Ước lượng tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng bộ quan sát từ thông rotor

Bài viết này mô tả một phương pháp ước lượng tốc độ của động cơ không đồng bộ ba pha không sử dụng bộ quan sát từ thông rotor. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink cho thấy tốc độ của động cơ được ước lượng bằng phương pháp này luôn bám theo tốc độ thật của động cơ với sai số rất nhỏ.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT TỪ THÔNG ROTOR SPEED ESTIMATION FOR THREE PHASE INDUCTION MOTOR USING ROTOR FLUX OBSERVER Phạm Văn Tuấn1, Trần Kim Thành2,* TÓM TẮT Trong năm gần truyền động động không đồng không cảm biến tốc độ quan tâm giá thành kinh tế, kích thước gọn nhẹ, độ tin cậy cao Các thuật toán ước lượng tốc độ thay cho hệ thống đo lường tốc độ trực tiếp sử dụng máy phát tốc hay mã hóa quang điện Bài báo mơ tả phương pháp ước lượng tốc độ động không đồng ba pha không sử dụng quan sát từ thông rotor Kết mô phần mềm Matlab/Simulink cho thấy tốc độ động ước lượng phương pháp bám theo tốc độ thật động với sai số nhỏ Từ khóa: Động khơng đồng bộ, quan sát từ thông rotor, ước lượng tốc độ ABSTRACT In recent years, sensorless induction motor drivers have been neglected due to the reasonable cost, compact size, high reliability Speed estimation algorithms are substituted for direct speed measurement systems using tachometers or encoders This paper describes a method of sensorless speed estimation of three-phase induction motor based on Rotor Flux Observer The simulation results obtained using Matlab/Simulink show that the estimated motor speed always tracks the actual motor speed with very small error Keywords: Induction motor, Rotor Flux Observer, Speed estimation Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: kimthanh.hut@gmail.com Ngày nhận bài: 10/01/2019 Ngày nhận sửa sau phản biện: 04/3/2019 Ngày chấp nhận đăng: 25/4/2019 GIỚI THIỆU Trong năm gần đây, điều khiển không cảm biến tốc độ động không đồng nhận nhiều quan tâm số trường hợp gắn cảm biến tốc độ mơi trường nóng, u cầu động chạy với tốc độ cao, mặt khác thiết bị đo tốc độ thường đắt, cồng kềnh làm tăng giá thành kích thước truyền động động không đồng [1, 2, 3, 4] Vì lý đó, hệ truyền động điện không sử dụng cảm biến tốc độ ngày sử dụng rộng rãi hệ có kích thước gọn nhẹ, giá thành kinh tế, độ tin cậy cao bền vững 22 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 51.2019 với thuật toán điều khiển Phương pháp ước lượng tốc độ dựa vào MRAS thực [5, 6, 7], điều khiển mờ [1, 8], điều khiển trượt [9, 10] Trong báo này, tác giả giới thiệu phương pháp ước lượng tốc độ sử dụng quan sát từ thơng rotor MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TỔNG QUÁT CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Mơ hình động lực học tổng qt động khơng đồng ba pha bao gồm mơ hình nhỏ (sub-models) sau [11]:  Mơ hình điện dùng để biến đổi ba pha hai trục tọa độ điện áp stato  Mơ hình mơ men dùng để tính tốn mơ men điện từ  Mơ hình để tính tốc độ rotor  Mơ hình tính tốn dòng điện stato có xét đến điện trở dây nối 2.1 Mơ hình điện Q trình chuyển đổi điện áp nguồn cấp ba pha sang điện áp hệ tọa độ thực phương trình ma trận [12]:  Vs   V  =   s  0 V  1/   sa   Vsb /  / 2    Vsc  1/ (1) Trong đó, Vas, Vbs, Vcs điện áp stato, Vsα, Vsβ thành phần điện áp véc tơ điện áp Vs theo hệ tọa độ tĩnh gắn với stato Ở hệ quy chiếu hai trục, phương trình dòng điện có dạng sau:   Ls Lm  1 is  i       s  =   Ls Lm    ir   Lm Lr      Lm Lr  ir     Rs  V     s     Vs    V      r     Vr   P   rLm  Rs 0 P r Lm Rr P  rLr     i   s       is   P rLr  i   d   r    i  Rr   r     (2) SCIENCE TECHNOLOGY Trong đó, Rs, Rr điện trở stato rotor Ls, Lr Lm điện cảm stato, rotor hỗ cảm, P số cực ωr tốc độ rotor Trong mơ hình điện, điện áp ba pha [Vsa, Vsb, Vsc] đầu vào véctơ dòng điện [isα, isβ, irα, irβ] đầu Véctơ điện áp rotor thơng thường khơng rotor có dạng lồng sóc, có nghĩa Vrα = Vrβ = 2.2 Mơ hình mơmen Trong hệ quy chiếu stato hai trục, mơ men điện từ Te tính sau: (3) 3PL m Te = iαr iβs  iβriαs   2.3 Mơ hình Từ phương trình cân mômen bỏ qua ma sát nhớt (viscous friction), tốc độ rotor tính sau: τ (4) T T ωr =  e L dτ J Ở đây, J mơmen qn tính rotor TL mơmen tải 2.4 Mơ hình dòng điện stato Mơ hình dòng điện stato sử dụng để tính biên độ dòng điện stato theo phương trình sau: (5) 2 is = isα + isβ σ = 1 Lm2 / (L sLr ), ε = σ L s Lr / Lm Rs, Rr điện trở stato rotor Ls, Lr tự cảm stato rotor Lm hỗ cảm  = 1 L2m / L sLr Tr số thời gian rotor Tr = Lr / Rr ωr tốc độ góc động Hình biểu diễn khơng gian trạng thái quan sát hai phương trình sau: (8) dx / dt = Ax + Bv  He s  ˆis = Cx Ở đây, H hệ số quan sát, ˆis giá trị dòng điện ước lượng, e sai số dòng điện: e = ˆi  i , s s (R + L R / L ) / (σL s )I (Rr / εLr )I (ωˆ r / ε)J Aˆ =  s m r r  ˆ rJ  (Rr / Lr )I+ ω (LmRr / Lr )I  Tốc độ động ước lượng sau:   ˆ ˆ r = K p Jλ ω r T (9) e + K i  (J ˆλ r )T edt * Mơ hình nguồn cấp cho động Nguồn cấp cho động nguồn ba pha hình sin sau: Vsa = V cos  ω s t + θ  (6) Vsb = V cos  ω s t  2π / + θ  Vsc = V cos  ω s t + 2π / + θ  Trong đó, V biên độ điện áp đầu cực, ωs tốc độ góc nguồn cấp θ góc pha ban đầu ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT TỪ THƠNG ROTOR Một động khơng đồng mơ tả phương trình trạng thái với hệ trục tọa độ cố định gắn với stato [12] đây: (7) dx / dt = Ax + Bvs  is = Cx Ở đây: Ma trận H được thiết kế để đảm bảo khả đáp ứng hệ thống điều khiển, cho Lime = t  Từ (7) (8) ta có phương trình: e = C(sI4  A + HC)1B ω ( ωr Jλ r ) = G(s)( ω λˆ J) r x = isα isβ λ rα λ rβ  is = is i s  Hình Mơ hình ước lượng tốc độ động khơng đồng sử dụng quan sát từ thông T T v s =  v s v s  T 0  1 1  I=  J = 1   1   (R + L R / L ) / (σLs )I (Rr / εLr )I (ωr / ε)J A= s m r r   (Rr / Lr )I+ ωr J (LmRr / Lr )I  T B = (1/ Ls ) 02x2  C = I 02 x2  (10) r e = C(sI4  A + HC)1Bω (  ωr Jλr ) = G(s)( ω Jλˆ ) r r Ở đây: ωr = ωˆ r  ωr I4 ma trận đơn vị 4x4 B ω =  I / ε  I T Số 51.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 23 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Sau đó, xem xét hệ thống phản hồi bao gồm khối bất biến theo thời gian tuyến tính G(s) khối thay đổi theo thời gian phi tuyến (hình 2) Hình Khối phản hồi sai số dòng điện Áp dụng tiêu chuẩn ổn định Popov, điều kiện sau phải thỏa mãn: 1) G(s) số thực xác định dương 2) Đầu vào v1 đầu w1 khối thay đổi theo thời gian phi tuyến phải thỏa mãn phương trình Popov (11) với t1 > t0: t1 (11) T  v1 w1dt   γ t0 Ở đây, γ0 số độc lập với thời gian Hình Mơ hình tổng thể hệ thống ước lượng tốc độ động sử dụng quan sát từ thông Matlab/ simulink Sau kết thúc q trình mơ ta thu kết sau:  Hình biên độ điện áp nguồn  Hình biên độ dòng điện stato  Hình mơ men điện từ động  Hình tốc độ thật, tốc độ ước lượng sai số ước lượng Ta nhận thấy với điện áp hình sin có giá trị hiệu dụng 220V cấp cho động (hình 4), sau thời gian khởi động, dòng điện định mức động 6,5A (hình 5), mô men điện từ mô men tải 10 Nm Với thuật toán ước lượng tốc độ đề xuất, tốc độ ước lượng bám sát với tốc độ thật động chế độ độ chế độ xác lập KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Để kiểm tra lại thuật toán ước lượng tốc độ đề xuất, phần mềm Matlab/Simulink sử dụng để mô ước lượng tốc độ động sử dụng quan sát từ thông rotor Các thông số động sử dụng cho q trình mơ bảng Bảng Thông số động TT 10 11 12 13 14 Thông số động Công suất định mức Điện áp pha định mức Dòng điện định mức Tần số định mức Điện trở stator Điện trở rotor Điện cảm stator Điện cảm rotor Hỗ cảm Mô men quán tính Số cực Hệ số ma sát Tốc độ định mức Mô men tải Giá trị 1,5 kW 220V 6,5 A 50 Hz 4,85 Ω 3,805 Ω 0,274 H 0,274 H 0,258 H 0,031 kgm2 0,00334 kg.m/sec 1420 rpm 10 Nm Hình Biên độ điện áp nguồn Hình Biên độ dòng điện stato 24 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 51.2019 SCIENCE TECHNOLOGY Hình Mơ men điện từ Hình Tốc độ động bao gồm tốc độ thật, tốc độ ước lượng sai số ước lượng KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp ước lượng tốc độ động sử dụng quan sát từ thơng với nguồn cấp ba pha điện áp hình sin Tốc độ ước lượng bám sát tốc độ thật động chế độ độ chế độ xác lập Hướng nghiên cứu sử dụng phương pháp ước lượng tốc độ đề xuất báo ứng dụng cho phương pháp điều khiển vòng kín động khơng đồng phương pháp điều khiển tựa từ thông rô to - FOC (Field Oriented Control), điều khiển trượt - SMC (Sliding Mode Control), phương pháp điều khiển dự báo - MPC (Model Predictive Control), nhằm đánh giá hiệu phương pháp ước lượng tốc độ đề xuất without adding Any Signal” Conference Record of the 1999 IEEE Industry Applications Conference Thirty-Forth IAS Annual Meeting (Cat No.99CH36370) [4] S M Gadoue, D Giaouris, and J W Finch, 2010 “MRAS Sensorless Vector Control of an Induction Motor Using New Sliding Mode and Fuzzy Logic Adaptation Mechanisms” IEEE Trans Energy Convers., vol 25, no 2, pp 394– 402 [5] A Iqbal and M R Khan, 2010 “Sensorless control of a vector controlled three-phase induction motor drive using artificial neural network” 2010 Jt Int Conf Power Electron Drives Energy Syst 2010 Power India [6] A R Haron, N Rumzi, and N Idris, 2006 “Simulation of MRAS-based Speed Sensorless Estimation of Induction Motor Drives using Matlab/Simulink” IEEE International Power and Energy Conference [7] M Rashed, F Stronach, and P Vas, 2003 “A New Stable MRAS-Based Speed and Stator Resistance Estimators for Sensorless Vector Control Induction Motor Drive at Low Speeds” Ind Appl Conf 2003 38th IAS Annu Meet Conf Rec., vol 2, pp 1181–1188 [8] H Chalawane, A Essadki, and T Nasser, 2016 “MRAS and Luenberger observers using a SIFLC controller in adaptive mechanism based sensorless fuzzy logic control of induction motor” Proc 2016 Int Conf Electr Inf Technol ICEIT 2016, no 1, pp 153–158 [9] C Ben Regaya, A Zaafouri, Abdelkader Chaari, 2014 “A New Sliding Mode Speed Observer of Electric Motor Drive Based on Fuzzy-Logic” Acta Polytechnica Hungarica vol 11, no 3, pp 219–232 [10] L Gopal.M and T George, 2016 “Sliding-Mode And Fuzzy-Logic Adaptation Mechanism For MRAS Sensorless Vector Controlled Induction Motor With Temperature Monitoring” 2016 Conf Emerg Devices Smart Syst [11] K L Shi, T F Chan, Y K Wong, and S L Ho, 1999 “Modelling and Simulation of the Three-Phase Induction Motor Using Simulink” The International Journal of Electrical Engineering & Education vol 36, pp 163–172, 1999 [12] M Hasegawa and K Matsui, 2002 “Robust Adaptive Full-Order Observer Design with Novel Adaptive Scheme for Speed Sensorless Vector Controlled Induction Motors” IEEE 2002 28th Annual Conference of the Industrial Electronics Society AUTHORS INFORMATION Pham Van Tuan1, Tran Kim Thanh2 Hanoi University of Science and Technology Hanoi University of Industry TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Kumar and T Ramesh, 2015 “MRAS speed estimator for speed sensorless IFOC of an induction motor drive using Fuzzy Logic controller” International Conference on Energy, Power and Environment: Towards Sustainable Growth (ICEPE) [2] J Holtz, 2002 “Sensorless control of induction motor drives” Proc IEEE, vol 90, no 8, pp 1359-1394 [3] K Akatsu and A Kawamura, 1999 “Sensorless Very Low and Zero Speed Estimations with On-line Secondary Resistance Estimation of Induction Motor Số 51.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 25 ... thuật toán ước lượng tốc độ đề xuất, phần mềm Matlab/Simulink sử dụng để mô ước lượng tốc độ động sử dụng quan sát từ thông rotor Các thông số động sử dụng cho q trình mơ bảng Bảng Thông số động TT... động sử dụng quan sát từ thông với nguồn cấp ba pha điện áp hình sin Tốc độ ước lượng bám sát tốc độ thật động chế độ độ chế độ xác lập Hướng nghiên cứu sử dụng phương pháp ước lượng tốc độ đề... đầu cực, ωs tốc độ góc nguồn cấp θ góc pha ban đầu ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT TỪ THƠNG ROTOR Một động khơng đồng mơ tả phương trình trạng thái với hệ trục tọa độ cố định gắn