ĐIỀU KHIỂN SENSORLESS ĐỘNG cơ KHÔNG ĐỒNG bộ BA PHA

Động cơ không đồng bộ ĐCKĐB được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống.Các phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB được phân thành 3 nhóm:  Điều khiển vô hướng.. 3.1 Phương pháp điều

ĐIỀU KHIỂN SENSORLESS ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

HVTH: HUỲNH VIẾT THỂ GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống.

Các phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB được phân thành 3 nhóm:

 Điều khiển vô hướng.

 Điều khiển trực tiếp moment.

3/44

¬ = L & + L &

& I s &

I r &

& r r I sr

2.1.2 Trên hệ tọa độ stator:

(7) (8)

f

(9) (10)

(11) (12)

2.2 Mô hình ĐCKĐB trên hệ tọa độ stator:

3.1 Phương pháp điều khiển vô hướng:

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stator

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực

- Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số

9/44

(Điều khiển định hướng từ thông FOC)

Nguyên lý điều khiển: điều khiển tách rời từ

thông và momen tương tự như động cơ DC kích

Hình 1: Sơ đồ khối cơ bản của phương pháp FOC

11/44

- Điều khiển trực tiếp:  r có được bằng cách đo từ thông khe hở không khí hoặc bằng cách ước

Hình 2: Sơ đồ khối điều khiển vecto trực tiếp

13/44

14/44

3.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC):

Nguyên lý điều khiển: dựa trên sai số của các giá trị đặt và giá trị ước lượng, thông qua các tín hiệu điều khiển đóng cắt các khóa công suất nhằm mục đích giảm sai số momen và từ thông trong phạm vi cho phép được xác định trước.

15/44

16/44

Điều khiển Sensorless là một dạng đặc biệt của phương pháp FOC không có hồi tiếp tốc độ.

Tốc độ sẽ được ước lượng bằng các phương pháp sau:

- Tính toán độ trượt

- Tổng hợp trực tiếp từ các phương trình trạng thái

- Quan sát tốc độ đáp ứng từ thông

- Bộ lọc mở rộng Kalman

- Đưa tín hiệu phụ vào rotor cực lồi

17/44

Nguyên lý: ngõ ra của mô hình tham chiếu

được so sánh với ngõ ra của mô hình có thể

điều chỉnh được hay mô hình đáp ứng cho đến khi sai số mô hình tiến tới 0

ng trìn

h sta to

T

r

M ô

h ì n

h đ á

p ứ n

g

P h ư ơ

n g tr ì n h roto



' s

Ước lươn

g tốc độ Thuật toán đáp ứng

1 ' s T r s

d ¬ ' s  − r ¬ qr i s s i s ¬

Hình 6: Khối mô phỏng ước lượng tốc độ

20/44

21/44

Hình 8: Khối mô hình đáp ứng

22/44

5.1.1 Sơ đồ mô phỏng:

Hình 9: Sơ đồ mô phỏng ĐCKĐB trên 3 hệ tọa độ

23/44

Hình 10: Biểu đồ momen và tốc độ

25/44

Hình 10: Đáp ứng tốc độ

26/44

Hình 11: Đáp ứng momen

27/44

Nhận xét:

Các đại lượng được quan sát thể hiện trên các

hệ tọa độ là giống nhau, điều đó chứng tỏ mô hình toán ĐCKĐB ba pha được xây dựng trên các hệ tọa độ thông qua các khâu chuyển trục là hoàn

toàn chính xác.

28/44

FOC và SENSORLESS :

5.2.1 Sơ đồ mô phỏng:

Hình 14: Sơ đồ mô phỏng ĐCKĐB bằng FOC và SENSORLESS

29/44

- Sơ đồ mô phỏng bằng phương pháp FOC :

Hình 15: Sơ đồ mô phỏng ĐCKĐB bằng phương pháp FOC

30/44

Hình 16: Sơ đồ mô phỏng ĐCKĐB bằng phương pháp SENSORLESS

31/44

5.2.2 Mô phỏng động cơ với sự thay đổi tốc độ:

- Khi không tải

Hình 17: Biểu đồ tốc độ khi không tải

31/44

32/44

Nhận xét: trong phương pháp đk SENSORLESS

297.5

5.2.2 Mô phỏng động cơ với sự thay đổi tốc độ:

- Khi tải định mức

Hình 20: Biểu đồ tốc độ khi tải định mức

34/44

35/44

Tốc độ (rad/s)

296.2

5.2.3 Mô phỏng đc với sự thay đổi tốc độ và tải:

- ω = 59.5 rad/s (10 Hz)

Hình 23: Biểu đồ mô phỏng khi tốc độ ω = 59.5 rad/s

37/44

38/44

Nhận xét: trong phương pháp đk SENSORLESS

Đáp ứng chậm khi có sự

5.2.3 Mô phỏng đc với sự thay đổi tốc độ và tải:

- ω = 297.5 rad/s (50 Hz)

Hình 26: Biểu đồ mô phỏng khi tốc độ ω = 297.5 rad/s

40/44

41/44

Nhận xét: trong phương pháp đk SENSORLESS

Đáp ứng chậm khi có sự

Điều khiển Sensorless có ưu điểm hơn Foc do

có momen khởi động lớn và dòng khởi động nhỏ

Hạn chế:

- Luôn có sự đáp ứng chậm của momen và tốc độ

- Có sự dao động của từ thông

43/44

nhận dạng thích nghi thông số động cơ do

điện trở stator và rotor thay đổi theo nhiệt độ của động cơ

44/44

XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN

SỰ THEO DÕI CỦA THẦY CÔ

VÀ CÁC BẠN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công ình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kếtquả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất

kỳ các công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đở cho việc thực hiện luận văn đã được cảm

ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được trích dẫn nguồn gốc

Học viên thực hiện luận văn

tr

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn nầy, tôi đã nhận được sựhướng dẫn và giúp đở nhiệt tình của quí Thầy cô Trường Đại Học Kỹ Thuật CôngNghệ TP.HCM và Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM

Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn đến quí Thầy cô Trường Đại Học KỹThuật Công Nghệ TP.HCM đã tận tình dạy bảo cho tôi suốt thời gian học tập tạitrường

Tôi xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Lê Minh Phương, Trường Đại HọcBách Khoa TP.HCM, đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu

và giúp đở tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp nầy

Nhân đây, tôi ũcng xin chân thành cảm ơn BGH Trường Đại Học Kỹ ThuậtCông Nghệ TP.HCM cùng quí Thầy cô trong Khoa Điện-Điện tử, BGĐ Công Ty CổPhần Long Hiệp, gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt khóa học.Mặc dù đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiêt tình vànăng lực của mình, tuy nhiên tôi cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mongnhận được những đóng góp quí báu của Thầy cô và các bạn

HUỲNH VIẾT THỂ

TÓM TẮT

Ngày nay việc sử dụng Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) trong các hệ thốngtruyền động đã trở nên rất phổ biến do tính ưu việt của nó Việc nghiên cứu và đềxuất các phương pháp điều khiển tối ưu trên nền tảng các lý thuyết về máy điện, lýthuyết điều khiển cũng như các tiến bộ về công nghệ là hết sức cần thiết Hiện tại, cácphương pháp điều khiển tốc độ động cơ được chia thành ba nhóm chính:

- Điều khiển vô hướng

- Điều khiển vecto

- Điều khiển trực tiếp momen

Trong phương pháp điều khiển vecto (hay còn gọi là phươ ng pháp điều khiểntựa hướng từ thông rotor - FOC) tốc độ ω hồi tiếp từ ngõ ra động cơ sẽ được dùng đểxác định thông số ψr và góc θ

Một dạng đặc biệt của phương pháp FOC là phương pháp SENSORLESS,phương pháp nầy sử dụng bộ ước lượng tốc độ để thay cho việc hồi tiếp tốc độ ω từngõ ra của động cơ Ở đây, các giá trị là dòng i abc và uabc được dùng để làm các thông

số đầu vào cho bộ ước lượng

Đề tài “ Điều khiển Sensorless động cơ không đồng bộ ba pha” sẽ đi sâu vàoviệc xây dựng mô hình bộ ước lượng tốc độ theo phương pháp MRAS, sau đó sosánh với phương pháp FOC để đưa ra đặc trưng đáp ứng của từng phương pháp

So với phương pháp FOC thì phương pháp SENSORLESS có ưu điểm hơn dokhông phải sử dụng cảm biến tốc độ (thường gặp khó khăn trong việc xử lý các vấn

đề kỹ thuật liên quan) Vấn đề thiết lập thuật toán để nhận dạng thích nghi thông sốđộng cơ theo nhiệt độ thì cần được quan tâm và là hướng phát triển của đề tài

ABSTRACT

Nowaday, the Induction Motor (IM) is used widely in the electrical drivesbecause of its advantages Studying and proposing optimum control methods withbasic are electrical theories, controlling theories as well as the development of

technologies are very necessary At present, methods to control the IM are dividedinto three main groups:

- Scalar Control

- Vector Control

- Direct Torque Control

In the Vector Control Method (it is called also Field Oriental Control – FOC)the feedback of speed ω will be used to determine parameters are Flux Rotor ψr andangular deflection θ

A special form of FOC Method is Sensorless Method In this method, it have tobuilt the Estimate Speed Block in order to create parameter ω and it will replace forthe feedback speed from the induction motor output In there, two values are current

iabc and voltage uabc are used to create input parameters of the Estimate Speed Block.The composition “ The Induction Motor Control by Sensorless Method” will useMRAS Method to build the Estimate Speed Block and compare it with FOC Method

to decrible diference of two methods

The Sensorless Method has more advantage than FOC Method because it donot use the encorder The establishment of algorithms in order to adaptly identify IMparameters according to temperature Those are interested in problems as well as thedeveloping direction of this composition

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iLỜI CẢM ƠN iiTÓM TẮT iiiABSTRACT ivMỤC LỤC vDANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ixDANH MỤC CÁC HÌNH xiLỜI MỞ ĐẦU 1TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

KHÔNG ĐỒNG BỘ 3Chương 1: MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.1 Mô hình toán của ĐCKĐB ở chế độ xác lập 101.2 Mô hình động của động cơ không đồng bộ 121.3 Các phương trình toán học cơ bản 151.4 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ stator 181.5 Mô hình trạng thái của động cơ trong hệ trục quay dq 231.5.1 Các phép chuyển dổi hệ trục tọa độ 231.5.1.1 Phép chuyển đổi abc → αβ và αβ → abc 231.5.1.2 Phép chuyển đổi αβ → dq và dq → αβ 251.5.2 Mô hình trạng thái của động cơ trong hệ trục quay dq 26Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB 302.1 Đáp ứng của động cơ không đồng bộ 302.1.1 Đáp ứng của ĐCKĐB ở chế độ tĩnh 32

2.1.2 Giản đồ vectơ 362.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 372.2.1 Điều khiển điện áp stator 372.2.2 Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ với bộ biến tần

nguồn áp 392.2.2.1 Hoạt động với tần số dưới định mức (a < 1) 402.2.2.1.1 Phương pháp từ thông không đổi (E/f = const) 402.2.2.1.2 Phương pháp V/f = const 432.2.2.2 Hoạt động với tần số trên định mức (a > 1) 442.2.3 Mômen và công suất động cơ khi làm việc với biến tần

nguồn áp 452.2.4 Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ với bộ biến tần

nguồn dòng 472.2.4.1 Phân tích hoạt động của động cơ ở tần số định mức 472.2.4.2 Phân tích hoạt động của động cơ với bộ biến tần

nguồn dòng 512.2.5 Phương pháp ều khiển trực tiếp moment (DTC) 53

2.2.5.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực tiếp moment DTC 542.2.5.2 Ước lượng từ thông và moment 552.2.5.3 Bảng tham chiếu 562.2.6 Phương pháp điều khiển tựa hướng trường (FOC) 572.2.6.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp 592.2.6.2 Phương pháp điều khiển gián tiếp 612.2.6.3 Ưu điểm 632.2.6.4 Nhược điểm 63

đi

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG

(FIELD ORIENTED CONTROL – FOC) 643.1 Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha 663.2 Các hệ tọa độ và phép biến đổi trục 663.2.1 Hệ tọa độ α-β 663.2.2 Phép chuyển trục αβ-abc 673.2.3 Phép chuyển trục abc-αβ 683.2.4 Hệ tọa độ d-q 683.3 Mô hình toán trên hệ tọa độ α-β 693.4 Mô hình toán trên hệ tọa độ d-q 723.5 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông

(FOC – Field Oriented Control) 743.5 743.5.2 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor

trực tiếp-(DRFOC) 763.5.3 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor

gián tiếp-(IRFOC ) 79Chương 4: ĐIỀU KHIỂN VECTO KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN

(SENSORLESS VECTOR CONTROL) 814.1 Các phương pháp ước lượng tốc độ 834.1.1 Tính toán độ trượt 834.1.2 Tổng hợp trực tiếp từ phương trình trạng thái 844.1.3 Hệ thống mô hình đáp ứng sự tham chiếu (MRAS) 864.1.4 Quan sát tốc độ đáp ứng từ thông (Quan sát Luenberger) 894.1.5 Bộ lọc mở rộng Kalman (EKF) 934.1.6 Khe các sóng hài 974.1.7 Đưa tín hiệu phụ vào roto cực lồi 974.2 Điều khiển trực tiếp vectơ không dùng tín hiệu tốc độ 98

4.2.1 Biểu đồ ước lượng từ thông stator dùng mạch lọc

thông thấp xếp tầng 984.2.2 Bộ khởi động máy điện với các phương trình mô hình

dòng điện 103Chương 5: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB 1075.1 Mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha trên

các hệ tọa độ ABC,αβ và dq 1075.1.1 Sơ đồ các khối mô phỏng 1075.1.2 Mô phỏng 1115.2 Mô phỏng điều khiển ĐCKĐB ba pha bằng các phương pháp

FOC & SENSORLESS 1155.2.1 Nguyên lý hoạt độngcủa phương pháp FOC 1155.2.1.1 Khối động cơ 1175.2 1.2 Khối chuyển đổi các hệ tọa độ 1185.2.1.3 Khối ước lượng từ thông 1195.2.2 Nguyên lý hoạt động của phương pháp Sensorless 1215.2.2.1 Khối chuyển trục αβ sang abc 1225.2.2.2 Khối ước lượng tốc độ 1225.2.3 Mô phỏng 1275.2.3.1 Mô phỏng động cơ khi thay đổi tốc độ 1275.2.3.2 Mô phỏng động cơ khi thay đổi đồng thời tải và tốc độ 1325.3 Kết luận 138KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 139TÀI LIỆU THAM KHẢO

dòng stator trên trục d (A)

dòng stator trên trục q (A)

dòng stator trên trục α (A)

dòng stator trên trục β (A)

hằng số thời gian rotor

hằng số thời gian stator

điện áp (V)

điện áp stator trên trục d (V)

điện áp stator trên trục q (V)

điện áp stator trên trục α (V)

điện áp stator trên trục β (V)

góc của trục rotor trong hệ tọa độ αβ (rad)

góc của trục d so với trục rotor (rad)

góc của trục d trong hệ tọa độ αβ (rad)

hệ số từ tản tồng

từ thông (Wb)

từ thông móc vòng (A.vòng)

tốc độ góc của stator sovới rotor (rad/s)

tốc độ góc của một hệ tọa độ bất kì (rad/s)

tốc độ góc của từ thông rotor so với stator (rad/s)tốc độ góc của từ thông stator so với stator (rad/s)tốc độ góc của từ thông rotor so với rotor (rad/s)Direct Torque Control

Extended Kalman Filter

Field Oriented Control

MRAS Model Referencing Adaptive System

PCLPF Programmable Cascaded Low-Pass Filter

PLL Phase Locked Loop

DANH MỤC CÁC HÌNH

Chương 1: MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Hình 1.1: Đặc tính cơ tiêu biểu của ĐCKĐB lớp A, B, C, D

(Tiêu chuẩn NEMA – Mỹ) 10Hình 1.2: Mô hình ĐCKĐB 10Hình 1.3: Hệ trục tọa độ abc và hệ trục tọa độ αβ 13Hình 1.4: Các vecto sức từ động từ động khi θ = ωt = 0 13Hình 1.5: Các vecto sức từ động từ động khi θ = ωt = 60o 13Hình 1.6: Các thành phần của lực từ động trong hệ trục tọa độ stator 14Hình 1.7: Vecto dòng stator trên hệ tọa độ cố định αβ và hệ tọa độ quay dq 18Hình 1.8: Dòng điện stator is trong hệ tọa độ abc và hệ tọa độ αβ 24Hình 1.9: Vecto không gian dòng stator trên hệ tọa độ αβ và hệ tọa độ dq 25Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘHình 2.1: Mạch tương đương một pha ĐCKĐB 32Hình 2.2: Mạch tương đương một pha ĐCKĐB quy đổi về stator 32Hình 2.3: Mạch tương đương Thevenin suy ra từ hình (2.2) 33Hình 2.4: Mạch tương đương gần đúng của ĐCKĐB 33Hình 2.5: Giản đồ vecto mạch tương đương một pha của ĐCKĐB 36Hình 2.6: Đặc tính ĐCKĐB khi điều chỉnh điện áp stator 37Hình 2.7 : Mạch điều khiển điện áp 3 pha 38Hình 2.8 : Họ đặc tính cơ khi điều chỉnh theo qui luật E/f = const (a<1) 40Hình 2.9 : Họ đặc tính cơ khi điều chỉnh theo qui luật V/f = const (a<1) 43Hình 2.10 : Họ đặc tính cơ khi điều chỉnh theo qui luật V/f = const (a>1) 48

Hình 2.11: Đặc tính động cơ không đồng bộ hoạt động với nguồn dòng ở tần số

định mức 41Hình 2.12: Quan hệ I1(sl) để từ thông động cơ là định mức 49Hình 2.13: Đặc tính cơ của ĐCKĐB làm việc với biến tần nguồn dòng 53Hình 2.14: Sơ đồ hệ thống điều khiển trực tiếp moment DTC 54Hình 2.15: Mặt phẳng αβ được chia thành 6 phần khác khau tương ứng với

các vector đỉnh 55Hình 2.16: Sơ đồ khối cơ bản của phương pháp FOC 59Hình 2.17: Sơ đồ khối điều khiển định hướng theo vectơ từ thông rotor trực tiếp 59Hình 2.18: Sơ đồ khối điều khiển định hướng theo vectơ từ thông rotor gián tiếp 61Chương 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG

(FIELD ORIENTED CONTROL – FOC)

Hình 3.1: Sự kích từ độc lập của động cơ DC 64Hình 3.2: Điều khiển vectơ ĐCKĐB 65Hình 3.3: Hệ tọa độ dq 65Hình 3.4 Vector không gian điện áp stator trên hệ α-β 67Hình 3.5: Phép chuyển trục αβ-abc 67Hình 3.6 : Vector không gian điện áp stator trên hệ tọa độ d-q 68Hình 3.7: Các đại lượng is , ψr cuả động cơ trên các hệ trục tọa độ 69Hình 3.8: Hệ trục α-β và d-q 72Hình 3.9: Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông 76Hình 3.10: Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp 77Hình 3.11: Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp 80Chương 4: ĐIỀU KHIỂN VECTO KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN

(SENSORLESS VECTOR CONTROL)

Hình 4.1: Hệ thống điều khiển Sensorless 82