Điều khiển moment động cơ không đồng bộ bằng phương pháp trượt trong hệ trục tọa độ tĩnh stator

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HOÀNG MINH TUẤN ĐIỀU KHIỂN MOMENT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT TRONG HỆ TRỤC TỌA ĐỘ TĨNH STATOR Chuyên ngành : thiết bị, mạng nhà máy điện LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2008 LỜI GIỚI THIỆU Động không đồng ba pha đời cách trăm năm [20] sử dụng rộng rãi nghành công nghiệp ưu điểm có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo bảo trì, giá thành thấp, độ tin cậy cao Tuy nhiên, dịng điện khởi động động khơng đồng lớn, gấp sáu đến tám lần so với dịng điện định mức [5] Tốc độ khơng điều khiển dễ dàng động DC Điều giải thích tính phức tạp mơ hình tốn học động khơng đồng biến đổi công suất cấp nguồn cho động [8] Ngày nay, với phát triển điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý cho phép áp dụng giải thuật điều khiển phức tạp thời gian thực.Dẫn đến việc nhiều tác giả nghiên cứu phương pháp điều khiển động không đồng khác phương pháp điều khiển tựa trường (FOC) [11] phương pháp điều khiển trực tiếp moment động (DTC) [9] Chỉ 15 năm gần đây, điều khiển phi tuyến có buớc nhảy vọt chất lượng, lý thuyết lẫn ứng dụng [15] Phương pháp điều khiển trượt (SMC) phương pháp điều khiển phi tuyến áp dụng để điều khiển động không đồng Luận văn chủ yếu nghiên cứu áp dụng phương pháp trượt vào việc điều khiển động không đồng Bộ điều khiển gồm hai vòng thiết kế sau: - Vịng trong: điều khiển từ thơng moment dùng phương pháp trượt - Vịng ngồi: điều khiển tốc độ dùng phương pháp PID Nội dung luận văn Luận văn bao gồm nội dung chính: - Nguyên lý điều khiển trượt hệ phi tuyến - Mơ hình tốn học động khơng đồng ba pha - Áp dụng nguyên lý điều khiển trượt cho mơ hình động khơng đồng ba pha - Mô nguyên lý điều khiển trượt cho mơ hình động khơng đồng ba pha dùng cơng cụ tốn học Matlab/ Simulink - Kết luận Luận văn bao gồm chương sau: - Chương 1: Mô hình tốn học động khơng đồng ba pha - Chương 2: Giới thiệu tổng quan phương pháp điều khiển - Chương 3: Điều khiển động không đồng ba pha phương pháp trượt - Chương 4: Ước lượng từ thông rotor moment động không đồng - Chương 5: Kết mô - Chương 6: Kết luận hướng phát triển - Phụ lục: Tài liệu tham khảo MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU Chương1 .1 MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA .1 1.1 VECTƠ KHÔNG GIAN 1.2 HỆ PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA TRONG HỆ TỌA ĐỘ α β 1.3 XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ BẰNG MATLAB 10 Chương 15 GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 15 2.1 GIỚI THIỆUCHUNG VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN: .15 2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG (FOC) [19] 16 2.3 ĐIỀU KHIỂN MOMENT TRỰC TIẾP (DTC) .22 2.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƯƠNG PHÁP DTC VÀ FOC .25 Chương 30 ĐIỀU KHIỂN TỪ THÔNG VÀ MOMENT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT 30 3.1 ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 30 3.2 ĐIỀU KHIỂN TỪ THÔNG VÀ MOMENT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT 32 Chương .48 ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG ROTOR VÀ MOMENT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 48 4.1 ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG VÀ MOMENT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT 48 4.2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH BỘ ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG TỪ THÔNG BẰNG MATLAB 55 Chương .63 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 63 5.1 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG 63 5.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 64 Chương .91 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 91 6.1 KẾT LUẬN : 91 6.2 ĐỀ NGHỊ HƯỚNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 91 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng 07 năm 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 30 tháng 06 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN HOÀNG MINH TUẤN Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 20/10/1980 Nơi sinh : Quảng Nam Chuyên ngành : Thiết bị, mạng nhà máy điện Khoá (Năm trúng tuyển) : 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: Điều khiển moment động không đồng ba pha phương pháp trượt hệ trục tọa độ tĩnh stator 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN - Tìm hiểu lý thuyết phương pháp điều khiển trượt - Tìm hiểu phần mềm Matlab/Simulink - Xây dựng ước lượng từ thông rotor phương pháp trượt - Xây dựng luật điều khiển trượt moment từ thông rotor động không đồng - Mô Matlab/Simulink 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/02/2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/6/2008 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Trong thời gian tham gia học tập nghiên cứu trường ĐHBK Tp Hồ Chí Minh, tơi nhận nhiều giúp đỡ q thầy cơ, phịng quản lý sau Đại học, phòng đọc thư viện trường tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành khóa học Xin cảm ơn q thầy khoa Điện - Điện Tử, đặc biệt gửi tới thầy Dương Hồi Nghĩa - người tận tình hướng dẫn tơi hồn thành luận văn - lời biết ơn sâu sắc Xin cảm ơn gia đình, bạn học khóa giúp đỡ, góp ý xây dựng thời gian nghiên cứu, học tập thực luận văn Xin kính chúc sức khỏe chân thành cảm ơn! TĨM TẮC LUẬN VĂN Nội dung luận văn ứng dụng điều khiển tự động vào lónh vực truyền động điện Giải việc điều khiển động không đồng ba pha dùng kỹ thuật điều khiển phi tuyến Xem động không đồng ba pha đối tượng phi tuyến điều khiển đối tượng phương pháp trượt Luận văn bao gồm vấn đề chính: • Mô hình toán học động không đồng ba pha hệ tọa độ không gian ba pha hệ tọa độ α β • - Phương trình điện áp, dòng điện, từ thông, moment, tốc độ • Cơ sở phương pháp trượt • - Thiết kế hệ thống điều khiển trượt moment từ thông động không đồng ba pha • - Thiết kế ước lượng từ thông rotor dùng phương pháp trượt - Thiết kế ước lượng moment • Xây dựng nghịch lưu áp ba bậc • Hình thành sơ đồ mô - Sơ đồ mô động không đồng bộ, luật điều khiển trượt, mặt trượt, ước lượng từ thông rotor moment Hình thành điều khiển trượt cho động không đồng ba pha có ước lượng từ thông rotor - Khảo sát đáp ứng danh định tính bền vững hệ thống điều khiển • Kết luận Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Chương MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1 VECTƠ KHÔNG GIAN Khái niệm vectơ khơng gian phép biến hình vectơ không gian: Cho đại lượng ba pha cân bằng: na, nb, nc n a = N m sin ωt = N m (e jωt − e − jωt 2j nb = N m sin(ωt − 120 ) = N m [e j (ωt −120 ) [e − e − j (ωt −120 2j j (ωt − 240 ) − e − j (ωt −240 2j nc = N m sin(ωt − 240 ) = N m Định nghĩa vectơ không gian N: ( N = k na + nb e j120 + nc e j 240 [ ) ) ] ) ] ) (1.1.1) ] [ ] = k na + nb cos(120 ) + nc cos( 240 ) + jk nb sin(120 ) + nc sin( 240 ) (1.1.2) =k N m jω t e 2j N = nα + jnβ Vectơ N với biên độ k 3N m , góc quay ω k hệ số, chọn giá trị khác nhau: k= : ta có phép biến hình bảo tồn biên độ k = :ta có phép biến hình có biên độ tăng 1,5 lần k= : ta có phép biến hình bảo tồn cơng suất HVTH: Nguyễn Hoàng Minh Tuấn Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa Phép biến đổi hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ với phép biến hình bảo tồn biên độ xác định sau: ⎡ ⎢1 − ⎡ nα ⎤ ⎢ ⎢ n ⎥ = ⎢0 ⎢ β⎥ 3⎢ ⎢⎣ ⎥⎦ ⎢1 ⎢ ⎣ ⎤ ⎥ ⎡na ⎤ ⎥ ⎥⎢ ⎥ − nb ⎥⎢ ⎥ ⎥ ⎢⎣ nc ⎥⎦ ⎥ ⎦ − (1.1.3) Phép biến đổi hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ abc xác định sau: ⎡ ⎢ ⎡ na ⎤ ⎢ ⎢ n ⎥ = ⎢− ⎢ b⎥ ⎢ ⎢⎣ nc ⎥⎦ ⎢ ⎢− ⎣ 3 − 1⎤ ⎥ ⎡n ⎤ ⎥ α ⎥⎢ ⎥ nβ ⎥⎢ ⎥ ⎥ ⎢⎣ ⎥⎦ ⎥ 2⎦ (1.1.4) 1.1.2 Vectơ không gian hệ tọa độ quay dq Xét vectơ không gian N hệ tọa độ α β: N = nα + jnβ (hệ tọa độ tĩnh) (1.1.5) Vectơ không gian N hệ tọa độ α β vectơ khơng gian Ne hệ tọa quay dq (hệ tọa độ quay góc θe so với tọa độ αβ), có: N e = nd + jnq (1.1.6) Ta lại có: nd = nα cos θ e + nβ sin θ e nq = −nα sin θ e + nβ cos θ e (1.1.7) Hình 1.1.1: Vectơ khơng gian N HVTH: Nguyễn Hoàng Minh Tuấn Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Hình 5.2.5.2b: Dịng điện Ia, Ib, Ic Hình 5.2.5.4a: Từ thơng rotor HVTH: Nguyễn Hồng Minh Tuấn Trang 80 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Hình 5.2.5.4b: Từ thơng rotor Hình 5.2.5.5: Mặt trượt S1 S2 HVTH: Nguyễn Hoàng Minh Tuấn Trang 81 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa Hình 5.2.5.5: Mặt trượt S1 S2 Nhận xét: - Thời gian đáp ứng tốc độ lớn so với đáp ứng danh định - Dòng điện giảm nhuyễn so với dòng điện danh định - Q trình q độ tốc độ khơng có độ vọt lố - Các mặt trượt dao động với biên độ nhỏ, quanh giá trị Khi chuyển đổi chế độ làm việc động cơ, giá trị mặt trượt biến động nhanh chóngvề giá trị 5.2.6 Kết mơ có ảnh hưởng điện cảm stator rotor( giảm 20%) Trong trường hợp này, điện cảm động 0,8 lần giá trị danh định dùng để thiết kế điều khiển Kết theo hình sau: HVTH: Nguyễn Hồng Minh Tuấn Trang 82 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Hình 5.2.6.1: Tốc độ moment Hình 5.2.6.2a: Dịng điện Ia, Ib, Ic HVTH: Nguyễn Hồng Minh Tuấn Trang 83 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Hình 5.2.6.2b: Dịng điện Ia, Ib, Ic Hình 5.2.6.3a: Từ thơng rotor HVTH: Nguyễn Hồng Minh Tuấn Trang 84 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa Hình 5.2.6.3b: Từ thơng rotor Hình 5.2.6.4: Mặt trượt S1 S2 HVTH: Nguyễn Hoàng Minh Tuấn Trang 85 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Hình 5.2.6.5: Mặt trượt S3 S4 Nhận xét: - Thời gian đáp ứng tốc độ nhỏ so với đáp ứng danh định - Thời gian đáp ứng từ thông lớn so với đáp ứng danh định - Dòng điện tăng méo dạng - Q trình q độ tốc độ khơng có độ vọt lố - Các mặt trượt dao động với biên độ nhỏ, quanh giá trị Khi chuyển đổi chế độ làm việc động cơ, giá trị mặt trượt biến động nhanh chóng giá trị - Hệ thống điều khiển có tính bền vững cao biến động Ls , Lr Lm 5.2.7 Kết mơ có ảnh hưởng moment quán tính ( tăng 1,5 lần so với giá trị danh định) Trong trường hợp này, moment quán tính động 1,5 lần giá trị danh định dùng để thiết kế điều khiển Kết theo hình sau: HVTH: Nguyễn Hồng Minh Tuấn Trang 86 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Hình 5.2.7.1: Tốc độ moment Hình 5.2.7.2a: Dịng điện Ia, Ib, Ic HVTH: Nguyễn Hồng Minh Tuấn Trang 87 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa Hình 5.2.7.2b: Dịng điện Ia, Ib, Ic Hình 5.2.7.3a: Từ thơng rotor HVTH: Nguyễn Hồng Minh Tuấn Trang 88 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Hình 5.2.7.3b: Từ thơng rotor Hình 5.2.7.4: Mặt trượt S1 S2 HVTH: Nguyễn Hoàng Minh Tuấn Trang 89 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Hình 5.2.7.5: Mặt trượt S3 S4 Nhận xét: - Thời gian đáp ứng tốc độ lớn so với đáp ứng danh định - Thời gian đáp ứng từ thông lớn so với đáp ứng danh định - Dịng điện tăng - Q trình q độ tốc độ khơng có độ vọt lố - Các mặt trượt dao động với biên độ nhỏ, quanh giá trị Khi chuyển đổi chế ộ làm việc động cơ, giá trị mặt trượt biến động nhanh chóng ề giá trị - Hệ thống điều khiển có tính bền vững cao biến động moment qn tính HVTH: Nguyễn Hồng Minh Tuấn Trang 90 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN : - Trong luận văn xây dựng luật điều khiển trượt moment động không đồng hệ trục tọa độ tĩnh stator αβ - Ước lương từ thông rotor động không đồng moment tải phương pháp trượt - Xây dựng nghịch lưu áp ba bậc - Khảo sát tính bền vững hệ thống có thay đổi thông số động Kết mô cho thấy: - Thời gian đáp ứng tốc độ từ thơng nhanh - Q trình q độ từ thơng tốc độ khơng có dao động Độ vọt lố tốc độ không đáng kể (