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 – Tổng quan đề tài Chƣơng TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Điều khiển tốc độ moment động KĐB vấn đề quan tâm từ lâu, có nhiều phương pháp đề nhằm mục đích giải vấn đề điều khiển giữ (U/f) không đổi, điều khiển điện áp,… phương pháp thu lại kết không cao Ngày với phát triển mạnh mẽ công nghệ chế tạo bán dẫn, tiến vi điều khiển tạo điều kiện cho ứng dụng phương pháp điều khiển RFOC, DTC … Điều khiển tốc độ động AC ứng dụng từ năm 1990 ngày chiếm vị trí nhiều điều khiển tốc độ động DC Ngày với phát triển thiết bị điện tử công suất vi xử lý việc điều khiển động khơng đồng trở nên dễ dàng Vì hệ truyền động chủ yếu sử dụng động không đồng làm cấu chấp hành Tùy theo ứng dụng cụ thể, việc điều khiển động khơng đồng chia thành hai cấp: 1.1.1 Điều khiển cấp thấp Không cần độ xác cao, gồm số phương pháp thay đổi cách đấu dây quấn động (để thay đổi số cực từ) thêm bớt vài phần tử (như điện trở, điện kháng) vào mạch rotor để thay đổi đường đặc tính động thay đổi nguồn cung cấp (thay đổi áp) mức độ đơn giản 1.1.2 Điều khiển cấp cao Đáp ứng truyền động cần độ xác cao Trong việc điều khiển động cần độ xác cao, ta có ba cách tiếp cận: 1.1.2.1 Điều khiển động cách thay đổi tần số nguồn cấp Người thiết kế, chế tạo sử dụng phương pháp điều khiển từ cổ điển (phương pháp điều khiển vô hướng V/f = const) đến đại (phương pháp điều Chương – Tổng quan đề tài 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 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) phương pháp điều khiển vector gián tiếp (Indirect Vector Control) + Điều khiển trực tiếp moment động cơ: DSC (Direct Self Control) DTC (Direct Torque Control) Các phương pháp điều khiển động cách thay đổi tần số nguồn cấp tóm tắt Hình 1.1 Hình 1.1 Các phương pháp điều khiển động không động ba pha Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) tìm hiểu sâu luận văn phương pháp điều khiển phổ biến Chương – Tổng quan đề tài 1.1.2.2 Điều khiển động cách tác động n h nh toán h c Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật điều khiển động khơng đồng thay đổi nhanh chóng Trong lý thuyết điều khiển đại, động không đồng ba pha xem đối tượng phi tuyến (vì mơ hình tốn học động khơng đồng mơ tả phương trình vi phân bậc cao) Để điều khiển động cách xác, ta phải áp dụng 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 mơ hình toán học động Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor sử dụng để tiếp cận mơ hình tốn học động Mục đích phương pháp tiến hành điều khiển độc lập từ thông moment động 1.1.2.3 Điều khiển động phƣơng pháp điều khiển th ng inh Đây cách tiếp cận dựa phương pháp trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence) mạng nơron (neural netwotk) logic mờ (fuzzy logic) để thực vài khâu q trình điều khiển động (được gọi điều khiển thông minh) Cách tiếp cận khơng sử dụng mơ hình tốn học động người thiết kế sử dụng kiến thức kinh nghiệm có sẵn (của chuyên gia) để huấn luyện khâu điều khiển u điểm phương pháp không sử dụng mô hình tốn học động mà ch cần tri thức kinh nghiệm chuyên gia để huấn luyện luật điều khiển, không cần biết cấu trúc bên khâu điều khiển, ch cần biết tín hiệu vào - (I/O) nên phương pháp phù hợp với khâu điều khiển phức tạp, khơng thể phân tích cấu trúc điều khiển (qui tắc “hộp đen”) 1.1.3 Vai trò động kh ng đồng Động không đồng ứng dụng hệ truyền động băng chuyền, băng tải, máy nạp liệu, máy nghiền, máy khử từ, ứng dụng dân dụng máy giặt, tủ lạnh, máy điều hòa, quạt điện,… Chương – Tổng quan đề tài Những ưu điểm biết đến động không đồng pha như:  Cấu tạo đơn giản  Làm việc tin cậy  Khởi động đơn giản  Chi phí cho bảo trì bảo dưỡng thấp so với loại động khác  Giá thành thấp 1.2 MỤC TI U ĐỀ TÀI Nghiên cứu phương pháp điều khiển định hướng trường, phương pháp điều khiển tốt ứng dụng rộng rãi điều khiển động điện Đề xuất mơ hình ước lượng tốc độ hệ thống điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC) động không đồng ba pha 1.3 PHẠM VI NGHI N CỨU Đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC) động không đồng ba pha điều khiển RFOC động không đồng ba pha sử dụng mơ hình ước lượng tốc độ Xây dựng mơ hình động khơng đồng ba pha, khâu điều khiển RFOC, khâu điều ch nh PID mô hình ước lượng tốc độ Mơ phỏng, phân tích kết phần mềm Matlab Simulink Kết luận đánh giá 1.4 TRÌNH TỰ CÁC BƢỚC THỰC HIỆN Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Mơ hình động không đồng ba pha Chương 3: Các phương pháp điều khiển động động KĐB ba pha Chương 4: Hệ truyền động điều khiển độ động KĐB ba pha định hướng trường FOC Chương 5: ớc lượng tốc độ động RFOC Chương 6: Kết mô Chương 7: Kết luận Chương – Tổng quan đề tài 1.5 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI Đề tài ứng dụng thực tiễn điều khiển công nghiệp động khơng đồng ba pha Đề tài dùng tài liệu tham khảo cho đề tài nghiên cứu điều khiển kỹ thuật định hướng từ thông rotor (RFOC) không dùng cảm biến tốc độ cho học viên cao học sinh viên trình học tập làm luận văn tốt nghiệp với đề tài có liên quan cách thức thiết kế mơ hình hóa điều khiển Simulink Control System Toolbox Matlab Chương – Mơ hình động khơng đồng ba pha Chƣơng MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1 ĐẠI CƢƠNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1.1 Cấu tạo Động không đồng ba pha có cấu tạo gồm hai phần: phần tĩnh (stator) phần quay (rotor) 2.1.1.1 Stator Gồm phận: lõi thép, dây quấn vỏ máy - Lõi thép stator có dạng hình vành khun xem Hình 2.1a, ghép thép kỹ thuật điện có hình dạng Hình 2.1b Mặt lõi thép có rãnh để đặt dây quấn xem Hình 2.1c a) b) c) Hình 2.1 (a) lõi thép stator; (b) thép; (c) rãnh chứa dây quấn Rãnh có dạng: rãnh kín, rãnh khơng có miệng; rãnh hở, rãnh có miệng đáy nhau; rãnh nửa hở, rãnh có miệng ½ đáy; rãnh nửa kín, rãnh có miệng nhỏ đáy Có dạng rãnh nửa kín phổ biến rãnh hình thang rãnh lê xem Hình 2.2 Chương – Mơ hình động khơng đồng ba pha Rãnh hở Rãnh kín Rãnh nửa hở Rãnh lê Rãnh hình thang Hình 2.2 Rãnh mặt stator - Dây quấn stator thường dây đồng có tiết diện tròn chữ nhật bọc cách điện Dây quấn đặt rãnh lõi thép stator Dây quấn stator động không đồng ba pha gồm ba cuộn dây giống nhau, có vị trí lệch góc khơng gian 120o điện Hình 2.3 Pha U Pha V Pha W b) a) Hình 2.3 (a) sơ đồ bố trí ba cuộn dây stator, (b) dây quấn ba pha đặt rãnh - Vỏ máy có chức bảo vệ máy làm giá lắp phận khác máy Vỏ máy làm bẳng thép đúc, nhơm xem Hình 2.4 Vỏ gồm thân hai nắp Thân vỏ để chứa lõi thép Mặt ngồi thân có gờ tản nhiệt, có lỗ để lắp vòng treo, bảng đấu dây đế máy Hai nắp thân dùng để che phần đầu nối dây quấn giá chứa hai ổ trục rotor Chương – Mơ hình động khơng đồng ba pha a) b) Hình 2.4 (a) vỏ máy; (b) phụ kiện 2.1.1.2 Rotor Gồm có phận: lõi thép, trục dây quấn - Lõi thép rotor ghép thép kỹ thuật điện có dạng Hình 2.5 Mặt ngồi có rãnh để đặt dây quấn rotor; có lỗ để lắp trục rotor Rãnh đặt dây quấn Lỗ lắp trục Hình 2.5 Lõi thép rotor - Trục rotor làm thép, trục thường cố định với lõi thép theo kiểu then hoa - Dây quấn động khơng đồng có kiểu: kiểu rotor lồng sóc kiểu rotor quấn dây - Rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch): rãnh lõi thép rotor đặt dẫn đồng nhôm, đầu dẫn nối vào hai vành đồng nhôm gọi hai vành ngắn mạch Hệ thống dẫn hai vành ngắn mạch Hình 2.6 Các dẫn rotor lồng sóc thường bố trí nghiêng Chương – Mơ hình động khơng đồng ba pha bước rãnh nhằm giảm ảnh hưởng moment phụ (hiện diện tốc độ tốc độ đồng bộ) giảm thiểu tiếng ồn làm rung động động làm việc Hệ thống dẫn – vành ngắn mạch Rotor lồng sóc Hình 2.6 Rotor lồng sóc - Rotor quấn dây: rãnh lõi thép rotor đặt dây quấn ba pha giống dây quấn stator Dây quấn thường nối sao, ba đầu dây dây quấn nối với ba vành đồng (gọi vành trượt) gắn cố định trục rotor xem Hình 2.7a Các vành trượt cách điện với trục rotor Tỳ ba vành trượt ba chổi than gắn cố định Hình 2.7b Ba chổi than nối với ba biến trở dùng để mở máy điều ch nh tốc độ động xem Hình 2.7c v nh tr t b) a) a) b) Rotor vành tr t c rotor Ch i than cu n dây rotor Bi n tr c) Hình 2.7 (a) rotor dây quấn; (b) hệ thống vành trượt, chổi than động cơ; (c) điều khiển động rotor dây quấn biến trở Chương – Mơ hình động không đồng ba pha 2.1.1.3 Khe hở kh ng khí Là khoảng hở rotor stator động không đồng bộ, khe hở nhỏ (từ 0,2 đến mm) máy công suất nhỏ vừa Mơ hình hồn ch nh động khơng đồng rotor lồng sóc Hình 2.8 Hình 2.8 Mặt cắt dọc động không đồng pha rotor lồng sóc So sánh động khơng đồng pha rotor lồng sóc rotor dây quấn: – Động rotor lồng sóc có cấu tạo bền chắc, nên phổ biến – Động rotor quấn dây có ưu điểm mở máy điều ch nh tốc độ cấu tạo phức tạp, dễ có cố, nên ch dùng ứng dụng mà rotor lồng sóc khơng đáp ứng 2.1.2 Nguy n ý hoạt động động kh ng đồng ba pha Xét stator động không đồng ba pha đơn giản có rãnh, stator bố trí ba cuộn dây AX, BY CZ Khi nối dây quấn stator vào nguồn điện pha tần số f, dây quấn stator có hệ thống dòng điện pha (isa, isb, isc), dây quấn stator sinh từ trường quay (như hình 2.9) với tốc độ: n1 = 60 f (vòng/phút) p 10 Chương – Kết mô 6.1.4.Đảo chiều động : Khi t = 1s, moment tải giữ không đổi Te = 0.36 Nm Tốc độ đặt cho động wref = -157 rad/s fi (Wb) fest fs 0.5 0 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 Te (Nm) 0.5 -0.5 -1 wr (rad/s) -100 -200 ia ib ic iabc (A) -1 -2 0.5 1.5 t (s) 2.5 3.5 Hình 6.7 Đáp ứng động đảo chiều động wref wr -20 -40 w (rad/s) -60 -80 -100 -120 -140 -160 -180 0.5 1.5 t (s) 2.5 Hình 6.8 Đáp ứng tốc độ động dảo chiều 67 3.5 Chương – Kết mô Nhận xét:  Tốc độ đạt cực đại -168.5 rad/s, sau 0.5s đạt -157 rad/s Khi có tải tốc độ hạ xuống -152 rad/s Dòng khởi động 1.84A  Te tăng cực đại đến 0.41 Nm xác lập giá tri 0.36 Nm  Tốc độ rotor rotor xác lập -157 rad/s khơng có sai số, dòng điện xác lập 1.66A 6.1.5.Thay đổi tốc độ: Moment tải giữ khơng đổi TL = 0.48 Nm t=0÷1s tốc độ wref = t=2÷3s tốc độ wref =100 rad/s t=1÷2s tốc độ wref = 50 rad/s t>3s tốc độ wref = 157 rad/s fi (Wb) fest fs 0.5 0 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 Te (Nm) 1.5 0.5 wr (rad/s) 200 100 ia ib ic iabc (A) -1 -2 0.5 1.5 t (s) 2.5 Hình 6.9 Đáp ứng động thay đổi tốc độ 68 3.5 Chương – Kết mô 180 160 140 wref wr w (rad/s) 120 100 80 60 40 20 0 0.5 1.5 t (s) 2.5 3.5 Hình 6.10 Đáp ứng tốc độ động thay đổi tốc độ Nhận xét:  Tốc độ đáp ứng nhanh, không vọt lộ bám sát tốc độ đặt  Moment cực đại 1.15 Nm 69 Chương – Kết mô 6.2 MÔ PHỎNG PHƢƠNG PHÁP RFOC KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ Mơ hình mơ hình 5.20 Thơng số động nguyên phần 6.1 Điện trở stator: Rs = 8.2 Ω Điện trỏ rotor: Rr = 10.733 Ω Hỗ cảm: Lm = 0.4866 H Điện cảm stator: Ls = 0.4966 H Điện cảm rotor: Lr = L s Số đội cực từ: np = 70 Chương – Kết mô 6.2.1 Chế độ kh ng tải : TL=0 Nm Tốc độ đặt cho động wref = 157 rad/s fi (Wb) fest fs 0.5 0 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 Te (Nm) 0.5 wr (rad/s) 200 100 ia ib ic iabc (A) -1 -2 0.5 1.5 t (s) 2.5 3.5 Hình 6.11 Đáp ứng động không tải 180 160 140 wref west wr w (rad/s) 120 100 80 60 40 20 0 0.5 1.5 t (s) 2.5 Hình 6.12 Đáp ứng tốc độ chế độ không tải 71 3.5 Chương – Kết mô Nhận xét: Tốc độ động tăng nhanh vượt tốc độ đặt (0.3s) xác lập thời gian ngắn khoảng 0.5s Khơng có sai số tốc độ rotor tốc độ đặt Từ thông rotor từ thông ước lượng gần khơng có sai số  Trong q trình khởi động:  Moment khởi động 0.76 Nm  Tốc độ động tăng đến giá trị 168.5 rad/s  Từ thông tăng đến 0.8 Wb  Dòng điện khởi động 1.88 A  Trong trạng thái xác lập:  Tốc độ rotor 157.2 rad/s vọt lố so với tốc độ đặt 0.128%  Tốc độ ước lượng 157 rad/s  Moment Te≈0  Giá trị từ thông 0.8 Wb  Dòng xác lập 1.64 A 72 Chương – Kết mơ 6.2.2.Động hoạt động có tải Tại thời điểm t=1s cấp cho động moment tải không đổi Te=0.48 Nm Tốc độ đặt cho động wref = 157 rad/s fi (Wb) fest fs 0.5 0 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 Te (Nm) 0.5 wr (rad/s) 200 100 ia ib ic iabc (A) -1 -2 0.5 1.5 t (s) 2.5 3.5 Hình 6.13 Đáp ứng động có tải 180 160 140 wref west wr w (rad/s) 120 100 80 60 40 20 0 0.5 1.5 t (s) 2.5 Hình 6.14 Đáp ứng tốc độ có tải 73 3.5 Chương – Kết mô Nhận xét :  Trong trình khởi động :  Tốc độ rotor tăng nhanh đến giá trị 168.6 rad/s, độ vọt lố 7.4%  Tốc độ ước lượng 168.45 rad/s  Dòng điện khởi động 1.84 A  Từ thông tăng đến giá trị ψs = 0.8 Wb  Moment khởi động 0.78 Nm  Thời điểm t = 1s  Moment tải tăng lên xác lập với giá trị Te=0.48 Nm  Tốc độ rotor giảm xuống đến giá trị 151.6 rad/s, độ sụt tốc 3.8%  Động hoạt động ổn định :  Vận tốc 157.3 rad/s, vọt lố so với tốc độ đặt 0.191%  Dòng điện xác lập 1.71 A  Từ thông xác lập ψs = 0.8 Wb  So sánh với trường hợp không tải :  Tốc độ vọt lố nhiều 0.191% so với 0.128%  Từ thơng gần khơng thay đổi  Dòng điện xác lập lớn 1.71 A so với 1.64 A 74 Chương – Kết mô 6.2.3.Thay đổi tải : Tốc độ đặt cho động wr_ref = 157 rad/s Moment tải thay đổi: t=0÷1s : TL = N/m t=1÷2s : TL = 0.34 N/m t=2÷3s : TL = 0.48 N/m t>3s : TL=0.62 N/m fi (Wb) fest fs 0.5 0 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 Te (Nm) 0.5 wr (rad/s) 200 100 ia ib ic iabc (A) -1 -2 0.5 1.5 t (s) 2.5 3.5 Hình 6.15 Đáp ứng động thay đổi tải 180 160 140 wref west wr w (rad/s) 120 100 80 60 40 20 0 0.5 1.5 t (s) 2.5 Hình 6.16 Đáp ứng tốc độ động thay đổi tải 75 3.5 Chương – Kết mô Nhận xét:  Tốc độ:  t=1s: tăng moment tải từ lên 0.34 Nm, tốc độ rotor giảm xuống đến wr = 153.4 rad/s, độ sụt tốc 2.3%  t=2s: tăng moment tải từ 0.34Nm lên 0.48Nm, tốc độ rotor giảm xuống đến wr = 153 rad/s, độ sụt tốc 2.5%  t=3s: tăng moment tải từ 0.48Nm lên 0.62Nm, tốc độ rotor giảm xuống đến wr = 154.1 rad/s, độ sụt tốc 1.85%  t>3s: tốc độ rotor wr = 157.2 rad/s, độ vọt lố 0.127%  Dòng điện:  Dòng điện khởi động 1.83 A  t=0.5÷1s dòng điện 1.64 A  t=1÷2s dòng điện 1.67A  t=2÷3s dòng điện 1.69A  t>3s dòng điện 1.73A  Từ thơng gần khơng thay đổi so với trường hợp không tải  Moment tải đáp ứng nhanh ổn định 76 Chương – Kết mô 6.2.4 Đảo chiều động cơ: Moment tải giữ không đổi TL = 0.36 Nm Tốc độ đặt cho động wref = -157 rad/s fi (Wb) fest fs 0.5 0 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 Te (Nm) 0.5 -0.5 -1 wr (rad/s) -100 -200 ia ib ic iabc (A) -1 -2 0.5 1.5 t (s) 2.5 3.5 Hình 6.17 Đáp ứng động đảo chiều động wref west wr -20 -40 w (rad/s) -60 -80 -100 -120 -140 -160 -180 0.5 1.5 t (s) 2.5 Hình 6.18 Đáp ứng tốc độ đảo chiều động 77 3.5 Chương – Kết mô Nhận xét: Động đáp ứng tốt  Quá trình độ:  Moment giảm xuống đến -0.8 Nm  Tốc độ wr = -168.6 rad/s  Dòng điện khởi động 1.83 A khơng thay đổi so với chưa đảo chiều  Từ thông không thay đổi so với trường hợp không tải  Khi t=1s cấp cho động moment tải 0.36Nm, tốc độ giảm xuống – 152.6 rad/s, sau 0.2s tốc độ ổn định - 157.2 rad/s  Dòng điện 1.87A  Trạng thái xác lập:  Dòng điện xác lập 1.67 A  Tốc độ rotor động cơ: wr = -157.2rad/s, sai số 0.127%  Tốc độ ước lượng -156,9 rad/s 78 Chương – Kết mô 6.2.5 Thay đổi tốc độ Moment tải giữ không đổi TL = 0.48 Nm t=0÷1s Tốc độ đặt cho động wref = t=1÷2s Tốc độ đặt cho động wref = 50 rad/s t=2÷3s Tốc độ đặt cho động wref = 100 rad/s t>3s Tốc độ đặt cho động wref = 157 rad/s fi (Wb) fest fs 0.5 0 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 Te (Nm) 1.5 0.5 wr (rad/s) 200 100 ia ib ic iabc (A) -1 -2 0.5 1.5 t (s) 2.5 3.5 Hình 6.19 Đáp ứng động thay đổi tốc độ 180 160 140 wref west wr w (rad/s) 120 100 80 60 40 20 0 0.5 1.5 t (s) 2.5 Hình 6.20 Đáp ứng tốc độ thay đổi tốc độ 79 3.5 Chương – Kết mô Nhận xét:  Tại thời điểm thay đổi tốc độ moment tăng nhanh xác lập t>3s  0