Điều khiển vector phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha trong điều kiện thời gian thực

B GIÁO DC VÀ ĐÀO TO TRNG ĐI HC BÁCH KHOA HÀ NI Phm Tâm Thành ĐIU KHIN VECTOR PHI TUYN CHO MÁY ĐIN XOAY CHIU BA PHA TRONG ĐIU KIN THI GIAN THC LUN ÁN TIN S ĐIU KHIN VÀ T ĐNG HÓA Hà Ni – 2014 B GIÁO DC VÀ ĐÀO TO TRNG ĐI HC BÁCH KHOA HÀ NI Phm Tâm Thành ĐIU KHIN VECTOR PHI TUYN CHO MÁY ĐIN XOAY CHIU BA PHA TRONG ĐIU KIN THI GIAN THC Chuyên ngành: K thut điu khin và t đng hóa Mã s: 62520216 LUN ÁN TIN S ĐIU KHIN VÀ T ĐNG HÓA NGI HNG DN KHOA HC: GS. TSKH. NGUYN PHÙNG QUANG Hà Ni - 2014 LI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cu ca tôi di s hng dn ca GS.TSKH. Nguyn Phùng Quang. Các s liu, kt qu trong lun án hoàn toàn trung thc và cha tng đc ai công b trong bt k công trình nào. Tác gi lun án Phm Tâm Thành LI CM N Lun án đc hoàn thành di s hng dn ca thy GS.TSKH. Nguyn Phùng Quang. Ngoài nhng ch dn v mt khoa hc, s đng viên và lòng tin tng ca thy dành cho tác gi luôn là đng lc ln giúp tác gi t tin và say mê trong nghiên cu. Qua đây tác gi xin bày t lòng bit n sâu sc và lòng quý mn đi vi thy. Tác gi cng xin đc bày t lòng bit n đn Ban lãnh đo, các thy, các đng nghip trong Trung tâm nghiên cu trin khai công ngh cao (Hitech) nay là Vin K thut Điu khin&T đng hóa, Trng Đi hc Bách Khoa Hà Ni đã to mt môi trng hc tp và nghiên cu thun li giúp tác gi hoàn thành lun án này. Ti đây tác gi đã nhn đc nhiu ch dn, góp ý cng nh mt môi trng khoa hc nghiêm túc và thân thin, điu không th thiu trong quá trình nghiên cu, hoàn thành lun án ca tác gi. Tác gi cng xin đc cm n các Thy, các anh ch, các bn đng nghip công tác ti B môn T đng hóa xí nghip công nghip, B môn Điu khin t đng, Vin Đin, Trng ĐH Bách Khoa Hà Ni, nhng ngi đã có nhng góp ý quý báu giúp tác gi hoàn thin lun án. Tác gi xin đc cm n Ban Giám hiu trng Đi hc Bách Khoa Hà Ni, Ban lãnh đo, các chuyên viên ca Vin Đào to Sau đi hc Trng ĐH Bách Khoa Hà Ni đã to mi điu kin h tr tác gi trong quá trình nghiên cu, hoàn thin lun án. Tác gi xin đc bày t lòng bit n đn Ban Giám hiu trng Đi hc Hàng Hi Vit Nam, Ban ch nhim Khoa Đin-Đin t, Ban ch nhim B môn, các anh ch đng nghip công tác ti B môn Đin t đng công nghip- Khoa Đin-Đin t, trng Đi hc Hàng Hi Vit Nam đã to điu kin thun li trong quá trình tác gi hc tp, công tác và hoàn thành lun án. Cui cùng, tác gi xin đc bày t lòng bit n đn gia đình, b m, v và con trai, nhng ngi luôn cm thông và đng viên tác gi trong quá trình hoàn thành lun án. Tác gi cng xin gi li cm n đn các bn bè, bn bè ngun đng viên to ln đi vi tác gi. Tác gi 1 MC LC DANH MC CÁC KÝ HIU VÀ CH VIT TT 4 DANH MC HÌNH NH,  TH 6 M U 12 1 TNG QUAN 16 1.1 Đt vn đ 16 1.2 Tng quan các phng pháp điu khin máy đin xoay chiu ba pha 17 1.3 Điu khin thi gian thc (realtime control, digital control) cho máy đin xoay chiu ba pha 23 1.3.1 B điu khin thi gian thc tuyn tính cho máy đin xoay chiu ba pha 23 1.3.2 B điu khin thi gian thc phi tuyn cho máy đin xoay chiu ba pha 23 1.4 Tình hình và đnh hng nghiên cu 24 1.4.1 Tình hình nghiên cu trong nc 24 1.4.2 Tình hình nghiên cu  nc ngoài 24 1.4.3 Đnh hng nghiên cu ca lun án 25 2 MÔ HÌNH MÁY IN XOAY CHIU BA PHA THÍCH HP CHO THIT K IU KHIN 26 2.1 Mô hình toán hc ca máy đin không đng b rotor lng sóc 26 2.2 Mô hình dòng phi tuyn dng affine ca máy đin không đng b rotor lng sóc 30 2.3 Mô hình gián đon bilinear ca máy đin không đng b rotor lng sóc thích hp vi điu khin thi gian thc 31 2.3.1 Nghim ca phng trình vi phân dng ma trn 32 2.3.2 Nghim ca phng trình bilinear 32 2.3.3 Mô hình trng thái gián đon ca máy đin không đng b rotor lng sóc s dng phng pháp Taylor 34 2.4 Kt lun chng 2 36 3 CÁC PHNG PHÁP THIT K IU KHIN PHI TUYN CHO MÁY IN XOAY CHIU BA PHA 37 3.1 Cu trúc điu khin phi tuyn cho máy đin không đng b rotor lng sóc s dng phng pháp tuyn tính hóa chính xác 37 2 3.1.1 Khái quát v phng pháp tuyn tính hoá chính xác 37 3.1.2 Cu trúc điu khin 39 3.2 Cu trúc điu khin phi tuyn cho máy đin không đng b rotor lng sóc theo nguyên lý h phng 40 3.2.1 Khái quát v nguyên lý h phng 40 3.2.2 Cu trúc điu khin 42 3.3 Cu trúc điu khin cho máy đin không đng b rotor lng sóc s dng phng pháp backstepping 45 3.3.1 Khái quát v phng pháp backstepping 45 3.3.2 Cu trúc điu khin 46 3.4 Kt lun chng 3 48 4 IU KHIN PHI TUYN THI GIAN THC CHO MÁY IN XOAY CHIU BA PHA 49 4.1 Cu trúc điu khin máy đin không đng b rotor lng sóc thit k theo phng pháp tuyn tính hóa chính xác 49 4.2 Cu trúc điu khin máy đin không đng b rotor lng sóc thit k theo nguyên lý h phng 55 4.3 Cu trúc điu khin máy đin không đng b rotor lng sóc thit k theo phng pháp backstepping 57 4.4 Kt lun chng 4 61 5 KT QU MÔ PHNG VÀ THÍ NGHIM 62 5.1 Kt qu mô phng cho máy đin không đng b rotor lng sóc 62 5.1.1 Mô phng cu trúc điu khin thit k theo phng pháp tuyn tính hóa chính xác 62 5.1.2 Mô phng cu trúc điu khin thit k theo nguyên lý h phng 79 5.1.3 Mô phng cu trúc điu khin thit k theo phng pháp backstepping 85 5.1.4. Đánh giá kt qu mô phng khi các cu trúc điu khin đc thit k theo các phng pháp khác nhau 88 5.2 Kt qu thí nghim 93 5.2.1 Cu trúc thc nghim và u th 93 5.2.2 Kt qu thí nghim đng c không đng b rotor lng sóc 95 5.3 Kt lun chng 5 104 3 KT LUN VÀ KIN NGH 105 TÀI LIU THAM KHO 106 DANH MC CÁC CÔNG TRÌNH Ã CÔNG B CA LUN ÁN 113 PH LC 114 Ph lc A: Mô hình ca máy đin đng b kích thích vnh cu 114 A1: Mô hình trng thái ca máy đin đng b kích thích vnh cu ta theo t thông cc 114 A2: Mô hình dòng affine 115 A3: Mô hình trng thái gián đon bilinear 116 Ph lc B: Mô hình ca máy đin không đng b ngun kép 117 B1: Mô hình trng thái ca máy đin không đng b ngun kép ta theo vector đin áp li 117 B2: Mô hình dòng affine 120 B3: Mô hình trng thái gián đon bilinear 121 Ph lc C: Các phng pháp thit k điu khin phi tuyn liên tc cho máy đin đng b kích thích vnh cu và không đng b ngun kép 122 C1: Máy đin đng b kích thích vnh cu 122 C2: Máy đin không đng b ngun kép 126 Ph lc D: Các cu trúc điu khin phi tuyn thi gian thc ca máy đin đng b kích thích vnh cu và không đng b ngun kép 131 D1: Máy đin đng b kích thích vnh cu 131 D2: Máy đin không đng b ngun kép 144 Ph lc E: Thông s ca các máy đin s dng trong quá trình mô phng và thc nghim 154 4 DANH MC CÁC KÝ HIU VÀ CH VIT TT , s r ww Tc đ góc ca các vector thuc mch đin stator, rotor w Tc đ góc c hc ca rotor s i Vector dòng stator ,,, s dsqs s iiii  Các thành phn ca vector dòng stator trên h ta đ dq và   r i Vector dòng rotor ,,, rd rq r r iiii   Các thành phn ca vector dòng rotor trên h ta đ dq và   s Y Vector t thông stator , s dsq yy Các thành phn ca vector t thông stator trên h ta đ dq r  Vector t thông rotor , rd rq yy Các thành phn ca vector t thông stator trên h ta đ dq s u Vector đin áp stator , s dsq uu Các thành phn ca vector đin áp stator trên h ta đ dq A Ma trn h thng B Ma trn đu vào N Ma trn tng tác phi tuyn u Vector bin đu vào x Vector bin trng thái y Vector bin đu ra r Vector bc tng đi ()Lx Ma trn tách kênh m L H cm gia stator và rotor , s r LL Đin cm stator và rotor , s r LL   Đin cm tn phía stator và rotor , s r R R Đin tr stator và rotor  H s t tn toàn phn p z S cp cc , M W mm Mômen quay ca đng c, mômen ti J Mômen quán tính c KĐB Không đng b KĐB-NK Không đng b ngun kép 5 KĐB-RLS Không đng b rotor lng sóc TTHCX Tuyn tính hóa chính xác TKTT Tách kênh trc tip ĐB Đng b ĐB-KTVC Đng b kích thích vnh cu ĐB-KTĐL Đng b kích thích đc lp MĐXCBP Máy đin xoay chiu ba pha ĐCVTKG Điu ch vector không gian ĐCD Điu chnh dòng ĐC Điu chnh TTR T thông rotor T 4 R Ta t thông rotor TTGĐ Trng thái gián đon ĐLĐK Đi lng điu khin ĐK Điu khin QS Quan sát DFIM Doubly-Fed Induction Machine IM Induction Motor PI Proportional–integral controller PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor PWM Pulse Width Modulation FRT Finite respone time RTI Real time interface RFO Rotor Flux Orientation SFO Statator Flux Orientation NFO Natural Field Orientation GAS Globally asymptotically stable MIMO Multi-Input – Multi-Output MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Tranzitor PC Personal computer ISA Integrated Systems Architecture DSP Digital Signal Processor IGBT Insulated Gate Bipolar Tranzitor 6 DANH MC HÌNH NH,  TH Trang Hình 1.1 Các loi máy đin xoay chiu ba pha 16 Hình 1.2 Các phng pháp điu khin đi tng MĐXCBP 17 Hình 1.3 H thng hóa các phng pháp điu khin MĐXCBP 18 Hình 1.4 Các phng pháp điu khin vector phi tuyn cho MĐXCBP 19 Hình 2.1 Đc đim phi tuyn bilinear ca mô hình máy đin KĐB trên h ta đ ta t thông rotor 27 Hình 2.2 Đc đim phi tuyn bilinear ca mô hình dòng máy đin KĐB-RLS trên h ta đ ta t thông rotor 29 Hình 2.3 Các phng án tìm mô hình trng thái gián đon 31 Hình 3.1 Cu trúc ca đi tng phi tuyn sau khi đã TTHCX (chuyn ta đ trng thái) 38 Hình 3.2 Cu trúc điu khin phi tuyn máy đin KĐB-RLS thit k theo phng pháp tuyn tính hóa chính xác [62] 40 Hình 3.3 Cu trúc b điu khin truyn thng [83] 41 Hình 3.4 Cu trúc h thng thit k theo nguyên lý h phng [83] 42 Hình 3.5 Cu trúc điu khin phi tuyn máy đin không đng b rotor lng sóc thit k theo nguyên lý h phng [19] 43 Hình 3.6 Cu trúc điu khin phi tuyn máy đin KĐB-RLS thit k theo nguyên lý h phng (có b sung thêm khâu thit lp qu đo phng cho mch vòng dòng) 43 Hình 3.7 Cu trúc h “dng tam giác di” và phng pháp đ quy (backstepping) tìm hàm điu khin Lyapunov 46 Hình 3.8 Cu trúc điu khin phi tuyn máy đin KĐB-RLS thit k theo phng pháp backstepping [20] 47 Hình 3.9 Cu trúc điu khin phi tuyn máy đin KĐB-RLS thit k theo phng pháp backstepping 47 Hình 4.1 Cu trúc điu khin phi tuyn máy đin KĐB-RLS thit k theo phng pháp tuyn tính hóa chính xác [62] 55 Hình 4.2 Cu trúc điu khin máy đin KĐB-RLS thit k theo nguyên lý h phng 57 [...]... gián o n c a máy i n xoay chi u ba pha thi t k các c u trúc i u khi n - Cài t thu t toán i u khi n cho máy i n xoay chi u ba pha 25 2 MÔ HÌNH MÁY I N XOAY CHI U BA PHA THÍCH H P CHO THI T K I U KHI N Trong ch ng này, lu n án s t p trung vào mô hình t ng quát c a máy i n xoay chi u ba pha, mô hình dòng affine và mô hình tr ng thái gián o n c a máy i n xoay chi u ba pha Mô hình c th ch xét cho máy i n không... khi n vector phi tuy n cho máy i n xoay chi u ba pha trong i u ki n th i gian th c” it ng nghiên c u: Máy i n xoay chi u ba pha lo i không ng b ng b ngu n kép và ng b kích thích v nh c u rotor l ng sóc, không M c ích nghiên c u: Bài toán gi i quy t v n cài t th i gian th c các c u trúc phi tuy n cho l p i t ng máy i n xoay chi u ba pha 12 i u khi n Ph m vi nghiên c u: Máy i n xoay chi u pha pha v n... khi n phi tuy n cho máy i n xoay chi u ba pha trên mi n th i gian gián o n ó c ng chính là lý do tác gi ch n tài:” i u khi n vector phi tuy n cho máy i n xoay chi u ba pha trong i u ki n th i gian th c” Tác gi xác nh các nhi m v t c m c tiêu ó là: - Ch ra c ph ng pháp gián o n hóa mô hình c a i t ng phi tuy n, c th là các lo i máy i n xoay chi u ba pha - Áp d ng các ph ng pháp thi t k i u khi n phi tuy... khi n phi tuy n phù h p v i ch phi tuy n c a máy i n xoay chi u ba pha v n hành Máy i n xoay chi u ba pha g m 3 lo i: máy i n không ng b rotor l ng sóc, máy i n ng b kích thích v nh c u, máy i n không ng b ngu n kép cho t p trung và tránh r m rà trong các ch ng ch trình bày các k t qu nghiên c u cho m t lo i máy i n i n hình: máy i n không ng b rotor l ng sóc, các k t qu nghiên c u cho hai lo i máy i... trích d n trong Ph l c Ph n cu i là k t lu n và ki n ngh c a lu n án 15 1 T NG QUAN 1.1 tv n Hi n nay, chúng ta u bi t n hi u qu kinh t cao và ti n l i v k thu t trong s d ng máy i n xoay chi u ba pha trong c ng d ng công nghi p l n dân d ng Do nh ng u i m quan tr ng c a máy i n xoay chi u ba pha mà vi c ng d ng r ng rãi máy i n xoay chi u ba pha là v n c p thi t t ra Máy i n xoay chi u ba pha (M XCBP)... thi t k cu n chi u backstepping là các ph ng pháp có th kh thi trong khi tri n khai các ng d ng Ph n sau ây ta s t ng quan l i các công trình s d ng các ph thi t k phi tuy n cho i t ng máy i n xoay chi u ba pha 1.2.1 Ph ng pháp thi t k chi u ba pha tuy n tính hóa chính xác cho máy ng pháp i n xoay Ph ng pháp thi t k tuy n tính hóa chính xác cho máy i n xoay chi u ba pha c công b trong m t lo t các... i u khi n phi tuy n: ph ng pháp tuy n tính hóa chính xác, ph ng pháp d a trên nguyên lý h ph ng, ph ng pháp thi t k cu n chi u (backstepping), t ó a ra các c u trúc i u khi n cho máy i n xoay chi u ba pha Ch ng 4 s d ng các k t qu thu c ch ng 2 là mô hình hóa c a máy i n xoay chi u ba pha Th c hi n thi t k i u khi n phi tuy n tr c ti p trên mi n th i gian gián o n cho máy i n xoay chi u ba pha Ch ng... nh h ng c a nhi u, nh h ng c a s 1.3 i u khi n th i gian th c (realtime control, digital control) cho máy i n xoay chi u ba pha 1.3.1 B pha i u khi n th i gian th c tuy n tính cho máy i n xoay chi u ba Các công trình [13], [14], [31], [32], [33], [39], [43], [51], [58], [62], [67], [69], [74] th c hi n i u khi n s cho l p i t ng máy i n xoay chi u ba pha v i ph ng pháp thi t k là tuy n tính i n hình... l p i t ng máy i n xoay chi u pha pha trong mi n gián o n 1.4.2 Tình hình nghiên c u n c ngoài Trong nh ng n m g n ây, trên th gi i bên c nh các ph ng pháp kinh i n, các ph ng pháp nghiên c u h phi tuy n sau ây ang c xem xét và áp d ng cho i u ch nh t ng máy i n xoay chi u ba pha: - V ph ng pháp tính hoá chính xác: các công trình ng d ng ph ng pháp này cho l p i t ng máy i n xoay chi u ba pha [27],... c do giá tr ban u gây nên Các ph ng pháp thi t k i u khi n tuy n tính cho l p i t ng máy i n xoay chi u ba pha ã chín mu i và g n nh hoàn h o v tính n ng và ch t l ng [13], [14], [51], [67], [73], [74], [77] Do v y lu n án này tác gi không i sâu xem xét các ph ng pháp i u khi n tuy n tính cho i t ng máy i n xoay chi u ba pha Các ph ng pháp i u khi n phi tuy n cho máy i n xoay chi u ba pha là h ng nghiên . khin máy đin xoay chiu ba pha 17 1.3 Điu khin thi gian thc (realtime control, digital control) cho máy đin xoay chiu ba pha 23 1.3.1 B điu khin thi gian thc tuyn tính cho máy. đ cài đt thi gian thc các cu trúc điu khin phi tuyn cho lp đi tng máy đin xoay chiu ba pha 13 Phm vi nghiên cu: Máy đin xoay chiu pha pha vn hành  ch đ phi tuyn, khi. bilinear ca máy đin xoay chiu ba pha, tng quát hóa dng phng trình mô t lp máy đin xoay chiu ba pha, tng quát hóa dng phng trình mô t mô hình dòng ca máy đin xoay chiu ba pha 2.