điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ ba pha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT 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 S K C0 3 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT 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 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT 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 LVTN LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Nguyễn Đại Lợi Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 18 – 11 – 1982 Nơi sinh: Hòa Thành, Tây Ninh Quê quán: Bắc Ninh Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 11/11 Long Yên, Long Thành Nam, Hòa Thành, Tây Ninh Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: 0986655948 Fax: E-mail: ndloitn@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 08/2000 đến 11/2004 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học DL Bình Dương Ngành học: Điện-Điện tử Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2012 đến 10/2014 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 không đồng pha Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Ngày 19-10-2014, 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: Thời gian 2005-2008 2008 - Công việc đảm nhiệm Nơi công tác C.Ty TNHH Công Nghiệp Penro Việt Nam Khoa Điện – Điện tử, Trường Cao Đẳng Nghề Tây Ninh GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trangi Nhân viên kỹ thuật Giáo viên HVTH: Nguyễn Đại Lợi LVTN Lời cam đoan LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 09tháng 09 năm 2014 Người cam đoan Nguyễn Đại Lợi GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trangii HVTH: Nguyễn Đại Lợi LVTN Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Sau trình làm việc, nghiên cứu, động viên giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy PGS.TS Lê Minh Phương, luận văn với đề tài” điều khiển thích nghi động không đồng pha” hoàn thành Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sấu xắc đến thầy PGS.TS Lê Minh Phương tận tình hướng dẫn, giúp đỡ hoàn thành luận văn Chân thành cảm ơn quí thầy cô Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Trường Đại Học Bách khoa TP.HCM giảng dạy suốt hai năm học Và cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình , đồng nghiệp bạn bè động viên suốt trình học tập Tp Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 09 năm 2014 Người cảm ơn Nguyễn Đại Lợi GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trangiii HVTH: Nguyễn Đại Lợi LVTN Tóm tắt TÓM TẮT Động không đồng bộ ngày sử dụng rộng rãi công nghiệp thay cho động khác có nhiều ưu điểm khởi động đơn giản, vận hành tin cậy, giá thành rẽ kích thước gọn nhẹ Ngoài động không đồng bộ có nhược điểm đặc tính phi tuyến Do trước với phương pháp điều khiển đơn giản người ta thường sử dụng động một chiều Nhưng với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, công nghệ vi điện tử, khoa học máy tính, công nghệ bán dẫn công suất kỹ thuật điều khiển tạo chuyển biến hướng cho giải pháp tự động hoá công nghiệp, nhiều phương pháp điều khiển đại, hiệu nên đưa động không đồng bộ trở thành phổ biến Đối với hệ thống yêu cầu xác cao 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 đơn giản hoá việc lắp đặt, bảo trì cho hệ thống động không đồng bộ pha Đây xu hướng phát triển chung bộ điều khiển động cao cấp Một số công trình nghiên cứu giới đề cập ứng dụng điều khiển động không dùng cảm biến tốc độ, hạn chế thí nghiệm trạng thái lý tưởng động hoạt động với thông số không thay đổi theo thời gian Trên thực tế làm việc lâu dài nhiệt độ động tăng, điện trở điện cảm cuộn dây thay đổi đáng kể ảnh hưởng đến bộ ước lượng tốc độ tính toán từ thông, gây sai lệch đáng kể tính toán giảm tổn hao điều khiển tốc độ Luận văn tập trung nghiên cứu “ điều khiển thích nghi động không đồng bộ pha”, dùng để ứng dụng điều khiển sensorless với thông số điện trở stator quan sát theo thời gian Điều đảm bảo động hoạt động ổn định điện trở stator thay đổi ảnh hưởng đến việc tính toán từ thông GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trangiv HVTH: Nguyễn Đại Lợi LVTN Abstract 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, microelectronics 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 phase This is the general trend of development of the advanced engine control now Several studies have addressed the world motor control applications not use the speed sensor, but limited experiments in ideal state engine operating parameters 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 GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trangv HVTH: Nguyễn Đại Lợi LVTN Mục lục MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Xác nhận cán hướng dẫn Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt ix Danh sách hình xi Chương Tổng quan 01 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 01 1.2.Một số công trình nghiên cứu có liên quan 04 1.3.Mục đích đề tài .05 1.4 Nhiệm vụ giới hạn đề tài 05 1.5 Phương pháp nghiên cứu 06 1.6 Các bước tiến hành 06 Chương Mô hình động không đồng pha 07 2.1 Tổng quan động không đồng pha 07 2.2 Mô tả đại lượng pha 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 động không đồng chế độ xác lập 12 2.3.1 Mô hình động động không đồng .12 2.3.2 Mô hình trạng thái động hệ tọa độ cố định stator 16 2.3.3 Mô hình trạng thái động hệ tọa độ quay rotor .19 2.4 Xây dựng mô hình toán Matlab_Simulink .22 GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trangvi HVTH: Nguyễn Đại Lợi LVTN Mục lục 2.4.1 Mô hình chuyển trục tọa độ 22 2.4.2 Mô hình động hệ tọa độ (αβ) 24 2.4.3 Mô hình động hệ tọa độ (dq) 26 Chương 3: Các phương pháp điều khiển tốc độ động không đồng 28 3.1 Điều khiển tốc độ cách thay đổi số đôi cực 29 3.2 Điều khiển tốc độ cách thay đổi điện áp stator .29 3.3 Điều khiển tốc độ 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 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 thông số động 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) 60 4.2.2 Mô hình MRAS ước lượng tốc độ thay đổi thông số động (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 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 sử dụng mô hình động .72 4.3.1.3 Ước lượng tốc độ dùng mô hình Kalman Filter 73 GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trangvii HVTH: Nguyễn Đại Lợi LVTN Chương 6:Kết mô Hình 6.4 Đáp ứng ngõ ĐCKĐB pha điều khiển phương pháp DFOC truyền thống DFOC_MRAS thích nghikhi tải khiển tải thay đổi theo thời gian tốc độ thay đổi theo thời gian số stator =hằng số stator định mức GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trang 94 HVTH: Nguyễn Đại Lợi Chương 6:Kết mô LVTN Nhận xét: Trong hai phương pháp điều khiển DFOC truyền thống DFOC_MRAS thích nghi , ta mô với tốc độ thay đổi theo thời gian, tải thay đổi theo thời gianvà giá trị số thời gian rotor giá trị định mức ta nhận thấy  Đáp ứng tốc độ: Tại thời điểm thay đổi tải có dao động vế tốc độ  Tại thời điểm 0.2 s : đáp ứng tốc độ DFOC_MRAS cao DFOC_truyền thống trở giá trị ổn định  Tại thời điểm 1s 3s: thay đổi tải nên tốc độ giảm xuống chút sau tăng lên trở lại ổn định  Đáp ứng mô-men: Tại thời điểm thay đổi tải có dao động mô-men  Tại thời điểm t = 1s: tải tăng lên 10Nm nên DFOC_truyền thống DFOC_MRAS tăng lên  Tại thời điểm t = 1,5s: tăng tốc độ nên đáp ứng tăng lên 22.5 Nm sau đạt giá trị xác lập 1,6s  Tại thời điểm t = 3,5s :do tăng tốc độ nên đáp ứng tăng lên 2.5 Nm sau đạt giá trị xác lập 1,6s 20Nm GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trang 95 HVTH: Nguyễn Đại Lợi LVTN Chương 6:Kết mô 6.2.3 Trƣờng hợp 3:Mô trường hợp làm việc động nóng dần lên điện trở stator sẻ thay đổi dẫn đến số stator thay đổi theo + Mô động tốc độ thay đổi n=[500 1000 1470]vòng/phút +Đặt tải TL thay đổi theo thời gian +Hệ số Ts=Tsđm/1.1=Ls/(1.1*Rs)=0.12 Hình 6.5 Giá trị đặt ĐCKĐB pha điều khiển tải thay đổi theo thời gian, tốc độ thay đổi theo thời gian số stator =1.1 số stator định mức GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trang 96 HVTH: Nguyễn Đại Lợi LVTN Chương 6:Kết mô GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trang 97 HVTH: Nguyễn Đại Lợi LVTN Chương 6:Kết mô Hình 6.6 Đáp ứng ngõ ĐCKĐB pha điều khiển phương pháp DFOC truyền thống DFOC_MRAS thích nghikhi tải khiển tải thay đổi theo thời gian tốc độ thay đổi theo thời gian số stator =hằng số stator định mức GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trang 98 HVTH: Nguyễn Đại Lợi Chương 6:Kết mô LVTN Nhận xét Trong hai phương pháp điều khiển DFOC truyền thống DFOC_MRAS thích nghi , ta mô với tốc độ thay đổi theo thời gian, tải thay đổi theo thời gian giá trị số thời gian rotor thay đổi ta nhận thấy  Đáp ứng tốc độ:  Với DFOC_truyền thống: tốc độ dao động khởi động 0.2s tăng tốc độ 1.5s  Với DFOC_MRAS: tốc độ đạt trạng thái ổn định giá trị Ts giá trị định mức  Đáp ứng momen:  Với DFOC_truyền thống:momen dao động khởi động 0.2s tăng tốc độ 1.5s  Với DFOC_MRAS: momen đạt trạng thái ổn định giá trị Ts giá trị định mức  Đáp ứng từ thông:  Với DFOC_truyền thống: thời điểm khởi động từ thông dao động khoảng 0.75 đến 0.85 từ từ giảm dần đến 3.5s đạt giá trị ổn định 0.8Wb  Với DFOC_MRAS: từ thông đạt trạng thái ổn định 0.8Wb GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trang 99 HVTH: Nguyễn Đại Lợi LVTN Chương 6:Kết mô 6.2.4 Trƣờng hợp 4: Mô trƣờng hợp làm việc động nóng dần lên điện trở stator sẻ thay đổi dẫn đến số stator thay đổi theo + Mô động tốc độ thay đổi n=[500 1000 1470]vòng/phút +Đặt tải TL thay đổi theo thời gian +Hệ số Ts=Tsđm/1.2=Ls/(1.2*Rs)=0.113 Hình 6.7 Giá trị đặt ĐCKĐB pha điều khiển tải thay đổi theo thời gian, tốc độ thay đổi theo thời gian số stator =1.2 số stator định mức GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trang 100 HVTH: Nguyễn Đại Lợi LVTN Chương 6:Kết mô GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trang 101 HVTH: Nguyễn Đại Lợi LVTN Chương 6:Kết mô Hình 6.8 Đáp ứng ngõ ĐCKĐB pha điều khiển phương pháp DFOC truyền thống DFOC_MRAS thích nghikhi tải thay đổi theo thời gian, tốc độ thay đổi số stator =1.2 số stator định mức GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trang 102 HVTH: Nguyễn Đại Lợi Chương 6:Kết mô LVTN Nhận xét: Trong hai phương pháp điều khiển DFOC truyền thống DFOC_MRAS thích nghi , ta mô với tốc độ thay đổi theo thời gian, tải thay đổi theo thời gian giá trị số thời gian rotor thay đổi ta nhận thấy  Đáp ứng tốc độ:  Với DFOC_truyền thống: tốc độ dao động khởi động 0.2s tăng tốc độ 1.5s  Với DFOC_MRAS: tốc độ đạt trạng thái ổn định giá trị Ts giá trị định mức  Đáp ứng momen:  Với DFOC_truyền thống:momen dao động khởi động 0.2s tăng tốc độ 1.5s  Với DFOC_MRAS: momen đạt trạng thái ổn định giá trị Ts giá trị định mức  Đáp ứng từ thông:  Với DFOC_truyền thống: thời điểm khởi động từ thông dao động khoảng 0.8 đến 0.9 từ từ giảm dần đến 3.5s đạt giá trị ổn định 0.8Wb  Với DFOC_MRAS: từ thông đạt trạng thái ổn định 0.8Wb GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trang 103 HVTH: Nguyễn Đại Lợi Chương 6:Kết mô LVTN 6.3 Kết luận: Hệ truyền động điều khiển động không đồng ba pha phương pháp điều khiển đại DFOC sử dụng ước lượng tốc độ thích nghi (MRAS)được mô với nhiều trường hợp khác có tính đến thay đổi tải thay đổi thông số động (thông số thay đổi nhiệt độ động thay đổi),điều khiển với nhiều mức tốc độ khác Các kết thu được so sánh với hệ truyền động điều khiển DFOC truyền thống Với nhận xét trường hợp kể cho thấy DFOC_MRASthích nghi có đáp ứng động tốt có thay đổi nhiệt độ phương pháp DFOC GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trang 104 HVTH: Nguyễn Đại Lợi LVTN Chương 7:Kết luận hướng triển CHƯƠNG 7:KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 7.1 Kết luận Điều khiển sensorless với thuật toán thích nghi thông số động không đồng có nhiều ưu điểm so với hệ thống điều khiển truyền thống khác kỹ thuât lẫn kinh tế Việc nghiên cứu cải tiến phát triển hệ thống góp phần phát triển khoa học kỹ thuật cho hệ thống truyền động điện làm việc điều kiện khác Nó góp phần làm giảm giá thành cho hệ thống truyền động điện động xoay chiều Sử dụng mô hình MRAS ước lượng song song tốc độ rotor điện trở stator mô Matlab-Simulink, 7.2 Hướng phát triển đề tài Tiếp tục nghiên cứu phát triển mạch phần cứng, tạo mã nhúng để đưa vào vi điều khiển nhằm đưa lý thuyết vào thực tiễn để kiểm chứng (lập trình nhúng DSP28335) Phát triển hệ truyền động động không đồng không dùng hồi tiếp tốc độ (sensorless), ước lượng tốc độ có sử dụng logic mờ, tiết kiệm lượng GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trang 105 HVTH: Nguyễn Đại Lợi LVTNTài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Lê Minh Phương (chủ biên), Phan Quốc Dũng (2011), Mô điện tử công suất Matlab-Simulink, Nhà xuất Đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh [2] Trần Công Binh (2008) Bài giảng Hệ thống điều khiển số (động không đồng pha) [3] Nguyễn Phùng Quang (2003) MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [4] Nguyễn Thị Phương Hà – Huỳnh Thái Hoàng, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2005 TIẾNG ANH [5] High Performance Control of AC Drives with MATLAB/Simulink Models, First Edition.Haitham Abu-Rub, Atif Iqbal, and Jaroslaw Guzinski 2012 John Wiley & Sons, Ltd Published 2012 by John Wiley & Sons, Ltd [6] Veran Vasic, Slobodan N Vukosavic, Emil Levi “A Stator Resistance Estimation Scheme for Speed Sensorless Rotor Flux Oriented Induction Motor Drives” [7 ] E D Mitronikas, A N Safacas, and E C Tatakis, “A new stator resistance tuning method for stator-flux-oriented vector-controlled induction motor drive,” IEEE Trans on Industrial Electronics, vol 48, no 6, pp 1148-1157, 2001 [8] M Tsuji, S Chen, K Izumi, and E Yamada, “A sensorless vector control system for induction motors using q-axis flux with stator resistance identification” IEEE Trans on Industrial Electronics, vol 48, no 1, pp 185-194, 2001 GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trang 106 HVTH: Nguyễn Đại Lợi LVTNTài liệu tham khảo [9]Chunki Kwon, Scott D Sudhoff,and Stanislaw H ZakSchool of Electrical and Computer EngineeringPurdue UniversityWest Lafayette, IN 47907, USA “Rotor Flux and Speed Observers for InductionMotors” [10]T Ravi kumar, Ch Shankar Rao, Ravi Shankar “Model reference adaptive technique for sensorless speed control of induction motor” Volume Issue May, 2013 Page No 1578-1583 [11]Gaiceanu Marian Dache Cristi, Rosu Emil, MunteanuTraian, Paduraru Romeo, Dumitriu Teodor “Model reference adaptive control of a vector controlled three phase induction machine”Annals of the University Dunarea de Jos of Galati Fascicle III, Vol 34 Issue 2, p23, July 2011 [12] Mohammad Jannati, Ali Monadi, Nik Rumzi Nik Idris, Mohd Junaidi Abdul Aziz “Speed Sensorless Vector Control of Unbalanced Three-Phase Induction Motor with Adaptive Sliding Mode Control” International Journal of Power Electronics and Drive System (IJPEDS) Vol 4, No 3, pp, 406-418, September 2014 GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trang 107 HVTH: Nguyễn Đại Lợi S K L 0