Điều khiển động cơ đồng bộ cấp nguồn bởi biến tần đa bậc dùng phương pháp mô hình nội

Trong những năm gần đây vấn đề tự động hóa phát triển rất nhanh, việc điều khiển truyền động điện trong sản xuất đồi hỏi cao về độ chính xác điều khiển cũng như các đáp ứng động của hệ t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Thành phần Hội Đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ gồm:

( Ghi rõ họ tên, học hàm , học vị của Hội Đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ )

PHÒNG QLKH - ĐTSĐH Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

TP HCM, ngày… tháng … năm …

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Trung Trực Giới tính: Nam

Ngày , tháng, năm sinh: 29 / 04 / 1982 Nơi sinh: Tiền Giang

I- Tên đề tài : Điều khiển động cơ đồng bộ cấp nguồn bởi biến tần đa bậc dùng phương pháp mô hình nội

II- Nhiệm vụ và nội dung:

III- Ngày giao nhiệm vụ: 18 / 08 / 2014

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20 / 01 / 2015

V- Cán bộ hướng dẫn : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

( Ký và ghi rõ họ tên )

PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

( Ký và ghi rõ họ tên )

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng 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

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận Văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận Văn

Nguyễn Trung Trực

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành gửi lời biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Dương Hoài Nghĩa

Người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn.Trong quá trình thực hiện luận văn, tuy gặp nhiều khó khăn, nhưng nhờ sự hướng dẫn tận tình

của Thầy PGS.TS Dương Hoài Nghĩa , Thầy cũng cung cấp cho tôi những tài liệu vô

cùng quý giá để tôi thực hiện trong suốt thời gian làm luận văn

Xin chân thành cám ơn tập thể thầy cô giáo Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP Hồ Chí Minh, đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi, giúp tôi học tập

và nghiên cứu trong quá trình học cao học tại trường

Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau Đại Học Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP Hồ Chí Minh, đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn cao học tại trường Xin chân thành cảm ơn các anh, chị học viên cao học ngành “Kỹ Thuật Điện” đã đóng góp ý kiến giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường

Xin chân thành cảm ơn Bố Mẹ và gia đình cùng những người thân đã động viên

và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học cũng như thời gian tôi thực hiện luận văn Cảm

ơn người bạn đời, người bạn đồng hành, đã động viên và tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập cũng như hoàn thành tốt luận văn này

TP Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2015

Người Thực hiện

Nguyễn Trung Trực

TÓM TẮT

Ngày nay tự động hóa phát triển rất mạnh trong điều khiển truyền động điện trong sản xuất đã đặt ra các yêu cầu cao về độ chính sát trong điều khiển của hệ thống Ngoài các nguồn động lực dùng trong hệ truyền động điện như: khí nén, thủy lực, động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu được sử dụng ngày càng phổ biến

Tuy nhiên động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu là hệ phi tuyến nên việc điều khiển cũng gập nhiều khó khăn Bên cạnh đó cũng có nhiều phương pháp được áp dụng vào điều khiển hệ phi tuyến và cũng thu được một số kết quả

Trong luận văn này chủ yếu trình bày phương hướng để giải quyết bài toán phi tuyến nói chung và điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nói riêng là phương pháp điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ cấp nguồn bởi biến tần đa bậc dùng phương pháp mô hình nội

Sau đó, dùng phần mềm MATLAB/SIMULINK 7.11 để mô phỏng phương pháp trên và đồng thời cho thấy hệ thống đáp ứng tốt với phương pháp Từ đó, ta sẽ khảo sát tính bền vững của phương pháp điều khiển cũng như thay đổi các thông số động cơ

to control and difficult Besides, there are many methods applied to nonlinear control systems and also obtained some results

In this paper mainly presents directions for solving general nonlinear control and speed synchronous motor in particular methods of speed control synchronous motor powered by a multi-level inverter using the internal model approach

Then, using the software MATLAB / SIMULINK 7:11 to simulation methods and also showed good response systems approach From there, we will examine the

sustainability of control methods as well as changing the motor parameters

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt luận văn iii

ABSTRACT iv

Mục lục v

Danh mục các từ viết tắt .viii

Danh mục các bảng biểu ix

Danh mục các sơ đồ, hình ảnh x

Chương 1: Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 1

1.1.Giới thiệu về động cơ đồng bộ.[ 8] 2

1.2.Tính cấp thiết của đề tài 6

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ 7

1.4 Các phương pháp điều khiển đã có [ 1 ], [ 2 ] 7

1.4.1 Phương pháp điều khiển dòng dạng chữ nhật 7

1.4.2 Điều khiển vô hướng ( V/f ) không dùng cảm biến 8

1.4.3 Điều khiển vectơ 9

Chương 2: Cơ sở lý thuyết giới thiệu về bộ biến tần đa bậc.[ 5 ], [ 9 ] 11

2.1.Giới thiệu 12

2.2 Phân loại 13

2.3 Các cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc 13

2.3.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng cascade 14

2.3.2 Cấu trúc dùng tụ thay đổi ( Floating Capacitor Multilevel Inverter ) 15

2.4 Các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu áp đa bậc 16

2.4.1 Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu áp ba bậc 16

2.4.2 Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu áp năm bậc 17

Chương 3: Ứng dụng phương pháp mô hình nội vào điều khiển động cơ đồng bộ.[ 3 ], [ 4 ], [ 6 ], [ 8 ] 19

I.Phương pháp mô hình nội 20

I.3.1.Cấu trúc hệ thống điều khiển dùng mô hình nội 20

I.3.2.Điều kiện ổn định nội 21

I.3.3.Chất lượng điều khiển 22

I.3.4 Nguyên lý điều khiển IMC phi tuyến đối với động cơ đồng bộ 23

II Động cơ đồng bộ 24

II.3.1 Các phương trình cơ bản 24

II.3.2 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor (d-q) 25

II.3.3 Mômen điện từ 26

II.3.4 Xây dựng mô hình động cơ đồng bộ 26

II.3.5 Xây dựng mô hình thuận 28

II.3.6 Xây dựng mô hình ngược 30

II.3.7 Xây dựng bộ inverter 3 bậc 33

II.3.8.Xây dựng bộ lọc IMC 37

II.3.9 Kết quả mô phỏng 38

II.3.9.1 Thông số động cơ dùng làm mô phỏng 38

II.3.9.2 Đáp ứng danh định 39

II.3.9.3 Khảo sát tính bền vững [ 2 ], [ 4 ] 42

II.3.9.3.1 Tính bền vững đối với R 42 s II.3.9.3.2 Tính bền vững đối với L 47 s II.3.9.3.3 Tính bền vững đối với J 51

II.3.9.3.4 Tính bền vững khi thay đổi tất cả thông số động cơ 55

II.3.9.3.5 Đáp ứng khi thay đổi tải 57

Kết luận

Chương 4: Kết Luận 61

Tài Liệu Tham Khảo

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

MOSFET Metal Oxide Simiconductor Field Effect Transistor

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Bảng trạng thái đóng ngắt nghịch lưu 3 bậc 1 pha 16 Bảng 2: Bảng trạng thái đóng ngắt nghịch lưu 5 bậc 1 pha 17 Bảng 3: Bảng khảo sát tính bền vững khi dùng phương pháp mô hình nội 59

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Động cơ đồng bộ rôto cực lồi 4

Hình 1.2: Động cơ đồng bộ rôto cực ẩn 5

Hình 1.3: Hệ thống điều khiển dòng dạng chữ nhật 7

Hình 1.4: Điều khiển vô hướng ( V/f ) với khâu bù góc tải 8

Hình 1.5: Điều khiển vectơ 9

Hình 1.6: Điều khiển trực tiếp từ thông và mômen 10

Hình 2.1: Bộ nghich lưu áp đa bậc dạng Cascade 14

Hình 2.2: Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng ghép 15

Hình 2.3: Cấu trúc bộ nghịch lưu áp dạng tụ thay đổi 15

Hình 2.4: Bộ nghịch lưu 3 bậc 1 pha 16

Hình 2.5: Bộ nghịch lưu 5 bậc 1 pha 17

Hình 3.1: Sơ đồ điều khiển mô hình nội 20

Hình 3.2: Sơ đồ khối điều kiện ổn định nội 21

Hình 3.3: Biến đổi sơ đồ điều khiển mô hình nội ( H.a) thành sơ đồ điều khiển tương đương ( H.b ) 21

Hình 3.4: Biến đổi sơ đồ điều khiển truyền thống ( H.a ) thành sơ đồ điều khiển mô hình nội ( H.b ) 22

Hình 3.5: Sơ đồ điều khiển mô hình nội 22

Hình 3.6 Mô hình điều khiển động cơ đồng bộ dùng mô hình nội 23

Hình 3.7: Mô hình đơn giản của động cơ đồng bộ ba pha rôto cực lồi 24

Hình 3.8: Mô hình đơn giản của động cơ đồng bộ ba pha rôto cực ẩn 24

Hình 3.9 : Sơ đồ chi tiết khối mô hình động cơ 28

Hình 3.10: Mô hình động cơ 28

Hình 3.11: Sơ đồ chi tiết khối mô hình thuận 30

Hình 3.12: Mô hình thuận 30

Hình 3.13: Sơ đồ chi tiết mô hình ngược 32

Hình 3.14: Mô hình ngược 32

Hình 3.15: Sơ đồ bộ inverter 3 bậc 33

Hình 3.16: Sơ đồ chi tiết các khối bên trong bộ inverter 3 bậc 33

Hình 3.17: Sơ đồ chi tiết các khối bên trong bộ biến tần 3 bậc 34

Hình 3.18: Sơ đồ chi tiết các khối bên trong bộ nghịch lưu 3 bậc 34

Hình 3.19: Sơ đồ chi tiết các khối IGBT 35

Hình 3.20: khối chuyển đổi từ abc sang alpha, beta 35

Hình 3.21: khối chuyển đổi từ alpha, beta sang abc 36

Hình 3.22: Khối chuyển đổi từ alpha, beta sang dq 36

Hình 3.23: Khối chuyển đổi từ dq sang alpha, beta 36

Hình 3.24: Khối bộ lọc IMC 37

Hình 3.25: Sơ đồ chi tiết khối bộ lọc IMC 37

Hình 3.26: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ dùng mô hình nội 38

Hình 3.27: Đáp ứng tốc độ 39

Hình 3.28: Đáp ứng dòng điện isd 39

Hình 3.29: Đáp ứng dòng điện isq 40

Hình 3.30: Đáp ứng Moment 40

Hình 3.31: Đáp ứng dòng điện pha a stator 41

Hình 3.32: Đáp ứng dòng điện 3 pha stator 41

Hình 3.33a: Đáp ứng tốc độ khi Rsmíi0.9Rscò 42

Hình 3.33b: Đáp ứng dòng điện isd khi Rsmíi0.9Rscò 43

Hình 3.33c: Đáp ứng moment khi Rsmíi0.9Rscò 43

Hình 3.33d: Đáp ứng dòng điện pha a stator khi Rsmíi0.9Rscò 44

Hình 3.34a: Đáp ứng tốc độ khi Rsmíi2.1Rscò 44

Hình 3.34b: Đáp ứng dòng điện isd khi Rsmíi2.1Rscò 45

Hình 3.34c: Đáp ứng moment khi Rsmíi2.1Rscò 45

Hình 3.34d: Đáp ứng dòng điện pha a stator khi Rsmíi2.1Rscò 46

Hình 3.35a: Tốc độ khi Lsdmíi0.9Lsdcò, Lsqmíi0.9Lsqcò 47

Hình 3.35b: Dòng điện isdkhi Lsdmíi0.9Lsdcò, Lsqmíi0.9Lsqcò 48

Hình 3.35c: Moment Me khi Lsdmíi0.9Lsdcò, Lsqmíi 0.9Lsqcò 48

Hình 3.36a: Tốc độ khi Lsdmíi1.6Lsdcò, Lsqmíi 1.6Lsqcò 49

Hình 3.36b: Dòng điện isd khi Lsdmíi1.6Lsdcò, Lsqmíi 1.6Lsqcò 49

Hình 3.36c: Moment Me khi Lsdmíi1.6Lsdcò, Lsqmíi 1.6Lsqcò 50

Hình 3.37a: Tốc độ khi Jmíi0.7Jcò 51

Hình 3.37b: Dòng điện isd khi Jmíi0.7Jcò 52

Hình 3.37c: Moment Me khi Jmíi0.7Jcò 52

Hình 3.38a: Tốc độ khi Jmíi2.1Jcò 53

Hình 3.38b: Dòng điện isd khi Jmíi2.1Jcò 53

Hình 3.38c: Moment Me khi Jmíi2.1Jcò 54

Hình 3.39a: Tốc độ khi thay đổi hết thông số 55

Hình 3.39b: Dòng điện isd khi thay đổi hết thông số 56

Hình 3.39c: Moment Me khi thay đổi hết thông số 56

Hình 3.40a: Tốc độ khi tải thay đổi 57

Hình 3.40b: Dòng điện isd khi thay đổi tải 58

Hình 3.40c: Moment Me khi thay đổi tải 58

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

NAM CHÂM VĨNH CỬU

1.1.Giới thiệu về động cơ đồng bộ

Trong những năm gần đây vấn đề tự động hóa phát triển rất nhanh, việc điều khiển truyền động điện trong sản xuất đồi hỏi cao về độ chính xác điều khiển cũng như các đáp ứng động của hệ thống Để cho hệ thống truyền động được ổn định và bền vững cao cần phải có một phương pháp điều khiển thích hợp và hiệu quả Động

cơ điện thường dùng trong sản xuất là động cơ không đồng bộ do giá thành thấp, dễ bảo quản và cấu tạo đơn giản Tuy nhiên, động cơ không đồng bộ nói chung hay động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu nói riêng trong những năm gần đây

đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền động điện nhờ các ưu điểm nhất định và có thể so sánh với động cơ không đồng bộ trong nhiều lĩnh vực truyền động điện

Ƣu điểm: [ 2 ], [ 8 ], [ 10 ]

- Động cơ điện đồng bộ do được kích thích bằng nguồn điện một chiều nên có thể làm việc với hệ số cosφ = 1 và không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện, kết quả là hệ số công suất của lưới điện được nâng cao, làm giảm điện áp rơi và tổn hao công suất trên đường dây

- Ít chịu ảnh hưởng đối với sự thay đổi điện áp của lưới điện do mômen của động cơ điện đồng bộ tỉ lệ với U trong khi mômen động cơ điện không đồng

bộ tỉ lệ với U 2

- Hiệu suất động cơ đồng bộ cao hơn động cơ không đồng bộ

- Động cơ đồng bộ là hệ số công suất được điều khiển một cách đơn giản bằng cách thay đổi dòng điện trường Đây cũng là lý do tại sao trong các cơ sở công nghiệp lớn, một phần tải thường được điều khiển bằng các động cơ đồng bộ, vận hành với hệ số công suất sớm pha để có hệ số công suất cao trong toàn cơ sở công nghiệp đó

khiển động cơ đặt ra nhiều khó khăn do lý thuyết điều khiển hệ phi tuyến còn chưa hoàn chỉnh cho trường hợp tổng quát

Có nhiều phương pháp đã được áp dụng vào điều khiển đông cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu, các phương pháp này cũng thu được một số kết quả nhất định Tuy nhiên một trong những phương pháp giải quyết bài toán phi tuyến nói chung và điều khiển động cơ đồng bộ nói riêng, là phương pháp điều khiển cấp nguồn bởi biến tần đa bậc dùng mô hình nội Kết quả này sẽ được chứng minh qua kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Do tốc độ của động cơ đồng bộ liên quan chặt chẽ với tần số nguồn cấp cho stator nên để điều khiển tốc độ của động cơ đồng bộ phải sử dụng biến tần [ 1 ]

Do động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu là một hệ phi tuyến nhiều biến, việc điều khiển động cơ rất phức tạp, đòi hỏi phải tính toán nhiều Mặt dù được biết từ lâu, nhưng động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu chỉ được quan tâm trong hệ thống truyền động khi kỹ thuật van bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý phát triển Do vậy, việc điều khiển động cơ này đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu, và nhiều phương pháp cũng đã được giới thiệu trên các tạp chí

Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ đồng bộ từ trở thường sử dụng cho các động cơ công suất nhỏ hoặc trung bình ( thường khoảng 50 – 100Kw trở xuống ) và các động cơ rôto kích từ thường được dùng cho các ứng dụng công suất trung bình và cao ( hàng trăm kW, MW đến hàng trăm MW )

Các dạng rôto của động cơ đồng bộ thường gặp

Hình 1.1: Động cơ đồng bộ rôto cực lồi a) Rô to kích từ ; b) Rô to nam châm vĩnh cửu

Hình 1.2: Động cơ đồng bộ rôto cực ẩn b) Rô to kích từ ; b) Rô to nam châm vĩnh cửu 1.2.Tính cấp thiết của đề tài

Động cơ đồng bộ có những điểm như hiệu suất, Cos cao, tốc độ ít phụ thuộc vào điện áp Tuy nhiên việc điều khiển động cơ đồng bộ còn tương đối khó khăn, do đặc tính phi tuyến mạnh Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ đồng bộ là làm thế nào để dễ dàng điều khiển tốc độ như việc điều khiển động cơ một chiều Vì

vậy ý tưởng biến đổi máy điện xoay chiều thành máy điện một chiều trên phương diện điều khiển đã ra đời Điều khiển vectơ sẽ cho phép điều khiển từ thông và moment hoàn toàn độc lập nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng hoặc giá trị tức thời của áp Điều khiển vector cho phép tạo ra những phản ứng nhanh và chính xác của từ thông và moment trong quá trình quá độ, cũng như quá trình xác lập

Như các hệ thống điều khiển khác, chất lượng các hệ điều khiển truyền động điện phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng các bộ điều khiển, ở đó hệ thống phải tạo ra được khả năng thay đổi tốc độ trơn, mịn với phạm vi điều chỉnh rộng, độ chính xác của đại lượng điều chỉnh ở chế độ tĩnh cao để tạo vùng làm việc với sai số nhỏ, hệ làm việc với bất cứ quá trình quá độ nào cũng phải đạt được độ ổn định cao và hệ phải đáp ứng nhanh với yêu cầu điều chỉnh

Để giải quyết những vấn đề trên, nhiều giải thuật điều khiển động cơ đồng bộ

đã được nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực truyền động điện như: Phương pháp điều khiển vector, điều khiển trực tiếp moment, điều khiển tựa theo từ thông, điều khiển vô hướng Hiện nay các phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực hệ truyền động động cơ đồng bộ Bên cạnh những ưu điểm các phương pháp trên vẫn còn tồn tại những khuyết điểm

- Với điều khiển V/f = hằng số, chỉ dùng cho hệ truyền động có đặc tính thấp

- Vơi phương pháp điều khiển trực tiếp moment thì đáp ứng tốc độ thấp moment điều khiển không trơn

- Điều khiển tựa theo từ thông thì ở tốc độ trên danh định động cơ mất ổn định

Với mong muốn tìm hiểu thêm về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều, nên

người nghiên cứu chọn “ điều khiển động cơ đồng bộ cấp nguồn bởi biến tần đa bậc dùng phương pháp mô hình nội “ làm đề tài

Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab Simulink

Đánh giá kết quả

1.4 Các phương pháp điều khiển đã có [ 1 ], [ 2 ]

1.4.1 Phương pháp điều khiển dòng dạng chữ nhật

Điều khiển dòng dạng chữ nhật còn gọi là hệ truyền động DC không chổi quét

Phương pháp điều khiển dòng dạng chữ nhật được dùng khi lực điện từ có dạng

không sin ( hình thang ), với q = 1, các cuộn dây stator dạng tập trung Phương pháp

này nhằm giảm các xung dao động mômen và có ưu thế khi sử dụng cảm biến vị trí

đơn giản ( hoặc bộ ước lượng )

Hệ thống điều khiển gồm động cơ, nghịch lưu PWM, khâu điều khiển vận tốc

và dòng điện, cảm biến vị trí ( tốc độ ) hoặc khâu ước tính cho hệ điều khiển không

cảm biến và cảm biến dòng

Hình 1.3: Hệ thống điều khiển dòng dạng chữ nhật

Bộ nghịch lưu được điều khiển để cung cấp dòng với dạng sóng hình chữ nhật,

dùng các cảm biến phát hiện tiếp cận với góc  0

1.4.2 Điều khiển vô hướng ( V/f ) không dùng cảm biến

Hình 1.4: Điều khiển vô hướng ( V/f ) với khâu bù góc tải

Độ gia tăng góc tải  được ước tính và tần số đặt sẽ được tăng lên giá trị

*

f

 để bù sự biến thiên mômen và giữ cho dòng động cơ đồng bộ với rôto khi quá

độ Phương pháp này chỉ thích hợp với các ứng dụng có yêu cầu đặc tính động không cao với ưu điểm về tính đơn của hệ điều khiển

Phương pháp điều khiển vô hướng thích hợp với các ứng dụng có yêu cầu đặc tính động không cao với ưu điểm về tính đơn giản của điều khiển Đối với các ứng dụng yêu cầu đặc tính động cao ( đáp ứng nhanh ) thường sử dụng phương pháp điều khiển vectơ

1.4.3 Điều khiển vectơ.

1- cảm biến vị trí : 2- không cảm biến

Hình 1.5: Điều khiển vectơ

Vị trí và vận tốc rôto được đo bằng cảm biến hoặc ước tính ( cho các hệ truyền động không dòng cảm biến ) và được sử dụng làm hồi tiếp tốc độ  r và góc quay vectơ  er để các giá trị đặt của dòng các pha stator *

a

i , i ,*b i Hệ điều khiển vòng *ckín hoặc vòng hở PWM được sử dụng để thiết lập dạng dòng điện ( hoặc điện áp ) được giữ đồng bộ với rôto

Thiết lập mối tương quan giữa thành phần *

d

i và i có tầm quan trọng đối với *q

việc tối ưu hóa theo tiêu chuẩn đặt ra Hệ thống điều vectơ phức tạp hơn nhiều so với điều khiển V/f, tuy nhiên cho phép đạt đáp ứng động cao hơn nhiều ( điều khiển nhanh mômen )

Tuy nhiên phương pháp điều khiển tần số theo luật V/f không đổi cũng có nhược điểm là chất lượng điều khiển thấp, khả năng đáp ứng theo tải chậm, hiệu suất thấp Thực tế đòi hỏi cần phải có các hệ thống đáp ứng yêu cầu truyền động chất lượng cao để thay thế truyền động một chiều một hệ thống như vậy phải có khả năng áp đặt mômen quay của động cơ thật nhanh và chính sát Chính vì vậy mà các phương pháp mới đã được ứng dụng và đưa vào thực tế Các phương pháp này chia thành hai nhóm

 Điều khiển véc tơ

 Điều khiển trực tiếp

Để đơn giản hóa việc điều khiển động cơ, phương pháp điều khiển trực tiếp

mômen và từ thông ( DTFC ) cho động cơ không đồng bộ được mở rộng ứng dụng cho động cơ đồng bộ ( PM - SM và RSM ) và được gọi là điều khiển vectơ mômen ( TVC – torque véctơ control )

Điều khiển trực tiếp từ thông stator và mômen đưa về việc giải quyết bài toán thiết lập quy luật đóng cắt khóa bán dẫn của bộ nghịch lưu áp PWM ( trình tự vectơ không gian điện áp ) Góc quay er không cần xác định trong trường hợp này, tuy nhiên cần sử dụng khâu quan sát từ thông và mômen

Hình 1.6: Điều khiển trực tiếp từ thông và mômen

CHƯƠNG 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIỚI THIỆU VỀ

BỘ BIẾN TẦN ĐA BẬC

2.1 Giới thiệu

Bộ nghịch lưu đa bậc (số bậc lớn hơn 2) được biết đến như là bộ chuyển đổi công suất lớn, điện áp trên các tụ điện phía nguồn DC nhỏ

Bộ nghịch lưu đa bậc có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một

chiều không đổi sang nguồn xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều Tùy thuộc vào đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hay dòng điện mà ta có được tương ứng bộ nghịch lưu áp VSI ( Voltage Source Inverter ) hay bộ nghịch lưu dòng CSI ( Current Source Inverter )

Bộ nghịch lưu áp là một bộ nghịch lưu có nguồn một chiều cung cấp là nguồn

áp và đối tượng điều khiển ngõ ra là điện áp Bộ nghịch lưu dòng là bộ nghịch lưu

có nguồn cung cấp là nguồn dòng và đối tượng điều khiển ở ngõ ra là nguồn dòng

Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển áp xoay chiều ở ngõ ra, nguồn điện

áp một chiều có thể lấy từ: pin điện, ắc quy, hoặc từ điện áp xoay chiều được chỉnh lưu rồi lọc phẳng

Các linh kiện trong bộ nghịch lưu áp phải có khả năng kích đóng, ngắt dòng qua nó Trong các ứng dụng nhỏ và vừa có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT Với công suất lớn có thể dùng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với bộ chuyển mạch Mỗi công tắc có một diode mắc đối song với nó Các diode mắc đối song này tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không điều khiển có chiều dẫn ngược lại với chiều dẫn điện của các công tắc Nó có nhiệm vụ để hạn chế điện áp phát sinh khi kích ngắt linh kiện

Bộ nghịch lưu áp hai bậc chứa hai khóa bán dẫn trên mỗi nhánh pha tải được gọi chung là bộ nghịch lưu áp hai bậc Nhược điểm của nó là tạo ra điện áp có độ dốc ( dv/ dt ) khá lớn và gây ra một số vấn đề khó khăn bởi tồn tại trạng thái điện thế từ các pha đến tâm nguồn DC khác không Bộ nghịch lưu đa bậc phát triển

để giải quyết hạn chế của nghịch lưu hai bậc và nó thường được sử dụng cho các ứng dụng điện áp cao và công suất lớn

- Ưu điểm của bộ nghịch lưu áp đa bậc:

 Công suất của bộ nghịch lưu tăng lên Đối với tải công suất lớn, điện áp cung cấp cho tải có thể đạt giá trị tương đối lớn

 Điện áp đặt trên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo

 Tần số đóng ngắt lớn, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra giảm nhỏ hơn so với bộ nghịch lưu hai bậc

- Nhược điểm: Cần nhiều linh kiện trong lắp đặt và điều kiện khó khăn hơn

nghịch lưu hai bậc dẫn đến giá thành cao hơn

2.2 Phân loại

Có nhiều phương pháp để phân loại các bộ nghịch lưu:

 Theo số pha điện áp ra: nghịch lưu một pha, nghịch lưu ba pha

 Theo số bậc điện áp giữa một đầu pha tải và một điểm điện thế chuẩn trên mạch có: hai bậc (two level), đa bậc (multi level - ba bậc trở lên)

2.3 Các cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc

Theo cấu trúc bộ nghịch lưu: dạng cascade (cascade converter), dạng nghịch lưu chứa diode kẹp NPC ( Neutral point clamped multi converter), dạng nghịch lưu kẹp tụ (Flying capacitor converter ), các loại nghịch lưu lai,

2.3.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng cascade

-+-

+-

+

-+-

+-

Hình 2.1: Bộ nghich lưu áp đa bậc dạng Cascade

Sử dụng các nguồn DC riêng, thích hợp cho trường hợp sử dụng nguồn DC có sẵn, ví dụ dưới dạng acquy, pin Bộ nghịch lưu Cascade gồm nhiều bộ nghịch lưu

áp cầu H một pha ghép nối tiếp với nhau

Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ba mức điện áp (-Vd/2, 0, Vd/2) được tạo thành Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh sẽ tạo nên n mức điện áp theo chiều âm (-Vd/2, -2*Vd/2, -n*Vd/2); n mức điện áp theo chiều dương (Vd/2, 2*Vd/2,…n*Vd/2) và mức áp 0 Như vậy, bộ nghịch lưu áp dạng cascade gồm n bộ nghịch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghich lưu (2n+1) bậc

- Ưu điểm chính của bộ nghịch lưu này là:

 Có thể thiết kế và lắp ráp dễ dàng, thuận tiện cho sản xuất

- Nhược điểm chính của bộ nghịch lưu này là:

 Cần nguồn độc lập cho mỗi mô đun cầu một pha

Ngoài dạng mạch gồm các bộ nghịch lưu áp một pha, mạch nghịch lưu áp đa bậc còn có dạng ghép từ ngõ ra của các bộ nghịch lưu áp 3 pha ( H2.2 ) Cấu trúc này cho phép giảm dv/dt và tần số đóng ngắt còn 1/3 Mạch cho phép sử dụng các

cấu hình nghịch lưu áp ba pha chuẩn Mạch nghịch lưu đạt được sự cân bằng điện

áp các nguồn DC, không tồn tại dòng cân bằng giữa các module Tuy nhiên, cấu tạo mạch đòi hỏi sử dụng các máy biến áp ngõ ra

Hình 2.2: Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng ghép

2.3.2 Cấu trúc dùng tụ thay đổi ( Floating Capacitor Multilevel Inverter )

V d

A B C

Hình 2.3: Cấu trúc bộ nghịch lưu áp dạng tụ thay đổi

- Ưu điểm chính của bộ nghịch lưu này là:

 Khi tần số tăng cao thì không dùng bộ lọc

 Có thể điều tiết công suất tác dụng và công suất phản kháng từ đó có thể điều tiết được phân bố công suất trong lưới dùng biến tần

- Nhược điểm chính của bộ nghịch lưu này là:

 Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều dẫn đến giá thành tăng và độ tin cậy giảm

 Việc điều khiển khó khăn khi số bậc nghịch lưu tăng cao

2.4 Các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu áp đa bậc

2.4.1 Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu áp ba bậc

Hình 2.4: Bộ nghịch lưu 3 bậc 1 pha

Xét bộ nghịch lưu áp ba bậc dạng chứa cặp diode kẹp như Hình H2.4 Gọi U là

độ lớn điện áp trên mỗi tụ riêng lẻ phụ thuộc độ lớn điện áp pha Các linh kiện kẹp giữa cặp diode nối đến một điện thế trên mạch DC cần thiết lập sẽ ở trạng thái kích Điện áp pha-tâm nguồn DC đạt các giá trị cho trong bảng sau:

Bảng 1: Bảng trạng thái đóng ngắt nghịch lưu 3 bậc 1 pha

Ta thấy có 3 mức điện áp ứng với 3 trạng thái đóng ngắt linh kiện cho mỗi pha.Vậy,

có 33 = 27 trạng thái đóng ngắt cho 3 pha

2.4.2 Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu áp năm bậc

Hình 2.5: Bộ nghịch lưu 5 bậc 1 pha

Bảng 2: Bảng trạng thái đóng ngắt nghịch lưu 5 bậc 1 pha

CHƯƠNG 3:

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH NỘI VÀO ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

ĐỒNG BỘ

I.Phương pháp mô hình nội

Điều khiển dùng mô hình nội ( IMC: internal model control ) được Morari đề xuất 1985 và áp dụng cho các đối tượng ổn định Năm 1987 Zafiriou và Morari đã hoàn thiện nguyên lý IMC áp dụng cho đối tượng ổn định và bất ổn Ưu điểm của phương pháp là các điều kiện về ổn định nội và tính bền vững được diễn tả một cách đơn giản thông qua các hàm truyền đạt của hệ thống

I.3.1.Cấu trúc hệ thống điều khiển dùng mô hình nội.[ 3 ],[ 4 ]

Hệ thống điều khiển dùng mô hình nội ( IMC: internal model control ) được trình ở hình 3.1

++

P s là bộ điều khiển mô hình nội ( mô hình ngược của P ) với r s là tín hiệu  

vào, u s là tín hiệu ra  

I.3.2.Điều kiện ổn định nội

+-

Hình 3.2: Sơ đồ khối xét các điều kiện ổn định nội

Điều kiện ổn định nội của hệ thống hình 3.2 là G và P ổn định Trường hợp G không ổn định, ta không thể sử dụng sơ đồ điều khiển mô hình nội ( nhưng ta vẫn có thể sử dụng phương pháp thiết kế mô hình nội và chuyển về sơ đồ truyền thống tương đương )

Bằng các phép biến đổi đơn giản, ta có thể chuyển sơ đồ điều khiển mô hình nội thành sơ đồ điều khiển truyền thống

Ngược lại ta cũng có thể chuyển sơ đồ điều khiển truyền thống thành sơ đồ điều khiển mô hình nội với bộ điều khiển mô hình nội tương đương

Hình 3.4: Biến đổi sơ đồ điều khiển truyền thống ( H.a )

thành sơ đồ điều khiển mô hình nội ( H.b )

I.3.3.Chất lƣợng điều khiển

+ -

I.3.4 Nguyên lý điều khiển IMC phi tuyến đối với động cơ đồng bộ

LỌC IMC

MÔ HÌNH NGƢỢC

INVER

MÔ HÌNH THUẬN

U U

U U U

-Hình 3.6 Mô hình điều khiển động cơ đồng bộ dùng mô hình nội

Trong đó:

 Tín hiệu điều khiển là tốc độ  và thành phần dòng isd

 Đối tượng điều khiển ( P ): gồm động cơ và bộ biến đổi ( BBĐ )

 Bộ biến đổi: Biến đổi điện áp từ s, Usd, Usq sang điện áp 3 pha Usa,

sb

U , Usc bằng phương pháp điều chế độ rộng xung

 Khối mô hình thuận  P s  : xây dựng từ hệ phương trình toán học mô tả động cơ trong hệ tọa độ từ thông rôto Tín hiệu vào Usd,UsqT và tín hiệu ra isd,T

 Mô hình ngược  Q s  : là nghịch đảo của mô hình thuận cũng được xây dựng trên tọa độ từ thông rotor Tín hiệu vào là isd,T, tín hiệu ra