điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC) động cơ không đồng bộ ba pha và điều khiển RFOC động cơ không đồng bộ ba pha

Đề tài có thể được ứng dụng thực tiễn trong điều khiển công nghiệp đối với động cơ không đồng bộ ba pha. Đề tài có thể dùng như một tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu về điều khiển kỹ thuật định hướng từ thông rotor (RFOC) không dùng cảm biến tốc độ cho học viên cao học và sinh viên trong quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp với những đề tài có liên quan cũng như cách thức thiết kế và mô hình hóa các bộ điều khiển trong Simulink và Control System Toolbox của Matlab.

Chương 1 – Tổng quan về đề tài

Điều khiển tốc độ động cơ AC được ứng dụng từ những năm 1990 và ngày càng chiếm vị trí nhiều hơn điều khiển tốc độ động cơ DC

Ngày nay cùng với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất và các bộ

vi xử lý thì việc điều khiển động cơ không đồng bộ trở nên dễ dàng hơn Vì vậy các

hệ truyền động hiện nay chủ yếu vẫn sử dụng động cơ không đồng bộ làm cơ cấu chấp hành

Tùy theo các ứng dụng cụ thể, việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể được chia thành hai cấp:

1.1.2 Điều khiển cấp cao

Đáp ứng các truyền động cần độ chính xác cao Trong việc điều khiển động cơ cần độ chính xác cao, ta có ba cách tiếp cận:

1.1.2.1 Điều khiển động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp

Người thiết kế, chế tạo sử dụng các phương pháp điều khiển từ cổ điển (phương pháp điều khiển vô hướng V/f = const) đến hiện đại (phương pháp điều

khiển vector không gian - space vector control) để thay đổi tần số nguồn cấp nhằm đạt mục đích điều khiển mong muốn

Kỹ thuật điều khiển vector không gian được sử dụng để điều khiển động cơ,

có hai phương pháp chính:

+ Điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control) bao gồm: phương pháp điều khiển vector trực tiếp (Direct Vector Control) và phương pháp điều khiển vector gián tiếp (Indirect Vector Control)

+ Điều khiển trực tiếp moment động cơ: DSC (Direct Self Control) và DTC (Direct Torque Control)

Các phương pháp điều khiển động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp được tóm tắt trong Hình 1.1

Hình 1.1 Các phương pháp điều khiển động cơ không động bộ ba pha

Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) được tìm hiểu sâu trong

Chương 1 – Tổng quan về đề tài

1.1.2.2 Điều khiển động cơ bằng cách tác động n h nh toán h c

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết điều khiển tự động,

kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ cũng thay đổi nhanh chóng Trong lý thuyết điều khiển hiện đại, động cơ không đồng bộ ba pha được xem là một đối tượng phi tuyến (vì mô hình toán học của động cơ không đồng bộ được mô tả bằng các phương trình vi phân bậc cao) Để điều khiển động cơ một cách chính xác, ta phải áp dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến như: điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa (Feedback Linearization Control - FLC), điều khiển trượt (sliding mode control - SMC), điều khiển thụ động (passive control), điều khiển thích nghi (adaptive control)…để tác động lên mô hình toán học của động cơ

Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor được sử dụng để tiếp cận mô hình toán học của động cơ Mục đích chính của phương pháp này là tiến hành điều khiển độc lập từ thông và moment động cơ

1.1.2.3 Điều khiển động cơ bằng các phương pháp điều khiển th ng inh

Đây là cách tiếp cận dựa trên các phương pháp của trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence) như mạng nơron (neural netwotk) hoặc logic mờ (fuzzy logic) để thực hiện một hoặc vài khâu nào đó trong quá trình điều khiển động cơ (được gọi là điều khiển thông minh) Cách tiếp cận này không sử dụng mô hình toán học của động cơ

vì người thiết kế sẽ sử dụng kiến thức và kinh nghiệm có sẵn (của chuyên gia) để huấn luyện các khâu điều khiển

u điểm của phương pháp này là không sử dụng mô hình toán học của động

cơ mà ch cần tri thức và kinh nghiệm của chuyên gia để huấn luyện luật điều khiển, không cần biết cấu trúc bên trong của khâu điều khiển, ch cần biết tín hiệu vào - ra (I/O) nên phương pháp này phù hợp với các khâu điều khiển phức tạp, không thể phân tích cấu trúc điều khiển (qui tắc “hộp đen”)

1.1.3 Vai trò của động cơ kh ng đồng bộ

Động cơ không đồng bộ được ứng dụng trong các hệ truyền động trong băng chuyền, băng tải, máy nạp liệu, máy nghiền, máy khử từ, các ứng dụng dân dụng như máy giặt, tủ lạnh, máy điều hòa, quạt điện,…

Những ưu điểm được biết đến của động cơ không đồng bộ 3 pha như:

 Cấu tạo đơn giản

 Làm việc tin cậy

 Khởi động đơn giản

 Chi phí cho bảo trì bảo dưỡng thấp nhất so với các loại động cơ khác

Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ ba pha, các khâu điều khiển RFOC, khâu điều ch nh PID và mô hình ước lượng tốc độ

Mô phỏng, phân tích kết quả bằng phần mềm Matlab Simulink

Kết luận và đánh giá

1.4 TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC THỰC HIỆN

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 2: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Chương 3: Các phương pháp điều khiển động cơ động cơ KĐB ba pha

Chương 4: Hệ truyền động điều khiển độ động cơ KĐB ba pha bằng định hướng trường FOC

Chương 5: ớc lượng tốc độ động cơ trong RFOC

Chương 6: Kết quả mô phỏng

Chương 7: Kết luận

Chương 1 – Tổng quan về đề tài

1.5 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài có thể được ứng dụng thực tiễn trong điều khiển công nghiệp đối với động cơ không đồng bộ ba pha

Đề tài có thể dùng như một tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu về điều khiển kỹ thuật định hướng từ thông rotor (RFOC) không dùng cảm biến tốc độ cho học viên cao học và sinh viên trong quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp với những đề tài có liên quan cũng như cách thức thiết kế và mô hình hóa các bộ điều khiển trong Simulink và Control System Toolbox của Matlab

Chương 2

MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

2.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

2.1.1 Cấu tạo

Động cơ không đồng bộ ba pha có cấu tạo gồm hai phần: phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor)

2.1.1.1 Stator Gồm các bộ phận: lõi thép, dây quấn và vỏ máy

- Lõi thép stator có dạng hình vành khuyên xem Hình 2.1a, được ghép bằng

các lá thép kỹ thuật điện có hình dạng như Hình 2.1b Mặt trong của lõi thép có các rãnh để đặt dây quấn xem Hình 2.1c

Hình 2.1 (a) lõi thép stator; (b) lá thép; (c) rãnh chứa dây quấn

Rãnh có các dạng: rãnh kín, là rãnh không có miệng; rãnh hở, là rãnh có miệng và đáy bằng nhau; rãnh nửa hở, là rãnh có miệng bằng ½ đáy; rãnh nửa kín,

là rãnh có miệng nhỏ hơn đáy Có 2 dạng rãnh nửa kín phổ biến là rãnh hình thang

và rãnh quả lê xem Hình 2.2

Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Rãnh kín

Rãnh hình thang

Rãnh nửa hở

Rãnh quả lê Rãnh hở

Hình 2.2 Rãnh ở mặt trong stator

- Dây quấn stator thường là dây đồng có tiết diện tròn hoặc chữ nhật và được

bọc cách điện Dây quấn được đặt trong các rãnh của lõi thép stator Dây quấn stator của động cơ không đồng bộ ba pha gồm ba cuộn dây giống nhau, có vị trí lệch nhau góc không gian 120o điện như Hình 2.3

Pha U

Pha V

Pha W

Hình 2.3 (a) sơ đồ bố trí ba cuộn dây stator, (b) dây quấn ba pha đặt trong rãnh

- Vỏ máy có chức năng bảo vệ máy và làm giá lắp các bộ phận khác của máy

Vỏ máy có thể làm bẳng thép đúc, hoặc nhôm xem Hình 2.4 Vỏ gồm thân và hai nắp Thân vỏ để chứa lõi thép Mặt ngoài thân có các gờ tản nhiệt, có các lỗ để lắp vòng treo, bảng đấu dây và đế máy Hai nắp của thân dùng để che phần đầu nối của dây quấn và là giá chứa hai ổ trục của rotor

a) b)

Hình 2.4 (a) vỏ máy; (b) các phụ kiện 2.1.1.2 Rotor Gồm cĩ các bộ phận: lõi thép, trục và dây quấn

- Lõi thép rotor được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện cĩ dạng như Hình

2.5 Mặt ngồi cĩ các rãnh để đặt dây quấn rotor; ở giữa cĩ lỗ để lắp trục rotor

Rãnh

đặt dây quấn

Lỗ lắp trục

Hình 2.5 Lõi thép rotor

- Trục rotor làm bằng thép, trục thường được cố định với lõi thép theo kiểu

then hoa

- Dây quấn của động cơ khơng đồng bộ cĩ 2 kiểu: kiểu rotor lồng sĩc và kiểu

rotor quấn dây

- Rotor lồng sĩc (rotor ngắn mạch): trong mỗi rãnh của lõi thép rotor đặt một

thanh dẫn bằng đồng hoặc nhơm, đầu các thanh dẫn nối vào hai vành bằng đồng hoặc nhơm gọi là hai vành ngắn mạch Hệ thống các thanh dẫn và hai vành ngắn mạch như Hình 2.6 Các thanh dẫn rotor lồng sĩc thường được bố trí nghiêng một

Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

bước rãnh nhằm giảm ảnh hưởng của moment phụ (hiện diện ở tốc độ dưới tốc độ đồng bộ) cũng như giảm thiểu tiếng ồn và làm rung động khi động cơ làm việc

Hệ thống thanh dẫn – vành ngắn mạch Rotor lồng sóc

Hình 2.6 Rotor lồng sóc

- Rotor quấn dây: trong các rãnh của lõi thép rotor đặt dây quấn ba pha giống

như dây quấn stator Dây quấn này thường nối sao, ba đầu dây ra của dây quấn nối với ba vành bằng đồng (gọi là vành trượt) gắn cố định trên trục rotor xem Hình 2.7a Các vành trượt được cách điện với trục rotor Tỳ trên ba vành trượt là ba chổi than gắn cố định trên giá như Hình 2.7b Ba chổi than nối với ba biến trở dùng để

mở máy và điều ch nh tốc độ động cơ xem Hình 2.7c

Hình 2.7 (a) rotor dây quấn; (b) hệ thống vành trượt, chổi than của động cơ;

(c) điều khiển động cơ rotor dây quấn bằng biến trở

2.1.1.3 Khe hở kh ng khí

Là khoảng hở giữa rotor và stator động cơ không đồng bộ, khe hở này rất nhỏ (từ 0,2 đến 1 mm) trong máy công suất nhỏ và vừa Mô hình hoàn ch nh của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc như Hình 2.8

Hình 2.8 Mặt cắt dọc của động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

So sánh động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc và rotor dây quấn:

– Động cơ rotor lồng sóc có cấu tạo bền chắc, nên rất phổ biến

– Động cơ rotor quấn dây có ưu điểm về mở máy và điều ch nh tốc độ nhưng cấu tạo phức tạp, dễ có sự cố, nên ch được dùng trong những ứng dụng mà

rotor lồng sóc không đáp ứng được

2.1.2 Nguy n ý hoạt động của động cơ kh ng đồng bộ ba pha

Xét stator động cơ không đồng bộ ba pha đơn giản có 6 rãnh, trên stator được

bố trí ba cuộn dây AX, BY và CZ

Khi nối dây quấn stator vào nguồn điện 3 pha tần số f, trong dây quấn stator sẽ

có hệ thống dòng điện 3 pha (isa, isb, isc), dây quấn stator sẽ sinh ra từ trường quay (như hình 2.9) với tốc độ:

p

f

.60

(vòng/phút)

Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Hình 2.9 Từ trường quay stator và sự hình thành các cực từ

Từ trường quay quét qua dây quấn rotor cảm ứng trong dây quấn rotor sức điện động cảm ứng e2 Do dây quấn rotor nối ngắn mạch, nên e2 tạo ra dòng điện i2chảy trong các thanh dẫn rotor (chiều của i2 xác định theo qui tắc bàn tay phải như hình 2.9) Dòng điện i2 cũng tạo ra từ trường quay với tốc độ n1 cùng chiều với từ trường stator Từ trường trong khe hở không khí của máy là tổng từ trường do dòng điện stator và dòng điện rotor tạo ra và cũng là từ trường quay với tốc độ n1 Từ trường khe hở không khí sẽ tác dụng lên dòng điện i2 lực F (chiều của F xác định theo qui tắc bàn tay trái như hình 2.9) Do tác dụng của F, rotor sẽ quay cùng chiều

từ trường với tốc độ n nhỏ hơn tốc độ n1 Hiệu số giữa tốc độ từ trường và tốc độ rotor gọi là tốc độ trượt (n2):

Tỷ số:

s =

1 1 1

2

n

n n n

là hệ số trượt của động cơ

Hình 2.10 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha

2.2 VECTOR KHÔNG GIAN CỦA CÁC ĐẠI LƢỢNG BA PHA

Có nhiều loại mô hình động cơ không đồng bộ Loại mô hình được sử dụng để điều khiển vector có thể đạt được bằng cách vận dụng lý thuyết vector không gian Các thông số của động cơ ba pha (như điện áp, dòng điện, từ thông ) được biểu diễn dưới dạng các vector không gian phức Một mô hình động cơ đúng dành cho bất kỳ sự biến thiên tức thời nào của dòng điện và điện áp đồng thời thỏa mãn việc

mô tả động cơ ở cả hai trạng thái tĩnh và quá độ Vector không gian phức có thể được mô tả bằng cách sử dụng hệ trục tọa độ trực giao Động cơ ba pha có thể được xem là máy điện hai pha Việc sử dụng mô hình động cơ hai pha giúp giảm bớt số lượng các biểu thức toán học và đơn giản hóa kỹ thuật điều khiển

Động cơ không đồng bộ ba pha đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bố trí không gian tổng quát như hình 2.11

Trong hình trên, ta không quan tâm đến động cơ đấu hình sao hay tam giác

Ba dòng điện isa, isb, isc là ba dòng chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ Khi động

cơ chạy bằng biến tần thì đó là ba dòng ở đầu ra của biến tần

Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Động cơ không đồng bộ 3 pha có 3 cuộn dây bố trí trong không gian như sau:

Hình 2.11 Sơ đồ cuộn dây và dòng điện stator của động cơ không đồng bộ

Giả thuyết các điện áp 3 pha cấp cho động cơ cân bằng, ta có:

0)t(u)t(u)

|u

|)

t

(

u

)120tcos(

|u

|)

t

(

u

)tcos(

|u

|)

t

(

u

o s

s sc

o s

s sb

s s

s [u (t) u (t)e u (t)e ] u e

3

2)

t

(

Theo phương trình (2.4) vector us (t)

là mô-đun không đổi quay trên mặt phẳng phức (cơ học) với tốc độ s = 2fs và tạo bởi trực thực (đi qua cuộn dây pha a) một góc pha  Trong đó fs là tần số mạch stator Việc xây dựng vector us(t)được mô tả trong hình 2.12

Hình 2.12 Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha

Hình 2.13 Vector không gian điện áp us

trong cả hai hệ trục tọa độ αβ và abc

Vector không gian điện áp stator là một vector có mô-đun xác định (|us|) quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc ωs và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha a) một góc ωst Đặt tên cho trục thực là  và trục ảo là , vector điện áp stator us

có thể được mô tả thông qua hai giá trị thực (us) và ảo (us) là hai thành phần của

vector Hệ tọa độ này là hệ tọa độ stator cố định, gọi tắt là hệ tọa độ  xem hình 2.13

jβ

α

Cuộn dây pha a

Cuộn dây pha b

Cuộn dây pha c

0 0 je

0 1240 je

2 

sbu3

2 

scu3

Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Chiếu các thành phần của vector không gian điện áp stator (us, us) lên trục pha a và b, ta xác định các thành phần vector điện áp theo phương pháp hình học:

s

s

s

uuu

2321

23210

13

2u

sb

sa

u

u2/32

/1

2/32/1

01

s

ii

i2/32

/30

2/12

/113

2i

sb

sa

i

i2/32

/1

2/32/1

01

Trong mặt phẳng của hệ tọa độ αβ, xét thêm một hệ tọa độ thứ 2 có trục hoành

d và trục tung q, hệ tọa độ thứ 2 này có chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc θs

so với hệ tọa độ stator (hệ tọa độ αβ) Trong đó, ωa = dθa/dt quay tròn quanh gốc tọa

độ chung, góc θa = ωat + ωa0 Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector trong không gian tương ứng với hai hệ tọa độ này Hình 2.14 mô tả mối liên hệ của hai tọa độ này

Hình 2.14 Vector không gian điện áp us

trong cả hai hệ trục tọa độ αβ và dq Chiếu các thành phần thực và ảo của vector không gian trong hệ tọa stator lên

2 trục tương ứng của hệ tọa quay dq ta được ma trận chuyển đổi:

s s

sq

sd

u

ucossin

sincos

s s

s

s

u

u u

sincos

(2.10) Với:

s u ju

Thay phương trình (2.10) vào phương (2.11) được:

s j dq s s s

sq sd

s sq s sd s

sq s sd s

eu)sinj)(cosju

u

(

)cosusinu(j)sinucosu

r j f

Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

2.4 MÔ HÌNH TRẠNG THÁI ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

2.4.1 Lý do xây dựng h nh

Để xây dựng, thiết kế bộ điều khiển động cơ, ta cần phải có mô hình toán học

mô tả đối tượng điều khiển Xuất phát điểm để xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc là mô hình vật lí của động cơ trong hình 2.15

Hình 2.15 Mô hình của động cơ không đồng bộ ba pha

Các phương trình toán học của động cơ cần phải thể hiện các rõ đặc tính thời gian của đối tượng Việc xây dựng mô hình ở đây không nhằm mục đích mô phỏng chính xác về mặt toán học của đối tượng động cơ mà ch nhằm mục đích phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều ch nh Điều đó cho phép chấp nhận một số điều kiện giả định trong quá trình thiết lập mô hình Các điều kiện đó một mặt đơn giản hóa mô hình có lợi cho việc thiết kế, mặc khác chúng gây nên sai lệch nhất định Các sai lệch này nằm trong phạm vi cho phép giữa đối tượng và mô hình

Về phương diện mô hình động học (dynamic model), động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được mô tả bởi hệ phương trình vi phân bậc cao Vì cấu trúc của các cuộn dây phức tạp về mặt không gian và các mạch từ móc vòng nên một số điều kiện sau được chấp nhận khi mô hình hóa động cơ:

- Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng trong không gian

- Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ của mạch từ

usa

usb

usc

Trục chuẩn

- Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trong khe hở không khí

- Các giá trị điện trở và điện cảm xem như là không đổi

Trục chuẩn của mọi quan sát được quy ước là trục đi qua tâm cuộn dây pha a

Ta sẽ sử dụng các mô hình trong không gian trạng thái để mô tả động cơ

- Qui ước các đại lượng của động cơ không đồng bộ ba pha:

s: Đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu stator (hệ tọa độ αβ)

f: Đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu từ thông rotor (hệ tọa độ dq) r: Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor với trục thực là trục rotor Ψ: Từ thông (Wb)

Te: Moment điện từ (N.m)

TL: Moment tải (N.m)

ωr: Tốc độ góc của rotor so với stator (rad/s)

ωs: Tốc độ góc của từ thông rotor so với stator (ωs= ω+ ωsl) (rad/s)

ωsl: Tốc độ góc trượt của rotor so với stator (rad/s)

Rs: Điện trở cuộn dây stator (Ω)

Rr: Điện trở cuộn dây rotor (Ω)

Lm: Hỗ cảm giữa stator va rotor (H)

Lσs: Điện kháng tản của cuộn dây stator (H )

Lσr: Điện kháng tản của cuộn dây rotor (H )

p: Số đôi cực của động cơ

J: Moment quán tính (kg.m2)

Ls: Điện cảm stator (H)

Lr: Điện cảm rotor (H)

Ts = Ls/Rs: Hằng số thời gian stator

Tr = Lr/Rr: Hằng số thời gian rotor

σ = 1 - Lm2

/(LsLr): Hệ số tiêu tán tổng

Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

2.4.2 Hệ phương tr nh của động cơ kh ng đồng bộ ba pha

Hệ phương trình điện áp trên 3 cuộn dây stator:

dt

t d t i R t

sa s sa

) ( )

( )

(2.15)

dt

)t(d)t(iR)

t

(

sb s sb

t

(

sc s sc

sa 

 , , : từ thông stator của cuộn dây pha a, b, c

Biểu diễn dưới dạng vector không gian ta có:

]e)t(ue

)t(u)t(u[3

2)

t

(

sc 120 j sb sa

Do đó vector không gian điện áp stator:

dt

)t(d)t(iR)

t

(

u

s s s

s s s

t

(

u

r r r

r r r

s L i L i

r r s m

r L i L i

Với: Ls: Điện cảm stator

Lm: Hỗ cảm giữa stator và rotor

Lr: Điện cảm rotor

Phương trình moment động cơ:

)ix(p2

3)ix(p

2

3

Phương trình chuyển động:

dt

d p

J T

T e  L  

Với: J: Moment quán tính cuả động cơ

p: Số đôi cực cuả động cơ

dt

diR

u

s s s s s

s r s

r

dt

di

R

s r m s s s

s

s L i L i

s r r s s m

JT

Te  L 

Hình 2.16 Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ toạ độ 

Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Từ phương trình (2.27) và (2.28) rút ra như sau:

)iL(

L

Li

L sr m ss

r

m s s s

Ldt

diLiR

u

s r r m s s s s s s

1(iT

L0

s r s

r r

s s r

s r r

m

s s s s

s

s

uL

1)

jT

1(L

1i)T

1T

1(dt

s s r m s

r

)jT

1(iT

Ldt

Với:

s

s s

R

L

T  : Hằng số thời gian rotor

r s

2 mLL

m r

m r s

r s

s

u L L

L T

i T T dt

) 1 1



L T

i T T dt

di

s r

m r

m r s r s

)11(       

r s r

m r

T

1iT

Ldt

r s r

m r

T

1iT

Ldt

d

Thay i từ phương trình (2.22) vào phương trình moment của động cơ (2.23), sr

ta được kết quả sau:

)ix(L

Lp2

3L

1)iL(

xp2

3

s s r r m r

s s m s r s r

(L

Lp

dt

dj

iR

u

f s f

s s f s s

(i

R

0

f r f

r s

f r r

s L i L i

iLi

L f r

s m

f

r  

Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Hình 2.18 Mô hình động cơ khôngg đồng bộ trong hệ toạ độ dq

Khử các biến i và fr sf ở (2.45), (2.46) ta được hai vector sau :

)iL(

L

1

s m f r r

L fr m fs

r

m f s s f

Thay i và fr fs vào (2.42) và (2.43) thu được các phương trình như sau:

f s s

f r r

m

f s s f s r s

f

s

uL

1)

jT

1(L

1iji)T

1T

1(dt

f s r m f

r

)jT

1(iT

Ldt

m r sq s sd r s

sd

uL

1L

T

1ii

)T

1T

1(dt

m sd

s sq r s

sq

uL

1L

1ii

)T

1T

1(dt

m rd

T

1iT

Ldt

0dt

Với  : là tốc độ trượt

Xét phương trình (2.23) phương trình moment của động cơ, rút s

r

i từ (2.22) thay vào (2.23) cho hệ trục dq được như sau:

sq rd r

m f

s f r r

m f s r

2 m s

L

Lp2

3ixL

Li)L

LL(p

có thể biến đổi theo một thuật toán điều khiển đã được định trước

Hơn nữa, trong hệ tọa độ dq: rq 0do vuông góc với vector r(trùng với trục d) nên rd

f

Chương 3 – Các phương pháp điều khiển động cơ

Chương 3

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

3.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB BA PHA

Như chúng ta đã biết, có nhiều phương pháp điều khiển động cơ không đồng

bộ ba pha từ đơn giản đến phức tạp (đã được trình bày trong phần tổng quan về đề tài) Các phương pháp điều khiển động cơ đang được sử dụng phổ biến hiện nay là:

- Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn áp (V/f=const)

- Điều khiển trực tiếp moment động cơ không đồng bộ: phương pháp DTC (Direct Torque Control)

- Điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa FLC (Feedback Linearization Control)

- Điều khiển định hướng từ thông rotor động cơ: phương pháp FOC (Field Oriented Control)

3.2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BẰNG BẰNG CÁCH THAY ĐỔI TẦN SỐ NGUỒN ÁP (V/f)

Tốc độ đồng bộ của động cơ không đồng bộ t lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp Do đó, khi ta thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ đồng bộ, tương ứng là tốc độ động cơ thay đổi

Sức điện động cảm ứng trong stator E t lệ với tích của tần số nguồn cung cấp

và từ thông trong khe hở không khí Nếu bỏ qua các điện áp rơi trên điện trở stator, sức điện động E có thể xem gần bằng điện áp nguồn cung cấp Nếu giảm tần số nguồn nhưng vẫn giữ nguyên điện áp sẽ dẫn đến việc gia tăng từ thông trong khe hở không khí Động cơ thường được thiết kế làm việc tại “điểm cách chỏ” của đặc tuyến từ hóa nên sự gia tăng từ thông sẽ dẫn đến bão hòa mạch từ Điều này khiến cho dòng từ hóa tăng, méo dạng dòng điện và điện áp nguồn cung cấp, gia tăng tổn

hao lõi và tổn hao đồng stator cũng như gây ra tiếng ồn ở tần số cao Ngược lại, từ thông khe hở không khí giảm dưới định mức sẽ làm giảm khả năng tải của động cơ

Vì vậy, việc giảm tần số động cơ xuống dưới tần số định mức thường đi đôi với việc giảm điện áp pha sao cho từ thông trong khe hở không khí được giữ không đổi Nguyên lý điều khiển từ thông không đổi:

Nếu bỏ qua sụt áp trên stator, điện áp stator ở chế độ xác lập t lệ thuận với từ thông và tốc độ đồng bộ theo biểu thức sau:

s s

Do đó, nếu điều khiển vận tốc động cơ dưới giá trị định mức bằng cách thay đổi tần số nguồn và giữ nguyên độ lớn điện áp stator, từ thông động cơ sẽ tăng đến giá trị bão hòa Để tránh hiện tượng bão hòa và giảm tổn hao, điện áp stator cần được thay đổi cùng với tần số f sao cho từ thông được duy trì bằng định mức

V V

Với: K1 là hằng số hàm điều khiển V/f

f là tần số nguồn cung cấp cho stator

Moment cực đại được xác định theo công thức:

R   , ta có:

Chương 3 – Các phương pháp điều khiển động cơ

'

V 3

3.p K

8 L + L

Ta thấy, khi điều khiển động cơ theo nguyên lý V/f không đổi thì đặc tính cơ

có moment cực đại không đổi M max = const

Trường hợp tốc độ động cơ thấp: khi hoạt động ở tần số thấp thì điện trở R s

không thể bỏ qua so với trở kháng  '

đại ở tần số thấp, t số V/f cần thay đổi và có giá trị lớn hơn t số V/f ở chế độ định mức

Trường hợp tốc độ lớn hơn tốc độ định mức: điện áp stator sẽ được duy trì không đổi và bằng giá trị định mức, tần số f được điều khiển tăng lên, động cơ sẽ làm việc ở chế độ non kích từ Khi đó, để tránh động cơ quá tải, moment động cơ sẽ được điều khiển theo nguyên lý công suất không đổi, Mmax sẽ giảm khi tần số tăng Đặc tính cơ: từ thông sẽ được giữ không đổi trong khoảng từ 0 đến fđm, và khi động cơ làm việc với vận tốc lớn hơn vận tốc định mức thì điện áp stator được giữ không đổi, tần số thay đổi để giảm từ thông

Sau đây là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số trong phương pháp điều khiển V/f = const

Hình 3.1 Quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số

3.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MOMENT TRỰC TIẾP ĐỘNG CƠ (DTC–Direct Torque Control)

Phương pháp điều khiển DTC bắt đầu được phát triển vào giữa những năm 80 của thế kỷ trước bởi Takahashi I, và nó nhanh chóng được ứng dụng trong công nghiệp nhờ những tính năng rất tốt Phương pháp điều khiển dựa trên mô hình của động cơ không đồng bộ với các vector không gian

DTC là kỹ thuật điều khiển moment động cơ không đồng bộ với một bộ nghịch lưu áp

Kỹ thuật mới này ưu thế là đơn giản vì không cần gắn cảm biến vào trục động

cơ Vì vậy giá thành giảm và độ tin cậy tăng Việc điều khiển hiệu quả và tính ổn định nội cao Do đó DTC thuộc loại kỹ thuật điều khiển không dùng cảm biến

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực tiếp moment DTC

Chương 3 – Các phương pháp điều khiển động cơ

Nội dung của phương pháp này là dựa trên sai biệt giữa giá trị đặt và giá trị ước lượng từ các khâu tính toán hồi tiếp về của moment và từ thông Mặt khác, ta

có thể điều khiển trực tiếp trạng thái của bộ nghịch lưu PWM thông qua các tín hiệu điều khiển đóng cắt các khóa công suất nhằm mục đích giảm sai số moment và từ thông trong phạm vi cho phép được xác định trước

Sai số giữa moment T và moment đặt T* được đưa vào khâu so sánh trễ bậc 3 Sai số giữa biên độ từ thông stator ước tính và từ thông đặt được đưa vào khâu so sánh trễ bậc 2

Phần điều khiển động cơ bằng phương pháp định hướng trường (FOC) sẽ được trình bày ở chương 4 của luận văn

Chương 4

HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB

BA PHA BẰNG ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG

(Field Oriented Control - FOC)

4.1 Đại cương về FOC

Phương pháp điều khiển vector được nghiên cứu lần đầu tiên vào đầu những năm 70 của thế kỷ trước và nó nhanh chóng trở thành một phương pháp điều khiển được chuẩn hóa nhờ những ưu điểm của nó so với phương pháp điều khiển vô hướng (điều khiển V/f = const)

Phương pháp điều khiển vector FOC dựa trên mô hình hai pha của động cơ không đồng bộ Trong hệ trục tọa độ quay rotor dq, vector dòng điện stator có thể được phân tích thành hai thành phần: thành phần tạo từ thông isd và thành phần tạo moment isq Hai thành phần này của dòng điện có thể tách rời và được điều khiển một cách độc lập giống như trong máy điện một chiều

Phương pháp điều khiển định hướng trường FOC sử dụng hai thành phần của dòng điện gắn với hệ trục tọa độ rotor nên còn được gọi là phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor-RFOC

Hệ thống định hướng trường (từ thông) tổng quát được cho như trong hình bên dưới, tạo ra các tín hiệu điện áp đặt ở ngõ ra *

c

* b

Chương 4 – Hệ truyền động điều khiển động cơ KĐB3P bằng FOC

Udc

B nghịch l u PWM 3 pha

Hệ thống định

Hình 4.1 Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển định hướng trường

Trong phần này, ta ch đề cập đến phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor do nó có thể điều khiển độc lập từ thông và moment Còn phương pháp điều khiển định hướng từ thông stator và từ thông khe hở không khí không thể điều khiển độc lập hai thành phần này

Trong phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor, mô hình động cơ không đồng bộ được biểu diễn trên hệ tọa độ dq bởi có những ưu điểm sau:

+ Trong hệ từ thông rotor dq, các vector dòng stator i và vector từ thông fs

f s m f r

r r r r r

r r

i L i L

dt

d i R 0 u

j j f r r r

e e

e e i i

Chương 4 – Hệ truyền động điều khiển động cơ KĐB3P bằng FOC

Kết hợp (4.1), (4.2), (4.3), (4.4), (4.5), (4.6) ta có:

f r sl r

f s r m f

T

1iT

Ldt

m rq

rq sl rd r sd r

m rd

T

1iT

Ldtd

T

1iT

Ldtd

(4.8)

Trong hệ tọa độ dq,  rq 0 Suy ra, phương trình từ thông được viết lại như sau:

rd r sd r

m rd r

T

1 i T

L dt

d dt

L





 (S: toán tử laplace) (4.10) Moment của động cơ được tính như sau:

e p xi2

f s m f r

f r m

f s s f s

i L i L

i L i L

r m f s r

2 m r s f s

L

LiL

LL

3 i i

L

L p 2

3

r

m sd

rq sq rd r

m

Từ các phương trình (4.10) và (4.14) cho thấy có thể điều khiển từ thông và moment điện từ thông qua dòng stator Khi đó, phương pháp mô tả ĐCKĐB ba pha giống như động cơ một chiều kích từ độc lập Ta cũng có thể điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha thông qua điều khiển hai phần tử của dòng điện là i và sd i Từ sqthông rotor được giữ bằng hằng số bằng cách giữ cố định thành phần i và moment sd

được thay đổi thông qua thay đổi thành phần i Trong phương pháp này, vector từ sqthông rotor được chọn làm chuẩn, được gắn với hệ tọa độ dq và quay cùng tốc độ với hệ tọa độ này

β

α

d q

Hình 4.3 Hệ tọa độ từ thông rotor

4.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR TRỰC TIẾP DRFOC

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển định hướng trường trực tiếp được trình bày trong hình 4.5

Chương 4 – Hệ truyền động điều khiển động cơ KĐB3P bằng FOC

Hình 4.4 Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp

Sơ đồ định hướng từ thông rotor trực tiếp được trình bày trên hình 4.4, bao gồm hai vòng kín: một cho i (điều khiển từ thông) và một chosd i (điều khiển tốc sq

độ hay moment)

Tín hiệu ngõ vào là từ thông rotor *

r

 và tốc độ  *sẽ được chuyển thành tín hiệu dòng đặt tương ứng *

sq

*

sd i

i , thông qua khâu so sánh (với từ thông rotor và tốc

độ hồi tiếp) và khâu hiệu ch nh PI Hai tín hiệu dòng đặt *

sq

*

sd i

i tiếp tục được so sánh với tín hiệu dòng hồi tiếp id iqvà qua khâu hiệu ch nh PI sẽ chuyển thành tín hiệu điện áp đặt mong muốn *

sq

*

sd,u

u Hai tín hiệu điện áp này được chuyển sang hệ tọa

độ α-β và qua khâu điều chế vector không gian, tạo ra giản đồ đóng ngắt cho 6 khóa của bộ nghịch lưu áp ba pha, điện áp ở ngõ ra của bộ nghịch lưu được cấp cho động

cơ

Trong phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp, biên độ

và vị trí góc của từ thông rotor được đo hoặc ước lượng Cảm biến Hall có thể được

sử dụng để đo từ trường bằng cách đặt các cảm biến này vào trong khe hở không khí của động cơ Tuy nhiên, phương pháp này làm cho giá thành của hệ thống cao, giảm độ tin cậy của hệ truyền động và việc thi công rất khó khăn Phương pháp ước lượng từ thông thường được sử dụng vì nó có những ưu điểm là thực hiện dễ dàng

và sai số có thể chấp nhận được Sai số là do phương pháp ước lượng phụ thuộc rất nhiều vào thông số của động cơ Có ba phương pháp ước lượng:

+ ớc lượng từ dòng và áp hồi tiếp

+ ớc lượng từ tốc độ và dòng hồi tiếp

+ ớc lượng từ dòng, áp và tốc độ hồi tiếp

Phương pháp ước lượng từ thông rotor từ dòng và áp hồi tiếp cho kết quả tốt

ở tốc độ cao nhưng tại tốc độ thấp thì độ chính xác thấp Phương pháp này được xây dựng từ hai phương trình điện áp stator và từ thông stator của động cơ khôngg đồng

m s s s s s m s s s s s

s s s s s s s

i L L

L i L i L i L

dt

d i R u

Ldt

idL

LLLiRu

s r r m s s r

2 m r s s s s s s

LLLiRuL

Ldt

s m

2 m r s s s s s s m r s

2 m r s t

0

s s s s s m

r s

) U ,

L

LLLdtiRuL

s m

2 m r s s

s s m

r r

t 0

s m

2 m r s s

s s m

r r

iL

LLLdtiRuLL

iL

LLLdtiRuLL

Chương 4 – Hệ truyền động điều khiển động cơ KĐB3P bằng FOC

Phương pháp ước lượng từ thông rotor từ dòng và tốc độ hồi tiếp làm việc tốt

ở tốc độ thấp nhưng ở tốc độ cao thì độ chính xác giảm do sai số đo tốc độ ảnh hưởng đến kết quả ước lượng

s r

s r s r r

i L i L

j dt

d i R 0

s r

s r r

s s m s r

dt

dL

iLR

s r s

r r

s s r m s r

jT

1iT

Ldt

T

1iT

L

t 0

s r s

r r

s s r

m s

) ,

1iTL

dtT

1iTL

t 0

r r

r s r

m r

t 0

r r

r s r

m r

r r

4.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR GIÁN TIẾP IRFOC

Trong phương pháp điều khiển gián tiếp thì góc θ được tính toán dựa trên tốc

độ trượt *

sl

 và thông tin về tốc độ động cơ ω Theo sơ đồ, ta thấy đặc tính của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào việc xác định chính xác các thông số động cơ Phương pháp này nhìn chung đơn giản hơn phương pháp trực tiếp, tuy nhiên cũng

có một số nhược điểm nên đặc tính của sơ đồ sẽ kém nếu không sử dụng các giải pháp đặc biệt khác

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển định hướng trường gián tiếp được trình bày trong Hình 4.6

Hình 4.5 Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp

Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp được trình bày như hình 4.5, ch có một vòng lặp cho i Trong phương pháp điều khiển gián tiếp, vị trí góc sq

Chương 4 – Hệ truyền động điều khiển động cơ KĐB3P bằng FOC

của vector từ thông rotor được tính dựa trên tốc độ trượt *

sl

 và thông tin về tốc độ động cơ  Góc của vector từ thông rotor được xác định theo (4.20)

* sl t

0

* s

Vận tốc trượt có thể tính theo phương trình (2.54) được trình bày trong chương hai:

* sq

* r r

m

* sq

* rd r

* sq r

* sl

i

iT

Trong phương pháp điều khiển gián tiếp, có sử dụng một số khâu chuyển trục được trình bày trong phương pháp điều khiển trực tiếp ở trên

u điểm của hệ thống điều khiển gián tiếp là có thể sử dụng cho các loại động cơ thường gặp với vị trí rotor có thể đo được dễ dàng bằng một cảm biến gắn ngoài

4.4 THUẬT TOÁN TRONG ĐIỀU KIỂN FOC

Bước 1 Đo các dòng điện pha stator Tính các dòng điện từ hai cảm biến dòng

Bước 2 Biến đổi tập các dòng điện ba pha này thành các giá trị dòng vuông góc biến đổi theo thời gian

Bước 3 Quay một hệ tọa độ hai trục tựa theo từ thông rotor sử dụng góc chuyển đổi được tính tại vòng lặp cuối cùng của vòng điều ch nh để có được các thành phần từ trên hệ tọa độ quay đó Trong trạng thái tĩnh,và là hằng số

Bước 4 Tính các tín hiệu sai lệch của và với các giá trị đặt của chúng là thành phần điều ch nh từ thông rotor, là thành phần điều ch nh moment đầu ra của động cơ Các sai lệch được đưa đến các bộ điều ch nh PID Sau đó, các bộ điều khiển PI sẽ đưa ra vector điện áp, để đưa tới động cơ

Bước 5 ớc lượng góc biến đổi tọa độ mới Góc mới này sẽ ch cho thuật toán FOC vị trí tiếp theo của vector điện áp

Bước 6 Quay các giá trị ra và từ các bộ điều khiển PI trở lại hệ tọa độ cố định sử dụng góc mới vừa tính để có được các giá trị điện áp vuông góc mới

Bước 7 Biến đổi các giá trị và quay trở lại các giá trị ba pha Các giá trị ba pha được dùng để tính các giá trị chu kỳ nhiệm vụ PWM mới để tạo ra vector điện

áp mong muốn

4.5 THIẾT KẾ CÁC BỘ PID

Sai lệch tốc độ (giữa tốc độ đặt và tốc độ hồi tiếp của động cơ) được đưa vào

bộ “Điều ch nh tốc độ” (bộ PID) để hiệu ch nh Tín hiệu ngõ ra của bộ PID là tín hiệu dòng điện đặt trục q (isq*) Tín hiệu này được đưa qua bộ “Giới hạn dòng” Sai lệch giữa tín hiệu dòng isq* và dòng isq của động cơ được đưa vào bộ “Điều ch nh dòng isq” (bộ PID) Tín hiệu ngõ ra của bộ PID là tín hiệu điện áp đặt trục q (usq*) (1)

Sai lệch từ thông (giữa từ thông đặt là tín hiệu ngõ ra của bộ “ n định từ thông” và từ thông được ước lượng từ bộ “ ớc lượng”) được đưa vào bộ “Điều

ch nh từ thông” (bộ PID) để hiệu ch nh Tín hiệu ngõ ra của bộ PID là tín hiệu dòng điện đặt trục d (isd*) Tín hiệu này được đưa qua bộ “Giới hạn dòng 1” Sai lệch giữa tín hiệu dòng isd* và dòng isd của động cơ được đưa vào bộ “Điều ch nh dòng isd” (bộ PID) Tín hiệu ngõ ra của bộ PID là tín hiệu điện áp đặt trục d (usd*) (2)