điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ ba pha

Luận văn tập trung nghiên cứu “ điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ 3 pha”, dùng để ứng dụng điều khiển sensorless với thông số điện trở stator được quan sát theo thời gian..

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐẠI LỢI

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỘNG CƠ

KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 4 3 3 3

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐẠI LỢI

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

BA PHA

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN ĐẠI LỢI

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

BA PHA

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Ngày, tháng, năm sinh: 18 – 11 – 1982 Nơi sinh: Hòa Thành, Tây Ninh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 11/11 Long Yên, Long Thành Nam, Hòa Thành, Tây Ninh

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Đại học:

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học DL Bình Dương

Ngành học: Điện-Điện tử

2 Thạc sĩ:

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Kỹ Thuật Điện

Tên luận văn: Điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ 3 pha

Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Ngày 19-10-2014, tại ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Minh Phương

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

nhiệm

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 09tháng 09 năm 2014

Người cam đoan

Nguyễn Đại Lợi

LỜI CẢM ƠN

Sau quá trình làm việc, nghiên cứu, được sự động viên giúp đỡ và hướng dẫn

tận tình của thầy PGS.TS Lê Minh Phương, luận văn với đề tài” điều khiển thích

nghi động cơ không đồng bộ 3 pha” đã hoàn thành

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sấu xắc đến thầy PGS.TS Lê Minh Phương đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Chân thành cảm ơn quí thầy cô Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM và Trường Đại Học Bách khoa TP.HCM đã giảng dạy tôi trong suốt hai năm học

Và cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình , đồng nghiệp bạn bè đã động viên tôi trong suốt quá trình học tập

Tp Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 09 năm 2014

Người cảm ơn

Nguyễn Đại Lợi

TÓM TẮT

Động cơ không đồng bộ ngày nay được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thay cho các động cơ khác vì nó có nhiều ưu điểm như khởi động đơn giản, vận hành tin cậy, giá thành rẽ và kích thước gọn nhẹ Ngoài ra động cơ không đồng bộ

có nhược điểm là đặc tính cơ phi tuyến Do đó trước đây với các phương pháp điều khiển còn đơn giản người ta thường sử dụng động cơ một chiều Nhưng với

sự phát triển của mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công nghệ vi điện tử, khoa học máy tính, công nghệ bán dẫn công suất và kỹ thuật điều khiển đã tạo sự chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho giải pháp tự động hoá công nghiệp, nhiều phương pháp điều khiển hiện đại, hiệu quả nên đã đưa động cơ không đồng bộ trở thành phổ biến

Đối với những hệ thống yêu cầu chính xác cao về tốc độ người ta buộc dùng cảm biến tốc độ (encoder) hồi tiếp tốc độ Vì thế, việc loại bỏ cảm biến tốc độ (sensorless) góp phần giảm chi phí cũng như đơn giản hoá việc lắp đặt, bảo trì cho

hệ thống động cơ không đồng bộ 3 pha Đây là xu hướng phát triển chung của các bộ điều khiển động cơ cao cấp hiện nay

Một số công trình nghiên cứu trên thế giới đã đề cập ứng dụng điều khiển động

cơ không dùng cảm biến tốc độ, nhưng còn hạn chế thí nghiệm ở trạng thái lý tưởng động cơ hoạt động với thông số không thay đổi theo thời gian Trên thực tế khi làm việc lâu dài nhiệt độ động cơ tăng, điện trở và điện cảm cuộn dây thay đổi đáng kể ảnh hưởng đến bộ ước lượng tốc độ và tính toán từ thông, gây sai lệch đáng kể về tính toán giảm tổn hao cũng như điều khiển tốc độ

Luận văn tập trung nghiên cứu “ điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ

3 pha”, dùng để ứng dụng điều khiển sensorless với thông số điện trở stator được quan sát theo thời gian Điều này đảm bảo động cơ hoạt động ổn định khi điện trở stator thay đổi ảnh hưởng chính đến việc tính toán từ thông

ABSTRACT

Induction motors are now widely used in industry instead of the other engines because it has many advantages such as simple boot, reliable operation, low price and compact size In addition, induction motor drawback is nonlinear mechanical properties Therefore previous control methods are simple people often use DC motors But with the strong development of science and technology, micro-

electronics technology, computer science, semiconductor technology and

technical capacity controls has created a fundamental shift in direction for the solution itself industrial automation, many modern control methods, the effect should have put induction motor became popular

For systems that require high precision in speed they had used speed sensor (encoder) speed feedback Therefore, the removal of speed sensor (sensorless) contributing to reducing costs and simplifying the installation and maintenance

of systems for induction motor 3 phase This is the general trend of development

of the advanced engine control now

Several studies have addressed the world motor control applications do not use the speed sensor, but limited experiments in ideal state engine operating

parameters do not change over time In fact as long as the engine temperature increases, the resistance and inductance coil changes significantly affect the estimated speed and flux calculations, cause considerable error in computation reduces losses as well as speed control

Dissertation focused on "Adaptive control of three induction motors ", used to control applications with sensorless stator resistance parameters were observed over time This ensures stable operation motor stator resistance changes as the major influence on the calculation of the magnetic flux

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan ii

Cảm ơn iii

Tóm tắt iv

Mục lục vi

Danh sách các chữ viết tắt ix

Danh sách các hình xi

Chương 1 Tổng quan 01

1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 01

1.2.Một số công trình nghiên cứu có liên quan 04

1.3.Mục đích của đề tài 05

1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 05

1.5 Phương pháp nghiên cứu 06

1.6 Các bước tiến hành 06

Chương 2 Mô hình động cơ không đồng bộ 3 pha 07

2.1 Tổng quan về động cơ không đồng bộ 3 pha 07

2.2 Mô tả các đại lượng 3 pha ở dạng vecto không gian 08

2.2.1 Hệ trục tọa độ tĩnh (α, β) 09

2.2.2 Hệ trục tọa độ quay (d, q) 11

2.3 Mô hình tính toán của động cơ không đồng bộ ở chế độ xác lập 12

2.3.1 Mô hình động của động cơ không đồng bộ 12

2.3.2 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ cố định stator 16

2.3.3 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ quay rotor 19

2.4 Xây dựng mô hình toán trong Matlab_Simulink 22

2.4.1 Mô hình chuyển trục tọa độ 22

2.4.2 Mô hình động cơ trong hệ tọa độ (αβ) 24

2.4.3 Mô hình động cơ trên hệ tọa độ (dq) 26

Chương 3: Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 28

3.1 Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực 29

3.2 Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện áp stator 29

3.3 Điều khiển tốc độ bằng cách sử dụng thay đổi tần số nguồn áp (v/f) 31

3.4 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC (Direct Torque Control) 35

3.4.1 Giới thiệu 35

3.4.2 Nguyên tắc điều khiển của phương pháp DTC 37

3.5 Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) 48

3.5.1 Tổng quan 48

3.5.2 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp (IRFOC) 53

3.5.3 Phương phápđiều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp (DRFOC) 58

Chương 4: Phương pháp điều khiển khi thông số động cơ thay đổi (Ts) 59

4.1 Tổng quan 59

4.2 Ước lượng tốc độ dùng mô hình tham chiếu thích nghi (MRAS) 60

4.2.1 Mô hình ước lượng tốc độ dùng mô hình tham chiếu thích nghi (MRAS) cơ bản 60

4.2.2 Mô hình MRAS ước lượng tốc độ khi thay đổi thông số động cơ (Ts) 61

4.2.2.1Phương trình tham chiếu 63

4.2.2.2Bộ quan sát từ thông vòng kín Luenberger 64

4.2.2.3 Phương trình hiệu chỉnh 65

4.2.2.4Luật hiệu chỉnh trên cơ sở lý thuyết ổn định Popov 65

4.3 Cơ sở lý thuyết điều khiển sensorless 68

4.3.1Mộtsố mô hình sensorless 71

4.3.1.1 Tính toán độ trượt 71

4.3.1.2 Ước lượng tốc độ vòng hở và sử dụng mô hình động cơ 72

4.4 Kết luận 74

Chương 5: Mô phỏng Matlab simulink 76

5.1 Xây dựng cấu trúc điều khiển DFOC trong Matlab Simulink 76

5.1.1 Mô hình tổng thể DFOC 77

5.1.2 Mô hình điều khiển định hướng trực tiếp DFOC 78

5.1.3 Mô hình ước lượng từ thông rotor từ dòng và áp hồi tiếp 79

5.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển DFOC_sensorless MRAS trong Matlab Simulink 80

5.2.1Mô hình tổng thể DFOC_MRAS thích nghi 81

5.2.2Mô hình MRAS ước lượng song song tốc độ rotor, điện trở stator 82

5.2.3Mô hình tham chiếu và bộ quan sát từ thông vòng kín Luenberger 83

5.2.4Mô hình thích nghi tốc độ rotor 84

5.2.5 Mô hình hiệu chỉnh điện trở stator 85

5.2.6 Mô hình hiệu chỉnh điện trở stator 86

Chương6: Kết quả mô phỏng 87

6.1 Thông số động cơ 87

6.2 Mô phỏng động cơ đối với phương pháp DFOC truyền thống và DFOC_MRAS thích nghi 88

6.3 Kết luận 105

Chương 7: Hướng phát triển của đề tài 106

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

s

R : điện trở stator ()

r

R : điện trở rotor ()

Ts: hằng số thời gian stator

Tr: hằng số thời gian rotor

P- Power: công suất của động cơ(W)

p- Pole couple: số đôi cực của động cơ

 : tốc độ góc của từ thông rotor so với rotor (tốt độ trượt) (rad/s)

: góc của trục rotor (cuộn dây pha A) trong hệ tọa độ  (rad)

 : góc của từ thông rotor trong hệ tọa độ  (rad)

: góc pha giữa điện áp so với dòng điện (rad)

e

T - Torque electromagnetic: moment điện từ

 ,dq: hệ tọa độ đứng yên, hệ tọa độ quay

u v : các pha của nguồn điện 3 pha

KĐB: không đồng bô ̣

MRAS- Model Reference Adaptive System

FOC - Field Oriented Control: điều khiển tựa trường

RFOC – Roto Field Oriented Control: điều khiển tựa từ thông roto

DRFOC – Direct Roto Field Oriented Control: điều khiển tựa từ thông roto kiểu trực tiếp

IRFOC – Indirect Roto Field Oriented Control: điều khiển tựa từ thông roto kiểu gián tiếp

DTC-Direct Torque Control: điều khiển trực tiếp moment

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 : Động cơ không đồng bộ 3 pha 7

Hình 2.2 Sơ đồ cuộn dây stator của động cơ KĐB 3 pha 8

Hình 2.3 Vectơ dòng stator i svà hình chiếu 9

Hình 2.4 Biễu diễn vectơ dòng điện  của stator 9

Hình 2.5 Biễu diễn vectơ điện áp trên tọa độ  và abc 10

Hình 2.6 Biểu diễn vectơ i strong cả hai hệ trục tọa độ (α, β) và (d, q) 11

Hình 2.7 Mạch tương đương động cơ không đồng bộ 13

Hình 2.8 Hệ trục α-β và d-q 18

Hình 2.9 Khối chuyển trục toạ độ (a; b; c) → (α; β) 22

Hình 2.10 Khối chuyển trục toạ độ (α; β) → (a; b; c) 22

Hinh 2.11 Khối chuyển trục toạ độ (α; β) → (d; q) 23

Hình 2.12 Khối chuyển trục toạ độ (d; q) → (α; β) 23

Hình 2.13 Sơ đồ tổng quan các khối trong hệ tọa độ (αβ) 24

Hình 2.14 Sơ đồ động cơ trên hệ tọa độ (αβ) 25

Hình 2.15 Sơ đồ động cơ trên hệ tọa độ (dq) 27

Hình 3.1 Phân loại các phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB 3 pha 28

Hình 3.2 Đặc tính động cơ KĐB khi điều chỉnh điện áp 30

Hình 3.3 Mạch điều khiển điện áp pha 31

Hình 3.4 Quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số 34

Hình 3.5 Sơ đồ khối phương pháp V/f vòng hở 34

Hình 3.6 Sơ đồ khối phương pháp V/f vòng kín 35

Hình 3.7 Bộ nghịch lưu áp 3 pha 37

Hình 3.8 Các vector không gian điện áp 39

Hình 3.9 Mạch tương đương của động cơ KĐB 40

Hình 3.10 Đồ thị tác động của điện áp lên từ thông 41

Hình 3.11 Biểu đồ tác động của vector điện áp lên từ thông 42

Hình 3.12 Đồ thị chia các sector của không gian vector 43

Hình 3.13 Khâu so sánh trễ 2 bậc 44

Hình 3.14 Khâu so sánh trễ 3 bậc 45

Hình 3.15 Quỹ đạo vector từ thông stator: (a) khoảng trễ HB rộng, (b) khoảng trễ HB hẹp 46

Hình 3.16 Mô hình bộ điều khiển DTC đơn giản 47

Hình 3.17: Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển định hướng trường 49

Hình 3.18: Quan hệ giữa các hệ trục 50

Hình 3.19: Hệ tọa độ từ thông rotor 52

Hình 3.20 Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp 53

Hình 3.21Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp 55

Hình 4.1 Sơ đồ khối cấu trúc cơ bản của MRAS 60

Hình 4.2 Mô hình nội ước lượng song song tốc độ rotor và điện trở stator 61

Hình 4.3 Bộ quan sát Luenberger 64

Hình 4.4 Sơ đồ khối MRAS trên cơ sở ước tính tốc độ rotor hiệu chỉnh 67

Hình 4.5 Sơ đồ khối ước lượng tốc độ dùng EKF 74

Hình 5.1 Mô hình mô phỏng tổng thể DFOC 77

Hình 5.2Mô hình điều khiển DFOC 78

Hình 5.3 Khối chuyển tọa độ dq sang αβ 78

Hình 5.4 Khối chuyển tọa độ αβ sang dq 79

Hình 5.5 Mô hình ước lượng từ thông rotor 79

Hình 5.6 Mô hình điều khiển DFOC_MRAS đề xuất 81

Hình 5.7 Mô hình MRAS quan sát tốc độ rotor và điện trở stator 82

Hình 5.8 Mô hình tham chiếu với bộ quan sát từ thông vòng kín Luenberger 83 Hình 5.9 Mô hình thích nghi tốc độ rotor 84

Hình 5.10 Mô hình ước tính điện trở stator 85

Hình 5.11 Mô hình ước tính tốc độ rotor 86

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Ngày nay, các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải, trong các thiết bị điện dân dụng Động cơ điện cũng là một phần không kém phần quan trọng trong khâu truyền động với nhiệm vụ chuyển hóa điện năng thành cơ năng với những đặc tính cần thiết Việc điều khiển chính xác để tạo nên các chuyển động phức tạp là nhiệm vụ của hệ thống truyền động Do đó truyền động điện là một môn khoa học được ứng dụng các kiến thức mới nhất của lý thuyết điều khiển tự động, các tiến bộ của công nghệ vi xử lý… nhằm gán cho động cơ các đặc tính cao cấp hơn để đáp ứng được các đòi hỏi ngày càng tăng của quá trình tự động hóa đặt ra cho thiết bị truyền động

Điều khiển tốc độ động cơ AC được ứng dụng từ những năm 1990 và ngày càng chiếm vị trí nhiều hơn điều khiển tốc độ động cơ DC Động cơ không đồng bộ được ứng dụng trong các hệ truyền động trong băng chuyền, băng tải, máy nạp liệu, máy nghiền, máy khử từ, các ứng dụng dân dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, máy quay đĩa,

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công nghệ vi điện tử, khoa học máy tính, công nghệ bán dẫn công suất và kỹ thuật điều khiển đã tạo sự chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho giải pháp tự động hoá công nghiệp, nhiều phương pháp điều khiển hiện đại, hiệu quả đã được đề xuất cho việc điều khiển động cơ không đồng bộ Đặc biệt, phương pháp điều khiển vectơ là một phương pháp tin cậy và hiệu quả để điều khiển các hệ động cơ không đồng bộ nhờ đó có thể thay thế dần động cơ một chiều

Phương pháp V/f: là phương pháp điều khiển đơn giản và phổ biến trong

các ứng dụng công nghiệp Cấu trúc của mạch thì đơn giản và thường sử dụng dạng không hồi tiếp tốc độ Điểm đặc biệt của phương pháp đó là mối quan hệ giữa điện áp và tần số là một hằng số Tuy nhiên phương pháp này có độ chính xác

Phương pháp DTC: là phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông stator và

moment, đây cũng là phương pháp có hiệu suất cao Nội dung của phương pháp này là dựa trên sai biệt giữa giá trị đặt và giá trị ước lượng từ các khâu tính toán hồi tiếp về của moment và từ thông Mặt khác ta có thể điều khiển trực tiếp trạng thái của bộ nghịch lưu PWM thông qua các tín hiệu điều khiền đóng cắt các khóa công suất nhằm mục đích giảm sai số moment và từ thông trong phạm vi cho phép

đã được xác định trước

Phương pháp FOC: là phương pháp điều khiển dòng stator chủ yếu dựa vào

biên độ và góc pha của các vector FOC là kỹ thuật được sử dụng phổ biến với hiệu suất cao trong việc điều khiển động cơ với đặc tính từ thông và moment có thể được điều khiển độc lập Điều khiển này cơ bản dựa vào sự tham chiếu về thời

gian và tốc độ trên hệ trục dq, đây là hệ trục bất biến Sự tham chiếu này nhằm

mục đích hướng việc khảo sát động cơ không đồng bộ thành việc khảo sát động cơ một chiều

Đối với những hệ thống yêu cầu chính xác cao về tốc độ người ta buộc dùng cảm biến tốc độ (encoder) hồi tiếp tốc độ Vì thế, việc loại bỏ cảm biến tốc độ (sensorless) góp phần giảm chi phí cũng như đơn giản hoá việc lắp đặt, bảo trì cho

hệ thống động cơ không đồng bộ 3 pha Đây là xu hướng phát triển chung của các

bộ điều khiển động cơ cao cấp hiện nay

Một số công trình nghiên cứu trên thế giới đã đề cập ứng dụng điều khiển động

cơ không dùng cảm biến tốc độ, nhưng còn hạn chế thí nghiệm ở trạng thái lý tưởng động cơ hoạt động với thông số không thay đổi theo thời gian Trên thực tế khi làm việc lâu dài nhiệt độ động cơ tăng, điện trở và điện cảm cuộn dây thay đổi đáng kể ảnh hưởng đến bộ ước lượng tốc độ và tính toán từ thông, gây sai lệch đáng kể về tính toán giảm tổn hao cũng như điều khiển tốc độ

Một trong những phương pháp điều khiển hay được sử dụng là phương pháp điều khiển định hướng trường FOC (Field Oriented Control) được phát triển bởi blaschke Phương pháp FOC được đánh giá có khả năng đáp ứng tốt hơn phương

pháp so với phương pháp hay được sử dụng thứ 2 là phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC(Direct Torque Control) được phát triển bởi Takahashi

Phương pháp FOC thường được dùng trong điều khiển sensorless Tuy nhiên, việc điều khiển sensorless phụ thuộc nhiều vào thông số động cơ đặc biệt ở vùng tốc độ thấp Một số bộ quan sát tốc độ vòng hở hay được sử dụng như:

 Current model

 Voltage model

 Full-order observer

Các bộ quan sát vòng hở dựa trên mô hình động cơ Điều này dẫn đến mất

chính xác khi thông số động cơ thay đổi cũng như sai số tín hiệu hồi tiếp

Để cải thiện chính xác người ta dùng một số bộ quan sát vòng kín ước tính tốc

độ như:

Model Reference Adaptive Systems (MRAS)

Kalman filter techniques

Adaptive observers based on both voltage and current model Neural network flux and speed estimators

Sliding mode flux and speed estimators

Vấn đề khó khăn khi thiết kế các bộ quan sát ước tính tốc độ rotor bao gồm 3 yếu tố chính đó là sự nhạy cảm các thông số động cơ, khâu hiệu chỉnh PID đáp

ứng tuyến tính trong vùng có giới hạn và sự trùng lặp các vòng điều khiển

Các bộ quan sát vòng kín có ưu điểm là không phụ thuộc nhiều vào thông số động cơ Người ta dùng các bộ hiệu chỉnh thông minh Neural network, Kalman filter, Sliding mode xây dựng giải thuật điều chỉnh tối ưa dựa trên mô hình động

cơ và mô hình toán, 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 tính toán tốc độ cao

Trong khuôn khổ luận văn trình bày bộ ước tính tốc độ rotor trên mô hình tham

sát MRAS là đơn giản tuy nhiên sai số lớn khi từ thông quan sát đâu vào sai số Để cải thiện chính xác bộ quan sát từ thông, trong đề tài dùng song song thêm mô hình tham chiếu thích nghi ước tính điện trở stator

Để đưa lý thuyết vào thực tế hiệu quả, nhằm giảm được giá thành cũng như đảm bảo an toàn trong thực nghiệm, chúng ta sử dụng các công cụ mô phỏng mạnh để mô phỏng, đặc biệt là Matlab Simulink Quá trình phân tích và mô phỏng không những làm sáng tỏ, tường minh và trực quan các vấn đề của các thuật toán

mà lý thuyết đưa ra, là công cụ tốt để nghiên cứu và học tập mà còn cho phép chúng ta nghiên cứu bản chất vật lý, các quá trình điện từ xảy ra trong các kênh năng lượng và kênh điều khiển của truyền động điện xoay chiều 3 pha; giúp giảm chi phí trong quá trình thực nghiệm và là một công đoạn không thể thiếu được trong quy trình áp dụng các công nghệ mới từ lý thuyết vào thực tế

1.2 Một số công trình nghiên cứu có liên quan

Bài báo : “Adaptive Control of Induction Motors with Unknown Load and

EngineeringSouthern Illinois UniversityCarbondale, IL 62901-6603

Thiết kế một bộ điều khiển thích nghi dựa trên quan sát tốc độ rotor động cơ không đồng bộ 3 pha Bộ điều khiển đồng thời và độc lập giữa tốc độ và từ thông của động cơ và ở đây bỏ qua điện trở và tải động cơ Ước lượng thích nghi từ thông dựa vào tín hiệu đo Các điều khiển thiết kế dựa vào hai thành phần dòng điện trục d và q theo hướng trường của mô hình động cơ

Bài báo : “Rotor Flux and Speed Observers for InductionMotors”-Chunki Kwon, Scott D Sudhoffand Stanislaw H.Zak-School of Electrical and Computer EngineeringPurdue UniversityWest Lafayette, IN 47907, USA

Mục tiêu của bài báo này là nghiên cứu dùng bộ quan sát trong điều khiển sensorless của động cơ không đồng bộ Đầu tiên là đề xuất bộ quan sát từ thông

và tốc độ rotor để phân tích và so sánh thông qua mô phỏng Kết quả có thể thực hiện tốt việc ước lượng tốc độ rotor để thay thế giá trị thu được từ cảm biến

Bài báo: “Speed sensorless vector control of induction motor with model reference adaptive system (MRAS)” Ths Phạm Tâm Thành- Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 15+16 - 11/2008

Điều khiển vector động cơ không đồng bộ được cấp từ biến tần không cần tín hiệu phản hồitốc độ từ cảm biến tốc độ, điều này có thể giảm giá thành của thiết

bị điều khiển và nâng caochất lượng các ứng dụng trong công nghiệp Bài báo này mô tả một phương pháp nhậndạng tốc độ rô to theo phương pháp thích nghi dùng mô hình mẫu(MRAS) Khâu nhận dạngtính toán tốc độ roto để điều khiển vector động cơ không đồng bộ Các biến trạng thái phụ được đưa ra thực hiện việc nhận dạng chính xác và ổn định Khâu nhận dạng được thiết kếsao cho chức năng chuyển đổi của nó co nhiều ưu điểm Các kết quả thực nghiệm thể hiệnrằng khâu nhận dạng tốc độ làm việc rất tôt, đáp ứng được yêu cầu điều khiển

Lý do em đã chọn đề tài: “Điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ 3

pha” là với mong muốn ước tính được tốc độ rotor (sensorless) của động cơ đạt

hiệu quả cao khi có sự thay tốc độ, thay đổi tải và thông số động cơ thay đổi Ts ( khi động cơ nóng dần lên giá trị Rs thay đổi)

1.3 Mục đích của đề tài

Đề tài này nhằm giải quyết vấn đề chính là:

+ Tìm hiểu các phương pháp điều khiển động cơ KĐB 3 pha

+Nghiên cứu giải thuật thích nghi(MRAS) đểthực thi khâu ướ c lươ ̣ng tốc độ rotor của động cơ KĐB 3 pha

+ Nghiên cứu xây dựng mô hình điều khiển thích nghi động cơ KĐB 3 pha

+ So sánh kết quả mô phỏng bằng Matlab/Simulink của phương pháp điều khiển thích nghi (MRAS) với phương pháp điều khiển định hướng trường (DFOC)

1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

Tìm hiểu các phương pháp điều khiển hiện đại trong điều khiển động cơ

không đồng bộ ba pha, đề xuất phương pháp điều khiển FOC (Field Orientated

Control)

Tìm hiểu về điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ để ứng dụng đều khiển không dùng cảm biến trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha, đề xuất bộ điều khiển sử dụng MRAS trong điều khiển sensorless

1.5 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

- Nghiên cứu mô hình toán học của động cơ không đồng bộ ba pha

- Nghiên cứu xây dựng bộ quan sát tốc độ vòng kín trên cơ sở mô hình tham chiếu thích nghi cho động cơ không đồng bộ 3 pha, ước tính thông số điện trở stator nhằm đảm bảo mô hình chạy ổn định khi điện trở stator thay đổi, đều này

có ý nghĩa thực tế vì khi làm việc động cơ nóng dần lên điện trở stator sẽ thay đổi khá lớn ảnh hưởng đến bộ quan sát tốc độ

- Xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động điều khiển động cơ không đồng

bộ ba pha

1.6Các bước tiến hành

- Xây dựng mối quan hệ giữa các thông số trong mô hình động cơ không đồng

bộ 3 pha

- Tìm hiểu các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha

- Tìm hiểu giải thuật điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ 3 pha

- Thiết kế và xây dựng mô hình điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ

3 pha

- Mô phỏng 2 phương pháp cơ bản và phương pháp thích nghi, sau đó so sánh

2 phương pháp

- Đưa ra nhận xét đề tài

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

2.1Tổng quan về động cơ không đồng bộ 3 pha

Hiện nay, động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp (chiếm hơn 90%) do nó có những thuận lợi sau: dễ sản xuất, giá thành rẻ, dễ vận hành, có khả năng làm việc ở môi trường độc hại và không cần phải bảo trì

Động cơ không đồng bộ ba pha (động cơ cảm ứng) có dây quấn stator (bố trí lệch nhau 120o) được cấp điện từ lưới, và 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

)ph/v

n n

s  

Hình 2.1 : Động cơ không đồng bộ 3 pha

(2.1)

Khi mở máy, rotor đứng yên, s = 1, tần số dòng rotor bằng tần số lưới điện f

Từ trường quay rotor sẽ quay cùng tốc độ với từ trường quay stator, tạo 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 rotor là f2 = s.f và từ trường quay sinh

ra do dòng rotor sẽ quay với tốc độ sn1 so với rotor, và quay cùng chiều với từ trường stator

2.2 Mô tả các đại lƣợng 3 pha ở dạng vectorr không gian

Khi xây dựng mô hình toán động cơ không đồng bộ 3 pha theo giả thuyết : động cơ ba pha đối xứng và không bão hòa, tác động của khe hở và tổn hao trong lõi thép stator không đáng kể, từ trường cuộn dây hình sin, khe hở không khí điều nhau Ngoài ra, giả thuyết là cuộn dây stator và rotor được kết nối sao cho không cho dòng thứ tự chạy qua chúng và như vậy tổng giá trị điện áp pha và dòng điện pha qua dây quấn stator cân bằng

isa+ isb+ isc= 0

Tổng các biến cung cấp cho vector không gian là:

) (

3

sc sb

Hình 2.2 Sơ đồ cuộn dây stator của động cơ KĐB 3 pha

(2.3)

(2.4)

Từ đó ta phân tích các dòng điện stator ( isa, isb,isc) chuyển đổi hình sin Chuyển đổi đầu tiên có thể thực hiện ở hệ tọa độ αβ ( chuyển đổi Clark), sau đó chuyển

sang tọa độ quay dq (chuyển đổi park)

Bằng cách hoàn toàn tương tự ta có thể tính vector tổng của điện áp, từ thông theo biểu thức 2.3

2.2.1Hệ trục tọa độ tĩnh (α, β)

2.2.1.1 Phép biến đổi Clark-thuận (Chuyển đổi tọa độ từ (a, b, c )→ (α, β))

Các biến 3 pha hình sin được biễu diễn như vectơ không gian thể hiện trên hệ trục tọa độ (αβ) như hình

Hình 2.4 Biễu diễn vectơ dòng điện  của stator

β

A= αB

(2.6)

Dòng điện stator dọc trục và ngang trục là các thành phần dòng ảo (2 pha dọc trục), được triển khai cho vectơ dòng:

Điều này tương đương với:

2.2.1.2 Phép biến đổi Clark ngược(Chuyển đổi tọa độ từ (α, β) → (a,b,c) )

Phép biến đổi Clark ngược được sử dụng bằng cách chiếu các thành phần của vectorr không gian điện áp stator lên trục A,B,C như hình, có thể xác định các thành phần theo phương pháp hình họcđể chuyển tọa độ từ (a, b, c) sang (α, β) như sau:

s s i

s s i

2

32

30

2

12

11

3 2

1 2

1

)]

0240sin(

)0240[cos(

)]

0120sin(

)0120[cos(

)]

00sin(

)00[cos(

j sc

i

j sb

i j

sa i

Hình 2.5 Biễu diễn vectơ điện áp trên tọa độvà abc

stator

Hình 2.6 Biểu diễn vectơ i s trong cả hai hệ trục tọa độ (α, β) và (d, q)

Hoặc

2.2.2Hệ trục tọa độ quay (d, q)

Ta xây dựng một hệ tọa độ mới (d, q) có chung điểm gốc với hệ tọa độ (α, β), nằm lệch đi một góc θs và quay với tốc độ ωs Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vectơ không gian tương ứng với hai hệ tọa độ này Mối liên hệ được thể hiện

s s

sc sb sa

i

i i

i i





2

32

1

2

32

1

01

s s

i sc

i

s s i

s s

i sb

i

s s

i sa i

1

2

32

1

α

β

dq

q q

s s

s s

s s

sq

sd s

i

i i

i i

cos sin

sin cos

Hay

2.2.2.2Phép biến đổi Park ngược (Chuyển đổi tọa độ từ (d, q)→(α, β))

Hay

2.3 Mô hình tính toán của động cơ không đồng bộ ở chế độ xác lập

2.3.1 Mô hình động của động cơ không đồng bộ

Mô hình động của động cơ trong hệ trục tọa độ tĩnh stator và hệ trục tọa độ quay rotor dựa trên khái niệm về các đại lượng vectơ của máy điện xoay chiều

Mô hình cho phép phân tích đặc tính của động cơ ở chế độ quá độ lẫn xác lập và khi động cơ được cấp từ một nguồn áp có dạng bất kỳ

Động cơ không đồng bộ được mô tả bởi hệ phương trình vi phân bậc cao

Về cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian, vì các mạch từ móc vòng nên ta phải chấp nhận một loạt các điều kiện sau đây trong khi mô hình hoá động cơ

s sd

s

s sq

s sd

s

i i

i

i i

i

q q

q q





cos sin

.

sin cos

s s

s

s s

i

i i

i i

q q

q q





cos sin

sin cos

s s

sq

s s

s s

sd

i i

i

i i

i

q q

q q

.

sin cos

(2.11)

(2.12)

(2.13)

Các cuộn dây quấn stator ở các pha được giả định hoàn toàn giống nhau, được bố trí đối xứng nhau 1200 trong không gian

Bỏ qua tổn hao sắt từ, dòng xoáy và bão hòa từ (nếu mô hình lý tưởng)

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

Các giá trị điện trở và điện kháng xem như không đổi trong suốt quá trình vận hành

Ta sẽ sử dụng các mô hình trong không gian trạng thái để mô tả động cơ

 Phương trình điện áp stator:

Ở đây ta viết phương trình điện áp cho 3 cuộn dây quấn stator:

Ta biễu diễn phương trình điện áp theo vector không gian ta được:

Từ 2 phương trình (2.12) và (2.13) ta được phương trình điện áp stator dưới dạng

dt

t sc

d t sc i s R t sc

u

dt

t sb

d t sb i s R t sb

u

dt

t sa

d t sa i s R t sa

u

)()

()

(

)()

()

(

)()

()

(3

2)

sc u

j e t sb u t sa u t

vector được quan sát trên hệ stator như sau:

Trong phương trình điện áp stator này thì dòng điện và từ thông stator dưới dạng vector được viết như sau:

Khi đó:

Usa(t), Usb(t), Usc(t): là điện áp trên 3 cuộn dây pha của stator

sa(t), sa(t), sa(t): là từ thông móc vòng trên 3 dây quấn stator

Rs: điện trở của cuộn dây stator

 : vectơ từ thông stator được quan sát trên hệ tọa độ stator

 Phương trình điện áp rotor

Ta thực hiện tương tự đối với cuộn dây stator, ta viết phương trình điện áp rotor khi được quan sát trên hệ rotor (rotor ngắn mạch)

dt

t d t i

R

u

r r r

U : vectơ điện áp rotor

Rr :điện trở rotor đã tính qui đổi về stator

Y

Y

0120)()

(3

2)

(

0240)(

0120)()(3

2)

(

j e t sc

j e t sb

t sa t

s

s

j e t sc i j

e t sb i t sa i t

0 : vectơ không ( vectơ có modun bằng 0)

Chỉ số “r” của phương trình trên được biễu diễn trong tọa độ cố định của rotor

 Phương trình từ thông:

+ Phương trình từ thông stator:

r m s s

s  L i  L i

Y

+ Phương trình từ thông rotor:

r r s m

Lm: hỗ cảm giữa stator và rotor

Lss: điện kháng tản của cuộn dây stator

Lss: điện kháng tản của cuộn dây rotor đã qui về stator

 s s  r r e

L e

i p i

p T

pdt

jd T T

Y



Y

2.3.2 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ cố định stator (hệ tọa độ αβ)

Khi lựa chọn k=0 (chuyển đổi để về trục α,jβ), các đại lượng stator là thực, các đại lượng rotor là các đại lượng qui đổi và thay đổi theo tần số dòng điện stator

Do đó phương trình dùng để mô tả trạng thái động cơ trên hệ stator là:

s r r

s

r

s r m

s s s

s

s

s r e

s r s

r r

s s s

s s

s

s

i L i L

i L i L

j dt

d i R

dt

d i R

i

(2.23)

) (

1

m L

s s i

s r r L

s

r

(2.24)

Thế phương trình 2.22 vào phương trình 2.21 ta được:

Thế phương trình 2.22 và 2.24 vào phương trình 2.20 ta được:

d j

r T

s r r T m

L s

s

i

dt

s r d r L m L dt

s s i d s L

s s

i s

)

1(0

s s r

m

r m

s s s

s s s

s

T

i T

L L

L dt

i d L i

d

ra ta được:

s s s

s r r

r

m

s

s s r r

m

s s

s s

L

j T L

L L

i T L

L L L

R i

d

s



 s

s s

11

L p

e

) (

m L

s s i

s r s L m L s L

s s i

s s r m

s

T

i T

L dt

(2.26)

s s r m

s

r

s s s

s r r

m

s s r s

s

s

j T

i T

L dt

d

u L

j T L

i T T

s s

s s

1

1 1

1 1

Hình 2.8 Hệ trục α-β và d-q

Phương trình mô tả tra ̣ng thái của đô ̣ng cơ trên hệ dq như sau:

r s r

r

r

r r m

r s s

r

s

r r e

r r r

r r

r s s

r s r

s s

r

s

i L i

L

i L i

L

j dt

d i

R

j dt

d i

m L

r s i

r r s L m L s L

r s i

r r r

r s r m

r

r

r s s

r r r

m

r s sl

r s r s

r

s

j T

i T

L dt

d

u L

j T L i

j i T T

s

 s

s s

1

1 1

1 1

1

Hơn nữa, trong hệ tọa độ dq thì rq 0 nên r

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 trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng isq thì theo phương trình trên thì có thể xem isq là đại lương điều khiển momen Te của động cơ

Tóm lạiphương pháp mô tả động cơ không đồng bộ 3 pha tương quan giống nhu động cơ một chiều Cho phép xây dựng động cơ không đồng bộ 3 pha tương

tự sử dụng động cơ điện một chiều Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha  thông qua điều khiển 2 phần tử i slà isd và isq

sq rd r

m e

sd r

m rd

i p L

L T

i S T L





23

r sd

i

2.4 Xây dựng mô hình toán trong Matlab_Simulink

Từ các phương trình của động cơ không đồng bộ lý tưởng và động cơ được bỏ qua tính tổn hao sắt từ, dòng xoáy và bảo hòa từ đã nêu ở mục trên Để phục vụ khảo sát, nghiên cứu các tổn hao ta mô hình hóa động cơ trên phần mềm Matlap-Simulink

Có nhiều phương pháp để mô hình hóa động cơ, dưới dây giới thiệu một số mô

hình động cơ không đồng bộ sử dụng trong mô phỏng, khảo sát của luận văn

2.4.1 Mô hình chuyển trục tọa độ

Khối chuyển trục toạ độ (a; b; c) → (α; β):

Khối này thể hiện chuyển đổi tọa độ (a,b,c) sang (α; β) sử dụng phép chuyển đổi clark – thuận được dùng trong khối này dựa vào ma trận chuyển đổi (2.7) thể hiện trong chương II

Khối chuyển trục toạ độ (α; β) → (a, b, c):

Hình 2.10 Khối chuyển trục toạ độ (α; β) → (a; b; c) Hình 2.9 Khối chuyển trục toạ độ (a; b; c) → (α; β)

Khối này thể hiện chuyển đổi toạ độ (α; β) → (a, b, c) sử dụng phép chuyển đổi Clark – ngược được dùng trong khối này dựa vào ma trận chuyển đổi (2.8) thuộc chương II

Khối chuyển trục toạ độ (α; β) → (d; q):

Khối này có nhiệm vụ chuyển dòng điện từ tọa độ cố định sang tọa độ quay.Khối này thể hiện phép chuyển đổi Park – thuận được dùng trong khối này dựa vào ma trận chuyển đổi (2.11) thuộc chương II

Khối chuyển trục toạ độ (d; q) → (α; β):

Khối này thể hiện chuyển đổi dòng điện từ toạ độ (d; q) → (α; β) sử dụng phép chuyển đổi Park – thuận được dùng trong khối này dựa vào ma trận chuyển đổi (2.13) thuộc chương II

Hinh 2.11 Khối chuyển trục toạ độ (α; β) → (d; q)

2.4.2 Mô hình động cơ trong hệ tọa độ (αβ)

Khối mô hình động cơ trên hệ tọa độ αβ được xây dựng từ hệ phương trình

m

L

L p

Đối với mô hình này, thông số đầu vào của động cơ là áp (usα, usβ) và moment tải (TL) Đầu ra là dòng điện (isα, isβ), tốc độ (ω) và từ thông (ψ) Khối chuyển tọa độ từ (α, β) sang (u, v, w) xác định các dòng điện Iu, Iv, Iw như hình 2.17

Ta thu được giá trị dòng điện 3 pha isu, isv, isw từ isα, isβ thông qua biến đổi tọa độ từ (α, β) → (u, v, w)

)

r s

m s

s s s

L

L L



) (

1

m

s s

s r r