Nghiên cứu khảo sát động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu và cấu trúc điều khiển sử dụng phần mềm matlab

Nghiên cứu khảo sát động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu và cấu trúc điều khiển sử dụng phần mềm MatlabNghiên cứu khảo sát động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu và cấu trúc điều khiển sử dụng phần mềm MatlabNghiên cứu khảo sát động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu và cấu trúc điều khiển sử dụng phần mềm MatlabNghiên cứu khảo sát động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu và cấu trúc điều khiển sử dụng phần mềm MatlabNghiên cứu khảo sát động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu và cấu trúc điều khiển sử dụng phần mềm Matlab

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

THUYẾT MINH

ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB

Chủ nhiệm đề tài: TS PHẠM TÂM THÀNH

Hải Phòng, tháng 5/2016

MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 3

1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu 3

2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu 3

3 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của công trình nghiên cứu 3

5 Kết quả đạt được của đề tài 3

Chương 1 Khảo sát mô hình động học của động cơ đồng bộ 4

1.1 Khái quát về động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) 4

1.2 Mô hình động học của PMSM 4

1.2.1 Nguồn tương đương 4

1.2.2 Momen điện từ 5

1.2.3 Từ thông móc vòng 5

1.2.4 Mạch tương đương 6

1.2.5 Mô phỏng động học 8

1.2.6 Phương trình tín hiệu nhỏ của PMSM 10

1.2.7 Đánh giá đặc tính điều khiển của PMSM 12

Chương 2 Cấu trúc và chiến lược điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu 13

2.1 Cấu trúc hệ truyền động điều khiển động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu 13

2.1.1 Hệ truyền động điều khiển mô-men 13

2.1.2 Mô phỏng và kết quả của hệ truyền động điều khiển mômen 16

2.1.3 Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ 17

2.1.4 Mô phỏng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ 20

2.2 Một số chiến lược điều khiển 21

2.2.1 Điều khiển giữ góc mômen bằng hằng số  900 21

2.2.2 Điều khiển hệ số công suất 23

2.2.3 Điều khiển từ thông là hằng 24

2.2.4 Điều khiển góc giữa từ thông tổng và dòng phức 25

2.2.5 Điều khiển tối ưu mômen/dòng điện 27

2.2.6 Điều khiển hệ số tổn hao công suất là hằng 27

2.2.7 Điều khiển hiệu suất tối đa 31

Chương 3 Mô phỏng cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ sử dụng phần mềm Matlab 32 3.1 Cấu trúc hệ truyền động động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu 32

3.2 Cấu trúc mô phỏng 32

3.2.1 Thông số động cơ 32

3.2.2 Mô hình Simulink của động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu 33

3.2.3 Mô phỏng cấu trúc điều khiển 34

KẾT LUẬN 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

PHỤ LỤC 42

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Để có thể phục vụ tốt hơn trong công tác giảng dạy, nghiên cứu về máy điện, truyền động điện, tổng hợp hệ điện cơ… cần tiến hành khảo sát, mô phỏng động học của máy điện, mô phỏng các cấu trúc điều khiển máy điện nói chung hay động cơ đồng bộ kích thích nam châm…giúp sinh viên, học viên có thể tiếp cận dễ dàng khi học tập các học phần đó

2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu

Ở Việt Nam cũng như ở nước ngoài đề tài nghiên cứu về máy điện nói chung và động cơ điện đồng bộ xoay chiều ba pha nói riêng đã được nhiều nhà khoa học quan tâm Máy điện rất đa dạng, lý thuyết về máy điện rất phức tạp, việc phân tích các quá trình quá độ, trạng thái làm việc của máy điện là điều không dễ dàng thực hiện được Cấu trúc điều khiển máy điện xoay chiều ba pha và cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha được các nhà khoa học trong nước và quốc tế đặc biệt quan tâm

3 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

a Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng tài liệu nghiên cứu động cơ điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu sử dụng công cụ Matlab và Simulink, phục vụ học tập trực quan cho sinh viên chuyên ngành Đó cũng là mục đích nghiên cứu của đề tài Đề tài có sản phẩm đó là tập hợp tài liệu và các chương trình viết trên Matlab phục vụ nghiên cứu đối tượng động cơ điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu và cấu trúc điều khiển

b Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, nghiên cứu về mô hình toán của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, các cấu trúc điều khiển và khảo sát mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab

4 Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của công trình nghiên cứu

Trong quá trình nghiên cứu tác giả kết hợp các phương pháp: Lý thuyết và mô phỏng máy tính

Kết cấu của công trình nghiên cứu gồm 3 chương và phụ lục

- Chương 1: Khảo sát mô hình động học động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

- Chương 2: Cấu trúc và chiến lược điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

- Chương 3: Mô phỏng cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ sử dụng phần mềm Matlab

5 Kết quả đạt được của đề tài

Đề tài là tài liệu nghiên cứu về đối tượng động cơ điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu gồm: mô hình toán và các cấu trúc điều khiển, mô hình động cơ và cấu trúc điều khiển được mô phỏng kiểm chứng bởi phần mềm Matlab&Simulink

Kết quả nghiên cứu sẽ làm phong phú thêm nội dung bài giảng các môn học chuyên ngành: Kỹ thuật điện, máy điện… và phục vụ công tác đào tạo nhân lực của

Nhà trường Như vậy đề tài “Nghiên cứu khảo sát động cơ đồng bộ kích thích nam

châm vĩnh cửu và cấu trúc điều khiển sử dụng phần mềm Matlab” được đưa ra vừa có

ý nghĩa khoa học, vừa có giá trị thực tiễn và đào tạo

Chương 1 Khảo sát mô hình động học của động cơ đồng bộ

1.1 Khái quát về động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC)

Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có cấu tạo gồm các cuộn dây 3 pha phân bố đối xứng và rotor gắn nam châm vĩnh cửu để tạo từ trường khe hở Việc loại bỏ được mạch điện kích từ ở phía rotor đem lại một số ưu điểm cho động cơ ĐB-KTVC như giảm tổn hao đồng, mật độ công suất cao hơn, giảm mô-men quán tính của động cơ, cấu tạo rotor bền vững về mặt cơ khí hơn Hiện nay, giá thành của loại động cơ ĐB-KTVC vẫn cao hơn so với loại động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc (KĐB-RLS) ở cùng dải công suất, nhưng động cơ ĐB-KTVC thường có hiệu suất cao hơn, nên trong thời gian lâu dài thì giá thành sử dụng của động cơ ĐB-KTVC vẫn nhỏ hơn so với động cơ KĐB-RLS Động cơ ĐB-KTVC đang được sử dụng rất rộng rãi và ngày càng nhiều hơn trong công nghiệp, đặc biệt ở dải công suất thấp và trung bình (công suất tới vài trăm hp-horse power)

1.2 Mô hình động học của PMSM

1.2.1 Nguồn tương đương

Các đầu vào công suất cho máy ba pha có được bằng năng lượng đầu vào cho các máy hai pha có ý nghĩa giải thích trong phép đo, phân tích và mô phỏng Công suất đầu vào tức thời của 3 pha là:

as bs cs

i i i : dòng điện stator tức thời 3 pha

Các dòng pha abc và điện áp được chuyển thành tương đương:

 1

0

r abc abc qd

i qd abc abc qd

p  v T  T  i (1.4) Khai triển phía bên phải của phương trình (1.4), công suất đầu vào trong các biến dq0 là:

3

2 2

r r r r

i qs qs ds ds

p   v i v i  v i  (1.6)

1.2.2 Momen điện từ

Mô-men điện từ là các biến đầu ra quan trọng nhất để xác định các động lực cơ khí của máy chẳng hạn như vị trí rotor và tốc độ Nó có nguồn gốc từ phương trình ma trận máy bằng cách nhìn vào công suất đầu vào và các thành phần khác của nó như tổn thất điện trở, công suất cơ học, và mức độ thay đổi của năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây stator Mức độ thay đổi của năng lượng từ trường được lưu trữ chỉ có thể bằng không trong trạng thái ổn định Do đó, trong một trạng thái ổn định có tổn thất điện trở và công suất đầu ra chênh lệch với công suất đầu vào Mức độ thay đổi của năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây stator không cần phải bằng không

Và nguồn gốc của các momen xoắn điện từ được thực hiện như sau

Các phương trình động học của PMSM có thể được viết như sau:

[ ] [ ] [ ] r

V= R i+ L pi+ G w i (1.7) Công suất đầu vào tức thời là:

p = i V= i R i+i L pi+i G w i (1.8) Với:

i t [R]i : điện trở tổn thất ở rotor và stator

Mối liên hệ giữa khe hở không khí và momen xoắn:

qs L i s qs

l = (1.12)

ds L i s ds af

l = + l (1.13)

Từ những phương trình này, dòng điện stator trong hệ tọa độ rotor có thể được biểu diễn với các từ thông móc vòng và cuộn cảm Điện áp theo hệ dq stator về các từ thông móc vòng trong hệ tọa độ rotor như sau:

Những phương trình này có thể được biểu diễn dưới dạng các mạch tương đương

và cũng có thể ở dạng một sơ đồ khối Momen điện từ như là một hàm của các từ thông móc vòng thu được bằng cách thay thế dòng điện stator về các từ thông móc vòng và được tính toán như:

Phần thứ hai của biểu thức thể hiện rõ hơn momen là kết quả của sự tương tác giữa từ thông móc vòng và dòng điện trục d-q ở các cuộn dây và ngược lại Các dấu trừ liên quan đến các từ thông móc vòng trục q và trục d dòng điện là bởi vì nó tạo ra một momen cản ngược lại với các thành phần momen khác

1.2.4 Mạch tương đương

Các mạch tương đương của PMSM có thể bắt nguồn từ các phương trình stator

và được thể hiện ở hình 1.1

Hình 1.1 Mạch tương đương của PMSM bỏ qua tổn thất lõi

(a) mạch tương đương stator theo trục q

(b) mạch tương đương stator theo trục d

(c) mạch tương đương không theo trình tự

Các mạch tương đương rất hữu ích trong việc nghiên cứu hệ thống Các mạch tương đương có thể được sửa đổi để giải thích cho những tổn thất lõi Tổn thất lõi sinh

ra bởi từ trễ và các tổn thất dòng xoáy trong các lá thép kỹ thuật điện Trong khi những tổn thất thường bị chi phối bởi mật độ từ trường, tần số kích thích, và đặc tính của lá thép, và độ dày của lá thép trong trường hợp tổn thất dòng xoáy là duy nhất, cần lưu ý rằng mỗi biến ảnh hưởng đến sự tổn thất lõi rất khác nhau Hơn nữa, có tổn thất trên mặt cực và tổn thất sóng hài do cuộn dây và các lá thép stator và rotor Như vậy một

mô hình tổn thất cho tất cả mọi các thành phần có thể không được dễ dàng tích hợp vào các mạch tương đương đơn giản Tuy nhiên, một mô hình đơn giản để giải thích cho những tổn thất cốt lõi do kích thích cơ bản là có thể bởi một trở kháng tương đương, mặc dù vẫn có tổn thất khác như tổn thất trên mặt cực và tổn thất sóng hài được loại trừ trong một mô hình này Mô hình này rất hữu ích trong các nghiên cứu tính hiệu quả tối ưu momen cho hoạt động của máy, và quan trọng nhất để xác định momen đối với tốc độ giới hạn để việc sử dụng tối ưu và an toàn nhất trong vận hành máy

Hình 1.2 Mạch trạng tương đương thái ổn định với tổn thất lõi của PMSM

(a) mạch tương đương trạng thái ổn định theo trục q

(b) mạch tương đương trạng thái ổn định theo trục d

Việc thêm vào điện trở tổn hao tương đương trong các mạch theo trục q và d chứng minh rằng dòng điện tiêu thụ của chúng bị mất cho hệ momen trong máy Hơn thế nữa, những tổn thất làm giảm khả năng tản nhiệt của máy Các sơ đồ khối của PMSM được thể hiện trong hình 1.3 Các momen điện từ có được từ các từ thông móc vòng Các dòng điện được rút ra từ các từ thông móc vòng và chúng không được hiển thị ở đây để đơn giản hóa

Hình 1.3 Sơ đồ khối của PMSM

dq stator, thu được momen điện từ Việc thực hiện trong điều kiện mô phỏng được thể hiện trong hình 1.4 Không có sự điều khiển đối với các PMSM dựa trên vị trí rotor của nó trong mô phỏng này Bởi vì các dòng stator đạt được giá trị cao với các dao động trong khe hở không khí momen, dẫn đến sự rung lắc đáng kể của rotor Sự rung lắc như vậy là điều không mong muốn Đối với mô phỏng này, momen tải được coi là bằng không và điện áp pha áp dụng là bằng với điện áp cơ sở về độ lớn và một bộ cân bằng điện áp ba pha với tần số 60 Hz Các trục q và d điện áp stator trong hệ tọa độ rotor không phải là hằng số

Đọc thông số của động cơ

Khởi tạo thời gian và đọc các điện áp và thời gian cuối

Tính các điện áp dq0 trong hệ tọa độ rotor

Giải các phương trình

vi phân của động cơ

sử dụng phương pháp tích phân số Runge- Kutta

Tính mô-men, từ thông và dòng abc

Lưu giữ giá trị của các

biến

Đã đạt thời gian cuối? Time time t

Sai

Đúng In/hiển thị thời gian đáp ứng

End

Hình 1.4 Lưu đồ mô phỏng động lực của PMSM

Hình 1.5 Kết quả mô phỏng động lực

Để vận hành PMSM tốt hơn, hãy xem xét điều khiển vòng kín đơn giản mà vị trí rotor được sử dụng để thiết lập một pha điện áp như một hình sin của vị trí rotor và góc α cố định Các điện áp pha b và c có nguồn gốc tương tự Góc α được gọi là góc pha điện áp stator Độ lớn của điện áp pha được đưa ra như là một chức năng của tốc

độ rotor cộng với một điện áp bù đắp như:

( )1

V = K w + V (1.21) Với:

và tần số của điện áp và pha có thể được lập trình từ các tín hiệu điều khiển

1.2.6 Phương trình tín hiệu nhỏ của PMSM

Các phương trình điện của PMSM và các hệ thống con điện cơ được đưa ra trong phương trình (1.18) qua (1.21) kết hợp để cung cấp cho các phương trình động học của

hệ thống tải của động cơ Những phương trình động học phi tuyến là sản phẩm của hai biến dòng điện hoặc một biến dòng điện và tốc độ rotor Đối với thiết kế bộ điều khiển với kỹ thuật thiết kế hệ thống điều khiển tuyến tính, các phương trình phi tuyến động

lực không thể được sử dụng trực tiếp Chúng phải được tuyến tính xung quanh một điểm làm việc sử dụng kỹ thuật nhiễu loạn Đối với đầu vào tín hiệu nhỏ hoặc rối loạn, các phương trình tuyến tính là hợp lệ Các phương trình tuyến tính thu được như sau Các biến trong các đơn vị SI là sau khi nhiễu loạn:

L

B

L

P J

2 2

P k

J

æ ö÷

ç

= ç ÷çè ø÷ (1.33) Đầu ra có thể là hàm của các biến trạng thái:

y= CX+ DU (1.34)

tả bởi phương trình (1.28) và (1.34) Với mục đích nhỏ gọn trong việc xây dựng, momen tải đã được coi như một đầu vào

1.2.7 Đánh giá đặc tính điều khiển của PMSM

Biến đổi Laplace phương trình (1.28) và (1.34) với các giả thiết điều kiện ban đầu bằng không:

Với b i là vector cột thứ i của ma trận B và i tương ứng với số phần tử trong

vector đầu vào, tương tự:

p p

X = T X (1.42) Các phương trình trạng thái và đầu ra được chuyển thành:

p p p p i

pX = A X + B u (1.43)

p p i i

y= C X + d u (1.44) Với:

được đưa ra dưới đây:

1 2 33

1215

2.1.1 Hệ truyền động điều khiển mô-men

Coi hệ truyền động động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu với đầu vào bên ngoài

là mômen và từ thông tổng yêu cầu (giá trị đặt) Chúng có thể là các đầu vào độc lập trong trường hợp mômen điều khiển truyền động động cơ trong ứng dụng điều khiển chuyển động hoặc có thể là trong hệ truyền động điều chỉnh tốc độ phụ thuộc vào các

M

m , giá trị đặt dòng stator *

s

được tính toán từ các phương trình đã biết của mômen, từ thông tổng, các biến đặt được đưa ra thay cho biến thực và chúng là:

Giải pháp cho giá trị đặt mômen được phân tích theo các bước sau:

M

p p s

sd

m L

L

 (2.6) Giá trị đặt góc mômen có thể được tính từ (2.5) và (2.6) Từ giá trị đặt dòng và giá trị đặt góc mômen, thành phần dòng sản sinh từ thông và mômen có thể được tính

điều khiển không thay đổi đối với máy điện đồng bộ cực lồi ngoại trừ các công thức dẫn xuất từ (2.1) và (2.2) điều này tương tự như cách cài đặt giá trị đặt của biên độ dòng stator và góc mômen Các quá trình tính toán có thể được thực hiện on-line hoặc lưu giữ trong các bảng tính off-line để giảm bớt thời gian tính toán Khi các thông số thay đổi, các bảng khác nhau cho sự biến đổi được lưu giữ và được gọi ra trong quá trình vận hành

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển vector hệ truyền động điều khiển mômen động cơ

Bộ điều khiển dòng có trễ (Hysteresis Current Controller)

phép cộng và trừ từ dòng pha đặt để có phạm vi điều khiển với dòng pha được giữ nguyên Trên cơ sở đó, giá trị của dòng pha, bộ chuyển mạch lôgic cho bộ điều khiển dòng pha được thể hiện:

V

được thực hiện tương tự Từ điện áp điểm giữa (midpoint voltages), điện áp dây và điện áp pha có thể được tính và có thể chuyển sang điện áp trục d, trục q trong hệ tọa

độ tựa từ thông Lời giải của các phương trình máy điện cho dòng stator trong hệ toạ

độ rotor bằng cách chuyển đổi ngược các dòng điện pha Mômen và từ thông được tính toán từ dòng trên hệ tọa độ rotor

2.1.2 Mô phỏng và kết quả của hệ truyền động điều khiển mômen

Tốc độ của máy điện được giữ không đổi, mômen đặt là đầu vào của hệ truyền động Điều này dễ dàng để kiểm tra trong phòng thí nghiệm nhưng không biết điều chỉnh mômen được thực tiễn như thế nào Thường thì tốc độ điều khiển theo một cách thức nhất định hoặc trong thực tiễn, chẳng hạn con người sử dụng mạch vòng tốc độ trong hệ truyền động của phương tiện giao thông sử dụng điều chỉnh mômen Một hệ

ra mômen điện từ và không có thành phần dòng tạo từ thông với kết quả đó không có suy giảm từ thông dọc theo trục từ Điều đó không có nghĩa là không có sự biến đổi của từ thông, bởi vì từ thông stator trục q phụ thuộc vào thành phần dòng stator trục q liên kết với từ thông rotor vĩnh cửu Với sự gia tăng của biên độ dòng stator, từ thông tăng lên được thấy rõ Để tăng tốc độ tính toán, phương pháp số để giải phương trình

vi phân cho máy điện được sử dụng là phương pháp Euler và cho thấy nhiều ưu điểm hơn sử dụng phương pháp Runger-Kutta bậc 4

Kết quả mô phỏng cho hệ truyền động điều chỉnh mômen khi giữ tốc độ 0.5pu (đơn vị tương đối), được thể hiện như hình 2.2 với bộ điều khiển dòng có trễ trong mạch vòng dòng Sai lệch dòng được đặt là 0.1pu, giá trị lớn nhưng thuận tiện để theo dõi sự đập mạch của mômen Bởi vì độ gợn cao của dòng trục q, độ nhấp nhô của mômen cũng tương đối lớn Bộ điều khiển dòng dẫn dắt dòng theo các giá trị đặt với thời gian trễ nhỏ, một lợi thế riêng của bộ điều khiển dòng có trễ Có thể thấy rằng từ thông tổng hay từ thông khe hở không khí tăng trưởng cùng với dòng stator Góc mômen được điều khiển là giá trị trung bình để được giá trị mong muốn nhưng sai lệch của nó so với giá trị đặt phụ thuộc chủ yếu vào sai lệch dòng so với giá trị đặt được xác định bởi chất lượng của bộ điều khiển dòng trong biến tần và tham số của máy điện

Thành phần dòng stator tạo từ thông cũng như vậy, giữ bằng 0 tương tự như góc mômen Các biến trên đồ thị đều ở đơn vị tương đối trừ góc mômen, đây là góc điện

Hình 2.2 Điều khiển mômen với bộ điều khiển dòng có trễ

Truyền động điều chỉnh mômen trên cơ sở điều chế PWM sine được thể hiện như hình 2.2 với điều kiện vận hành tương tự như bộ điều khiển dòng có trễ Thực hiện bộ điều khiển dòng PWM được thể hiện trong hệ điều chỉnh tốc độ động cơ Tần số sóng mang PWM là 20kHz Dòng điện nhấp nhô và mômen dao động là rất nhỏ với tần số đóng cắt cao khi so sánh với bộ điều khiển có trễ với sai lệch lớn Nhưng khi tính trung bình, các biến của hệ truyền động, chẳng hạn, mômen và từ thông khe hở được nhận dạng trong cả hai cấu trúc Sự khác nhau về chất lượng là biên độ của dòng nhấp nhô và mômen đập mạch

2.1.3 Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ

Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ được xây dựng bằng cách dùng hệ truyền động điều chỉnh mômen như cấu trúc hình 2.1 làm cốt lõi và thêm vào mạch vòng điều khiển tốc độ để điều chỉnh tốc độ rotor của hệ truyền động và được thể hiện như hình 2.3 Sai lệch tốc độ giữa tốc độ thực và tốc độ đặt  * được xử lý thông qua bộ điều khiển PI (bộ điều khiển tốc độ) để vô hiệu hóa trạng thái sai lệch tốc độ

M

tốc độ có thể bằng không và cực tiểu hóa chỉ bằng cách tăng hoặc giảm mômen điện từ của máy điện, phụ thuộc vào sai lệch tốc độ là dương hay âm Để đáp ứng nhanh tốc

độ, một bộ điều chỉnh tỷ lệ-tích phân-đạo hàm PID được sử dụng

Từ thông đặt được đưa ra phụ thuộc vào tốc độ rotor Biên độ của sức điện động cảm ứng không vượt quá điện áp một chiều cấp cho nghịch lưu, tỷ số giữa sức điện động cảm ứng và tần số stator được giữ là hằng, kết quả là từ thông không đổi và tần

số lớn nhất (tần số cơ bản), với sự giới hạn này, tốc độ ở đây là tốc độ cơ bản Ngay khi tần số vượt quá giá trị cơ bản, tốc độ được điều khiển vượt quá tốc độ cơ bản và hệ quả là sức điện động cảm ứng ban đầu vượt quá biên độ của điện áp một chiều cung cấp

Hình 2.3 Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Điều này dẫn đến điều khiển dòng stator rất khó và dẫn đến điều khiển mômen cũng khó khăn Điều khiển hệ truyền động trở nên chậm trong vùng này Để duy trì dòng điều khiển cần duy trì điều khiển qua độ lớn sức điện động cảm ứng, từ thông có thể được tính toán để giảm tỷ lệ nghịch với tốc độ, sức điện động cảm ứng được giới hạn ở một mức mà có thể đáp ứng tốc độ cơ bản thậm chí tốc độ được đẩy vượt quá giá trị đó Chế độ vận hành này được hiểu là vùng suy giảm từ thông, chế độ vận hành này gọi là điều khiển suy giảm từ thông Nhưng mômen không thể hy vọng giữ ở giá trị cơ bản đáp ứng tốc độ cơ bản cung cấp công suất tổng và nó không bao giờ có thể được vượt quá trong máy điện trong trạng thái ổn định, khi đó tổn hao lớn, bảo vệ nhiệt tác động, dẫn đến máy điện bị lỗi Dòng stator yêu cầu vượt quá giá trị cơ bản của máy điện Tất cả các vấn đề này xảy ra khi mômen giảm, khi tốc độ vượt quá tốc

độ cơ bản, bằng cách lập trình để giảm dưới giá trị cơ bản, do đó, công suất khe hở không khí sinh ra cân bằng với công suất cơ bản Điều khiển phức tạp được thực hiện đơn giản theo hai bước sau đây:

▪Lập trình tính toán từ thông

Một bộ điều khiển cung cấp 1 p.u để tăng đến tốc độ cơ bản và quá tốc độ, điều này sẽ cho đầu ra tỷ lệ nghịch với tốc độ định mức, được tạo ra khi sử dụng chức năng tạo hàm để mô tả mômen hằng và chế độ vận hành trong vùng suy giảm từ thông của

đặt Hệ số tỷ lệ K f được đưa ra ở đây nhằm mục đích đó

Hàm chức năng f(bn)sẽ đặt giá trị đặt cho từ thông tổng đòi hỏi hằng số K f

Đầu ra của hàm chức năng cũng là đơn vị tương đối p.u, giá trị của K f là duy nhất

▪ Lập trình tính toán mômen trong vùng suy giảm từ thông

Điều này kéo theo quá trình tính toán của bộ điều khiển tốc độ tạo ra giá trị mômen đặt

*

-1 0 1

-1 0 1

từ thông trong chế độ mà cả mômen và công suất đều giữ không đổi Điều này được chứng minh sau đây:

Hàm chức năng vận hành dựa vào tốc độ có đặc điểm:

( )/ 2

*

*/ 2

Tốc độ cơ bản b và *

từ thông được giữ là hằng tại công suất cơ bản Chế độ vận hành giữ mômen không đổi và công suất không đổi được thực hiện với khối tạo hàm, như (2.12) và (2.13) Lưu

ý rằng trừ bớt tổn hao trên trục động cơ từ công suất tổng được công suất đầu ra trên trục động cơ

Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ là phần cơ bản của hệ truyền động điều chỉnh vị trí Mạch vòng phản hồi vị trí rotor biến đổi tốc độ hệ truyền động sang

vị trí Khi đó hệ truyền động điều chỉnh vị trí có thể được xây dựng, chẳng hạn với động cơ servo Ở đây ta quan tâm có thể mô phỏng hệ truyền động với các hiểu biết về

hệ thống

2.1.4 Mô phỏng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ

Mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm Matlab, kết hợp giá trị đặt của thành phần dòng tạo mômen đặt Với từ thông, giá trị đặt không giữ lâu như từ thông tổng, một cách dễ dàng để thực hiện là giữ giá trị đặt trục d của hệ tọa độ gắn với rotor Điều này có nghĩa từ thông rotor là tổng của từ thông cực từ và từ thông dọc trục tạo bởi thành phần dòng stator Mặc dù có sự thay đổi, đặc tính động của hệ truyền động vẫn được đảm bảo như kết quả mô phỏng Lưu ý rằng từ thông đặt không được thực hiện theo cách này trong thực tiễn

Mạch vòng tốc độ của hệ truyền động điều chỉnh mômen là mạch vòng kín và làm việc ở bốn góc phần tư, khi mô phỏng với mômen tải 0.3pu Kết quả được thể hiện như hình 2.4 Bộ điều khiển tốc độ PI được sử dụng trong hệ truyền động này Bộ điều khiển dòng PWM được thiết lập trong mô phỏng này Máy điện đứng yên tại thời điểm ban đầu và với tốc độ dương, mômen đặt được điều khiển là giá trị dương lớn nhất và được duy trì cho đến khi tốc độ rotor đạt giá trị yêu cầu Khi tốc độ rotor bằng với tốc

độ yêu cầu, mômen đặt sẽ giảm để phù hợp với mômen tải và mômen ma sát

Mômen đặt là âm khi tốc độ đặt thay đổi từ 0.5pu đến -0.5pu Tốc độ rotor giảm dần tới 0 Giữ mômen âm, rotor đảo chiều quay và bám theo tốc độ đặt -0.5pu Khi gần giá trị -0.5pu, mômen điện từ giảm nhẹ thấp hơn giá trị mômen tải +0.3pu, bởi vì mômen ma sát là âm và do đó tổng của mômen ma sát và mômen tải được mômen tổng Quan trọng là chất lượng của mạch vòng dòng là minh chứng cần thiết của sự đảo dòng pha trong khi đổi chiều quay Sự phản ứng chậm của mạch vòng dòng sẽ tác động tiêu cực đến đáp ứng tốc độ

Chế độ vận hành suy giảm từ thông: Khi lớn hơn 0.5pu, từ thông suy giảm được khởi tạo sử dụng thuật toán đã biết ở phần trước Dòng đặt trục d được giảm khi suy giảm từ thông, kết quả là giảm từ thông tổng Chất lượng của hệ truyền động dưới điều kiện này được nhận dạng để đạt hiệu quả trong cả 4 góc phần tư Lưu ý rằng trong miền suy giảm từ thông, mômen yêu cầu giảm để giữ công suất tổng không đổi Mã chương trình Matlab có thể được thêm vào mạch vòng mô phỏng sau khi tính toán mômen đặt:

Hình 2.5 Cấu trúc điều khiển tốc độ đơn giản của hệ truyền động động cơ đồng bộ

kích thích vĩnh cửu

Bộ điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ được thể hiện như hình 2.5 Không có ảnh hưởng giữa 2 trục Kết quả là mômen phản kháng không tồn tại trong hệ truyền động, dẫn đến biểu diễn đơn giản của mômen Dòng đặt sinh mômen được tính bằng cách

Mômen được điều chỉnh cho vùng suy giảm từ thông bằng cách nhân hàm tốc độ đầu ra với đầu ra của bộ điều khiển tốc độ Từ thông suy giảm là đơn giản khi tính toán trước dòng tạo từ thông và lập trình được lưu giữ trong ROM Chú ý rằng chỉ từ thông dọc trục được điều khiển chứ không phải từ thông tổng là kết quả tương hỗ giữa mạch từ stator và mạch từ rotor

2.2 Một số chiến lược điều khiển

Điều khiển vector được chứng minh và đạt được tách kênh giữa từ thông và mômen trong máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu Tách kênh rất cần thiết cho một

hệ truyền động chất lượng cao, yêu cầu phương pháp điều khiển đơn giản điều khiển

từ thông, điều khiển tối ưu mômen, điều khiển tối đa hiệu suất và điều khiển mômen, tốc độ cực đại Chất lượng cũng thể hiện là có thể điều khiển dòng pha stator và trong một số trường hợp phải đảm bảo tách kênh mômen và từ thông Chất lượng truyền động điện là yêu cầu quan trọng trong các ứng dụng trong công nghiệp Chẳng hạn, điều khiển từ thông tổng cung cấp tín hiệu điều khiển trơn trên toàn bộ vùng tốc độ mômen với sự chuyển đổi liền mạch sang vùng suy giảm từ thông trên tốc độ cơ bả Điều khiển tối ưu hiệu suất là quan trọng nhất trong các ứng dụng khi yêu cầu tiết kiệm năng lượng và giá thành điện năng với các ứng dụng quạt, bơm, xe điện Tiêu chí đặc biệt này càng trở lên cấp thiết trong công nghiệp và gia dụng

Các chiến lược điều khiển được xem xét một cách chi tiết trong các hệ truyền động động cơ đồng bộ:

1 Điều khiển góc mômen là hằng hoặc dòng trục d bằng 0

2 Điều khiển hệ số công suất

3 Điều khiển từ thông tổng là hằng

4 Điều khiển góc của từ thông tổng và vector phức dòng

5 Điều khiển tối ưu mômen

6 Điều khiển giảm tổn hao trên cơ sở điều khiển trong phạm vi tốc độ-mômen lớn nhất

7 Điều khiển tối thiểu tổn hao hoặc tối đa hiệu suất

Các chiến lược điều khiển này được phân tích từng bước

2.2.1 Điều khiển giữ góc mômen bằng hằng số  900

và từ thông hay dòng dọc trục bằng

0, chỉ có mômen hay thành phần dòng ngang trục Chế độ vận hành này nhỏ hơn tốc

độ cơ bản đáp ứng từ thông tổng dọc trục và chiến lược điều khiển này là phổ biến trong một số hệ truyền động điện Phương trình đưa ra trong chế độ vận hành này là:

p s

z m

p b

p b

z

I m

z m

xác định trạng thái ổn định của hệ truyền động động cơ PMSM với chiến lược điều khiển được đưa ra sau đây Điện áp stator dọc trục và ngang trục trong hệ tọa độ gắn với rotor:

 

2 2

2

1cos

11

sq sd

s sq sd sqn sn

sn sn sn

u u

1

sn n

U



 (2.23) Giả thiết rằng sử dụng nghịch lưu 6 van công suất, bỏ qua điện áp rơi trên thiết bị

và cable Thực tế coi biến tần PWM, trong trường hợp đó, điện áp được giảm bởi hệ số

Kdr thường trong dải từ 0.85 đến 0.95 và điện áp được tính:

U

 (2.24) Suy giảm từ thông tổng không thể dùng cho chiến lược điều khiển này, thể hiện

từ công thức chuẩn hóa từ thông:

2.2.2 Điều khiển hệ số công suất

Điều khiển hệ số công suất có nghĩa là với công suất định mức VA của biến tần được tận dụng một cách triệt để công suất đầu vào động cơ đồng bộ Điều khiển u/f được điều khiển bằng cách điều khiển góc mômen như là một hàm của các tham số động cơ Phương trình trong chế độ này được cho dưới đây:

cos sin ( )

sn sdn n sn sqn

0

 (2.33) Mối quan hệ với góc mômen:

sin

coscos

sin

sn sn sdn sn

n

sn sn

sqn sn n

Lưu ý rằng L sdnL sqnlà âm đối với động cơ đồng bộ và góc mômen lớn hơn 900 Nếu

điện, điều này không được chấp nhận nếu xét theo quan điểm tổn hao Do vậy, chỉ dấu

90

luật điều khiển hệ số công suất và sự thi hành yêu cầu biên độ dòng pha động cơ và

rotor

2.2.3 Điều khiển từ thông là hằng

Trong chiến lược điều khiển này, từ thông tổng của stator dọc trục và ngang trục

là với giá trị giới hạn của từ thông tương hỗ, điện áp stator yêu cầu thấp hơn Thêm vào đó, sự thay đổi của từ thông tương hỗ đơn giản và không phức tạp ở vùng suy giảm từ thông vận hành ở tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản Điều khiển từ thông hỗ cảm là một trong những kỹ thuật hiệu quả với dải tốc độ đầu vào, điều này được giới hạn cho chế độ vận hành dưới tốc độ cơ bản Từ thông hỗ cảm được biểu diễn theo công thức sau:

m p L I sd sd L I sq sq

     (2.38) Với m p (2.39)

Và dòng phức stator và góc mômen được tính: