Điều khiển động cơ không đồng bộ sử dụng bộ biến đổi ma trận

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐOÀN QUỐC HƯNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI MA TRẬN Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2010 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS LÊ MINH PHƯƠNG Ký tên: Cán chấm nhận xét 1: Ký tên: Cán chấm nhận xét 2: Ký tên: Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬNVĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2010 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp HCM, ngày tháng năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: ĐOÀN QUỐC HƯNG Ngày, tháng, năm sinh: 15/7/1972 Phái: Nam Nơi sinh: Kiên Giang Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng Nhà máy điện MSHV: 01808301 I - TÊN ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI MA TRẬN II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - Nghiên cứu phương pháp điều khiển động không đồng ba pha - Nghiên cứu phương pháp điều chế cho biến đổi ma trận - Xây dựng mơ hình viết chương trình mơ phần mềm Matlab III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/01/2010 IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2010 V - HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LÊ MINH PHƯƠNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Tơi xin kính gởi đến Thầy TS Lê Minh Phương lời biết ơn sâu sắc Thầy dành nhiều thời gian quý báu trực tiếp hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi lời khun bổ ích, giúp tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa, người truyền đạt kiến thức, định hướng nghiên cứu; đồng thời xin cảm ơn Ban Giám hiệu đồng nghiệp trường CĐ Kinh tế-Kỹ thuật Kiên Giang tạo điều kiện thuận lợi để tập trung học tập trường Tôi nhận giúp đỡ bạn khóa, lớp Các bạn đóng góp cho tơi ý kiến tài liệu giá trị Xin gởi đến bạn lời cảm ơn chân thành Cuối cùng, tơi xin kính gởi đến gia đình lịng biết ơn chân thành, sâu sắc nhất: Gia đình, Cha Mẹ, anh chị em, vợ động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu TP HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2010 Đồn Quốc Hưng TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ Hướng dẫn: TS Lê Minh Phương Thực hiện: Đoàn Quốc Hưng Matrix Converter (MC) có đặc tính lý tưởng là: Mạch công suất gọn đơn giản; tạo điện áp tải với biên độ tần số bất kỳ; dòng điện ngõ vào dạng sin; hoạt động với hệ số công suất cho loại tải; có khả tái sinh, MC trở thành thay tốt cho loại biến tần truyền thống Tuy nhiên cịn số hạn chế: Giải pháp đóng cắt phức tạp; Các khố hai chiều khơng có sẵn thực tế; Tỉ số truyền hạn chế; Việc định giải pháp điều chế khó khăn Việc sử dụng MC để điều khiển mômen trực tiếp động không đồng phương pháp kết hợp ưu điểm MC với sơ đồ DTC, FOC linh hoạt, ổn định, đặc tính điều khiển hiệu cao đạt tỉ số truyền điện áp cao, việc áp dụng sơ đồ điều khiển rộng rải vào ứng dụng thực tế cần tiếp tục nghiên cứu Luận văn chia thành năm chương với nội dung sau:  Chương 1: Giới thiệu nghiên cứu tình hình phát triển biến đổi ma trận nay, ưu nhược điểm biến đổi ma trận so với loại biến tần truyền thống, đồng thời nêu lên vấn đề nghiên cứu luận văn  Chương 2: Khảo sát sở thành lập mơ hình tốn học cho động không đồng ba pha, nêu mối quan hệ đại lượng động như: điện áp, dịng điện, từ thơng, moment, tốc độ…, sở vận dụng vào việc điều khiển động trình bày chương  Chương 3: Trình bày phương pháp điều khiển động KĐB: khái niệm, phân loại, phương pháp điều khiển, mơ hình điều khiển nêu lên ưunhược điểm phương pháp điều khiển: Điều khiển V/F; Điều khiển định hướng theo trường (FOC_Field Oriented Control) Điều khiển trực tiếp moment (DTC_Direct Torque Control)  Chương 4: Giới thiệu biến đổi tần số AC/AC, sơ đồ cấu trúc, nguyên lý bản, phương trình đại lượng đầu vào – ra, phương pháp điều chế, ưu - nhược phương pháp, phần nghiên cứu điều chế vector không gian gián tiếp cho biến đổi ma trận trình bày chi tiết: Vector khơng gian thực hai phần VSR (Voltage Source Rectifier) VSI (Voltage Source Inverter) MC Cách tính dịng điện ngõ vào điện áp ngõ ra; tính tốn thời gian đóng ngắt; qui luật đóng ngắt cho khố; đưa kết mơ biến đổi ma trận phần mềm Matlab, có so sánh kết với MC điều chế kỹ thuật sóng mang  Chương 5: Trong phần đưa mơ hình mơ sử dụng MC (điều chế phương pháp vector không gian gián tiếp) điều khiển động KĐB theo phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp kết mô phần mềm Matlab Mục lục MỤC LỤC Trang Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ Lời cảm ơn Tóm tắt luận văn thạc sĩ Mục lục Các ký hiệu sử dụng luận văn 10 Danh sách hình vẽ 12 Chương 1: Tổng quan 15 Chương 2: Động không đồng ba pha 17 2.1 Tổng quan động không đồng ba pha 17 2.2 Mơ hình tốn động khơng đồng ba pha 19 a Mơ hình tốn hệ tọa độ α-β 19 b Mơ hình toán hệ tọa độ d-q 22 Chương 3: Các phương pháp điều khiển động không đồng 25 3.1 Tổng quát phương pháp điều khiển 25 3.2 Phương pháp điều khiển V/F 27 3.3 Phương pháp DTC 31 3.3.1 Giới thiệu chung 31 3.3.2 31 Nguyên tắc điều khiển DTC 3.4 Phương pháp điều khiển định hướng trường 3.4.1 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông 36 40 roto trực tiếp-DRFOC 3.4.2 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông 44 roto gián tiếp-IRFOC Chương 4: Bộ biến đổi ma trận ba pha 46 Mục lục 4.1 Các điều khiển tần số AC/AC 46 4.1.1 Bộ biến đổi tần số nguồn điện AC/AC gián tiếp 47 4.1.2 Bộ biến đổi tần số nguồn điện AC/AC trực tiếp 48 4.2 Bộ biến đổi ma trận ba pha 49 4.3 Các phương pháp điều chế biến đổi ma trận ba pha 52 4.3.1 Phương pháp điều chế Venturini 52 4.3.2 Phương pháp điều chế Venturini cải biến 54 4.3.3Phương pháp điều chế Vô hướng 54 (Scalar modulation menthod) 4.3.4 Phương pháp điều chế sóng mang 55 (Direct duty PWM) 4.3.5 Phương pháp điều chế Vector không gian 4.3.5.1 Điều chế vector không gian điện áp 58 59 ngõ (VSI Output Voltage SVM) 4.3.5.2 Điều chế vector khơng gian dịng điện 62 ngõ vào (VSR input Current SVM) 4.3.5.3 Điều chế vector không gian 63 dòng điện ngõ vào điện áp ngõ (MC Output Voltage and input Current SVM) 4.4 Mô biến đổi ma trận sử dụng Matlab 70 4.4.1 Giải thuật lập trình 70 4.4.2 Mơ hình 71 4.4.2.1 Khối nguồn ba pha 71 Mục lục 4.4.2.2 Sơ đồ khối biến đổi ma trận 72 4.4.2.3 Khối tải R-L 76 4.4.3 Kết mô Chương 5: Mô HT động Matric-Động KĐB 76 84 theo PP RFOC 5.1 Mơ hình mơ 84 5.1.1 Khối nguồn ba pha 84 5.1,2 Khối Matrix Converter 85 5.1.3 Khối RFOC 87 5.1.4 Khối động không đồng 89 5.2 Kết mô 91 5.2.1 Động khởi động không tải 91 5.2.2 Thay đổi tốc độ tải định mức 95 5.2.3 Thay đổi tải tốc độ không đổi 97 5.2.4 Đảo chiều quay động 99 5.2 Kết luận so sánh 101 Tài liệu tham khảo 103 Lý lịch trích ngang 105 Phụ lục 106 10 Các ký hiệu CÁC KÝ HIỆU Ta thống số quy ước cho ký hiệu đại lượng thông số động sau: - Trục chuẩn quy ước trục cuộn dây pha A - Ký hiệu mũi tên vector chiều - Ý nghĩa vị trí ký hiệu đại lượng sau: Chỉ số nhỏ góc phải trên: s đại lượng quan sát hệ quy chiếu stator ( hệ tọa độ  ) f đại lượng quan sát hệ quy chiếu từ thông rotor ( hệ tọa độ dq ) r đại lượng quan sát hệ tọa độ rotor với trục thực trục rotor Chỉ số nhỏ góc phải dưới: Chữ đầu tiên: s đại lượng mạch stator r đại lượng mạch rotor Chữ thứ 2: d,q phần tử thuộc hệ tọa độ dq , phần tử thuộc hệ tọa độ  a,b,c đại lượng pha - Các đại lượng động KĐB Pha U điện áp (V) I dịng điện (A) Ψ từ thơng (Wb) Te mômen điện từ (N.m) TL mômen tải (momen cản - torque) (Nm) n tốc độ động n1 tốc độ đồng n2 tốc độ trượt ω tốc độ góc rotor so với stator (rad/s) ωa tốc độ góc hệ toạ độ (rad/s) ωs tốc độ góc từ thơng stator so với stator (ωs = ω + ωsl)(rad/s) ωr tốc độ góc từ thông rotor so với stator (ωr ≈ ωs) (rad/s) ωsl tốc độ góc từ thơng rotor so với rotor (tốc độ trượt) (rad/s) θ góc trục rotor (cuộn dây pha A) hệ toạ độ αβ (rad) θ’ góc trục d (hệ toạ độ quay bất kỳ) hệ toạ độ αβ (rad) s góc từ thông stator hệ toạ độ αβ (rad) r góc từ thơng rotor hệ toạ độ sr góc từ thơng stator so với từ thơng rotor hệ tọa độ αβ 99 Chương 5: Mô HT động Matric-động KĐB theo phương pháp RFOC d Tần số nguồn fs=50Hz, tần số f0=60Hz, moment tải thay đổi theo cấp từ TL= 13.25->26.5->0N.m Hình 5.31 5.2.4 Đảo chiều quay động a Tần số nguồn fs=50Hz , Tần số f0=10Hz Hình 5.32 100 Chương 5: Mơ HT động Matric-động KĐB theo phương pháp RFOC b.Tần số nguồn fs=50Hz , Tần số f0=25Hz Hình 5.33 c Tần số nguồn fs=50Hz , Tần số f0=50Hz Hình 5.34 101 Chương 5: Mô HT động Matric-động KĐB theo phương pháp RFOC d.Tần số nguồn fs=50Hz , Tần số f0=60Hz Hình 5.35 5.2 KẾT LUẬN VÀ SO SÁNH - Khi động khởi động không tải với vận tốc định mức theo phương pháp FOC sử dụng biến đổi ma trận dùng kỹ thuật điều chế SVPWM (từ hình 5.15 đến 5.22): đại lượng động điện dòng điện moment tăng ổn định, khơng có vọt lố q mức, đáp ứng nhanh ổn định Sau trình ổn định moment trở vận tốc đạt tốc độ lệnh hai ổn định, dòng stato tăng lên khởi động giảm xuống xác lập cách đặn, khơng có nhiểu loạn, từ thông tăng lên ổn định - Khi thay đổi tốc độ đáp ứng moment tốc độ nhanh, ổn định đạt đến giá trị đặt, từ thơng ổn định,.dịng điện tăng giảm xuống tốc độ ổn định xác lập có nhiểu loạn khơng - Khi đưa mơment tải (từ hình 5.23 đến 5.31): moment điện từ tăng lên nhanh chóng đến giá trị moment tải, vận tốc moment có giao động nhỏ nhanh chóng ổn định, từ thơng có giao động nhẹ không đáng kể củng ổn định, 102 Chương 5: Mô HT động Matric-động KĐB theo phương pháp RFOC dòng điện stato tăng đưa tải vào giảm xuống lấy tải mà nhiểu loạn - Khi đảo chiều (từ hình 5.32 đến 5.35) đại lượng moment, dòng điện đáp ứng nhanh, khơng có nhiểu loạn làm việc ổn định chế độ xác lập Nói chung hai trường hợp nêu nhỏ không đáng kể Như vậy, kết mơ hồn tồn phù hợp với lý thuyết, từ thông moment điều khiển độc lập, hệ thống điều khiển tốc độ động linh hoạt ổn định sử dụng biến đổi ma trận dùng kỹ thuật điều chế vector không gian điều khiển động không đồng ba pha Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PhD Thesis of MARCO MATTEINI, Fundamentals of Matrix Converter, University of Bologna - 1998-2001 [2] PhD Thesis of MARCO MATTEINI, Control Techniques for Matrix Converter Adjustable Speed Drives, University of Bologna - 1998-2001 [3] PhD Thesis of MARCO MATTEINI, The Bi-directional Switch Commutation Issues, University of Bologna - 1998-2001 [4] Peter Mutschler and Matthias Marcks, A Direct Control for Matrix Converter- 2002 [5] H Altun S Sunter, Matrix Converter induction motor drive: modeling, simulation and control, Springer-Verlag 2003 [6] PatrickW Wheeler, JoséRodríguez, JonC Clare, and Alejandro Weinstein, Matrix Converter: A Technology Review VOL.49, NO.2, APRIL 2002 [7] Siyoung Kim, Seung-Ki Sul and Thomas A Lipo, AC/AC Power Converter Based on Matrix Converter Topology with Unidirectional Switch VOL.36, NO.1, JANUARY/FEBRUARY 2000 [8] Domenico Casadei, Giovanni Serra and Angelo Tani, The Use of Matrix Converters in Direct Torque Control of Induction Machines, IEEE Transaction on Industrial Electronics - 2001 [9] Domenico Casadei, Giovanni Serra, Angelo Tani and Luca Zarri, Matrix Converters Modulation Trategies: A New General Approach Based on Space-Vector Representation of the Switch State, IEEE Transaction on Industrial Electronics - 2002 [10] Ebubekir Erdem, Yetkin Tatar and Sedat Sunter, Modeling and Simulation of Matrix Converter Using Space Vector Control Algorithm, Serbia & Montenegro, Belgrade, Nov 22-24, 2005 [11] Hong-He Lee, Hoang Minh Nguyen Eui-Heon Jung, The Development of direct space vector modulation method for Matrix Converter, School of Electrical Engineering, University of Ulsan, Korea [12] László Huber Dusan Borojevíc, Space vector modulated three phase to three phase Matrix Converter with input power factor correction, IEEE Transactions on industry application, vol 31, no 6, Nov/Dec 1995 [13] TS Nguyễn Văn Nhờ, Điện Tử Công Suất 1, ĐHQG-TPHCM - 2005 [14] Luận văn Thạc sĩ, HVTH: Nguyễn Xuân Kỳ Nam, GVHD: TS Nguyễn Văn Nhờ, “Kỹ thuật sóng mang cho biến đổi ma trận” Tháng 12-2009 Tài liệu tham khảo [15] JAAN KIUSLAAS, Numerical Methods in Engineering with MATLAB [16] TS Phan Quốc Dũng Lê Minh Phương, TL Simulink-Power System Blockset Mô Phỏng Mạng Điện Công Nghiệp, ĐHBK TPHCM [17] TS Phan Quốc Dũng Lê Minh Phương, TL Hướng dẫn Mô Phỏng Simulink-Power System Blockset, ĐHBK TPHCM Lý lịch khoa học LÝ LỊCH KHOA HỌC Họ tên : Đoàn Quốc Hưng Ngày sinh : 15/7/1972 Lý lịch: Nguyên quán : Hồng Dân – Bạc Liêu Nơi sinh : Tp Rạch Giá – Tỉnh Kiên Giang Hộ thường trú: 233/30 Lâm Quang Ky – Tp Rạch Giá – Tỉnh Kiên Giang Nơi : 233/30 Lâm Quang Ky – Tp Rạch Giá – Tỉnh Kiên Giang Dân tộc : Kinh Tôn giáo : Không Điện thoại : 0983 978 113 Email : dqhungetco@yahoo.com.vn Quá trình đào tạo: Đại học: Chế độ học : Chính quy Thời gian học : Từ 01/09/2002 đến 01/09/2004 Nơi học : Trường Đại Học Sư phạm Kỹ thuật, Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học : Thiết bị, Mạng Nhà máy điện Cao học: Chế độ học : Chính quy Thời gian học : Từ 05/09/2008 đến Nơi học : Trường Đại học Bách Khoa, Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học : Thiết bị, Mạng Nhà máy điện Q trình cơng tác: Giảng viên trường Cao Đẳng Kinh tế-Kỹ thuật tỉnh Kiên Giang từ tháng 04/1996 đến Phụ lục PHỤ LỤC function [sf]=FactorCorrect(u) x=u(1); y=u(2);Ts=u(4);z=u(3); sector1=1;sector2=2;sector3=3; sector4=4;sector5=5;sector6=6; % chon sector dien ap if ((y>=0) && (y=60) && (y=120) && (y=-180) && (y=-120) && (y=-60) && (y=0) && (x=60) && (x=120) && (x=-180) && (x=-120) && (x=-60) && (x=0 anpha_i=x*pi/180; else anpha_i=2*pi+x*pi/180; end if y>=0 anpha_0=y*pi/180; else anpha_0=2*pi+y*pi/180; end if ((ki==1)&&(kv==1))||((ki==4)&&(kv==4)) t1=Ts*q*sin(pi/3-(anpha_0-(kv-1)*pi/3))*sin(pi/3-(anpha_i-(ki-1)*pi/3)); t2=Ts*q*sin(anpha_0-(kv-1)*pi/3)*sin(pi/3-(anpha_i-(ki-1)*pi/3)); t3=Ts*q*sin(anpha_0-(kv-1)*pi/3)*sin(anpha_i-(ki-1)*pi/3); t4=Ts*q*sin(pi/3-(anpha_0-(kv-1)*pi/3))*sin(anpha_i-(ki-1)*pi/3); t5=(Ts-t1-t2-t3-t4); t=[t1/2 t2/2 t3/2 t4/2 t5 t4/2 t3/2 t2/2 t1/2]; t=cumsum(t); %ki=1; kv=1 vSAa=[1 1 1 1 1]; vSAb=[0 0 0 0 0]; vSAc=[0 0 0 0 0]; vSBa=[0 0 0 0]; vSBb=[1 0 0 1]; vSBc=[0 1 1 0]; vSCa=[1 0 1 0 1]; vSCb=[0 0 0 0]; vSCc=[0 0 0]; % I6(a,b); I1(a,c); V6(p,n,p); V1(p,n,n) -4 +1 +6 -3 % I6-V6 (a b a); I6-V1 (a b b); I1-V1 (a c c); I1-V6 (a c a) for j=1:9 if (z