Đang tải... (xem toàn văn)
Vũ Đức Tân, luận văn với đề tài “Mô hình hóa và điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ nhiều pha nam châm vĩnh cửu” đã được hoàn thành.. Thái Nguyên, ngày……tháng……năm 2023 Tá
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP _ HOÀNG PHAN ANH Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS VŨ ĐỨC TÂN Thái Nguyên – Năm 2023 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Hoàng Phan Anh Sinh ngày: 13 tháng 09 năm 1997 Học viên lớp cao học khoá 24 chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện đang công tác tại: Công ty TNHH Samsung Display Việt Nam Tôi xin cam đoan luận văn “Mô hình hóa và điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ nhiều pha nam châm vĩnh cửu” do thầy giáo TS Vũ Đức Tân hướng dẫn là nghiên cứu của tôi với tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Thái Nguyên, ngày…….tháng … năm 2023 Học viên Hoàng Phan Anh LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận tình giúp đỡ của thầy giáo TS Vũ Đức Tân, luận văn với đề tài “Mô hình hóa và điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ nhiều pha nam châm vĩnh cửu” đã được hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hướng dẫn TS Vũ Đức Tân đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày……tháng……năm 2023 Tác giả luận văn Hoàng Phan Anh Các từ viết tắt AC Alternating Current : Dòng điện xoay chiều ADALINE ADAptive LInear Neuron : Mạng thần kinh nhân tạo tuyến tính AI thích ứng ANN Artificial Intelligence : Trí tuệ nhân tạo BEV Artificial Neural Network: Mạng lưới thần kinh nhân tạo CBPWM Battery Electric Vehicle: PIN xe điện Carrier Based Pulse Width Modulation: Điều chế độ rộng xung dựa trên CCS-MPC sóng mang Continuous Control Set Model-based Predictive Control: Mô hình CE2I bộ điều khiển liên tục dự trên điều khiển dự đoán The Intelligent Integrated Energy Converter project: Dự án chuyển đổi năng DC lượng tích hợp thông minh DoF Direct Current: Dòng điện một chiều DTC Degrees of Freedom: Bậc tự do EMF Direct Torque Control: Điều khiển momen xoắn trực tiếp EMR Electromotive Force: Suất điện động ES Energetic Macroscopic Representation: Đại diện vĩ mô năng lượng est, est Electrical Source: Nguồn điện EV Estimated: ước lượng exp, exp Electrified Vehicle: Xe điện FCV experimental or experiment: kinh nghiệm FL Fuel Cell Vehicle: Xe chạy PIN nhiên liệu FM Fuzzy Logic: Lập luận mờ FOC Fictitious Machine: Máy ảo FS-MPC Field-Oriented Control: Điều khiển hướng trường Finite Set Model-based Predictive Control: Mô hình tập hợp hữu hạn dựa HEV trên điều khiển dự đoán HM Hybrid Electric Vehicle: Xe lai điện ICE Healthy Mode: Chế độ bình thường IGBT Internal Combustion Engine: Động cơ đốt trong IM Insulated-Gate Bipolar Transistor: Tranzitor lưỡng cực có cổng cách ly Induction Machine: Máy cảm ứng 1 L2EP Laboratory of Electrical Engineering and Power Electronics: PTN điện và ĐTCS LMS Least Mean Square: Bình phương nhỏ nhất mea, mea measured: đo lường MMF Magnetomotive Force: Lực từ MPC Model-based Predictive Control: Mô hình dựa trên điều khiển dự đoán MS Mechanical Source: Nguồn cơ học MTPA Maximum Torque Per Ampere: Moomen xoắn cực đại trên mỗi ampe OC Open Circuit: Hở mạch opt, opt optimal or optimization: tối ưu PI Proportional Integral: Tích phân tỉ lệ PIR Proportional Integral Resonant: Cộng hưởng tích phân tỉ lệ PMSM Permanent Magnet Synchronous Machine: Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu pu per unit: trên mỗi đơn vị PWM Pulse Width Modulation: Điều chế độ rộng xung PWM-DTC Pulse Width Modulation Direct Torque Control: PWM điều khiển momen xoắn trực tiếp RCA Robust Control Approach: Phương pháp điều khiển ổn định ref, ref reference: tham khảo RMS Root Mean Square: Gốc trung bình bình phương SC Short Circuit: Ngắn mạch SCL Similar Copper Losses: Tổn thất đồng tương tự ST-DTC Switching Table Direct Torque Control: Bảng chuyển đổi momen xoắn trực tiếp SVPWM Space Vector Pulse Width Modulation: PWM vector không gian VSI Voltage Source Inverter: Biến tần nguồn áp ZM Zero-sequence Machine: máy thứ tự không 2 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1 1 Máy n-pha được cung cấp bởi VSI n chân trong EV 16 Hình 1 2 Các khả năng khác nhau của cấu hình cuộn dây stato cho máy điện năm pha: hình sao (a), hình ngũ giác (b), hình sao năm cánh (c) và các đặc tính mô-men xoắn-tốc độ tương ứng (d) 17 Hình 1 3 Thay đổi cực điện từ trong truyền động nhiều pha để mở rộng phạm vi tốc độ: cặp cực p (a), kết hợp cặp cực p và 3p (b) và trường hợp tổng quát hơn (c) 18 Hình 1 4 Sơ đồ nguyên lý của PMSM n pha 21 Hình 1 5 Các máy ảo tương đương của máy n pha khi n lẻ 23 Hình 1 6 Các máy ảo tương đương của máy n pha khi n chẵn 23 Hình 1 7 Vòng điều khiển bên trong của truyền động PMSM n pha dựa trên kỹ thuật FOC 28 Hình 1 8 Vòng điều khiển bên trong của truyền động PMSM n pha dựa trên kỹ thuật ST-DTC 30 Hình 1 9 Vòng điều khiển bên trong của biến tần PMSM n pha dựa trên kỹ thuật PWM-DTC 31 Hình 1 10 Vòng điều khiển bên trong của truyền động PMSM n pha dựa trên kỹ thuật FCS-MPC 32 Hình 1 11 Các loại lỗi khác nhau trong truyền động n pha 33 Hình 2 1 Sơ đồ của PMSM năm pha 39 Hình 2 2 Phân tách máy năm pha thành ba máy ảo 40 Hình 2 3 Truyền động điện 42 Hình 2 4 Sự phân chia lại các pha ảo mới: a) máy chính, b) máy phụ 44 Hình 2 5 Mạch điện tương đương của từng máy ảo 46 Hình 2 6 Trục chiếu của mỗi hệ tọa độ: a) hệ tọa độ chính, b) hệ tọa độ phụ 47 Hình 2 7 PMSM năm pha, điều khiển điện áp hình sin 49 Hình 2 8 PMSM năm pha, điều khiển toàn sóng 49 Hình 2 9 PMSM năm pha, điều khiển PWM, FPWM = 10 kHz 50 Hình 2 10 Sơ đồ nguyên lý cơ bản của một mô hình hệ thống EMR 56 Hình 2 11 Cấu trúc cơ bản của xe điện 57 Hình 2 12 Cấu trúc EMR của xe điện 57 Hình 2 13 IBC của phần tử tích lũy năng lượng 58 Hình 2 14 Sơ đồ điều khiển của biến tần PMSM năm pha với điều khiển dòng điện được biểu thị bằng EMR 59 Hình 2 15 Sơ đồ điều khiển chung của truyền động PMSM năm pha với điều khiển tốc độ và dòng điện được biểu thị bằng EMR 63 3 Hình 2 16 Sơ đồ điều khiển của biến tần PMSM năm pha với điều khiển dòng điện được biểu thị bằng EMR 65 Hình 3 1 Sơ đồ điều khiển động cơ PMSM bằng phương pháp điều khiển FOC 68 Hình 3 2 Sơ đồ phân tách máy thực PMSM 5 pha 70 Hình 3 3 Hai máy ảo thứ nhất và thứ hai độc lập với nhau 72 Hình 3 4 Dòng điện trong hệ tọa độ d-q 72 Hình 3 5 Mô hình mô phỏng điều khiển trong MATLAB 73 Hình 3 6 Khối mô tả máy thực trong MATLAB 74 Hình 3 7 Khối chuyển đổi dòng điện 𝛼 − 𝛽 sang d-q 74 Hình 3 8 Khối chuyển đổi sức điện động từ 𝛼 − 𝛽 sang d-q 75 Hình 3 9 Bộ điều khiển dòng điện trong MATLAB 76 Hình 3 10 Khối điều khiển PI của id1 76 Hình 3 11 Khối điều khiển PI của iq1 77 Hình 3 12 Khối điều khiển PI của id2 77 Hình 3 13 Khối điều khiển PI của iq2 77 Hình 3 14 Đồ thị mô phỏng dòng điện các pha ở chế độ bình thường 79 Hình 3 15 Đồ thị mô phỏng Momen ở chế độ bình thường 79 Hình 3 16 Đồ thị mô phỏng dòng điện idq1_ref ở chế độ bình thường 80 Hình 3 17 Đồ thị mô phỏng dòng điện idq2_ref ở chế độ bình thường 80 Hình 3 18 Đồ thị mô phỏng dòng điện id1 ở chế độ bình thường 81 Hình 3 19 Đồ thị mô phỏng dòng điện iq1 ở chế độ bình thường 81 Hình 3 20 Đồ thị mô phỏng dòng điện id2 ở chế độ bình thường 82 Hình 3 21 Đồ thị mô phỏng dòng điện iq2 ở chế độ bình thường 82 Hình 3 22 Điều kiện không đối xứng của từ trường quay của máy điện năm pha khi pha a hở mạch 84 Hình 3 23 Các tham chiếu hiện tại trong toạ độ α-β cơ bản trong điều kiện sau sự cố với bất kỳ giá trị nào của x trong phương pháp 1 và 2 88 Hình 3 24 Các EMF nền cơ bản được chuẩn hóa trong toạ độ α-β với các giá trị khác nhau của x trong phương pháp 1 và 2 88 Hình 3 25 Dòng điện các pha ở chế độ bình thường 90 Hình 3 26 Dòng điện các pha khi ia=0 90 Hình 3 27 Các tham chiếu dòng điện mới khi pha a được mở trong phương thức 3 92 Hình 3 28 Dòng điện các pha khi máy ở chế độ bình thường 97 Hình 3 29 Momen của máy khi máy ở chế độ bình thường 97 Hình 3 30 Dòng điện điều khiển của các pha ở chế độ bình thường 98 Hình 3 31 Dòng điện các pha của máy khi pha a hở mạch 98 Hình 3 32 Dòng điện điều khiển của các pha khi pha a hở mạch 99 Hình 3 33 Đồ thị momen của máy khi pha a hở mạch 100 4 Hình 3 34 Dòng điện các pha của máy sau khi áp dụng ROTM 100 Hình 3 35 Dòng điện điều khiển của các pha sau khi áp dụng ROTM 101 Hình 3 36 Đồ thị momen của máy sau khi áp dụng ROTM 102 5 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Máy ảo, hệ tham chiếu và sóng hài liên quan của máy n pha 24 Bảng 2.1 Bốn máy ảo với các hệ tọa độ tham chiếu tương ứng và các sóng hài liên quan của máy năm pha (chỉ các sóng hài lẻ) 40 Bảng 2.2 Phân vùng lại sóng hài của PMSM năm pha 43 Bảng 3.1 Thông số hệ truyền động 75 Bảng 3.2 Thông số các bộ điều chỉnh PI 78 Bảng 3.3 Thông số điện của bộ biến và máy 85 Bảng 3.4 Tổng hợp các phương pháp sử dụng ma trận biến giảm bậc 88 6 MỤC LỤC CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN NHIỀU PHA Error! Bookmark not defined 1.1 Giới thiệu chung 9 1.1.1 Tóm tắt 9 1.1.2 Ưu điểm của hệ truyền động nhiều pha 11 1.1.3 Truyền động nhiều pha: Một ứng cử viên phù hợp cho xe điện 15 1.1.4.Cơ hội của truyền động nhiều pha trong ứng dụng ô tô 19 1.2 Cấu tạo của hệ truyền động nhiều pha 21 1.2.1 Mô hình hệ quy chiếu tự nhiên 21 1.2.2.Mô hình hệ quy chiếu stato tách rời 22 1.2.3 Mô hình hệ quy chiếu rotor 25 1.2.4 Tình trạng nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển truyền động nhiều pha 27 1.2.5 Các kỹ thuật điều khiển hiện có của truyền động nhiều pha ở chế độ bình thường 27 1.2.6 Các chiến lược kiểm soát hiện có cho các hoạt động sau lỗi 32 1.3 Mục tiêu của luận văn 37 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN NĂM PHA 38 2.1 Mô hình toán học hệ truyền động năm pha 38 2.1.1 Giới thiệu 39 2.1.2 Mô tả hệ thống 40 2.1.3 Phân tích sóng hài 41 2.1.4 Mạch điện tương đương 45 2.1.5 Mô hình toán học trong hai hệ tọa độ 𝛼𝛽 46 2.1.6 Phân tích trạng thái PMSM 5 pha theo chế độ cung cấp 47 2.1.7 Kết luận 50 2.2 Biểu diễn mô hinh hệ truyền động điện nhiều pha bằng phương pháp EMR 51 2.2.1 Giới thiệu chung phương pháp EMR 51 2.2.2 Nội dung cơ bản về EMR 53 2.2.3 Ví dụ minh họa về Mô hình hóa xe điện (Electric Vehicle- EV) 56 7