Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp dtc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA QUẢN LÝ SAU ĐẠI HỌC HÙYNH QUANG TUẤN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP DTC CHUYÊN NGHÀNH MÃ SỐ NGHÀNH TP HCM THÁNG 7-2004 : KỸ THUẬT ĐIỆN : 02.00.01 LỜI CẢM TẠ Tôi xin chân thành cảm ơn tất thầy cô giáo khoa Điện-Điện Tử trường ĐHBK Tp Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy suốt khóa học trường Đặt biệt cảm ơn thầy TS Phạm Đình Trực tận tình hướng dẫn giúp đở hoàn thành luận văn Xin cảm ơn bố mẹ nuôi khôn lớn, xin cảm ơn anh chị em em Lê Thị Kiều Chinh tạo điều kiện tốt cho để hòan thành khóa học Tp.HCM ngày 17/7/2004 Hùynh Quang Tuấn LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần nay, ứng dụng phương pháp tựa trường (FOC) nở rộ đạt thành công to lớn Song song có nhiều nghiên cứu để đưa giải pháp nhằm điều khiển tốc độ động không đồng với mục tiêu sau: 1) Điều khiển xác nhanh hai giá trị từ thông momen động 2) Đơn giản hóa giải thuật phương pháp tựa trường Đáp ứng yêu cầu đó, phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC) đời chấp nhận ứng dụng vào thương mại cách rộng rãi năm gần Khác với phương pháp tựa trường (điều khiển động dựa việc biến đổi tính chất điện từ động không đồng (ĐCKĐB) tương đương với động DC), phương pháp DTC cho phép điều khiển nhanh từ thông momen trục động thông qua điều khiển trực tiếp nghịch lưu áp Với quan điểm này, DTC trở thành phương pháp để điều khiển tốc độ ĐCKĐB Phương pháp DTC cổ điển phát minh Takahashi vào năm 1986 với khả điều khiển nhanh momen giảm tần số đóng cắt cho nghịch lưu Phương pháp DTC xem phương pháp thay phương pháp FOC tính ưu điểm tính đơn giản cấu trúc điều khiển, thời gian tính tóan nhanh, phụ thuộc vào tham số động cơ… Tuy nhiên phương pháp có số nhược điểm sau: khởi động không tốt, dao động từ thông vùng vận tốc thấp momen vùng vận tốc cao, suy giảm kích từ làm việc vùng vận tốc thấp,tần số đóng cắt nghịch lưu biến thiên theo điểm làm việc động Hiện nay, nhiều nhà khoa học nghiên cứu để cải tiến phương pháp DTC Tuy nhiên, số thành qủa dừng lại việc hạn chế số nhược điểm phương pháp DTC Việc lọai bỏ tất nhược điểm mà không thay đổi cấu trúc giải thuật điều khiển phức tạp Trong luận văn này, tác giả tiến hành nghiên cứu cải tiến phương pháp Takahashi nhằm tránh suy giảm kích từ dao động từ thông vùng vận tốc thấp Tác giả theo hướng cải tiến bảng đóng cắt đơn giản tính khả thi Phương pháp không làm ưu điểm phương pháp DTC đơn giản giải thuật điều khiển, không thay đổi nhiều phần cứng phần mềm Cấu trúc luận văn: Chương 1: Giới thiệu động không đồng điểm qua phương pháp điều khiển tốc độ Chương 2: xây dựng mô hình động không đồng nghịch lưu áp Matlab Chương 3: Nghiên cứu phương pháp DTC Takahashi đưa nhược điểm Chương 4: Cải tiến phương pháp DTC Takahashi nhằm tránh suy giảm kích từ dao động từ thông vùng vận tốc thấp theo hướng cải tiến bảng đóng cắt Chương 5: Kết luận đề xuất hứớng nghiên cứu Luận văn cao học K13 MỤC LỤC Các ký hiệu sử dụng luận văn Chương 1: Giới thiệu ĐCKĐB phương pháp điều khiển Chương 2: Mô hình ĐCKĐB nghịch lưu áp A Mô hình động cô I Hệ phương trình mô tả động II Hệ phương trình động dạng véc tơ không gian 12 III Chuyển đổi hệ trục tọa độ 17 IV Mô hình động hệ toạ độ stato (Oαβ) 18 V Xây dựng mô hình động Matlab 20 B Mô hình nghịch lưu áp 24 Chương 3: Phương pháp điều khiển DTC Takahashi 28 I Mối quan hệ vectơ điện áp biến thiên từ thông momen 28 II Phương pháp DTC Takahashi 33 III Mô phương pháp DTC Takahashi 38 IV Phân tích DTC Takahashi 52 V Kết luận 54 Chương 4: Cải tiến phương pháp DTC Takahashi 55 I Caûi tiến phương pháp DTC Takahashi theo hướng Casadei 55 II Cải tiến phương pháp DTC Takahashi theo hướng Alfonso 66 Chương 5: Kết luận 75 Tài liệu khảo 76 Luận văn cao học K13 CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN ua, ub, uc Điện áp pha stato ia, ib, ic Dòng điện pha stato ϕa, ϕb, ϕc Từ thông móc vòng pha stato uAr, uBr, uCr Điện áp pha roto chưa quy đổi iAr, iBr, iCr Điện áp pha roto chưa quy đổi uA, uB, uC Điện áp pha roto sau quy đổi iA, iB, iC Dòng điện pha roto sau quy đổi ϕAr, ϕBr, ϕCr Từ thông móc vòng pha roto chưa quy đổi ϕA, ϕB, ϕC Từ thông móc vòng pha roto sau quy đổi Rs Điện trở cuộn dây stato Rrr Điện trở cuộn dây roto chưa quy đổi Rr Điện trở cuộn dây roto sau quy đổi Lms Điện cảm cuộn dây stato Lmr Điện cảm cuộn dây roto Lls Điện cảm rò cuộn dây stato Llrr Điện cảm rò cuộn dây roto chưa quy đổi Llr Điện cảm rò cuộn dây roto sau quy đổi Lmsr Điện cảm hổ cảm cực đại cuộn dây stato với roto chưa quy đổi usa, usb, usc Vectơ điện áp pha stato uks Vectơ điện áp tổng stato hệ tọa độ k (k=s,r…) isa, isb, isc Vectơ dòng điện pha stato iks Vectơ dòng điện tổng stato hệ tọa độ k (k=s,r…) ϕsa, ϕsb, ϕsc Vectơ từ thông pha stato ψks Vectơ từ thông tổng stato hệ tọa độ k (k=s,r…) urA, urB, urC Vectơ điện áp pha roto ukr Vectơ điện áp tổng roto hệ tọa độ k (k=s,r…) irA, irB, irC Vectơ dòng điện pha roto ikr Vectơ dòng điện tổng roto hệ tọa độ k (k=s,r…) Luận văn cao học K13 ϕrA, ϕrB, ϕrC Vectơ từ thông pha roto ψkr Vectơ từ thông tổng roto hệ tọa độ k (k=s,r…) Lm=3/2Lms Điện cảm từ hóa Ls= Lls +3/2Lms Điện cảm tổng stato Lr= Llr +3/2Lms Điện cảm tổng roto δ Hệ số từ tản θer Góc điện roto θk Góc quay hệ tọa độ k ωer Tốc độ điện roto ωk Tốc độ góc hệ tọa độ k ωr Tốc độ góc roto Te Momen điện từ trục động Tl Momen tải trục động J Momen quán tính trục động p Số đôi cực động 1/s Phép tính tích phân s Phép tính vi phân • Nhân vô hướng vectơ ⊗ Nhân hữu hướng vectơ Luận văn cao học K13 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ ĐIỂM QUA CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN Động không đồng (ĐCKĐB) Động không đồng (ĐCKĐB) đặt biệt động roto lồng sóc ngày sử dụng rộng rãi công nghiệp có nhiều ưu điểm động DC không đòi hỏi bảo trì thường xuyên, độ tin cậy cao, khối lượng quán tính nhỏ hơn, giá rẻ có khả làm việc môi trường độc hại cháy nổ Do ĐCKĐB sử dụng rộng rãi công nghiệp so với tất lọai động khác Tuy nhiên gần đây, phần lớn ĐCKĐB sử dụng ứng dụng với tốc độ không đổi, phương pháp điều khiển tốc độ động KĐB trước thường đắt hiệu qủa Với phát triển mạnh mẽ kỹ thuật bán dẫn công suất cao kỹ thuật vi xử lý, điều khiển ĐCKĐB chế tạo với đáp ứng cao giá thành rẻ điều khiển động DC Do đó, ĐCKĐB thay động DC nhiều ứng dụng Dự kiến tương lai gần, ĐCKĐB sử dụng rộng rãi hầu hết hệ truyền động điều chỉnh tốc độ Giới thiệu phương pháp điều khiển động KĐB Điều khiển vòng kín tốc độ động DC Điều khiển vô hướng ĐCKĐB Điều khiển tựa trường ĐCKĐB Điều khiển trực tiếp momen ĐCKĐB Hình 1: Các phương pháp điều khiển động KĐB a Phương pháp V/f = Const (Điều khiển vô hướng) Các đặc trưng chủ yếu: Luận văn cao học K13 − Biến điều khiển điện áp tần số − Sử dụng điều chế độ rộng xung − Thông thường điều khiển dạng vòng hở − Từ thông giữ không đổi cách giữ V/f = Const Ưu điểm: − Đơn giản, không cần hồi tiếp − Rẻ tiền Nhược điểm: − Không điều khiển tối ưu momen − Không điều khiển trực tiếp momen từ thông stato − Độ xác không cao − Đáp ứng chậm b Phương pháp định hướng trường FOC (Field Oriented Control) Các đặc trưng: − Định hướng từ thông tối ưu momen − Điều khiển vòng kín − Momen khiều khiển gián tiếp Ưu điểm: − Đáp ứng momen nhanh − Điều khiển xác vận tốc − Đảm bảo momen vận tốc zero − Tương tự điều khiển động DC Nhược điểm: − Phải có hồi tiếp tốc độ giải thuật điều khiển − Chuyển đổi hệ quy chiếu liên tục − Cần phải điều chế độ rộng xung, phụ thuộc vào điều khiển dòng tham số động c Phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC Các đặc trưng: − Được giáo sư Takahashi phát minh vào năm 1986 − Điều khiển độc lập momen từ thông Ưu điểm: Luận văn cao học K13 − Định hướng từ thông tối ưu hóa momen − Điều khiển trực tiếp momen từ thông − Không cần hồi tiếp tốc độ, momen, từ thông lấy trực tiếp từ hệ quan sát − Không cần điều khiển dòng điện, điều chế độ rộng xung, khâu chuyển hệ tọa độ (biến đổi Park) − Tính động cao − Thời gian tính tóan nhanh − Ít phụ thuộc vào tham số động (chỉ có khâu quan sát) Nhược điểm: − Khởi động không tốt − Sự suy giảm kích từ dao động từ thông vùng vận tốc thấp momen vùng vận tốc cao − Tần số đóng cắt nghịch lưu biến thiên theo điểm làm việc động Luận văn cao học K13 Hình 4.6: Đáp ứng từ thông phương án Casadei Hình 4.7: Đáp ứng momen phương án Casadei 62 Luận văn cao học K13 Hình 4.8: Dạng sóng dòng điện phương án Casadei b Mô đảo chiều quay Hình 4.9: Vận tốc đặt 63 Luận văn cao học K13 Hình 4.10: Vận tốc Hình 4.11: Từ thông 64 Luận văn cao học K13 Hình 4.12: Momen Hình 4.13: Dòng điện 65 Luận văn cao học K13 Nhận xét: Dòng điện khởi động không lớn 37A so với Takahashi 63A Dòng điện khởi động không lớn hạn chế giao động từ thông bắt đầu khởi động Về chất lượng điều khiển tương đương với Takahashi Tuy nhiên vùng vận tốc thấp, từ thông không suy giảm dao động Tuy nhiên bảng đóng cắt Casadei bảng đóng cắt phụ thuộc vào vận tốc Vận tốc lấy từ sensor vận tốc hay quan sát vận tốc Sự phụ thuộc giải thuật điều khiển vào vận tốc làm giảm tính ưu việt phương pháp DTC II Cải tiến phương pháp DTC Takahashi theo hướng Alfonso Giải thích phương án Alfonso Một phương pháp cải tiến bảng đóng cắt Takahashi đưa giáo sư người Pháp Alfonso Alfonso đưa bảng đóng cắt độc lập với vận tốc không gia tăng tần số đóng cắt Ông tập trung vào việc giảm suy yếu kích từ phương pháp Takahashi vùng vận tốc thấp Ông kết hợp cải tiến đồng thời so sánh, bảng đóng cắt mặt phẳng phức có suy giảm từ thông Phương pháp Alfonso tóm tắt sau: Khi bình thường ông sử dụng bảng đóng cắt Takahashi với việc sử dụng so sánh momen bậc áp dụng vectơ zero để giảm tần số đóng cắt Khi có suy giảm từ thông đến giới hạn định trước chuyển sang đóng cắt định nghóa lại sector đồng thời sử dụng so sánh momen bậc (bảng đóng cắt kích từ) Bộ so sánh cho từ thông sau: -hbf hbf 2hbf Sai lệch từ thông Hình 4.14: Bộ so sánh từ thông bậc Alfonso 66 Luận văn cao học K13 Bảng đóng cắt Alfonso cho bảng sau: dT e S1 S2 S3 u2 u3 u4 dψS = u7 u0 u7 -1 u6 u1 u2 dTe S1 S2 S3 u3 u4 u5 dψS = 0 u0 u7 u0 -1 u5 u6 u1 dTe S7 S8 S9 dψS =2 u2 u3 u4 -1 u1 u2 u3 Bảng 4.12: Bảng đóng cắt S4 S5 S6 u5 u6 u1 u0 u7 u0 u3 u4 u5 S4 S5 S6 u6 u1 u2 u7 u0 u7 u2 u3 u4 S10 S11 S12 u5 u6 u1 u4 u5 u6 cuûa Alfonso Bảng đóng cắt từ thông suy giảm (bảng đóng cắt kích từ) dTe S7 S8 S9 S10 S11 S12 dψS =2 u2 u3 u4 u5 u6 u1 u5 u6 u1 u2 u3 u4 Bảng 4.13: Bảng đóng cắt kích từ Alfonso SaSbSc S7 S8 S9 S10 S11 S12 dψS =2 1 110 010 011 001 101 100 -1 100 110 010 011 001 101 Bảng 4.14: Bảng đóng cắt cho chân nghịch lưu dTe ∆ψ+dTe Khai triển cho pha: Bản đóng cắt pha a INDEX 10 11 12 1 0 1 1 0 Bảng đóng cắt pha b 1 0 0 1 0 Bảng đóng caét pha c 0 1 0 0 1 Bảng 4.13: Bảng đóng cắt cho pha Mặt phẳng phức định nghóa lại Các sector quay gó 300 theo chiều ngược kim đồng hồ 67 Luận văn cao học K13 uk+2 uk+1 Sector k uk+3 uk u0,7 uk-1 uk-2 Hình 4.15: Mặt phẳng kích từ Trong bảng đóng cắt kích từ, Alfonso không sử dụng véc tơ zero Ông sử dụng véc tơ uk+1 để tăng momen uk để giảm momen Nhu cầu từ thông tăng bảng đóng cắt Ta thấy việc sử dụng véc tơ uk+1 uk tăng biên độ từ thông nhanh chúng có thành phần hướng tâm lớn Mô Matlab: Vẫn sử dụng mô hình Takahashi để mô thay so sánh Alfonso Thêm bảng đóng cắt kích từ Alfonso khâu xác định vị trí véc tơ từ thông Giới hạn từ thông stato để chuyển qua bảng đóng cắt kích từ 98% từ thông đặt (từ thông định mức) a Mô vùng vận tốc thấp Kết qủa mô sau: 68 Luận văn cao học K13 Hình 4.16: Vận tốc đặt phương pháp Alfonso 69 Luận văn cao học K13 Hình 4.17: Vận tốc đặt phương pháp Alfonso Hình 4.18: Đáp từ thông phương pháp Alfonso Hình 4.19: Đáp ứng momen phương pháp Alfonso 70 Luận văn cao học K13 Hình 4.20: Dạng sóng dòng điện phương pháp Alfonso b Mô đảo chiều quay Hình 4.21: Vận tốc đặt 71 Luận văn cao học K13 Hình 4.22: Vận tốc Hình 4.23: Từ thông 72 Luận văn cao học K13 Hình 4.23: momen Hình 4.24: Dạng dòng điện 73 Luận văn cao học K13 Nhận xét: Về chất lượng điều khiển tương đương với Takahashi Tuy nhiên vùng vận tốc thấp, từ thông không suy giảm dao động Ta thấy phương án Alfonso dòng điện khởi động tốt Takahashi từ thông dao động khởi động 74 Luận văn cao học K13 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN Chúng ta khảo sát phương pháp điều khiển DTC Takahashi, phương pháp điều khiển ta rút số kết luận sau: − Điều khiển độc lập, trực tiếp momen từ thông − Không cần hồi tiếp tốc độ Momen, từ thông lấy trực tiếp từ hệ quan sát − Không cần điều khiển dòng điện, điều chế độ rộng xung, khâu chuyển hệ tọa độ (biến đổi Park) phương pháp FOC − Tính động cao − Thời gian tính tóan nhanh − Ít phụ thuộc vào tham số động (chỉ có khâu quan sát từ thông momen) Tuy nhiên số nhược điểm như: − Khởi động không tốt − Từ thông suy giảm dao động vùng vận tốc thấp momen vùng vận tốc cao − Tần số đóng cắt nghịch lưu biến thiên theo điểm làm việc động cơ… Việc cải tiến bảng đóng cắt theo hướng Casadei cho kết qủa tốt Không bị suy giảm kích từ, từ thông dao động vùng vận tốc thấp Tuy nhiên phương pháp Casadei đóng cắt lại phụ thuộc vận tốc, làm tính đơn giản đặc trưng phương pháp DTC Cải tiến bảng đóng cắt theo hướng Alfonso giảm độ giao động từ thông suy giảm kích từ vùng vận tốc thấp Đây phương án khả thi cần thay đổi phần mềm, không cần thay đổi cấu trúc phần cứng Cả hai phương pháp cải tiến không tăng tần số đóng cắt nghịch lưu so với phương pháp Takahashi Trên cải thiện nhược điểm Takahashi Trong thời gian tới, tác giả nghiên cứu thêm bảng đóng cắt vừa hạn chế suy giảm kích từ dao động từ thông vùng vận tốc thấp, vừa giảm dao động momen vùng vận tốc cao 75 Luận văn cao học K13 TÀI LIỆU THAM KHẢO Truyền động điện: Phan Quốc Dũng – Tô Hữu Phúc Truyền động điện thông minh: Nguyễn Phùng Quang – Andreas Dittrich ABB technical guide Alfonso, D., G.,Ignazio,M., and Aldo,P (1999), An Improved lookup table for zero speed control in DTC drives, European Conference on power electronic and Application, Vol 11, No.5, pp.483-488 D CASADEI, G SERRA, A TANI: Performance analysis of a DTC control scheme for induction motors in the low speed range Proc of EPE ‘97, Trondheim, 8-10 Sept 1997, Vol III, pp 3.700 - 3.704 D Casadei, G Grandi, G Serra, A Tani: Effects of flux and torque hysteresis band amplitude in direct torque control of induction machines Proc of IECON '94, 5-9 September, 1994, Bologna, Italy, pp 299-304 Ion Boldea, S.A Nasar: Electric Drives 76 ... THIỆU ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ ĐIỂM QUA CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN Động không đồng (ĐCKĐB) Động không đồng (ĐCKĐB) đặt biệt động roto lồng sóc ngày sử dụng rộng rãi công nghiệp có nhiều ưu điểm động. .. Điều khiển vòng kín tốc độ động DC Điều khiển vô hướng ĐCKĐB Điều khiển tựa trường ĐCKĐB Điều khiển trực tiếp momen ĐCKĐB Hình 1: Các phương pháp điều khiển động KĐB a Phương pháp V/f = Const (Điều. .. học K13 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN Phương pháp điều khiển trực tiếp momen kỹ thuật hỗn hợp cho điều khiển nghịch lưu tốc độ động không đồng Nó cho phép điều khiển nhanh xác