Luận văn thạc sĩ thiết kế bộ điều khiển phi tuyến để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐẶNG THỊ HUYỀN TRANG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa THÁI NGUYÊN, 2017 Mở đầu Mục tiêu luận văn Việc phát triển phương pháp điều khiển nhằm đánh giá chất lượng điều khiển hệ truyền động sử dụng động nói chung sử dụng động không đồng ba pha rotor lồng sóc nói riêng vấn đề nhiều nhà khoa học quan tâm Việc nghiên cứu thiết kế điều khiển động không đồng ba pha rotor lồng sóc điều khiển tựa theo thụ động (Passivity based) nhằm đánh giá khả ứng dụng phương pháp cho hệ thống từ triển khai ứng dụng vào thực tế điều cần thiết có ý nghĩa thực tiễn cao Hơn nay, giảng dạy Trường Cao đẳng Công Thương Thái Nguyên mong muốn tìm hiểu số mơ hình điều khiển đại có hệ thống điều khiển động khơng đồng rơ to lồng sóc phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động nhằm nâng cao lực giảng dạy nghiên cứu khoa học cho giáo viên Việc nghiên cứu hệ thống điều khiển động khơng đồng ba pha rotor lồng sóc phương pháp điều khiển tựa theo thụ động (Passivity based) giúp tơi có có sở để xây dựng mơ hình hệ thống thí nghiệm Trường Cao đẳng Cơng Thương Thái Ngun Vì tơi chọn đề tài: "Thiết kế điều khiển phi tuyến để điều khiển động khồng đồng ba pha rotor lồng sóc" 2.Mục tiêu nghiên cứu Tìm hiểu cấu trúc điều khiển hệ thống động không đồng ba pha pha rotor lồng sóc - Đánh giá khả áp dụng điều khiển tựa theo thụ động để điều khiển động không đồng ba pha pha rotor lồng sóc Thiết kế điều khiển tựa theo thụ động (passivity based) đánh giá chất lượng mô Matlab-Simulink 3.Nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan cấu trúc điều khiển động không đồng pha rotor lồng sóc Chương 2: Đánh giá khả áp dụng phương pháp điều khiển tựa theo thụ động (passivity - based) cho hệ thống Chương 3: Thiết kế điều khiển tựa theo thụ động Chương 4: Đánh giá chất lượng điều khiển mô Matlab - Simulink Kết luận kiến nghị Chương TỔNG QUAN VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA ROTOR LỒNG SÓC 1.1 Tổng quan động khơng đồng pha rotor lồng sóc Một đặc điểm bật động không đồng pha rotor lồng sóc (KĐB-RTLS) có kết cấu bền vững mặt học giá thành tương đối rẻ Bên cạnh đó, với tiến không ngừng kỹ thuật điện tử đời nhiều phương pháp điều khiển đại, động KĐB-RTLS trở thành cấu chấp hành khó thay hệ truyền động Tuy nhiên động KĐB-RTLS lại đối tượng phi tuyến nên khó mặt điều khiển Đặc điểm phi tuyến động KĐB-RTLS cấu trúc mơ hình đối tượng mà cịn thể tham số mơ hình động Chính có nhiều cơng trình nghiên cứu, phương án đề xuất nhằm giải vấn đề liên quan đến việc mơ hình hóa phần tử phi tuyến động với mục đích có mơ hình xác nhất, từ nâng cao chất lượng điều khiển động Chính luận văn trình bày tổng quan số yếu tố tạo nên đặc điểm phi tuyến tham số mơ hình động nhà khoa học cơng bố Bên cạnh vào xây dựng mơ hình động KĐB-RTLS, từ đặc điểm phi tuyến mơ hình động 1.1.1 Những yếu tố tạo nên đặc điểm phi tuyến tham số mơ hình động 1.1.1.1 Hiện tượng bão hồ từ [4,5,11] a) Hình 1.1: a) Đặc tính từ hố b) đặc tính từ hóa trung bình Để thấy tính phi tuyến tham số mơ hình động khơng đồng pha rotor lồng sóc, ta xuất phát từ tượng bão hòa từ mạch từ động Như ta biết quan hệ dịng điện từ hóa từ thông quan hệ phi tuyến vật liệu dẫn từ, thể hình 1.1a Do điện cảm hàm phi tuyến từ thơng móc vịng qua mạch từ Tuy nhiên, thực tế người ta xấp xỉ quan hệ mơ hình đường từ hóa trung bình có dạng hình 1.1b Từ hình 1.1b, ta thấy đường đặc tính từ hố chia làm vùng: vùng tuyến tính vùng bão hồ Trong vùng tuyến tính, quan hệ  (i ) tuyến tính - nghĩa giá trị điện cảm vùng số Khi dịng từ hóa khỏi vùng tuyến tính từ thơng tăng chậm, đến dịng tăng vượt qua giá trị dòng bão hòa i bh từ thơng khơng tăng coi Vì vùng ta coi điện cảm có sai số mơ hình Hiện tượng gọi bão hồ từ Do kết cấu khí, vị trí khe hở gối sắt từ lõi động có đặc điểm khơng từ tính khác nên mức bão hồ từ có phân bố khơng gian cịn phụ thuộc vào ví trí tức thời vector từ thơng Do đó, điện cảm vị trí ngang trục dọc trục lại có giá trí khác Đây đặc điểm mà ta phải đưa vào mô hình động phân tích ảnh hưởng tượng bão hịa từ Ngồi ra, động dị bộ, tượng BHT phân thành hai loại: bão hịa từ thơng bão hịa từ thơng tản Tuy nhiên đa số trường hợp, người ta tập chung giải tượng bão hòa từ thơng chính, cịn bão hồ từ thơng tản thường bỏ qua coi điểm cảm tản số mà đạt kết tốt Điều từ thơng tản phủ thuộc chủ yếu vào kết cấu học gần không phụ thuộc vào dịng điện tồn dải làm việc động Tóm lại phân tích ảnh hưởng tượng bão hòa từ ta phải xác định quan hệ Lm  f (|  r |) , quan hệ thể rõ đặc điểm phi tuyến tham số mơ hình động cơ, tức điện cảm giá trị mà phụ thuộc vào biến trạng  r với quan hệ phi tuyến Tuỳ vào mục tiêu cụ thể mà đường đặc tính từ hóa xác định số cách khác Để thuận lợi cho việc cài đặt thuận tốn thiết bị, cách tốt mơ tả đường đặc tính dạng hàm xấp xỉ (hàm mũ hàm logarithm) dạng tra bảng thơng qua kết thí nghiệm 1.1.1.2 Hiệu ứng dãn dòng Theo [4,5,11], hiệu ứng dãn dịng tượng điện tích khơng chạy tiết diện cuộn dây mà chủ yếu tập trung bề mặt Hiệu ứng bộc lộ rõ mạch điện tần số cao tiết diện cuộn dây lớn Hiện tượng làm cho điện trở tăng Đối với động KĐB-RTLS với tiết diện dây nhỏ bù cấu thích hợp, hiệu ứng dãn dịng bỏ bên phía mạch stator Nhưng mạch rotor hiệu ứng khó bỏ qua, kích thước rotor thường lớn tiết diện dẫn ngắn mạch lớn Hiệu ứng dãn dòng mạch rotor thể rõ hệ số trượt động lớn, đặc biệt động làm việc chế độ động, ví dụ động khởi động, dó ta tận dụng hiệu ứng để tăng mơ men khởi động Tuy nhiên, hệ điều khiển theo phương pháp T R, khả áp đặt dịng nhanh, nên chủ động khống chế giới hạn hệ số trượt Khi áp dụng phương pháp điều chế điều chế vector để điều khiển động cơ, công suất hài bậc cao nhỏ so với hài bản, nên mơ hình hóa động ta cần khảo sát ảnh hưởng sóng đến hiệu ứng dãn dịng R i s s us Hình 1.2: Sơ đồ thay hình  ĐC KĐB-RTLS a) Khơng có hiệu ứng dãn dịng b) Có bổ sung thêm hiệu ứng dãn dòng Khi xét đến hiệu ứng dãn dịng, ta mắc thêm điện trở Rdd hiệu ứng dãn dòng gây nối tiếp với điện trở rotor Rs sơ đồ thay hình  (hình 1.2) Điện trở Rdd hàm phụ thuộc vào yếu tố sau: số vật liệu từ, kết cấu tần số phía mạch rotor Theo tài liệu [11] khơng thể có công thức tổng quát cho điện trở này, mà xác định hệ số tăng điện trở kr kết cấu cụ thể Ví dụ, theo [4,5,11] dẫn ngắn mạch có tiết diện hình chữ nhật có chiều cao hl , hệ số tăng điện trở tính theo cơng thức sau: R R k r  r Rr Trong  chiều cao co ngắn dẫn, hàm đại lượng sau: chiều cao dẫn, điện trở rotor, số từ thẩm tuyệt đối 0 điện dẫn dẫn  h l Trong trường hợp  >2, tính gần hệ số tăng điện trở theo công thức sau: kr   1.1.1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ Ngồi tượng dãn dịng làm thay đổi điện trở dây dẫn, nhiệt độ làm thay đổi điện trở dây dẫn Tất nhiên ảnh hưởng nhiệt độ đến điện trở nguyên nhân dẫn đến phi tuyến tham số mà làm cho điện trở tham số hàm Sự thay đổi điện trở làm cho mơ hình sai lệch với mơ hình thực tế nhiệt độ tăng Dó để đảm bảo chất lượng điều khiển, mơ hình ta phải xét đến ảnh hưởng nhiệt độ đến thay đổi điện trở dây dẫn Ta biết rằng, độ xác điện trở rotor có ảnh hưởng lớn đến chất lượng điều khiển, dó hệ truyền động chất lượng cao việc nhận dạng điện trở rotor on-line bỏ qua Dưới biểu thức mô tả phụ thuộc điện trở nhiệt độ dẫn điện làm vật liệu đồng: Rt  R20(1 t) Trong Rt : điện trở nhiệt độ t C R20 : điện trở nhiệt độ 20 C dd  : hệ số nhiệt   0.0039 0 t  t C  20 C 1.1.2 Mơ hình động KĐB-RTLS 1.1.2.1 Vector không gian Gọi isu ,isv isw ba dịng pha hình sin phía stator ĐCXCBP khơng nối trung tính, giá trị tức thời tổng ba dịng khơng isu (t )  isv (t )  isw(t )  Im v u w Hình 1.3: Xây dựng vector dịng stator từ ba dòng pha Do ba cuộn dây stator bố trí lệch 120 điện, nên ta mơ tả ba dịng pha vector dịng is(t) quay khơng gian, thể hình 1.3 với tần số stator f s dạng sau: i (t )  s 2 i  su 3 Như hình chiếu vector dịng stator is nên trục cuộn dây ba dịng pha tương ứng Tương tự, ta biểu diễn đại lượng ba pha khác điện áp stator, từ thông stator, từ thông rotor dạng vector không gian us , s  r Với cách biểu diễn vector khơng gian trên, đại lượng dịng điện, điện áp ba pha động mô tả vector hai chiều hệ tọa độ vng góc 58 Dó (3.43) có dạng: f * j u PBC  u s e s f j  D()is e s Nhân hai vế phương trình với e j ta s j e u s PBC u u s f u PBC f* f*  D( )i  D( )i f f s Mặt khác từ (1.27) ta suy ra:   L u*  sd  s   L u*  sq s  Thay phương trình vào (3.48) ta được: di*  sd u PBC  L  sd  s  d * d u PBC  L  sq  s d Do hệ tọa độ dq thành phần  rq  , nên phương trình viết lại sau:  PBC  usd    Ls  di PBC sq  Ls u  sq  với D()  L2m 4 2  59  rq  , nên ta có * (t)  rd* , thay biểu thức vào phương trình dịng (3.39) ta tính được:  isd  *  Lm   i*    sq [ rd* Lr Lm z p rd* Vậy điều khiển PBC xác định phương trình (3.49), (3.50), (3.51) sơ đồ cấu trúc điều khiển hình 3.3 [4, 11] m * rd i sd  1 T TsTr i sq 1 * isd * - * i sq Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc điều khiển PBC hệ tọa độ dq Ta xác định phương trình điều khiển tốc độ: 60  J  m*  z    p z az  b Để đánh giá chất lượng điều khiển động không đồng rotor lồng sóc, luận văn thực mơ phần mềm Matlab-Simulink nội dung chi tiết thực chương4 3.4 Kết luận chương Chương giải số vấn đề sau: - Xây dựng cấu trúc điều khiển với điều khiển dòng rotor tựa theo thụ động (Passivity - Based) - Xây dựng điều khiển tựa theo thụ động đảm bảo bám mô men bám tốc độ - Thiết kế điều khiển dòng rotor theo phương pháp tựa theo thụ động Trên sở điều khiển dòng vòng thiết kế theo phương pháp tựa theo thụ động điều khiển vịng ngồi mơ men tốc độ điều khiển PID thông thường, ta đánh giá chất lượng điều khiển động không đồng pha rotor lồng sóc mơ chương 61 Chương ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG MƠ PHỎNG MATLAB-SIMULINK 4.1 Sơ đồ mơ Để tiến hành mô ta lựa chọn đối tượng động không đồng pha rotor lồng sóc có tham số sau: Điện trở rotor: Rr  0.17 Điện trở stator: Rs  0.2 Điện cảm rotor: Lr  0.09789 H Điện cảm stator Lr  0.09614 H Mơmen qn tính: J  0.275 Kgm2 Hỗ cảm: Lm  0.0935 Số đôi cực: z p  Tham số điều khiển PBC: Tham số điều khiển PCB:  0.01, d  42 Hình 4.1: Sơ đồ mơ tồn hệ thống 62 Từ tham số đối tượng, ta xây dựng mơ hình động khơng đồng pha rotor lồng sóc Matlab – Simulink hình 4.2 Hình 4.2: Mơ hình động khơng đồng rotor lồng sóc Cấu trúc chung điều khiển dịng PBC theo thành phần isd isq xây dựng hình 4.3 Hình 4.3: Khối điều khiển dịng theo thành phần d q 63 Trong điều khiển dòng isd isq xây dựng hình 4.4 4.5 Hình 4.4: Bộ điều khiển dịng theo isd Hình 4.5: Bộ điều khiển dịng theo isq 64 Hình 4.6: Khối tính D() 4.2 Kết mô 4.2.1 Trường hợp tốc độ không đổi nhiễu phụ tải tác động vào thời điểm 0,75s - Đáp ứng tốc độ động cơ: 1600 1400 1200 n(v/ph) 1000 800 600 400 200 Hình 4.7: Đáp ứng tốc độ động 65 - Đáp ứng dòng điện động isdq (A) Dap ung dong cua dong co 4.2.2 Trường hợp tốc độ nhảy bậc từ 1500 v/ph xuống 1000v/ph nhiễu phụ tải tác động vào thời điểm 1,5s; 3,1s - Đáp ứng tốc độ động cơ: Dap ung toc cua dong co 1600 ndat n 1400 1200 n (v/ph) 1000 800 600 400 200 00 Hình 4.9: Đáp ứng tốc độ động 66 - Đáp ứng dòng điện động 80 60 40 irdq (A) 20 -20 -40 Hình 4.10: Đáp ứng dịng điện động 4.2.3 Trường hợp tốc độ nhảy bậc từ 1000 v/ph xuống 750v/ph sau lên 1500v/ph nhiễu phụ tải tác động vào thời điểm 1,5s; 2,9s - Đáp ứng tốc độ động Dap ung toc cua dong co 1800 ndat 1400 n (v/ph) 1200 1000 800 600 400 200 00 Hình 4.11: Đáp ứng tốc độ động 67 - Đáp ứng dòng điện động 100 80 isdq (A) 60 40 20 -20 -40 Hình 4.12: Đáp ứng dòng điện động 4.3 Đánh giá chất lượng điều khiển Từ kết mô hình 4.7 đến hình 4.12 cho thấy chất lượng điều khiển động đảm bảo chế độ làm việc tốc độ không đổi, thay đổi có nhiễu phụ tải tác động (tốc độ, từ thông bám tốt giá trị đặt phản ứng tốt có nhiễu phụ tải tác động ) Điều chứng tỏ tính đắn thuật toán điều khiển tựa theo thụ động (Passivity - Based) lựa chọn để thiết kế điều khiển 4.4 Kết luận chương Chương giải số vấn đề sau: Xây dựng sơ đồ mô cho hệ thống điều khiển động khơng đồng rotor lồng sóc điều khiển PBC phần mềm Matlab-Simulink Khảo sát, đánh giá chất lượng điều khiển thông qua mô chế độ làm việc với tốc độ không đổi thay đổi 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển để điều khiển động không đồng ba pha rotor lồng sóc Nhiệm vụ cụ thể Thiết kế điều khiển phi tuyến để điều khiển động không đồng ba pha rotor lồng sóc Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn hoàn thành chương sau: Chương 1: Tổng quan cấu trúc điều khiển động khơng đồng pha rotor lồng sóc Chương 2: Đánh giá khả áp dụng phương pháp điều khiển tựa theo thụ động (passivity based) cho hệ thống Chương 3: Thiết kế điều khiển tựa theo thụ động Chương 4: Đánh giá chất lượng điều khiển mô Matlab - Simulink Kết luận văn đạt là: Xây dựng cấu trúc điều khiển động không đồng ba pha rotor lồng sóc phương pháp điều khiển tựa theo thụ động; Thiết kế điều khiển cho hệ thống điều khiển động không đồng ba pha rotor lồng sóc điều khiển tựa theo thụ động (PBC), chất lượng điều khiển kiểm chứng mô Matlab-Simulink Với kết cho thấy tính đắn thuật toán điều khiển thiết kế để điều khiển hệ thống 2.Kiến nghị: Với thời gian nghiên cứu cịn ít, kiến thức kinh nghiệm thực tiễn có hạn, nội dung luận văn số hạn chế Tác giả tiếp tục nghiên cứu hồn thiện để áp dụng tốt kết nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau này, áp dụng điều khiển đại vào đối tượng thực tế ... tuyến để điều khiển động khồng đồng ba pha rotor lồng sóc" 2.Mục tiêu nghiên cứu Tìm hiểu cấu trúc điều khiển hệ thống động khơng đồng ba pha pha rotor lồng sóc - Đánh giá khả áp dụng điều khiển. .. theo thụ động để điều khiển động không đồng ba pha pha rotor lồng sóc Thiết kế điều khiển tựa theo thụ động (passivity based) đánh giá chất lượng mô Matlab-Simulink 3.Nội dung luận văn Với mục... điều khiển vectơ động khơng đồng pha rotor lồng sóc tương tự điều khiển động chiều Theo [11], từ mơ hình tốn học (1.27) ta xây dựng cấu trúc điều khiển tốc độ động không động pha rotor lồng sóc