tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG hệ TRUYỀN ĐỘNG DÙNG ĐỘNG cơ ĐỒNG bộ

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - NGUYỄN THỊ NGOAN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG DÙNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ Chuyên ngành: Tự Động Hóa Mó số: TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2011 Luận văn hồn thành trường Đại học Kỹ tuật Cơng nghiệp Thái Nguyên Luận văn hoàn thành trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp Thái Nguyên Cỏn HDKH : TS Vừ Quang Vinh Phản biện : TS Trần Xuõn Minh Phản biện : TS Trần Trọng Minh Luận văn bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phũng cao học số , trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Vào 14 30 phút ngày tháng năm 2011 Cú thể tỡm hiển luận văn Trung tâm Học liệu Đại học Thái Nguyên Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công MỞ ĐẦU Nguyên tắc truyền động điều chỉnh động đồng biết đến từ thập niên 30 Tuy nhiên ứng dụng thập kỷ 60, nhờ phát minh mới, cho phép thực truyền động điều chỉnh tốc độ mức độ hoàn chỉnh Trong năm gần với phát triển mạnh mẽ ngành điện tử công suất, biến đổi công suất ngày nhanh hơn, mạnh mẽ mặt khác với phát triển ngành điện tử học điều khiển, ngành tin học tạo điều khiển dễ dàng cho việc ứng dụng chương trình số vào tồn hệ thống Đóng góp có ý nghĩa luận văn đề xuất xây dựng quy luật điều khiển tỷ lệ tối ưu moment/dịng điện (T/I), kết mơ chứng minh cách thuyết phục ý nghĩa thực tiến đề tài Điều khiển trực quy luật, đáp ứng moment nhanh nhiều so với phương pháp điều vectơ (nhanh từ 5÷7 lần), giảm tổn thất động Các chương nội dung sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống truyền động động đồng NCVC Chương 2: Điều khiển trực tiếp moment động đồng NCVC Chương 3: Điều khiển trực tiếp moment ĐCĐBNCVC tối ưu dòng điện Trong trình thực luận văn, hướng dẫn Tiến sỹ Võ Quang Vinh, tác giả nỗ lực thực để hoàn thành nội dung đề thuộc hướng nghiên cứu Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn thầy trước việc định hướng rõ nét góp nhiều ý kiến q báu cho luận văn Do hạn chế thời gian kiến thức thân chắn luận văn nhiều khiếm khuyết, tác giả hạnh tiếp nhận ý kiến phê phán nội dung đề cập luận văn Chương TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (ĐCĐBNCVC) 1.1 Khái quát 1.2 Động học động đồng nam châm vĩnh cửu 1.2.1 Phương trình động hệ toạ độ (a,b,c) Phương trình điện áp: Phương trình động học động đồng nam châm vĩnh cửu: 1.2.2 Phương trình động hệ toạ độ (dq) 1.2.3 Phương trình hệ toạ độ từ thông stator (xy) 1.2 Các sơ đồ điều khiển động nam châm vĩnh cửu 1.3.1 Vấn đề chung điều khiển vectơ id = R1 ω* ω Rω R2 ud* uα * uq* PWM uβ * id iq ejs e -js iα iβ δ Pp Rω PMSM d/dt δm Hình 1.4: Sơ đồ điều khiển vectơ truyền động ĐCĐBNCVC 1.3.2 Vấn đề chung điều khiển trực tiếp moment Ưu điểm phương pháp điều khiển trực tiếp moment: - Ít phụ thuộc tham số máy điện, sử dụng tham số động điện trở stator Rs - Khơng sử dụng điều khiển dịng điện, có điều biến độ rộng xung 5 - Khơng cần biết vị trí rotor, kết cấu đơn giản, thời gian tác động nhanh 1.4 Kết luận chương Trong chương giới thiệu vấn đề chung phương pháp luận điều khiển trực tiếp moment động đồng nam châm vĩnh cửu từ đưa hướng nghiên cứu điều khiển trực tiếp nhằm áp nhanh moment hệ truyền động động đồng nam châm vĩnh cửa, ảnh hưởng tham số động cơ, kết cấu mạch đơn giản, không cần xác định vị trí rotor hướng tiếp cận Tuy nhiên DTC gặp số hạn chế vùng tốc độ thấp không điều khiển moment, gây tổn thất cho động Đây vấn đề đặt luận văn nghiên cứu Chương ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMENT ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 2.1 Điều khiển từ thông stator Từ công thức chương chứng minh moment thay đổi điều khiển cách giữ biên độ từ thông stator số tăng tốc độ quay từ thông stator nhanh tốt, để đạt thay đổi moment cực đại Trong phần chứng minh biên độ tốc độ quay từ thơng stator điều khiển cách lựa chọn vectơ điện áp thích hợp Vectơ điện áp Vs xác định biểu thức sau: ( V = Va +Vb e j ( / 3)π +Vc e j ( / 3)π s 2.2 Lựa chọn vectơ điện áp ) (2.1) ψ s giảm Ts tăng Vi+2 ψ s tăng Vi+1 Ts tăng Vi Vi-2 Vi-1 ψ s tăng Ts giảm ψ s giảm Ts giảm Hình 2.4 Sự lựa chọn vectơ điện áp tuỳ thuộc theo vùng, với S = 2.4 Ước lượng từ thông stator, moment điện từ T T s+1 F- alpha T ransfer Fcn8 T Demux U's- ab |.| Re(u) |u| Re T s+1 T ransfer Fcn7 T T T ransfer Fcn6 Im(u) Im u T s+1 T s+1 Saturation T ransfer Fcn1 T Complex to Magnitude-Angle Real-Imag to Complex Complex to Real-Imag to Magnitude-Angle Complex T s+1 F- alpha T ransfer Fcn8 T Dem ux U's- ab Re(u) |.| |u| F- beta Re T s+1 Saturation T ransfer Fcn7 Flux =ref Hình 2.5: Thuật tốn tính tích phân Hu Wu T T T s+1 T T ransfer Fcn6 Im (u) T ransfer Fcn1 Com p lex to M agnitude-Angle Real-Im ag to Com plex Com plex to Real-Im ag to M agnitude-Angle Com plex T s+1 (2.19) T ransfer Fcn4 T Demux U's- ab Re(u) |.| T s+1 T T s+1 T ransfer Fcn4 U's- a b Dem ux Flux =ref Transfer Fcn2 T T s+1 F- alpha F- beta |u| m in Re MinMax Im(u) Im u Transfer Fcn3 T Im u T s+1 T s+1 T T ransfer Fcn5 T s+1 F- alpha Complex to Magnitude-Angle |.| Re(u) m Real-Imag1 to Complex1 in T nsfer Fcn2 T T T s+1 T ransfer Fcn5 T s+1 |u| Complex to Real-Imag to Re Magnitude-Angle1 Complex1 M inM ax Im (u ) u F- beta Im T nsfer Fcn3 Com plex to M agnitu de-Angle Real-Im ag1 to Com plex1 Com plex to Real-Im ag to M agnitude-Angle1 Complex1 F- beta Hình 2.6: Cấu trúc ước lượng (2.21) 2.5 Thiết lập phận hiệu chỉnh từ thông, moment Khi từ thông vùng i, V i+1 Vi-1 chọn để tăng biên độ từ thông Vi+2 Vi-2 chọn để giảm biên độ từ thông, việc lựa chọn vectơ điện áp phụ thuộc vào tín hiệu sai lệch từ thơng không phụ thuộc vào biên độ từ thông Điều chứng tỏ đầu phận hiệu chỉnh từ thơng biến số Bool 2.6 Thiết lập bảng chuyển mạch Các vectơ có module V0, V7 chọn để đạt số lượng chuyển mạch biến tần Từ thông Moment S1 S2 S3 S4 S5 S6 ∆T ∆ϕ 1 Udc -1 V2(110) V3(010) V4(011) V5(001) V6(101) V1(100) Bộ ĐC V0(000) V7(111) V0(000) biến (111) V0(000) V7(111) V7 ncvc V3(010) V4(011) V5(001) V6(101) V1(100) V2(110) S Sb , S V7(111) Va0,(000) c V7(111) V0(000) V7(111) V0(000) Bộ biến đổi Bộ chuyển mạch 3→ V5(001) V6(101) V1(100) V2(110) 2V3(010) V4(011) -1 đổi V6(101) V1(100) V2(110) V3(010) V4(011) V5(001) Bộ ĐK trễ Bộ ĐK trễ θ Bảng 2.1: Bảng lựa chọn vectơ điện áp điều khiển trễ moment 3vị trí, vectơ từ thông moment 2.7 Cấu trúc hệ thống điều khiển trực tiếp moment TCấu trúc phận chủ yếu hệ thống điều khển trực tiếp moment Tính d U Ub máy điện đồng bộ, điều khiển mẫu màa, chu kỳ điều khiển t c ngắn số thời gian máy điện ϕ d Tính tốn moment Tính tốn từ thơng Hình 2.9: Cấu trúc hệ thống DTC động đồng NCVC T Bảng chọn vectơ điện áp ϕs IGBT Bridgess U0 ϕs statorAng T Tính tốn biên độ góc quay từ thơng Tính Ua,Ub PMSM Tính tốn moment Hình 2.10: Sơ đồ khối điều khiển trực tiếp moment động ĐBNCVC 2.8 Ảnh hưởng điện trở stator phương pháp điều khiển trực tiếp moment (DTC) Điện trở stator Rs tham số máy điện sử dụng phương pháp DTC, ảnh hưởng tham số tới chất lượng điều khiển cần phải xét tới Phần cốt lõi phương pháp DTC dựa vào sai lệch moment đặt với moment ước lượng sai lệch từ thông đặt với từ thông ước lượng, việc ước lượng moment tính theo giá trị từ thông ước lượng, việc ước lượng từ thơng có tính định phương pháp điều khiển trực tiếp moment 2.9 Bù ảnh hưởng điện trở stator Để bù ảnh hưởng điện trở stator có phương pháp thực ước lượng điện trở Phương pháp 1: sử dụng điều khiển PI để ước lượng điện trở (M E Haque M F Rahman, 1998.) thông qua lượng sai lệch từ thông thời điểm xét hai lọc thông thấp Phương pháp 2: Ước lượng điện trở stator trạng thái nghỉ động 2.9.1 Ước lượng điện trở stator sử dụng điều khiển bù PI Trong phương pháp này, sai lệch giá trị đặt từ thông stator với giá trị từ thông stator ước lượng thời điểm xét đầu vào ước lượng PI 10 Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp moment có tính đến bù điện trở stator trình bày hình (2.9) T Bảng Chọn vectơ điện áp ϕs IGBT Bridges Tính Ua , U b U0 PMSM StatorAngl Tính tốn biên độ ϕ Tính góc quay từ thơng TTính Tính tốn moment Ước lượng điện trở stator Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc DTCcủa ĐCĐBNCVC có bù Rs Phương pháp dựa lập luận, thay đổi giá trị điện trở stator tạo nên thay đổi thành phần dịng điện stator biên độ từ thơng stator, giá trị sai lệch từ thông tỉ lệ thuận với lượng thay đổi giá trị điện trở stator, phương trình sử dụng cho bù điện trở PI có biểu thức: ∆Rs = (Kp + Ki/S)∆Fs (2.27) Với Kp, Ki hệ số tỷ lệ, hệ số tích phân bù PI Cấu trúc sau hình (2.12) ϕ *s 1 + τ1 Lọc thông thấp ϕs 1/s Ki Kp PI Controller Rs 1 + τ 2s Rs(k) Lọc thơng thấp Rs(k-1) Hình 2.12: Cấu trúc bù điện trở PI 11 2.10 Mô so sánh kết T _do1 + B puls es is_abc A - P u lse G e n e to r Ia b c A DC C deltam om en T _do2 B m m wm C deltas i Puls e Flu x Tm Te U _ab De m u x T _do Un ive rsa l B rid g e s ec tor S wi tch M a tri x + v - ti n h se cto r U_ a b Vdc F_ tin h SABC M a g _ P h a se |u | Re u Im Flu x_ l o cu s Fl u x1 T _ tin h F_ tin h F _alpha Sis _alpha U s _ab F _beta Sis_beta T Is _alpha Is _beta Is _alpha Is _abc Is _beta Hình 2.13: Mơ Matlab điều khiển vị trí * Kết mô điều khiển trực tiếp moment động đồng nam châm vĩnh cửu sử dụng khâu trễ moment vị trí: a Quỹ đạo từ thơng, điều khiển vị trí 12 b Dịng điện (A), điều khiển vị trí c Moment (N.m), điều khiển vị trí Hình 2.14: Các đặc tính động cơ, điều khiển trễ moment vị trí * Nhận xét kết đặc tính động cơ, điều khiển trễ moment vị trí Để điều khiển trực tiếp moment động đồng nam châm vĩnh cửu chương phân tích biên độ từ thông stator giữ số, 13 điều khiển dịng điện i d giữ Trong trường hợp moment đặt thay đổi cách đột ngột, đáp ứng moment thực điều khiển trực tiếp moment nhanh nhiều so với điều khiển dòng điện (gấp ÷ lần) Từ kết mô phỏng, thấy rằng: điều khiển trễ moment 3vị trí, q trình độ xảy nhanh, nhiễu moment, dòng điện nhỏ Việc áp dụng điều khiển trực tiếp moment, truyền động động đồng nam châm vĩnh cửu khảo sát luận văn, chứng minh cách toán học gia tăng moment điện từ, động nam châm vĩnh cửu tương ứng với gia tăng góc lệch pha từ thơng rotor stator moment nhanh chóng hình thành, cách điều chỉnh tốc độ quay từ thông stator nhanh tốt 2.11 Kết luận chương Để đáp ứng moment nhanh chóng hình thành, chương nghiên cứu mơ phương pháp điều khiển trực tiếp moment động đồng nam châm vĩnh cửu, phương pháp chứng tỏ ưu điểm bật so với phương pháp điều khiển vectơ kinh điển 14 Chương3 ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMENT ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU TỐI ƯU DÒNG ĐIỆN 3.1 Xác định quy luật điều khiển tỷ lệ tối ưu moment/dòng điện (MTPAmaximum torque-per-ampere) 3.1.1 Xác định quy luật giới hạn dòng điện 3.1.2 Xác định quy luật giới hạn điện áp Theo điện áp cưỡng cực đại (UOm) động điện áp có biểu thức sau: u d = U om − u q2 (3.4) Trong đó: Uom, đại lượng giới hạn nguồn Điện áp stator Us tỷ lệ với tốc độ quay rotor từ thơng móc vịng stator, bỏ qua điện trở stator ta có biểu thức quan hệ sau: U s = ω r ϕ s = ω b ϕ sr = ω cϕ f (3.5) Trong đó: ωr, ωb, ωc tương ứng với tốc độ quay rotor, tốc độ đồng bộ, tốc độ trượt ϕ s tỉ lệ từ thơng móc vịng stator, ωf tốc độ mở máy động khơng tải, tỷ lệ với điện áp pha U om Quỹ đạo điện áp cực đại động xác định cặp giá trị (i d, iq) giá trị tốc độ phía Để tính tốn đơn giản điện áp giới hạn cực đại ứng với tốc độ coi đường thẳng đứng Với moment tỷ lệ từ thơng móc vịng stator giá trị tỷ lệ moment MTPA Nếu tốc độ rotor nhỏ tốc độ đồng đường điện áp giới hạn nằm bên phải điểm A (điểm giao MTPA dòng điện giới hạn) điện áp ln ln phù hợp với điều khiển quy luật MTPA Khi tốc độ rotor tăng tốc độ đồng điện áp giới hạn dịch chuyển sang trái từ thơng móc vịng stator phải giảm theo biểu thức (3.5) với công suất 15 làm việc khơng đổi Nói cách khác với điểm làm việc tốc độ rotor nhanh tốc độ đồng độ lớn từ thơng móc vịng tỉ lệ động rotor δ 120 100 δM C MTPA 80 4000 IGH A 60 40 UGH 20 (1500) 2400 0 0.2 0.4 Hình 3.2: Biểu diễn giá 0.6 0.8với 1ϕS WB điều khiển trị δ quy luật 3.1.3 Cấu trúc điều khiển tỷ lệ tối ưu moment/dòng điện (T/I) ω* T* Moment số Bộ PI ωr Bảng MTPA ϕ *s Công suất số Vom/ωr ωr Hình 3.3: Cấu trúc điều khiển tỷ lệ tối ưu T/I 3.1.4 Xác định Moment số công suất không đổi Điều khiển moment số công suất không đổi biểu diễn lưu đồ thuật tốn hình 3.4 16 T ’ ω r ϕ chọn từ bảng quỹ đạo s1 MPTA ϕ = V / ω Yes am s2 r ω ω r c No Yes ϕ’ s1 = ϕ’ s2 No ϕ’ = ϕ’ s s2 ϕ’ = ϕ’ s ϕ’ s1 s Hình 3.4: Lưu đồ thuật tốn điều khiển moment số cơng suất khơng đổi Hình 3.5: Biến đổi PWM sử dụng cho từ thơng tối ưu 17 Hình3.6: Giải pháp biến đổi PWM với máy tăng áp 3.2.1 Vận hành từ thông tối ưu 3.2.1.1 Xây dựng giới hạn dòng điện điện áp 3.2.1.2 Vận hành để moment đạt giá trị cực đại 3.2.1.3 Đặc điểm vận hành từ thông tối ưu 3.2.2 Vận hành biến đổi PWM với máy tăng áp 3.2.2.1 Vận hành máy tăng áp nghỉ 3.2.2.2 Sự vận hành với máy bù điện áp * Kết qủa mơ phỏng: iq[A] Đường trịn Moment giới hạn dịng điện 10.6 Đường hyperbolas đạtcực đại Moment không đổi A T= 9.165Nm T= Nm T= Nm T= Nm T= Nm id[A] Miền moment số 18 iq[A] Đường hyperbolas Moment không đổi Đường elip giới hạn điện áp A T= 9.1Nm T= 8.65Nm T= 6.86Nm T= 3.66Nm 105rad/s 101.9rad/s93.9rad/s 85.9rad/s 79.96rad/s id[A] Miền công suấtkhông đổi iq[A] A Miền số cơng suất (miền III) ωr=80 ÷105rad/s Miền I id[A] Tồn quy luật dịng điện stator 19 Hình 3.7: Quỹ đạo dịng điện phương pháp vận hành từ thơng tối ưu iq[A] Đường trịn Moment giới hạn dòng điện 10.6 Đường hyperbolas đạtcực đại Moment không đổi A T= 9.165Nm T= Nm T= Nm T= Nm T= Nm Miền moment số iq[A] Đường elip giới hạn điện áp Đường hyperbolas Moment khơng đổi A Đường trịn giới hạn dịng điện Miền số công suất id[A] 20 iq[A] Miền số momentt (miền II, điểm A) ωr=0 ÷80rad/s A (miền III) ωr=80 rad/s Miền I id[A] Toàn quy luật dịng điện stator Hình 3.8: Quỹ đạo dịng điện phương pháp vận hành biến đổi PWM với máy tăng áp [N-m] T Miền II Miền I Miền III 80 rad/s ωr[rad/s] 105rad/s 21 [A] Idq Iq Id 80rad/s ωr[rad/s] Hình 3.9: Biểu diễn đặc tính moment, dòng điện hãm tốc phương pháp vận hành từ thông tối ưu [N-m] T Miền II Miền III Miền I 80 rad/s ωr[rad/s] 22 [A] Idq Iq Id 80rad/s ωr[rad/s] Hình 3.10: Biểu diễn đặc tính moment, dịng điện hãm phương pháp vận hành biến đổi PWM với máy tăng áp 3.4 Kết luận chương Qua nghiên cứu lý thuyết kết mô chứng minh thuật xây dựng quy luật điều khiển tỷ lệ tối ưu moment/dòng điện (T/I) hệ truyền động điều khiển trực tiếp moment động đồng nam châm vĩnh cửu cho chất lượng điều khiển tốt so với phương pháp điều khiển sử dụng khâu trễ vị trí Cụ thể điều khiển trực tiếp moment theo quy luật (MTPA) thay đổi biên độ từ thơng stator, dịng điện, tốc độ điều khiển (giảm), moment đạt cực đại vùng tốc độ thấp, giảm tổn thất công suất động 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt: Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến, Đoàn Quang Vinh (2003), Điều khiển Động xoay chiều cấp từ biến tần bán dẫn, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittricg (2002), Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, NXB Giáo dục Tiếng Anh: Takashi Aihara, Akio Toba, Takao Yanase, Akihide M., Kenji Endo (1999), “ Sensorless Torque Control of Salient – Pole Synchronous Motor at Zero Speed Operation”, IEEE Trans Industrial Electronics, Vol 41, No.1, pp 202208 Rober H Bishop (2000), Modern Control Systems Analysis and Design Using Matlab and Simulink, Addison Wesley, New York Swierczynski D, Kazmierkowski M.P, “Driect Torque Control of Permanent Magnet Motor (PMSM) Using space Vector Modulation (DTCSVC)-Simulation and Experimental” Sun Dan Fang Weizhong He Yikang, “Study on the Driect Torque Control of Permanent Magnet Drivesr” Electrical Machines and Systems, 2001 ICEMS 2001 Proceeding of the fifth International Conference on Chris French and Paul Acarnley (1990),’’ Direct TorqueControl of Permanent Magnet Drives’’ IEEE Trans Industrial on Industrial Application, Vol 32, No.1, pp 1080- 1087 Chris French and Paul Acarnley (1996), “ Control of Permanent Magnet Drives Using a New Position Estimation Technique”, Trans Industrial on ... luận văn Do hạn chế thời gian kiến thức thân chắn luận văn nhiều khiếm khuyết, tác giả hạnh tiếp nhận ý kiến phê phán nội dung đề cập luận văn Chương TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG... Minh Luận văn bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phũng cao học số , trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Vào 14 30 phút ngày tháng năm 2011 Cú thể tỡm hiển luận văn Trung... CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (ĐCĐBNCVC) 1.1 Khái quát 1.2 Động học động đồng nam châm vĩnh cửu 1.2.1 Phương trình động hệ toạ độ (a,b,c) Phương trình điện áp: Phương trình động học động đồng nam