Hệ thống điều khiển vé tơ động ơ không đồng bộ không dùng ảm biến tố độ làm việ ở vùng tố độ thấp

Hình 1-4: Sự tơng tự giữa điều khiển động cơ một chiều và điều khiển vectơ Trang 15 Theo công thức 1-40 có thể điều khiển M bằng cách điều chỉnh độc độc lập các thành phần dòng điện tr

đặng thị quỳnh trang

Hệ thống điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ làm việc ở vùng tốc độ thấp

Lời cam đoan………

Lời cảm ơn………

Mục lục………

Mở đầu……… 1

Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ……… 4

1.1 Mô tả toán học động cơ không đồng bộ ba pha………4

1.2 Tổng quan về hệ thống điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ….13 Chươ ng 2:Các phương pháp tính toán tốc độ……… 20

2.1 Khái át qu ……… 20

2.2 Tính toán tốc độ theo độ trượt……….21

2.3 Tính toán tốc độ theo mô hình chuẩn(MRAS)………24

2.4 Mô hình quan sát từ thông thích nghi theo tốc độ……… 26

7 2.5 Tính toán trực tiếp tốc độ………2

2.6 Mô hình quan sát bậc giảm……….28

Chương 3:Xây dựng thuật toán nhận dạng tốc độ……… 30

3.1 Đặt vấn đề 30

3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiểnvectơ không dùng cảm biến tốc độ…… 30

3.3 Mô hình quan sát từ thông rotor……… 31

3.4 Xây dựng thuật toán nhận dạng tốc độ……… 37

Chương 4: Mô phỏng đánh giá chất lượng bằng phần mềm Matlab-Simulink……… 40

4.1Hệ thống điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ không…………40

dùng cảm biến tốc độ………

4.4 Kết quả mô phỏng……… 59 Kết luận………Tài liệu tham khảo………

Chơng i: tổng quan về hệ thống điều khiển véc tơ

động cơ không đồng bộ

1.1 Mô tả toán học động cơ không đồng bộ ba pha:

1.1.1 Véc tơ không gian

Trong động cơ không đồng bộ 3 pha dây quấn có dây quấn 3 pha đối xứng

cung cấp từ nguồn điện 3 pha đối xứng, có thể coi các dòng điện trong các pha là các vectơ, với độ lớn là các thành phần dòng điện các pha (ias, ibs, ics) và hớng trùng với trục của cuộn dây tơng ứng Trong mặt phẳng cắt ngang của máy điện,

đặt một hệ trục toạ độ có 2 trục vuông góc ( trục thực αvà trục ảo β) với trục thực trùng với pha ảo Khi đó các vectơ dòng 3 pha đợc viết dới dạng sau:

e cs i cs i

a bs i j

e bs i bs i

as i as i

i = + + (1 2) Trong hệ trục toạ 2 trục, vectơ dòng điện stator có thể viết dới dạng:

i s =iαs + ji βs (1 3)

-Với giả thiết dòng điện 3 pha đối xứng, tức là thành phần thứ tự không bằng không, các thành phần của dòng điện stator trên 2 trục thực và trục ảo đợc tính từ các thành phần dòng điện ở các pha a, b, c:

i s i

3

1 3

1 3 2

3

1 3

1 0 β

α (1- 4)

Và phép biến đổi ngợc biểu diễn quan hệ các thành phần dòng điện các pha (a.b.c) và các thành phần dòng điện trên 2 trục của hệ toạ độ cố định:

i bs i as i

β α

2

1 2

1 2

3

1 0

(1 5)

-Hình 1-1 Biểu diễn véctơ không gian

Tơng tự vectơ không gian từ thông móc vòng stator và điện áp stator cũng

as

u = + + (1 7) Trong đó: ψas, ψbs, ψcs- các thành phần từ thông móc vòng của các pha a,

-b, c stator

uas, ubs, ucs- các thành phần từ thông móc vòng của các pha a, b, c stator

β

α

cs

i Trục pha a

Trục pha c Trục pha b

Các vectơ không gian dòng điện, điện áp và từ thông móc vòng rôto có thể

ar

ψ = + + -(1 10)Trong đó: iar , ibr, icr- các thành phần dòng điện móc vòng của các pha

d cs i s R cs u

dt bs

d bs i s R bs u

dt as

d as i s R as u

ψ ψ ψ

(1 11)-

d rs i s R cr u

dt br

d br i s R br u

dt ar

d ar i s R ar u

ψ ψ

ψ

(1-12)

Trong đó: Rs và Rr là điện trở stator và rôto

Sử dụng khái niệm vectơ không gian dòng điện, từ thông móc vòng

và điện áp ta có các phơng trình điện áp stator và rôto ở dạng vectơ:

dt

d i R

s s

u = + ψ -(1 14)

b Hệ toạ độ quay chuẩn

Để nghiên cứu quá trình điện từ trong động cơ không đồng bộ có số

đôi cực pp, hệ qui chiếu điện đợc dùng để thay thế cho hệ qui chiếu cơ khí Một

đôi cực hay một chu kỳ của từ thông sẽ tơng đơng 3600 điện Do đó góc quay

điện đợc tính bằng:

θe=pp θm Tơng tự tốc độ góc roto điện đợc tính từ tốc độ góc rotor cơ khí:

ωr=pp ωm Trong đó θe, θm, ωr, ω m là góc rotor và tốc độ quay tơng ứng ở hệ qui

chiếu điện và cơ khí

Đặt một hệ trục toạ độ 2 trục vuông góc quay với tốc độ ωk bất kỳ nh hình

1-2 Góc giữa trục thực của hệ toạ độ quay này và trục thực của hệ toạ độ stator

và rotor tơng ứng là θk s ,θ k r Véc tơ dòng điện stator biểu diễn trong hệ toạ độ

quay là:

isk =ise −jθsk -(1 15)

Tơng tự véc tơ dòng điện rotor biểu diễn ở hệ toạ độ quay có dạng:

θ (1 17)

rk = ro+t∫ k − r dt

0

) ( ω ω θ

θ -(1 18)Trong đó ωk và ωr là tốc độ quay của hệ toạ độ quay và hệ toạ độ rotor

Tốc độ quay ωk của hệ toạ độ quay có

s k j

dts

d s i s R

s

U = + ψ + ω ψ -(1 19)

r r k j

dtr

d r i r R

r

U = + ψ + ( ω − ω ) ψ (1-20)

Véc tơ từ thông móc vòng stator và rotor ở hệ toạ độ quay đợc xác định theo công thức (1-21),(1-22):

r i m L s i s L

s = +

ψ -(1 21)

ri r L s i m L

r = +

ψ -(1 22)Trong đó : Ls, Lr- điện cảm mạch stato và roto

Lm- điện cảm mạch từ hoá

Kết hợp các phơng trình (1-21) và (1-22), dòng điện roto và từ thông móc vòng stato đợc biểu diễn thông qua dòng điện stato và từ thông móc vòng rotobằng các phơng trình sau:

r L s

i m L r r

= ψ

-(1 23)

s r

r

m r s

m s

s r r

m

L

L L L

L i

L L

L

σ ψ

ψ

1 (

2

(

r s

m

L L

L 1

j r T r L m

L s i s L k

j r L m

L r R s R

j dt r d s i m L L r R r L

r

R

ψ ω ω

Sau một số phép biến đổi ta nhận đợc hệ phơng trình trạng thái tổng quát mô tả động cơ không đồng bộ ở hệ toạ độ quay với tốc độ là ωk là:

s

u B

B r

s i k A k A

k A k A r

21

12 11

ψ

ψ (1 27)Trong đó các hệ số ma trận đợc tính theo các biểu thức:

-J k

I s

L r L m

L r R s R k

2 (

11

);

1 (

r

T s L m

L k

1 0

; 1 0

0 1

; 0 0

0 0 2

;

1

s L

2

3 )

* Im(

2

3

s i r Lr

Lm p P s

i s p

P

M = ψ = ψ (1-29)Trong đó: ψ*s ,ψ*r là các véc tơ liên hợp từ thông móc vòng stator và rotor

Pp số đôi cực từ của động cơ

Hệ phơng trình trạng thái mô tả động cơ đợc viết ở hệ toạ độ cố định stator nhận đợc bằng cách thay ωk=0 vào phơng trình (1-27):

s

u B

B r

s i A A

A A r

21

12 11

ψ

ψ -(1 30)

s L r L

m

L r R s R A

σ

) 2

2 (

r T s L r L m L

1 0

; 1 0

0 1

; 0 0

0 0 2

;

1

s L

+

−

=

+ +

+ +

=

r r k r

s r

r r

s s r k

s s

r s

s s

j dt

d Lr

i Lm R

U

i L Lr

Lm j

dt

di L dt

d Lr

Lm i

R U

ψ ω ω ψ

ψ

σ ψ

ω σ

ψ

) (

) (

.

(1- 31)

Biến đổi Laplace:

−

=

+ +

+ +

=

r r k r

s r

r r

r

r r

r k

r s

s k s s s s

j p I

T

R Lm L

R U

Lr

Lm j

Lr

Lm p p I L j I p L R p U

ψ ω ω ψ

ψ

ψ ω

ψ σ

ω σ

) (

) ( )

( ) (

−

=

−

− +

−

=

+ +

+ +

=

− +

− +

=

ur r k vr

vs r

r vr

r r

vr r k ur

us r

r ur

r r

ur k

vr us

s k vs s s vs

vr k

ur vs

s k us s s us

p I

T

R Lm L

R

p I

L

R Lm L

R

Lr

Lm p

Lr

Lm I

L I

p L R U

Lr

Lm p

Lr

Lm I

L I

p L R U

ψ ω ω ψ

ψ

ψ ω ω ψ

ψ

ψ ω ψ

σ ω σ

ψ ω ψ

σ ω σ

) (

0

) (

0

) (

) (

− +

=

−

−

− +

=

+ +

+ +

=

− +

− +

=

ur r k vs r vr r r

vr r k us r ur r r

ur k

vr us

s k vs s s vs

vr k

ur vs

s k us s s us

I T

Lm p

T T

I T

Lm p

T T

Lr

Lm p

Lr

Lm I

L I

p T R U

Lr

Lm p

Lr

Lm I

L I

p T R U

ψ ω ω ψ

ψ ω ω ψ

ψ ω

ψ σ

ω σ

ψ ω

ψ σ

ω σ

) (

) 1 (

1 0

) (

) 1 (

1 0

) 1

(

) 1

−

=

− +

=

+ +

+

=

+

− +

=

r r s qs r m

ds r

m r r r

r r

m s ds s s qs s s qs

r r

m qs s s ds s s ds

I T L

I T

L p

T T

L

L I

L I

p T R U

p L

L I L I

p T R U

ψ ω ω ψ

ψ ω σ ω σ

ψ σ

ω σ

) (

0

) 1 (

1 0

) 1

(

) 1

(

(1-35)

Tõ 2 ph¬ng tr×nh trªn ta cã:

sd r

sq r r

r

ds m r

s sl

r

ds m r

I T

I p T T

I L

p T

I L

) 1 ( )

ω ω

* Im(

2

3

s r p

s s

Lr

Lm P i

1.2 Tổng quan về hệ thống điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ

Một số hệ thống yêu cầu chất lợng điều chỉnh động cao thì các phơng pháp điều khiển kinh điển khó đáp ứng đợc Hệ thống điều khiển định hớng theo từ trờng còn gọi là điều khiển vectơ, có thể đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh

1 p

Lm

Tr

Tσ1+pTσ

1

σLs

Lm 1+pTr

Pc pJ

Tσ1+pTσ

trong chế độ tĩnh và động.Nguyên lý điều khiển vectơ dựa trên ý tởng điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ tơng tự nh điều khiển động cơ một chiều Phơng pháp này đáp ứng đợc yêu cầu điều chỉnh của hệ thống trong quá trình quá độ cũng nh chất lợng điều khiển tối u mômen Việc điều khiển vectơ dựa trên định hớng vectơ từ thông rôto có thể cho phép điều khiển tách rời hai thành phần dòng stator, từ đó có thể điều khiển độc lập từ thông và mômen động cơ Kênh điều khiển mômen thờng gồm một mạch vòng điều chỉnh tốc độ và một mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh mômen Kênh điều khiển từ thông thờng gồm một mạch vòng điều chỉnh dòng điện sinh từ thông Do đó hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ có thể tạo đợc các đặc tính tĩnh

và động cao, có thể so sánh đợc với động cơ một chiều

1.2.1 Nguyên lý điều khiển véc tơ

Dựa trên ý tởng điều khiển động cơ không đồng bộ tơng tự nh điều khiển độngcơ một chiều Động cơ một chiều có thể điều khiển độc lập dòng điện kích từ và dòng phần ứng để đạt đợc mômen tối u theo công thức tính mômen :

M=KΦI = KI ktI (1-39)Trong đó : Ikt, I - dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng

Φ - từ thông động cơ

Hình 1-4 : Sự tơng tự giữa điều khiển động cơ một chiều và điều khiển vectơ

Bằng mô tả động cơ không đồng bộ trong hệ toạ độ d,q với trục d chọn trùng với véc tơ từ thông rotor mô men động cơ có dạng:

M = KmψrIqs = KmIdsIqs -(1 40)

Mạch

điều khiển và nghịch lu

Ids *

Theo công thức (1-40) có thể điều khiển M bằng cách điều chỉnh độc độc lập các thành phần dòng điện trên hai trục vuông góc của hệ tọa độ quay đồng bộ với vectơ từ thông rôto Lúc này vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ tơng

tự điều khiển động cơ điện một chiều ở đây thành phần dòng điện Ids đóng vai trò tơng tự nh dòng điện kích từ động cơ một chiều (Ikt) và thành phần dòng Iqs tơng tự nh dòng phần ứng động cơ một chiều (I) Các thành phần có thể tính

đợc nhờ sử dụng khái niệm vectơ không gian Với ý tởng định nghĩa vectơ không gian dòng điện của động cơ đợc mô tả ở hệ tọa độ quay với tốc độ ωs, các

đại lợng dòng điện điện áp, từ thông sẽ là các đại lợng một chiều

Thành phần dòng điện trên trục q (Iqs) là thành phần sinh mô men và tơng ứng công suất tác dụng truyền qua khe hở Uqs, Iqs Thành phần dòng điện trên trục

d (Ids) là thành phần sinh từ thông và tơng ứng với công suất phản kháng truyền qua khe hở Uds,Ids

Các thành phần dòng điện trên hai trục có thể thay đổi độc lập nhau Với

đồ thị 1-5, thành phần Ids đợc duy trì không đổi tơng ứng là từ thông rotor đợc duy trì không đổi, mô men động cơ thay đổi khi thay đổi thành phần Iqs (từ Iqs1

đến Iqs2) Kết quả là véc tơ is thay đổi từ is1 đến is2 Nh vậy cả biên độ và góc của véctơ dòng stator đợc thay đổi

Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống điều khiển véc tơ với mô hình động cơ không đồng bộ đợc trình bày nh trên hình 1 6.-

ψr Ids1

Hình 1-6 Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống điều khiển véc tơ với mô hình động cơ

1.2.2 Các phơng pháp điều khiển véc tơ

a Điều khiển vectơ gián tiếp

Hình 1-7 : Đồ thị góc pha của phơng pháp điều khiển vectơ gián tiếp

ở phơng pháp này , góc θs đợc tính toán dựa vào các đại lợng đầu cực của động cơ từ đó tính ra các phần tử quay cosθ, sinθ

Theo đồ thị trên, góc pha đợc tính nh sau:

θs =∫ωsdt +θo (1-41)

a+1( )α

ωs: tốc độ quay của vectơ dòng điện stato, từ thông rôto và là tốc độ quay của hệ trục toạ độ dq

Từ phơng trình cân bằng điện áp rôto (1-20)

f r r

f rs f

r

dt

d i

R + ψ + ω ψ

= 0

(1-42)Xét trên hai trục d và q tơng ứng ta đợc:

)431(

)431(0

0

b

a

rd r

rq rq

r

rq r

rd rd

r

dt

d i R

dt

d i R

−

−+

+

=

− +

=

ψ ω ψ

ψ ω ψ

Từ công thức ψr = Lrir + Lmis suy ra :

m

sq m rq rq

m

sd m rd rd

L

i L i

L

i L i

0

0

= +

− +

=

−

− +

dq sl sq r r

m rq r

r rq

rq sl sd r r

m rd r

r rd

I R L

L L

R dt

d

I R L

L L

R dt

d

ψ ω ψ

ψ

ψ ω ψ

d

r rd

r r

r r

sq m sl

i L dt

d

T

T

i L

= +

=

ψ ψ

ψ ω

(1-47)

Từ công thức (1-41) và (1 47) sơ đồ cấu trúc tính toán góc quay θs đợc trình bày trên hình 1- 8.

-Hình 1-8: Sơ đồ tính toán góc quay từ trờng theo phơng pháp gián tiếp

b Điều khiển vectơ trực tiếp

Phơng pháp này xác định trực tiếp góc quay từ trờng θs từ từ thông rôto

r

ψ hoặc từ thông khe hở ψ0 trên hai trục của hệ toạ độ vuông góc Sơ đồ khối cơ bản hệ thống điều khiển véc tơ trực tiếp sử dụng cảm biến từ thông đợc trình bày trên hình 1-9

Sơ đồ gồm hai kênh điều khiển : mômen và từ thông khe hở Các thành phần dòng điện điều khiển Iqs* và Ids* tơng ứng là các tín hiệu ra của các bộ điều chỉnh mômen và từ thông khe hở Các thành phần dòng điện này đợc biến đổi thành các đại lợng hình sin trong hệ toạ độ tĩnh nhờ phép biến đổi dq/αβ Các thành phần dòng điện hình sin ias*, ibs*, ics* là tín hiệu điều khiển của bộ nghịch lu biến điệu độ rộng xung PWM

Thành phần sinθs, cosθs tính từ các thành phần của từ thông khe hở trên hai trục toạ độ tĩnh đo đợc bằng các cảm biến từ thông :

0

0 0

0

2 0

2 0 0

sin

;cos

ψ

ψθψ

ψθ

ψψψ

β α

β α

(1-48)

Lm

Lm Trp+1

+

với ψ0 α, ψ0β : các thành phần từ thông khe hở dọc trục và ngang trục

Hình 1-9 : Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vectơ trực tiếp

Nh vậy góc quay từ trờng θs hay sinθs, cosθs đợc tính trực tiếp từ các thành phần từ thông khe hở Các thành phần ψ0 đợc đo bằng các cảm biến từ thông Biên độ ψ0 đợc sử dụng làm phản hồi của mạch vòng điều chỉnh ψ0

Rψ

RM

cosθs -sinθ s sinθs cosθs

1/2- /3-

1 0

2 2

Có rất nhiều rất nhiều cách giải quyết khác nhau về điều khiển động cơ không dùng cảm biến tốc độ đã đợc đề xuất trong những năm vừa qua Những quan điểm của họ và giới hạn của nó đợc trình bày nh ở hình 2.1

Hình 2.1 đa ra sơ đồ tổng quát của phơng pháp điều khiển không dùng cảm biến tốc độ Điều quan trọng nhất là xây dựng thuật toán nhận dạng tốc độ để không cần sử dụng đến cảm biến tốc độ Nguyên tắc điều chỉnh giữ U/f là hằng số bằng cách sử dụng phản hồi sẽ đảm bảo duy trì từ thông trong máy điện duy trì ở mức mong muốn Phơng pháp điều khiển này thoả mãn tốt các yêu cầu chất lợng tĩnh của hệ thống động học Chất lợng động của hệ thống đạt đợc nhờ điều khiển

định hớng từ trờng hoặc gọi là điều khiển véctơ Vị trí từ trờng trong không gian, góc pha của từ trờng rất khó xác định Có rất nhiều mô hình và thuật toán

đợc sử dụng để ớc lợng tốc độ động cơ đợc trình bày nh ở hình 2.1

Nh vậy để điều khiển động cơ không đồng bộ mà không cần dùng đến cảm biến tốc độ để đo tốc độ quay của rôto cần phải xây dựng các thuật toán để nhận dạng tốc độ

Các phơng pháp nhận dạng tốc độ đã đợc trình bày tóm tắt trong [5].ở [5] tác giả đã trình bày các phơng pháp tính toán tốc độ nh : tính toán tốc độ theo

độ trợt, tính toán tốc độ dựa trên mô hình chuẩn, tính toán từ thông thích nghi theo tốc độ và tính toán trực tiếp tốc độ động cơ Trong chơng này sẽ tóm tắt lại các phơng pháp tính toán tốc độ nh ở [5], phân tích u nhợc điểm và phạm vi ứng dụng, ngoài ra chơng này cũng sẽ trình bày mô hình quan sát giảm bậc theo [7]

2.2 Tính toán tốc độ theo độ trợt

Tinh thần cơ bản của phơng pháp tính toán tốc độ theo độ trợt là tốc độ

động cơ đợc tính từ tốc độ góc stator (ωs) và độ trợt (ωsl) theo biểu thức sau:

Định hớng trờng stator

Hình 2-1 Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ không dùng cảm biến tốc

Độ trợt có thể xác định từ điện áp và dòng điện stator dựa theo phơng trình cân bằng áp ở trạng thái xác lập nh ở công thức (1-47)

r r T

sq i m L

R s E

s T k r

N= ω = α α + β β

= ω2 =Eα s ( ∫Eβsdt+ICβ)− Eβs( ∫Eα sdt+ICα )

s

s E D

N biểu thị công suất truyền sang mạch rotor, D biểu thị mối quan hệ giữa sức

điện động khe hở và tần số stator

Thuật toán do Abbondanti đề xuất có thể sử dụng để tính tốc độ động cơ làm việc ở hệ thống điều khiển độ trợt Kết quả mô phỏng và thực nghiệm của thuật toán với hệ truyền động điện biến tần 15HP với phụ tải 200% định mức cho thấy thuật toán đã cho độ chính xác ở dải tốc độ 10/1 Tuy nhiên, do có 2 mạch tích phân trong công thức (2-1) nên phơng pháp này khó đạt độ chính xác ở vùng tốc độ thấp

và giá trị ban đầu của mạch tích phân sẽ ảnh hởng tới độ chính xác tính toán độ trợt Các kết quả kiểm nghiệm lại thuật toán trên cũng cho thấy rằng thuật toán chỉ cho độ chính xác ở quá trình xác lập quá trình quá độ mang tải của động cơ còn trong quá trình khởi động cơ sẽ gặp sai số lớn

Trong [5] cũng đã trình bày thuật toán tính toán tốc độ do Joetten đề xuất Tơng tự nh nguyên tắc của Abbondanti, Joetten đã phát triển thuật toán trên cho động cơ làm việc ở các chế độ khác nhau bằng cách sử dụng sức điện động rotor thay cho sức điện động stator Tác giả đa ra giả thiết rằng từ thông rotor thay

đổi chậm nên giá trị các thành phần từ thông rotor trên 2 trục cuả hệ toạ độ cố định stator có thể coi gần đúng bằng đạo hàm của chúng Khi đó tốc độ trợt đợc xác

định theo biểu thức sau:

α β

Do sử dụng sức điện động rotor nên thuật toán (2 3) không chứa các khâ- u tích phân hở và đã tránh đợc vấn đề trôi điểm không Tuy nhiên phơng pháp còn một số hạn chế Độ trợt phụ thuộc vào tốc độ góc stator, nên ở vùng tần số thấp, sai số tính toán có thể lớn Mặt khác, giả thiết từ thông rotor thay đổi chậm chỉ đúng

ở quá trình xác lập, mà trong quá trình quá độ sẽ không thoả mãn, nên thuật toán chỉ cho kết quả tốt ở quá trình xác lập

ở [5] đã mô tả thuật toán tính độ trợt mới để khắc phục những hạn chế của thuật toán (2-1) do khâu tích phân hở và của (2-3) ở quá trình quá độ do Rubin, Haley và Dianna đề xuất

Tác giả cho rằng độ trợt của động cơ ở trạng thái xác lập có thể xác định từ hai đại lợng độc lập của máy điện là tần số (điện áp stator và hệ số công suất) và năm tham số của động cơ Dựa trên mạch điện thay thế động cơ ở chế độ xác lập,

hệ số công suất đợc xác định từ các thành phần điện áp và dòng điện ba pha

)

( 3

) 2 (

) 2

(

sa u sb i sb u sa i

sb u sa u sb i sb u sa u sa

i

−

+ +

) 5

; 2 2

ω β

β ω

β

/

2 2

/

=

r L m L r L s L r

R s

đổi từ thấp đến cao qua điểm đó Vì vậy để đạt chất lợng tính toán độ trợt cao, cần thiết phải có phơng pháp hiệu chỉnh thích nghi ở điểm độ trợt giới hạn

2.3 Tính toán tốc độ theo mô hình chuẩn(MRAS)

Phơng pháp tính toán tốc độ theo mô hình chuẩn dựa trên phơng trình trạng thái mô tả động cơ trong hệ toạ độ cố định với stator sử dụng khái niệm số phức

dt s i d s L dt r d r L m

L s i s R s

u = + ψ + σ -(2 7a)

r L r R dt r

d s i r

R r L m

L

ψ ω

ψ

) (

0 = − + + − ( 2 7b)

-Các phơng trình (2 7) có - thể viết lại dới dạng đạo hàm của từ thông rotor nh sau:

) (

dt s i d s L s i s R s

u r L m L dt

L r r

j r T dt

r

d

+ +

điện áp không phụ thuộc tốc độ, còn mô hình dòng điện có liên quan tới tốc độ

Dựa trên 2 mô hình đó, thuật toán tính toán tốc độ theo mô hình chuẩn đã

đợc đề xuất Về nguyên lý mô hình điện áp không liên quan tới tốc độ đợc coi là

“mô hình chuẩn , mô hình dòng điện có tốc độ là tham số coi là “mô hình chỉnh ”

định” Sai số biểu thị độ lệch từ thông của 2 mô hình sẽ là tín hiệu đầu vào của khâu chỉnh định thích nghi với tín hiệu ra của nó là tốc độ động cơ Hình (2-2) là sơ đồ cấu trúc thuật toán tính toán tốc độ theo nguyên tắc mô hình chuẩn Cấu trúc khâu chỉnh định thích nghi đợc thiết kế có cấu trúc PI:

e

pI

K p K

ω - (2 9)Trong đó: eˆ=ψˆαriψˆβrv−ψˆαrvψˆβri là độ sai lệch của hai mô hình

Kp, KI là hệ số khuếch đại và hệ số tích phân của khâu chỉnh định thích nghi

hợp tham số của khâu chỉnh định thích nghi Tuy nhiên, tơng tự nh thuật toán của (2-1), sự có mặt hai khâu tích phân trong các mô hình tính toán từ thông là nguyên nhân của hiện tợng trôi điểm không và sai số lớn ở vùng tốc độ thấp Kết quả thực nghiệm của thuật toán trên cho thấy độ chính xác cao đạt đợc cả trong quá trình xác lập và quá trình quá độ ở vùng tần số lớn hơn 2Hz

Để loại trừ hiện tợng trôi điểm không của phơng pháp trên ở [5] đã mô tả thuật toán tính toán tốc độ dựa trên nguyên lý mô hình chuẩn với việc sử dụng sức

điện động thay cho từ thông rotor do Peng F.Z đề xuất Sức điện động và đại lợng tính toán của nó (eˆm) đợc tính toán từ hai mô hình tự nh (2-8):

) ( R i L disu

e = − + σ -(2 10a)

) 1 1

( 2 2

r T m i r T m i r r

Lm

L

dtim

d r

i r T m i r dt

Mô hình (2 10) biểu diễn trên hình 2- -3 sẽ không chứa khâu tích phân Do đó

sẽ tránh đợc trôi điểm không và ảnh hởng của sơ kiện đầu đến giá trị tính toán

Động cơ

Mô hình

điện áp (2 8a)-

Mô hình dòng điện (2 b)-8

Cơ cấu chỉnh định thích nghi

Thuật toán này áp dụng cho hệ điều khiển véc tơ gián tiếp đã tạo ra đặc tính tốt nhất trong dải tốc độ rộng (200/1) Tuy nhiên mô hình chỉnh định mất khả năng chỉnh

định trong một số chế độ làm việc khi sức điện động bằng không

2.4 Mô hình quan sát từ thông thích nghi theo tốc độ

Theo [5] phơng pháp này đợc trình bày bởi Kubota, Matsuse, Nakano, Yang, Chin, Yamoda, Sasagawa , Fratta,Vagati và Villata đã giải quyết triệt để tồn tại của các phơng pháp trên bằng cách sử dụng mô hình quan sát từ thông rotor đủ

bậc Nh đã trình bày ở 1-1, phơng trình trạng thái mô tả động cơ (1-27) biểu diễn hai trạng thái là dòng điện và từ thông rotor Dựa trên lý thuyết quan sát, hai trạng thái của động cơ có thể tính toán bằng một mô hình quan sát đủ bậc:

) ˆ 2

1 ˆ

ˆ 22 21

12 11 ˆ

ˆ

s i s i G s u B

B r

s i A A

A A r

-là tín hiệu chỉnh định mô hình quan sát Trên quan điểm mô hình chuẩn, động cơ

đợc coi là mô hình chuẩn, mô hình quan sát (2-11) có thể coi là mô hình chỉnh

định

Mô hình

điện áp (2 8a)-

Mô hình dòng điện (2 8b)-

Cơ cấu chỉnh định thích nghi Mô hình chỉnh định ω ˆ r

m eˆ

m e

m iˆ

ổn định và hội tụ của mô hình quan sát

Ưu điểm của thuật toán là mức độ hội tụ của từ thông rotor không phụ thuộc vao giá trị ban đầu của mạch tích phân và hoàn toàn loại trừ hiện tợng trôi điểm không Do vậy hệ thống điều khiển không dùng cảm biến tốc độ có thể làm việc ở mọi trạng thái và điều kiện đầu của máy điện Tuy nhiên, tốc độ là tín hiệu đầu ra của cơ cấu chỉnh định thích nghi, nên mức độ chính xác tính toán tốc độ ở cả chế độ xác lập lẫn quá độ phụ thuộc vào cấu trúc và tham số của khâu hiệu chỉnh

2.5 Tính toán trực tiếp tốc độ

Phơng pháp này không sử dụng các thuật toán phức tạp nh các phơng pháp trên mà tính toán trực tiếp tốc độ dựa trên phơng trình động học mô tả động cơ

+

=

r

i ri s

i si

r pL r R r L r m

pL m L r

r L r r pL r R m L r m

pL s

pL s

pL s

pL s R s

u s

u

β α β α

ω ω

ω ω

β

α

* 0

0

0 0

0

Giải phơng trình (2-12), tốc độ rotor có thể tính theo biểu thức sau:

r s i s L s r

s i s L s

r p s i s L s r

p s i s L s r

α ψ β β

ψ β ψ α α

ψ

α ψ β β

ψ β ψ α α

ψ

ω

) (

) (

) (

) (

− +

Hình 2-4 Sơ đồ cấu trúc thuật toán tính toán tốc độ theo mô

hình quan sát từ thông thích nghi theo tốc độ

s u

Cơ cấu chỉnh định thích nghi

r

ψˆ

s i

+ + +

-

Trong đó véc tơ từ thông rotor và stator đợc tính toán trực tiếp từ điện áp và dòng điện stator:

r

L

ψ = − (2 5) -1

Thuật toán rất đơn giản vì tốc độ đợc tính trực tiếp từ các thành phần điện

áp và dòng điện là những đại lợng dễ dàng đo đợc Tuy nhiên phơng pháp này

có một số hạn chế Từ thông đợc tính toán bằng mạch tích phân hở nên giá trị tính toán sẽ phụ thuộc sơ kiện của mạch tích phân và do hiện tợng trôi điểm không nên khó đạt độ chính xác ở vùng tốc độ thấp Hạn chế thứ hai là tốc độ đợc tính bằng chia đa thức, đa thức mẫu số có thể bằng không khi tử số khác không Điều đó làm phức tạp cho việc thực hiện nó trong thực tế

Trong [5] cũng đã mô tả 1 dạng khác của thuật toán trên do Shirsavar, McCulloch và Guy đề xuất với giả thiết mô men của động cơ không biến đổi nhanh, tốc độ rotor đợc xác định từ các thành phần điện áp và dòng điện stator và trị số

đặt của độ trợt trong hệ thống điều chỉnh của hệ thống điều khiển véc tơ gián tiếp

*

sl

ω

* )

2 2 2 (

sl BZ

sl r L r R P

Phơng trình (2-16) đợc biểu diễn bởi khâu bên phải của hình 2-5 sẽ cho phép xác định véc tơ từ thông rotor ψˆr, góc δˆ =arg(ψ ˆr) Các đại lợng đó đợc sử dụng trong hệ điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc

độ Véc tơ dòng stator là một tín hiệu đầu vào của mô hình 2-5 Bộ phận bù sai lệch (phía trái hình2-5) tạo ra tín hiệu cộng thêm vào mô hình

−

− + +

=

∆

) ˆ ) ˆ 1 ( (

ˆ

1 ' ( ˆ ) (

r r T j r T r k s

u s l r T

s

i s

T

r T dt s i d s T r G s

i

ψ ω σ

Hệ số khuếch đại phức Gr( ω ) đợc lựa chọn theo phơng pháp đặt nghiêm sẽ đáp ứng đặc tính động mong muốn của mô hình quan sát Mô hình quan sát giảm bậc sử dụng mô hình chuẩn thích nghi (MRAS) ở hình 2 2 nh là một hệ -thống con để ớc lợng tốc độ rotor Tốc độ rotor ớc lợng đợc sử dụng nh một

đầu vào của mô hình ớc lợng từ thông rotor

Hình 2-5 Sơ đồ cấu trúc mô hình quan sát bậc giảm, k d =T r /T r’+(1-σ)/σ

Bù sai lệch

r T

is

s i

Mô hình

T s

+

Chơng 3: xây dựng thuật toán tính toán tốc độ

3.1 Đặt vấn đề

Nh đã trình bày trong chơng 2 có rất nhiều thuật toán đã đợc đa ra để tính toán tốc độ động cơ không đồng bộ từ điện áp và dòng điện đo đợc mà không cần dùng đến cảm biến tốc độ Mỗi thuật toán đã đợc trình bày đều có những u, nhợc điểm riêng, tuy nhiên chúng đều có thể sử dụng để tính toán toán tốc độ động cơ không những hệ điều chỉnh véc tơ động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ Thực tế trong những năm gần đây hệ thống điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ đã làm việc rất tốt ở vùng tốc độ cao và trung bình, tuy nhiên ở vùng tốc độ thấp thì vẫn còn là một vấn đề phải quan tâm ở vùng tốc độ thấp tốc độ động cơ không đồng bộ phụ thuộc rất lớn vào mô men tải và các tham số máy điện trong vùng này rất khó quan sát Vì vậy việc xây dựng một thuật toán tính toán tốc độ động cơ không đồng bộ cho phù hợp để nó làm việc ổn định và đạt chất lợng tốt ở vùng tốc độ thấp là rất cần thiết

3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển vectơ không dùng cảm biến tốc độ

Mô hình hệ thống khi không sử dụng cảm biến tốc độ ở dạng véc tơ nh hình 3.1

s u

Cơ cấu chỉnh định thích nghi

r

ψˆ

s i

+ + +

-

Trên sơ đồ trên chúng ta thấy để ớc lợng đợc tốc độ động cơ cấn phải tính toán đợc dòng stator và từ thông rotor Vì vậy cần phải xây dựng thuật toán nhận dạng dòng stator và từ thông stator ở đây để nhận dạng dòng stator và từ thông rotor sử dụng mô hình quan sát đủ bậc vì ở mô hình này mức độ hội tụ của

từ thông rotor không phụ thuộc vào giá trị đầu của mạch tích phân và loại bỏ

đợc hiện tợng trôi điểm không

3.3 Mô hình quan sát từ thông rotor

Trong mục này sẽ xây dựng bộ quan sát từ thông thích nghi của động cơ

không đồng bộ cho điều khiển trong dải tốc độ rộng

ĐC KĐB đợc mô tả bằng phơng trình trạng thái ở hệ toạ độ stator nh sau:

1 _

22 21

12 11 _

A A i

s

i

Bu AX

1 1

1 1

u ,

,

1 1

122 22

22

21 21

112 12

12

11 11

I b I L B

J a I a J

I T A

I a I T

L A

J a I a J

I T L

A

I a T

T A

u

u i

i i

s

r r

r

r r

m

r r

r m

r r

s

s

s r

r r

s

s s

σ

ω

ωσ

σ

σ

σσ

ψ

ψψ

β

α β

α β

α

122 22

21

12 122 11

112 12

11

22 21

12 11

0 0 0 0

r r

r r

r r

r r

a a

a

a a

a

a a

a

a a

a A

A

A A A

1 0

1 0

0 1

J I

Mô hình quan sát đủ bậc trong đó tính toán cả dòng stato và từ thông rôto

đợc xây dựng theo phơng trình (3- )3 :

) ( 0

.

) (

^

2 1

1 _

^

^

22 21

12 11 _

i i G

G u B i

A A

A A i

dt

d

i i G u B X A

=

ψ ψ

3 3 ( - )

Trong đó ^ nghĩa là giá trị tính toán đợc

Chất lợng tính toán từ thông rôto bao gồm độ chính xác tĩnh và thời gian hội tụ từ thông tính toán về giá trị thực (chế độ động) Chất lợng này sẽ góp phần quan trọng vào việc ớc lợng tốc độ động cơ Mô hình quan sát đợc thiết

kế thoả mãn hai chỉ tiêu: độ chính xác tĩnh cao và thời gian hội tụ đủ bé Chỉ tiêu thứ hai có nghĩa là các thông số sẽhội tụ về giá trị thực của động cơ trong thời gian đủ nhỏ mà không làm ảnh hởng đến chất lợng động của toàn hệ thống

Trong phơng trình (3-3), có G là một ma trận trọng số dùng để bù sai lệch giữa các thông số thực của động cơ và các thông số trong mô hình quan sát sao cho mô hình quan sát mô tả các thông số động cơ giống thực tế nhất

Phơng pháp lựa chọn G: vì động cơ là đối tợng ổn định, nghiệm cực của phơng trình mô tả động cơ luôn nằm ở phía trái mặt phẳng phức nên để mô hình quan sát hoạt động ổn định ta phải lựa chọn G nh sau: chọn G sao cho nghiệm cực của phơng trình quan sát tỷ lệ với nghiệm cực của phơng trình trạng thái mô tả động cơ theo một hệ số dơng Nếu mô hình quan sát có nghiệm cực tỷ lệ

nh vậy với nghiệm cực của động cơ thì có nghĩa là mô hình quan sát có nghiệm cực cũng nằm ở phía bên trái trục ảo của mặt phẳng phức (phần thực của nghiệm

có giá trị âm) Nh vậy mô hình quan sát làm việc ổn định

Các bớc tính toán để xác định các phần tử của ma trận G:

• Tìm các nghiệm cực của phơng trình trạng thái biểu diễn động cơ

• Giải phơng trình trạng thái của khâu quan sát để tìm nghiệm cực của mô hình, trong đó có chứa các phần tử của ma trận G nh là các

động là nhỏ nhất Việc tìm hệ số tỷ lệ k sao cho phù hợp nhất sẽ đợc thực hiện ở chơng 4 khi sử dụng phần mềm mô phỏng MATLAB-Simulink

Mô hình quan sát đã nêu ở trên có cấu trúc nh hình 3 2 - trong đó G đóng vai trò ma trận hiệu chỉnh:

Hình 3-2: Mô hình tổng quát bộ quan sát từ thông rôto

Nếu tách riêng mô hình quan sát thành hai khâu: khâu quan sát dòng điện

và khâu quan sát từ thông thì bộ quan sát sẽ có cấu trúc nh hình 3-3:

H×nh 3-3: M« h×nh dßng ®iÖn stato vµ tõ th«ng r«to trong bé quan s¸t

7 3

6 2

5 1

gg

gg

gg

gg

22 11 (

2

0 21 12 ) 22 )(

11 (

0 22 21

12 11

0 22 21

12 11 0

0

=

− +

A A A

p A

p

A p A

A A

A A p

p

§éng c¬

G1

A11 A12