(Luận văn thạc sĩ) điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC) động cơ không đồng bộ ba pha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC SƠN ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR (RFOC) ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA S K C 0 9 NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC SƠN ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR (RFOC) ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MINH TÂM TP Hồ Chí Minh, tháng 11/2012 Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Sau hai năm học tập nghiên cứu Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh, tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp cao học Để có đƣợc thành này, nhận đƣợc nhiều hỗ trợ giúp đỡ tận tình từ Thầy Cơ, gia đình, quan bạn bè Đầu tiên , tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy TS Nguyễn Minh Tâm, ngƣời tận tình hƣớng dẫn trực tiếp tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất quý Thầy Cô giảng dạy cho suốt thời gian qua Tôi xin gƣ̉i lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Trƣờng Cao đẳng nghề Lilama đã ta ̣o mo ̣i điề u kiê ̣n thuận lợi giúp tơi hồn thành khóa học Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè động viên, giúp đỡ cho tơi có niềm tin nỗ lực cố gắng suốt trình học tập Xin chân thành cảm ơn ! Học viên thực Nguyễn Ngọc Sơn iii Luận văn tốt nghiệp TÓM TẮT Động không đồng ba pha thiết bị chủ lực truyền động điện x oay chiề u ƣu điểm nhƣ : cấu tạo đơn giản , chắn, vận hành tin cậy , bảo trì , sữa chữa, giá thành hạ , hiê ̣u suấ t cao ,… so với đô ̣ng mô ̣t chiề u Tuy nhiên, việc điều khiển động không đồng vấn đề khó khăn, phức tạp động khơng đồng hệ phi tuyến và cầ n mô ̣t thuâ ̣t toán điề u khiể n hế t sƣ́c chă ̣t chẽ Phƣơng pháp điề u khiể n đinh ̣ hƣớng từ thông rotor (Rotor Flux Oriented Control – RFOC) đƣơ ̣c sƣ̉ du ̣ng phổ biế n để điề u khiể n đô ̣ng Phƣơng pháp RFOC có khả điề u khiể n đô ̣c lâ ̣p tƣ̀ thông và tốc độ động Để việc điều khiển đƣợc xác địi hỏi phải có tín hiệu hồi tiếp từ thông tốc độ Trên hệ thực, việc sử dụng cảm biến từ thông cảm biến tốc độ sẽ làm tăng chi phí làm giảm độ tin cậy hệ thống Một phƣơng pháp đƣợc đề xuất sử dụng ƣớc lƣợng tƣ̀ thông t ốc độ động kết hợp với phƣơng pháp RFOC để điều khiển động Với mu ̣c đić h cải tiế n phƣơng pháp RFOC việc ƣớc lƣợng từ thông tốc độ, nội dung luận văn sẽ tập trung vào xây dựng mô hình điều khiển động khơng đồng phƣơng pháp RFOC để ƣớc lƣợng tƣ̀ thông tốc độ động Các kết mô (tƣ̀ thông, tố c ̣, moment, dịng điện ba pha ) Simulink / Matlab phƣơng pháp sẽ đƣợc so sánh với với phƣơng pháp FOC truy ền thống Viê ̣c so sánh đƣơ ̣c thƣ̣c hiê ̣n đ ảo chiều quay động cơ, thay đổ i tải ở trục động nhƣ thay đ ổi tốc độ Từ đánh giá thấ y hiê ̣u quả của phƣơng pháp đề xuấ t iv Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt ix Danh sách hình x Danh sách bảng xvi Chƣơng TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Phạm vi nghiên cứu 1.4 Trình tƣ̣ bƣớc tiế n hành 1.5 Ý nghĩa đề tài Chƣơng MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1 Đa ̣i cƣơng về đô ̣ng không đồ ng bô ̣ ba pha 2.1.1 Cấu tạo 2.1.2 Nguyên lý hoạt động động không đồng ba pha 10 2.2 Vectơ không gian của đa ̣i lƣơ ̣ng ba pha 12 2.3 Hệ trục toạ độ quay 15 2.4 Mơ hình trạng thái ̣ng không đồ ng bô ̣ ba pha 17 2.4.1 Lý xây dựng mơ hình 17 2.4.2 Hệ phƣơng trình động khơng đồng ba pha 19 vi Luận văn tốt nghiệp 2.4.3 Mơ hình trạng thái động khơng đồng hệ tọa độ αβ 20 2.4.4 Mô hình trạng thái động khơng đồng hệ tọa độ dq 22 Chƣơng CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 25 3.1 Các phƣơng pháp điều khiển động không đồng ba pha 25 3.2 Điều khiển động cách thay đổi tần số nguồn áp (V/f) 25 3.3 Phƣơng pháp điều khiển moment trực tiếp động 28 Chƣơng HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG ĐỊNH HƢỚNG TRƢỜNG 30 4.1 Đại cƣơng FOC 30 4.2 Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng từ thông rotor trực tiếp (DRFOC) 34 4.3 Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng từ thông rotor gián tiếp (IRFOC) 38 4.4 Thuật toán điều khiển RFOC 39 4.5 Thiết kế PID 40 Chƣơng ƢỚC LƢỢNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TRONG 43 5.1 Đặt vấn đề 43 5.2 Ƣớc lƣợng vecter từ thông rotor 44 5.2.1 Mơ hình áp 44 5.2.2 Mơ hình dịng 45 5.3 Ƣớc lƣợng tốc độ động 46 5.3.1 Phƣơng pháp tổng hợp trực tiếp từ phƣơng trình trạng thái 46 5.3.2 Phƣơng pháp tính tốn trƣợt (Slip calculation) 48 5.3.3 Phƣơng pháp hệ thống tham khảo thích ứng (MRAC) 48 5.4 Mơ hình mơ điều khiển động không đồng theo phƣơng pháp RFOC có sử dụng cảm biến tốc độ 50 5.4.1 Khối chuyển hệ tọa độ: dq −  51 5.4.2 Khối chuyển hệ tọa độ:  - abc 51 vii Luận văn tốt nghiệp 5.4.3 Khối nghịch lƣu 52 5.4.4 Khối mơ hình động cơ: Induction motor 53 5.4.5 Khối ƣớc lƣợng tốc độ rotor 55 5.4.6 Khối ƣớc lƣợng từ thông rotor 57 5.4.7 Khối chuyển hệ toạ độ: abc – dq 58 5.5 Mô hình mơ điều khiển động khơng đồng theo phƣơng pháp RFOC không dùng cảm biến tốc độ 59 Chƣơng KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 60 6.1 Mơ phƣơng pháp RFOC có dùng cảm biến tốc độ 60 6.1.1 Chế độ không tải: TL = Nm 61 6.1.2 Động hoạt động có tải 63 6.1.3 Động hoạt động có tải thay đổi 65 6.1.4 Đảo chiều động 67 6.1.5 Thay đổi tốc độ 68 6.2 Mô phƣơng pháp RFOC không dùng cảm biến tốc độ 70 6.2.1 Chế độ không tải: TL = Nm 71 6.2.2 Động hoạt động có tải 72 6.2.3 Động hoạt động có tải thay đổi 75 6.2.4 Đảo chiều động 77 6.2.5 Thay đổi tốc độ 79 6.3 Kết luận 80 Chƣơng KẾT LUẬN 81 7.1 Kế t luâ ̣n 81 7.2 Hƣớng phát triể n của đề tài 81 Tài liệu tham khảo 82 Phụ lục 84 viii Chương – Tổng quan đề tài Chƣơng TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Điều khiển tốc độ moment động KĐB vấn đề quan tâm từ lâu, có nhiều phương pháp đề nhằm mục đích giải vấn đề điều khiển giữ (U/f) không đổi, điều khiển điện áp,… phương pháp thu lại kết không cao Ngày với phát triển mạnh mẽ công nghệ chế tạo bán dẫn, tiến vi điều khiển tạo điều kiện cho ứng dụng phương pháp điều khiển RFOC, DTC … Điều khiển tốc độ động AC ứng dụng từ năm 1990 ngày chiếm vị trí nhiều điều khiển tốc độ động DC Ngày với phát triển thiết bị điện tử công suất vi xử lý việc điều khiển động khơng đồng trở nên dễ dàng Vì hệ truyền động chủ yếu sử dụng động không đồng làm cấu chấp hành Tùy theo ứng dụng cụ thể, việc điều khiển động không đồng chia thành hai cấp: 1.1.1 Điều khiển cấp thấp Khơng cần độ xác cao, gồm số phương pháp thay đổi cách đấu dây quấn động (để thay đổi số cực từ) thêm bớt vài phần tử (như điện trở, điện kháng) vào mạch rotor để thay đổi đường đặc tính động thay đổi nguồn cung cấp (thay đổi áp) mức độ đơn giản 1.1.2 Điều khiển cấp cao Đáp ứng truyền động cần độ xác cao Trong việc điều khiển động cần độ xác cao, ta có ba cách tiếp cận: 1.1.2.1 Điều khiển động cách thay đổi tần số nguồn cấp Người thiết kế, chế tạo sử dụng phương pháp điều khiển từ cổ điển (phương pháp điều khiển vô hướng V/f = const) đến đại (phương pháp điều Chương – Tổng quan đề tài khiển vector không gian - space vector control) để thay đổi tần số nguồn cấp nhằm đạt mục đích điều khiển mong muốn Kỹ thuật điều khiển vector không gian sử dụng để điều khiển động cơ, có hai phương pháp chính: + Điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control) bao gồm: phương pháp điều khiển vector trực tiếp (Direct Vector Control) phương pháp điều khiển vector gián tiếp (Indirect Vector Control) + Điều khiển trực tiếp moment động cơ: DSC (Direct Self Control) DTC (Direct Torque Control) Các phương pháp điều khiển động cách thay đổi tần số nguồn cấp tóm tắt Hình 1.1 Hình 1.1 Các phương pháp điều khiển động không động ba pha Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) tìm hiểu sâu luận văn phương pháp điều khiển phổ biến Chương – Tổng quan đề tài 1.1.2.2 Điều khiển đô ̣ng cách tác động lên mơ hình tốn học Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật điều khiển động không đồng thay đổi nhanh chóng Trong lý thuyết điều khiển đại, động không đồng ba pha xem đối tượng phi tuyến (vì mơ hình tốn học động khơng đồng mơ tả phương trình vi phân bậc cao) Để điều khiển động cách xác, ta phải áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến như: điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa (Feedback Linearization Control - FLC), điều khiển trượt (sliding mode control - SMC), điều khiển thụ động (passive control), điều khiển thích nghi (adaptive control)…để tác động lên mơ hình tốn học động Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor sử dụng để tiếp cận mơ hình tốn học động Mục đích phương pháp này tiến hành điều khiển độc lập từ thông moment động 1.1.2.3 Điều khiển đô ̣ng phƣơng pháp điề u khiể n thông minh Đây cách tiếp cận dựa phương pháp trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence) mạng nơron (neural netwotk) logic mờ (fuzzy logic) để thực vài khâu q trình điều khiển động (được gọi điều khiển thông minh) Cách tiếp cận khơng sử dụng mơ hình tốn học động người thiết kế sử dụng kiến thức kinh nghiệm có sẵn (của chuyên gia) để huấn luyện khâu điều khiển Ưu điểm phương pháp khơng sử dụng mơ hình toán học động mà cần tri thức kinh nghiê ̣m chuyên gi a để huấn luyện luật điều khiển, không cần biết cấu trúc bên khâu điều khiển, cần biết tín hiệu vào - (I/O) nên phương pháp phù hợp với khâu điều khiển phức tạp, phân tích cấu trúc điều khiển (qui tắc “hộp đen”) 1.1.3 Vai trị động khơng đồng Động không đồng ứng dụng hệ truyền động băng chuyền, băng tải, máy nạp liệu, máy nghiền, máy khử từ, ứng dụng dân dụng máy giặt, tủ lạnh, máy điều hòa, quạt điện,… Chương – Kết mô Nhận xét: Tốc độ động tăng nhanh vượt tốc độ đặt (0.3s) xác lập thời gian ngắn khoảng 0.5s Khơng có sai số tốc độ rotor tốc độ đặt Từ thông rotor từ thông ước lượng gần khơng có sai số  Trong q trình khởi động:  Moment khởi động 0.76 Nm  Tốc độ động tăng đến giá trị 168.5 rad/s  Từ thông tăng đến 0.8 Wb  Dòng điện khởi động 1.88 A  Trong trạng thái xác lập:  Tốc độ rotor 157.2 rad/s vọt lố so với tốc độ đặt 0.128%  Tốc độ ước lượng 157 rad/s  Moment Te≈0  Giá trị từ thông 0.8 Wb  Dòng xác lập 1.64 A 72 Chương – Kết mơ 6.2.2.Động hoạt động có tải Tại thời điểm t=1s cấp cho động moment tải không đổi Te=0.48 Nm Tốc độ đặt cho động wref = 157 rad/s fi (Wb) fest fs 0.5 0 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 Te (Nm) 0.5 wr (rad/s) 200 100 ia ib ic iabc (A) -1 -2 0.5 1.5 t (s) 2.5 3.5 Hình 6.13 Đáp ứng động có tải 180 160 140 wref west wr w (rad/s) 120 100 80 60 40 20 0 0.5 1.5 t (s) 2.5 Hình 6.14 Đáp ứng tốc độ có tải 73 3.5 Chương – Kết mô Nhận xét :  Trong trình khởi động :  Tốc độ rotor tăng nhanh đến giá trị 168.6 rad/s, độ vọt lố 7.4%  Tốc độ ước lượng 168.45 rad/s  Dòng điện khởi động 1.84 A  Từ thông tăng đến giá trị ψs = 0.8 Wb  Moment khởi động 0.78 Nm  Thời điểm t = 1s  Moment tải tăng lên xác lập với giá trị Te=0.48 Nm  Tốc độ rotor giảm xuống đến giá trị 151.6 rad/s, độ sụt tốc 3.8%  Động hoạt động ổn định :  Vận tốc 157.3 rad/s, vọt lố so với tốc độ đặt 0.191%  Dòng điện xác lập 1.71 A  Từ thông xác lập ψs = 0.8 Wb  So sánh với trường hợp không tải :  Tốc độ vọt lố nhiều 0.191% so với 0.128%  Từ thơng gần khơng thay đổi  Dịng điện xác lập lớn 1.71 A so với 1.64 A 74 Chương – Kết mô 6.2.3.Thay đổi tải : Tốc độ đặt cho động wr_ref = 157 rad/s Moment tải thay đổi: t=0÷1s : TL = N/m t=1÷2s : TL = 0.34 N/m t=2÷3s : TL = 0.48 N/m t>3s : TL=0.62 N/m fi (Wb) fest fs 0.5 0 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 Te (Nm) 0.5 wr (rad/s) 200 100 ia ib ic iabc (A) -1 -2 0.5 1.5 t (s) 2.5 3.5 Hình 6.15 Đáp ứng động thay đổi tải 180 160 140 wref west wr w (rad/s) 120 100 80 60 40 20 0 0.5 1.5 t (s) 2.5 Hình 6.16 Đáp ứng tốc độ động thay đổi tải 75 3.5 Chương – Kết mô Nhận xét:  Tốc độ:  t=1s: tăng moment tải từ lên 0.34 Nm, tốc độ rotor giảm xuống đến wr = 153.4 rad/s, độ sụt tốc 2.3%  t=2s: tăng moment tải từ 0.34Nm lên 0.48Nm, tốc độ rotor giảm xuống đến wr = 153 rad/s, độ sụt tốc 2.5%  t=3s: tăng moment tải từ 0.48Nm lên 0.62Nm, tốc độ rotor giảm xuống đến wr = 154.1 rad/s, độ sụt tốc 1.85%  t>3s: tốc độ rotor wr = 157.2 rad/s, độ vọt lố 0.127%  Dòng điện:  Dòng điện khởi động 1.83 A  t=0.5÷1s dịng điện 1.64 A  t=1÷2s dịng điện 1.67A  t=2÷3s dịng điện 1.69A  t>3s dịng điện 1.73A  Từ thơng gần khơng thay đổi so với trường hợp không tải  Moment tải đáp ứng nhanh ổn định 76 Chương – Kết mô 6.2.4 Đảo chiều động cơ: Moment tải giữ không đổi TL = 0.36 Nm Tốc độ đặt cho động wref = -157 rad/s fi (Wb) fest fs 0.5 0 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 Te (Nm) 0.5 -0.5 -1 wr (rad/s) -100 -200 ia ib ic iabc (A) -1 -2 0.5 1.5 t (s) 2.5 3.5 Hình 6.17 Đáp ứng động đảo chiều động wref west wr -20 -40 w (rad/s) -60 -80 -100 -120 -140 -160 -180 0.5 1.5 t (s) 2.5 Hình 6.18 Đáp ứng tốc độ đảo chiều động 77 3.5 Chương – Kết mô Nhận xét: Động đáp ứng tốt  Quá trình độ:  Moment giảm xuống đến -0.8 Nm  Tốc độ wr = -168.6 rad/s  Dịng điện khởi động 1.83 A khơng thay đổi so với chưa đảo chiều  Từ thông không thay đổi so với trường hợp không tải  Khi t=1s cấp cho động moment tải 0.36Nm, tốc độ giảm xuống – 152.6 rad/s, sau 0.2s tốc độ ổn định - 157.2 rad/s  Dòng điện 1.87A  Trạng thái xác lập:  Dòng điện xác lập 1.67 A  Tốc độ rotor động cơ: wr = -157.2rad/s, sai số 0.127%  Tốc độ ước lượng -156,9 rad/s 78 Chương – Kết mô 6.2.5 Thay đổi tốc độ Moment tải giữ không đổi TL = 0.48 Nm t=0÷1s Tốc độ đặt cho động wref = t=1÷2s Tốc độ đặt cho động wref = 50 rad/s t=2÷3s Tốc độ đặt cho động wref = 100 rad/s t>3s Tốc độ đặt cho động wref = 157 rad/s fi (Wb) fest fs 0.5 0 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 Te (Nm) 1.5 0.5 wr (rad/s) 200 100 ia ib ic iabc (A) -1 -2 0.5 1.5 t (s) 2.5 3.5 Hình 6.19 Đáp ứng động thay đổi tốc độ 180 160 140 wref west wr w (rad/s) 120 100 80 60 40 20 0 0.5 1.5 t (s) 2.5 Hình 6.20 Đáp ứng tốc độ thay đổi tốc độ 79 3.5 Chương – Kết mô Nhận xét:  Tại thời điểm thay đổi tốc độ moment tăng nhanh xác lập t>3s  0