Sử dụng phương pháp IRFOC điều khiển tiết kiệm năng lượng động cơ không đồng bộ ba pha

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÂM ĐÌNH THỊNH CƯỜNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP IRFOC ĐIỀU KHIỂN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG TP.HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Trịnh Hoàng Hơn Cán chấm, nhận xét 1: Cán chấm, nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Hoạc Bách Khoa - ĐHQN TP HCM, ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Xác nhận chủ tịch hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn chỉnh sửa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐỆN TỬ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC sĩ Họ tên học viên: Lâm Đình Thịnh Cường MSHV: 13181100 Ngày, tháng, năm sinh: 15/11/1984 Nơi sinh: Tiền giang Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số: 60520202 I TÊN ĐỀ TÀI: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP IRFOC ĐIỀU KHIỂN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xây dựng mơ hình động không đồng pha lý tưởng mơ hình có xét tổn hao sắt từ Xây dựng mơ hình phương pháp điều khiển IRFOC, mơ hình ước lượng vận tốc Xây dựng mơ hình cơng suất tổn hao bao gồm tổn hao sắt tổn hao đồng, giải tốn tối ưu cơng suất tổn hao, từ xây dựng giải thuật tìm giá trị từ thơng tối ưu để tối thiểu tổn hao Mô phương pháp điều khiển tiết kiệm lượng dựa phương pháp định hướng từ thơng rotor gián tiếp có không dùng cảm biến Kết luận phương pháp điều khiển trình bày trên, kiến nghị nghiên cứu II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trịnh Hoàng Hơn Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA: ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Trịnh Hoàng Hơn, người thầy tận tình hướng dẫn, động viên, tạo điều kiện tốt cung cấp cho nhiều tài liệu q giá giúp tơi hồn tất luận văn Đồng thời xin cảm ơn thầy khoa Điện - Điện Tử nhiệt tình truyền đạt kiến thức kinh nghiệm suốt thời gian tơi học trường Bên cạnh tơi xin cảm ơn người sau nhiệt tình giúp đỡ, cung cấp đầy đủ tài liệu liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu luận văn này: Ths Nguyễn Minh Nhật, TS Nguyễn Ngọc Tú Cuối muốn nói lời cảm ơn đến gia đình bao gồm: cha, mẹ, vợ hai con, họ chỗ dựa tinh thần vững giúp tơi có đủ kiên nhẫn, nghị lực để vượt qua khó khăn để hồn tất luận văn TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỀ TÀI: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP IRFOC ĐIỀU KHIỂN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Luận văn trình bày việc sử dụng phương pháp IRFOC để điều khiển tiết kiệm lượng cho động không đồng ba pha Để thực điều mơ hình giải thuật tác giả nghiên cứu ứng dụng Đầu tiên để tạo sở cho việc nghiên cứu, phương pháp điều khiển vòng kín khơng cảm biến dùng mơ hình MRAS (Model Reference Adaptive System - mơ hình điều khiển tham chiếu thích nghi) nghiên cứu ứng dụng vào kỹ thuật IRFOC (Indirect Rotor Field Oriented Controlđiều khiển gián tiếp từ thông Rotor) để điều khiển động không đồng ba pha Tiếp theo, nhằm giảm tổn hao tổng, chủ yếu tổn hao sắt tổn hao đồng, mơ hình cơng suất tổn hao (LMC - Loss Model-based Controller) dạng Simplified phương pháp IRFOC nghiên cứu đưa vào ứng dụng cho hai trường hợp: điều khiển dùng cảm biến không dùng cảm biến Tất kết mô thực phần mềm Simulink Matlab Kết cho thấy, hệ thống đưa đáp ứng giá trị tốc độ vùng vận hành bình thường động Giá trị từ thông thay đổi theo tải, tải tăng hay giảm đáp ứng từ thơng tăng giảm tỉ lệ, từ tổn hao sắt thay đổi theo Mặt khác đáp ứng điện áp tự động đặt vào động cách tương ứng phù hợp làm hạn chế tổn hao đồng Tác giả mong muốn ứng dụng giải thuật điều khiển tiết kiệm lượng vào lĩnh vực công nghiệp dân dụng chế biến thức ăn gia súc, thủy sản, sản xuất cao su, v.v Vì vậy, số tiêu chí điều khiển khơng u cầu q cao như: thời gian đáp ứng hệ thống; khảo sát vùng vận tốc lớn hay nhỏ nhiều so với đại lượng định mức Tuy nhiên, nhằm đánh giá mức độ bền vững hệ thống, giải thuật nghiên cứu thực trường hợp tốc độ động vượt định mức 20%; trường hợp tốc độ moment thay đổi; trường hợp tốc độ không đổi moment thay đổi, hay moment thay đổi tốc độ không đổi Hầu hết kết nhận khả quan có triễn vọng ứng dụng vào thực tế ABSTRACT USING IRFOC FOR LOSS MINIMIZING CONTROL OF THREE PHASE INDUCTION MOTOR This dissertation describes a method for loss minimizing control of three phase induction motor by using IRFOC (Indirect Rotor Field Oriented Control) method To so, several well-known models and methods are studied and applied Firstly, to get base knowledge for researching, MRAS (Model Reference Adaptive System) model for sensorless closed loop is used to indirectly control the Rotor’s field orientation of three phase induction motor Secondly, to reduce the total loss - usually iron and copper losses are mentioned, IRFOC method using LMC (Loss Model-based Controller) model is studied and they are to be applied for both cases sensor and sensorless The studied method is performed by Simulink of Matlab Software The results shown that, the system responds to referent signals with any regular value-speed of motor Rotor flux value varies corresponding to the decrease or increase of torque of load; so the iron loss is decrease when the motor’s load is decrease In parallel, the motor’s voltage is adaptively changed to limit the copper loss The studied loss minimizing control method is expected to apply for civil industrial such as animal feed processing, seafood processing, rubber production, etc So several criteria of responded signals are not tightly mentioned, for example responded time of system, or the case of very high speed (weakening flux) However, to consider the reliable characteristic of the system, the studied method is as well performed with the case of 120% rated value of speed Furthermore, the case of speed and torque are changed; or speed is changed but the torque is constant or opposite case All archived results are highly potential for real applications V LỜI CAM ĐOAN Tơi tên: LÂM ĐÌNH THỊNH CƯỜNG, học viên lớp Cao Học chuyên ngành Kỹ Thuật Điện, khóa 2013, Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia TP HCM Tôi xin cam đoan luận văn tơi tự thực Các số liệu luận văn hồn tồn trung thực, thơng tin tài liệu trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc Tơi xin chịu trách nhiệm hồn tồn kết nghiên cứu luận văn Học viên Lâm Đình Thịnh Cường vi GIẢI THÍCH CHỮ VIẾT TẮT, KỶ HIỆU Superscripts - phần viết bên trên: f hệ quy chiếu quay tổng quát s hệ quy chiếu đứng yên stator e hệ quy chiếu quay đồng hệ quy chiếu từ thông rotor Subscripts phần viết bên duới: XX x(đầu tiên) trục tọa độ chiếu xuống, x(thứ hai) thành phần cần chiếu a, b, c trục a, b, c pha, cuộn dây a, p trục a, p hệ quy chiếu đứng yên stator d, q trục d, q hệ quy chiếu quay max giá trị lớn giá trị nhỏ rated giá trị định mức limit giới hạn s đại luợng stator r đại luợng rotor m đại luợng nhánh từ hóa Các ký hiệu (chính): IM induction motor - động không đồng FOC Field Oriented Controls - điều khiển định hướng trường SFOC Stator Field Oriented Control - điều khiển định hướng từ thông Stator RFOC Rotor Field Oriented Control - điều khiển định hướng từ thông Rotor IRFOC Indirect Rotor Field Oriented Control - điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp LMC hao Loss Minimizing-based Controller - điều khiển tối thiểu tổn vii sc MRAS chiếu thích nghi Search Control - điều khiển tìm kiếm Model Reference Adaptive System - hệ thống mơ hình tham hệ sơ từ thơng rò f h’ h V v vV V V S’ r’ m dòng điện stator, rotor, nhánh từ hóa, điện trở sắt từ điện áp stator, rotor, nhánh từ hóa Rs, Rr Ts điện trở stator, rotor thời điện stator Tr thời điện rotor đại luợng từ thông liên kết stator đại luợng từ thông liên kết rotor ĩ' vector từ thông liên kết stator s 'wr vector từ thông liên kết rotor um vận tốc quay trục rotor úìr vận tốc quay điện trục rotor íúe vận tốc quay đồng Uslip vận tốc quay trượt WsxWr tích có hướng hai vector H's, vPr Te,TL P,Np moment điện từ, moment tải số cực, số cặp cực un vận tốc quay đồng định mức MỤC LỤC NỘI DUNG Trang CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.1 TƠNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1.1 Phương pháp điều khiển giảm cơng suất tổn hao dựa mơ hình cơng suất tổn hao LMC (Loss-Model_Based Controller) 1.1.2 Phương pháp điều khiển giảm công suất tổn hao dựa phương pháp dò tìm cực tiểu giá trị công suất đầu vào (SC) 1.1.3 Các phương pháp điều khiển không dùng cảm biến [21] 1.2 PHẠM VI NGHIÊN cứu CỦA LUẬN VĂN 1.3 SẢN PHẨM CỦA LUẬN VĂN 10 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ PHA (IM) BANG PHƯƠNG PHÁP IRFOC 10 2.1.1 Phép chuyển trục từ (abc)«-> (a|3) [24] 10 2.1.2 Phép chuyển trục từ (a|3) (dq) [24] 12 2.1.3 Các hệ phương trình động khơng đồng pha hệ quy chiếu [24] 13 2.1.4 Mô hình trạng thái động hệ tọa độ a|3 15 2.1.5 Mơ hình trạng thái động hệ tọa độ dq tổng quát: [24] 17 2.1.6 Mơ hình trạng thái IM hệ quy chiếu dq đồng : [24] 20 2.2 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ PHA CĨ TỔN HAO SẮT TỪ: [25] 22 2.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIẾN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG (FOC) [27] 26 2.3.1 Các phương pháp ước lượng từ thông: [27 ] 26 2.3.2 Ước lượng vận tốc: [21] 28 2.3.3 Các phương trình trạng thái IM hệ tọa độ từ thơng Rotor: 33 2.3.4 Mơ hình điều khiển IM dựa phương pháp định hướng từ thông Rotor gián tiếp (IRFOC), hồi tiếp dòng: [24] 37 11 ... PHÁP IRFOC ĐIỀU KHIỂN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Luận văn trình bày việc sử dụng phương pháp IRFOC để điều khiển tiết kiệm lượng cho động không đồng ba pha Để thực điều mô... 60520202 I TÊN ĐỀ TÀI: SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP IRFOC ĐIỀU KHIỂN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xây dựng mơ hình động khơng đồng pha lý tưởng mơ hình có xét... DựNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG KHÔNG ĐỒNG Bộ (IM) PHA BÀNG PHƯƠNG PHÁP IRFOC 2.1 CÁC PHƯƠNG TRÌNH BẢN CỦA ĐỘNG KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA LÝ TƯỞNG Đặc tính động động khơng đồng pha mơ tả hệ phương trình