Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp điều khiển trực tiếp kết hợp Fuzzy Logic, ứng dụng trong thực tế. Đồ án được đánh giá cao từ hội đồng thẩm định. Mục đích tài liệu giúp các bạn sinh viên, anh , chị em đi làm có nhu cầu tìm hiểu về đề tài điều khiển động cơ .
TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
ĐẠI CƯƠNG
Máy điện đồng bộ là máy điện xoay chiều có tốc độ quay của rôto bằng tốc độ quay của từ trường trong máy n1 Ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay của rôto n luôn không đổi
Về cơ bản máy điện đồng bộ được phân thành: máy phát đồng bộ và đồng cơ đồng bộ
+ Máy phát đồng bộ là nguồn điện chính của lưới điện quốc gia, trong đó động cơ sơ cấp là tuabin hơi, tuabin khí hoặc tuabin nước
+ Động cơ điện đồng bộ được sử dụng khi truyền động công suất lớn có thể lên tới vài chục MW với yêu cầu tốc độ không đổi Động cơ điện đồng bộ dùng trong công nghiệp luyện kim, máy bơm, quạt gió,
CẤU TẠO, NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC, TRỊ SỐ ĐỊNH MỨC CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
Gồm có 2 phần chính : phần tĩnh (stator) và phần quay (rôto)
- Mạch từ: là lõi thép được ghép bằng các lá thép kỹ thuật có độ dày từ 0,3-0,5 mm, được đặt cách điện để chống dòng Fucô, mạch từ được đặt trong lõi máy
- Mạch điện: là cuộn dây, dây quấn stator còn gọi là dây quấn phần ứng
- Rôto của máy điện đồng bộ có các cực từ và dây quấn kích từ dùng để tạo ra từ trường cho máy , đối với máy nhỏ roto là nam châm vĩnh cửu
- Có 2 loại rôto : rôto cực ẩn và rôto cực lồi
+ Rôto cực lồi : dạng mặt cực để khe hở không khí không đều, mục đích là làm cho từ cảm phân bố trong khe hở không khí hình sin để sức điện động ở dây quấn stato có hình sin Loại roto này dùng ở các máy có tốc độ thấp, có nhiều đôi cực như ở máy phát kéo bởi tubin thủy điện
+ Rôto cực ẩn : khe hở không khí đều, rôto chỉ có 2 cực hoặc 4 cực Loại này được sử dụng trong các máy có tốc độ cao Vì quay với tốc độ cao nên để chống lực li tâm, roto được chế tạo nguyên khối có đường kính nhỏ
- Phân loại theo kết cấu roto : roto cực ẩn và roto cực lồi
- Phân loại theo chức năng :
+ Máy phát đồng bộ + Động cơ đồng bộ + Máy bù đồng bộ
Hình 1-1 : Máy phát điện đồng bộ 3 pha 2 cực
Khi đưa nguồn một chiều có dòng Ikt không đổi vào dây quấn kích từ sẽ tạo nên từ trường rôto bằng động cơ sơ cấp, từ trường roto sẽ cắt dây quấn phần ứng stator tạo nên sức điện động cảm ứng xoay chiều có trị hiệu dụng bằng :
Trong đó E0 , w1 , kdq , lần lượt là sức điện động pha, số vòng dây pha, hệ số dây quấn và từ thông cực roto
Nếu rôto có p đôi cực, khi rôto quay được một vòng, sức điện động phần ứng sẽ biến thiên chu kỳ Do đó tần số f của sức điện động các pha lệch nhau một góc
Với n đo bằng vòng/phút
Dây quấn 3 pha stator có trục lệch nhau góc 120 0 trong không gian cho nên sức điện động các pha cũng lệch nhau góc 120 0 Khi dây quấn stator nối với tải trong dây quấn sẽ có dòng điện 3 pha , dòng điện 3 pha trong 3 dây quấn sẽ tạo nên từ trường quay với tốc độ : Đúng bằng với tốc độ quay của rôto Do đó loại máy điện này gọi là máy điện đồng bộ
1.2.2.2 Động cơ điện đồng bộ
Khi cho dòng điện 3 pha iA, iB,iC vào 3 dây quấn stator, dòng điện 3 pha ở stator sinh ra từ trường quay với tốc độ n1 Khi cho dòng điện 1 chiều vào dây quấn rotor, rotor biến thành nam châm vĩnh điện Tác dụng giữa từ trường stator và rotor sinh ra lực từ tác dụng lên rôto Lực từ kéo rotor đúng bằng tốc độ n1 của stator nên động cơ được gọi là động cơ đồng bộ
1.2.3 Các phương pháp khởi động động cơ đồng bộ
1.2.3.1 Phương pháp khởi động dị bộ Để thực hiện được phương pháp này người ta đặt ở mặt cực các thanh dẫn ngắn mạch làm bằng các đồng
Hình 1-2: Sơ đồ nối dây khởi động động cơ đồng bộ bằng phương pháp dị bộ
Nếu bỏ qua cuộn dây kích từ khi nối cuộn dây 3 pha phần ứng vào lưới sẽ có dòng 3 pha chạy vào và tạo ra từ trường làm máy roto quay như máy điện dị bộ, momen khi đó có thể bằng ( 0,8-1) lần momen định mức Trong thời gian khởi động cuộn dây kích từ được nối với 1 điện trở có giá trị khoảng (10-12) lần điện trở dây quấn để hạn chế điện áp cảm ứng trong dây quấn Khi đã đạt được tốc độ nhất định ( gần bằng tốc độ của từ trường) thì nối cuộn kích từ vào nguồn 1 chiều, roto trở thành 1 nam châm điện, từ trường 1 chiều của roto và từ trường quay sẽ tác động lên nhau tạo ra momen có biên độ tăng dần Chu kỳ momen này khi độ trượt nhỏ có giá trị lớn, nên momen sinh ra có thể giúp roto động cơ tăng tốc bước vào quay với tốc độ đồng bộ ( bằng với tốc độ quay của từ trường) Phương pháp khởi động như hình 3.1 có sử dụng cuộn kháng để giảm dòng khởi động
1.2.3.2 Phương pháp hòa đồng bộ
Phương pháp này ta sử dụng 1 động cơ sơ cấp ( động cơ dị bộ hoặc 1 chiều ) để quay roto của đông cơ làm việc ở chế độ máy phát đồng bộ Dùng phương pháp hòa động bộ máy phát để cho cuộn dây quấn stator vào lưới, sau đó tách động cơ sơ cấp ra khỏi động cơ Phương pháp này có nhược điểm là phải sử dụng động cơ ngoài nên tốn kém, cồng kềnh
Do đó ít được sử dụng
Nếu cấp cho stator động cơ 1 nguồn điện có khả năng điều chỉnh tần số Khi tăng dần tần số từ 0 đến tần số đồng bộ đồng thời đưa vào mạch kích từ nguồn 1 chiều cùng tăng với tần số khi đó tốc độ động cơ sẽ tăng theo Đến khi đạt được tốc độ đồng bộ ta nối động cơ vào lưới và tách nguồn cung cấp ra khỏi động cơ
Ngày nay với sự phát triển của bộ biến tần thì phương pháp này ngày phát triển và đạt hiệu quả cao
1.2.4 Các thông số định mức của máy điện đồng bộ
- Sđm : công suất định mức (kVA)
- Pđm : công suất tác dụng định mức (kW)
- Qđm : công suất phản kháng định mực (kVAr)
- Uđm : điện áp định mức (kV)
- Ukt : điện áp kích từ (kV)
- cosφđm : hệ số công sức định mức
- Iđm : dòng điện định mức (A)
- Ikt : dòng điện kích từ (A)
- Imm: dòng điện mở máy (A)
- nđm : tốc độ định mức (vòng/phút)
- ηđm : hiệu suất định mức
- Xđb : điện kháng đồng bộ ( Ω )
PHẢN ỨNG PHẦN ỨNG VÀ CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ
1.3.1 Phản ứng phần ứng của máy điện đồng bộ
Khi đấu tải vào dây quấn phần ứng của máy phát , mạch kín cho dòng qua tải Dòng qua tải có tính chất cảm ứng vì được sinh ra bởi các sức điện động cảm ứng từ trên dây quấn stator Các dòng cảm ứng này có xu hướng tạo các hệ quả đối kháng lại nguyên nhân ban đầu sinh ra nó Do đó dòng qua phần ứng sẽ tạo ra từ trường tương tác với từ trường trên phần cảm Sự tương tác này gọi là phản ứng phần ứng Tùy thuộc vào tính chất của tải ta xét 3 trường hợp của phản ứng phần ứng sau:
1.3.1.1 Tải thuần trở : suất điện động E cùng pha với dòng điện I ( ψ=0 0 )
Hình 1-3 : Phản ứng phần ứng với tải thuần trở
Từ thông phần cảm và phần ứng vuông góc với nhau Kết quả của sự tương tác này làm từ thông phần cảm có thay đổi và ảnh hưởng đến sức điện động sinh ra trên mỗi pha Vì phương của các từ thông này vuông góc với nhau nên ta gọi phản ứng phần ứng này là dạng khử từ ngang trục
1.3.1.2 Tải thuần cảm : sức điện động E lệch với dòng điện I một góc ψ 0
Hình 1-4 : Phản ứng phần ứng với tải thuần cảm
Từ thông phân ứng có xu hướng khử từ thông phần cảm Hướng của 2 từ thông ngược nhau nên ta gọi phản ứng phần ứng này là dạng khử từ dọc trục
1.3.1.3 Tải thuần dung : sức điện động E lệch với dòng điện I góc ψ = -90 0
Hình 1-5 : Phản ứng phần ứng với tải thuần dung
Từ thông phần ứng và phần cảm cùng hướng với nhau , ta nói từ thông phần ứng có xu hướng hỗ trợ từ thông phần cảm Nên ta gọi phản ứng này là dạng trợ từ dọc trục
1.3.2 Các đặc tính làm việc của máy điện đồng bộ
Các đặc tính này chủ yếu là của máy phát đồng bộ
U = E0 = f(Ikt) khi I =0 và f=fđm Đặc tính không tải là quan hệ giữa sức điện động E cảm ứng ra dây quấn stator với dòng điện kích từ khi dòng điện tải bằng không trong hệ đơn vị tương đối
+ iđm0 là dòng điện khi U = Uđm
+ E * ,i * là sức điện động và dòng điện tương đối
Hình 1-6 : Đặt tính không tải 1.3.2.2 Đặc tính ngắn mạch
Inm =f(Ikt) khi U=0 và f=fđm
Hình 1-7 : Đặc tính ngắn mạch
Khi dòng điện kích từ càng tăng thì dòng ngắn mạch càng lớn
U=f(I) khi Ikt=const, cosφđm = const
Nếu dòng kích từ không đổi thì khi tăng tải ở mạch ngoài với tải trở và tải cảm thì điện áp giảm và ngược lại với tải là tải dung thì điện áp tăng lên
Ikt=f(I) khi U = const, cosφđm = const
Hình 1-9 : Đặc tính điều chỉnh Đặc tính điều chỉnh cho ta biết hướng điều chỉnh dòng kích từ thông thường tăng Ikt lên 1,7 đến 2,2 lần với tải cảm ở trạng thái kích thích.
ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
- Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ( Permanent magnet synchronous motor) là một dạng đặc biệt của máy điện đồng bộ Động cơ đồng bộ thông thường có cuộn dây quấn phần ứng (stator) và cuộn dây kích từ ở roto được cấp dòng điện một chiều qua chổi than và vành trượt Chính vì này nên gây ra tổn hao roto và phải thường xuyên bảo dưỡng chổi than, vành trượt gây tổn hao về kinh tế
- Đây chính là lý đòi hỏi sự phát triển của của PMSM Nhằm khắc phục những nhược điểm của máy điện đồng bộ thông thường người ta thay cuộn kích từ, dòng điện một chiều, chổi than và vành trượt bằng một nam châm vĩnh cửu Tuy nhiên động cơ PMSM cần phải có suất điện động cảm ứng hình sin, dòng điện phải có hình sin để tạo ra momen điện từ không đổi giống với máy điện đồng bộ thông thường
- Động cơ PMSM có rất nhiều ưu điểm so với các loại động cơ đang sử dụng trong truyền động xoay chiều Khi sử dụng nam châm vĩnh cửu ở roto, động cơ PMSM không cần cấp dòng điện kích từ qua stator để tạo từ thông không đổi, dòng stator chỉ cần để tạo ra momen Chính vì vậy với cùng một đại lượng ra động cơ PMSM sẽ làm việc với hệ số cosφ lớn vì không cần dòng kích từ nên dẫn tới hiệu suất truyền động sẽ cao hơn
- Ngoài động cơ PMSM như đề cập ở trên còn có một loại động cơ đồng bộ thuộc nhóm động cơ một chiều không có cổ góp ( Brushless DC) Sự khác nhau cơ bản giữa động cơ PMSM và động cơ BLDC là ở sức điện động Sức điện động của động cơ PMSM có dạng sin còn ở động cơ BLDC có dạng hình thang
Về cơ bản động cơ PMSM có cấu tạo giống với một động cơ đồng bộ thông thường
- Stator của động cơ PMSM có cấu tạo tương tự như động cơ đồng bộ gồm các lá thép kỹ thuật ghép lại với nhau bên trong có rãnh để đặt dây quấn stator
- Roto ở động cơ PMSM là một nam châm vĩnh cửu Có cấu trúc sao cho mật độ từ thông là hình sin Các nam châm này được làm từ đất hiếm như Samarium Cobalt ( SmCo), có năng lượng cao và tránh được khử từ, thường được gắn bên trong hoặc bên ngoài lõi thép roto để đạt được đồ bền cơ khí cao
- Theo kết cấu của động cơ ta có thể chia PMSM thành 2 loại Động cơ cực ẩn và động cơ cực lồi
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi ( SPMSM)
Roto máy điện cực lồi thường có tốc độ quay thấp do nên đường kính roto có đường kính lớn ngược lại với chiều dài nhỏ Roto thường là đĩa nhôm hay nhựa trọng lượng nhẹ có độ bền cao Các nam châm được gắn chìm trong các đĩa này Các loại máy này thường được gọi là máy từ trường hướng trục loại này hay được sử dụng trong kỹ thuật robot
Hình 1-10 : Động cơ PMSM cực lồi 1-Stator ;2-Roto; 3-Nam châm vĩnh cửu
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn ( IPMSM)
Roto của máy điện cực ẩn có tốc độ quay lớn do đó đường kính roto của loại này nhỏ ngược lại với chiều dài lớn Khi các nam châm ẩn trong roto thì có thể đạt được cấu trúc cơ học bền vững hơn, loại này thường được sử dụng trong các động cơ cao tốc
Hình 1-11 : Động cơ PMSM cực ẩn 1-Stator; 2-Roto; 3-Nam châm vĩnh cửu 1.4.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ PMSM
Về cơ bản động cơ PMSM có nguyên lý hoạt động tương tự như một động cơ đồng bộ thông thường Tuy nhiên không cần đưa nguồn kích từ vào vì roto ở đây là một nam châm vĩnh cửu
- Khi đưa 3 dòng điện hình sin vào 3 cuộn dây stator sẽ xuất hiện một từ trường quay với với tốc độ:
Với : f – là tần số dòng điện ; p- là số đôi cực
- Từ trường của nam châm vĩnh cửu là một từ trường không đổi không quay, sự tác động giữa từ trường quay và từ trường không đổi tạo ra momen dao động, gái trị trung bình của momen này bằng = 0 Để động cơ PMSM có thể hoạt động được phải quay nam châm tới tốc độ bằng tốc độ của từ trường, khi đó giá trị trung bình của momen sẽ khác 0
- Việc đưa nam châm vĩnh cửu đạt tới tốc độ quay của từ trường là phương pháp khởi động động cơ đồng bộ thông thường Đó là sử dụng động cơ sơ cấp lai ngoài, phương pháp này đắt tiền, cồng kềnh nên ít được sử dụng Phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất là khởi động đồng bộ
- Sau khi khởi động xong mới đặt tải lên động cơ Như vậy động cơ đồng bộ PMSM có nam châm quay đồng bộ với từ trường quay.
KẾT LUẬN
Ở chương 1 này chủ yếu trình bày một cách khái quát về máy điện đồng bộ cũng như động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu để người đọc có cái nhìn khái quát về chúng Ở chương tiếp em sẽ trình bày về các hệ trục cũng như mô hình toán học của ĐCĐBKTNCVC trong không gian.
BIẾN TẦN NGUỒN ÁP VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
BIẾN TẦN NGUỒN ÁP
Bộ biến tần dùng để chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện ở đầu vào từ một tần số này thành một tần số khác ở đâu ra Bộ biến tần có thể chia làm 3 loại tùy thuộc vào bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu
- Bộ biến tần với bộ nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung với bộ chỉnh lưu dùng diot Điện áp 1 chiều từ bộ chỉnh lưu không điều khiển có trị số không đổi được lọc từ tụ điện có trị số khá lớn Điện áp và tần số được điều chỉnh nhờ bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung ( Pulse Width Modulation-PWM) Các mạch nghịch lưu bằng các tranzitor ( BJT, MOSFET,IGBT ) được điều khiển theo nguyên lý PWM đảm bảo cung cấp điện áp cho động cơ có dạng gần sin nhất
- Bộ biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lưu có điều khiển Điện áp được điều chỉnh nhờ bộ chỉnh lưu có điều khiển
Bộ nghịch lưu có chức năng điều chỉnh tần số động cơ, dạng điện áp ra có dạng xung vuông
- Bộ biến tần với chỉnh lưu dòng điện và chỉnh lưu điều khiển dùng Thyristor Nguồn 1 chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu là nguồn dòng với bộ lọc là cuộn kháng có trị số đủ lớn
2.1.2 Bộ nghịch lưu áp (Bộ biến tần nguồn áp)
Bộ nghịch lưu áp là bộ nghịch lưu được cung cấp bởi nguồn áp 1 chiều và đối tượng điều khiển ở đầu ra là nguồn áp Nguồn 1 chiều có thể là acquy, pin, hoặc điện áp xoay chiều được chỉnh lưu,
Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp đầu ra Các tải xoay chiều thường mang tính chất cảm kháng, dòng điện qua linh kiện không thể đóng ngắt bằng cách chuyển mạch một cách tự nhiên Do vậy các linh kiện trong bộ nghịch lưu phải có khả năng tự đóng cắt dòng qua nó Các linh kiện điện tử công suất thường được sử dụng là IGBT,MOSFET,BJT,GTO,
Bộ nghịch lưu áp 2 bậc chứa 2 khóa bán dẫn trên mỗi nhánh pha tải gọi chung là bộ nghịch lưu áp 2 bậc Được sử dụng rộng rãi trong phạm vi công suất vừa và nhỏ Bộ nghịch lưu áp 2 bậc có nhược điểm là tạo ra điện áp có độ dốc (dv/dt/) lớn và tổn tại trạng thái điện thế từ điện áp pha tới tâm nguồn DC khác 0 ( hiện tượng common mode voltage)
Bộ nghịch lưu áp xuất hiện nhằm giải quyết các vấn đề của bộ nghịch lưu áp 2 bậc và được ứng dụng chủ yếu trong phạm vi công suất lớn
- Điện áp đặt lên các linh kiện giảm đi nên tổn hao công suất trong quá trình chuyển mạch giảm đi
- Công suất của bộ nghịch lưu áp giảm đi
- Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho tải có thể đạt được công suất lớn
Bộ nghịch lưu áp 2 bậc
Mạch nghịch lưu 2 bậc là cơ sở để xây dựng mạch nghịch đa bậc Mạch nghịch lưu áp có 2 dạng chính là mạch nghịch lưu 3pha 2 bậc (hình a) và nghịch lưu 1 pha cầu H (hình b)
Hình 2-1: Mạch nghịch lưu 3 pha 2 bậc
Bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc được cấu tạo từ 6 IGBT và 6 diot mắc song song như hình 2.1a Các khóa công suất trên cùng một nhánh không được dẫn cùng 1 lúc để tránh xảy ra quá áp và quá dòng trên mạch
- Phân tích bộ nghịch lưu áp 2 bậc như sau :
Hình 2-2 : Mạch tương đương biểu thị giữa 2 điểm của điện áp v n0
Giả sử tải 3 pha cân bằng ta có biểu thức sau: Điện áp gọi là các điện áp pha và gọi là điện áp tâm tải được xác định theo biểu thức sau :
Từ 2 giả thiết trên ta có :
Với phần trình bày về bộ nghịch lưu áp 3 pha 2 bậc trên đây sẽ là cơ sở lý thuyết để chúng ta đi tìm hiểu và mô phỏng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Mục đích chính của đề tài là mô phỏng động cơ PMSM sử dụng phương pháp điều khiển trực tiếp momen kết hợp với một biến tần nguồn áp cơ bản như đã trình bày ở mục này.
VECTOR KHÔNG GIAN VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG PHA
2.2.1 Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng pha Động cơ đồng bộ ba pha có ba cuộn dây stator với ba điện áp pha được bố trí trong không gian như hình vẽ sau :
Hình 2-3: Vị trí không gian các pha
Phương trình điện áp stator : usa(t) + usb(t) + usc(t)=0 Với :
Về phương mặt cơ học , động cơ đồng bộ có ba cuộn dây stator đặt lệch nhau một góc 120 0 Ta thiết lập một hệ tọa độ phức với trục thực là trục đi qua cuộn dây pha A của động cơ , ta có thể xây dựng vector không gian cho điện áp stator như sau:
Việc xây dựng công thức 2.1 được mô tả như hình vẽ sau :
Hình 2-4 Xây dựng vector không gian từ các đại lượng pha Điện áp từng pha chính là hình chiếu của vector lên trục của các cuộn dây tương ứng Đối với các đại lượng khác của động cơ như dòng roto, dòng stator, từ thông stator và từ thông roto đều có thể xây dựng trên vector không gian tương tự như điện áp stator
2.2.2 Hệ tọa độ cố định stator ( trục α-β)
Vector không gian điện áp stator có modul là và quay trong mặt phẳng phức với tốc độ là ωs và tạo với cuộn dây A một góc ωst Đặt tên trục cuộn dây pha A là trục thực α và trục vuông góc với nó là trục ảo β Ta được một hệ tọa độ cố định stator (α-β) và các vector không gian có thể mô tả qua hai thành phần trục thực α và trục ảo β
Hình 2-5 : Hệ tọa độ stator α-β
Bằng cách chiếu vector không gian lên hai trục tọa độ α-β ta có thể tính thành phần theo hai trục tọa độ bằng phương pháp hình học Xét thành phần vector điện áp trong hệ tọa độ α-β :
Ta cũng có thể suy ra :
2.2.3 Hệ tọa độ từ thông rotor (d-q)
Trong mặt phẳng của hệ tọa độ α-β ta xét thêm một hệ tọa độ thứ 2 có trục hoành là d và trục tung là q, hệ tọa độ này có chung điểm góc và nằm lệch một góc θs so với hệ tọa độ stator
Hình 2-6 : Mối quan hệ giữa tọa độ α-β và d-q
Từ hình 2.4 ta có mối quan hệ của 2 tọa độ qua công thức :
Biến đổi 2 phương trình trên ta có :
Các hệ phương trình có tác dụng chuyển từ hệ tọa độ α-β sang d-q và ngược lại cho điện áp stator và cũng đúng cho các thành phần khác của động cơ Khi xác hệ tọa độ d-q ta cho trục d trùng với trục của từ thông roto và quay với tốc độ góc bằng với tốc độ góc của vector từ thông roto
Hình 2-7 : Biểu diễn các vector không gian lên hệ tọa độ d-q
Trong hệ tọa độ từ thông roto d-q , các vector dòng stator và các vector từ thông roto quay cùng với hệ tọa độ d-q => phần tử của các vector dòng roto là các đại lượng một chiều , trong chế độ xác lập các giá trị này gần như không đổi Còn trong quá trình quá độ các đại lượng này biến đổi theo một thuật toán đã định trước
Một ưu điểm nữa là thành phần từ thông trên trục q có giá trị là 0 do vuông góc với từ thông roto trùng với trục d => từ thông roto chỉ còn thành phần trên trục d.
MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU 23
Hình 2-8: Mô hình của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Động cơ đồng bộ có roto được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, các dây quấn stator được đặt lệch nhau một góc 120 0
+ Lm : giá trị của điện cảm từ hóa
+ Rs : điện trở dây quấn stator
+ Ls : điện cảm dây quấn stator
+ uas,ubs,ucs : điện áp dây quấn stator
+ ias, ibs, ics : dòng điện dây quấn stator
+ ψas, ψbs, ψcs : từ thông dây quấn stator
+ ψm : từ thông tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu
Hình 2-9 : Các cuộn dây và hệ tọa độ ứng với ĐCĐBKTNCVC
Do từ thông và sức từ động ở một ĐCĐBKTNCVC có dạng sin nên các lý thuyết chung về máy điện có thể được ứng dụng để xây dựng mô hình một ĐCĐBKTNCVC
2.3.1 Phương trình của động cơ trong hệ tọa độ cơ bản (a,b,c)
Phương trình cân bằng điện áp stator
Biểu diễn điện áp theo dạng vectơ:
Thay vào các phương trình điện áp pha ta có :
Tương tự như điện áp, ta có phương trình của dòng điện và từ thông stator
2.3.2 Phương trình của động cơ trong hệ tọa độ từ thông rotor (d-q)
Ta biến đổi các phương trình của động cơ đồng bộ 3 pha sang hệ tọa độ gắn với roto (d-q) Giả sử khe hở không khí là đồng dạng vì vậy điện cảm trục d và trục q bằng nhau Như đã đề cập ở mục trên do hệ tọa độ được gắn với roto Mặt khác do rotor mang nam châm vĩnh cửu nên tốc độ tức thời của roto bằng với tốc độ quay của từ thông rotor
Sau đây là các phương trình động học cơ bản của ĐCĐBKTNCVC
Phương trình điện áp stator :
Phương trình từ thông của động cơ :
+ ψs là biên độ từ thông stator + ψm = ψr là biên độ từ thông tạo ra bởi NCVC + Lds, Lqs : giá trị điện cảm ngang trục và dọc trục stator
Khi biểu diễn trong hệ tọa độ từ thông roto trục dọc q đóng vai trò là trục ảo, trục ngang d đóng vai trò là trục thực
Phương trình momen của động cơ :
Với p là số đôi cực
Các phương trình thể hiện mối quan hệ giữa các biến trong hệ tọa độ 3 pha và các biến trong hệ tọa độ d-q như sau :
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 27
2.4.1 Điều khiển vector (Field Oriented Control)
Trong sơ đồ điều khiển vector động cơ PMSM, bộ nghịc lưu sử dụng là điều chế độ rộng xung nguồn áp, bộ đo vị trí sử dụng encoder để xác định chính xác vị trí của rotor Các đại lượng điều khiển được thực hiện trên hệ tọa độ rotor (dq) thông qua các khâu biến đổi để chuyển thành đại lượng 3 pha cung cấp cho bộ điều khiển độ rộng xung Các đại lượng dòng điện đo được sử dụng các khâu biến đổi để biến thành các đại lượng dòng điện trong hệ tọa độ (dq)
Với giả thiết bỏ qua thành phần momen đập mạch nên sơ đồ điều khiển này không để cập tới việc bù các thành phần momen đập mạch này Cũng với giả thiết rằng thành phần momen phản kháng là không đáng kể nên trong sơ đồ này thành phần dòng điện theo trục d, id coi như bằng 0 Các bộ điều khiển dòng điện ở đây được sử dụng là bộ PI nhằm khử sai lệch tĩnh
Hình 2-10: Sơ đồ điều khiển vector trong hệ truyền động động cơ PMSM
Phương pháp điều khiển vector với bộ điều khiển chỉnh dòng điện và bộ điều biến độ rộng xung đã đem lại nhiều kết quả trong truyền động
- Điều khiển tốc độ chính xác
- Momen đạt cực đại ở tốc độ thấp
- Điều khiển momen thông qua dòng điện, đây là phương pháp điều khiển gián tiếp dễ gây nên sự chậm trễ trong điều khiển
- Đáp ứng momen dưới tác dụng của điều khiển dòng điện bị giới hạn bởi hằng số dây quấn phần ứng
- Không kiểm soát được từ thông stator
- Để điều khiển được dòng điện cần biết vị trí của rotor động cơ, vì vậy phải cần có bộ đo vị trí gây phức tạp trong truyền động
2.4.2 Điều khiển định hướng từ thông roto động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ( Roto flux oriented control)
Phương trình của một đồng bộ nam châm vĩnh cửu được cho bởi :
Phương trình (2.15) chỉ ra nếu có thể điều khiển tức thời dòng điện stator theo trục q thì có thể điều khiển được tức thời momen
Do từ thông roto nằm dọc theo trục d và được xác định bởi nam châm vĩnh cửu, điều khiển định hướng từ thông roto có thể đạt được với từ thông cố định bằng cách giữ cho thành phần stator ở trục d bằng 0
2.4.2.1 Các phương pháp điều khiển dòng Điều khiển dòng điện trong hệ quy chiếu cố định thường được sử dụng trong các mô hình điều khiển analog Hai dạng thông thường nhất là :
+ Điều khiển vòng trễ (hysteresis current control)
+ Điều khiển so sánh ( ramp – comparison current control)
Hình 2-11: Điều khiển vòng trễ trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
- Đáp ứng quá độ nhanh
- Mô hình đơn giản dễ thực hiện
- Điều khiển tốc độ chính xác
- Sai số trong quá trình quá độ lớn
- Tần số đóng ngắt thay đổi nhiều
- Sai số dòng điện cực đại lớn
Hình 2-12 : Điều khiển so sánh trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
- Loại bỏ được những nhược điểm trong phương pháp điều khiển vòng trễ
- Đáp ứng quá độ nhanh
- Không có sự kết hợp điều khiển dòng điện của các pha
- Không có khả năng điều khiển vector không
- Tổn hao đóng ngắt lớn
2.4.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen ( Direct Torque Control) Đây là một kỹ thuật điều khiển momen động cơ với một bộ biến tần nguồn áp Kỹ thuật mới này có ưu điểm là đơn giản vì không cần gắn cảm biến vào trục động cơ , giá thành và độ tin cậy cao, điều khiển hiệu quả và tính ổn định cao
Nội dung chính của phương pháp này dựa trên sự sai biệt giữa giá trị đặt và giá trị ước lượng từ các khâu tính toán hồi tiếp về của momen và từ thông Với một biến tần 3 pha đơn giản có thể cung cấp 8 vector điện áp tức thời, trong đó có 6 vector module khác 0 và 2 vector module 0 Ta có thể điều khiển trực tiếp momen theo 2 hướng :
- Điều khiển góc tải biên độ từ thông stator với cách này biên độ từ thông lớn sẽ gây ra bão hòa mạch từ, ở vùng tốc độ thấp ta không thể điều khiển được
- Điều khiển góc tải δ – góc lệch giữa từ thông stator và từ thông rotor đồng thời giữ biên đổi từ thông stator không đổi Ta tập trung nghiên cứu vấn đề này
+ Góc tải δ điều khiển thông qua việc lựa chọn các vector điện áp chuẩn Để đảm bảo giữ biên độ từ thông stator không đổi thì vector điện áp chuẩn được chọn phải đảm bảo lượng thay đổi từ thông là nhỏ nhất Do đó các vector chuẩn được chọn phải thỏa mãn yêu cầu tăng, giảm momen và tăng ,giảm từ thông tại vị trí đang xét của vector từ thông stator Việc lựa chọn các vector điện áp stator tủy thuộc vào sự sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực của momen và từ thông Từ đó xây dựng được 1 bảng chuyển mạch
Việc nghiên cứu điều khiển trực tiếp momen trong động cơ PMSM sẽ chứng minh : khi momen điện từ gia tăng trong động cơ PMSM tương ứng với sự gia tăng góc giữa từ thông stator và từ thông rotor, đáp ứng momen nhanh, điều này đạt được bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của từ thông stator càng nhanh càng tốt
Hình 2-13 : Sơ đồ DTC cổ điển cho động cơ đồng bộ n am châm vĩnh cửu
Đặc điểm chính của phương pháp DTC :
- Điều khiển trực tiếp momen và từ thông stator
- Điều khiển gián tiếp dòng điện và điện áp stator
- Ít phụ thuộc tham số máy điện , chỉ sử dụng duy nhất tham số Rs
- Không cần biết vị trí của rotor, kết cấu đơn giản , thời gian tác động nhanh
- Không phải chuyển hệ tọa độ
- Thời gian đáp ứng momen rất ngắn
- Tồn tại các vấn đề trong quá trình khởi động
- Yêu cầu phải ước lượng từ thông và momen Ψref
KẾT LUẬN
Trong chương 2 này chúng ta đã đi tìm hiểu về biến tần nguồn áp, các hệ tọa độ trong không gian cũng như mô hình toán học của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Các phương pháp điều khiển cho động cơ nam châm vĩnh cửu Ở chương 3 chúng ta sẽ tìm hiểu phần chính của đề tài đó là phương pháp điều khiển trực tiếp momen cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN
TỔNG QUÁT
Trong những năm gần đây với sự phát triển của các bộ xử lí tín hiệu số (DSP) tốc độ ngày càng cao thì phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC) càng được ứng dụng rộng rãi cho các hệ truyền động Ở mục IV của chương 2 đã trình bày những vấn đề cũng như phương pháp để điều khiển trực tiếp momen (DTC) của động cơ PMSM từ đó đưa ra hướng nghiên cứu điều khiển trực tiếp nhằm tăng nhanh momen trong hệ truyền động động cơ PMSM, ít ảnh hưởng bởi tham số máy, kết cấu đơn giản, không cần xác định vị trí của rotor là một hướng tiếp cận mới Tuy nhiên ở phương pháp DTC vẫn còn tồn tại một số hạn chế ở vùng tốc độ thấp ta không điều khiển được momen, gây tổn thất cho động cơ Đây là vấn đề đặt ra ta cần phải nghiên cứu
Trong thực tế đã nghiên cứu cho đến nay phương pháp điều khiển vector (FOC) đã được sử dụng rộng rãi nó đáp ứng momen khá tốt Trong các thuật toán điều khiển vector ta sử dụng hệ tọa độ đồng bộ để điều khiển thành phần dòng điện tương ứng Tuy nhiên phương pháp điều khiển này còn một số hạn chế như đã trình bày ở chương 2 Để khắc phục các nhược điểm của phương pháp điều khiển vector, hệ truyền động điều khiển trực tiếp momen được đặt ra có tính cấp thiết với hệ truyền động Khi đó hệ truyền động điều khiển trực tiếp momen động cơ PMSM có thể giải quyết các vấn đề đó
Nội dung chính của phương pháp là “ tạo xung kích thích van trực tiếp trên cơ sở sai lệch của từ thông stator và momen quay” DTC sử dụng dải trễ (hysterisis band) để điều khiển trực tiếp từ thông và momen của động cơ
Vấn đề cơ bản của phương pháp DTC là việc lựa chọn được vector điện áp thích hợp cung cấp cho động cơ Từ việc so sánh giá trị đặt và giá trị ước lượng của từ thông và momen.
ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN
Sơ đồ DTC cổ điển
Hình 3-1 : Sơ đồ cấu trúc DTC cổ điển Ở sơ đồ hình 2.10 ta thấy cấu trúc của phương pháp DTC gồm 4 khâu rõ rệt
Khâu 1 : đo điện áp và dòng điện Đo điện áp và dòng điện bằng phương pháp đo lường thông thường Dòng điện pha a,b đo được cùng với điện áp 1 chiều của biến tần và trạng thái chuyển mạch của bộ nghịch lưu qua các khâu chuyển đổi được đưa đến khâu 2
Khâu 2 : Khâu ước lượng từ thông và momen Đây là khâu quan trọng nhất của phương pháp điều khiển DTC
Các thông số khâu 1 được đưa vào khâu 2 Từ mô hình động cơ có thể dự đoán chính xác các yêu cầu ngõ ra là độ lớn từ thông , momen và vị trí các sector Do vậy đây được gọi là khâu ước lượng từ thông , momen của động cơ
Vector từ thông stator được tính theo điện áp stator và dòng điện stator trên hệ trục tọa độ cố định stator :
: là thành phần thực của ψs
: là thành phần ảo của ψs
- Độ lớn của từ thông stator :
- Momen được tính theo công thức :
Khâu 3 : bộ so sánh từ thông và momen
Hình 3-2: Khâu hiệu chỉnh từ thông trễ 2 vị trí, b-Khâu hiệu chỉnh momen trễ
Giá trị đặt của độ lớn từ thông và momen được so sánh với giá trị thực, sai số thu được sẽ là đầu vào cho 2 khâu trễ 2 và 3 vị trí như hình 3-2 Bộ so sánh trễ từ thông là bộ trễ 2 vị trí còn với momen là bộ trễ 3 vị trí
Ngõ ra của bộ so sánh từ thông nhận 2 giá trị : (0) thể hiện từ thông giảm, (+1) thể hiện từ thông tăng
Ngõ ra của bộ so sánh momen nhận 3 giá trị : (-1) cho biết momen giảm, (0) momen không đổi và (+1) momen tăng Đâu ra của 2 khối trễ này cùng với vị trí của vector từ thông sẽ là đầu vào của bảng chọn vector điện áp Vị trí của từ thông stator được chia làm 6 sector riêng biệt Sai số độ lớn từ thông stator và momen được giới hạn trong một dãy trễ (hysterisis band)
Khâu 4 : khối bảng chọn các vector điện áp tối ưu
Cơ sở chọn vector điện áp tối ưu :
Vector điện áp stator trong không gian được thể hiện:
Với vas, vbs, vcs là điện áp tức thời của các pha Khi các cuộn dây được nuôi bởi một biến tần nguồn áp thì va, vb, vc được xác định từ các công tắc bán dẫn Sa, Sb, Sc Theo đó va được nối với Ud nếu Sa có giá trị 1, ngược lại va nối đất, tương tự cho vb, vc
Biến tần nguồn áp hay còn gọi là bộ nghịch lưu 3 pha đã được trình bày ở chương 2 Bảng trạng thái đóng ngắt của các công tắc bán dẫn được cho trong bảng sau :
Bảng 3-1: Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu
Sa -1 nếu SW1 là OFF và SW4 là ON
1 nếu SW1 là ON và SW4 là OFF
Sb -1 nếu SW2 là OFF và SW5 là ON
1 nếu SW2 là ON và SW5 là OFF
Sc -1 nếu SW3 là OFF và SW6 là ON
1 nếu SW3 là ON và SW6 là OFF
Giá trị tức thời điện áp dây của bộ nghịch lưu được cho bởi :
Trong hệ thống 3 pha cân bằng, điện áp được tính theo điện áp dây theo công thức sau:
Vì vậy điện áp pha cung cấp cho động cơ dưới trạng thái đóng ngắt được cho như sau:
Ta có 6 vector điện áp khác không U1(100), U2(110), U3(010), U4(011),
U5(001), U6(101) và 2 điện áp vetcor không U0(000) , U7(111) Tám vector điện áp được biểu diễn qua công thức :
Các trạng thái của vector điện áp stator :
Hình 3-3 : Trạng thái các vector điện áp
Các vector điện áp ứng với các trạng thái như hình 2.12 được đặt trong các sector tương ứng như sau:
Hình 3-4 : Các sector trong hệ αβ
Nếu vector không gian từ thông stator nằm trong sector thứ i, với i=1,2 6 Biên độ vector từ thông có thể tăng bằng cách chọn các vector chuyển mạch
Ui, Ui+1, Ui-1, có thể giảm bằng cách chọn các vector Ui+2, Ui-2, Ui+3 Tốc độ của vetor từ thông stator bằng 0 nếu vector chuyển mạch không được chọn Giả sử ta có vector từ thông ψs trong setor 1 như hình vẽ sau :
Hình 3-5 : Vector từ thông stator trong sector 1
Tại điểm mút của vetor ψs ta vẽ các vector điện áp như trên , nếu từ thông tăng thì ψ=1, ngược lại ψ=0 Tương tự cho momen Khi đó ta có bảng chuyển mạch tối ưu
Như vậy khi biết vị trí của các vector từ thông Biết được từ thông tăng hay giảm so với từ thông đặt, momen tăng hay giảm hoặc không đổi so với momen đặt khi đó ta có các vector điện áp tương ứng đổng thời có các trạng thái chuyển mạch phù hợp
Bảng chuyển mạch tối ưu được đề xuất bởi 2 nhà sáng lập người Nhật I.Takahashi và T.Noguchi
Hình 3-2: Bảng chuyển mạch tối ưu
MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ ĐỒNG NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN TRÊN MATLAB
3.3.1 Sơ đồ mô phỏng động cơ PMSM trên Matlab Simulink
Hình 3-6 : Sơ đồ điều khiển động cơ đồng đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp DTC trên Simulink
3.3.2 Chi tiết các khối trong sơ đồ mô phỏng động cơ PMSM bằng phương pháp DTC
Sơ đồ gồm 2 phần chính : phần mạch lực và phần điều khiển
- Bộ biến tần nguồn áp : biến tần nguồn áp ở đây sử dụng IGBT được mô tả như hình bên dưới
- Khối động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Hình 3-7 : Bộ biến tần và khối động cơ nam châm vĩnh cửu
- Khối chuyển từ hệ tọa độ cơ bản abc sang hệ tọa độ αβ
Các công thức chuyển đổi :
- Khối ước lượng từ thông , momen và tính toán góc quay θ
Các công thức sử dụng :
Với p là số đôi cực của động cơ PMSM
Hình 3-10 : sơ đồ tính toán từ thông, momen và góc tải θ
- Khối xác định vị trí của các vetcor điện áp theo sector
Hình 3-11:Vector điện áp trong các sector
Dựa vào góc quay θ ta xác định n theo từng sector như sau :
Với n là vị trí các vector điện áp stator
Sử dụng một khối Matlab Function : function n = SECTOR(deta) n=0; if(deta>-pi/6)&(detapi/6)&(detapi/2)&(deta5*pi/6)&(deta-pi)&(deta-5*pi/6)&(deta-pi/2)&(deta
