Điều khiển thích nghi mờ động cơ ba pha lồng sóc

Luận văn cao học ngành Tự Động Hóa và kỉ thuật điều khiển vừa bảo vệ xong năm 2015 . phù hợp nhiều lĩnh vực nghiên cứu và học tập cho học viên cao học . Đây là đề tài khá phổ biến nhưng luôn có tính mới để nghiên cứu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1 1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu 2

1.2 Mục tiêu và hướng giải quyết 5

1.3 Kết quả của luận văn 6

CHƯƠNG 2: VECTOR KHÔNG GIAN VÀ ĐỘNG CƠ KĐB BA PHA 7

2.1 Vector không gian 7

2.1.1 Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha 7

2.1.2 Hệ tọa độ α-β 7

2.2 Tổng quan về động cơ KĐB ba pha 9

2.3 Mô hình toán trên hệ tọa độ α-β 11

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB 15

3.1 Tổng quan về bộ nghịch lưu áp 15

3.2 Nguyên lý điều chế vector không gian 17

3.2.1 Điều chế vector không gian liên tục (SVPWM) 17

3.2.2 Điều chế vector không gian gián đoạn (DSVPWM) 22

3.3 Phương pháp điều khiển động cơ KĐB 23

3.4 Phương pháp điều khiển định hướng trường 24

3.4.1 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp-DRFOC 25 3.4.2 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp-IRFOC .26 3.5 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC 26

3.6 Kết luận 34

CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN SENSORLESS 35

4.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển sensorless 35

4.2 Một số mô hình sensorless 38

4.2.1 Ước lượng tốc độ vòng hở sử dụng mô hình động cơ 38

truyền thống 38

4.3 Mô hình MRAS ước lượng tốc độ rotor và điện trở stator song song 39

CHƯƠNG 5: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MỜ DỰA TRÊN MÔ HÌNH MRAS-FL 45

5.1 Các phương pháp điều khiển thích nghi mờ 45

5.2 Bộ quan sát tốc độ bằng MRAS - Fuzzy Logic 48

CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK 51

6.1 Mô hình tổng quát 51

6.2 Kết quả mô phỏng 55

6.2.1 Điều khiển tốc độ dựa trên phương pháp DTC 56

6.2.2 Sử dụng MRAS cổ điển để ước lượng tốc độ trong phương pháp DTC59 6.2.3 Sử dụng MRAS cổ điển để ước lượng tốc độ và điện trở stator dựa trong phương pháp DTC 61

6.2.4 Sử dụng Fuzzy Logic với MRAS để ước lượng tốc độ điện trở stator trong phương pháp DTC 63

CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM 66

7.1 Mô hình phần cứng 66

7.1.1 Tổng quan mô hình 66

7.1.2 Mạch điều khiển 67

7.1.3 Mạch hồi tiếp tín hiệu dòng áp DC bus 71

7.1.4 Mạch hồi tiếp tín hiệu dòng áp 3 pha ngõ ra 72

7.1.5 Mạch kích IGBT 75

7.1.6 Mạch nghịch lưu 3 pha 6 khoá 75

7.1.7 Mạch nguồn 380VAC/5V, +/-15V, 15VDC 76

7.2 Động cơ KĐB 3 pha sử dụng thí nghiệm 77

7.2.1 Thông số động cơ 77

7.2.1 Mô hình truyền động 78

7.3.2 DTC trong điều kiện tải thay đổi ở tốc độ đặt 500rpm 80

7.4 Kết luận 81

7.5 Hướng phát triển đề tài 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2 1 - Vector không gian điện áp stator trên hệ α-β 8

Hình 2 2 - Phép chuyển trục αβ-abc 8

Hình 2 3 - Động cơ KĐB và sơ đồ đấu dây 9

Hình 2.4 - Rotor dây quấn 10

Hình 2 5 - Rotor lồng sóc 10

Hình 2.6 - Hệ trục α-β và d-q 14

Hình 3 1 - Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu 6 khóa 15

Hình 3 2 - Trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn 16

Hình 3 3 - Các vector điện áp chuẩn và các sector 18

Hình 3 4 - Vector Vref nằm trong sector 1 19

Hình 3 5 - Vector không gian Vs-ref 20

Hình 3 6 - Giản đồ xung kích trong điều chế vector không gian gián đoạn 22

Hình 3 7 - Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB 24

Hình 3 8 - Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp 25

Hình 3 9 - Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp 26

Hình 3 10 - Đồ thị tác động của điện áp lên từ thông stator 28

Hình 3 11 - Biểu đồ tác động của vector điện áp lên từ thông stator 29

Hình 3 12 - Đồ thị chia các sector của không gian vector 30

Hình 3 13 - Khâu so sánh trễ 2 bậc 31

Hình 3 14 - Khâu so sánh trễ 3 bậc 32

Hình 3 15- Mô hình bộ điều khiển DTC đơn giản 34

Hình 4 1 - Sơ đồ khối MRAS ước tính tốc độ rotor trên cơ sở hiệu chỉnh từ thông39 Hình 4.2 - Bộ quan sát từ thông như mô hình tham chiếu trong MRAS 40

Hình 4.3 - Mô hình MRAS cải tiến,ước lượng tốc độ và điện trở stator song song 42 Hình 5.1 Các giá trị đầu vào và đầu ra của Bộ điều khiển Fuzzy 49

Hình 5.2 Bộ quan sát tốc độ trong MRAS-FL 50

Hình 6.1 - Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển sensorless cho động cơ KĐB 51

Hình 6.2 – Bộ nghịch lưu DC – AC 52

Hình 6.3 - Bộ đóng ngắt nghịch lưu sử dụng giải thuật DTC 53

Hình 6.4 - Bộ so sánh từ thông và moment 53

Hình 6.5 - Khối xác định vị trí từ thông stator 54

Hình 6.6 - Mô hình động cơ KĐB ba pha 54

Hình 6.7 - Khối ước lượng MRAS 54

Hình 6.8 - Bộ ước lượng từ thông Stator và moment trong MRAS 55

Hình 6.9 - Giá trị dòng điện stator 56

Hình 6.10 - Giá trị dòng điện stator được phóng đại 57

Hình 6.11 Giá trị từ thông stator 57

Hình 6.12 - Giá trị từ thông stator được phóng đại 57

Hình 6.13 - Giá trị Moment của động cơ 57

Hình 6.14 – Vị trí góc từ thông stator 58

Hình 6.15 - Tốc độ động cơ 58

Hình 6.16 - Giá trị dòng điện stator 59

Hình 6.17 - Giá trị dòng điện stator được phóng đại 59

Hình 6.18 - Giá trị từ thông của stator 59

Hình 6.19 - Giá trị Moment của động cơ 60

Hình 6.20 - Góc từ thông stator 60

Hình 6.21 - Tốc độ động cơ 60

Hình 6.22 - Giá trị dòng điện stator 61

Hình 6.23 - Giá trị dòng điện stator được phóng đại 61

Hình 6.24 - Giá trị từ thông stator 61

Hình 6.25 - Giá trị điện trở stator 62

Hình 6.26 - Giá trị Moment của động cơ 62

Hình 6.27 – Vị trí góc từ thông stator 62

Hình 6.28 - Tốc độ động cơ 62

Hình 6.29 - Giá trị dòng điện stator 63

Hình 6.30 Giá trị dòng điện stator được phóng đại 63

Hình 6.31 - Giá trị từ thông stator 63

Hình 6.32 - Giá trị từ thông stator được phóng đại 64

Hình 6.33 - Giá trị Moment của động cơ 64

Hình 6.34 – Vị trí góc từ thông stator 64

Hình 6.35 – Vị trí góc từ thông stator được phóng đại 64

Hình 6.36 - Tốc độ động cơ 65

Hình 7 1 - Mô hình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm 66

Hình 7 2 - Sơ đồ tổng quát của mạch điều khiển 67

Hình 7 3 - Sơ đồ khối chức năng phần cứng 67

Hình 7 4 - Mạch DSP TMS320F28335 68

Hình 7 5 - Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị giao tiếp 69

Hình 7 6 - Sơ đồ kết nối mạch lái với mạch công suất 69

Hình 7 7 - Sơ đồ nguyên lý mạch lái cách ly 70

Hình 7 8 - Sơ đồ kết nối các phần cứng và module IGBT IRF540 70

Hình 7 9 – Sơ đồ nguyên lý mạch khếch đại tín hiệu dòng áp 71

Hình 7 10- Vấn đề offset tín hiệu hồi tiếp 72

Hình 7 11 - Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến dòng áp AC 3 pha 73

Hình 7 12 - Sơ đồ nguyên lý mạch offset 73

Hình 7 13 - Mô hình mạch điều khiển 3D 74

Hình 7.14 - Mô hình mạch điều khiển thực nghiệm 74

Hình 7 15- Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu tự động 75

Hình 7 16 - Module IGBT 75

Hình 7 17 - Module IGBT và mạch kích tích hợp 76

Hình 7 18 - Mô hình mạch nghịch lưu 3 pha 6 khoá thực nghiệm 76

Hình 7 19- Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển mạch nguồn 77

Hình 7 20 - Nhãn động cơ sử dụng trong thực nghiệm 78

Hình 7 21 - Mô hình truyền động máy phát DC và động cơ KĐB 78

Hình 7 22 Đáp ứng moment điện từ 79

Hình 7 23 Đáp ứng từ thông stator 79

Hinh 7 24 Đáp ứng tốc độ rotor 79

Hình 7 25 Đáp ứng từ thông 80

Hình 7 26 Đáp ứng moment 80

Hinh 7 27 Đáp ứng tốc độ rotor, tần số realtime bằng CCS 80

Hình 7 28 Đáp ứng từ thông 80

Hình 7 29 Đáp ứng moment điện từ (đã nhân với hệ số hiệu chỉnh) 81

Hinh 7 30 Đáp ứng tốc độ rotor, tần số realtime bằng CCS 81

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 - Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu ứng với mỗi trạng thái đóng ngắt 17

Bảng 3.2 - Góc của các sector 18

Bảng 3.3 - Trạng thái V1, V2, V0, V7 19

Bảng 3.4 - Thời gian đóng ngắt của các khóa 21

Bảng 3.5 - Lựa chọn điện áp theo sự tăng giảm từ thông stator và moment 30

Bảng 3.6 - Bảng lựa chọn điện áp theo bộ so sánh trễ 33

Bảng 5.1 Bảng lựa chọn quy luật cơ sở của bộ điều khiển PI-fuzzy logic 50

Bảng 6.1 – Thông số động cơ sử dụng mô phỏng công suất Pđm = 1HP 52

Bảng 7.1 - Thông số động cơ thực nghiệm 77

Bảng 7.2 - Thông số của động cơ DC (dùng làm tải ở chế độ máy phát) 78

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Điều khiển động cơ KĐB đã và đang là giải pháp hàng đầu trong các hệthống truyền động điện hiện đại ngày nay Nó dần thay thế các hệ truyền độngdùng động cơ DC với giá thành cao và độ tin cậy thấp Động cơ KĐB rotor lồngsóc với những ưu điểm như giá thành thấp, không cần bảo trì thường xuyên, khảnăng làm việc cao là lựa chọn tốt nhất để ứng dụng điều khiển trong các hệtruyền động công nghiệp Động cơ KĐB rotor lồng sóc được đánh giá là có tínhhiệu quả cao về tốc độ và khả năng kéo tải

Song động cơ KĐB là đối tượng phi tuyến, có nhiều thông số thay đổitrong quá trình hoạt động (điện trở stator và rotor thay đổi bởi nhiệt sinh ratrong động cơ, ma sát nhớt, moment quán tính, tải thay đổi…) Do đó, việc điềukhiển chính xác tốc độ động cơ là vấn đề đã được nghiên cứu từ nhiều thập

kỷ nay, trong nhiều phương pháp điều khiển hiện nay thì phương pháp điềukhiển trực tiếp moment (DTC) ra đời trễ nhất Điều khiển trực tiếp moment(DTC) động cơ KĐB trong truyền động công nghiệp trở nên phổ biến bởi vì

nó điều khiển đơn giản và hiệu quả Phương pháp này có ưu điểm hơn so vớicác phương pháp điều khiển trước đây, ít lệ thuộc vào thông số điện của động

cơ, ngoại trừ giá trị điện trở stator, do đó để cải thiện chất lượng điều khiển thìgiá trị điện trở stator cần được xác định chính xác trong quá trình điều khiển

Để tốc độ được đảm bảo chắc chắc chính xác và ổn định, thì yêu cầu có cảmbiến tốc độ (encoder) cho việc điều khiển vòng kín Tuy nhiên, sử dụng cảmbiến tốc độ có một số khuyết điểm khó khắc phục về chi phí, tín ổn định, khảnăng chống nhiễu và cồng kềnh gây khó khăn trong việc lắp đặt trên các hệthống kết cấu cơ khí Việc ước lượng tốc độ động cơ không cần cảm biến tốc

độ đã được chú trọng nghiên cứu trong thời gian gần đây; Việc loại bỏ cảmbiến tốc độ (sensorless) trong điều khiển tốc độ động cơ góp phần giảm chi phícho bộ điều khiển cũng như tăng khả năng ứng dụng (đơn giản hoá việc lắp đặt,bảo trì) cho hệ thống động cơ KĐB 3 pha

Nhưng bởi vì động cơ mô hình động cơ KĐB có nhiều biến, cộng với cónhiều phương pháp điều khiển khác nhau, nên việc ước lượng tốc độ rotor và từthông không dùng cảm biến vẫn là một vấn đề cần được nghiên cứu Và nhữngphương pháp điều khiển khác đã dần hoàn thiện và mang lại hiệu quả [13]- [33]

Trong luận văn này, học viên tập trung giải quyết mục tiêu: ước lượngtốc độ rotor và điện trở stator phục vụ cho phương pháp điều khiển DTC

Phần mềm Matlab/Simulink được dùng để thực hiện các mô hình môphỏng (mô hình mô phỏng được xây dựng bằng hàm truyền, phương trình trạngthái, mô hình hóa hệ thống) và kiểm chứng lý thuyết cũng như mô phỏng hệthống thực của đề tài

Card điều khiển DSP C2000 (TI-TMS320F28335) được dùng xây dựng

mô hình thực nghiệm ước lượng điện trở stator và tốc độ điều khiển động cơKĐB ba pha rotor lồng sóc

1 1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu

Xuất phát từ sự phát hiện ra nguyên lý từ trường xoay của nhà vật lýngười Pháp François Arago năm 1824, qua hàng trăm năm tồn tại nhưng động cơKĐB vẫn được sử dụng rộng rãi vì: giá thành rẻ, ổn định, tính kinh tế cao Theokhảo sát, thì 65% năng lượng điện được sử dụng cho động cơ điện Trong lĩnh vực công nghiệp nói riêng, 76% được sử dụng bởi động cơ, vàtrên 90% là động cơ KĐB Tuy nhiên, bởi được sử dụng rộng rãi với nhiều mụcđích khác nhau, với những yêu cầu khác nhau về môi trường, tốc độ, điện áp…nên có nhiều phương pháp điều khiển ra đời nhằm đáp ứng những yêu cầu đó Cónhiều phương pháp điều khiển động cơ, đơn giản nhất là sử dụng phương phápđiều khiển vô hướng, phương pháp này điều khiển tỉ số giữa điện áp và tần sốkhông đổi, từ đó thay đổi tốc độ động cơ KĐB, phương pháp này điều khiển đơngiản, được ứng dụng cho các nhu cầu không cần độ chính xác cao như: bơm,quạt… [2][3][5][9] Nhiều hãng sản xuất như: Siemens, Mishubishi, ABB,Hitachi, Omron, TOSHIBA, Panasonic, Powtrant… Đã chế tạo thành công bộ

điều khiển tốc độ động cơ và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hiệnnay[3].

Trong lĩnh vực phát triển điều khiển các bộ biến đổi công suất, nhữngphương pháp điều khiển tần số đã được đưa ra vào những năm 1996-2000 nhưđiều khiển trượt [3], điều chỉnh trực tiếp từ thông tối ưu dựa vào thông số thựcnghiệm[4]

Nhờ khả năng và tốc độ tính toán nhanh của vi điều khiển, các nhànghiên cứu đã triển khai các giải thuật điều khiển theo mô hình tổn hao của động

cơ chỉ trong trường hợp có tính đến tổn hao trong lõi sắt từ [5] - [8] Các mô hìnhtổn hao này được xây dựng dựa trên thông số của động cơ, như điện trở, điệnkháng của stator và của rotor, tổn hao… Những phương pháp này phụ thuộcnhiều vào thông số động cơ nên gây khó khăn cho việc điều khiển

Những phương pháp điều khiển động cơ KĐB đã được nghiên cứu đãnêu ra trong nhiều năm nay có những khuyết điểm sau:

 Điều khiển theo hệ số công suất có thể thực hiện đơn giản, nhưng mỗi động

cơ có hệ số công suất khác nhau, nên không thể tổng hợp mô hình thống nhất.Người điều khiển phải có kiến thức nhất định về động cơ và lợi ích kinh tế đemlại không lớn đặc biệt đối với các động cơ loại nhỏ

 Phương pháp hiệu chỉnh trực tiếp từ thông tối ưu từ các biểu thức đòi hỏiphải có thông số thực nghiệm động cơ chính xác; cần phải ước lượng chính xác

mô men và tốc độ động cơ mới có thể đạt chất lượng điều khiển cũng như hiệusuất cao

 Điều khiển theo phương pháp tìm kiếm điểm cực trị không phụ thuộc vàothông số của động cơ, nhưng khả năng đáp ứng của hệ thống chậm Vì vậy,không thể áp dụng đạt hiệu quả cao cho các loại tải khác nhau

 Điều khiển từ thông động cơ sẽ ảnh hưởng nhiều đến thông số cũng như đặctính của động cơ Vì vậy, có thể gây ra tổn hao công suất trong lõi sắt cũng nhưtổn hao phụ do hiện tượng sóng hài dòng điện gây ra

Những năm gần đây việc điều khiển động cơ KĐB không dùng cảm biến tốc

độ (sensorless) phát triển mạnh vì những ưu điểm vượt trội của nó như: giảm giáthành, đơn giản hoá hệ thống cơ khí Một trong những phương pháp điều khiểnhay được sử dụng là phương pháp điều khiển định hướng trường FOC (FieldOriented Control) được phát triển bởi blaschke [11] Phương pháp hay được sửdụng thứ 2 là phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC (Direct TorqueControl) được phát triển bởi Takahashi [12]

Phương pháp DTC dùng trong điều khiển sensorless [33] Tuy nhiên, việcđiều khiển sensorless phụ thuộc nhiều vào thông số động cơ đặc biệt ở vùng tốc

độ thấp [13]- [14] Một số bộ quan sát tốc độ vòng hở hay được sử dụng như:

Nhằm cải thiện độ chính xác, người ta dùng một số bộ quan sát vòng kín đểước tính tốc độ như:

 Model Reference Adaptive Systems (MRAS) [14], [20]

 Kalman filter techniques [17]

 Adaptive observers based on both voltage and current model [29]

 Neural network flux and speed estimators [26], [30]

Khi thiết kế các bộ quan sát ước tính tốc độ rotor bao gồm 3 yếu tố chính gâykhó khăn là sự nhạy cảm các thông số động cơ, khâu hiệu chỉnh PID đáp ứngtuyến tính trong vùng có giới hạn và sự phụ thuộc giữa các vòng điều khiển.

Bộ quan sát vòng kín có ưu điểm là không phụ thuộc nhiều vào thông sốđộng cơ Người ta dùng các bộ hiệu chỉnh thông minh như Fuzzy Logic, Neuralnetwork, Kalman filter xây dựng giải thuật điều chỉnh từ thông dựa trên môhình động cơ và mô hình toán tương đương, các phương pháp này có ưu điểm là

có thể ước lượng chính xác sai số hệ thống từ đó ước tính chính xác tốc độ rotor,nhưng nhược điểm tính toán khá phức tạp, sử dụng chỉ hiệu quả trên các bộ tínhtoán tốc độ cao [17]- [19]

1.2 Mục tiêu và hướng giải quyết

Luận văn này tập trung giải quyết mục tiêu: ước lượng tốc độ rotor dựa trên

mô hình tham chiếu thích nghi mờ (MRAS -FL) quan sát vòng kín từ thông cùngvới ước lượng thông số điện trở stator (sensorless) phục vụ cho phương pháp điềukhiển DTC

Mục tiêu cụ thể:

1 Xây dựng mô hình điều khiển DTC trên Matlab Xây dựng các phươngpháp điều khiển cho động cơ KĐB ba pha có tính đến sự thay đổi của đặc tínhphụ thuộc vào tần số của điện áp stator và các thông số của động cơ

2 Xây dựng bài toán quan sát tốc độ rotor và điện trở stator Nghiên cứu xâydựng bộ quan sát tốc độ vòng kín trên cơ sở mô hình tham chiếu thích nghi chođộng cơ KĐB 3 pha, ước tính thông số điện trở stator nhằm đảm bảo mô hìnhchạy ổn định khi điện trở stator thay đổi, đều này có ý nghĩa thực tế vì khi làmviệc động cơ nóng dần lên điện trở stator sẽ thay đổi khá lớn ảnh hưởng đến bộquan sát tốc độ

3 Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển cho động cơ KĐB

3 pha Các giải thuật lập trình được nhúng vào vi điều khiển DSP TMS 28335

1.3 Kết quả của luận văn

1 Giải thuật lập trình và chương trình điều khiển cho động cơ KĐB bapha rotor lồng sóc trên cơ sở vi mạch điều khiển DSP TMS320F28335

2 Mô hình điều khiển động cơ KĐB ba pha rotor lồng sóc công suất1HP trên cơ sở vi mạch điều khiển DSP TMS320F28335

3 Chương trình mô phỏng điều khiển DTC - MRAS cho động cơ KĐB

ba pha

CHƯƠNG 2: VECTOR KHÔNG GIAN VÀ ĐỘNG CƠ KĐB BA PHA 2.1 Vector không gian

2.1.1 Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha

Trong phần này, ta chỉ xét vector không gian điện áp stator cấp cho động cơKĐB ba pha, các vector không gian dòng điện và từ thông được tính tương tự.Vector không gian điện áp stator được định nghĩa như sau:

23

Hình 2 1 - Vector không gian điện áp stator trên hệ α-β.

Ta có thể chuyển đổi vector không gian điện áp stator từ hệ tọa độ abc sang

hệ tọa độ αβ và ngược lại bằng phép chuyển trục: αβ-abc

Phép chuyển trục αβ-abc: bằng cách chiếu các thành phần của vector

không gian điện áp stator lên trục A, B, C như hình 2.2, có thể xác định cácthành phần theo phương pháp hình học:

Hình 2 2 - Phép chuyển trục αβ-abc.

2.2 Tổng quan về động cơ KĐB ba pha

Động cơ KĐB ba pha có dây quấn stator (bố trí lệch nhau 120o) nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ có được sức điện động cảm ứng và dòng điện bên trong dây quấn rotor Dòng điện ba pha đối xứng chạy trong dây quấn ba pha sẽ tạo ra

từ trường quay với tốc độ đồng bộ ( v / ph )

p

f 60

Hình 2 3 - Động cơ KĐB và sơ đồ đấu dây.

Rotor động cơ KĐB gồm hai loại:

 Rotor dây quấn với dây quấn ba pha trong các rãnh rotor, có cùng sốcực với dây quấn stator với các đầu dây ra nối với vành trượt được cách điện vớitrục rotor Việc tiếp điện được thông qua các chổi than đặt trong các bộ giá đỡ chổi

than

Hình 2.4 - Rotor dây quấn.

 Rotor lồng sóc gồm các thanh dẫn (nhôm, đồng) trong rãnh rotor,chúng được nối tắt hai đầu nhờ hai vành ngắn mạch Do kết cấu đơn giản và chắcchắn, động cơ KĐB rotor lồng sóc được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vàtrong sinh hoạt

Hình 2 5 - Rotor lồng sóc.

Rotor của động cơ KĐB quay với tốc độ n khác với tốc độ của từ trườngquay đồng bộ của stator n1 = nđb và độ trượt s được định nghĩa như sau:

1 1

ra moment mở máy làm quay rotor theo chiều của từ trường stator

Khi vận hành bình thường, rotor quay với tốc độ n<n1, tần số của dòng điệnrotor là f2 = s.f, và từ trường quay sinh ra do dòng điện rotor sẽ quay với tốc độsn1 so với rotor, và quay cùng chiều với từ trường stator

2.3 Mô hình toán trên hệ tọa độ α-β

 Các thông số cơ bản của động cơ KĐB:

Lr : điện kháng tản của cuộn dây rotor

p : số đôi cực của động cơ

J (kg.m2) : moment quán tính cơ

s m

r m

s

s s

R L

1

s s

s r r

r m

s r

L T

R L T

R L

 Phương trình cơ bản của ĐCKĐB:

Đặc tính động của ĐCKĐB ba pha được mô tả với một hệ phương trình viphân Để xây dựng phương trình cho ĐCKĐB ba pha, cần phải chấp nhận một

số giả thiết sau:

 Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng trong không gian

 Bỏ qua tổn hao sắt từ và sự bão hòa mạch từ

 Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trong khe hở không khí

 Các giá trị điện trở và điện kháng không thay đổi

dt d

: tốc độ góc của rotor so với stator

: góc lệch giữa trục rotor và trục α (cuộn dây pha A)

r (chỉ số trên): hệ quy chiếu rotor

r (chỉ số dưới): đại lượng rotor

s (chỉ số trên): hệ quy chiếu stator (hệ tọa độ α-β)

s (chỉ số dưới): đại lượng stator

Kết hợp hai phương trình này với các phương trình cơ bản của ĐCKĐB,(2.11), (2.12), (2.13) ta được:

s r e

Trục rotor

Hình 2.6 - Hệ trục α-β và d-q.

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB

Hình 3 1 - Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu 6 khóa.

Bộ chỉnh lưu: có chức năng biến đổi điện áp AC 1 pha hoặc 3 pha thành

điện áp DC để nạp vào tụ C Thông thường bộ chỉnh lưu có dạng không điềukhiển, bao gồm các diode mắc dạng mạch cầu Để tránh quá áp trên tụ C, ta cóthể xả tụ qua điện trở thông qua khóa S7

Mạch DC-link: bao gồm một tụ C mắc vào ngõ vào của bộ nghịch lưu, đóng

vai trò như một nguồn điện áp Để lọc dòng chỉnh lưu cho phẳng, ta có thể mắcthêm cuộn dây L

Bộ nghịch lưu: bao gồm 6 khóa bán dẫn (MOSFET hoặc IGBT), có chức

năng biến đổi điện áp DC ở ngõ vào thành điện áp xoay chiều ba pha ở ngõ ra[10] Các khóa (S1, S2), (S3, S4), (S5, S6) được kích đối nghịch và tạo mộtkhoảng thời gian trễ để tránh ngắn mạch nguồn DC Ba cặp khóa này tạo ra 8trạng thái đóng ngắt, ứng với mỗi trạng thái, ta tính được điện áp ngõ ra của bộnghịch lưu

Hình 3 2 - Trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn.

Bảng 3.1 - Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu ứng với mỗi trạng thái đóng ngắt.

3.2 Nguyên lý điều chế vector không gian

3.2.1 Điều chế vector không gian liên tục (SVPWM)

Pháp điều chế vector không gian được xem là phương pháp chính xác vàhiện đại nhất

Mục đích của kỹ thuật điều chế độ rộng xung theo vector không gian(SVPWM) là xấp xỉ vector điện áp đặt sử dụng tám mẫu đóng ngắt của 3 khóaS1, S3, S5 Một phương pháp xấp xỉ đơn giản là lấy trung bình ngõ ra của bộnghịch lưu trong chu kì nhỏ

Tám tổ hợp trạng thái đóng ngắt được trình bày ở phần trên là tám vectorchuẩn (V0…V7) Trong đó, V0 và V7 là hai vector 0 vì điện áp ngõ ra của bộnghịch lưu bằng không Tám vector này chia mặt phẳng thành 6 phần bằngnhau, mỗi phần có độ lớn là 60o được gọi là một sector

Hình 3 3 - Các vector điện áp chuẩn và các sector.

Xét vector điện áp Vref nằm trong sector 1

Hình 3 4 - Vector Vref nằm trong sector 1.

Bằng cách chuyển đổi vector điện áp dạng thời gian đóng ngắt trong nữa chu

kỳ lấy mẫu Ts, ta được thời gian thực hiện vector V1 là T1 và thời gian thực hiệnvector V2 là T2 Ngoài thời gian thực hiện V1, V2; thời gian còn lại (T0) biến tầnthực hiện vector V0 hoặc V7

Bảng 3.3 - Trạng thái V 1 , V 2 , V 0 , V 7

Vectorđiện áp

Điều chế độ rộng xung theo vector không gian có thể thực hiện theo cácbước:

Bước 1: Xác định vector điện áp đặt Vref và góc .

Từ hình 3.5, Vref và góc  được xác định như sau:

dc dc

s

V V

V V

Các sector khác được tính tương tự như công thức (3.10)

Bước 3: Xác định thời gian đóng ngắt của các khóa S1-S6.

Thời gian đóng ngắt của các khóa trong nữa chu kì được xác định trongbảng:

Bảng 3.4 - Thời gian đóng ngắt của các khóa.

Sector Upper Switches (S1, S3, S5) Lower Switches (S2, S4, S6)

3.2.2 Điều chế vector không gian gián đoạn (DSVPWM)

Phương pháp này được thực hiện dựa trên điều chế vector không gian liêntục, khi mà một trong hai vector zero sẽ không được thực hiện trong một chu kỳđóng cắt Một khóa trong bộ 3 khóa trên sẽ giữ nguyên trạng thái trong cùng chu

kỳ Điều này giải thích vì sao phương pháp này được gọi là điều chế vectorkhông gian gián đoạn

Hình 3 6 - Giản đồ xung kích trong điều chế vector không gian gián đoạn

Vì một khóa giữ nguyên trạng thái ON hoặc OFF trong toàn bộ chu kỳ điềuchế, nên điện áp trên khóa này chỉ tồn tại bằng điện áp trên tụ DC link hoặc 0volt Số lần đóng cắt sẽ giảm đi 1/3 lần khi so sánh với phương pháp điều chế

vector không gian liên tục Từ đó, tổn hao do đóng cắt được giảm Có nhiều cấuhình cho điều chế vector không gian rời rạc, nhưng đặc điểm chung của các cấuhình này là sự sắp xếp vector 0 hoặc vector 7 vào các sector Có 9 cấu hình cơbản cho kỹ thuật điều chế vector không gian rời rạc

3.3 Phương pháp điều khiển động cơ KĐB

Trên thực tế, có nhiều phương pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB, có thểchia làm hai loại:

 Điều khiển vô hướng:

 Điều khiển điện áp stator

 Điều khiển tần số

 Điều khiển điện trở rotor

 Điều khiển công suất trượt rotor

 Thay đổi số cực

 Điều khiển vector:

 Điều khiển định hướng theo trường (FOC_Field Oriented Control)

 Điều khiển trực tiếp moment (DTC_Direct Torque Control)

Hình 3 7 - Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB.

3.4 Phương pháp điều khiển định hướng trường

Tổng quát, một động cơ điện tương tự như một nguồn moment điều khiểnđược Yêu cầu điều khiển chính xác giá trị moment tức thời của động cơ đượcđặt ra trong hệ truyền động có đặc tính động cao và sử dụng phương pháp điềukhiển vị trí trục rotor

Moment sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dòng trong cuộn ứng

và từ thông sinh ra trong hệ thống kích từ của động cơ Từ thông phải được giữtối ưu nhằm đảm bảo moment sinh ra tối đa và giảm tối thiểu độ bão hòa củamạch từ Với từ thông có giá trị không đổi, moment sẽ tỉ lệ thuận với dòng ứng.Trong động cơ KĐB, dòng ứng là dòng rotor và từ thông được sinh ra bởi dòngstator Tuy nhiên, dòng rotor không được trực tiếp điều khiển bởi nguồn ngoài

mà là hệ quả do sức điện động cảm ứng sinh ra do kết quả chuyển động củarotor so với từ trường stator Do đó, dòng stator là nguồn của từ thông và dòngứng

Trong động cơ KĐB rotor lồng sóc, chỉ có dòng stator được điều khiển trựctiếp, do đó việc điều khiển moment tối ưu khó thực hiện vì không thể bố trí cốđịnh về mặt vật lý giữa từ thông stator và rotor được và phương trình moment làphi tuyến

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã đưa ra nguyên lý định hướngtheo trường (FOC) Bản chất của phương pháp này là điều khiển các biến đãchọn sao cho chúng luôn bằng 0 Điều này làm cho mô hình toán trở nên đơngiản hơn rất nhiều vì có thể loại bỏ một số nhánh trong mô hình tổng quát

3.4.1 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp-DRFOC

Hình 3 8 - Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp.

Tuy nhiên, phương pháp này làm cho giá thành của hệ thống cao, giảm độ tincậy của hệ truyền động và việc thi công rất khó khăn Phương pháp ước lượng từthông thường được sử dụng vì nó có những ưu điểm là thực hiện dễ dàng và sai

số có thể chấp nhận được

Sai số là do phương pháp ước lượng phụ thuộc rất nhiều vào thông số củađộng cơ Có ba phương pháp ước lượng là : ước lượng từ dòng và áp hồi tiếp;ước lượng từ tốc độ và dòng hồi tiếp; ước lượng từ dòng, áp và tốc độ hồi tiếp

3.4.2 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp-IRFOC

Hình 3 9 - Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp.

Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp được trình bày nhưhình 3.14, chỉ có một vòng lặp cho isq

Vận tốc trượt theo công thức trên cho thấy sự phụ thuộc rất lớn vào thời hằngrotor T r Giá trị T rbiến thiên đáng kể trong quá trình vận hành động cơ, do sựthay đổi điện trở rotor theo nhiệt độ, do sự phụ thuộc vào tần số và mức bão hòa

từ của điện kháng rotor

Ưu điểm của hệ thống điều khiển gián tiếp là có thể sử dụng cho các động cơthường gặp với vị trí rotor có thể đo được dễ dàng bằng một cảm biến gắn ngoài

3.5 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC

Nguyên tắc điều khiển của phương pháp DTC là dựa trên biểu thức tínhmoment của động cơ để điều khiển các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu,qua đó thay đổi điện áp cấp vào động cơ KĐB

Thiết lập biểu thức tính moment động cơ

Ta có:

3 2 3

Từ công thức (3.47) ta thấy rằng moment động cơ có thể điều khiển bằngcách điều chỉnh góc sr Mặt khác ta thấy rằng biên độ từ thông stator s

s

 thểhiện cường độ trường từ trong động cơ thì phụ thuộc hoàn toàn vào điện ápstator theo công thức:

( ) ( ) ( )

không thay đổi nhiều nên moment của động cơ hầu như chỉ thay đổi theo góc

sr

2

3

sin 2

áp dẫn đến sự thay đổi góc sr Nếu từ thông stator quay theo chiều ngược chiềukim đồng hồ thì góc sr tăng dẫn đến Te dương cho nên moment sẽ tăng, ngượclại từ thông stator quay theo chiều thuận chiều kim đồng hồ thì moment sẽ giảm

s r



s s

 

s s

Hình 3 10 - Đồ thị tác động của điện áp lên từ thông stator.

Lý thuyết điều khiển cơ bản của phương pháp điều khiển DTC, được đưa rabởi Takahashi and Noguchi năm 1986, có thể được phát biểu như sau:

 Từ thông stator là tích phân thời gian của sức điện động stator Es, vìvậy biên độ của nó phụ thuộc hoàn toàn vào điện áp stator

 Moment thì tỷ lệ với sin của góc giữa vector từ thông stator và rotor

 Ảnh hưởng của từ thông rotor đến sự thay đổi điện áp stator thì thấphơn so với từ thông stator

Kết quả là cả biên độ của từ thông stator và moment có thể điều khiển trựctiếp bằng cách lựa chọn chính xác vector không gian điện áp stator, và cũngchính là sự lựa chọn liên tiếp các trạng thái đóng cắt của bộ nghịch lưu [32]

Và đặc biệt:

 Những vector điện áp ( không phải zero ) nào mà có độ lệch so vớivector từ thông stator không vượt quá ± 900 thì làm cho từ thông tăng.

 Những vector điện áp ( không phải zero ) nào mà có độ lệch so vớivector từ thông stator vượt quá ± 900 thì làm cho từ thông giảm

Các trạng thái zero (0 và 7) (trong khoảng thời gian ngắn chấp nhận được)thì không ảnh hưởng đến vector từ thông stator cho nên nó dừng lại

Moment có thể được điều khiển bằng cách chọn các trạng thái của bộ nghịchlưu làm cho vector từ thông stator đi nhanh hơn, dừng lại hoặc đi chậm lại

s s



s 4

Hình 3 11 - Biểu đồ tác động của vector điện áp lên từ thông stator.

Trong trường hợp trên các vector điện áp U1, U2, U6 làm tăng vector từ thôngstator, còn U3, U4,U5 làm giảm từ thông stator.Từ nguyên tắc trên ta chia khônggian vector trục αβ thành các sector có độ rộng 600 ký hiệu từ 1 đến 6 Vector từthông stator ở sector nào thì sẽ kết hợp với các vector điện áp thích hợp tại đó đểgiảm hoặc tăng độ lớn của từ thông stator

jββ

α S(1)

S(2) S(3)

Hình 3 12 - Đồ thị chia các sector của không gian vector.

Giả sử từ thông stator đang ở góc sector thứ nhất S(1) thì nếu ta chọn cácvector điện áp U2 và U6 thì sẽ làm tăng từ thông, còn nếu chọn các vector điện ápU3 và U5 thì sẽ làm giảm từ thông

Vector điện áp nào làm cho từ thông quay theo chiều kim đồng hồ thì sẽ làmcho moment giảm, ngược lại làm cho moment tăng Như vậy U5 và U6 sẽ làmcho moment giảm, còn U2 và U3 sẽ làm cho moment tăng

Từ đó ta phát triển lên cho các góc sector khác như bảng sau đây:

Bảng 3.5 - Lựa chọn điện áp theo sự tăng giảm từ thông stator và moment

thỏa mãn yêu cầu về bảo hòa từ Để thực hiện điều này ta cần các bộ so sánhgiữa các giá trị đặt và giá trị thực của moment và từ thông stator.

Để kết hợp các kết quả so sánh với việc chọn điện áp điều khiển bộ nghịchlưu người ta đã tạo các bộ so sánh 2 bậc và 3 bậc như sau:

Bộ so sánh trễ 2 bậc

 Nguyên tắc của bộ so sánh trễ 2 bậc là lấy sai số Ex (error) từ phéptính so sánh giữa 2 tín hiệu (hiệu số) đem so sánh với khoảng trễ HBx(hysteresis-band) để đưa tín hiệu chọn các vector điện áp ở đầu ra Hxtheo 2 mức

Nếu giá trị so sánh nào nhỏ hơn giá trị đặt thì ta cần tăng giá trị đó lên, nếu

nó vượt qua khỏi giá trị đặt thì ta cần giảm nó xuống

ref

E     moment nhỏ hơn giá trị đặt nên cần tăng

x e

ref

E     moment lớn hơn giá trị đặt nên cần giảm

x T

 moment bằng với giá trị đặt

Dựa vào cách chọn vector điện áp theo tăng giảm từ thông stator và moment

ta thiết lập bảng chọn điện áp dựa theo các giá trị từ ngõ ra của các bộ so sánh 2bậc và 3 bậc

Bảng 3.6 - Bảng lựa chọn điện áp theo bộ so sánh trễ

Mục đích ta chọn các vector zero là U0 và U7 là để không thay đổi từ thông

và moment Khi chọn các vector zero thì theo lý thuyết không ảnh hưởng đến từ

s s s s s 0

s

s  U  t  0       



     ) nhưng do có thành phần điện trởi

Rs làm từ thông giảm chút ít Moment cũng giảm chút ít vì từ thông rotor tăngkhi từ thông stator dừng lại (góc sr nhỏ lại) Độ rộng của khoảng trễ có ảnhhưởng đến quỹ đạo của từ thông stator và tần số đóng cắt của bộ nghịch lưu Nguyên lý của DTC là chọn điện áp thích hợp để điều khiển moment và từthông stator theo các giá trị đặt, để có thể làm được điều này ta phải biết được vịtrí của từ thông, giá trị của nó Để xác định vị trí của từ thông và tính toánmoment ta cần thiết lập một bộ ước lượng từ thông và moment Tóm lại, bộ điềukhiển động cơ KĐB bao gồm 3 phần chính: bộ so sánh trễ, bộ chọn trạng tháiđóng ngắt (chọn vector điện áp), bộ ước lượng từ thông và moment

Ngoài ra, ta cần bộ điều khiển tốc độ và bộ điều khiển từ thông đặt để đạt tốc

độ cần thiết và đạt từ thông tối ưu hoặc hãm từ thông

Từ đó ta có mô hình đơn giản bộ điều khiển như sau:

Hình 3 15- Mô hình bộ điều khiển DTC đơn giản.

Theo phương pháp điều khiển DTC ta thấy để điều khiển chính xác từ thôngmoment ta cần bộ tính toán rất nhanh để đáp ứng từ thông và moment dao độngnhỏ nhất

Đây là nhược điểm chính của phương pháp DTC, nhưng bù lại nó cho đápứng tốc độ moment cũng như từ thông rất nhanh

3.6 Kết luận

Phương pháp DTC cho đáp ứng moment nhanh, nhưng từ thông và momentdao động khá lớn với bộ điều khiển lấy mẫu tính toán chậm Phương pháp FOCcho đáp ứng từ thông và moment khá mịn, phương pháp IRFOC phụ thuộc nhiềuvào hằng số thời gian rotor Tr, phương pháp DRFOC phụ thuộc vào điện trởstator Rs