Phương pháp điều khiển trực tiếp momen (dtc) áp dụng cho động cơ không đồng bộ ba pha

Trang 1 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆPNGÀNH CÔNG NGHỀ KỸ THUẠT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Ngày nay, ngành điện đang phát triển mạnh mẽ và chiếm vị trí chủ đạo trong nhiều lĩnh vực khác nhau Động cơ không đồng bộ là một trong những thiết bị được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ khả năng làm việc hiệu quả và độ tin cậy cao Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã mở ra nhiều ứng dụng thành công của động cơ không đồng bộ trong cuộc sống hàng ngày.

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và kỹ thuật điều khiển, nhiều phương pháp điều khiển hiện đại đã được đề xuất cho việc điều khiển động cơ không đồng bộ Trong đó, phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC) là hệ điều khiển độc lập momen và từ thông, đáp ứng quá độ nhanh và không có độ vọt lố, đồng thời sở hữu cấu trúc đơn giản Việc nghiên cứu và tìm hiểu về phương pháp điều khiển này là rất quan trọng, do đó, đề tài "Phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC) áp dụng cho động cơ không đồng bộ ba pha" sẽ giúp cung cấp thêm kiến thức và hiểu biết về lĩnh vực này.

Mục tiêu nghiên cứu

Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC) kết hợp nghịch lưu 3 bậc.

Nhiệm vụ

Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, biến tần 3 bậc, phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC)

Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng bộ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

Xây dựng mô hình thực tế

Kiểm chứng độ khả thi và tính thực tiễn của đề tài đang nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết về tổng quan động cơ không đồng bộ và phương pháp điều khiển động cơ đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ hoạt động của động cơ Quá trình hệ thống hoá lý thuyết giúp tổng hợp và sắp xếp các kiến thức một cách khoa học, từ đó tạo nền tảng cho việc áp dụng phương pháp thực nghiệm khoa học Thông qua phương pháp thực nghiệm khoa học, các lý thuyết được kiểm chứng và hoàn thiện, giúp nâng cao hiệu quả điều khiển động cơ không đồng bộ.

Phạm vi nghiên cứu

Điều khiển động cơ không đồ bộ ba pha 1hp, 380V, 50Hz với vận tốc tối thiểu 3 rad/s đến vận tốc tối đa 150 rad/s.

Bố cục đề tài

Chương 2: Tổng quan về động cơ không đồng bộ

Chương 3: Phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC) động cơ

Chương 4: Xây dựng thuật toán

Chương 5: Mô phỏng trên Matlab/Simulink và thực nghiệm

Chương 6: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển trong tương lai

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Định nghĩa

Động cơ không đồng bộ là loại động cơ hoạt động với tốc độ quay của rotor chậm hơn so với tốc độ quay từ trường stator Với tính mạnh mẽ, tin cậy, bề bỉ, dễ bảo trì và kích thước gọn nhẹ, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, chiếm hơn 90% tổng số động cơ được sử dụng Mặc dù có nhiều ưu điểm, động cơ không đồng bộ vẫn còn hạn chế về khả năng điều chỉnh tốc độ, nhưng điều này không ngăn cản nó trở thành lựa chọn hàng đầu trong nhiều ứng dụng công nghiệp.

Cấu tạo

Động cơ không đồng bộ có cấu tạo khá đơn giản gồm startor và rotor

Hình 2.1: Cấu tạo động cơ không đồng bộ

Gồm lõi thép, dây quấn stator và vỏ máy

Hình 2.2: Cấu tạo chung của stator

Lõi thép stator được tạo thành từ nhiều lá thép kỹ thuật điện đã dập sẵn, ghép cách điện với nhau, thường có chiều dài 0,5mm và được thiết kế với các rãnh để đặt dây quấn Dây quấn stator bao gồm ba bộ dây đặt trong các rãnh của lõi thép, với một lớp cách điện giữa lõi thép và dây quấn, và các pha dây quấn được bố trí lệch nhau 120° trong không gian để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

Vỏ máy dùng để cố định lõi thép và cố định máy

Gồm rotor lồng sóc và rotor dây quấn

Rotor lồng sóc gồm có lỗi thép hình trụ bên ngoài có xẻ rãnh để đặt các thanh dẫn và được nối ngắn mạch lại giống như lồng sóc

Rotor dây quấn là một phần quan trọng của động cơ điện, bao gồm 3 dây quấn đặt lệch nhau 120° trong không gian để tạo ra từ trường quay Thông thường, các dây quấn này được nối theo hình sao và đưa 3 đầu dây ra bên ngoài thông qua hệ thống vành trượt và chổi than, giúp truyền tải dòng điện một cách hiệu quả.

Ưu điểm

Động cơ không đồng bộ sở hữu thiết kế đơn giản, đặc biệt là động cơ rotor lồng sóc, mang lại nhiều lợi thế so với động cơ một chiều Ưu điểm nổi bật của động cơ không đồng bộ bao gồm giá thành rẽ, vận hành tin cậy, chắc chắn, bền bỉ, dễ bảo trì và kích thước gọn nhẹ.

Nhược điểm

Điều chỉnh tốc độ và khống chế quá trình quá độ khó khăn.

Nguyên lý hoạt động

Khi cấp nguồn xoay chiều 3 pha vào dây quấn stator, nó sẽ tạo ra từ thông 3 pha tương ứng Từ thông này sinh ra từ trường quay với tốc độ ns, đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của động cơ điện.

5 s n `.f p (1.1) Với f là tần số nguồn điện 3 pha, p là số đôi cực từ

Từ trường quay của stator cảm ứng lên thanh dẫn rotor tạo ra sức điện động E, từ đó sinh ra dòng điện trong thanh dẫn rotor và làm rotor quay cùng chiều với từ trường quay nhưng với tốc độ nhỏ hơn (n < ns) Để đảo chiều động cơ không đồng bộ 3 pha, cần thực hiện đảo thứ tự của 2 trong 3 pha điện áp đưa vào stator, điều này sẽ làm đảo chiều của từ trường quay ns và dẫn đến chiều quay của động cơ cũng bị đảo chiều.

Mô hình toán học động cơ không đồng bộ

2.6.1: Phương trình đặc tính cơ động cơ không đồng bộ:

Hình 2.5: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ

Rà, Xà, Ià: lần lượt là điện trở, điện khỏng và dũng điện mạch từ hoỏ

R1, X1, I1: lần lượt là điện trở, điện kháng và dòng điện mạch stator

R’2, X ’ 2, I ’ 2: lần lượt là điện trở, điện kháng và dòng điện rotor qui đổi về stator

Điện áp pha hiệu dụng đặt vào stator được ký hiệu là U1 Hệ số trượt của động cơ được tính bằng công thức s = (n - n_s) / n_s = (ω - ω_s) / ω_s, trong đó ω_s là tốc độ góc của từ trường quay và ω là tốc độ góc của từ trường.

2.6.2: Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ:

Từ hình 2.5 ta tính được:

Với: Xnm = X1 + X ’ 2 điện kháng ngắn mạch

Quy đổi dòng điện rotor vầ stator:

Phương trình momen động cơ: s s X

 (1.5) Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ:

Hình 2.6: Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ

Từ hình trên ta có được: Độ trượt tới hạn:

Dấu “+” ứng với chế độ động cơ

Dấu “-” ứng với chế độ máy phát

2.6.3: Phương trình toán học động cơ không đồng bộ lý tưởng:

Hình 2.7: Sơ đồ mạch điện tương đương động cơ không đồng bộ lý tưởng

Phương trình us, ur: s s s s s s j dt i d

(1.12) Tham số động cơ trong mô hình toán:

Bảng 2.1: Than số động cơ không đồng bộ ba pha

2.6.4: Phương trình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ dq:

Hình 2.8: Sơ đồ mạch điện động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ d

Tham số mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Ký hiệu Đơn vị Giải thích

Us, Ur V Điện áp stator, rotor

Is, Ir A Dòng điện stator, rotor

Rs, Rr Ω Điện trở stator, rotor Ψs, Ψr Wb Từ thông stator, rotor

Te, TL N.m Momen điện, momen tải m s s L L

L    mH Điện cảm stator, rotor

Lm mH Hỗ cảm giữa stator và rotor ωs, ω r Rad/s Vận tốc góc khung toạ độ tham chiếu, vận tốc góc điện p Số cặp cực

Hình 2.9: Sơ đồ mạch điện động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ q

Phương trình điện áp stator (us) hệ tọa độ dq: sq sq s sq s sd sd sd s sd s sq

 (1.13) Phương trình điện áp rotor (ur)hệ tọa độ dq:

Phương trình các đại lượng cơ: e sd sq sq sd m e L m m m

Tham số động cơ không đồng bộ trên hệ trục dq:

Tham số mô hình động cơ trên hệ trục dq

Ký hiệu Đơn vị Giải thích

Usq, Usd; Urq, Urd V Điện áp stator, rotor trên hệ trục dq

Isq, Isd; Irq, Ird A Dòng điện stator, rotor trên hệ trục dq

Bảng 2.2: Tham số động cơ trên hệ tọa độ dq.

Phép biến đổi Park

Các đại lượng U, I, Ψs trên hệ tọa độ dq quay theo góc 0 0 :

 Chuyển đổi hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ dq0 thì áp dụng công thức như sau:

 Chuyển đổi hệ tọa độ dq0 sang hệ tọa độ abc thì áp dụng công thức như sau:

Wb Từ thông stator trục dq

Wb Từ thông rotor trục dq θm, ω m Rad/s Vị trí góc rotor và vận tốc góc rotor

Các đại lượng U, I, Ψs trên hệ tọa độ dq quay theo góc 90 0 :

 Chuyển đổi hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ dq0 thì áp dụng công thức như sau:

 Chuyển đổi hệ tọa độ dq0 sang hệ tọa độ abc thì áp dụng công thức như sau:

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN (DTC) ĐỘNG CƠ

Giới thiệu về điều khiển trực tiếp momen (DTC)

Phương pháp điều khiển DTC (Direct Torque Control) dựa trên mô hình của động cơ không đồng bộ với các vector không gian, cho phép điều khiển momen động cơ một cách hiệu quả Ưu thế của phương pháp này là đơn giản, không cần gắn cảm biến vào trục động cơ, đồng thời đảm bảo độ tin cậy và tính ổn định cao Nhờ đó, DTC thuộc loại kỹ thuật điều khiển không dùng cảm biến, mang lại hiệu quả điều khiển vượt trội cho động cơ không đồng bộ.

Phương pháp điều khiển DTC cho phép điều khiển chính xác từ thông stator và momen động cơ, đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình vận hành Khi hệ thống phát hiện sai số của từ thông hoặc momen vượt quá giới hạn cho phép, nó sẽ tự động gửi tín hiệu điều khiển đến bộ nghịch lưu để điều chỉnh các tổ hợp khoá, từ đó điều chỉnh từ thông và momen động cơ đạt giá trị mong muốn.

Sơ đồ DTC truyền thống vẫn còn tồn tại một số hạn chế đáng kể, bao gồm độ gợn momen cao, sự xuất hiện của sóng hài bậc cao và tần số đóng ngắt thay đổi Để khắc phục những hạn chế này, có thể áp dụng chiến lược điều khiển DTC bằng phương pháp điều chế độ rộng xung bằng vector không gian (SVM) hoặc điều chế độ rộng xung PWM.

Nguyên tắc hoạt động của điều khiển trực tiếp momen (DTC) là điều khiển trực tiếp từ thông stator và momen mà không cần thông qua bộ điều khiển dòng stator Điều này được thực hiện bằng cách điều khiển trực tiếp khoá sử dụng đầu ra của bộ so sánh trễ từ thông, bộ trễ momen và lựa chọn vector điện áp phù hợp từ bảng chuyển mạch Điều khiển trực tiếp momen có đặc trưng là dạng điều khiển độc lập giữa từ thông và momen, cho phép điều khiển chính xác và linh hoạt.

- Thời gian tính toán nhanh

- Ít phụ thuộc tham số động cơ

- Điều khiển trực tiếp momen và từ thông

- Định hướng được từ thông nên tối ưu được momen

- Độ chính xác tốc độ động: sau khi thay đổi tải đột ngột, động cơ phục hồi đến trạng thái ổn định nhanh chóng

- Đáp ứng momen xoắn nhanh: làm giảm thời gian, mang lại nhiều cải thiện trong quá trình kiểm tra sản phẩm, thiết bị theo dõi,

- Không cần hồi tiếp tốc độ, momen, từ thông được lấy trực tiếp từ hệ quan sát

- Không cần các bộ điều khiển dòng điện, bộ điều chế độ rộng xung, khâu chuyển hệ toạ độ

- Phải ước lượng từ thông

- Tồn tại vấn đề trong quá trình khởi động

- Độ trễ vốn có của bộ so sánh đẫn đến momen và từ thông nhấp nhô

- Tần số đóng cắt bộ nghịch lưu biến đổi theo điểm làm việc của động cơ.

Mô hình điều khiển trực tiếp momen (DTC)

Hình 3.1: Mô hình điều khiển DTC cho bộ nghịch lưu 3 bậc

Phương pháp điều khiển DTC ở hình 3.1 gồm các khâu chính sau:

- Các bộ điều khiển PI của tốc độ, từ thông và momen

- Các khâu chuyển hệ trục toạ độ dq, αβ và abc

- Khâu ước lượng momen và từ thông

- Khâu bộ nghịch lưu 3 bậc.

Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống và giá trị đặt Quá trình này được thực hiện thông qua việc tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra, nhằm mục đích tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống Nhờ đó, bộ điều khiển PID giúp giảm thiểu thời gian xác lập, độ vọt lố và triệt tiêu sai số xác lập, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác.

Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển PID

Ngõ ra cuối cùng của PID dựa trên phương trình tổng quát: t p i 0 d de(t) U(t)=K ×e(t)+K e(t)+K

Kp: Hằng số tỉ lệ

Ki: Hằng số tích phân

Kd: Hằng số vi phân e(t): Sai số điều khiển tại thời điểm t

3.3.1: Các khâu trong bộ điều khiển PID:

Gồm 3 khâu như sau: Khâu tỉ lệ P, khâu tích phân I và khâu vi phân D

- Khâu tỉ lệ P: tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch

- Khâu tích phân I: tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch

- Khâu vi phân D: Tạo tính hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai lệch

POUT: Giá trị ngõ ra

KP: Hằng số tỉ lệ e(t): Sai số

Khâu tỉ lệ là khâu làm thay đổi giá trị đầu ra và tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại

Khi khâu tỉ lệ P hoạt động độc lập mà không kết hợp với các khâu khác, sai số tĩnh sẽ luôn xuất hiện, trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc bằng với giá trị mong muốn ban đầu Tốc độ đáp ứng của hệ thống tỉ lệ thuận với giá trị của hằng số tỉ lệ KP, nghĩa là KP càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh và sai số xác lập càng nhỏ Tuy nhiên, khi KP tăng, độ vọt lố cũng tăng theo và nếu vượt quá giới hạn cho phép, hệ thống có thể mất ổn định và bị dao động.

POUT: Giá trị ngõ ra khâu tích phân

Ki: Hằng số tỉch phân e(t): sai số

Khâu tích phân I là giai đoạn quan trọng trong quy trình điều khiển, nơi giá trị điều khiển được tính toán bằng cách cộng thêm độ sai số trước đó vào giá trị hiện tại Mục tiêu của khâu tích phân I là tính tổng các sai số thực hiện liên tục cho đến khi đạt được giá trị bằng giá trị đặt ra và sai số bằng 0, từ đó xác định hệ số cân bằng.

Bộ PI được hình thành khi kết hợp khâu tích phân I với khâu tỉ lệ P, giúp hệ thống đạt được sự ổn định và độ chính xác cao hơn Khi chỉ có khâu tích phân I, hệ thống sẽ có tốc độ đáp ứng chậm và dễ bị dao động Hằng số tích phân Ki đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định độ chính xác của hệ thống, khi Ki càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ, tuy nhiên cũng dẫn đến độ vọt lố cao hơn và thời gian đáp ứng quá độ chậm hơn, đồng thời tín hiệu ngõ ra sẽ bị ảnh hưởng bởi sai số.

3.3.1.3: Khâu vi phân D: out d de(t)

Dout: Giá trị ngõ ra khâu vi phân

Kd: Hằng số vi phân e(t): Sai số

Khâu vi phân D giúp cải thiện đáp ứng của hệ thống bằng cách cộng thêm vận tốc thay đổi sai số vào giá trị điều khiển của ngõ ra Khi sai số thay đổi cao, thành phần này sẽ được cộng thêm vào giá trị điều khiển, giúp hệ thống thay đổi trạng thái nhanh chóng và đạt giá trị mong muốn một cách hiệu quả.

Khâu vi phân D thường được kết hợp với khâu tỉ lệ P để tạo thành bộ điều khiển PD hoặc kết hợp với bộ điều khiển PI để tạo thành bộ điều khiển PID Khi hệ số khuyếch đại tần số cao là vô cùng lớn, khâu vi phân D trở nên rất nhạy, và việc tăng hằng số vi phân Kd sẽ giúp giảm độ vọt lố, giảm độ nhấp nhô và tăng tốc độ đáp ứng quá độ Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khâu vi phân luôn phải được sử dụng kết hợp với khâu P và khâu I để đạt được hiệu quả điều khiển tối ưu.

3.3.2: Các phương pháp bộ điều khiển PID:

Phương pháp bộ điều khiển PID như sau: Phương pháp thử sai, phương pháp bầy đàn, phương pháp Ziegler-Nichols,…

3.3.2.1: Phương pháp thử sai: Đặt Ki = Kd = 0 Tăng hằng số tỉ lệ Kp cho đến khi hệ thống đạt mức ổn định thì giá trị điều chỉnh gần với giá trị mong muốn đặt ra thì độ vọt lố nhỏ Đặt thời gian tích phân bằng với chu kì dao động Nếu chưa tới giá trị giới hạn thì tăng dần Ki,, nếu có độ vọt lố thì tăng dần giá trị Kd

Phương pháp bầy đàn áp dụng công thức như sau:

Các tham số chính trong mô hình bao gồm vận tốc cá thể thứ i tại thế hệ thứ k (v i m, k), hệ số trọng lượng quán tính (w), số lần lặp lại (k) và hệ số gia tốc (c1, c2) Ngoài ra, mô hình còn sử dụng một số ngẫu nhiên trong khoảng (0,1) được ký hiệu là rand() Các tham số này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định và tính toán các giá trị trong mô hình.

, k x i m : Vị trí cá thể thứ i tại thế hệ thứ k

Pbest: Vị trí tốt nhất của cá thể thứ i

Gbest: Vị trí tốt nhất của cá thể trong quần thể n: Số phần tử trong nhóm d: Kích thước quần thể

Phương pháp này thay thế bộ điều khiển PID bằng bộ khuếch đại và tăng dần giá trị Kp cho đến khi hệ thống bắt đầu dao động tuần hoàn Khi đạt được trạng thái này, chúng ta có thể xác định được chu kỳ dao động Tgh và giá trị Kgh tương ứng, cung cấp thông tin quan trọng để điều chỉnh và tối ưu hóa hệ thống.

Tham số cho bộ điều khiển PID như sau:

Bộ điều khiển Kp Ti TD

Bảng 3.1: Tính toán thông số cho bộ điều khiển

Mô hình nghịch lưu casade ba pha 3 bậc

Hình 3.3: Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 bậc

Bộ nghịch lưu cascaded ba pha 3 bậc có cấu trúc đặc trưng, trong đó mỗi pha được xây dựng dựa trên module cầu H-bridge được cấp nguồn một chiều DC với giá trị VDC, tạo nên một hệ thống chuyển đổi điện năng linh hoạt và hiệu quả.

Các linh kiện được kích đóng/ngắt đối nghịch nhau, tức là:

Bộ nghịch lưu cascaded ba pha 3 bậc có số cấp n = 3 và các nguồn VDC giống nhau, cho phép tạo ra điện áp ra liên tục từ -VDC đến VDC thông qua bảng trạng thái đóng/ngắt các khóa tương ứng.

Bảng 3.2: Bảng trạng thái đóng kích đóng/ngắt Điện áp common mode là điện áp giữa dây trung tính tải và tâm của nguồn một chiều:

Bộ nghịch lưu có thể được điều khiển bằng các phương pháp khác nhau, bao gồm phương pháp điều chế độ rộng xung (sinPWM), phương pháp điều chế vector không gian và phương pháp điều chế độ rộng xung cải tiến (SFO-PWM), giúp tối ưu hóa hiệu suất và tính ổn định của hệ thống điện.

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN

Mô hình điều khiển của động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ ba pha được thiết kế với ba cuộn dây stator bố trí lệch nhau 120 độ trong không gian, tạo thành sơ đồ điện áp stator đặc trưng như hình minh họa.

Ba điện áp cấp cho ba đầu dây của động cơ phải thỏa mãn điều kiện phương trình u sa (t)u sb (t)u sc (t) 0, đảm bảo sự cân bằng và ổn định của hệ thống điện ba pha.

Với: u s là biên độ của điện áp pha và ws= 2πfs với fs là tần số của mạch stator

Trên mặt cắt của động cơ, chúng ta thiết lập một hệ tọa độ phức, với trục thực đi qua cuộn dây pha A và lệch nhau một góc 120 độ Điều này cho phép chúng ta mô tả vector không gian của động cơ một cách chính xác.

Công thức (4.4) chỉ ra rằng vector us(t) là một vector có độ lớn không đổi, quay trên mặt phẳng phức với tốc độ ωs và tạo thành một góc θ = ωst với trục thực.

Hình 4.2: Vector không gian từ các đại lượng pha

Xây dựng vector us(t) như hình trên, điện áp của từng pha chính là hình chiếu của vector điện áp stator us(t) trên trục của cuộn dây tương ứng

Các đại lượng khác như: is(t), ir(t), Ψs(t), Ψr(t) xây dựng tương tự vector us(t)

Hình 4.3: Vector không gian điện áp stator us và các điện áp pha

Vector không gian điện áp là đại diện của điện áp xoay chiều trên mặt phẳng phức, với modul xác định u s và tốc độ góc ωs, tạo thành một góc trùng với dây pha A Khi chiếu vector này lên trục thực α và trục ảo β, ta có thể tách nó thành hai thành phần điện áp usα và usβ.

(4.5) Các đại lượng khác như: is(t), ir(t), Ψs(t), Ψr(t), us(t) trên hệ tọa độ αβ ta có công thức như sau:

4.1.2: Vector trên hệ toạ độ quay rotordq:

Dựng một hệ tọa độ mới dq có chung điểm gốc với hệ tọa độ αβ và nằm lệch nhau một góc θs (θ là góc tạo bởi rotor và trục chuẩn)

Từ hình 4.3, chúng ta nhận thấy rằng khi động cơ đồng bộ với trục từ thông rotor, tốc độ góc của động cơ (ω) sẽ bằng tốc độ góc đồng bộ (ωs) Tuy nhiên, nếu động cơ không đồng bộ, sự chênh lệch giữa ω và ωs sẽ tạo ra dòng điện rotor với tần số fr, và dòng điện này có thể được biểu diễn dưới dạng vector i quay r với tốc độ góc ωr = 2πfr Để thuận tiện cho việc quan sát và nhận biết, chúng ta quy ước thêm hai hệ tọa độ mới là hệ tọa độ dq (được ký hiệu là f) và hệ tọa độ αβ (được ký hiệu là s).

Hình 4.4: Vector không gian trên hệ toạ độ từ thông rotor dq

Gọi i s s : là vector dòng stator trên hệ tọa độ αβ f is : là vector dòng stator trên hệ tọa độ dq

Ta có: s s sα sβ f s sd sq i = i + ji i = i + ji

Nếu biết θs ta tính được i f s bằng công thức sau: f s -jθ s s s i = i e (4.8)

Chiếu công thức (4.8) lên hệ trục toạ độ ta có được:

21 sd sα s sβ s sq sα s sβ s i = i cosθ + i sinθ i = - i sinθ + i cosθ

Các vector còn lại biểu diễn trên hệ trục tọa độ dq như sau: f s sd sq f r rd rq f s sd sq f r rd rq u = u + ju i = i + ji ψ = ψ + jψ ψ = ψ + jψ

4.2: Xây dựng thuật toán điều khiển trên cơ sở điều khiển của PID hệ toạ độ dq:

Hệ phương trình us, Ψs và Ψr động cơ không đồng bộ như sau: f f f s f s s s s s u = R i + dψ + jω ψ dt (4.11a) f f r f r r r r

Từ phương trình (4.11c) và (4.11d) biến đổi ta có: f r f m f s r r i = 1 (ψ - L i )

Thế phương trình (4.11c’) và (4.11d’) vào (4.11a) và (4.11b) ta được: f m f f s s r s m f f r f m f f s s r s s s s s m r d[i L + L (Ψ - i L )]

Thế phương trình (4.13b) vào (4.13a) và với f

Chiếu phương trình (4.14a) và (4.14b) lên hệ trục tọa độ dq với ψrq = 0 ta được hệ phương trình như sau: sd ' sd s sq rd sd s r r s di 1 1- σ) (1- σ) 1

= -( + )i + ω i + Ψ + u dt σ T σ T σ T σ L (4.15a) sq ' sq s sd rd sq s r s di 1 1- σ) (1- σ) 1

Qua phép biến đổi tích có hướng của 2 vector ta được:

Phương trình chuyển động của hệ điện - cơ: e L

Suy ra ta được phương trình:  e L  dω J

Phép biến đổi hệ trục toạ độ abc sang hệ trục toạ độ dq và ngược lại

Phép biến đổi hệ trục toạ độ abc sang hệ trục toạ độ dq: sd a s b s c s sq a s b s c s

Phép biến đổi hệ trục toạ độ dq sang hệ trục toạ độ abc: a sd s sq s b sd s sq s c sd s sq s u u cosθ u sinθ

Phân tích mô hình

Hình 4.5: Sơ đồ mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

Hệ thống điều khiển nhận tín hiệu vào là giá trị đặt của tốc độ Wref và momen Tm, sau đó xử lý và đưa ra tín hiệu ra là giá trị thực tế của tốc độ Wr, momen Te và dòng điện I.

Tín hiệu đầu vào/ra được thực hiện bằng chức năng của khối điều khiển PID, khối chuyển đổi tín hiệu park và khối inverter

Hình 4.6: Sơ đồ điều khiển PI

Tín hiệu đầu vào/ra:

Khối điều khiển là thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển động cơ, nhận tín hiệu đầu vào bao gồm giá trị điều khiển tốc độ đặt Wref và các tín hiệu hồi tiếp từ động cơ và bộ chuyển đổi park, bao gồm tốc độ Wr và momen quay Tm, để thực hiện các chức năng điều khiển và điều chỉnh động cơ một cách chính xác.

Tín hiệu đầu ra của hệ thống là điện áp điều khiển momen quay Usq và vị trí góc rotor Quá trình này được thực hiện bằng cách so sánh tốc độ hồi tiếp với tốc độ đặt thông qua bộ hiệu chỉnh PI, giúp giảm độ vọt lố, tăng thời gian lên đỉnh và giảm sai số xác lập Giá trị tính toán được sẽ được so sánh với momen động cơ hồi tiếp, từ đó tạo ra tín hiệu điện áp điều khiển momen quay Usq và vị trí góc rotor.

Khối điều khiển PI đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán điện áp điều khiển momen quay Usq, sau đó tích hợp và truyền tín hiệu đến khối inverter thông qua bộ chuyển đổi park Đồng thời, khối điều khiển này cũng xác định vị trí góc rotor để tính toán cho bộ chuyển đổi park, đảm bảo quá trình điều khiển được chính xác và hiệu quả.

Thông số K p , K i của khối từ thông stator, tốc độ và momen:

Hình 4.7: Thông số Kp, Ki của từ thông stator

Hình 4.8: Thông số Kp, Ki của tốc độ

Hình 4.9: Thông số Kp, Ki của momen

4.2.2: Bộ chuyển đổi tín hiệu park:

Hình 4.10: Sơ đồ bộ chuyển đổi tín hiệu park

Tín hiệu đầu vào/ra:

Tín hiệu đầu vào bao gồm dòng điện pha Iabc, điện áp điều khiển momen quay Usq lấy từ bộ điều khiển PID, điện áp điều khiển từ thông rotor Usd được thiết lập là 1 và vị trí góc rotor, tạo thành cơ sở dữ liệu đầu vào quan trọng cho hệ thống điều khiển.

Tín hiệu đầu ra là điện áp Usabc cấp cho bộ inverter

Hình 4.11: Công thức chuyển đổi hệ trục toạ độ abc sang hệ trục dq

Thông qua phép chuyển đổi hệ trục toạ độ abc sang hệ trục toạ độ dq và ngược lại ở công thức 4.19 và 4.20

Hình 4.12: Sơ đồ khối inverter

Tín hiệu đầu vào/ra:

Tín hiệu đầu vào là điện áp điều khiển dạng sin Vabc, sóng mang dạng tam giác và nguồn điện một chiều

Tín hiệu đầu ra là điện áp xoay chiều ba pha cấp cho động cơ

Khối inverter có chức năng biến đổi nguồn điện một chiều sang nguồn điện xoay chiều ba pha cấp cho động cơ

Hình 4.13: Sơ đồ khối điều chế PWM

Tín hiệu đầu vào/ra:

Tín hiệu đầu vào là điều khiển Vabc và tín hiệu sóng mang có dạng tam giác

Tín hiệu đầu ra là điện áp 3 bậc kích cho mạch cầu H-bright cuả từng pha A,B,C

Khối này có chức năng điều chế PD, POD và tạo ra xung kích cho mạch cầu H- bright của từng pha A,B,C

Hình 4.14: Sơ đồ nghịch lưu pha A

Hình 4.15: Sơ đồ nghịch lưu pha B

Hình 4.16: Sơ đồ nghịch lưu pha C

Tín hiệu đầu vào của mạch cầu H-bright được tạo ra thông qua quá trình chuyển đổi điện áp 3 bậc sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC Quá trình này cho phép chuyển đổi điện áp thành tín hiệu số, sau đó kích hoạt mạch cầu H-bright của từng pha.

Khối nghịch lưu có chức năng tạo ra điện áp ba pha cung cấp cho động cơ

4.2.4: Động cơ không đồng bộ ba pha:

Động cơ không đồng bộ ba pha là loại động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp Một ví dụ cụ thể về động cơ không đồng bộ ba pha có công suất 1 HP, điện áp dây 380V và tần số 50Hz, cho phép đạt vận tốc góc tối đa lên đến 150 rad/s.

MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB/SIMULINK VÀ THỰC NGHIỆM 29 5.1: Mô phỏng trên Matlab/Simulink

Tham số mô phỏng

Bảng 5.1: Thông số động cơ không đồng bộ ba pha rotor lòng sóc

Thông số của động cơ không đồng bộ ba pha

Công suất 1 HP, 50Hz Điện áp dây 380 (V)

Vận tốc 1410 (rpm) Điện trở stator Rs 0.087 (Ω) Điện trở rotor Rr 0.228 (Ω) Điện cảm stator Ls 0.8 (mH) Điện cảm rotor Lr 0.8 (mH)

Mô men tải TL 5 (Nm)

Hằng số thời gian stator (Ts) 40us Điện áp DC (VDC) 100V

Vận tốc góc Vmax 150 rad/s

Vận tốc góc Vmin 3 rad/s

Mô phỏng

 Tốc độ đặt quá trình mô phỏng:

Hình 5.1: Tốc độ đặt của động cơ

Từ 0 đến 1 giây: Wref = 150 rad/s Từ 1 đến 2 giây: Wref = 50 rad/s

Từ 2 đến 3 giây: Wref = 130 rad/s Từ 3 đến 4 giây: Wref = 70 rad/s

Từ 4 đến 5 giây: Wref = 3 rad/s Từ 5 đến 6 giây: Wref = 100 rad/s

Từ 6 đến 7 giây: Wref = 130 rad/s

 Momen tải đặt trong quá trình mô phỏng:

Hình 5.2: Momen tải đặt của động cơ

Từ 0 đến 1 giây: TL = 0 N.m Từ 1 đến 2 giây: TL = 5 N.m

Từ 2 đến 3 giây: TL = 2 N.m Từ 3 đến 4 giây: TL = 3 N.m

Từ 4 đến 5 giây: TL = 5 N.m Từ 5 đến 6 giây: TL = 2 N.m

5.1.2.1: Kết quả mô phỏng ở chế độ PD:

Hình 5.3: Điện áp dây Vab, điện áp pha Van và điện áp common - mode Vcm

Dựa trên hình ảnh, ta có thể quan sát thấy điện áp dây Vab dao động trong khoảng từ -220V đến 220V, trong khi điện áp pha Van dao động từ -110V đến 110V Đồng thời, điện áp common-mode Vcm biến thiên trong khoảng từ ± 74V.

 Chế độ momen T m không thay đổi:

Hình 5.4: Từ thông Fir, tốc độ Wr, momen Te và dòng điện của động cơ I

Từ thông của động cơ đạt yêu cầu bám sát theo giá trị từ thông đặt là 1 Wb, với thời gian xác lập khoảng 0,5 giây và độ vọt lố từ 4,4 giây đến 5,1 giây, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định và chính xác.

Tốc độ của động cơ đạt yêu cầu bám theo tốc độ đặt có giá trị cao nhất là 150 rad/s

Từ 0 đến 1 giây, động cơ đạt tốc độ đặt với giá trị thấp nhất là 3 rad/s vào khoảng thời gian từ 4 đến 5 giây, với thời gian xác lập rất nhanh chỉ 0.2 giây Tuy nhiên, sau 5 giây, tốc độ động cơ không còn theo kịp tốc độ đặt.

Động cơ vừa khởi động đạt momen xoắn khoảng 0,8 N.m trong khoảng thời gian 0,1 giây Sau đó, momen xoắn bắt đầu bám sát giá trị momen đặt, với thời gian xác lập là 0,1 giây Tuy nhiên, tại thời điểm momen thay đổi (từ 4 giây đến 5 giây), động cơ xuất hiện độ vọt lố, và sau 5 giây, độ vọt lố momen trở nên cao hơn.

Tại thời điểm tốc độ cực tiểu khoảng 4 đến 5 giây, dòng điện ba pha đạt giá trị lớn nhất là 5.3A, tương ứng với tốc độ 3 rad/s Điều này cho thấy dòng điện ba pha có xu hướng thay đổi theo tốc độ động cơ, cụ thể là tốc độ càng nhỏ thì dòng điện càng tăng.

 Chế độ momen đặt T m thay đổi:

Hình 5.5: Từ thông Fir, tốc độ Wr, momen TL và dòng điện của động cơ I

Từ thông của động cơ đạt được yêu cầu đặt ra với giá trị từ thông là 1 Wb, đồng thời có thời gian xác lập khoảng 0,5 giây Đặc biệt, độ vọt lố từ thông nằm trong khoảng từ 4,4 giây đến 5,1 giây, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định và chính xác của động cơ.

Tốc độ của động cơ đạt yêu cầu bám theo tốc độ đặt có giá trị cao nhất là 150 rad/s

(0 và 1 giây) đến tốc độ đặt có giá trị thấp nhất là 3 rad/s (4 và 5 giây) với thời gian xác lập rất nhanh 0.2 giây, có độ vọt lố

Động cơ khởi động ban đầu tạo ra mô-men xoắn khoảng 0.8 N.m trong khoảng thời gian 0.1 giây Sau đó, mô-men xoắn sẽ theo giá trị mô-men đặt và đạt thời gian xác lập trong 0.1 giây Tuy nhiên, tại thời điểm mô-men thay đổi (từ 4 giây đến 5 giây), động cơ có hiện tượng vọt lố mô-men.

Tại thời điểm tốc độ động cơ đạt 4-5 giây với tốc độ 3 rad/s, dòng điện ba pha lớn nhất được ghi nhận là 5.1A Điều đáng lưu ý là dòng điện ba pha có xu hướng thay đổi theo tốc độ động cơ, cụ thể là khi tốc độ động cơ càng nhỏ thì dòng điện ba pha càng lớn.

5.1.2.2: Kết quả mô phỏng ở chế độ POD:

Hình 5.6: Điện áp dây Vab, điện áp pha Van và điện áp common - mode Vcm

Dựa trên hình ảnh, ta có thể quan sát thấy điện áp dây Vab dao động trong khoảng từ -220V đến 220V, trong khi điện áp pha Van dao động từ -110V đến 110V Đồng thời, điện áp common-mode Vcm biến thiên trong khoảng ± 37V.

 Chế độ momen T m không thay đổi:

Hình 5.7: Từ thông Fir, tốc độ Wr, momen TL và dòng điện của động cơ I

Từ thông của động cơ đạt yêu cầu bám sát theo giá trị từ thông đặt là 1 Wb với thời gian xác lập khoảng 0.5 giây

Động cơ có khả năng đạt tốc độ yêu cầu với độ chính xác cao, từ tốc độ cao nhất là 150 rad/s đến tốc độ thấp nhất là 3 rad/s, trong thời gian xác lập chỉ 0.2 giây mà không có hiện tượng vọt lố hoặc sai số tĩnh Khi khởi động, động cơ tạo ra momen khoảng 1,5 N.m trong vòng 0,1 giây, sau đó momen được điều chỉnh để bám theo giá trị đặt với thời gian xác lập chỉ 0,1 giây, mặc dù có độ vọt lố khi momen thay đổi.

Khi quan sát các thông số vận hành, tại thời điểm 0-1 giây, tốc độ đạt 150 rad/s với dòng điện ba pha là 2,3A Ở khoảng thời gian 5-6 giây, tốc độ giảm xuống còn 100 rad/s, nhưng dòng điện ba pha lại tăng lên 3,9A Ngược lại, tại thời điểm 3-4 giây, tốc độ chỉ đạt 70 rad/s, nhưng dòng điện ba pha lại tăng lên mức cao nhất là 4,4A Tuy nhiên, tại thời điểm 4-5 giây, tốc độ giảm đột ngột xuống chỉ còn 3 rad/s.

36 điện ba pha lớn nhất 6A Vì vậy, dòng điện ba pha thay đổi theo tốc độ động cơ, tốc độ càng nhỏ thì dòng điện càng lớn

 Chế độ momen đặt T m thay đổi:

Hình 5.8: Từ thông Fir, tốc độ Wr, momen TL và dòng điện của động cơ I

Từ thông của động cơ đạt yêu cầu bám sát theo giá trị từ thông đặt là 1 Wb với thời gian xác lập khoảng 0.5 giây

Động cơ đạt tốc độ yêu cầu với giá trị cao nhất là 150 rad/s và thấp nhất là 3 rad/s trong thời gian xác lập nhanh chóng chỉ 0,2 giây, đồng thời không xảy ra hiện tượng vọt lố và sai số tĩnh Khi khởi động, động cơ tạo ra momen khoảng 1,5 N.m trong 0,1 giây, sau đó momen được điều chỉnh theo giá trị đặt trong thời gian xác lập 0,1 giây, tuy nhiên có độ vọt lố khi momen thay đổi.

Khi tốc độ động cơ thay đổi, dòng điện ba pha cũng có sự biến thiên tương ứng Cụ thể, tại thời điểm tốc độ động cơ đạt 150 rad/s, dòng điện ba pha là 2,2A, trong khi tại thời điểm tốc độ động cơ giảm xuống 100 rad/s, dòng điện ba pha tăng lên 2,9A Tiếp tục giảm tốc độ xuống 70 rad/s, dòng điện ba pha tăng lên 3,4A và đạt giá trị lớn nhất là 5,3A khi tốc độ động cơ giảm xuống 3 rad/s Điều này cho thấy mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và dòng điện ba pha, trong đó tốc độ động cơ càng nhỏ thì dòng điện ba pha càng lớn.

Thực nghiệm

Hình 5.9: Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm

Hình 5.10: Mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh

Mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh gồm các khối sau:

Hình 5.11: Động cơ không đồng bộ ba pha, Encoder và thiết bị tạo tải

Hình 5.13: Bộ nghịch lưu 3 bậc

Khảo sát điện áp pha và dòng điện ở 3 cấp tốc độ là 150 rad/s, 100 rad/s và 80 rad/s khi có tải (3 N.m):

Hình 5.15: Điện áp pha ở tốc độ 150 rad/s

Hình 5.16: Dòng điện ở tốc độ 150 rad/s

Hình 5.17: Thông số W * r, Wr của bộ kit F28379d ở tốc độ 150 rad/s

Từ hình ta thấy: Điện áp pha Van dao động trong khoảng từ -120 V đến +120 V, không có sai số tĩnh và vọt lố

Dòng điện dạng hình sin dao động trong khoảng từ -1.1 A đến +1.1 A, có độ nhiễu Tốc độ động cơ ( W * r) gần bằng tốc độ đặt (Wr)

Hình 5.18: Điện áp pha ở tốc độ 100 rad/s

Hình 5.19: Điện áp pha ở tốc độ 100 rad/s

Hình 5.20: Thông số W * r, Wr của bộ kit F28379d ở tốc độ 100 rad/s

Từ hình ta thấy: Điện áp pha Van dao động trong khoảng từ -110 V đến +110 V, không có sai số tĩnh và vọt lố

Dòng điện dạng hình sin dao động trong khoảng từ -1.3 A đến +1.3 A, có độ gây nhiễu

Hình 5.21: Điện áp pha ở tốc độ 80 rad/s

Hình 5.22: Dòng điện ở tốc độ 80 rad/s

Hình 5.23: Thông số W * r, Wr của bộ kit F28379d ở tốc độ 80 rad/s

Từ hình ta thấy: Điện áp pha Van dao động trong khoảng từ -100 V đến +100 V, không có sai số tĩnh và vọt lố

Dòng điện dạng hình sin dao động trong khoảng từ -1.4 A đến +1.4 A, có độ gây nhiễu

Nhận xét kết quả thực nghiệm:

Qua kết quả mô phỏng thực nghiệm thì điều khiển trực tiếp momen cho ra kết quả tương đối tốt và gần giống với lý thuyết

Tốc độ động cơ có thể bám theo tốc độ đặt một cách chính xác Tuy nhiên, biên độ của điện áp pha và dòng điện có thể xảy ra sự sai lệch nhỏ, điều này là chấp nhận được do các linh kiện thực tế không thể đạt được trạng thái và thông số lý tưởng như trong mô phỏng bằng Matlab/Simulink.

Dòng điện có gây nhiễu là do ảnh hưởng nhiễu từ lưới điện bên ngoài và từ bộ nghịch lưu 3 bậc,…