Điều khiển vector động cơ không đồng bộ ba pha

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -o0o - TRẦN TIẾN QUỐC ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA CHUYÊN NGHÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ NGHÀNH : 2.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HCM THÁNG 10-2004 Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN TIẾN QUỐC Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 02-09-1972 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện Mã số: 2.02.01 I TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu phương pháp điều khiển vector động không đồng Lập mô hình mô phỏng: điều khiển động không đồng ba pha phương pháp định hướng từ thông rotor Thu thập liệu, xử lý xây dựng biểu đồ đồ thị, đánh giá so sánh khả đáp ứng yêu cầu điều khiển vector Nhận xét kết luận ứng dụng điều khiển vector vào thực tế tương lai III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 8-2-2004 IV NGÀY HÒAN THÀNH NHIỆM VỤ: 15-11-2004 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHẠM ĐÌNH TRỰC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGHÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGHÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày…… tháng …… năm 2004 PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGHÀNH Công trình thực TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: thầy PHẠM ĐÌNH TRỰC, tiến só Cán chấm phản biện 1:……………………………………………………………………… Cán chấm phản biện 2:……………………………………………………………………… Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngày tháng 11 năm 2004 Tôi xin trân trọng gởi đến, Cán hướng dẫn chính, Thầy TS Phạm Đình Trực Cán phản biện, Và q thầy cô Lời cám ơn chân thành đãõ tận tình giảng dạy, hỗ trợ đóng góp ý kiến q báu suốt trình học tập thực luận văn Tp Hồ Chí Minh 10/2004 Trần Tiến Quốc Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Ngày phát triển nhanh chóng ngành công nghiệp tự động hóa, đòi hỏi cải tiến thường xuyên nhiều loại hệ truyền động khác Những yêu cầu cải tiến cốt yếu là: • Tăng độ tin cậy, • Giảm khả tiêu thụ điện năng, • Giảm thiểu chi phí bảo dưỡng, • Tăng độ xác • Và tăng khả điều khiển tinh vi Những hệ truyền động với động điện chiều trước thay hệ truyền động với động điện xoay chiều sử dụng điều khiển vector Lý việc sử dụng rộng rãi động điện chiều trước khả điều khiển độc lập từ thông moment lực Và với động điện chiều kết cấu hệ truyền động đơn giản Nhưng bù lại chi phí cao cho việc mua bảo trì động điện chiều Chi phí đặc biệt cao số lựơng máy điện phải dùng nhiều nhà máy thép, nhà máy sản xuất vỏ xe Sự phát triển mạch vi xử lý làm cho điều khiển vector ngày hấp dẫn dễ dàng thực Trong vòng 15 năm kế tiếp, đề tài điều khiển định hướng từ thông nghiên cứu rộng rãi Khả tối ưu điều khiển độ điều khiển vector móng cho phát triển rộng rãi hệ truyền động xoay chiều (vì giá động điện xoay chiều, ví dụ động không đồng bộ, rẽ nhiều so với giá thành động điện chiều) Sự phức tạp nhiều hệ thống Điều khiển vector làm cho nhiều nhà nghiên cứu nổ lực thiết kế hệ thống điều khiển vector đơn giản mà đáp ứng yêu cầu điều khiển độ Tuy nhiên điều khiển đơn giản áp dụng số trường hợp cụ thể mà thôi, khả điều khiển trình độ không cao Tóm lại điều khiển định hướng từ thông lựa chọn tốt ứng dụng mà điều khiển độc lập từ thông momen lực bắt buộc để đạt đến xác cao điều khiển vận tốc hay vị trí Do luận văn tốt nghiệp đề tài điều khiển vector động không đồng pha với điều khiển định hướng từ thông rotor (ROTOR FLUX ORIENTED CONTROL) chọn Trang Lời nói đầu Toàn luận văn biên chế thành chương với nội dung tóm tắt đây: Chương 1: Giới thiệu 1) Tổng quan điều khiển vector máy điện không đồng 2) Lịch sử điều khiển vector (điều khiển định hướng từ thông) Chương 2: Mô hình động không đồng 1) Mô hình toán động không đồng hệ qui chiếu quay d-q 2) Mô hình mô phỏng: sử dụng phần mềm matlab mô động chạy mô động chưa có điều khiển Chương 3: Lý thuyết điều khiển định hướng 1) Điều khiển định hướng từ thông rotor 2) Điều khiển dòng 3) Ước lượng từ thông rotor Chương 4: Phân tích mô 1) Sử dụng phần mềm matlab mô hệ thống điều khiển 2) Chạy mô trường hợp tổng quát Chương 5: So sánh đánh giá kết mô Chương 6: Nhận xét đưa quan điểm điều khiển vector ứng dụng thực tế Trang Mục lục MỤC LỤC Nhiệm vụ luận văn thạc só Lời cảm ơn Lời nói đầu Mục lục Các ký hiệu sử dụng luận văn Trang Chương 1: Giới thiệu 1.1 Tổng quan điều khiển vector máy điện KĐB: 1.2 Lịch sử điều khiển vector (điều khiển định hướng từ thông 11 11 15 Chương 2: Mô hình động không đồng 2.1 Mô hình toán động không đồng hệ qui chiếu quay d-q: 2.1.1 Hệ qui chiếu pha: 2.1.2 Hệ qui chiếu quay d-q: 2.1.3 Hệ qui chiếu α-β cố định: 2.1.4 Định nghóa vector không gian 2.2 Mô hình mô phỏng: 2.2.1 Xây dựng mô hình: 2.2.2 Kết mô động không đồng 20 20 Chương 3: Lý thuyết điều khiển định hướng 3.1 Điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC): 3.1.1 Các loại điều khiển định hướng từ (điều khiển vector) 3.1.2 Điều khiển vector với định hướng từ thông rotor: a) Động KĐB pha với điều khiển tiếp dòng b) Động KĐB pha với điều khiển tiếp áp 3.2 Điều khiển dòng: 3.2.1 Bộ nghịch lưu 3.2.2 Bộ nghịch lưu áp 3.2.3 Phương pháp điều khiển nghịch lưu áp 3.3 Ước lượng từ thông rotor: 3.3.1 Phương pháp ước lượng từ thông rotor từ dòng hồi tiếp từ thông khe hở không khí (PP1): 3.3.2 Phương pháp ước lượng từ thông rotor từ áp dòng hồi tiếp (PP1): 3.3.3 Phương pháp ước lượng từ thông rotor từ Trang 20 22 25 26 30 30 32 35 35 35 36 36 40 42 42 42 45 49 49 50 52 Mục lục dòng hồi tiếp vận tốc quay rotor (PP1): 3.3.4 Phương pháp ước lượng từ thông rotor điều khiển gián tiếp (PP2): 53 Chương 4: Phân tích mô 4.1 Mô tả sơ lược mô phỏng: 4.1.1 Mô khối điều khiển vận tốc RFOC: 4.1.2 Mô khối điều khiển dòng INVERTOR: 4.1.3 Mô khối ước lượng từ thông rotor: 4.1.4 Mô khối động không đồng bộ: 4.2 Kết mô 4.2.1 Giai đoạn khởi động máy 4.2.2 Động hoạt động có tải 4.2.3 Thay đổi vận tốc động cơ, động hoạt động vùng vận tốc thấp 4.2.4 Đảo chiều quay động cơ: 54 54 56 61 63 65 66 68 74 77 Chương 5: So sánh đánh giá kết mô 5.1 Giai đoạn mở máy: 5.2 Thay đổi vận tốc, động hoạt động vùng vận tốc thấp 5.3 Đảo chiều quay, động hoạt vận tốc định mức sau đảo chiều quay 5.4 Mức độ ổn định có tải 5.5 Quan sát kết mô tổng quát 83 83 93 95 Chương 6: Kết luận Tài liệu tham khảo Lý lịch trích ngang 110 112 113 Trang 80 98 106 Các ký hiệu CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN va, vb, vc Điện áp pha stato ia, ib, ic Dòng điện pha stato ψa, ψb, ψc Từ thông móc vòng pha stato vA, vB, vC Điện áp pha roto iA, iB, iC Dòng điện pha roto ψA, ψB, ψC Từ thông móc vòng pha roto v abc v ABC Ma trận điện áp pha stator rotor i abc i ABC Ma trận dòng điện pha stator rotor ψ abc ψ ABC Ma trận từ thông pha stator rotor Rs Điện trở cuộn dây stato Rr Điện trở cuộn dây roto sau quy đổi Ls Ma trận điện cảm staror Lr Ma trận điện cảm rotor As Ma trận qui đổi pha stator sang hệ tọa độ dq Ar Ma trận qui đổi pha rotor sang hệ tọa độ dq Ls Điện cảm pha stator Lr Điện cảm pha rotor Lm Hổ cảm pha stator-rotor Lχs Điện cảm tản stator Lγr Điện cảm tản rotor θ Góc trục từ cuộn pha stator với trục từ cuộn pha rotor θr Góc trục d hệ dq trục từ pha a rotor θs Góc trục d hệ dq trục từ pha a stator ωa Vận tốc quay hệ trục dq ω Vận tốc quay rotor Trang Các ký hiệu Te Moment động TL Moment tải P Số đôi cực J Moment quán tính vds ids ψds Điện áp, dòng điện, từ thông stator trục d thuộc hệ dq vqs iqs ψqs Điện áp, dòng điện, từ thông stator trục q thuộc hệ dq vdr idr ψdr Điện áp, dòng điện, từ thông rotor trục d thuộc hệ dq vqr iqr ψqr Điện áp, dòng điện, từ thông rotor trục q thuộc hệ quay dq vαs iαs ψαs Điện áp, dòng điện, từ thông stator trục α thuộc hệ cố định αβ vβs iβs ψβs Điện áp, dòng điện, từ thông stator trục β thuộc hệ cố định αβ vαr iαr ψαr Điện áp, dòng điện, từ thông rotor trục α thuộc hệ cố định αβ vβr iβr ψβr Điện áp, dòng điện, từ thông rotor trục β thuộc hệ cố định αβ s s Ma trận dòng áp stator hệ tọa độ quay dq r r Ma trận dòng áp rotor hệ tọa độ quay dq i dq v dq i dq v dq s ψ dq0 ψ rdq0 Ma trận từ thông stator rotor hệ tọa độ quay dq vs is Vector không gian dòng áp stator hệ cố định αβ ψ ss ψ rs Vector không gian từ thông rotor stator hệ cố định αβ vs is Vector không gian dòng áp stator hệ quay dq vr ir Vector không gian dòng áp rotor hệ quay dq ψs ψr Vector không gian từ thông rotor stator hệ quay dq ϕs ϕr Góc vector từ thông stator rotor với trục từ pha a stator s s Trang 10 Chương Hình 5.19 Tương quan vận tốc dòng pha a stator Hình 5.19a Tương quan vận tốc dòng pha a stator Trang 99 Chương Hình 5.20 Tương quan vận tốc từ thông rotor Hình 5.21 Tương quan vận tốc moment động Trang 100 Chương Hình 5.22 Thành phần dòng hệ toạ độ quay ⇒ Quan sát hình 5.18a thời điểm cấp tải cho động cơ, vận tốc góc giảm nhẹ 1.6rad/s, sau 0.05s trở vận tốc ban đầu Tương tự cắt tải khỏi động vận tốc tăng nhẹ, sau 0.05s trở vận tốc ban đầu ⇒ Dòng pha stator tăng lên thời gian động mang tải, giá trị dòng có tải, tăng đột biến ⇒ Từ thông rotor không đổi tương ứng thành phần dòng Ids* hệ tọa độ quay không đổi ⇒ Chỉ có thành phần dòng Iqs* thay đổi, tương ứng moment điện từ động tăng để kéo tải ⇒ Khi cắt tải khỏi động đại lượng nhanh chóng trở trạng thái động không mang tải Trang 101 Chương * Động hoạt động có tải vùng vận tốc thấp Wr=10rad/s: Hình 5.23 Tương quan vận tốc từ thông rotor Hình 5.24 Tương quan vận tốc dòng pha a stator Trang 102 Chương Hình 5.25 Tương quan vận tốc moment động Hình 5.26 Thành phần dòng hệ toạ độ quay Trang 103 Chương * Động hoạt động mang tải đảo chiều: Hình 5.27 Tương quan vận tốc từ thông rotor Hình 5.28 Tương quan vận tốc dòng pha a stator Trang 104 Chương Hình 5.29 Tương quan vận tốc moment động Hình 5.30 Thành phần dòng hệ tọa quay ⇒ Động hoạt động mang tải vùng vận tốc thấp đảo chiều, ổn định giống mang tải vận tốc định mức Trang 105 Chương 5.5 Kết mô tổng quát: Có từ hóa máy trước, động chạy vận tốc định mức, giảm xuống vận tốc định mức, đảo chiều quay, giai đoạn có mang tải Hình 5.31 Sơ đồ mô Hình 5.32 Giao diện nhập vận tốc lệnh Hình 5.33 Giao diện nhập moment tải Trang 106 Chương Hình 5.35 Tương quan vận tốc moment tải Hình 5.36 Tương quan vận tốc từ thông rotor Trang 107 Chương Hình 5.37 Tương quan vận tốc moment máy Hình 5.38 Tương quan vận tốc dòng pha a stator Trang 108 Chương Hình 5.39 Đồ thị giá trị từ thông rotor theo trục αβ Trang 109 Chương Chng 6: KẾT LUẬN Cơ sở lý thuyết: Phương trình liên hệ từ thông moment với dòng điện hệ toạ ñoä quay: dψ r ψ r + Tr = Lm ids dt Lm Te = P ψ r iqs Lr dω Te − TL = J P dt Theo lý thuyết mô-đun vector không gian từ thông rotor điều khiển trực tiếp giá trị trục d dòng stator (cũng tương tự từ kích điều khiển dòng cuộn kích từ động chiều kích từ riêng biệt) Trong giá trị moment từ thông rotor không đổi phụ thuộc vào giá trị trục q dòng stator (tương tự moment phụ thuộc vào dòng cuộn phần ứng động điện chiều kích từ riêng biệt) Kết mô phỏng: Kết mô hoàn toàn phù hợp với lý thuyết, từ thông moment hoàn toàn độc lập với hoạt động máy Trong trường hợp điều khiển từ thông rotor điều chỉnh giống nhau, dòng điện stator moment điện từ thay đổi trạnh thái động động (tăng tốc, giảm tốc, đảo chiều, mang tải), trạng thái xác lập đại lượng ổn định theo vận tốc - Khi động mang tải dao động vận tốc thời điểm cấp cắt tải nhỏ, độ ổn định hệ thống cao - Dễ dàng thay đổi giảm vận tốc đảo chiều quay động cơ, đáp ứng nhanh - Đặc biệt động điều khiển có từ hoá trước dòng điện khởi động giảm đáng kể Kết mô thể rõ nét việc điều khiển động không đồng rotor lồng sóc với phương pháp định hướng từ thông rotor Với lý thuyết điều khiển động xoay chiều trở thành động chiều phương diện điều khiển Từ thông moment điều khiển độc lập với nhau, ta kiểm soát toàn trình hoạt động máy trạng thái tónh lẫn trạng thái Trang 110 Chương động, mang tải hay không, vận tốc vị trí hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu thực tế Tuy nhiên có hạn chế: Trong trình khảo sát lý thuyết thực mô động không đồng ba pha với phương pháp điều khiển vector, ta coi tham số máy không thay đổi trình hoạt động, điện cảm, điện trở động cơ, bỏ qua bão hoà từ, lý tưởng hóa kết cấu dây quấn… Sự khác biệt giá trị tham số máy thiết kế hệ thống giá trị thực làm giảm chất lượng điều khiển dẫn đến khả điều khiển xác độ giảm Theo phương pháp từ thông máy thay đổi, nhiên để phù hợp với thực tế (là ứng dụng với từ thông số), nên trình mô ta giữ cố định đặt giá trị từ thông định mức, việc không làm tính tổng quát phương pháp điều khiển Quá trình mô thu thập liệu thực động không đồng ba pha tiếp dòng, nghịch lưu điều khiển dòng, phương thức thực hoàn toàn kỹ thuật analog điều không đáp ứng đòi hỏi cách hoàn hảo so với kỹ thuật digital, nhiên hệ thống đơn giản dễ kiểm soát Trong luận văn trình bày kết mô trường hợp điển hình, mang tính chất tượng trưng cho hoạt động thiết yếu máy, hoạt động cụ thể khác có chất không đổi Với hệ truyền động thay đổi vận tốc điều khiển vector phương pháp ứng dụng tương lai gần không tính ưu việt mà phát triển công nghệ bán dẫn, kỹ thuật vi xử lý… làm giá thành thực tế hệ truyền động giảm Trang 111 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU VÀ CÁC BÁO CÁO THAM KHẢO Levi, E; High performance drives, Liverpool John Moores University School of Engineering U.K., 2002 Phan Quốc Dũng – Tô Hữu Phúc, Truyền động điện, Nhà xuất đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh 2003 Nguyễn Văn Nhờ, Điện tử công suất 1, nhà xuất đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh 2002 P.vas; Vector control of AC machines, Oxford University Press, Oxford, U.K., 1991 I.Boldea, S.A.Nasar; Vector control of AC drives, CRC Press, 1992 P.Vas; Parameter estimation, condition monitoring, and diagnosis of electrical machines, Oxford University Press, Oxford, U.K., 1993 Levi, E (1995), Impact of iron loss on behavior of vector controlled induction machines, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.31, No.6, pp 1287-1296 Levi, E (1996), Rotor flux oreinted control of induction machines considering the core loss, Electric Machines and Power Systems, Vol 24, No 1, pp 37-50 Trang 112 Lý lịch trích ngang LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên : Trần Tiến Quốc Ngày sinh : 02-09-1972 Nơi sinh : Phú Yên Quê quán : Phú Yên Địa liên lạc : 332/97A2 Dương Quảng Hàm, F5, GV, HCM Đt 0903779957 Quá trình đào tạo: + 1990 đến 1995 + 2000 đến 2004 : Sinh viên đại học chuyên ngành Cung cấp điện Trường đại học Bách Khoa Tp.HCM : Học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện Trường đại học Bách Khoa Tp.HCM Quá trình công tác: + 1995 đến 1999 : công tác công ty kỹ thuật điện Phương Nam + 2000 đến 2002 : giảng dạy trường cao đẳng công nghiệp + 2002 đến 2004 : công tác công ty kỹ thuật điện Thanh Trúc Trang 113 ... TÀI: ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu phương pháp điều khiển vector động không đồng Lập mô hình mô phỏng: điều khiển động không đồng ba pha phương... trúc điều khiển vector định hướng từ thông rotor động không đồng với tiếp dòng điều khiển vận tốc Trang 39 Chương b Động không đồng pha với điều khiển tiếp áp: Trong số điều khiển vector, điều khiển. .. ωr Hình 3.2: Điều khiển từ thông moment điều khiển vector với định hướng từ thông rotor điều khiển tiếp dòng động không đồng pha Trang 38 Chương Khi động điều khiển với điều khiển vector tiếp