Đề tài cũng tập trung vào việc xây dựng các bộ điều khiển servo cho hệ truyền độngđiều khiển vị trí, xây dựng hệ truyền động vị trí cho động cơ không đồng bộ ứng dụng phơng pháp điều kh
Biến tần bán dẫn
2.2.1 Cấu trúc biến tần bán dẫn
Bộ biến tần (BBT) là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện từ tần số công nghiệp (50Hz) sang nguồn có tần số thay đổi, nhằm cung cấp năng lượng cho động cơ xoay chiều.
Bộ biến tần được chia thành hai loại chính: biến tần trực tiếp (cycloconverter) và biến tần gián tiếp (có khâu trung gian một chiều) Biến tần trực tiếp thường được sử dụng trong các hệ thống công suất cao, trong khi biến tần gián tiếp hoạt động theo sơ đồ khối gồm điện áp xoay chiều tần số công nghiệp (50Hz) được chỉnh lưu thành nguồn một chiều thông qua bộ chỉnh lưu không điều khiển hoặc bộ chỉnh lưu điều khiển Sau đó, nguồn điện một chiều này được lọc và biến đổi thành nguồn điện áp xoay chiều nhờ bộ nghịch lưu.
Bộ biến tần gián tiếp xoay chiều ba pha với tần số biến đổi cung cấp cho động cơ cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cụ thể để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
- Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn
- Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở không đổi trong vùng điều chỉnh mô men không đổi
- Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số.
Bộ biến tần có thể chia làm ba loại chính tùy thuộc vào bộ chỉnh lu và nghịch lu (theo sơ đồ hình 2.4 a, b, c):
Bộ biến tần sử dụng công nghệ điều biến độ rộng xung (PWM) kết hợp với bộ chỉnh lưu diode để chuyển đổi điện áp một chiều không điều khiển thành điện áp động cơ ổn định Điện áp này được lọc nhờ tụ điện lớn, giúp duy trì giá trị không đổi Các mạch nghịch lưu, sử dụng tranzisto như BJT, MOSFET và IGBT, được điều khiển theo nguyên lý PWM nhằm cung cấp điện áp gần dạng sin nhất cho động cơ.
(2) Bộ biến tần nghịch lu nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lu có điều khiÓn
Hình 2.4 - Sơ đồ khối bộ biến tần
Điện áp được điều chỉnh thông qua bộ chỉnh lưu có điều khiển, thường sử dụng thyristor hoặc transistor Bộ nghịch lưu đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tần số động cơ, với dạng điện áp ra là hình dạng xung vuông.
Bộ biến tần sử dụng thiristor cho phép nghịch lưu dòng điện và điều khiển chỉnh lưu Nguồn một chiều cung cấp cho nghịch lưu được thiết kế là nguồn dòng, kèm theo bộ lọc với cuộn kháng có kích thước đủ lớn.
2.2.2 Phơng pháp PWM thông thờng
Phương pháp PWM (Pulse Width Modulation) thường được gọi là điều chế dựa trên sóng mang, thường là sóng sin tam giác với tần số f R x R Sóng mang này được so sánh với điện áp điều khiển, có tần số tương ứng với điện áp mong muốn, để tạo ra các xung âm và dương với tần số và bề rộng có thể điều chỉnh Mục tiêu là tạo ra điện áp gần giống như sóng sin với tần số và biên độ thay đổi Tần số sóng mang thường cố định và bằng tần số chuyển mạch của nghịch lưu Việc tăng số xung trong một nửa chu kỳ có thể giúp giảm tần số sóng sin đầu ra, trong khi tăng bề rộng xung sẽ làm tăng biên độ của sóng sin.
Dựa vào dạng sóng mang có thể có phân thành điều chế:
- §iÒu chÕ mét cùc tÝnh
- §iÒu chÕ hai cùc tÝnh.
Các tham số quan trọng khi thiết kế nghịch lu điều chế PWM:
- Hệ số điều biến biên độ: m R a R = u R đkm R /u R xm u R đkm R : Biên độ của tín hiệu điều khiển.
U R xm R : Biên độ của tín hiệu xung tam giác.
- Hệ số điều biến tần số: m R f R = f R x R /f R đk f R x R : Tần số tín hiệu sóng mang. f R đk R : Tần số tín hiệu điều khiển, cũng là tần số điện áp mong muốn.
Khi hệ số điều biến biên độ m R a R nhỏ hơn 1 (m R a R = 0 đến 1), biên độ điện áp của thành phần sin cơ bản tỷ lệ tuyến tính với hệ số m R a R Tuy nhiên, các thành phần sóng hài bậc cao xuất hiện trong một dải xung quanh tần số chuyển mạch và các bội số của nó như mf R R, 2m R f R, 3m R f R, dẫn đến việc điện áp không thể tăng cao hơn Phương pháp điều biến này được gọi là phương pháp điều biến tuyến tính.
Khi hệ số điều biến biên độ m R a R > 1, biên độ của thành phần điện áp tần số cơ bản có thể được tăng cường Mối quan hệ giữa thành phần cơ bản và hệ số điều biến là phi tuyến và phụ thuộc vào hệ số điều biến tần số m R f R Ngoài ra, còn xuất hiện nhiều thành phần sóng hài như 3, 5, 7, Phương pháp điều biến này được gọi là phương pháp quá điều biến.
Hình 2.6 - Dạng điện áp của sơ đồ nghịch lu ba pha
Để giảm thiểu các thành phần sóng hài có bậc là bội số của m R f R, bao gồm cả bội chẵn và bội lẻ, m R f R cần được chọn là bội số lẻ của 3.
Hầu hết các hệ truyền động hiện nay sử dụng tần số chuyển mạch được thiết kế dưới 6kHz hoặc trên 20kHz Đối với các hệ thống truyền động tối ưu, tần số chuyển mạch thường nằm trong khoảng từ 6kHz đến 20kHz.
2.2.3 Phơng pháp PWM điều chế véc tơ không gian
Sự phát triển mạnh mẽ của thiết bị điện tử công suất đã tạo ra nhu cầu về PWM hiệu quả hơn, đặc biệt là trong việc khử sóng hài và giảm tổn hao đồng trong động cơ không đồng bộ Phương pháp PWM truyền thống thường tăng tần số sóng mang, nhưng điều này dẫn đến tổn hao chuyển mạch cao hơn Để khắc phục những hạn chế này, kỹ thuật điều chế bề rộng xung theo kiểu véc tơ không gian (SVPWM) đã được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp SVPWM mang lại hiệu quả cao trong việc tạo ra sáu xung điều khiển nghịch lưu cho hệ truyền động.
Véc tơ đồng nhất duy nhất thay thế cho hệ thống ba pha của điện áp stator là u R s R = (1+a+a P 2 P ), trong đó = 3 π j 2 e a
Véc tơ không gian của hệ thống điện áp ba điện áp pha là v R a R , v R b R và v R c R là:
Hệ số 2/3 để đảm bảo hệ thống là cân bằng về công suất
Có tám véc tơ chuyển mạch trong 6 sector: Các trạng thái : a , a , b , b , c , c Ta có bảng 2.1:
Véc tơ a b c v R a v R b v R c v R ab v R bc v R ca
Hình 2.7 - Các véc tơ không gian của điện áp θs ωst
Hình 2.7 - Thực hiện véc tơ điện áp vref trong sector I
Thực hiện véc tơ điện áp V R ref R :
Cân bằng biên độ: T R PWM R V R ref R =2/3(T R 1 R V R switch x R + T R 2 R V R switch x+1 R +T R 3 R V R Null R ) (2.3)
Véc tơ chuyển mạch kề nhau trong sector thứ x (x = 1 đến 6) được mô tả bởi V R switch x R và V R switch x+1 R Véc tơ chuyển mạch không được biểu thị bằng V R Null R, với U R 0 R và U R 7 R Các kh ng oả dẫn tương ứng cho mỗi véc tơ chuyển mạch là T R 1 R, T R 2 R và T R 3 R Thời gian điều chế véc tơ không gian được xác định bởi T R PWM R.
Tần số điện mạch stator được xác định bởi f R s R, trong khi tốc độ góc điện là ω R s R = 2πf R s R Tần số f R s R có thể điều chỉnh theo yêu cầu, dẫn đến vị trí véc tơ điện áp θ R s R thay đổi tương ứng với các tần số khác nhau Điều này cho thấy véc tơ điện áp quay với các tốc độ khác nhau tùy thuộc vào tần số.
+ Giá trị T R 1 R , T R 2 R và T R 3 R phụ thuộc vào vị trí của véc tơ và biên độ của véc tơ điện áp cần trong từng sector và trên toàn mặt phẳng 360 P 0 P
+ Việc điều chế véc tơ không gian cần các thiết bị hỗ trợ có tốc độ tính toán cao nh vi điều khiển DSP
Điều chế véc tơ không gian có thể thực hiện theo hai phương pháp: đối xứng và không đối xứng Việc này giúp tối ưu hóa quá trình chuyển mạch của các van bán dẫn, từ đó hạn chế tổn hao hiệu suất.
+ Bằng phơng pháp điều chế véc tơ không gian ta có thể thực hiện việc điều chế đồng bộ hoặc là điều chế không đồng bộ
+ Điều chế không đồng bộ: Tỷ số f R PWM R /fs R R thay đổi, f R PWM R là hằng số.
Mô phỏng hệ truyền động điều khiển trực tiếp mô men
3.4 Mô phỏng hệ truyền động điều khiển trực tiếp mô men
Việc mô phỏng hệ thống nhằm đạt đợc các kết qủa sau:
Mô phỏng và so sánh việc ước lượng mô men và từ thông giữa phương pháp điều khiển trực tiếp mô men cơ sở (c_DTC) và phương pháp điều khiển trực tiếp mô men tiến (m_DTC) là rất quan trọng Nghiên cứu này giúp hiểu rõ sự khác biệt trong hiệu suất và độ chính xác của hai phương pháp điều khiển này Việc áp dụng các phương pháp này có thể cải thiện hiệu quả hoạt động của hệ thống điều khiển trong các ứng dụng công nghiệp.
Mô phỏng hệ truyền động điều khiển trực tiếp mô men với động cơ không đồng bộ sử dụng cảm biến tốc độ đã được thực hiện Các kết quả thu được cho thấy
Tham số của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha dùng trong mô phỏng:
+ Công suất của động cơ: 2.2 KW
+ Điện cảm tản cuộn dây stator: L R ls R = 0.004H
+ Điện trở rotor quy đổi về stator: R R r R ’ = 0.816 Ω
+ Điện cảm tản rotor quy đổi về stator: L R lr R ’= 0.002H
+ Mô men quán tính: J = 0.089 Kg.m P 2
Công cụ để thực hiện việc mô phỏng là dùng S imul nk trong Matlab6.5.1, i tần số trích mẫu trong các lần mô phỏng là 0.0001s = 100às
3.4 Ước lợng t2 ừ thông và mô men trong hệ truyền động điều khiển trực tiếp mô men
3.4.2.1 Mô hình toán học mô phỏng
- Việc mô phỏng tập trung vào phơng pháp c_DTC và m_DTC
- Biên độ từ thông đặt (Wb) và mô men đặt (Nm) sẽ là những giá trị đặt trực tiếp vào mô hình mô phỏng
- c_DTC dựa trên bảng tra là bảng 3.2, m_DTC dựa vào bảng 3.4.
- Từ thông đợc ớc lợng theo công thức 3.16 với tần số trích mẫu là
- Mô men đợc ớc lợng theo công thức 3.13
Bộ điều chỉnh mô men hoạt động theo ba trạng thái với độ trễ được quy định trong bảng 3.2, trong khi bộ điều chỉnh từ thông có hai trạng thái với độ trễ theo bảng 3.4 Sai lệch giữa từ thông và mô men mong muốn được duy trì trong khoảng ± 5%.
Hình 3.13 – Mô hình mô phỏng ớc lợng từ thông stator và mô men điện từ
3.4.2.2 Kết qủa mô phỏng phơng phápDTCcơ sở và DTC cải tiến
3.4.2.3 So sánh, nhận xét và đánh giá các kết qủa
Kết quả mô phỏng cho phương pháp c_DTC được hiển thị trong hình 3.14, trong khi kết quả cho phương pháp m_DTC được thể hiện trong hình 3.15, đều phản ánh chính xác lý thuyết.
C_DTC có chất lượng mô men vượt trội, dẫn đến dòng điện ổn định và ít dao động Bên cạnh đó, từ thông của C_DTC thay đổi nhanh chóng và ít dao động, cho phép nó quay nhanh hơn so với m_DTC.
- m_DTC có chất lợng từ thông tốt hơn nó quay chậm do dao động nhiều, nên mô men và dòng điện có chất lợng kém hơn.
- Do tính chất quay chậm của từ thông nênm_DTC có thể thích hợp hơn ở vùng tốc độ thấp so với c_DTC khi có cùng chu kỳ trích mẫu.
Hình 3.14 (aữf) – Kết qủa theo phơng pháp c_DTC
Hình 3.15 (aữf) – Kết qủa theo phơng pháp m_DTC
3.4.3 iều khiển trực tiếp mô men dùng cảm biến tốc độĐ
3.4.3.1 Mô hình toán học thực hiện mô phỏng
Mô hình mô phỏng hệ truyền động điều khiển trực tiếp mô men với mạch vòng tốc độ được xây dựng dựa trên phương pháp c_DTC, và chi tiết mô phỏng này được trình bày trong phần 3.4.2.
Mô phỏng sẽ tập trung vào việc khảo sát các yếu tố như dòng điện, tốc độ và mô men khi động cơ được khởi động trực tiếp Nghiên cứu sẽ xem xét cả hai trường hợp: không có hạn chế gia tốc và có hạn chế gia tốc, nhằm đánh giá hiệu suất và tác động của các yếu tố này trong quá trình khởi động động cơ.
- Mô phỏng khảo sát hệ khi có thay đổi tốc độ
- Mô phỏng khảo sát hệ khi đảo chiều quay
- Từ thông đợc đặt cực đại là 1 (Wb)
- Không dùng khâu hạn chế mô men trong khi mô phỏng
Hình 3.16 – Mô phỏng hệ truyền động có dùng cảm biến tốc độ
3.4.3.2 Kết qủa mô phỏng với đáp ứng tốc độ dạng bớc nhảy
Hình 3.17 (aữh) – Mô phỏng theo đáp ứng tốc độ bớc nhảy
3.4.3.3 Kết qủa mô phỏng với gia tốc tốc độ bằng 1000 rad/s
Hình 3.18 (aữh) – Mô phỏng hạn chế gia tốc = 1000 rad/s
3.4.3.4 Kết qủa mô phỏng với gia tốc tốc độ bằng 250 rad/s
Hình 3.19 (aữf) – Mô phỏng hạn chế gia tốc = 1000 rad/s
3.4.3.5 Kết qủa mô phỏng tốc độ thay đổi
Hình 3.20 (aữg) – Mô phỏng hạn chế gia tốc = 250 rad/s
3.4.3.6 Kết qủa mô phỏng có đảo chiều tốc độ
Hình 3.21 (aữg) – Mô phỏng có đảo chiều tốc độ
3.4.3.7 Nhận xét kết qủa mô phỏng
- Tạo ra trạng thái trễ, gây giật lúc khởi động
- Tốc độ đáp ứng lên ổn định rất nhanh.
Khi không có hạn chế gia tốc tốc độ, sự sai lệch về tốc độ và mô men lớn sẽ dẫn đến giá trị mô men và dòng điện khởi động cao Trong trạng thái ổn định, sai lệch về mô men và tốc độ gần như bằng không.
Khi tạo gia tốc đặt tốc độ, sai lệch tốc độ giảm nhiều trong giai đoạn khởi động, tuy nhiên giá trị dòng điện và mô men vẫn cao Việc hạn chế gia tốc tốc độ giúp giảm giá trị dòng và mô men trong lúc khởi động, nhưng đồng thời cũng làm tăng thời gian quá độ của hệ thống.
Trong quá trình quá độ, các giá trị dòng và mô men lớn giảm nhanh chóng để đạt được trạng thái ổn định Để hạn chế gia tốc, có thể áp dụng biện pháp hạn chế mô men đặt nhằm kiểm soát dòng điện trong giai đoạn khởi động, tuy nhiên, điều này cũng làm giảm động học của hệ thống.
Hệ truyền động cho phép điều chỉnh tốc độ và đảo chiều một cách hiệu quả, đồng thời việc kết hợp hạn chế gia tốc giúp kiểm soát dòng khởi động trong giới hạn cho phép.
3.4.4 Đánh giá hệ truyền động điều khiển trực tiếp mô men
- Hệ truyền động điều khiển trực tiếp mô men ó khối lợng tính toán ítc
- Nó có chất luợng servo thể hiện đáp ứng tốc độ rất nhanh, sai lệch mô men và tốc độ rất nhỏ
- Mô men dao dộng, dòng điện có nhiều nhiễu Lúc khởi động giá trị mô men, dòng điện của động cơ rất lớn
Các kết quả mô phỏng dựa trên mô hình hệ thống cho thấy rằng các điều kiện đơn giản chưa xem xét các chế độ khắt khe hơn của động cơ Khi động cơ hoạt động ở vùng tốc độ thấp, tham số điện trở stator thay đổi, và phép tích phân vòng hở ảnh hưởng đến ước lượng từ thông stator cũng như mô men điện từ Ngoài ra, chu kỳ chuyển mạch (chu kỳ trích mẫu) có ảnh hưởng đến khoảng bão hòa, đặc biệt trong các bộ điều chỉnh bão hòa có độ trễ.
Kết quả ước lượng và mô phỏng trong hệ thống mạch vòng tốc độ là thông tin quý giá để so sánh và đối chiếu khi xây dựng hệ thống điều khiển mô men mà không
Các nhiễu mô men và dòng điện có thể được khắc phục bằng cách tăng tần số chuyển mạch hoặc áp dụng các phương pháp dự báo kết hợp như SVPWM, cùng với việc điều chỉnh khoảng dẫn thông qua điều khiển logic mờ.
Hệ truyền động vị trí động cơ không đồng bộ
4.1 bộ điều khiển chuyển động Hệ truyền động servo- 4.1.1 Giới thiệu về bộ điều khiển servo