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

Trưởng bộ môn : PGS.TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Tạ Cao Minh Sinh viên thực hiện : Nguyễn Xuân Tú

Hà nội, 1-2018

Mục lục

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iii

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA 5

1.1 Cấu tạo động cơ điện KĐB 5

1.1.1 Stator(phần tĩnh) 6

1.1.2 Rotor(phần quay) 7

1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB 8

1.3 Phân loại động cơ KĐB 9

1.4 Các đại lượng định mức của động cơ KĐB 10

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA 11

2.1 Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ 11

2.2 Phép chuyển hệ tọa độ giữa abc và dq 12

2.3 Xây dựng mô hình toán học của động cơ trên hệ trục tọa độ d-q 13

2.4 Tính toán thông số động cơ 17

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC 19

3.1 Ý tưởng của phương pháp 19

3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển vecto động cơ KĐB 20

3.3 Phương pháp điều khiển 20

3.4 Thiết kế các bộ điều khiển 22

3.4.1 Cấu trúc điều khiển vector gián tiếp 23

3.4.2 Thiết kế bộ bù từ thông 23

3.6.3 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện 25

3.4.4 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ 29

3.4.5 Thiết kế bộ 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 1 Động cơ điện KĐB 5

Hình 2 Stator động cơ KĐB 6

Hình 3 Vỏ máy động cơ KĐB 7

Hình 4 Rotor động cơ KĐB 7

Hình 5 Mô hình toán học động cơ KĐ trên hệ trục tọa độ dq 17

Hình 6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển 20

Hình 7 Mô hình dòng stator sau khi bù từ thông 24

Hình 8 Mô hình dòng stator sau khi bù từ thông 25

Hình 9 Bộ điều khiển dòng isd 26

Hình 10 Đáp ứng bước nhảy của đối tượng khi có bộ điều khiển 27

Hình 11 Bộ điều khiển dòng isq 28

Hình 12 Đáp ứng bước nhảy của đối tượng khi có bộ điều khiển 29

Hình 13 Đáp ứng bước nhảy của đối tượng vận tốc khi có bộ điều khiển 30

Hình 14 Đáp ứng bước nhảy của đối tượng từ thông khi có bộ 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 cơ KĐB bằng phương pháp RFOC 33

Hình 18 Đáp ứng với các thông số thiết kế ở chương 3 34

Hình 19 Đáp ứng với các thông số đã được tinh chỉnh 35

Hình 20 Đáp ứng của động cơ ở vùng tốc độ cao 36

Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

FOC Field Orientated Control Phương pháp điều khiển tựa hướng

từ thông

Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU

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

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 5 tháng 1 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Xuân Tú

Chương 1 Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG

ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA

Động cơ KĐB xoay chiều 3 pha là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ của rotor khác với tốc độ từ trường quay trong máy

Đông cơ không đồng bộ 3 pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì chế tạo đơn giản, giá thảnh rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao và gần như không cần bảo trì Dải công suất rất rộng từ vài Watt đến 10000hp.Các động cơ từ 5Hp trở lên hầu hết là 3 pha còn động cơ nhỏ hơn 1Hp thường 1 pha

1.1 Cấu tạo động cơ điện KĐB

Máy điện không đồng bộ (KĐB) gồm hai bộ phận chủ yếu là stator và rotor, ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy và trục máy

Chương 1 Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha

Vỏ máy gồm có thân và nắp, thường làm bằng gang

Chương 1 Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha

Hình 3 Vỏ máy động cơ KĐB

1.1.2 Rotor(phần quay)

Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy

Lõi thép rotor gồm các lá thép kỹ thuật điện được lấy từ phần bên trong của lõi thép stator ghép lại, mặt ngoài dập rãnh để đặt dây quấn, ở giữa có dập lỗ để lắp trục

Trục của máy điện không đồng bộ làm bằng thép, trên đó gắn lõi thép rôto

Dây quấn rotor của máy điện không đồng bộ có hai kiểu : rotor ngắn mạch còn gọi

là rotor lồng sóc và rotor dây quấn

Rotor lồng sóc: gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn

mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu Với đồng cơ nhỏ, dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát Các động cơ công suất trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rotor và gắn chặt vào vành ngắn mạch

Hình 4 Rotor động cơ KĐB

Chương 1 Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha

Rotor dây quấn: được quấn dây giống như dây quấn ba pha stator và có cùng số

cực từ như dây quấn stator

Dây quấn kiểu nầy luôn luôn đấu sao (Y) và có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt, gắn vào trục quay của rotor và cách điện với trục

Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt nầy để dẫn điện vào một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ

1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB

Khi dòng điện ba pha trong dây quấn stato → trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ 1

Hệ số trượt s của máy

Các trường hợp hệ số trượt:

n = n1 → s = 0

n = 0 → s = 1

n > n1 → s < 0

n < 0 → s > 1 (rôto quay ngược chiều từ trường quay)

 Roto quay cùng chiều từ trường quay, tốc độ n < n1 (0 < s < 1)

Giả thiết về chiều quay n1 của từ trường khe hở F

và của rôto n như hình bên

Theo qui tắc bàn tay phải, xác định được chiều

sđđ E2 và I2;

Theo qui tắc bàn tay trái, xác định được lực Fđt

và mômen M

Ta thấy F cùng chiều quay của rôto, điện năng

đưa tới stato, thông qua từ trường đã biến đổi thành

cơ năng trên trục làm quay rôto theo chiều từ

trường quay n1 → Máy làm việc ở chế độ động cơ

Chương 1 Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha

 Roto quay cùng chiều từ trường quay, tốc độ n > n1 (s < 0)

Dùng động cơ sơ cấp quay rôto của máy điện không

đồng bộ vượt tốc độ đồng bộ n > n1

Chiều của từ trường quay quét qua dây quấn rôto

ngược lại, sức điện động và dòng điện trong dây quấn

rôto đổi chiều nên mômen M ngược chiều của n1, nghĩa

là ngược chiều của rôto, nên đó là mômen hãm

Máy đã biến cơ năng tác dụng lên trục động cơ điện,

do động cơ sơ cấp kéo thành điện năng cung cấp cho

lưới điện, nghĩa là máy điện làm việc ở chế độ máy phát

điện

 Roto quay ngược chiều từ trường quay, tốc

độ n < 0 (s > 1)

Vì nguyên nhân nào đó mà rôto của máy điện quay

ngược chiều từ trường quay, lúc này chiều sđđ, dòng

điện và mômen giống như ở chế độ động cơ điện Vì

mômen sinh ra ngược chiều quay với rôto nên có tác

dụng hãm rôto lại

Trong trường hợp này, máy vừa lấy điện năng ở

lưới điện vào, vừa lấy cơ năng từ động cơ sơ cấp

Chế độ làm việc như vậy gọi là chế độ hãm điện từ

1.3 Phân loại động cơ KĐB

 Phân theo kết cấu vỏ máy

Chương 1 Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha

1.4 Các đại lượng định mức của động cơ KĐB

Các trị số định mức do nhà máy thiết kế, chế tạo qui định và được ghi trên nhãn máy

Vì máy điện không đồng bộ chủ yếu dùng làm động cơ điện nên trên nhãn máy ghi các trị

số định mức của động cơ như sau :

6 Hệ số công suất định mức cos  đm

Đối với động cơ điện không đồng bộ, công suất định mức là công suất trên đầu trục động cơ Còn động cơ ba pha, điện áp và dòng điện ghi trên nhãn máy là điện áp và dòng điện dây tương ứng với cách đấu hình sao (Y) hay đấu hình tam giác (Δ)

Chương 2 Mô hình hóa động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG

BỘ XOAY CHIỀU BA PHA

2.1 Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ

Động cơ KĐB xoay chiều 3 pha có stator được xây dựng bởi ba pha dây cuốn đặt lệch nhau một góc 120 trong không gian Các cuộn dây được phân bố rải trong không gian và đối xứng nhau Động cơ KĐB được mô tả bởi một hệ phương trình vi phân bậc cao Để có thể tìm được mô hình đối tượng cho phép thực hiện dễ dàng công việc thiết kế các thuật toán, ta sẽ phải chấp nhận các giả định gần đúng sau: thành phần điện cảm L, điện trở R là các tham số không đổi, cuộn dây ba pha được bố trí đối xứng, khe hở không khí giữa stator và rotor là tròn đều

Các đại lượng điện và từ thông được mô tả dưới dạng vector với các thành phần thực Tại đây có một vài quy ước như sau:

 Chỉ số viết bên phải, trên cao:

f đại lượng mô tả trên hệ tọa độ tựa theo từ thông(hệ tọa độ dq quay

đồng bộ với vector từ thông

s đại lượng mô tả trên hệ tọa độ  cố định với stator

r đại lượng mô tả trên hệ tọa độ cố định với rotor

* đại lượng đặt

 Chỉ số viết bên phải, phía dưới:

Chữ cái thứ nhất: s đại lượng mạch stator

r đại lượng mạch rotor Chữ cái thứ hai: d,q các thành phần thuộc hệ tọa độ dq

,

  các thành phần thuộc hệ tọa độ 

 Các đại lượng viết đậm: vector, ma trận

Các phương trình cơ bản của động cơ KĐB

 Phương trình điện áp stator (trên hệ thống cuộn dây stator)

us = Rsis +

s s d dt



Chương 2 Mô hình hóa động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

M: mô men của động cơ

ML: mô men của tải J: mô men quán tính của động cơ

 : tốc độ quay của rotor

p: số cặp cực của động cơ

2.2 Phép chuyển hệ tọa độ giữa abc và dq

Để thuận lợi cho việc điều khiển động cơ KĐB cũng như phân tích phương pháp điều

khiển động cơ ta sử dụng phép chuyển hệ tọa độ từ hệ tọa độ tĩnh abc sang hệ tọa độ quay dq và có chung gốc tọa độ, phép chuyển tọa độ này được gọi là phép chuyển Park

trong đó các đại lượng điện áp, dòng điện, từ thông stator được biểu diễn trong hệ tọa độ

dq quay theo góc s quanh hệ tọa độ cố định abc

Chương 2 Mô hình hóa động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Đại lượng điện áp stator trên hệ tọa độ abc chuyển sang hệ tọa độ dq

U U

U U

Phép chuyển tọa độ này cũng thực hiện được với dòng điện và từ thông với góc s là

góc lệch giữa hệ tọa độ dq và abc Ngược lại ta muốn chuyển hệ tọa độ dq về hệ tọa độ

abc ta dùng công thức sau:

U

U U

U U

2.3 Xây dựng mô hình toán học của động cơ trên hệ trục tọa độ d-q

Trong việc xây dựng các phuong trình toán học nhằm mô tả những đặc điểm của động cơ không đồng bộ phải thể hiện được đặc điểm của động cơ, việc xây dựng các mô hình dựa trên phương trình toán học nhằm phục vụ cho việc tạo ra các thuật toán điều khiển với sai lệch nằm trong phạm vi cho phép, các sai lệch này sẽ được loại trừ bằng các phương pháp điều chỉnh

Ta hình dung ra một hệ tọa độ mới quay với tốc độ góc k Việc chuyển đổi các đại lượng giữa hệ tọa độ mới và hệ tọa độ của hệ thống cuộn dây đang xét được thực hiện như sau :

a) Phương trình điện áp stator

Chương 2 Mô hình hóa động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Thay các đại lượng mới chuyển vào phương trình ở phần 2.1 ta sẽ thu đuộc

phương trình điện áp stator mới trên hệ tọa độ quay với tốc độ góc k

Phương trình trên là phương trình điện áp stator trên hệ tọa độ dq

Hệ tọa độ này được chọn sao cho trục thực d của hệ trùng với trục của từ thông rotor Trong hệ tọa độ này, thành phần vuông góc q của từ thông rotor bằng không Hệ được gọi là hệ tọa độ dq

b) Phương trình điện áp rotor

Việc áp dụng công thức chuyển hệ tọa độ được thực hiện giống như phía stator

r k

d

j dt

Phương trình trên biểu diễn trên hệ tọa độ tựa hướng từ thông rotor :

    k  s   r : hệ tọa độ mới chuyển động tương đối so với rotor với tốc độ góc r ( do là hệ tọa độ dq quay với tốc độ s so với hệ tọa độ đứng yên ; rotor quay với tốc độ  so với hệ tọa độ đứng yên) Hệ quay vượt trước

Chương 2 Mô hình hóa động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

rotor một khoảng tần số trượt r và vì vậy sẽ trùng với hệ tọa độ tựa hướng

từ thông rotor Sau khi thay r vào phương trình trên ta thu được

Phương trình trên là phương trình điện áp rotor trên hệ tọa độ dq

Đến đây ta đã hoàn thành việc chuyển hai phương trình điện áp stator và rotor từ

các hệ thống cuộn dây ba pha sang hai hệ tọa độ dq và  Các phương trình đó chính là điểm xuất phát để xây dựng mô hình trạng thái liên tục của động cơ KĐB

trên hệ tọa độ dq và 

Mô hình toán học của động cơ KĐB trên hệ tọa độ dq

Hai phương trình stator và rotor trên hệ tọa độ dq được tập hợp trong hệ phương

j dt

 ; s s

s

L T

Chương 2 Mô hình hóa động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Chiếu hệ phương trình lên các trục d và q ta thu được hệ phương trình sau :

Chương 2 Mô hình hóa động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Hình 5 Mô hình toán học động cơ KĐ trên hệ trục tọa độ dq

2.4 Tính toán thông số động cơ

Chương 2 Mô hình hóa động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

dm sq

sd

m p r

M

i i

L z L

sq rN

Ở dải tốc độ    (  n; n) điều khiển    dm  0.997 ( Vs )

Ở dải tốc độ ngoài dải định mức, điều khiển  suy giảm theo tỷ lệ 1

Chương 3 Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB BẰNG

PHƯƠNG PHÁP FOC

3.1 Ý tưởng của phương pháp

Nhìn vào mối quan hệ giữa từ thông, mô men điện từ, dòng isd và isq , ta có nhận xét như sau: với động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập thì mô men điện từ của động cơ được điều khiển bởi dòng phần ứng mM  k1ktI Từ thông của động cơ được điều khiển bởi dòng kích từ do

2

kt k ikt

  Như vậy việc điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập là việc điều khiển hai thành phần dòng kích từ và dòng phần ứng là ta có thể điều khiển được từ thông và mô men quay của động cơ một chiều kích từ độc lập

Ở hệ phương trình của mô hình toán học của động cơ KĐB trên hệ tọa độ dq, ta có

sự tượng quan giữa từ thông rô to rd và mô men điện từ M của động cơ KĐB được điều khiển bởi 2 thành phần isd và isq Như vậy coi việc điều khiển từ thông rô to và điều khiển mô men của động cơ KĐB là độc lập và nếu xét trên hệ tọa độ dq thì đó là hai thành phần một chiều Vậy việc điều khiển gần như độc lập( thực tế có sự tương tác) hai thành phần dòng isd và isq để điều khiển tốc độ động cơ KĐB trên hệ tọa độ véc tơ

quay dq được gọi là phương pháp điều khiển véc tơ FOC – Field Oriented Control

Việc thực hiện phương pháp điều khiển này trên thực tế là nền tảng vi xử lý và biến tần Vậy trong bài báo cáo này, chỉ đi sâu vào tìm hiểu thuật toán điều khiển FOC, không

đi sâu vào phương pháp phát xung điều khiển