Đang tải... (xem toàn văn)
Direct Torque Control 8.1 M« h×nh ®éng c¬ kh«ng ®ång bé rotor lång sãc H×nh 8.1 S¬ ®å thay thÕ ch÷ cña M§DB (chØ sè “T” viÕt phÝa d−íi bªn ph¶i : hÖ täa ®é ®−îc chän ®Ó tùa h−íng) XuÊt ph¸t ®iÓm ®Ó thiÕt kÕ c¸c thuËt to¸n §K lμ s¬ ®å thay thÕ d¹ng ch÷ ë h×nh 8.1. Tõ s¬ ®å ë h×nh 8.1 cã thÓ viÕt ngay ®−îc hÖ ph−¬ng tr×nh ®iÖn ¸p m« t¶ ®éng c¬ trªn hÖ täa ®é tùa quay víi vËn tèc gãc bÊt kú T. () s s s s T s r r r T r d Rj dt d Rj dt w ww = - =+ui i y y y y (1) Khi chän hÖ täa ®é Stator cè ®Þnh lμm hÖ täa ®é tùa h−íng ta sÏ cã T = 0. Quan hÖ gi÷a tõ t¶n y , dßng rotor ir, dßng stator is nh− sau: srs =yyy (2) ()1 r s r LL s ss = - =i yyy (3) 1 s s r LL L L L ms m s s + =-i yy (4) M«men néi t¹i cña ®éng c¬ chÞu ¶nh h−ëng cña gi¸ trÞ module cña hai tõ th«ng ys, yr vμ gãc xen gi÷a chóng. 2 31 sin 2 srm Ls d= yy (5) víi: tg r sd = yy (6) M«men ®−a tíi trôc c¬ cña ®éng c¬ sÏ lμ: Mp m z m = (7) Tèc ®é gãc r (tÇn sè tr−ît cña m¹ch rotor) cã thÓ tÝnh ®−îc nÕu ta xÐt ph−¬ng tr×nh thø hai cña hÖ (1) khi chän T = s (hÖ täa ®é tùa quay víi vËn tèc gãc Stator), chØ nh»m môc ®Ých tÝnh module cña tõ th«ng. rr r r R w = i y (8) KÕt hîp (3), (6) vμ (8) ta tÝnh ®−îc r cho chÕ ®é x¸c lËp. tg tgr r R LT ss dd w == (9) Module cña tõ th«ng stator s ®−îc tÝnh tõ hai thμnh phÇn. 22 s s s ab yy =+y (10) 8.2 NghÞch l−u vµ c¬ së vËt lý cña ph−¬ng ph¸p DTC NghÞch l−u sö dông trong DTC lμ nghÞch l−u 2 møc nguån ¸p. Ba nh¸nh van cña nghÞch l−u cho phÐp nèi ba cùc a, b vμ c cña ®éng c¬ víi thÕ n¨ng “+” (l«gich 1) hoÆc thÕ n¨ng “-“ (l«gich 0) cña m¹ch mét chiÒu trung gian. Chóng t¹o thμnh 8 tr¹ng th¸i l«gich øng víi 8 vector ®iÖn ¸p chuÈn minh häa ë h×nh 8.2. Hai vector V(000) vμ V(111) lμ hai vector cã module b»ng 0. NÕu van b¸n dÉn lμ lo¹i cã tèc ®é ®ãng ng¾t cao (vÝ dô lo¹i IGBT: Insulated Gate Bipolartransistor), ta cã thÓ sö dông 6 vector cã module kh¸c 0, kÕt hîp víi 2 vector module 0 ®Ó t¹o ®iÖn ¸p Stator víi vÞ trÝ bÊt kú. H×nh 8.2 C¸c vector ®iÖn ¸p Stator chuÈn 3 Kh¸c víi ph−¬ng ph¸p tùa theo tõ th«ng rotor1 ho¹t ®éng dùa trªn vßng §C dßng Stator, ¸p ®Æt 2 thμnh phÇn dßng t¹o tõ th«ng isd vμ dßng t¹o m«men quay isq. Xung kÝch thÝch van ®−îc t¹o tõ c¸c gi¸ trÞ ®iÖn ¸p do kh©u §C dßng ®−a tíi kh©u ®iÒu chÕ vector. T− t−ëng chÝnh cña ph−¬ng ph¸p DTC lμ: T¹o xung kÝch thÝch van trùc tiÕp trªn c¬ së sai lÖch tõ th«ng stator vμ sai lÖch m«men quay (h×nh 8.3). V× vËy, ph−¬ng ph¸p DTC kh«ng cÇn kh©u chuyÓn hÖ täa ®é dq , kh«ng ph¶i tÝnh gãc chuyÓn hÖ lμ kh©u g©y kh«ng Ýt khã kh¨n khi thùc hiÖn. C¬ së vËt lý cña ph−¬ng ph¸p DTC ®−îc m« t¶ bëi hai ph−¬ng tr×nh (1), (5). Khi bá qua ®iÖn ¸p sôt trªn ®iÖn trë Rs trong (1), ta thu ®−îc quan hÖ tÝch ph©n gi÷a ®iÖn ¸p Stator us vμ tõ th«ng Stator ys. §iÒu Êy cã nghÜa lμ: Vector ys sÏ chuyÓn ®éng theo h−íng cña vector ®iÖn ¸p ®−îc chän. Víi 7 vector ®iÖn ¸p chuÈn (h×nh 12.25) ta sÏ cã 7 kh¶ n¨ng t¸c ®éng tíi ys (h×nh 8.3). Trong ph−¬ng ph¸p DTC (b¶n chÊt lμ SFO) vector ys ®¸p l¹i trùc tiÕp mçi thay ®æi ®iÖn ¸p us. Trong ph−¬ng ph¸p RFO, ®iÖn ¸p us chØ t¸c ®éng trùc tiÕp tíi dßng is, ®Ó råi dßng t¸c ®éng tíi tõ th«ng rotor yr víi qu¸n tÝnh thÓ hiÖn bëi h»ng sè thêi gian rotor Tr. Cã thÓ nãi: Gi÷a us vμ yr cã quan hÖ víi qu¸n tÝnh Tr. H×nh 8.3 C¬ së vËt lý cña ph−¬ng ph¸p DTC VËy lμ: b»ng c¸ch chän vector ®iÖn ¸p thÝch hîp ta cã thÓ ®ång thêi t¸c ®éng tíi module cña ys vμ gãc xen gi÷a ys, yr (h×nh 8.3). Theo c«ng thøc (5), m«men quay m tû lÖ víi tÝch cña |ys| vμ sin , nhê ®ã ta cã thÓ ®iÒu khiÓn ®−îc m«men quay víi ®éng häc cao nhÊt. Khi ta ®Æt lªn ®éng c¬ mét vector ®iÖn ¸p chuÈn phï hîp, vector ys cã thÓ chuyÓn ®éng trªn quü ®¹o víi gia tèc tèi ®a. NÕu dÊu cña gia tèc trïng víi dÊu 1 Rotor Flux Orientation: RFO 4 cña chiÒu chuyÓn ®éng, gãc sÏ t¨ng lªn, bëi v× yr chØ cã thÓ b¸m theo víi qu¸n Tr. NÕu vector ®iÖn ¸p ®−îc chän cã module 0, gia tèc cña ys sÏ gÇn nh− b»ng 0, vμ nhê ®ã gãc bÐ ®i do yr vÉn tiÕp tôc quay theo h−íng cò. C¸c gi¸ trÞ thùc cña tõ th«ng ys vμ m«men m sÏ ®−îc tÝnh nhê mét kh©u quan s¸t tõ th«ng (h×nh 8.4). Sau khi so s¸nh víi c¸c gi¸ trÞ chñ ®¹o, trªn c¬ së sai lÖch ta cã thÓ quyÕt ®Þnh ®−îc chïm xung kÝch thÝch van phï hîp. Trong gi¶i ph¸p DTC kinh ®iÓn, c¸c quyÕt ®Þnh ®−îc ®−a ra bëi c¸c kh©u §C kiÓu 2 hoÆc 3 ®iÓm. H×nh 8.4 Kh©u quan s¸t tøc thêi (kh©u Luenberger) Trong kh©u quan s¸t Luenberger th«ng th−êng, c¸c sai lÖch ®Çu ra ë thêi ®iÓm thø (k) chØ ®−îc sö dông ®Ó hiÖu chØnh vector tr¹ng th¸i ë thêi ®iÓm thø (k+1). Cã nghÜa lμ: chØ sau khi 1 chu kú trÝch mÉu ®· tr«i qua l·ng phÝ. Thùc tÕ, ta cã thÓ hiÖu chØnh ngay ë thêi ®iÓm thø (k), vμ mét kh©u quan s¸t nh− vËy cßn cã tªn lμ kh©u quan s¸t tøc thêi (Current Estimator, h×nh 8.4) víi ph−¬ng tr×nh tÝnh to¸n sau ®©y: () ( ) ( ) () () () () () () 0 1 1 1 11 N N N s s r N s jT k N N N r s r TT k k k TT kn TT k e k k TT ss w ss r r s æö ÷ç ÷ + = - + ç ÷ ç ÷ ç èø + éù æö ÷ç êú ÷+ = + ç ÷ êú ç ÷ ç èø êú ëû u y y y y y y (11) 8.3 ThiÕt kÕ ®iÒu khiÓn theo nguyªn lý DTC a) Quü ®¹o dÉn d¾t tõ th«ng stator 5 H×nh 8.5 Quü ®¹o dÉn d¾t tõ th«ng Stator Các sectors I … VI được chọn xoay lệch 30o so với các sectors của điều chế vector điện áp. Bộ ĐK từ thông chọn vector điện áp có tác dụng: tăng từ thông, hay giảm từ thông. Bộ ĐK mômen: là bộ ĐK ba điểm và sẽ chọn chuyển sang vector không u0,7 (vị trí các chấm tròn đen trên quỹ đạo), nếu mômen quay đạt tới ngưỡng trên của giới hạn sai lệch cho phép. Việc lựa chọn vector điện áp được thực hiện theo bảng chuyển mạch tối ưu. b) CÊu tróc ®iÒu khiÓn H×nh 8.6 CÊu tróc ®iÒu khiÓn DTC sö dông b¶ng chuyÓn m¹ch tèi −u 6 c) ThiÕt kÕ b¶ng chuyÓn m¹ch Sector ĐK từ thông Ry ĐK mômen Rm I II III IV V VI 1 1 u2 u3 u4 u5 u6 u1 0 u7 u0 u7 u0 u7 u0 -1 u6 u1 u2 u3 u4 u5 0 1 u3 u4 u5 u6 u1 u2 0 u0 u7 u0 u7 u0 u7 -1 u5 u6 u1 u2 u3 u4 Ý nghĩa: ĐK từ thông Ry = 0 : Giảm từ thông Stator 1 : Tăng từ thông Stator ĐK mômen Rm = -1 : Giảm nhanh mômen 0 : Giảm mômen bằng vector zero u0,7 1 : Tăng mômen 8.4 CÊu tróc ®iÒu khiÓn DTC cña tËp ®oµn ABB H×nh 8.7 CÊu tróc ®iÒu khiÓn DTC sö dông b¶ng chuyÓn m¹ch cña tËp ®oμn ABB 7 Cấu trúc ĐK theo nguyên lý DTC (cài đặt trên dòng sản phẩm ACS600, ACS800 của tập đoàn ABB) bao gồm 2 vòng chính: Vòng trong: ĐK mômen sử dụng bảng chuyển mạch tối ưu Vòng ngoài: ĐK tốc độ quay sử dụng các bộ ĐK tuyến tính (ví dụ: PI, PID) thông thường H×nh 8.8 Vòng trong: ĐK mômen sử dụng bảng chuyển mạch tối ưu H×nh 8.9 Vòng ngoài: ĐK tốc độ quay sử dụng các bộ Đ
8 Direct Torque Control 8.1 Mô hình động không đồng rotor lồng sóc Hình 8.1 Sơ đồ thay chữ MĐDB (chỉ số T viết phía dới bên phải : hệ tọa độ đợc chọn ®Ĩ tùa h−íng) Xt ph¸t ®iĨm ®Ĩ thiÕt kÕ c¸c thuật toán ĐK l sơ đồ thay dạng chữ hình 8.1 Từ sơ đồ hình 8.1 viết đợc hệ phơng trình điện áp mô tả động hệ tọa độ tựa quay víi vËn tèc gãc bÊt kú T d ys = u s - Rs i s - jwT y s dt d yr = Rr i r + j (w - wT )y r dt (1) Khi chän hÖ täa ®é Stator cè ®Þnh lμm hƯ täa ®é tùa h−íng ta sÏ cã T = Quan hƯ gi÷a từ tản y, dòng rotor ir, dòng stator is nh sau: ys =ys -yr y i r = ( y s -y r ) = s Ls Ls Lm + Ls is = ys - yr Lm Ls Ls (2) (3) (4) Mômen nội động chịu ảnh hởng giá trị module hai từ thông ys, yr v góc xen chúng m= y s yr sin d Ls (5) víi: tg d = ys y r (6) M«men ®−a tíi trơc c¬ cđa ®éng c¬ sÏ lμ: mM = z p m (7) Tốc độ góc r (tần số trợt mạch rotor) tính đợc ta xét phơng trình thứ hai hệ (1) chän T = s (hƯ täa ®é tùa quay víi vËn tèc gãc Stator), chØ nh»m mơc ®Ých tÝnh module cđa tõ th«ng yr = Rr i r (8) wr Kết hợp (3), (6) v (8) ta tính đợc r cho chế độ xác lập wr = Rr tgd tgd = Ls Ts (9) Module cđa tõ th«ng stator s đợc tính từ hai thnh phần y s = ys2a + ys2b (10) 8.2 Nghịch lu sở vật lý phơng pháp DTC Nghịch lu sử dụng DTC l nghịch lu mức nguồn áp Ba nhánh van cđa nghÞch l−u cho phÐp nèi ba cùc a, b v c động với + (lôgich 1) - (lôgich 0) mạch chiều trung gian Chúng tạo thnh trạng thái lôgich ứng với vector điện áp chuẩn minh họa ë h×nh 8.2 Hai vector V(000) vμ V(111) lμ hai vector cã module b»ng NÕu van b¸n dÉn lμ loại có tốc độ đóng ngắt cao (ví dụ loại IGBT: Insulated Gate Bipolartransistor), ta cã thĨ sư dơng vector có module khác 0, kết hợp với vector module để tạo điện áp Stator với vị trí Hình 8.2 Các vector điện áp Stator chuẩn Khác với phơng pháp tựa theo từ thông rotor1 hoạt động dựa vòng ĐC dòng Stator, áp đặt thnh phần dòng tạo từ thông isd v dòng tạo mômen quay isq Xung kích thích van đợc tạo từ giá trị điện áp khâu ĐC dòng ®−a tíi kh©u ®iỊu chÕ vector T− t−ëng chÝnh cđa phơng pháp DTC l: Tạo xung kích thích van trực tiếp sở sai lệch từ thông stator v sai lệch mômen quay (hình 8.3) Vì vậy, phơng pháp DTC không cần khâu chuyển hệ tọa độ dq , tính góc chuyển hệ l khâu gây không khó khăn thực Cơ sở vật lý phơng pháp DTC đợc mô tả hai phơng trình (1), (5) Khi bỏ qua điện áp sụt điện trở Rs (1), ta thu đợc quan hệ tích phân điện áp Stator us v từ thông Stator ys Điều có nghĩa l: Vector ys chuyển động theo hớng vector điện áp đợc chọn Với vector điện áp chuẩn (hình 12.25) ta có khả tác động tới ys (hình 8.3) Trong phơng pháp DTC (bản chất l SFO) vector ys đáp lại trực tiếp thay đổi điện áp us Trong phơng pháp RFO, điện áp us tác động trực tiếp tới dòng is, để dòng tác động tới từ thông rotor yr với quán tính thể hiƯn bëi h»ng sè thêi gian rotor Tr Cã thĨ nói: Giữa us v yr có quan hệ với quán tính Tr Hình 8.3 Cơ sở vật lý phơng pháp DTC Vậy l: cách chọn vector điện áp thích hợp ta đồng thời tác động tíi module cđa ys vμ gãc xen gi÷a ys, yr (hình 8.3) Theo công thức (5), mômen quay m tû lƯ víi tÝch cđa |ys| vμ sin, nhê ®ã ta điều khiển đợc mômen quay với động học cao Khi ta đặt lên động vector điện áp chuẩn phù hợp, vector ys chuyển động quỹ đạo với gia tốc tối đa NÕu dÊu cđa gia tèc trïng víi dÊu Rotor Flux Orientation: RFO cđa chiỊu chun ®éng, gãc tăng lên, yr bám theo với quán Tr Nếu vector điện áp đợc chọn cã module 0, gia tèc cđa ys sÏ gÇn nh− b»ng 0, vμ nhê ®ã gãc bÐ ®i yr vÉn tiÕp tơc quay theo h−íng cò C¸c gi¸ trị thực từ thông ys v mômen m đợc tính nhờ khâu quan sát từ thông (hình 8.4) Sau so sánh với giá trị chủ đạo, sở sai lệch ta định đợc chùm xung kích thích van phù hợp Trong giải pháp DTC kinh điển, định đợc đa khâu ĐC kiểu điểm Hình 8.4 Khâu quan sát tức thời (khâu Luenberger) Trong khâu quan sát Luenberger thông thờng, sai lệch đầu thời điểm thứ (k) đợc sử dụng để hiệu chỉnh vector trạng thái thời điểm thứ (k+1) Cã nghÜa lμ: chØ sau chu kú trích mẫu trôi qua lãng phí Thực tế, ta cã thĨ hiƯu chØnh ë thêi ®iĨm thø (k), v khâu quan sát nh có tên l khâu quan sát tức thời (Current Estimator, hình 8.4) với phơng trình tính toán sau đây: ổ Tử T y sN (k + 1) = ỗỗ1- r ữữữ y sN (k ) + r (1- s ) y rN (k ) ỗố Ts ữứ Ts + u sN (k ) n0 y rN (k + 1) = e jT w(k ) (11) éT ù ỉ ê y sN (k ) + ỗỗ1- T ữữ y rN (k )ỳ ữ ờT ỳ ỗố Ts ứữ ờở s ỳỷ 8.3 Thiết kế điều khiển theo nguyên lý DTC a) Quỹ đạo dẫn dắt từ thông stator Hình 8.5 Quỹ đạo dẫn dắt từ thông Stator Cỏc sectors I … VI chọn xoay lệch 30o so với sectors điều chế vector điện áp Bộ ĐK từ thơng chọn vector điện áp có tác dụng: tăng từ thông, hay giảm từ thông Bộ ĐK mômen: ĐK ba điểm chọn chuyển sang vector khơng u0,7 (vị trí chấm tròn đen quỹ đạo), mơmen quay đạt tới ngưỡng giới hạn sai lệch cho phép Việc lựa chọn vector điện áp thực theo bảng chuyển mạch tối ưu b) CÊu tróc ®iỊu khiển Hình 8.6 Cấu trúc điều khiển DTC sử dụng bảng chuyển mạch tối u c) Thiết kế bảng chun m¹ch Sector ĐK từ thơng Ry ĐK mơmen Rm I II III IV V VI -1 -1 u2 u7 u6 u3 u0 u5 u3 u0 u1 u4 u7 u6 u4 u7 u2 u5 u0 u1 u5 u0 u3 u6 u7 u2 u6 u7 u4 u1 u0 u3 u1 u0 u5 u2 u7 u4 Ý nghĩa: ĐK từ thông Ry = ĐK mômen Rm = : : -1 : : : Giảm từ thông Stator Tăng từ thông Stator Giảm nhanh mômen Giảm mômen vector zero u0,7 Tăng mômen 8.4 Cấu trúc điều khiển DTC tập đoàn ABB Hình 8.7 Cấu trúc điều khiển DTC sử dụng bảng chuyển mạch tập đon ABB Cu trỳc K theo nguyên lý DTC (cài đặt dòng sản phẩm ACS600, ACS800 tập đồn ABB) bao gồm vòng chính: Vòng trong: ĐK mơmen sử dụng bảng chuyển mạch tối ưu Vòng ngồi: ĐK tốc độ quay sử dụng ĐK tuyến tính (ví dụ: PI, PID) thơng thường H×nh 8.8 H×nh 8.9 Vòng trong: ĐK mơmen sử dụng bảng chuyển mạch tối ưu Vòng ngồi: ĐK tốc độ quay sử dụng ĐK tuyến tính (ví dụ: PI, PID) thơng thường ... zero u0,7 Tăng mômen 8.4 Cấu trúc điều khiển DTC tập đoàn ABB Hình 8.7 Cấu trúc điều khiển DTC sử dụng bảng chuyển mạch tập đon ABB Cu trỳc K theo nguyên lý DTC (cài đặt dòng sản phẩm ACS600,... động tới ys (hình 8.3) Trong phơng pháp DTC (bản chất l SFO) vector ys đáp lại trực tiếp thay đổi điện áp us Trong phơng pháp RFO, điện áp us tác động trực tiếp tới dòng is, để dòng tác động tới... ỳỷ 8.3 Thiết kế điều khiển theo nguyên lý DTC a) Quỹ đạo dẫn dắt từ thông stator Hình 8.5 Quỹ đạo dẫn dắt từ thông Stator Cỏc sectors I … VI chọn xoay lệch 30o so với sectors điều chế vector