Bài giảng điều khiển số hệ thống điện cơ điều khiển máy điện động cơ điện điều khiển bộ biến tần ths trần công binh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Bài giảng: ĐIỀU KHIỂN SỐ HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN / ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN Biên soạn: ThS Trần Công Binh TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2014 (HTĐKS-ĐKCMĐ) TB GIỚI THIỆU MÔN HỌC Tên môn học: ĐIỀU KHIỂN SỐ HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ- ĐIỀU KHIỂN CÁC MÁY ĐIỆN / ĐỘNG CƠ ĐIỆN / BỘ BIẾN TẦN Mã số: Phân phối giờ: Số tín chỉ: 2(2.1.5) Bài tập: 30% Kiểm tra: 20%, Thi: 50% Môn tiên quyết: Môn song hành: Giáo trình chính: Tài liệu tham khảo: [1] Trần Công Binh, “Điều khiển động không đồng dùng DSP TMS320LF2407A”, 11/2004 [2] Emil Levi, High Performance Drive, Liverpool John Moores Univerity, 2002 [3] Slobodan N.Vukosavic, “Digital Control of Electrical Drives”, Springer 2007 [4] Bimal K.Bose, “Power Electronics and Motor Drivers”, Elsevier 2006 Tóm tắc nội dung:  Phần Tiếng Việt:  Summary: Electrical Engineering 10 Đối tượng học: Sinh viên ngành Điện Năng, Hệ thống lượng, Kỹ thuật điện – điện tử 07/01/2014 (HTĐKS-ĐKCMĐ) TB CHƢƠNG TRÌNH MÔN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ - ĐIỀU KHIỂN CÁC MÁY ĐIỆN Chương 1: Bộ nghịch lƣu ba pha Vector không gian  Vector không gian  Bộ nghịch lưu ba pha (4T) Chương 2: Hệ qui chiếu quay  Hệ qui chiếu quay  Chuyển đổi hệ toạ độ abc    dq (Biến đổi Park) (2T) Chương 3: Mô hình ĐCKĐB pha (), (dq)  Sơ đồ tương đương động số ký hiệu  Mô hình động HTĐ stator ()  Mô hình động HTĐ từ thông rotor (r) (9T) Chương 4: Điều khiển định hƣớng từ thông (FOC) ĐCKĐB  Điều khiển PID  Các phương pháp điều khiển vô hướng (Scalar Control)  Điều khiển độc lập moment từ thông  Điều khiển tiếp dòng  Điều khiển tiếp áp  Điều khiển FOC trực tiếp, gián tiếp  Tính toán thiết kế điều khiển FOC  Mô điều khiển FOC (12T) Chương 5: Một số phƣơng pháp ƣớc lƣợng từ thông rotor  Từ m ia, ib hồi tiếp  Từ us ia, ib hồi tiếp  Từ  ia, ib hồi tiếp  Ước lượng vị trí (góc) vector r  Ước lượng (r) HTĐ dq  Ước lượng từ thông rotor dùng khâu quan sát (observer)  Đáp ứng mô FOC (3T) Chương 6: Điều khiển động đồng nam châm vĩnh cửu  Điều khiển dòng HQC (): vòng trễ so sánh  Điều khiển dòng HQC (dq) (?T) Chương 7: Các phƣơng pháp điều khiển dòng  Điều khiển dòng HQC (): vòng trễ so sánh  Điều khiển dòng HQC (dq) (3T) Chương 8: Một số phƣơng pháp ƣớc lƣợng tốc độ động  Ước lượng vận tốc vòng hở (2 pp)  Ước lượng vận tốc vòng kín (có hồi tiếp)  Điều khiển không dùng cảm biến (sensorless) (3T) Chương 9: Bộ biến tần  Cấu trúc hệ thống điều khiển động  Cảm biến đo lường  Một số ưu điểm sử dụng điều khiển tốc độ động  Hệ thống điều khiển số động không đồng ba pha  Bộ biến tần (6T) (42 tiết) 07/01/2014 (ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB Chương 1: VECTOR KHÔNG GIAN VÀ BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA I Vector không gian I.1 Biểu diễn vector không gian cho đại lượng ba pha Động không đồng (ĐCKĐB) ba pha có ba (hay bội số ba) cuộn dây stator bố trí không gian hình vẽ sau: usb Pha B stator usa Pha A usc Pha C rotor Hình 1.1: Sơ đồ đấu dây điện áp stator ĐCKĐB ba pha (Ba trục ba cuộn dây lệch góc 1200 không gian) B A N C Ba điện áp cấp cho ba đầu dây động từ lưới ba pha hay từ nghịch lưu, biến tần; ba điện áp thỏa mãn phương trình: usa(t) + usb(t) + usc(t) = (1.1) usa(t) = |us| cos(st) usb(t) = |us| cos(st – 1200) usc(t) = |us| cos(st + 1200) (1.2a) (1.2b) (1.2c) Trong đó: Với s = 2fs; fs tần số mạch stator; |us| biên độ điện áp pha, thay đổi Chương 1: Vector không gian Bộ nghịch lưu ba pha I.1 (ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB (điện áp pha số thực) Vector không gian điện áp stator định nghĩa sau:      u s ( t )  u sa ( t )  u sb ( t )  u sc ( t ) 0  u s ( t )  u sa ( t )e j0  u sb ( t )e j120  u sc ( t )e j240   (1.3)  (mặt phẳng ba chiều với vector đơn vị)  us (t )  usa (t )  usb (t )e j120  usc (t )e j 240 (1.4) (tương tự vector mặt phẳng phức hai chiều với vector đơn vị)  u s ( t )  u sa ( t )  a.u sb ( t )  a u sc ( t ) với a  e j120 1  a  a   e j00  e j1200  e j2400  0     Ví dụ 1.1: Chứng minh?  js t  us s t   us coss t   jsins t  a) us ( t )  us e (1.6)      ubs  ucs  b) u s   u as  0,5ubs  0,5ucs   j   3 2   (1.5)     u s ( t )  u sa ( t )  u sb ( t )  u sc ( t ) Im  usc s B usa A C Re  usb Hình 1.2: Vector không gian điện áp stator hệ tọa độ  Theo hình vẽ trên, điện áp pha hình chiếu vector điện áp  stator u s lên trục cuộn dây tương ứng Đối với đại lượng khác động cơ: dòng điện stator, dòng rotor, từ thông stator từ thông rotor xây dựng vector không gian tương ứng điện áp stator I.2 Hệ tọa độ cố định stator Vector không gian điện áp stator vector có modul xác định (|us|) quay mặt phẳng phức với tốc độ góc s tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha A) góc Chương 1: Vector không gian Bộ nghịch lưu ba pha I.2 (ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB st Đặt tên cho trục thực  trục ảo , vector không gian (điện áp stator) mô tả thông qua hai giá trị thực (us) ảo (us) hai thành phần vector Hệ tọa độ hệ tọa độ stator cố định, gọi tắt hệ tọa độ  j Cuộn dây pha B usc us Cuộn dây pha A usb  usa = us Cuộn dây pha C  Hình 1.3: Vector không gian điện áp stator u s điện áp pha   0  us ( t )  usa ( t )  usb ( t )e j120  usc ( t )e j240  us  ju s Bằng cách tính hình chiếu thành phần vector không gian điện áp stator u s , u s  lên trục pha A, B (trên hình 1.3), xác định thành phần theo phương pháp hình học: usa = us (1.7a) usb = (1.7b) us = usa (1.8a) suy us = (1.8b) Theo phương trình (1.1), dựa hình 1.3 cần xác định hai số ba điện áp  pha stator tính vector u s Hay từ phương trình (1.5)   2 u s   u as  0,5u bs  0,5u cs   j u bs  u cs       (1.9) xác định ma trận chuyển đổi abc  αβ theo phương pháp đại số: Chương 1: Vector không gian Bộ nghịch lưu ba pha I.3 (ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) 1  u   as   u   2    u bs   s   u 3     s   u 0 2   cs  Ví dụ 1.2: Chứng minh ma trận chuyển đổi hệ toạ độ αβ  abc?   1  u as    s     u s    u bs     u ss  u     cs      2  s s TB (1.10) (1.11) Ví dụ 1.3: Chứng minh: Bằng cách tương tự vector không gian điện áp stator, vector không gian dòng điện stator, dòng điện rotor, từ thông stator từ thông rotor biểu diễn hệ tọa độ stator cố định (hệ tọa độ ) sau: = us + j us (1.12a) = is + j is (1.12b) = ir + j ir (1.12c) (1.12d) (1.12e) II Bộ nghịch lưu ba pha II.1 Bộ nghịch lưu ba pha Chương 1: Vector không gian Bộ nghịch lưu ba pha I.4 (ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB Biến tần ngõ vào pha, tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là: U dc _ tb  2 U phase_ RMS  Biến tần ngõ vào pha, tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là: U dc _ tb  3 2U phase_ RMS  Nếu tụ lọc đủ lớn (hay không tải), điện áp DC lọc phẳng Trị điện áp DC trung bình của: Chương 1: Vector không gian Bộ nghịch lưu ba pha I.5 (ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB _ Biến tần ngõ vào pha : U dc  2U phase_ RMS _ Biến tần ngõ vào pha : U dc  2U line_ RMS  3U phase_ RMS R S1 S3 A Udc S7 S5 motor B S2 C S4 n N S6 n Hình 1.4: Sơ đồ nghịch lưu ba pha cân gồm khoá S1S6 Ví dụ 1.4: Chứng minh phương trình tính điện áp pha? U Nn  U An  U Bn  U Cn  a) 1 U AN  U An  U Bn  U Cn b) 3 Phương pháp tính mạch điện: Ví dụ 1.5: Tính điện áp pha trạng thái S1, S3, S6 ON S2, S4, S5 OFF? A B UAN UBN N Udc UCN n C Chương 1: Vector không gian Bộ nghịch lưu ba pha I.6 (ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB Hình 1.5: Trạng thái khoá S1, S3, S6 ON, S2, S4, S5 OFF (trạng thái 110) II.2 Vector không gian điện áp Đơn vị (Udc) Va Vb Vc usa usb usc uab ubc uca U Deg us k S1 S3 S5 UAN UBN UCN UAB UBC UCA us us 0 0 0 0 0 U0 U000 1 0 2/3 -1/3 -1/3 -1 U1 0o 1 1/3 1/3 -2/3 -1 U2 60 o -1/3 2/3 -1/3 -1 U3 120 o 1 -2/3 1/3 1/3 -1 U4 180 o 0 -1/3 -1/3 2/3 -1 U5 240 o 1 1/3 -2/3 1/3 -1 U6 300 o 1 0 0 0 U7 U111 Bảng 1.1: Các điện áp thành phần tương ứng với trạng thái nghịch lưu Ví dụ 1.6: Tính điện áp thành phần us us tương ứng với trạng thái bảng 1.1?  Điều chế vector không gian điện áp sử dụng nghịch lưu ba pha Ví dụ 1.7: Xét nghịch lưu trạng thái 110: Khi điện áp pha usa=1/3Udc, usb= 1/3Udc, usc=-2/3Udc Phương pháp đại số: theo phương trình (1.4):   0 0   2 1 u phase_  u sa ( t )  u sb ( t )e j120  u sc ( t )e j240   Udc  Udce j120  Udce j240  3 3 3     0 0 0  Udc 2  e j120  e j240  3e j240   Udce j240  Udce j240 e j180  Udce j60 ,  u phase_  3 3 Hay    2 1  u phase_  u sa ( t )  a.u sb ( t )  a u sc ( t )   Udc  a.Udc  a Udc  3 3 3  với a  e j120 , 1  a  a   0     0  Udc 2 u phase_   a  a  3a   Udca   Udce j240  Udce j60 3 3 Phương pháp hình học: có hình vẽ Chương 1: Vector không gian Bộ nghịch lưu ba pha I.7 Chöông (HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB Trang 23/ 37 Chöông TCB is Rs Ls vs Lr im Rr s Lm Rr Rs Rs ir ir is vs im Lm Rr j r (HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 24/ 37 Chöông (HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB Trang 25/ 37 Chöông (HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 26/ 37 Chöông (HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 27/ 37 Chöông TCB Điều khiển vòng trễ: (HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 28/ 37 Chöông TCB Điều khiển so sánh: (HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 29/ 37 Chöông TCB ĐIỀU KHIỂN DÒNG TRONG HỆ QUY CHIẾU QUAY ĐIỀU KHIỂN GIÁN TIẾP (HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 30/ 37 Chöông (HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB Trang 31/ 37 Chöông (HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB Trang 32/ 37 Chöông (HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB Trang 33/ 37 Chöông TCB  Mô hình thích nghi  hệ pt (7.1) Mô hình tham khảo (HTĐKS-ĐKCMĐ) từ thông ước lượng  pt (7.2) Trang 34/ 37 Chöông (HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB Trang 35/ 37 Chöông TCB Đáp ứng mô phỏng: 120 120 100 100 toc dat toc dap ung toc uoc luong (rad/s) 80 60 toc dat toc dap ung toc uoc luong 60 W W est est (rad/s) 80 40 40 20 20 0 0.5 1.5 time (s) 2.5 Hình : Đáp ứng ước lượng tốc độ với mô hình lý tưởng 0.5 1.5 time (s) 2.5 Hình : Đáp ứng ước lượng tốc độ với mô hình có sai lệch Đáp ứng hệ thực: (HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 36/ 37 Tuaàn 13-14: Chöông (6T) TCB Xem giảng Các công thức lượng giác: cos   cos   cos   cos   cos   2 sin sin   sin   sin     sin   sin   cos cos 2 sin cos         sin   cos     cos    sin  cos   sin      sin     sin  sin    cos     cos    cos  sin   sin      sin     cos  cos   cos     cos  cos   sin  sin  sin     sin  cos   cos  sin  cos    cos  sin    sin  (HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 37/ 37 [...]... điện áp định mức) gắn thêm trước bộ điều khiển động cơ để lọc sóng hài? c) Tính công suất lớn nhất của động cơ nối , 220Vrms, 50Hz, PF=0,8 mà biến tần trên có thể điều khiển được? d) Nếu động cơ nối , 220Vrms, 50Hz được đấu dây lại thành nối Y: tính công suất lớn nhất của động cơ mà biến tần trên có thể điều khiển được? Khi đó tính điện áp hiệu dụng pha và điện áp hiệu dụng dây lớn nhất mà biến tần. .. trong bộ nghịch lưu? Bài tập 1.13 Cho Udc = 309V, trạng thái các khoá như sau: S2, S3, S6: ON; và S1, S4, S5: OFF Tính các điện áp usa, usb, usc, UAB, UBC? Bài tập 1.14 Khi tăng tần số điều rộng xung (PWM) của bộ nghịch lưu, đánh giá tác động của sóng hài bậc cao lên dòng điện động cơ Phương pháp điều khiển nào có tần số PWM luôn thay đổi? Bài tập 1.15 Biến tần (hình dưới) có thông số ngõ vào 3 pha 380Vrms,... như đối với động cơ một chiều Cho phép xây dựng hệ thống điều chỉnh truyền động ĐCKĐB Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.7 (HTĐKS-ĐKCMĐ) TB ba pha tương tự như trường hợp sử dụng động cơ điện một chiều Điều khiển tốc độ  ĐCKĐB ba pha  thông qua điều khiển hai phần tử của dòng điện is là isd và isq Bài tập 2.1 Chứng minh: r   r d  r dt   r  2r  2r d  r dt Bài tập 2.2 Cho điện áp ba pha:... isq là đại lượng điều khiển của momen Te của động cơ Bằng việc mô tả ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor, không còn quan tâm đến từng dòng điện pha riêng lẻ nữa, mà là toàn bộ vector không gian dòng stator của động cơ Khi đó vector is sẽ cung cấp hai thành phần: isd để điều  khiển từ thông rotor  r , isq để điều khiển momen quay Te, từ đó có thể điều khiển tốc độ của động cơ isd  (1.21a)... 380Vrms, 50Hz; ngõ ra 380V, 0-400Hz, động cơ 2HP, nối , 380Vrms, 50Hz, hệ số công suất PF=0,8 Biết tụ điện C đủ lớn để lọc phẳng điện áp DC Ngõ vào biến tần được cấp nguồn 3 pha 380Vrms, 50Hz Ngõ ra biến tần cấp nguồn cho động cơ không đồng bộ ba pha Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.16 (ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB a) Tính điện áp một chiều trên tụ điện C (DC Link)? b) Tính giá trị... lớn nhất mà biến tần có thể cấp cho động cơ (khi chưa quá điều chế)? e) Động cơ nối Y, biết trạng thái các khoá của biến tần trên như sau: S1, S4, S5: ON; và S2, S3, S6: OFF Tính các điện áp pha của động cơ (stator) trên các hệ tọa độ abc (usa, usb, usc),  (us, us)? f) Chương 2: Tính các điện áp pha của động cơ (stator) trên hệ tọa độ dq (usd, usq) Cho biết góc hệ toạ độ quay lúc đó là r = 270o... Bài tập 1.9 Bộ biến tần như hình vẽ trên được cấp điện 3 pha có điện áp dây 380V, 50Hz Giả sử tụ C1 cuộn dây L1 rất nhỏ a Tính giá trị điện áp một chiều trung bình Udc_tb trên ngõ ra của bộ chỉnh lưu? b Tính trị hiệu dụng của điện áp dây UdRMS lớn nhất mà biến tần trên có thể  cấp cho động cơ 3 pha nối Y (khi chưa quá điều chế, u s như hình vẽ trên)? Bài tập 1.10 Điện áp ba pha cấp cho bộ nghịch lưu... pha A là o = 0 Bài tập 1.4 Lưới điện 3 pha 4 dây 380V Tính Udc trung bình, Us max (trong vòng tròn nội tiếp), Upha, Udây của biến tần: a 1 pha b 3 pha Bài tập 1.5 Điện áp ba pha cấp cho bộ nghịch lưu là 380V, 50Hz Tính điện áp pha lớn nhất mà bộ nghịch lưu có thể cung cấp cho động cơ nối Y Bài tập 1.6 Điện áp một pha cấp cho bộ nghịch lưu là 220V, 50Hz Tính điện áp dây lớn nhất mà bộ nghịch lưu có... cho động cơ Bài tập 1.7 Bộ biến tần dùng ở Việt Nam, 3 pha 380V (ngõ vào) Được cấp nguồn 3 pha 380V, 50Hz a) Tụ lọc khá nhỏ: _ Tính điện áp trung bình trên DC Link? _ Tính biên độ điện áp pha lớn nhất (chưa quá điều chế)? _ Tính điện áp hiệu dụng pha lớn nhất? _ Tính điện áp hiệu dụng dây lớn nhất? b) Tụ lọc đủ lớn: tính lại câu a) Bài tập 1.8 Tính lại câu trên với biến tần 1 pha 220V (ngõ vào) Bài. .. động cơ Tr hằng số thời gian của rotor s toán tử Laplace  Phương trình (1.20a) cho thấy có thể điều khiển từ thông rotor  rd   r thông qua điều khiển dòng stator isd Đặc biệt mối quan hệ giữa hai đại lượng này là mối quan hệ trễ bậc nhất với thời hằng Tr Nếu thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng isd để điều khiển ổn định từ thông  rd tại mọi điểm làm việc của động cơ Và thành công ...(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB GIỚI THIỆU MƠN HỌC Tên mơn học: ĐIỀU KHIỂN SỐ HỆ THỐNG ĐIỆN C - ĐIỀU KHIỂN CÁC MÁY ĐIỆN / ĐỘNG CƠ ĐIỆN / BỘ BIẾN TẦN Mã số: Phân phối giờ: Số tín chỉ: 2(2.1.5) Bài tập: 30%... Chương 9: Bộ biến tần  Cấu trúc hệ thống điều khiển động  Cảm biến đo lường  Một số ưu điểm sử dụng điều khiển tốc độ động  Hệ thống điều khiển số động khơng đồng ba pha  Bộ biến tần (6T)... Sinh viên ngành Điện Năng, Hệ thống lượng, Kỹ thuật điện – điện tử 07/01/2014 (HTĐKS-ĐKCMĐ) TB CHƢƠNG TRÌNH MƠN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ - ĐIỀU KHIỂN CÁC MÁY ĐIỆN Chương 1: Bộ nghịch lƣu ba