Nghiên cứu hệ điều khiển phi tuyến động cơ không đồng bộ với bù sự thay đổi tham số dây quấn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -*** - QUÁCH HOÀNG NHẤT NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI BÙ SỰ THAY ĐỔI THAM SỐ DÂY QUẤN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: CB101086 Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MẠNH TIẾN HÀ NỘI - 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết thu từ luận văn thực tự thân hướng dẫn bảo nhiệt tình thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến thuộc Viện điện – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội với tài liệu tham khảo liệt kê phần cuối luận văn Hà nội, ngày tháng 01 năm 2013 Người thực Qch Hồng Nhất i LỜI CẢM ƠN Tơi xin chân thành cảm ơn đến Viện sau đại học – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện để tơi hồn thành khóa học Để hồn thành luận văn này, tơi nhận hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến thuộc Viện Điện - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Với giúp đỡ thầy, hoàn thành luận văn đạt kết mong muốn đảm bảo yêu cầu đặt đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô giáo thuộc Viện Điện – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội dạy dỗ truyền đạt giảng hay, kiến thức suốt hai năm học tập trường ii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, CÁC ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA 1.1 Vecto không gian 1.2 Hệ phương trình khơng gian vecto 1.2.1 Hệ phương trình cân điện áp dạng vecto 1.2.2 Hệ tọa độ quay chuẩn 1.2.3 Hệ phương trình vecto trạng thái hệ tọa độ tổng quát 10 1.2.4 Hệ phương trình trạng thái hệ tọa độ cố định stator 13 CHƯƠNG 2: KHÁI QUÁT VỀ TUYẾN TÍNH HÓA PHẢN HỒI 16 2.1 Tổng quan điều khiển tuyến tính 16 2.2 Phương pháp tuyến tính hóa 16 2.2.1 Phương pháp tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc 17 2.2.2 Điều khiển tuyến tính hình thức 19 iii 2.2.3 Điều khiển bù phi tuyến 20 2.3 Tuyến tính hóa xác 21 2.3.1 Tuyến tính hóa xác đối tượng hệ SISO 22 2.3.2 Thiết kế điều khiển phản hồi đầu 23 2.3.3 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái 24 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN TRÊN CƠ SỞ TUYẾN TÍNH HĨA PHẢN HỒI 27 3.1 Tổng quan hệ thống điều khiển phi tuyến đông không đồng 27 3.2 Cơ sở thiết kế điều khiển phi tuyến 27 3.3 Xây dựng điều khiển tuyến tính hóa phản hồi 32 3.4 Mơ hình quan sát từ thơng(Flux Observer Model) 33 3.5 Tính ổn định hội tụ mơ hình quan sát từ thơng 36 CHƯƠNG 4: THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG VỚI SỰ THAY ĐỔI THAM SỐ ĐIỆN TRỞ 39 4.1 Ảnh hưởng tham số điện trở đến độ xác tính tốn từ thơng rotor 39 4.1.1 Một số ký hiệu 39 4.1.2 Sai lệch từ thông rotor 40 4.2 Ảnh hưởng sai lệch từ thông thông số động thay đổi 41 4.3 Phương pháp bù tham số điện trở rotor 43 4.3.1 Cấu trúc quan sát từ thông 43 4.3.2 Ảnh hưởng phân bố cực từ mơ hình quan sát từ thơng 44 4.3.3 Sự ảnh hưởng nghiệm zeros bên phải mặt phẳng phức đến ổn định hệ thống phản hồi 46 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THÔNG VÀ KẾT QUẢ 50 5.1 Xây dựng điều khiển quan sát từ thư viện Simulink 50 5.1.1 Bộ điều khiển phi tuyến 50 iv 5.1.2 Bộ điều khiển tuyến tính hóa phản hồi 52 5.1.3 Khâu chuyển đổi từ hệ αβ sang hệ abc 53 5.1.4 Khâu chuyển đổi từ hệ abc sang hệ αβ 53 5.1.5 Mơ hình quan sát từ thơng 54 5.1.6 Mơ hình thiết kế động khơng đồng xoay chiều ba pha 55 5.1.7 Mơ hình hệ thống điều khiển phi tuyến động không đồng 56 5.2 Kết mô 57 5.2.1 Mô mềm thuật toán điều khiển phi tuyến 57 5.2.2 Ảnh hưởng điện trở rotor 59 5.2.3 Mô hệ thống với bù tham số điện trở rotor 61 KẾT LUẬN 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 PHỤ LỤC 68 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu dùng is , ir Vecto dòng điện stator, dòng điện rotor isa , isb , isc Dòng điện pha a, b,c stator ira , irb , irc Dòng điện pha a, b,c rotor is , is Thành phần dòng stator theo trục α trục β us , ur Vecto điện áp stator, điện áp rotor usa , usb , usc Điện áp pha a, b,c stator ura , urb , urc Điện áp pha a, b,c rotor us , us Thành phần điện áp stator theo trục α trục β  s , r Vecto từ thông stator, từ thông rotor  sa , sb , sc Từ thơng móc vịng pha a, b,c stator  , rb , rc Từ thơng móc vịng pha a, b,c rotor  r , r Thành phần từ thông rotor theo trục α trục β r , m Tốc độ rotor tương ứng hệ quy chiếu điện khí e ,m Góc rotor tương ứng hệ quy chiếu điện khí k Tốc độ hệ tọa độ quay Ls , Lr Điện cảm mạch stator rotor Lm Điện cảm mạch từ hóa Rs , Rr Điện trở stator rotor vi Jm Momen qn tính pc Số đơi cực  Hệ số tản từ Mc Momen cản động Ts Hằng số thời gian stator Tr Hằng số thời gian rotor Chỉ số viết nhỏ góc phải phía a/ Chữ s Đại lượng mạch stator r Đại lượng mạch rotor b/ Chữ thứ hai α, β Đại lượng thuộc hệ tọa độ αβ a, b, c Đại lượng thuộc pha a, b, c Ma trận, vector I Ma trận đơn vị J Ma trận phức Các chữ viết tắt ĐCKĐB Động không đồng ĐKPT Điều khiển phi tuyến vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, CÁC ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1: Biểu diễn vecto khơng gian Hình 1.2: Hệ tọa độ chuẩn 10 Hình 1.3:Mơ hình trạng thái ĐCKĐB hệ tọa độ  14 Hình 2.1: Đường đặc tính mơ tả miền tuyến tính hóa 17 Hình 2.2: Ổn định hệ phi tuyến 18 Hình 2.3: Điều khiển tuyến tính hình thức điều khiển phản hồi trạng thái 20 Hình 2.4: Thiết kế điều khiển bù phi tuyến 21 Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp tuyến tính hóa xác 22 Hình 2.6: Điều khiển tuyến tính hóa xác phản hồi đầu 24 Hình 2.7: Điều khiển tuyến tính hóa xác phản hồi trạng thái 24 Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển phi tuyến sở tuyến tính hóa phản hồi 27 Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc mơ hình quan sát từ thơng rotor 35 Hình 4.1: Phân bố cực quan sát từ thông 46 Hình 5.1: Khai báo điều khiển phi tuyến 51 Hình 5.2: Khai báo điều khiển tuyến tính hóa phản hồi 52 Hình 5.3: Khâu chuyển đổi từ hệ αβ sang hệ abc 53 Hình 5.4: Khâu chuyển đổi từ hệ abc sang hệ αβ 53 Hình 5.5: Mơ hình quan sát từ thông 54 Hình 5.6: Mơ hình quan sát từ thông khối Subsystem 54 Hình 5.7: Mơ hình thiết kế động khơng đồng xoay chiều ba pha 55 Hình 5.8: Mơ hình hệ thống điều khiển phi tuyến động khơng đồng 56 Hình 5.9: Đồ thị tốc độ điện trở rotor giá trị định mức 57 viii Hình 5.10: Đồ thị từ thông điện trở rotor giá trị định mức 58 Hình 5.11: Đồ thị momen động điện trở rotor giá trị định mức 58 Hình 5.12: Đồ thị tốc độ điện trở rotor thay đổi 30% Rr 59 Hình 5.13: Đồ thị từ thơng điện trở rotor thay đổi 30% Rr 60 Hình 5.14: Đồ thị từ thông điện trở rotor thay đổi 30% Rr 60 Hình 5.15: Đồ thị tốc độ bù tham số điện trở rotor 62 Hình 5.16: Đồ thị từ thông bù tham số điện trở rotor 62 Hình 5.17: Đồ thị momen động có bù tham số điện trở 63 ix [10] M Tarbouchi and H.Le-Huy, “High-performance control by input-output linearization technique of an induction motor” , University Laval, Ste-Foy, Canada, G1K7P4 [11] Afef Fekih and Fahmida N Chowdhury, “On Nonlinear Control of Induction Motor: Comparison of two Approaches”, Proceeding of the 2004 American Control Conference Boston, Massachusetts [12] K.B Mothany, “Robust Control of a Feedback Linearized Induction Motor through Sliding Mode”, IEEE and Madhu Singh [13] Carlo Cecati, Giuseppe Guidi, Fabio Marinelli, “An Adaptive Non-linear Control Algorithm for Induction Motors”, University degli Studi di L’Aquila [14] M Tarbouchi, “Nonlinear Control of an Induction Motor in Magnatic Saturation”, Deparment of electrical and computerengineering Royal Military College of Canada, Kingston, Ontario [15] A.J.Netto, P.R Barros, C.B.Jacobina and A.M.N Lima, “Estimating the Parameters of an Induction Motor in Open-Loop and Closed-Loop Operation”, Dep de Eng.Electrical – CCT – UFCG – Campus II – Caixa Postal [16] A.J.Pires, J Esteves, “Nonlinear Control Methodology Application on Variable Speed AC Drives”, Av Rovisco Pais, 1096 Lisboa Codex, PORTUGAL 69 PHỤ LỤC Khai báo tham số mơ hình % MO HINH HOA DONG CO KHONG DONG BO BA PHA ROTOR LONG SOC (IM) TREN HE TOA DO ALPHA-BETA BANG SFUNCTION DUOI DANG M-FILE %Dong co pha cong suat=3.7kw; %Dien tro rotor Rr = 5.64; %Dien tro stator Rs = 7.34; %Dien cam rotor Lr = 0.521; %Ho cam giua cuon day rotor va cuon day stator Lm = 0.5; %Dien cam stator Ls = 0.521; %Mat dong dien J = 0.16; fs = 5000; Tz = 1/fs; %Thoi gian trich mau Ts = 10^(-4); %Dien ap mot chieu Vdc=537; %So doi cuc 70 p=2; %He so ty le cua bo dieu khien tuyen tinh k_alpha1 = 50; k_alpha2 = 10; k_beta1 = 20; k_beta2 = 10; %He so cua dong co sigma=1-(Lm^2/(Ls*Lr)); alpha=Rr/Lr; beta=Lm/(sigma*Ls*Lr); gamma=((Lr^2*Rs)+(Lm^2*Rr))/(sigma*Ls*Lr^2); muy=Lm/(J*Lr); %He so cua bo quan sat g11=(Ls*Lr*sigma*(alpha_m*Lr/Rr-1)/Lm); g12=-((Ls*Lr*sigma*beta_m*Lr)/(Rr*Lm)); a11=-((Rs+Rr*Lm*Lm/(Lr*Lr))/(Ls*sigma)); a12=(Lm/(Ls*Lr*sigma)); a21=(Lm*Rr/Lr); b1=(1/(Ls*sigma)); alpha_m=10; beta_m=10; 71 ... thời hệ thống khơng ổn định không đạt chất lượng mong muốn Đề tài “ Nghiên cứu hệ điều khiển phi tuyến động không đồng với bù thay đổi tham số dây quấn? ?? thực nhằm nâng cao chất lượng hệ thống điều. .. đồng hệ trục tọa độ αβ 27 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN TRÊN CƠ SỞ TUYẾN TÍNH HÓA PHẢN HỒI 3.1 Tổng quan hệ thống điều khiển phi tuyến động không đồng Hệ thống điều khiển phi tuyến. .. khiển phi tuyến cho truyền động động khơng đồng bộ, chương trình bày số phương pháp điều khiển tuyến tính hệ phi tuyến thường sử dụng vào hệ thống điều khiển động không đồng 2.2 Phương pháp tuyến