Điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha sử dụng phương pháp trượt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NCKH CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT MÃ SỐ: T2020-35TĐ SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH & CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT Mã số: T2020-35TĐ Chủ nghiệm đề tài: TS Trần Quang Thọ Tp Hồ Chí Minh, 12/2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH & CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT Mã số: T2020-35TĐ Chủ nghiệm đề tài: TS Trần Quang Thọ Thành viên: TS Nguyễn Vinh Quan TS Nguyễn Nhân Bổn Tp Hồ Chí Minh, 12/2020 TS Trần Quang Thọ MỤC LỤC TRANG Trang tựa MỤC LỤC i LIỆT KÊ HÌNH iii LIỆT KÊ BẢNG v DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi CÁC KÝ HIỆU vii THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU viii INFORMATION ON RESEARCH RESULTS x MỞ ĐẦU xii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Các nghiên cứu liên quan 1.3 Mơ hình động khơng đồng pha .3 1.4 Mơ hình điều khiển động .7 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT 2.1 Nguyên lý điều khiển chế độ trượt 11 i TS Trần Quang Thọ 2.2 Bộ điều khiển từ thông 12 2.3 Bộ điều khiển tốc độ 14 2.4 Bộ điều khiển mô men .15 2.5 Nguyên lý điều chế sóng mang 17 2.6 Giải thuật giảm số lần chuyển mạch 18 CHƯƠNG KẾT QUẢ KHẢO SÁT 3.1 Cài đặt tham số 19 3.2 Kết nhận xét 20 3.2.1 Khi tần số sóng mang cố định với phương pháp không sử dụng điều khiển trượt (without SMC) 20 3.2.1.1 Khi tần số góc sóng mang car=(30*pi)*40 rad/s .20 3.2.1.2 Khi tần số góc sóng mang car=(40*pi)*40 rad/s .21 3.2.2 3.3 Khi sử dụng điều khiển trượt SMC (sliding mode control) 23 Kết thí nghiệm 28 CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 Kết đạt .29 4.2 Hướng phát triển .29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 PHỤ LỤC ii TS Trần Quang Thọ BÀI BÁO CÔNG BỐ LIÊN QUAN LIỆT KÊ HÌNH TRANG Hình 1-1 Hệ tọa độ abc hệ tọa độ quay dq Hình 1-2 Sơ đồ thay trục d Hình 1-3 Sơ đồ thay trục q Hình 1-4 Mơ hình điều khiển động sử dụng nộ điều khiển PI Hình 1-5 Bộ điều khiển từ thơng Hình 1-6 Bộ điều khiển mô men Hình 1-7 Nguyên lý điều chế nghịch lưu Hình 1-8 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực Phase A Hình 1-9 Dạng sóng điện áp pha Hình 1-10 Dạng sóng điện áp dây Phase A phase B 10 Hình 2-1 Nguyên lý điều khiển động không đồng pha sử dụng phương pháp điều khiển chế độ trượt 11 Hình 2-2 Đáp ứng hàm sign gián đoạn hàm liên tục hyperbolic tangent .13 Hình 2-3 Nguyên lý điều khiển từ thông 13 iii TS Trần Quang Thọ Hình 2-4 Ước lượng từ thơng Fi_sd chuyển đổi abc sang dq .14 Hình 2-5 Nguyên lý điều khiển mô men 17 Hình 2-6 Nguyên lý điều chế sóng mang thích nghi theo tốc độ .17 Hình 2-7 Giải thuật giảm số lần chuyển mạch 18 Hình 3-1 Đáp ứng tốc độ tần số sóng mang cố định 120 rad/s 20 Hình 3-2 Đáp ứng dịng điện pha tần số sóng mang cố định 120 rad/s 20 Hình 3-3 Đáp ứng mơ men tần số sóng mang cố định 120 rad/s .21 Hình 3-4 Đáp ứng tốc độ tần số sóng mang cố định 160 rad/s 21 Hình 3-5 Đáp ứng dịng điện pha tần số sóng mang cố định 160 rad/s 22 Hình 3-6 Đáp ứng mơ men tần số sóng mang cố định 160 rad/s .22 Hình 3-7 Đáp ứng tốc độ động sử dụng phương pháp trượt 23 Hình 3-8 Đáp ứng dịng điện pha có SMC .23 Hình 3-9 Đáp ứng mơ men có SMC 24 Hình 3-10 Đáp ứng mơ men phương pháp .24 Hình 3-11 THD dịng điện khơng có SMC 25 Hình 3-12 THD dịng điện có SMC 25 Hình 3-13 Đáp ứng mơ men tải tốc độ không đổi .26 Hình 3-14 Khi khơng có giải thuật giảm chuyển mạch 26 Hình 3-15 Khi có giải thuật giảm chuyển mạch 27 iv TS Trần Quang Thọ Hình 3-16 Khi có giải thuật giảm chuyển mạch 27 Hình 3-17 Kết thí nghiệm với động 1hp V dc=75V 28 LIỆT KÊ BẢNG Trang Bảng 1-1 Ký hiệu đại lượng Bảng 3-1 Tham số hệ thống khảo sát .19 v TS Trần Quang Thọ DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT SMC Sliding mode control: điều khiển chế độ trượt Hyperbolic tangent: hàm tang hyperbol Signum Hàm dấu vi TS Trần Quang Thọ CÁC KÝ HIỆU s Vận tốc góc khung tọa độ tham chiếu r Vận tốc góc điện Ls=Lls+Lm Điện cảm stator L’r=L’lr+Lm Điện cảm rotor quy stator qs=Lsiqs+Lmi’qr Từ thông stator trục q ds=Lsids+Lmi’dr Từ thông stator trục d ’qr=L’ri’qr+Lmiqs Từ thông rotor trục q ’dr=L’ri’dr+Lmids Từ thông rotor trục d J Mơ men qn tính B Hệ số ma sát dính m Vị trí góc rotor m Vận tốc góc rotor Te Mơ men điện từ TL Mơ men tải vii TS Trần Quang Thọ Hình 3-3 Đáp ứng mơ men tần số sóng mang cố định 120 rad/s 3.2.1.2 Khi tần số góc sóng mang car=(40*pi)*40 rad/s Hình 3-4 Đáp ứng tốc độ tần số sóng mang cố định 160 rad/s 21 TS Trần Quang Thọ Hình 3-5 Đáp ứng dịng điện pha tần số sóng mang cố định 160 rad/s Hình 3-6 Đáp ứng mơ men tần số sóng mang cố định 160 rad/s 22 TS Trần Quang Thọ 3.2.2 Khi sử dụng điều khiển trượt SMC (sliding mode control) Hình 3-7 Đáp ứng tốc độ động sử dụng phương pháp trượt Hình 3-8 Đáp ứng dịng điện pha có SMC 23 TS Trần Quang Thọ Hình 3-9 Đáp ứng mơ men có SMC Hình 3-10 Đáp ứng mô men phương pháp Các kết cho thấy: phương pháp không sử dụng điều khiển trượt có tần số sóng mang cố định nên sóng hài dịng điện thấp vùng tốc độ thấp thể hình 3-1 đến 3-6 Tuy nhiên, hoạt động vùng tốc độ cao khoảng thời gian từ 0-1s 6-7s, sóng hài tăng cao đáng kể Điều làm cho mơ men động có độ dao động cao Thêm vào đó, độ vọt lố dịng điện mô men cao so với phương pháp trượt 24 TS Trần Quang Thọ Trong đó, với phương pháp trượt đề xuất, hình 3-7 đến 3-10 cho thấy sóng hài độ vọt lố thấp đáng kể Điều làm cho đáp ứng mô men hình 3-10 phương pháp đề xuất thấp Mặc dù đáp ứng tốc độ phương pháp khơng có khác biệt nhiều, sai số tốc độ xác lập phương pháp không dùng SMC cao vùng tốc độ cao so với phương pháp có SMC Hình 3-11 THD dịng điện khơng có SMC Hình 3-12 THD dịng điện có SMC 25 TS Trần Quang Thọ Thêm trường hợp để xem xét cho mô men tải định mức tốc độ định mức, sóng hài THD dịng điện pha khơng có SMC hình 3-11 25% Trong đó, THD dịng pha phương pháp sử dụng SMC có 3.36% đo thời điểm 6.98s tần số 50Hz Hình 3-13 Đáp ứng mơ men tải tốc độ không đổi Điều làm cho độ gợn sóng mơ men phương pháp SMC thấp đáng kể so với phương pháp khơng có SMC Do đó, phương pháp có SMC giúp cho động tổn hao bền Hình 3-14 Khi khơng có giải thuật giảm chuyển mạch 26 TS Trần Quang Thọ Hình 3-15 Khi có giải thuật giảm chuyển mạch Dạng sóng hình 3-14 3-15 cho hai trường hợp có khơng có giải thuật giảm chuyển mạch cho thấy số lần đóng ngắt chu kỳ giảm đáng kể Trong sóng hài THD dịng điện pha khơng có giải thuật chuyển mạch lại cao lên tới 6% hình 3-16 Hình 3-16 Khi có giải thuật giảm chuyển mạch 27 TS Trần Quang Thọ 3.3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Kết hình 3-17 cho thấy đáp ứng điện áp pha, điện áp common mode, tốc độ, dịng điện pha, đáp ứng mơ men động thí nghiệm với động 1hp Time (s) Time (s) (a) (b) Hình 3-17 Kết thí nghiệm với động 1hp Vdc=75V (a) Dạng sóng điện áp pha, common mode tốc độ (b) Dòng điện pha đáp ứng mô men động Việc sử dụng động có cơng suất 1hp khác với thơng số động mơ thư viện Simulink khơng có sẵn mơ hình động 1hp, công suất tối thiểu phải từ 5.4 hp trở lên 28 TS Trần Quang Thọ CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Báo cáo trình bày phương pháp điều khiển động không đồng pha sử dụng phương pháp chế độ trượt Nội dung trình bày thiết kế điều khiển từ thông, tốc độ, mô men theo phương pháp trượt Hệ thống khảo sát nghịch lưu pha bậc ghép tầng Để giảm ảnh hưởng tượng dao động quanh mặt trượt (chattering) có thay đổi lớn biến điều khiển, báo cáo đề xuất hàm liên tục tang hyperbol thay cho hàm signum hàm bão hòa gián đoạn Báo cáo đề xuất phương pháp điều chế sóng mang có tần số thích nghi với tốc độ động để giảm sóng hài vùng tốc độ cao giảm tổn hao chuyển mạch vùng tốc độ thấp Giải thuật chuyển mạch đề xuất báo cáo giúp cho việc giảm điện áp common mode số lần chuyển mạch linh kiện công suất giảm sóng hài Hệ thống mơ Matlab/Simulink cho động 5.4 hp thí nghiệm với kit DSP F28335 cho động 1hp 4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN  Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển trượt đề xuất cho hệ thống nghịch lưu nối lưới, lọc cơng suất tích cực  Nghiên cứu thiết kế hệ thống thí nghiệm gọn nhẹ  Thiết kế mạch bảo phần cứng hiệu 29 TS Trần Quang Thọ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Aktas, K Awaili, M Ehsani, and A Arisoy, “Direct torque control versus indirect field-oriented control of induction motors for electric vehicle applications,” Eng Sci Technol an Int J., vol 23, no 5, pp 1134–1143, 2020, doi: 10.1016/j.jestch.2020.04.002 [2] H Yang, H Lin, and Z Q Zhu, “Recent advances in variable flux memory machines for traction applications: A review,” CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol 2, no pp 34–50, 2020, doi: 10.23919/tems.2018.8326450 [3] X Liang, M Z Ali, and H Zhang, “Induction Motors Fault Diagnosis Using Finite Element Method: A Review,” IEEE Trans Ind Appl., vol 56, no 2, pp 1205–1217, 2020, [Online] Available: https://ieeexplore.ieee.org/document/8930293 [4] T Arun Srinivas, G Themozhi, and S Nagarajan, “Current mode controlled fuzzy logic based inter leaved cuk converter SVM inverter fed induction motor drive system,” Microprocessors and Microsystems, vol 74 2020, doi: 10.1016/j.micpro.2020.103002 [5] H Sathishkumar and S S Parthasarathy, “A novel neural network intelligent controller for vector controlled induction motor drive,” Energy Procedia, vol 138 pp 692–697, 2017, doi: 10.1016/j.egypro.2017.10.202 [6] P Alkorta, J A Cortajarena, O Barambones, and F J Maseda, “Effective generalized predictive control ofinduction motor,” ISA Trans J., vol 103, pp 295–305, 2020, [Online] Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019057820301610 30 TS Trần Quang Thọ [7] A J M C Younes Azzoug, Mohamed Sahraoui, Remus Pusca, Tarek Ameid, Raphaël Romary, “High-performance vector control without AC phase current sensors for induction motor drives: Simulation and real-time implementation,” ISA Trans., vol 98, pp 382–392, 2020, [Online] Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019057820301610 [8] Y A Abdelkarim Ammar, Aissa Kheldoun, Brahim Metidji, Tarek Ameid, “Feedback linearization based sensorless direct torque control using stator flux MRAS-sliding mode observer for induction motor drive,” ISA Trans J., vol 98, pp 382–392, 2020 [9] R N Mishra and K B Mohanty, “Development and implementation ofinduction motor drive using sliding-mode based simplified neuro-fuzzy control,” Eng Appl ofArtificial Intell., vol 19, 2020 [10] L Wang, J Mishra, Y Zhu, and X Yu, “An Improved Sliding Mode Current Control of Induction Machine in Presence of Voltage Constraints,” IEEE Trans Ind Informatics, vol 16, no 2, pp 1182–1191, 2020 [11] I SAMI, S ULLAH, A BASIT, N ULLAH, and J.-S RO, “Integral Super Twisting Sliding Mode Based Sensorless Predictive Torque Control of Induction Motor,” IEEE Access, vol 8, pp 186740–186755, 2020 [12] V M Panchade, R H Chile, and B M Patre, “A survey on sliding mode control strategies for induction motors,” Annual Reviews in Control, vol 37, no pp 289–307, 2013, doi: 10.1016/j.arcontrol.2013.09.008 [13] Y Chang, “Adaptive sliding mode control of multi-input nonlinear systems with perturbations to achieve asymptotical stability,” IEEE Trans Automat Contr., 2009, doi: 10.1109/TAC.2009.2033748 [14] Z Yan, C Jin, and V I Utkin, “Sensorless sliding-mode control of induction 31 TS Trần Quang Thọ motors,” IEEE Trans Ind Electron., 2000, doi: 10.1109/41.887957 [15] A Šabanovic, “Variable structure systems with sliding modes in motion control - A survey,” IEEE Trans Ind Informatics, 2011, doi: 10.1109/TII.2011.2123907 [16] C Zieliński et al., “Variable structure robot control systems: The RAPP approach,” Rob Auton Syst., 2017, doi: 10.1016/j.robot.2017.05.002 [17] V I Utkin, “Survey Paper: Variable Structure Systems with Sliding Modes,” IEEE Trans Automat Contr., 1977, doi: 10.1109/TAC.1977.1101446 [18] Y Li and Q Xu, “Adaptive sliding mode control with perturbation estimation and PID sliding surface for motion tracking of a piezo-driven micromanipulator,” IEEE Trans Control Syst Technol., 2010, doi: 10.1109/TCST.2009.2028878 [19] K Zeb et al., “Indirect Vector Control of Induction Motor using Adaptive Sliding Mode Controller,” 2016 Australian Control Conference, AuCC 2016 pp 358–363, 2017, doi: 10.1109/AUCC.2016.7868216 [20] W O R Mathew, D Houghton, “Vector control techniques for induction motors,” in PEDS 95, 1995, no 95, pp 813–818, [Online] Available: https://ieeexplore.ieee.org/document/404965 [21] M P Kazmierkowski and W Sulkowski, “A Novel Vector Control Scheme for Transistor PWM Inverter-Fed Induction Motor Drive,” IEEE Trans Ind Electron., vol 38, no 1, pp 41–47, 1991, doi: 10.1109/41.103482 [22] C Mun Ong, “Three-phase Induction Machines,” in Dynamic Simulation of Electric Machinery Using MATLAB SIMULINK, R Hall, Ed New Jersey: Prentice Hall, 1997, p 173 32 TS Trần Quang Thọ [23] P C Krause, O Wasynczuk, and S D Sudhoff, Analysis of Electric Machinery and Drive Systems 2010 33 TS Trần Quang Thọ PHỤ LỤC: BÀI BÁO CÔNG BỐ LIÊN QUAN Vinh-Quan Nguyen, Quang-Tho Tran, and Hoai-Nghia Duong, “Stator-flux-oriented control for three-phase induction motors using sliding mode control”, Journal of Electrical Systems, vol 16, No 2, 2020, pp 171-184 34 ... 1 .3 Mơ hình động không đồng pha .3 1.4 Mơ hình điều khiển động .7 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT 2.1 Nguyên lý điều khiển chế độ trượt. .. Trần Quang Thọ CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT 2.1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ TRƯỢT Mơ hình điều khiển trượt báo cáo sử dụng điều khiển trượt khâu ước lượng... trình điều khiển Hình 2-1 Nguyên lý điều khiển động không đồng pha sử dụng phương pháp điều khiển chế độ trượt Trong mơ hình này, có điều khiển trượt, điều khiển từ thơng, điều khiển tốc độ điều khiển