Điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha bằng pp DTC

Xây dựng cơ sở lý thuyết vector động cơ KĐB;Sơ đồ nguyên lý biến tần điều khiển vector;Thuật toán DTC; Mô phỏng trên Simulink

CHƯƠNG I : CÁC VẤN ĐỀ VỀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ĐẾN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN

1.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen:

Điều khiển trực tiếp momen cho động cơ không đồng ba pha là phương pháp điều khiển trực tiếp lên momen điện từ, tốc độ là đại lượng điều khiển gián tiếp Nội dung phương pháp dựa trên tác động trực tiếp của các vectơ điện áp lên vectơ từ thông móc vòng stator Thay đổi trạng thái của vectơ từ thông stator dẫn đến thay đổi trực tiếp tới momen điện từ của động cơ Các vectơ điện áp được chọn lựa dựa trên sai lệch của từ thông stator và momen điện từ với các giá trị đặt Tuỳ thuộc vào trạng thái sai lệch của từ thông và momen điện từ, một vectơ điện áp tối ưu đã định trước được chọn để điều chỉnh đại lượng về đúng với lượng đặt Đây là phương pháp điều khiển đơn giản, ít phụ thuộc vào các thông số động cơ, đáp ứng momen nhanh, linh hoạt

1.2 Điều khiển trực tiếp momen (DTC) cho động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc (IM) bằng bộ biến tần nguồn áp:

Giả thiết động cơ IM đối xứng ba pha Momen điện từ do các cuộn dây stator sinh ra được xác định theo công thức:

s s

T : Momen điện từ do cuộn dây stator sinh ra.

Trong hệ toạ độ cố định DQ, các vectơ ψs và i s là các vectơ quay Biểu diễn trong trường phức:

)exp( s

s

)exp( s

2

3

s s s

Quan sát biểu thức (1.2.5) rút ra nhận xét: bằng cách giữ nguyên giá trị vectơ

từ thông móc vòng stator ψs , thay đổi thật nhanh góc lệch ρs ta có thể điều khiển được giá trị momen điện từ Bằng cách biểu diễn khác :

s r s r

m e

L L

L p

s s

r

m s

L L

L L

(điện cảm tản stator) (1.2.7))

'

s s s m

.2

s r

m e

L L

L p

γψ

m e

L L

L p

(γ = ρs − ρr)

Thông thường, hằng số thời gian cơ (Tcơ > 0.1 s) của động cơ lớn hơn rất nhiều so với hằng số thời gian điện từ Nói cách khác, sự thay đổi của từ thông roto chậm hơn rất nhiều so với từ thông móc vòng stator, có thể coi là hằng số Theo công thức tính momen (1.2.10) khi giá trị từ thông stator và từ thông roto

là hằng số, momen điện từ có thể được điều chỉnh linh hoạt bằng cách thay đổi góc lệch γ Đây chính là nguyên lý cơ bản của phương pháp điều khiển trực

tiếp momen động cơ: Sử dụng vectơ từ thông stato là đại lượng điều khiển, thay đổi góc lệch tương đối giữa vectơ từ thông stator và vectơ từ thông roto để thay đổi momen điện từ Điều này khác với phương pháp điều khiển vectơ là sử dụng biến dòng điện stator là đại lượng điều khiển

Như đã phân tích ở trên, phương pháp DTC sử dụng vectơ từ thông stator là biến điều khiển Ta có thể chứng minh được rằng sử dụng các vectơ điện áp hợp

lý có thể điều khiển được vectơ từ thông stator Phương trình điện áp stator trong hệ toạ độ cố định DQ :

dt

d R i

s s s

ψ+

Với động cơ không đồng bộ, ảnh hưởng của cảm kháng lớn hơn rất nhiều so với ảnh hưởng trở kháng ở các động cơ công suất lớn, giá trị điện trở của các cuộn dây thường khá nhỏ (cỡ m Ω ) Bỏ qua điện áp rơi trên thành phần điện trở, coi như điện áp phần ứng chỉ sinh ra thành phần từ thông stator :

Trong khoảng thời gian ∆t, vectơ từ thông stator biến đổi lượng ∆ ψs : theo

hướng vectơ điện áp, tỉ lệ với biên độ vectơ điện áp và thời gian tác động (Hình 1.2.1)

sQ

Ψ

∆ Ψ Ψ

k k+1

Hình 1.2.1: Trạng thái thay đổi vectơ từ thông stator khi áp đặt vectơ điện áp.

Sáu vectơ điện áp và hai vectơ điện áp không được sử dụng bằng bộ biến tần nguồn áp Các vectơ điện áp có giá trị :

)]

3)1(exp[

Các vectơ điện áp khác không (u1, u2, u7) làm thay đổi biên độ vectơ từ thông stator trong phạm vi sai lệch cho phép 2∆Ψ( Ψref - ∆Ψ ÷ Ψref + ∆Ψ ) và thay đổi góc lệch γ Ngược lại, vectơ điện áp không u0 và u7 làm ổn định

độ Ψs và giữ nguyên yêu cầu tăng góc lệch γ , vectơ u4 được chọn để giảm biên

độ vectơ Ψmà mà vẫn tiếp tục tăng góc lệch γ Có thể thấy rằng, các vectơ điện

áp khác không có ưu điểm làm thay đổi trạng thái vectơ Ψs nhanh chóng nhưng lại dễ gây ra thay đổi biên độ không mong muốn Để đưa biên độ vectơ Ψs về lượng đặt cần các vectơ điện áp khác không khác và lại có thể gây ra các sai lệch Vì vậy, vai trò sử dụng hai vectơ điện áp không u0 và u7 còn có mục đích giảm thiểu tối đa số lần đóng cắt, giữ ổn định khi hệ thống đạt trạng thái cân bằng Cần chú ý thêm rằng: khi vector không được chọn lựa, không thể giữ nguyên momen kể cả khi không tải lý tưởng Momen liên tục giảm do vectơ từ thông roto vẫn tiếp tục quay tiến dần tới vectơ từ thông stator, góc lệch làm γ

giảm dần

Hình 1.2: quĩ đạo vectơ từ thông stator.

• Đáp ứng momen theo tải tốt

• Thuật toán điều khiển không quá phức tạp

• Không cần phép chuyển đổi toạ độ do các phương trình được khảo sát trên hệ toạ độ DQ

CHƯƠNG II:TỔNG HỢP HỆ THỐNG THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU

KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN

2.1 Sơ đồ cấu trúc kinh điển phương pháp điều khiển trực tiếp momen :

Phương pháp điều khiển trực tiếp momen ( DTC) cho động cơ không đồng

bộ ba pha có cấu trúc mạch vòng điều khiển kín có phản hồi từ thông stator và momen

B¶ng chän lùa vect¬

vÞ trÝ vect¬ tõ th«ng stator

Ψ Τ

Hình 2.1.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển phương pháp DTC cho động cơ không

đồng bộ D.

2.2 Mô hình ước lượng từ thông :

Phương pháp điều khiển trực tiếp momen sử dụng vectơ từ thông stator là nhân tố điều khiển chính Các thành phần toạ độ của vectơ từ thông stator

trong hệ tọa độ tĩnh D -Q chỉ có thể xác định gián tiếp theo giá trị dòng điện và điện áp pha Quan hệ từ thông stator, điện áp pha và dòng điện pha :

dt

d R i

s s s

ψ+

=>ψs = ∫(u s −i s R s)dt (2.2.2)Công thức (2.2.2) có vẻ khá thuận tiện và đơn giản trong việc ước lượng từ thông stator vì chỉ cần duy nhất điện trở pha stator và phép tính tích phân thực Tuy nhiên, kết quả luôn gây ra sai lệch lớn giữa giá trị ước lượng với giá trị thực do sử dụng phương pháp số để thực hiện các phép toán Độ chính xác của phép tích phân số phụ thuộc nhiều vào độ lớn của chu kỳ tính, sai lệch tích luỹ sau mỗi chu kỳ tính Đồng thời, giá trị dòng điện và điện áp đo cũng phụ thuộc vào độ chính xác phép đo và từ thông stator là đại lượng phi tuyến, phụ thuộc nhiều vào sự bão hoà mạch từ

Độ chính xác của kết quả ước lượng từ thông stator quyết định chất lượng của thuật toán điều khiển Có nhiều giải pháp để nâng cao độ chính xác phép ước lượng từ thông :

1 Xây dựng khâu sát tức thời bằng thuật toán Luenberger

2 Xây dựng hàm xác định thay thế phép tính phân thực theo mục tiêu kết quả gần với giá trị thực và không chịu ảnh hưởng nhiều của các tham số phi tuyến

Phương pháp ước lượng từ thông stator theo mô hình quan sát Luenberger có

ưu điểm cho độ chính xác cao Nội dung phương pháp là xây dựng thuật toán ước lượng có sử dụng các tham số: Rs , Ls, Lm , Lr Kết quả ước lượng chính xác cần sử dụng thêm các mô hình nhiệt của điện trở theo đặc tính tải hoặc chế độ làm việc, sự ảnh hưởng của bão hoà từ trong lõi thép tới Ls, Lm , Lr Khó có thể xác định chính xác các tham số nếu không sử dụng các thuật toán nhận dạng tham số động cơ phức tạp Để giảm thiểu tối đa tính phức tạp cũng như tăng độ

ổn định của kết quả ước lượng, phép tích phân thực được thay thế bằng khâu quán tính bậc nhất :

Khâu quán tính bậc nhất cho kết quả khá tốt trong phạm vi tần số nhỏ hơn tần

số cắt ( ws=1/T) Tuy nhiên, nếu tần số tín hiệu lớn hơn tần số cắt của khâu quán tính, biên độ và góc pha của giá trị ước lượng xuất hiện sai lệch Có rất nhiều phương pháp cải thiện đặc tính làm việc của khâu quán tính bậc nhất đã được đưa ra, điển hình nhất là phương pháp có sử dụng hồi tiếp bù để nâng cao

độ chính xác ở vùng tần số cao của hai tác giả Hu và Wu [9] Công thức tổng quát để xác định giá trị ước lượng :

z pT

x Tp

T y

+

++

y: giá trị ước lượng được

z : lượng tín hiệu hồi tiếp bù

Số hoá hàm ước lượng ( p=∆/∆t) :

)(

T

t t x y

+

x

z

• z = ψref nếu ψ + ˆsD2 ψ ˆsQ2 ≥ ψref

Trong đó:

ψref : giá trị biên độ từ thông stator đặt.

ψ ˆsD2 , ψ ˆsQ2 : giá trị ước lượng

Dựa trên thuật toán ước lượng của hai tác giả Hu và Wu, xây dựng thuật toán ước lượng các thành phần toạ độ của vectơ từ thông stator:

Hình2.2.2: Sơ đồ thuật toán ước lượng các thành phần toạ độ vector từ thông

ˆ

ˆˆtan = (2.2.7)Trong đó

s

ρ ˆ : góc lệch giữa vectơ từ thông stator và trục sD

2.3 Mô hình ước lượng momen điện từ :

Giá trị ước lượng momen điện từ được xác định theo công thức :

)ˆˆ

(2

3

sD sQ sQ

sD

T = ψ −ψ (2.3.1)

2.4 Bảng chọn lựa vectơ điện áp tối ưu :

2.4.1 Qui luật chọn lựa vectơ điện áp tối ưu :

Vectơ điện áp là công cụ duy nhất để điều khiển biên độ và góc lệch của vectơ từ thông stator vectơ điện áp được chọn lựa theo :

• Sai lệch biên độ vectơ từ thông stator so với lượng đặt

• Sai lệch biên độ momen so với lượng đặt

• Vị trí vectơ từ thông stator trong hệ toạ độ

Để xác định vị trí vectơ từ thông stator, người ta chia không gian toạ độ DQ làm sáu phần bằng nhau (sáu sector) Mỗi sector giới hạn một không gian 600, đặt theo

vị trí xác định: sector 1 (-300 ÷ 300), sector 2 (300÷ 900)… , sector 6 (2700 ÷ 3300) ứng với mỗi sector có hai vectơ lân cận được chọn để tăng hay giảm biên độ vectơ

từ thông stator Nếu vectơ từ thông stator đang ở sector thứ k, bảng 2.4.1 cho ta qui tắc chọn lựa chung các vectơ điện áp tối ưu điều khiển vectơ từ thông stator và momen:

Bảng 2.4.1: Qui luật chọn lựa vectơ điện áp tối ưu

Hình 2.4.1: Không gian phân chia sector.

Trong đó : FI, FD : Tăng, giảm biên độ vectơ từ thông stator

TI, TD : Tăng, giảm momen điện từ

dψ dT e Sector 1 Sector2 Sector 3 Sector 4 Sector 5 Sector 6

2.4.3 Bảng chọn lựa vectơ điện áp tối ưu:

Bảng 2.2 chỉ ra qui luật chọn lựa vectơ điện áp điện áp tối ưu theo vị trí không gian trong hệ toạ DQ và trạng thái logic của hai khâu so sánh trễ

Bảng 2.4.3: Bảng chọn lựa vectơ đóng cắt tối ưu

-1 1

-1 1

Nhận xét:

Quy luật chọn lựa vectơ điện áp tối ưu theo bảng 2.4.3 cho phép dễ dàng chọn lựa các vectơ điện áp tối ưu vectơ điện áp được chọn sẽ điều khiển momen và từ thông động cơ được giữ trong phạm vi sai lệch cho phép

Xây dựng quan hệ tối ưu giữa momen đặt và từ thông stator theo hàm mục tiêu dòng điện cực đại (năng lượng dòng điện được sử dụng tối đa) Từ thông stator có quan hệ với momen sao cho nó đủ lớn để sinh ra momen yêu cầu và đủ nhỏ để khắc phục các dao động Theo [7] quan hệ tối ưu giữa momen điện từ và

từ thông stator

( )'

2 2

4

3

r

s s

m eref

L L

L p

m

s r eref

L

L L T

3 4

vÞ trÝ vect¬ tõ th«ng stator

Τ Ψ

®iÖn ¸p DC vect¬ ®iÖn ¸p

B¶ng chän lùa vect¬

2

' 2

3

4

m

r s s

pL

L L

=

ψ (2.5.1)

B¶ng chän lùa vect¬

vÞ trÝ vect¬ tõ th«ng stator

Ψ Τ

CHƯƠNG III : XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP DTC BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MATLAB – SIMULINK

Trong chương này chúng ta đi xây dựng mô hình thực nghiệp thực tế phương pháp điều khiển trực tiếp momen cho động cơ không đồng bộ Kết quả mô phỏng giúp chúng ta đánh giá tốt hơn vế phương pháp này

Cấu trúc hệ thống điều khiển trực tiếp momen :

Hình 1 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh trực tiếp momen.

Hình 2 Bộ điều khiển trực tiếp momen DTC

_Bộ điều khiển DTC bao gồm các thành phần sau :

+)Nguồn cấp

+)Chỉnh lưu (Three-phase diode rectifier)

+)Bộ lọc (Branking chopper)

+)Biến tần 3 pha (Three-phase inverter)

+)Các giá trị đặt tốc độ và momen (Speed controller)

+)Cảm biến tốc độ (Speed sensor)

+)Động cơ cảm biến, không đồng bộ 3 pha

Có thể biểu diễn qua sơ đồ khối trong Mô phỏng Simulink như sau :

Hình 3.Sơ đồ các khối của bộ điều khiển DTC trong Simulink.

Trong đó, bộ đặt tốc độ điều khiển và momen có sơ đồ cấu trúc như sau :

Hình 4 Sơ đồ cấu trúc Speed controller.

Hình 5 Sơ đồ cấu trúc bộ đặt momen điều khiển.

Trong đó, khâu điểu khiển tốc độ thực hiện qua bộ điều chỉnh PI, gồm các

+) Speed ramp: Độ dốc tốc độ.

+) Intergral gain: Khối tích phân

+) Proportional gain: Khâu tỉ lệ

+) Limited intergrator: Khâu giới hạn tích phân

+) Torque limiter: Khâu giới hạn momen

+) Flux funtion: Khâu từ thông

Và khâu điều khiển momen DCFC bao gồm các khâu nhỏ sau :

+) Torque hysteresis: Tạo trễ momen

+) Flux hysteresis: Tạo trễ từ thông

+) Switching table: Khối đóng ngắt

+) Torque and Flux calculator: Tính toán từ thông và momen

+) Magnetization control: Điều khiển từ trường

Trong việc xây dựng mô phỏng điều khiển momen động cơ không đồng bộ 3 pha, nhóm sử dung mô hình điều khiển DTC sau : AC4 - Space Vector PWM-

DTC Induction 200 HP Motor Drive, có mô hình như sau:

Hình 6 AC4 - Space Vector PWM-DTC Induction 200 HP Motor Drive.

3.1 Cấu trúc các khối trong sơ đồ :

a Mô hình động cơ:

Mục đích: Dựa vào giá trị điện áp pha, dòng điện pha đo được thực hiện tính toán, ước lượng giá trị, vị trí của vectơ từ thông stator và momen

Hình 3.1.2: Khối mô hình động cơ.

• Cấu trúc chi tiết:

Hình 3.1.3: Sơ đồ chi tiết khối mô hình động cơ.

• Khối đo lường:

Tính toán chuyển đổi các đại lượng dòng điện, điện áp từ hệ toạ độ ba pha (A, B, C) sang hệ toạ độ hai pha vuông góc DQ

Hình 3.1.4: Sơ đồ đo chuyển hệ toạ độ.

Giá trị dòng điện chuyển sang hệ toạ độ DQ theo công thức:

ID =Ia

3

A Q

I I

I = +

Hình 3.1.5: Sơ đồ chi tiết khối đo chuyển hệ toạ độ.

•Khối ước lượng từ thông :

Hình 3.1.6: Khối ước lượng từ thông.

• Đầu vào là điện áp động cơ đã chuyển đổi sang hệ DQ

• Đầu ra là từ thông stator (quy đổi ở hệ DQ)

Hình 3.1.7: Mô hình chi tiết khối ước lượng từ thông.

•Khối chuyển toạ độ :

Chuyển đổi từ thông stator ở hệ DQ sang biên độ và góc pha.

Hình 3.1.8: Khối chuyển toạ độ.

Hình 3.1.9: Mô hình chi tiết khối chuyển toạ độ.

•Khối tính toán mômen :

Hình 3.1.10: Khối tính toán mômen.

Căn cứ vào biểu thức tính mômen:

)ˆˆ

(2

3

sD sQ sQ

Hình 3.1.11: Mô hình chi tiết khối tính toán mômen.

Hình 3.1.12: Công thức quy đổi Fcn.

b Bộ điều khiển PI :

Hình 3.1.13: Bộ PI.

Hình 3.1.14: Mô hình chi tiết khối PI.

c Các khâu thay đổi tham số :

Hình 3.1.15: Mô hình Speed controller và momen.

Hình 3.1.16: Bảng thông số đặt tốc độ.

Hình 3.1.17: Bảng thông số đặt momen.

d.Bộ điều chỉnh tổng hợp :

Hình 3.1.18: Bộ điều chỉnh tổng hợp Demux.

Bộ điều chỉnh tổng hợp nhận tín hiệu từ đầu ra của 2 khâu so sánh trễ dựa trên sai lệch giữa đại lượng đặt và đại lượng thực tế của từ thông và mômen Đầu vào thứ ba là một trong bốn vùng sector từ thông stator Đầu ra là bốn xung điều khiển đóng mở bốn van của biến tần

Hình 3.1.19: Mô hình chi tiết của bảng chuyển mạch.

b Tham số động cơ :

Hình 3.1.20: Thông số động cơ.

3.2 Kết quả mô phỏng :

_Trường hợp 1 : Các giá trị đặt như hình :

Hình 3.2.1 Đáp ứng của động cơ sau khi điều khiển trường hợp 1.

_Trường hợp 2 :

Hình 3.2.2 Đáp ứng của động cơ sau khi điều khiển trường hợp 2.

_Trường hợp 3 :

Hình 3.2.1 Đáp ứng của động cơ sau khi điều khiển trường hợp 3.

Nhận xét:

Phương pháp điều khiển trực tiếp momen có đặc điểm chung:

- Điều khiển trực tiếp mômen và từ thông (bằng cách chọn lựa các vectơ chuyển mạch tối ưu)

- Điều khiển gián tiếp dòng điện stator

- Đáp ứng cho chất lượng của dòng điện và từ thông stator là hình sin

- Giảm thiểu được độ nhiễu của từ thông stator và mômen điện từ so với các phương pháp khác

- Yêu cầu bộ ước lượng từ thông và mômen

- Thay đổi tần số chuyển mạch

- Độ đập mạch mômen cao

- Trong thời gian quá độ, dòng Stato và momen không ổn định

- Tốc độ động cơ không đáp ứng được ngay nhưng khá ổn định