình 1.6: Đường đặc tính cơ khi thay đổi điện áp
Hệ số trượt tới hạn sm không phụ thuộc vào điện áp.
Nếu r’2 không đổi thì khi giảm điện áp nguồn U1, hệ số trượt tới hạn sm sẽ không đổi còn Mmax giảm tỉ lệ với bình phương điện áp.
Họ đặc tính cơ cho thấy tốc độ thay đổi khi thay đổi điện áp.
Phương pháp này chỉ thực hiện khi máy mang tải, còn khi máy không tải giảm điện áp nguồn, tốc độ gần như không đổi.
Thay đổi điện áp nguồn có thể dùng những cách sau: o Biến áp xoay chiều. o Phân áp bằng điện kháng. o Bộ biến đổi điện áp xoay chiều.
Hình 1.7: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp 1.4.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số:
Với điều kiện năng lực quá tải không đổi, có thể tìm ra được quan hệ giữa điện áp U1 , tần số f 1 và mômen M.
Trong công thức về mômen cực đại, nếu bỏ qua điện trở r 1:
Khi thay đổi tần số thì đặc tính cơ cũng thay đổi.
Họ đặc tính cơ với U1 = const Giả thiết U’1 và M’ là điện áp và mômen lúc tần số f 1’, căn cứ vào điều kiện năng lực quá tải không đổi:
Hình 1.8: Đường đặc tính cơ khi thay đổi tần số 1.4.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở rotor:
Thay đổi điện trở dây quấn rôto, bằng cách mắc thêm biến trở ba pha vào mạch rôto của động cơ rôto dây quấn.
Do biến trở điều chỉnh phải làm việc lâu dài nên có kích thước lớn hơn biến trở khởi động.
Đặc điểm điều chỉnh: Khi tăng điện trở, tốc độ quay của động cơ giảm.
Phương pháp này có thể gây tổn hao trong biến trở, dẫn đến hiệu suất động cơ bị giảm Mặc dù vậy, đây là một phương pháp đơn giản và cho phép điều chỉnh tốc độ liên tục trong một phạm vi rộng, nên thường được áp dụng cho các động cơ có công suất trung bình.
Hình 1.9: Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ bằng điện trở
1.4.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách nối cấp trả năng lượng về nguồn:
Năng lượng trên rô to với tần số f2 = sf1 được chuyển hóa từ điện trở phụ thành năng lượng một chiều Sau đó, năng lượng này được biến đổi qua bộ nghịch lưu thành năng lượng xoay chiều tần số f để trả về nguồn.
Hình 1.10: Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ bằng cách cấp trả năng lượng về nguồn
Kết luận: Qua quá trình nghiên cứu động cơ dị bộ và các phương pháp điều chỉnh tốc độ cho động cơ KĐB 3 pha, tôi đã hiểu rõ cấu tạo cũng như các phương pháp điều khiển phổ biến, từ đó làm nền tảng để hoàn thiện các chương tiếp theo.
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DỊ BỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC 19 2.1: Tổng quan về điều khiển động cơ dị bộ theo phương pháp FOC
Mô hình động cơ không đồng bộ trong không gian Vector
2.2.1: Vector không gian và hệ toạ độ tựa theo từ thông Rotor
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý của động cơ cảm ứng
Hình 1.1 cung cấp cái nhìn trực quan về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ, trong đó ba cuộn dây phía stator được sắp xếp cách nhau một cách hợp lý.
Trong không gian ba chiều, ba vector điện áp được tạo thành với độ lệch pha 120 độ giữa chúng Từ đó, vector tổng hợp is có thể được định nghĩa là tổng của ba vector điện áp pha quay, tương ứng với tần số stator fs, như thể hiện trong hình 1.2 dưới đây.
Hình 2.12: Biểu diễn 3 điện áp pha dưới dạng Vector phức
Qua hình vẽ, ta có thể xác định được phương trình biểu diễn của vector dòng điện stator theo 3 vector dòng pha như sau:
2.2.2: Mô hình động cơ không đồng bộ trong không gian Vector.
Trong không gian vector, các đại lượng của ĐCKĐB được biểu diễn theo ba trục vector a, b, c Việc biểu diễn các đại lượng dưới dạng tổng của ba vector có thể làm cho quá trình tính toán trở nên cồng kềnh và phức tạp, gây khó khăn trong việc mô hình hóa động cơ và thực hiện các phép điều khiển Do đó, cần thiết phải chuyển đổi các đại lượng của ĐCKĐB sang hệ trục tọa độ Descartes để đơn giản hóa quá trình này.
Giả sử có một hệ tọa độ với hai trục d và q, quay đồng bộ với vector trong hình 1.2, tất cả các vector có thể được biểu diễn dưới dạng thành phần.
Giả sử có một hệ tọa độ mới gọi là hệ tọa độ αβ, trong đó trục thực α trùng với cuộn dây pha a, tạo ra hệ tọa độ αβ cố định với stator Hệ thống cuộn dây ba pha của stator là cố định, cho phép chúng ta thực hiện phép tính chuyển đổi, thay thế ba cuộn dây pha A, B và C của máy điện bằng hai cuộn dây α và β Dòng điện qua hai cuộn dây mới này được ký hiệu là isα và isβ, và được tính toán theo công thức tương ứng.
Hình 2.13 minh họa vector dòng điện stator trong hai hệ tọa độ: hệ tọa độ cố định αβ và hệ tọa độ quay dq Hình 2.3 cho thấy hai hệ tọa độ này có điểm gốc chung, với các trục αβ đứng yên trong khi các trục dq quay quanh gốc với tốc độ góc nhất định Do đó, các vector dòng điện được biểu diễn tương ứng trong cả hai hệ tọa độ αβ và dq.
Từ hình 2.3, áp dụng cho dòng điện ta có thể thu được:
(2.6) hay có thể viết dưới dạng: (2.7)
Phương trình 2.7, hay còn gọi là phép biến đổi Park-Clarke, đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi vector không gian từ hệ tọa độ tính abc sang hệ trục tọa độ quaydq với tốc độ quay ω.
Hình 2.14: Sơ đồ thay thế của động cơ IM
Từ sơ đồ thay thế của động cơ, ta viết được phương trình điện áp và phương trình từ thông trên stator và trên rotor như dưới đây:
Để mô tả đầy đủ động cơ xoay chiều ba pha, cần bổ sung phương trình chuyển động và phương trình momen quay, từ đó giúp có cái nhìn rõ ràng hơn về đối tượng cần được mô hình hóa.
(2.11) 2.2.3: Mô hình hoá động cơ không đồng bộ trong hệ toạ độ quay dq
Phép biến đổi tọa độ quay dq do Park phát triển vào những năm 1960 nhằm nghiên cứu động cơ xoay chiều đồng bộ, sau này được áp dụng cho động cơ không đồng bộ Hãy tưởng tượng một hệ tọa độ mới quay với tốc độ góc ω Việc chuyển đổi các đại lượng giữa hệ tọa độ mới và hệ tọa độ của hệ thống cuộn dây được thực hiện theo công thức 2.7.
Trong đó, các chỉ số viết bên phải trên cao mang ý nghĩa:
s : đại lượng mô tả hệ toạ độ cố định với stator
r : đại lượng mô tả hệ toạ độ cố định với rotor
k : đại lượng mô tả hệ toạ độ quay với tốc độ ωk
Khi chọn tốc độ quay của hệ thống mới, ta có thể đặt ωk = ωs, trong đó ωs là tốc độ đồng bộ Điều này dẫn đến việc thu được hệ tọa độ quay dq, nghĩa là hệ trục tọa độ sẽ quay đồng bộ với các vector điện áp và dòng điện của stator.
Hình 2.15: Đồ thị vector trong hệ toạ độ quay dq
Biểu đồ trong Hình 1.5 thể hiện mối quan hệ giữa vector dòng điện và từ thông của động cơ không đồng bộ, với trục d trong hệ tọa độ dq trùng với vector từ thông rotor Hệ tọa độ này cũng quay theo tốc độ của rotor, từ đó cho phép rút ra một số nhận xét quan trọng về hoạt động của động cơ.
Các vector từ thông rotor, điện áp và dòng điện stator đều là các thành phần một chiều trên hệ trục tọa độ dq, làm cho mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ dq tương tự như mô hình động cơ một chiều Chúng ta có thể phân tách hai thành phần dòng điện isd thành thành phần sinh từ thông rotor (phần cảm) và thành phần isq đại diện cho phần ứng của động cơ.
Vì nên thành phần từ thông rotor chiếu lên trục q sẽ bằng vector không
Nếu ta giữ nguyên không đổi thì lúc này, Momen động cơ sinh ra chỉ phụ thuộc vào
Dựa trên các phân tích đã thực hiện, chúng ta có thể phát triển mô hình liên tục cho động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ dq thông qua hệ phương trình sau đây.
Khi thực hiện mô hình trong thực tế, dòng điện rotor ir và từ thông stator ψs không thể đo được Để đơn giản hóa quá trình tính toán, chúng ta có thể loại bỏ hai đại lượng này Từ phương trình 3 và 4 trong hệ phương trình (2.14), ta có thể rút ra được các kết quả cần thiết.
(2.15) Thay ngược trở lại ta thu được hệ phương trình mới như sau:
Khi Momen do động cơ sinh ra sẽ là:
Hệ phương trình (2.16) kết hợp với phương trình (2.17) cung cấp cái nhìn toàn diện về mô hình động cơ không đồng bộ Để thuận tiện cho việc mô hình hóa và mô phỏng, chúng ta có thể điều chỉnh các thành phần bằng 0 và viết lại phương trình một cách rõ ràng hơn.
Điều khiển động cơ IM theo phương pháp FOC
Mục tiêu của khối chuyển tọa độ là chuyển đổi dòng điện và điện áp từ không gian vector sang hệ tọa độ quay dq, nhằm phục vụ cho mô hình hóa và mô phỏng Sau đó, quá trình này sẽ tiếp tục chuyển đổi từ hệ tọa độ quay dq sang hệ tọa độ cố định αβ để thực hiện điều chế xung điều khiển mạch van.
Trong không gian vector, ba dòng pha của động cơ chạy hơn kém nhau 120 o 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 1.3), ta thu được phương trình:
Do nên hệ trên trở thành
Từ hình 1.3 ta biểu diễn được hệ toạ độ quay dq theo hệ toạ độ αβ như dưới đây:
Ba dòng điện pha a, b, c đã được chuyển đổi từ không gian vector sang dòng điện trong hệ tọa độ quay dq, nhờ vào việc áp dụng phép biến đổi Park và Clarke.
Phép biến đổi Park là một công cụ quan trọng trong việc chuyển đổi giữa các hệ tọa độ Để thực hiện chuyển đổi ngược từ hệ tọa độ quay dq về hệ tọa độ cố định αβ, chúng ta áp dụng phép biến đổi Park ngược (inverse Park).
2.3.2: Mạch lực Để cấp nguồn cho động cơ không đồng bộ ta sử dụng mạch nghịch lưu nguồn áp 3 pha hai mức Đầu vào của mạch nghịch lưu là điện áp một chiều sau chỉnh lưu Udc Sau Udc là tụ lọc để san phẳng đập mạch điện áp sau chỉnh lưu Mạch nghịch lưu nguồn áp hai mức sử dụng 6 van IGBT có diode ngược để tạo điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra Đầu ra của mạch nghịch lưu được nối trực tiếp với động cơ không đồng bộ Trong khuôn khổ bài báo cáo này, em xin phép không trình bày về việc tính chọn và thiết kế mạch lực cho động cơ không đồng bộ.
Khối mô hình từ thông có chức năng tính toán góc tựa từ thông rotor dựa trên dòng điện Isd và Isq Qua đó, nó hỗ trợ trong việc tính toán bộ điều khiển dòng điện và biến đổi hệ tọa độ.
Sử dụng phương trình số 3 của hệ phương trình 1.21, ta có:
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
(2.19) Thực hiện biến đổi z ngược ta được:
(2.20)Trong đó, Ik-1 là giá trị đo được của tín hiệu Isd tại thời điểm (k-1)T, và là giá trị ước lượng từ thông tại thời điểm kT và (k-1)T.
Từ phương trình 2.20 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 2.18 ta có thể tính được tốc độ đồng bộ của động cơ như sau:
(2.21) Trong đó, tốc độ động cơ ω là tốc độ điện bằng tốc độ động cơ thực nhân với số đôi cực z p.
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:
(2.23) Thực hiện hàm z ngược phương trình 2.23 ta được:
Từ các phương trình 2.21, 2.22 và 2.24, ta xây dựng được mô hình từ thông bằng phần mềm mô phỏng Matlab Simulink như ở dưới đây:
Hình 2.17: Mô hình từ thông trên Matlab Simulink 2.3.4: Thiết kế các bộ điều khiển a) Bộ điều khiển PI
Do tính chất động học của động cơ, các hệ truyền động thường sử dụng điều khiển phản hồi tuyến tính với bộ điều khiển PI Bài viết này sẽ trình bày việc áp dụng bộ điều khiển PI để điều khiển động cơ, nhằm đảm bảo hệ thống ổn định, có đáp ứng quá độ tối ưu và sai lệch tĩnh bằng không.
Hàm truyền tổng quát của bộ điều khiển PI:
(2.25) Gián đoạn bộ điều khiển PI bằng phương pháp Tustin với chu kì lấy mẫu T và
Thực hiện biến đổi z ngược cho 2.26 ta có
Bộ điều khiển PI trong miền gián đoạn được mô tả bởi phương trình 2.27, cho phép người dùng mô phỏng trên MATLAB hoặc triển khai trên vi điều khiển.
Vai trò của bộ điều khiển dòng điện
Bộ điều khiển dòng điện giúp duy trì chất lượng vector dòng điện stator bằng cách điều chỉnh hai dòng điện quy đổi isd và isq Việc giữ ổn định hai dòng điện này sẽ đảm bảo momen sinh ra cũng được ổn định.
Khi thiết kế bộ điều khiển dòng, cần đảm bảo ba yêu cầu chính: tốc độ nhanh, độ chính xác cao và không có sự tương tác giữa quá trình từ hoá và quá trình tạo momen quay Điều này giúp tách biệt hai trục d và q, nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Bộ điều khiển dòng điện sử dụng hai bộ điều khiển dòng PI để điều khiển hai thành phần dòng một chiều isd và isq Đầu vào của bộ điều khiển dòng điện được xác định từ dòng điện đặt, tính toán từ bộ điều khiển từ thông và bộ điều khiển tốc độ Do các vector dòng điện là vector quay, các thành phần xen kênh xuất hiện trong mô hình dòng điện, vì vậy việc khử xen kênh là cần thiết trong thiết kế bộ điều khiển dòng điện.
Dựa vào hệ phương trình 2.18, ta xây dựng được của bộ điều khiển dòng điện có cấu tạo như hình 2.8.
Mô hình dòng điện bao gồm các thành phần xen kênh, và sau khi khử thành phần này, chúng ta có thể diễn đạt lại hai phương trình dòng điện của hệ thống như hình 2.18.
Trong phương trình 2.28 và 2.29, ta nhận thấy rằng hai phương trình có dạng tương tự, cho thấy hàm truyền đạt và tham số bộ điều khiển của hai thành phần dòng điện là giống nhau Do đó, chúng ta sẽ thiết kế bộ điều khiển cho thành phần dòng isd theo cách tương ứng.
Laplace 2 vế của phương trình 2.30 ta được: Đặt và ta có:
Phương trình 2.32 chỉ ra mối quan hệ giữa isd và usd là một hệ thống quán tính bậc nhất Để điều khiển hệ thống này, chúng ta sẽ thiết kế một bộ điều khiển với cấu trúc mạch vòng kín, như được minh họa trong hình 2.9.
Hình 2.19: 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:
Hàm truyền của hệ kín thường có dạng khâu quán tính bậc nhất, dẫn đến giá trị isd sẽ theo sát giá trị đặt Thông thường, hằng số thời gian T* được chọn bằng 5 lần chu kỳ đóng cắt, tức là T* = 5Tsw.
Từ đó ta có thể tính được giá trị K p c) Bộ điều khiển tốc độ
Bộ điều khiển nhận giá trị đặt tốc độ và tốc độ điện của rotor động cơ để tính toán dòng điện isq Thông thường, đầu ra của bộ điều chỉnh tốc độ động cơ được giới hạn ở mức 1.5 lần dòng điện định mức.
Phương pháp điều chế vector không gian SVM
2.4.1: Ý tưởng của thuật toán điều chế vector không gian
Phương pháp điều chế vector (SVM) được phát triển dựa trên nguyên lý của phép điều chế độ rộng xung và lý thuyết vector không gian, nhằm tổ chức các trạng thái đóng ngắt của van bán dẫn Mục tiêu là tính toán giá trị vector điện áp điều chế sao cho gần nhất với vector điện áp mong muốn Với 3 cặp van trong bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha, chúng ta có 8 trạng thái đóng ngắt van, mỗi trạng thái tương ứng với một vector điện áp cố định về cả hướng và độ lớn Kết quả là tổng cộng 8 vector điện áp cố định, được gọi là 8 vector biên chuẩn.
Bảng 2.1 Bảng trạng thái các van trong mạch
⃗ u 1 V 6 , V 1 , V 2 2/3 V dc -1/3V dc -1/3V dc V dc 0 2/3V dc ∠ 0
⃗ u 2 V 1 , V 2 , V 3 1/3V dc 1/3V dc -2/3V dc 0 V dc 2/3V dc ∠ ( π / 3 )
⃗ u 3 V 2 , V 3 , V 4 -1/3 V dc 2/3V dc -1/3V dc -V dc V dc 2/3V dc ∠ ( 2 π / 3 )
4 V 3 , V 4 , V 5 -2/3 V dc 1/3V dc 1/3V dc -V dc 0 2/3V dc ∠ (− π / 3 )
⃗ u 5 V 4 , V 5 , V 6 -1/3 V dc -1/3V dc 2/3V dc 0 - V dc 2/3V dc ∠ (− 2 π / 3 )
⃗ u 6 V 5 , V 6 , V 1 1/3 V dc -2/3V dc 1/3V dc V dc - V dc 2/3V dc ∠ (− π / 3 )
Các vector điện áp (⃗u1, ⃗u2, ⃗u3, ⃗u4, ⃗u5, ⃗u6) đều có độ lớn bằng 2/3Vdc và lệch pha nhau một góc π/3 (60°) Hai vector còn lại (⃗u0, ⃗u7) có độ lớn bằng 0 Từ các cặp vector biên chuẩn này, không gian vector được chia thành 6 sector đều nhau với độ mở là π/3.
Mỗi vector điện áp trong không gian vector đều thuộc một trong sáu Sector đã được xác định Vector điện áp này có thể được biểu diễn bằng tổng của hai vector thành phần, nằm trên hai vector biên chuẩn của Sector tương ứng.
Hình 2.22: Không gian các vector chuẩn
Từ hình bên, ta thấy vector ⃗ u nằm trong Sector I, giới hạn bởi 2 vector biên chuẩn ⃗ u 1 ⃗ , u 2 và được xác định bởi công thức tổng hợp vector:
Phương pháp điều chế vector không gian chuyển đổi phương trình tổng hợp vector điện áp trong không gian thành phương trình tương quan thời gian Trong đó, các hệ số tỷ lệ độ dài vector k, l được điều chỉnh thành hệ số tỷ lệ thời gian đóng cắt van trong một chu kỳ băm xung nhất định Cụ thể, vector ⃗ u 1 được tạo ra thông qua việc đóng các van V6.
V 1 ,V 2; vector ⃗ u 2 được tạo ra bằng cách đóng các vanV 1 , V 2 ,V 3
Hình 2.23: Tổng hợp các vector không gian
Từ đây ta đưa ra phương pháp điều chế vector bằng cách đóng các vanV 6 , V 1 , V 2 (tạo ⃗ u 1 ) trong khoảng thời gianT 1(s), với chu kì băm xungT s(s) thỏa mãn: k = T2 / Ts ; l = T1 / Ts
Do T1, T2 < Ts nên các giá trị k,l sẽ nằm trong khoảng (0,1) Thời gian còn lại:
T0 = Ts – (T1 + T2) là thời gian điều chế vector không.
Sơ đồ dưới đây (Hình 1.5) minh họa quá trình điều chế vector ⃗ u từ cặp vector biên (⃗ u 1, ⃗ u 2) và vector không (⃗ u 0 hoặc ⃗ u 7) thông qua phương pháp tương quan thời gian, với chu kỳ trích mẫu được xác định rõ ràng.
TS Tới đây ta đã nắm được nguyên lý của thuật toán điều chế vector không gian (SVM).
Hình 2.24: Tổng hợp các vector không gian từ các vector biên
2.4.2: Thực hiện điều chế trên phần mềm Matlab-Simulink
Hình 2.25: Sơ đồ điều chế SVM trên Matlab/ Simulink
Hình 2.26 : Khối đổi tọa độ abc-alpha/beta
Hình 2.27 : Khối đổi tọa độ alpha/beta-abc
Hình 2.28: Khối tính toán hệ số điều chế vector chuẩn
Hình 2.29: Khối tính toán thời gian trong mỗi chu kỳ
Hình 2.30: Khối xác định vị trí điện áp đặt trong mỗi sector
Hình 2.31: Hệ số điều chế của phương pháp SVM
2.4.3: Kiểm nghiệm phương pháp với nghịch lưu nguồn án 3 pha
Hình 2.32: Sơ đồ mô phỏng DC/AC 3 pha SVM
Hình 2.33: Đồ thị điện áp dây và điện áp pha
Hình 2.34: Đồ thị dòng điện
Hình 2.35: Dòng điện qua Diode và qua van IGBT
Hình 2.36 : Điện áp trên Diode và trên van IGBT
Hình 2.37 : Hệ số điều chế của bài toán
Hình 2.38: Phân tích THD dòng điện
Việc thiết kế phương pháp điều chế vector không gian SVM đã được thực hiện thành công, như được chứng minh qua các kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink.
Kết luận: Phương pháp điều khiển động cơ dị bộ bằng FOC hiện đang là một trong những phương pháp phổ biến nhất Bên cạnh đó, việc điều chế vector không gian mang lại hiệu quả tối ưu, được thực hiện thông qua mô phỏng trên phần mềm MATLAB.
MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM TRÊN MATLAB – SIMULINK
Giới thiệu về phần mềm MATLAB
MATLAB là phần mềm tính toán kỹ thuật được phát triển bởi Math Works Inc, được viết bằng ngôn ngữ C Phần mềm này được xây dựng dựa trên các công cụ do các lập trình viên của dự án LINPACK và EISPACK phát triển, sử dụng ngôn ngữ Fortran để thực hiện các phép toán và thao tác trên ma trận.
MATLAB, viết tắt của 'Matrix Laboratory', có nghĩa là 'phương pháp ma trận', là phần mềm chủ yếu sử dụng ma trận làm yếu tố cơ bản Phần mềm này không ngừng được cập nhật và cải tiến để nâng cao hiệu suất và tính năng.
Các ứng dụng điển hình của Matlab:
Toán học và tính toán.
Tạo mô hình, mô phỏng và giao thức.
Khảo sát, phân tích số liệu.
Đồ họa khoa học kỹ thuật.
Phát triển ứng dụng, gồm cả giao diện người dùng đồ họa GUI.
Thiết kế các hệ thống điều khiển trong thời gian thực.
Matlab cung cấp các Toolbox, hay còn gọi là hộp công cụ, cho phép người dùng học và áp dụng các kỹ thuật chuyên dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Mỗi Toolbox là một tập hợp toàn diện các hàm M-file của Matlab, giúp mở rộng môi trường Matlab để giải quyết các bài toán cụ thể Các lĩnh vực có sẵn Toolbox bao gồm xử lý tín hiệu, hệ thống điều khiển, mạng nơ-ron, và mô phỏng.
Ngôn ngữ Matlab là một ngôn ngữ lập trình mạnh mẽ, chuyên về ma trận và mảng cấp cao, cung cấp các câu lệnh, hàm và cấu trúc dữ liệu vào/ra Matlab hỗ trợ lập trình cho các ứng dụng đa dạng, từ những dự án nhỏ đến những ứng dụng lớn và phức tạp.
Môi trường làm việc của Matlab cung cấp một bộ công cụ và phương tiện thiết yếu cho người dùng và lập trình viên Nó hỗ trợ quản lý biến trong không gian làm việc Workspace, cùng với khả năng xuất nhập dữ liệu dễ dàng Ngoài ra, môi trường này còn bao gồm các công cụ phát triển, quản lý, gỡ lỗi và định hình M-file một cách hiệu quả.
Xử lý đồ họa trong Matlab cung cấp hệ thống đồ họa mạnh mẽ với các lệnh cao cấp cho việc trực quan hóa dữ liệu hai chiều và ba chiều, cũng như xử lý ảnh và ảnh động Ngoài ra, Matlab cũng hỗ trợ các lệnh cấp thấp, cho phép người dùng tùy chỉnh giao diện đồ họa và xây dựng một ứng dụng hoàn chỉnh theo nhu cầu của mình.
Thư viện toán học Matlab cung cấp một bộ công cụ phong phú với nhiều thuật toán tính toán, bao gồm các hàm cơ bản như cộng, trừ, nhân, chia, sin, cos, và số học phức Ngoài ra, nó còn hỗ trợ các hàm phức tạp hơn như nghịch đảo, ma trận, tìm giá trị riêng của ma trận, và phép biến đổi Fourier nhanh, giúp người dùng thực hiện các phép toán và phân tích dữ liệu một cách hiệu quả.
Giao diện chương trình ứng dụng Matlab API (Application Program Interface): đây là một thư viện cho phép ta viết các chương trình C và Fortran tương thích với Matlab.
Simulink là phần mềm đi kèm với Matlab, chuyên dùng để mô phỏng các hệ thống động học phi tuyến Chương trình này có giao diện đồ họa thân thiện, cho phép người dùng mô hình hóa hệ thống bằng cách vẽ sơ đồ khối Simulink hỗ trợ làm việc với nhiều loại hệ thống, bao gồm hệ thống tuyến tính, phi tuyến, hệ thống liên tục theo thời gian, hệ thống gián đoạn theo thời gian và hệ thống đa biến.
Command Window là cửa sổ làm việc chính của MATLAB, nơi người dùng thực hiện việc nhập dữ liệu và xuất kết quả tính toán Dấu nháy >> cho biết chương trình đã sẵn sàng nhận dữ liệu, và việc nhập dữ liệu được kết thúc bằng phím Enter MATLAB sẽ thực thi các lệnh đã nhập và hiển thị kết quả ngay trong Command Window.
Command History: Lưu lại tất cả các lệnh mà ta đã nhập vào trongCommand Window.
Bạn có thể xem lại tất cả các lệnh bằng cách sử dụng thanh cuộn hoặc thực hiện lại lệnh bằng cách nhấp đúp vào dòng lệnh Ngoài ra, bạn còn có thể cắt, dán và xóa các lệnh một cách dễ dàng.
Trong MATLAB, dữ liệu được lưu trữ trong các biến và Workspace browser liệt kê tất cả các biến đang sử dụng Nó cung cấp thông tin chi tiết về kích thước và loại dữ liệu Người dùng có thể truy cập trực tiếp vào dữ liệu bằng cách nhấn đúp vào biến để mở Array editor.
Launch pad : cho phép người dùng truy cập nhanh vào các bộToolbox, phần Help.
3.1.3: Một số thao tác cơ bản trong Matlab
In MATLAB, the menu bar varies depending on the selected window; however, the File, Desktop, Window, and Help menus are consistently present across most menu bars.
New: tạo một đối tượng mới (biến, m-file, figure, model, GUI).
Open: mở một file theo định dạng của MATLAB (*.m, *.mat, *.mdl)
Import data…: nhập dữ liệu từ các file khác vào MATLAB.
Save workspace…: lưu các biến trong MATLAB vào file *.mat.
Set path: khai báo các đường dẫn của các thư mục chứa các m-file.
Preferences: thay đổi các định dạng về font, font size, color cũng như các tùy chọn cho Editor, Command Window v.v.
Page Setup: định dạng trang in.
Desktop layout: sắp xếp các cửa sổ trong giao diện.
Save layout: lưu cách sắp xếp cửa sổ.
Trình đơn Window dùng để kích họat (activate) cửa sổ.
Nút Start cung cấp shortcut tới các công cụ trong MATLAB.
Thông số mô phỏng và cấu trúc điều khiển
Công suất định mức: 1119kW
Điện áp định mức: Udm = 3300V
Tần số định mức: f = 50Hz
Tốc độ định mức: nđm = 1470 v/ph
Momen định mức: Mđm = 6906Nm
Dòng điện định mức: Idm = 243,18A
Điện trở rotor quy đổi :
Điện cảm tản rotor quy đổi :
T n s trích m u b i u khi n dòng i n là 10 kHz, c a b i u khi n t c ầ ố ẫ ộ đ ề ể đ ệ ủ ộ đ ề ể ố độvà t thông là 2kHz.ừ
Th i gian mô ph ng 5s.ờ ỏ
Thay đổi tốc độ theo mong muốn theo các giai đoạn:
Lượng t t c đặ ố độ ừt 0s n 0.5s là 0 rad/s.đế
T 0.5s n 1s t ng d n t 0 n 150 rad/s theo hàm rampừ đế ă ầ ừ đế
T 2s n 3.2s gi m d n t 150 n -100 rad/s theo hàm rampừ đế ả ầ ừ đế
T 4.5s n 5s gi m d n t -150 n 0 rad/s theo hàm rampừ đế ả ầ ừ đế
Lượng t momen c n t 0 n 1.2s là 0 Nm, t 1.3 n 3.5s là 6000 Nm.đặ ả ừ đế ừ đế
Hình 3.40: Cấu trúc điều khiển trên Matlab Simulink
Hình 3.41: Cấu trúc khối điều chế SVM
Hình 3.42: Cấu trúc mô hình từ thông
Kết quả mô phỏng
Hình 3.44: Kết quả mô phỏng tốc độ động cơ
Tốc độ động cơ phản ánh chính xác lượng đặt, với hàm truyền hệ kín của mạch vòng tốc độ có dạng khâu dao động bậc 2 Mặc dù có sự dao động không đáng kể trước khi tốc độ ổn định, nhưng tại thời điểm đóng tải, tốc độ động cơ sẽ giảm và nhanh chóng phục hồi trong khoảng thời gian khoảng 0,015 giây.
Hình 3.45: Kết quả mô phỏng dòng điện stator
Dòng điện phía stator có dạng hình sin trong cả ba trường hợp, cho thấy bộ điều khiển dòng điện hoạt động hiệu quả Biên độ dòng điện stator đạt khoảng 310A khi động cơ hoạt động ổn định ở tốc độ 150rad/s với momen tải 6000Nm.
Hình 3.46: Kết quả mô phỏng đáp ứng từ thông rotor
Nhận xét: từ thông rotor bám lượng đặt, thời gian quá dộ là ≈ 0.02 giây, thời gian xác lập là
≈0.52 giây, cho thấy rằng bộ điều khiển được thiết kế chính xác, đáp ứng được yêu cầu. Dòng điện quy đổi I sd và I sq
Hình 3.47: Kết quả mô phỏng dòng điện i sd
Hình 3.48: Kết quả mô phỏng dòng điện i sq
Hai dòng điện quy đổi được thiết kế chính xác theo lượng đặt, cho thấy bộ điều khiển dòng điện hoạt động hiệu quả Khi một trong hai thành phần thay đổi, thành phần còn lại vẫn giữ nguyên, chứng tỏ rằng phương pháp điều khiển FOC đã tách biệt thành công hai kênh sinh từ thông và sinh momen.
Hình 3.49: Momen tải và momen điện từ
Nhận xét: Momen điện từ bám sát theo momen tải, với đập mạch momen ≈ 9%.
Từ các kết quả mô phỏng đạt được, có thể thấy phương pháp FOC được thiết kế là chính xác, thỏa mãn yêu cầu bài toán đặt ra.
Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã thu được các kết quả:
Nắm vững thuật toán điều chế vector không gian SVM cho nghịch lưu hai mức.
Nắm vững nguyên lý điều khiển động cơ không đồng bộ (hay động cơ dị bộ) bằng phương pháp tựa từ thông rotor FOC.
Biết cách thiết kế các bộ điều khiển cho động cơ, mô phỏng thành công trên Matlab/Simulink.
Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn đã hỗ trợ và hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện đồ án này Do thời gian và kiến thức còn hạn chế, đồ án vẫn còn một số thiếu sót Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các thầy cô và bạn bè để cải thiện và hoàn thiện hơn nữa.
Hướng phát triển của đề tài
Trong thời gian tới, tôi sẽ nỗ lực thực hiện phương pháp trên thiết bị thực tế để đánh giá chất lượng điều khiển Đồng thời, tôi cũng sẽ áp dụng các phương pháp điều khiển động cơ khác để so sánh ưu nhược điểm của từng phương pháp.