PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN FOC CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Phương pháp FOC (Field Oriented Control) cho động cơ không đồng bộ 3 pha đã và đang là giải pháp hàng đầu trong các hệ thống truyền động hiện đại ngày nay. Nó dần thay thế các hệ truyền động điện dùng động cơ DC với giá thành cao và độ tin cậy thấp. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn và kỹ thuật vi xử lý, đặc biệt là sự ra đời của máy tính số với tốc độ xử lý cao, việc thực hiện các hệ thống điều khiển với thuật toán phức tạp trở nên dễ dàng, tạo bước nhảy vọt về kỹ thuật điều khiển động cơ. Điều khiển FOC theo nguyên lý hướng từ trường xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thông và momen cũng như điều khiển momen tối ưu trong cả hai trạng thái quá độ và xác lập. Phần mềm MatlabSimulink được sử dụng để mô phỏng, khảo sát và phân tích đáp ứng của hệ thống điều khiển có tham số không đổi. Nó cho kết quả phù hợp với lý thuyết và thực tiễn. Trong phạm vi của đồ án chỉ đi sâu vào tìm hiểu cấu trúc điều khiển FOC và thuật toán điều khiển cho động cơ KĐB xoay chiều 3 pha.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== BÁO CÁO ĐỒ ÁN II ĐỀ TÀI: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN FOC CHO ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA Trưởng mơn : PGS.TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Tạ Cao Minh Sinh viên thực : Nguyễn Xuân Tú Lớp : TĐH4 - K59 MSSV : 20145056 Hà nội, 1-2018 Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iii LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA 1.1 Cấu tạo động điện KĐB 1.1.1 Stator(phần tĩnh) 1.1.2 Rotor(phần quay) 1.2 Nguyên lý làm việc động KĐB 1.3 Phân loại động KĐB 1.4 Các đại lượng định mức động KĐB 10 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA 11 2.1 Các phương trình động không đồng 11 2.2 Phép chuyển hệ tọa độ abc dq 12 2.3 Xây dựng mơ hình tốn học động hệ trục tọa độ d-q 13 2.4 Tính tốn thơng số động 17 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC 19 3.1 Ý tưởng phương pháp 19 3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển vecto động KĐB 20 3.3 Phương pháp điều khiển 20 3.4 Thiết kế điều khiển 22 3.4.1 Cấu trúc điều khiển vector gián tiếp 23 3.4.2 Thiết kế bù từ thông 23 3.6.3 Thiết kế điều khiển dòng điện 25 3.4.4 Thiết kế điều khiển tốc độ 29 3.4.5 Thiết kế điều khiển từ thông 30 3.4.6 Khâu dẫn từ thông 31 3.4.7 Chống bão hòa tích phân 32 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG 33 KẾT LUẬN 37 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Động điện KĐB Hình Stator động KĐB Hình Vỏ máy động KĐB Hình Rotor động KĐB Hình Mơ hình tốn học động KĐ hệ trục tọa độ dq 17 Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển 20 Hình Mơ hình dòng stator sau bù từ thơng 24 Hình Mơ hình dòng stator sau bù từ thơng 25 Hình Bộ điều khiển dòng isd 26 Hình 10 Đáp ứng bước nhảy đối tượng có điều khiển 27 Hình 11 Bộ điều khiển dòng isq 28 Hình 12 Đáp ứng bước nhảy đối tượng có điều khiển 29 Hình 13 Đáp ứng bước nhảy đối tượng vận tốc có điều khiển 30 Hình 14 Đáp ứng bước nhảy đối tượng từ thơng có điều khiển 31 Hình 15 Khâu dẫn từ thông 31 Hình 16 Bộ điều khiển PI có chống bão hòa tích phân 32 Hình 17 Sơ đồ hệ thống điều khiển động KĐB phương pháp RFOC 33 Hình 18 Đáp ứng với thơng số thiết kế chương 34 Hình 19 Đáp ứng với thơng số tinh chỉnh 35 Hình 20 Đáp ứng động vùng tốc độ cao 36 ii Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT KĐB Không đồng Động không đồng FOC Field Orientated Control Phương pháp điều khiển tựa hướng từ thông BĐK Bộ điều khiển Bộ điều khiển Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Phương pháp FOC (Field Oriented Control) cho động không đồng pha giải pháp hàng đầu hệ thống truyền động đại ngày Nó dần thay hệ truyền động điện dùng động DC với giá thành cao độ tin cậy thấp Cùng với phát triển mạnh mẽ công nghệ bán dẫn kỹ thuật vi xử lý, đặc biệt đời máy tính số với tốc độ xử lý cao, việc thực hệ thống điều khiển với thuật toán phức tạp trở nên dễ dàng, tạo bước nhảy vọt kỹ thuật điều khiển động Điều khiển FOC theo nguyên lý hướng từ trường xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thông momen điều khiển momen tối ưu hai trạng thái độ xác lập Phần mềm Matlab-Simulink sử dụng để mô phỏng, khảo sát phân tích đáp ứng hệ thống điều khiển có tham số khơng đổi Nó cho kết phù hợp với lý thuyết thực tiễn Trong phạm vi đồ án sâu vào tìm hiểu cấu trúc điều khiển FOC thuật tốn điều khiển cho động KĐB xoay chiều pha Được hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo PGS.TS Tạ Cao Minh, mơn Tự động hóa Xí nghiệp công nghiệp, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, em hoàn thành xong đề tài với yêu cầu đề nhiên khơng thể tránh khỏi sai sót, mong thầy cho em đánh giá để em hoàn thiện đồ án cách tốt Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Xuân Tú Chương Tổng quan động điện không đồng xoay chiều ba pha CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA Động KĐB xoay chiều pha máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ rotor khác với tốc độ từ trường quay máy Đông không đồng pha dùng nhiều sản xuất sinh hoạt chế tạo đơn giản, giá thảnh rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao gần khơng cần bảo trì Dải cơng suất rộng từ vài Watt đến 10000hp.Các động từ 5Hp trở lên hầu hết pha động nhỏ 1Hp thường pha 1.1 Cấu tạo động điện KĐB Máy điện không đồng (KĐB) gồm hai phận chủ yếu stator rotor, ngồi có vỏ máy, nắp máy trục máy Hình Động điện KĐB Trục làm thép, gắn rotor, ổ bi phía cuối trục có gắn quạt gió để làm mát máy dọc trục Lõi thép stato Dây quấn stato Nắp máy Ổ bi Trục máy Hộp dầu cực Lõi thép rôto Chương Tổng quan động điện không đồng xoay chiều ba pha Thân máy Quạt gió làm mát 10 Hộp quạt 1.1.1 Stator(phần tĩnh) Stator gồm hai phận lõi thép dây quấn, ngồi có vỏ máy nắp máy Lõi thép stator có dạng hình trụ, từ thép kỹ thuật điện, có dập rãnh bên trong, ghép lại tạo thành rãnh theo hướng trục Lõi thép ép vào vỏ máy Hình Stator động KĐB Dây quấn stator thường làm dây đồng có bọc cách điện đặt rãnh lõi thép Dòng điện xoay chiều ba pha chạy dây quấn ba pha stator tạo nên từ trường quay Vỏ máy gồm có thân nắp, thường làm gang Chương Tổng quan động điện khơng đồng xoay chiều ba pha Hình Vỏ máy động KĐB 1.1.2 Rotor(phần quay) Rotor phần quay gồm lõi thép, dây quấn trục máy Lõi thép rotor gồm thép kỹ thuật điện lấy từ phần bên lõi thép stator ghép lại, mặt dập rãnh để đặt dây quấn, có dập lỗ để lắp trục Trục máy điện khơng đồng làm thép, gắn lõi thép rôto Dây quấn rotor máy điện khơng đồng có hai kiểu : rotor ngắn mạch gọi rotor lồng sóc rotor dây quấn Rotor lồng sóc: gồm đồng nhơm đặt rãnh bị ngắn mạch hai vành ngắn mạch hai đầu Với đồng nhỏ, dây quấn rotor đúc nguyên khối gồm dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt cánh quạt làm mát Các động công suất 100kW dẫn làm đồng đặt vào rãnh rotor gắn chặt vào vành ngắn mạch Hình Rotor động KĐB Chương Tổng quan động điện không đồng xoay chiều ba pha Rotor dây quấn: quấn dây giống dây quấn ba pha stator có số cực từ dây quấn stator Dây quấn kiểu nầy luôn đấu (Y) có ba đầu đấu vào ba vành trượt, gắn vào trục quay rotor cách điện với trục Ba chổi than cố định tỳ vành trượt nầy để dẫn điện vào biến trở nối nằm động để khởi động điều chỉnh tốc độ 1.2 Nguyên lý làm việc động KĐB Khi dòng điện ba pha dây quấn stato → khe hở khơng khí xuất từ trường quay với tốc độ n1  60 f1 Từ trường nầy quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn p mạch đặt lõi sắt rôto, làm cảm ứng dây quấn rôto sđđ E2 Do rơto kín mạch nên dây quấn có dòng điện I2 Từ thơng dòng điện I2 hợp với từ thông stato tạo thành từ thông tổng khe hở Dòng điện dây quấn rơto tác dụng với từ thơng khe hở sinh mơmen Tác dụng có quan hệ mật thiết với tốc độ quay n rôto Trong phạm vi tốc độ khác chế độ làm việc máy khác Sau ta nghiên cứu tác dụng chúng ba phạm vi tốc độ Hệ số trượt s máy Các trường hợp hệ số trượt: n = n1 → s = n=0 →s=1 n > n1 → s < n < → s > (rôto quay ngược chiều từ trường quay)  Roto quay chiều từ trường quay, tốc độ n < n1 (0 < s < 1) Giả thiết chiều quay n1 từ trường khe hở F rơto n hình bên Theo qui tắc bàn tay phải, xác định chiều sđđ E2 I2; Theo qui tắc bàn tay trái, xác định lực Fđt mômen M Ta thấy F chiều quay rôto, điện đưa tới stato, thông qua từ trường biến đổi thành trục làm quay rôto theo chiều từ trường quay n1 → Máy làm việc chế độ động Chương Tổng quan động điện không đồng xoay chiều ba pha  Roto quay chiều từ trường quay, tốc độ n > n1 (s < 0) Dùng động sơ cấp quay rôto máy điện không đồng vượt tốc độ đồng n > n1 Chiều từ trường quay quét qua dây quấn rôto ngược lại, sức điện động dòng điện dây quấn rôto đổi chiều nên mômen M ngược chiều n1, nghĩa ngược chiều rơto, nên mơmen hãm Máy biến tác dụng lên trục động điện, động sơ cấp kéo thành điện cung cấp cho lưới điện, nghĩa máy điện làm việc chế độ máy phát điện  Roto quay ngược chiều từ trường quay, tốc độ n < (s > 1) Vì ngun nhân mà rôto máy điện quay ngược chiều từ trường quay, lúc chiều sđđ, dòng điện mơmen giống chế độ động điện Vì mơmen sinh ngược chiều quay với rơto nên có tác dụng hãm rôto lại Trong trường hợp này, máy vừa lấy điện lưới điện vào, vừa lấy từ động sơ cấp Chế độ làm việc gọi chế độ hãm điện từ 1.3 Phân loại động KĐB  Phân theo kết cấu vỏ máy + Kiểu kín + Kiểu bảo vệ + Kiểu hở  Phân theo số pha + Một pha + Hai pha + Ba pha  Phân theo kiểu dây quấn rơto + Khơng đồng rơto lồng sóc + Không đồng rôto dây quấn Chương Điều khiển động không đồng phương pháp FOC Hình Mơ hình dòng stator sau bù từ thơng  Mơ hình dòng i sq di sq 1 1  si sd  (  )i sq   'rd  u dt  Ts  Ts   Ls sq Coi thành phần isd nhiễu Thành phần từ thơng có tác động đến thành phần dòng isq Vì thiết kế bù từ thơng triệt tiêu ảnh hưởng Mơ hình dòng isq sau bù từ thơng 24 Chương Điều khiển động không đồng phương pháp FOC Hình Mơ hình dòng stator sau bù từ thơng 3.6.3 Thiết kế điều khiển dòng điện  Bộ điều khiển dòng điện mạch vòng dòng Sau bù từ thơng, mơ hình dòng điện isd isd sau: disd 1  (  )isd  u dt  Ts  Tr  Ls sd Laplace vế phương trình được: sI sd    1 I sd  U T  Ls sd I sd 1 T   U sd  Ls s   Ls (1  sT ) T  Hàm truyền đối tượng dòng điện Si  Knl T  Ls (1  sT )  Tnl s 25 Chương Điều khiển động không đồng phương pháp FOC Đối tượng khâu quán tính bậc nên ta sử dụng điều khiển PI Sơ đồ điều khiển mạch vòng dòng điện isd Hình Bộ điều khiển dòng isd Coi trễ thiết bị Knl=1 Đối tượng điều khiển có hàm truyền Si  T T K với k     Ls  Ls (1  sT )  Tnl s (1  sT )(1  Tnl s) Si khâu PT2 nên thiết kế BĐK PI theo phương pháp tối ưu module PI: Kp  Tnl ; T T 2kT i nl TÍnh tốn ta K p  0.3; Ti  0.001 Đáp ứng đối tượng với tín hiệu dạng bước nhảy 26 Chương Điều khiển động không đồng phương pháp FOC Hình 10 Đáp ứng bước nhảy đối tượng có điều khiển  Bộ điều khiển dòng điện mạch vòng dòng Sau bù từ thơng, mơ hình dòng điện isq isq sau: disq 1  (  )isq  u dt  Ts  Tr  Ls sq Laplace vế phương trình được: sI sq    1 I sq  U T  Ls sq I sq 1 T   U sq  Ls s   Ls (1  sT ) T  Hàm truyền đối tượng dòng điện 27 isq Chương Điều khiển động không đồng phương pháp FOC Siq  Knl T  Ls (1  sT )  Tnl s Đối tượng khâu quán tính bậc nên ta sử dụng điều khiển PI Sơ đồ điều khiển mạch vòng dòng điện isq Hình 11 Bộ điều khiển dòng isq Coi trễ thiết bị Knl = Đối tượng điều khiển có hàm truyền Siq  T T K với k     Ls  Ls (1  sT )  Tnl s (1  sT )(1  Tnl s) Si khâu PT2 nên thiết kế BĐK PI theo phương pháp tối ưu module PI: Kp  Tnl ; T T 2kT i nl Tính tốn ta K p  0.3; Ti  0.001 Đáp ứng đối tượng với tín hiệu dạng bước nhảy 28 Chương Điều khiển động khơng đồng phương pháp FOC Hình 12 Đáp ứng bước nhảy đối tượng có điều khiển 3.4.4 Thiết kế điều khiển tốc độ Coi vòng điều khiển dòng khâu PT1 với hàm truyền: Gki  với Tis  0.005  Tis s Hàm truyền đối tượng vận tốc: Gw  K với K   Js(1  Tis s) s(1  Tis s) J Thiết kế điều khiển PI theo tiêu chuẩn tối ưu tối xứng:  Chọn a =  Ti  aTis  0.045; K p   0.111 KTi a 29 Chương Điều khiển động khơng đồng phương pháp FOC Hình 13 Đáp ứng bước nhảy đối tượng vận tốc có điều khiển 3.4.5 Thiết kế điều khiển từ thông Từ công thức  rd   Lm i  sTr sd  'rd  i  sTr sd Đối tượng từ thông G  1  sTis  sTr Thiết kế BĐK PI theo chuẩn tối ưu module Ti  Tr  0.1123; K p  Tr  11.23 với k = 2kTis 30 Chương Điều khiển động không đồng phương pháp FOC Hình 14 Đáp ứng bước nhảy đối tượng từ thơng có điều khiển 3.4.6 Khâu dẫn từ thông Khi điều khiển động vùng tốc độ dải tốc độ định mức, từ thông giữ không đổi từ thông định mức Khi điều khiển động vùng tốc độ dải tốc độ định mức, từ thông suy giảm với tỷ lệ      * dm Hình 15 Khâu dẫn từ thơng 31 Chương Điều khiển động không đồng phương pháp FOC 3.4.7 Chống bão hòa tích phân Do tính khả thi thực thiết bị, tín hiệu bị giới hạn Do gặp phải tượng bão hòa tích phân thành phần I BĐK Giải pháp đề thiết kế phần chống bão hòa tích phân Hình 16 Bộ điều khiển PI có chống bão hòa tích phân 32 Chương Mô hoạt động hệ truyền động CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG Sơ đồ Matlab-Simulink hệ thống điều khiển động KĐB pha phương pháp RFOC Hình 17 Sơ đồ hệ thống điều khiển động KĐB phương pháp RFOC Kết mô với điều khiển thiết kế chương Tham số động cơ: - Hiệu điện định mức : U dm - Công suất định mức : - Số cặp cực :  200V , f  50 Hz P  2.2kW zp  - Tốc độ quay định mức :   1430r / - Điện trở stator : Rs  0.877 - Điện trở rotor : Rr  1.47 - Điện cảm stator rotor : Ls  Lr  165.142mH 33 Chương Mô hoạt động hệ truyền động - Điện cảm tượng hỗ : Lm  160.8mH - Mơ men qn tính : J  0.015kg.m2  Với thơng số: Hình 18 Đáp ứng với thông số thiết kế chương  Tiến hành hiệu chỉnh tham số điều khiển công cụ PID Tuning Matlab-Simulink để dạng đáp ứng tốt Sau hiệu chỉnh với tham số kết 34 Chương Mô hoạt động hệ truyền động Hình 19 Đáp ứng với thông số tinh chỉnh Giá trị đầu thu M  M load  14.7 Nm I sd  6.2 A I sq  5.05 A   80 rad / s Te  14.7 35 Chương Mô hoạt động hệ truyền động  Ở vùng tốc độ bản: Hình 20 Đáp ứng động vùng tốc độ cao Với thông số I sd  5.83 A I sq  3.65 A   160 rad / s Te  10 Nm 36 Kết luận KẾT LUẬN Qua kì làm đồ án vừa qua chúng em củng cố, bổ sung thêm kiến thức lĩnh vực điều khiển truyền động điện, hành trang cần thiết cho người kĩ sư điều khiển tự động hóa sau Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới người thầy giáo đáng kính, thầy Tạ Cao Minh giúp đỡ, bảo trình làm đồ án để em có kết ngày hơm Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Xuân Tú 37 Phụ lục PHỤ LỤC Tài liệu tham khảo Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich(2002), Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học kỹ thuật Nguyễn Doãn Phước (2009), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học kỹ thuật 38 ... tài với yêu cầu đề nhiên khơng thể tránh khỏi sai sót, mong thầy cho em đánh giá để em hồn thiện đồ án cách tốt Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Xuân... hai vành ngắn mạch hai đầu Với đồng nhỏ, dây quấn rotor đúc nguyên khối gồm dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt cánh quạt làm mát Các động công suất 100kW dẫn làm đồng đặt vào rãnh rotor gắn chặt... lý biến tần Vậy báo cáo này, sâu vào tìm hiểu thuật tốn điều khiển FOC, khơng sâu vào phương pháp phát xung điều khiển 19 Chương Điều khiển động không đồng phương pháp FOC 3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ