Điều khiển cos(o) (hệ số cụng Suất) scsenrxererrersrrvee

Nguyờn tắc điều khiển cos(o) của cỏc động cơ khụng đồng bộ dựng biến tần

được Rosenberg mụ tả vào năm 1976 và được liờn hệ với điều khiển tối ưu năng lượng

lần đầu tiờn bởi sỏng chế của Earle vào năm 1981. Điều khiển hệ số cụng suất đó được

Nola giới thiệu trước đú vào năm 1977 nhưng chỉ cho động cơ 1 pha lỏi bởi cỏc Thyristor.

Một số lượng lớn cỏc sỏng chế và cỏc bài bỏo về việc điều khiển cos(o) tối ưu

năng lượng cho động cơ khụng đồng bộ: khẳng định cỏch thức để đo cos(o) hoặc thực

thi điều khiển, vớ dụ trờn hỡnh 4.31. Cũng cú những đề nghị đặc biệt về cỏch thức tạo ra giỏ trị tham khảo.

Luận văn thạc sĩ

⁄, J

y 2x)

xiyz | V&I

eos(g) ĩ

Hỡnh 4.31 vớ dụ về điều khiển cos(0) trong một bộ lỏi vụ hướng

Điều khiển cos(@) cú ưu điểm là đơn giản và khụng đũi hỏi thụng tin về tốc độ

rotor. Nhưng nú cú nhược điểm là giỏ trị cos(@) tham khảo chỉ hợp lý cho một loại động cơ nhất định. Đối với vài loại động cơ thỡ chấp nhận được giỏ trị cos(@) tham khảo khụng đổi và đối với một số khỏc thỡ cú thể bắt buộc phải thay đối giỏ trị tham khảo theo một hàm nào đú vớ dụ như hàm của tần số stator hay tải. Andersen và

Pedersen phõn tớch chi tiệt vờ võn đề này đụi với cỏc loại động cơ khỏc nhau.

- Điều khiờn tõn sụ trượt stator

Nỗ lực đầu tiờn tớnh toỏn tần số trượt tối ưu tiết kiệm năng lượng được nhúm

Jian hoàn thành năm 1983 cho một bộ lỏi tần số khụng đổi. Họ cũng tranh luận về ảnh hưởng của bóo hũa lờn cỏc giỏ trị tham khảo. Với giả thuyết mạch từ tuyến tớnh, năm

1983 nhúm Stanton đề nghị sử dụng một tham chiếu tần số trượt khụng đổi ở vựng

momert thấp (thụng lượng thấp). Tuy nhiờn, ngay cả khi mạch từ là tuyến tớnh thỡ sự cú mặt của tổn hao lừi cũng làm giảm chất lượng việc điều khiển tần số trượt khụng

đổi. Trong cựng năm, nhúm của Park đó đề nghị thực hiện điều khiển độ trượt khụng đổi trong bộ lỏi nghịch lưu nguồn dũng, nhúm Kim cũng làm tương tự năm 1984. Năm

1984 Park và Sul giới thiệu một chiến lược điều khiển tối ưu năng lượng trong đú cỏc

tần sú trượt rotor tối ưu được đặt trong một bảng tra. Cỏc giỏ trị dựa trờn việc đo đạc off-line của bộ lỏi động cơ, cỏc giỏ trị tần số trượt tối ưu được tạo ra chỉ phụ thuộc vào tục độ.

Luận văn thạc sĩ

nh—> Pù “ _{œ/ "èPW}

( P ; „| VSI

slip 'equeney| | 60 /

Hỡnh 4.32 vớ dụ về điều khiển tõn số trượt tối ưu Ynà giỏ trị tham khảo được đặt

trong bảng tra

b. Điều khiển dựa vào mụ hỡnh

Điều khiển dựa vào mụ hỡnh là một nguyờn tắc trong đú bộ điều khiển chứa cỏc phương trỡnh mụ hỡnh húa được động cơ hoặc là tổn thất của động cơ, và sử dụng cỏc

phương trỡnh để tớnh toỏn điểm tối ưu hiệu suất. Thụng số của động cơ phải được biết trước. Một loạt cỏc bộ lỏi với cỏc động cơ và converter xỏc định được thiết kế để làm việc với nhau cú thể được hiện thực bằng cỏc phương phỏp đo đạc off-line. Nếu khụng thỡ thuật toỏn ước lượng thụng số tự động phải được sử dụng.

Galler đó giới thiệu năm 1980 việc sử dụng mụ hỡnh động cơ để tớnh toỏn tần số

stator tối ưu và điều khiển tốc độ bằng điện ỏp. Tần số stator tối ưu được tớnh toỏn dựa

trờn mụ hỡnh động cơ ở trạng thỏi xỏc lập, bỏ qua tụn hao lừi và giả thiết mạch từ tuyến tớnh: 60n_ 1 RR =——z+—|——>>__— _4.431

⁄ 2 7 28 RŒ,+L}+RP} 631)

n: tốc độ

Luận văn thạc sĩ RE iSEEEGEnuiiiiinnnnnnnnnnnnniititpannninniiittttbionnniiioiiiiiiuiinnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnunisuntsnnnnuynnnnnnnnnnniittttqqqt@ậẹNnnnnnẵẳẵẳẵẳẵẳ R : điện trở stator R, : điện trở rotor Lm: điện cảm mạch từ L¿: điện cảm stator L; : điện cảm rotor

Phương phỏp trờn cũng được mụ tả bởi Kusko và Galler năm 1983. Hạn chế

trong thuật toỏn của Kusko và Galler là mụ hỡnh khụng bao gồm phần bóo hũa của

mạch từ, như vậy sẽ khụng thể đạt được kết quả tốt trong thực tế.

Bose khẳng định trong một sỏng chế về ý tưởng để tối ưu hiệu suất bằng việc sử dụng mụ hỡnh tổn hao. Dũng stator và từ thụng khe hở khụng khớ được thu thập và

dựng để tớnh toỏn tổn hao mụ hỡnh, bao gồm tổn hao dõy đồng của hài cơ bản và cỏc

họa tần, cỏc tổn hao lừi và đưa bóo hũa vào tớnh toỏn. Bằng việc đo dũng và ỏp stator,

cụng suất ngừ vào và vỡ thế hiệu suất cũng được tớnh toỏn. Từ thụng khe hở được thay

đổi từng bước nhỏ cho đến khi tỡm được hiệu suất tối ưu. Tần số trượt được tớnh toỏn

từ từ thụng khe hở và moment tải. Thực hiện theo đề nghị trờn sẽ cho kết quả tốt, tuy

nhiờn nú rất phức tạp vỡ phải đo đạc cỏc thụng số tốc độ, từ thụng khe hở, dũng stator

và điện ỏp stator.

Pederen và Blaabjerg năm 1992 đó đề nghị 1 biểu thức mụ tả bằng điện trong đú tham chiếu dũng điện từ tối ưu hiệu suất xỏc định theo hàm của tham chiếu momen và tốc độ.

Một ý tưởng do Yamakawa phỏt minh năm 1994 về việc điều khiển động cơ

vũng hở. Cụng suất ngừ vào động cơ được đo đạc và tớnh toỏn điện ỏp stator như sau:

F=K- | ly ' (4.32)

Luận văn thạc sĩ

Năm 1996 Kioskeridis và Margaris sử dụng mụ hỡnh động cơ trạng thỏi xỏc lập

để tớnh toỏn từ thụng khe hở tối ưu: _

„mu = 1,Ơ, _(4.33)

Trongđú V⁄„„„ : từ thụng khe hở tối ưu hiệu suất

l; : Dũng stator

G, : Hằng số của một động cơ xỏc định bao gồm cả bóo hũa

đ„ : Vận tốc gúc của trục

1; : Hằng số thời gian của một động cơ xỏc định

Tp : Hằng số thời gian của một động cơ xỏc định

Biểu thức (4.33) được lập luận như sau: Từ thụng khe hở tăng theo tải, thể hiện

qua I,. Mẫu số thể hiện rằng ớ trờn một tốc độ nhất định từ thụng phải được giảm để

giới hạn tổn hao lừi, và tử số mụ tả là ở một tốc độ khỏc từ thụng nờn tăng lờn để giảm

tổn hao tải tản do cảm ứng của phần ứng. Cỏc hằng số G¿, Ty, Tp; được xỏc định qua thớ nghiệm.

Đa phần cỏc đề nghị dựa trờn hàm tổn hao khỏc biệt với cỏc thụng số liờn quan

đến từ thụng để tỡm tụn hao tối thiểu, với một momen tải và tốc độ cho trước. Cú nhiều cỏch khỏc nhau để thể hiện kết quả. Điều này phụ thuộc vào sự khỏc nhau trong cỏch biểu diễn vớ dụ như giữa điện trở tổn hao lừi và sai lệch trong thực tế. Nhưng về cơ bản

thỡ ý tưởng giống nhau. Trong vài trường hợp giỏ trị tham chiếu từ thụng rotor tối ưu

được tớnh trực tiếp như của Takahashi và Noguchi, Islam và Somuah, nhúm Mendes,

nhúm Baba, nhúm Matsuse, Chang và Kim. Trong cỏc trường hợp khỏc điểm hiệu suất tối ưu được diễn tả bởi tỉ số giữa trường từ và momen như nhúm Garcia, nhúm Ashikaga

Luận văn thạc sĩ

Nhúm của Mendes cũng tuyờn bố tối thiểu húa được tổn hao động cơ. Tuy nhiờn điều này yờu cầu momen tải và tốc độ phải được biết trước. Việc này đỳng trong một vài ứng dụng, vớ dụ như cỏc mỏy cụng cụ làm việc trong cựng 1 dõy chuyờn kớn.

Nhúm của Fetz đó thiết lập được một phương phỏp khỏc để tối ưu hiệu suất của

một động cơ được điều khiển vector từ thụng rotor. Họ sử dụng tiờu chuẩn cực đại tỉ số

momen trờn dũng điện stator. Điều này cho phộp tớnh toỏn được cỏc tham số cường độ momen và cường độ trường tối ưu từ một tham số momeit tải.

c.Điều khiển tỡm kiễm (search confrol)

Điều khiển tỡm kiếm cũn được cỏc tỏc giả khỏc gọi là điều khiển kiểm tra (testing control), điều khiển thớch nghi hay tối ưu húa on-line. Dự tờn gọi nào thỡ nguyờn tắc điều khiển của nú là cực trị húa một thụng số cú nghĩa bằng phộp thử và sai. Tiờu chuản cú thể là cực đại húa hiệu suất, cực tiểu húa cụng suất ngừ vào bộ inverter, cực tiểu húa cụng suất khõu DC, cực tiểu tồn hao trong motor, cực tiểu tốn hao bộ lỏi, cực tiểu dũng stator hoặc dũng điện ở khõu DC.

Ỉ

" BỊ ———— ralar-

° _l„ _ | #ữœ | * ,|PEM _{_|oriented Vđ&I}

*l contral

lo I

minimum lnyerler input

- 7 < _Power

Ă111111411101

H

Hỡnh 4.33 thực thi điều khiển tỡm kiếm cho bộ điều khiển theo từ thụng rotor

Luận văn thạc sĩ

EBNNEEEEESSDnnnNNEiiiiiiiiửcpiitinnnnnnntoiibbiisannnnnnniioniinnnnniinnnnii6isniitiittiiiiiitdiiiiiiitiiiiuiiiiiinnunniinninniinniinnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnni

Nguyờn tắc được đề cập đầu tiờn trong một cụng bố của Geppert năm 1982 cho một động cơ xe điện. Đề xuất đưa ra là khởi động motor với một tỉ số V/Hz danh định,

và khi đạt được momen yờu cầu khụng thay đổi thỡ giảm tỉ số V/Hz cho đến khi tỡm

được cực tiểu đũng khõu DC.

Đối với một bộ lỏi phổ thụng, thỡ ý tưởng được Kusko và Galler đề cập đầu tiờn vào năm 1983. Nhúm của Kirschen thực hiện mụ phỏng đầu tiờn vào năm 1985. Cỏc kết quả thực nghiệm được bỏo cỏo vào năm 1987. Họ đó thực hiện điều khiển tỡm kiếm với một sơ đồ điều khiển vectơ từ thụng rotor, và đó tối thiểu cụng suất ngừ vào bộ lỏi,

duy trỡ ngừ ra động cơ khụng đổi bằng cỏch điều khiển tốc độ với giả thiết đặc tớnh tải

khụng đổi như trong hỡnh 4.33. Một hệ thống tương tự cũng được nghiờn cứu bởi Chen và Yeh năm 1991

Ưu điểm chớnh của điều khiển tỡm kiếm là nú khụng phụ thuộc vào cỏc thụng số

của motor như cỏc chiến thuật điều khiển khỏc mà vẫn tỡm được hiệu suất tối ưu thật

sự. Mặc khỏc, nú cần thời gian hội tụ dài để đạt được hiệu suất tối ưu (khụng đưới 4s)

và cú thể xuất hiện cỏc xung nhiễu liờn tục trong momen và tốc độ phụ thuộc vào cỏch

thức thiết kế giải thuật. Thuật toỏn tỡm kiếm cú thể khú điều chỉnh để đảm bảo hội tụ

chớnh xỏc trong mọi trường hợp. Nếu tối thiểu cụng suất cần thờm cỏc cảm biến chớnh xỏc trừ khi dũng stator được tỏi tạo từ dũng khõu DC nhờ vậy mà cụng suất ở khõu DC

cú thể đễ dàng thu thập được.

Nhúm Kirschen thảo về nhiễu loạn và tắt dần momen trong động cơ. Họ thấy rằng ở gần điểm hiệu suất tối ưu cỏc nhiễu loạn với một bước nhảy từ thụng cho trước

sẽ lớn hơn và tắt dần chậm hơn. Nhưng điều này cú thể được bự bằng cỏch tăng độ lợi

của bộ điều khiển tốc độ nhờ vào việc lập trỡnh độ lợi khỏ đơn giản.

Khụng chỉ trong điều khiển tỡm kiếm mà trong tất cả cỏc chiến lược điều khiển

tối ưu năng lượng, một vấn đề đối với cỏc bộ lỏi điều khiển vectơ từ thụng rotor là đỏp

ứng của động cơ khi từ thụng được giảm thiểu và yờu cầu momen lớn đột ngột. Khi từ

Luận văn thạc sĩ

thụng thấp và dũng stator bị giới hạn ở ngưỡng dũng danh định, động cơ khụng thể

chuyờn tải đầy đủ momen chỉ bằng cỏch tăng dũng momen xoắn. Nếu bộ lỏi khụng

được chuẩn bị trước, nú sẽ ứng xử bằng cỏch tăng dũng tạo ra momen xoắn cho tới giỏ

trị giới hạn, dũng trường thỡ khụng tăng cho nờn động cơ khụng thể phõn phối momen xoắn theo yờu cầu. Một đề nghị là thiết lập một giới hạn nhõn tạo cho dũng momen xoắn cho tới khi giỏ trị trường đạt tới danh định, sau đú tiếp tục tăng dũng momen

xoắn. Điều này chỉ làm giảm đặc tớnh động của hệ thống một ớt so với bộ lỏi hoạt động

với trường liờn tục.

Năm 1988 Sul và Park đề nghị một loại được tỡm kiếm cho động cơ mỏy bơm.

Giả thiết rằng đặc tớnh tải khụng đổi. Moment tải đối với đặc tớnh tốc độ được chia

thành nhiều phần. Trong suốt quỏ trỡnh khởi động, động cơ hoạt động theo đường tải từ

zero đến tốc độ định mức, và trong mỗi phần của đường tải sử dụng một thuật toỏn

điều khiển tỡm kiếm để tỡm ra cỏc tần số trượt tối ưu năng lượng và lưu vào bộ nhớ.

Khi hoạt động bỡnh thường thỡ động cơ được điều khiển theo tần số trượt sử dụng cỏc

tần số trượt tối ưu làm giỏ trị tham khảo. Kết quả là sơ đồ điều khiển rất đơn giản và rất

nhanh khi hoạt động bỡnh thường, tuy nhiờn khi đặc tớnh tải thay đổi thỡ cỏc giỏ trị tần số tham khảo phải được dũ tỡm lại.

Nhúm Moreira đó cụng bố vào năm 1989 và 1991 điều khiển tỡm kiếm cho một

bộ lỏi vụ hướng. Phỏt minh chớnh là thay vỡ đo tốc độ, nú sẽ được ước lượng thành

phần hài bậc 3 của điện ỏp stator. Thờm vào đú, đối với cỏc hệ thống mà đặc tớnh

momen - tốc độ cú tớnh cố định, họ đề nghị bỏ qua việc đo hay ước lượng tốc độ và thay vào đú là việc ước lượng momen xoắn và sử dụng để chỉ thị cụng suất ngừ ra động

cơ. Trong cả hai trường hợp đó tối thiểu húa được cụng suất ở khõu DC.

Năm 1990 Kim đó cụng bố phỏt minh cho việc tối thiểu húa dũng stator bằng

điều khiển tỡm kiếm thay vỡ tối thiểu húa cụng suất ngừ vào. Nhưng ụng đó chứng minh

Luận văn thạc sĩ

iniinnnniiiiiiNEEDNEEEENNNEHIEEIEWEENNNNGHHShHNNNnEEHHunuoonnynNNNNNNnntiinnNnnniinniiiinuounituuittitnaawwannnnnnnnnnnnnnnnininnninnnannnnninuuiuuintniinannnnunuuuuuiuinnnnuuiiớớ

khụng thể điều khiển cụng suất ngừ ra hay tốc độ, vỡ thế khụng thể khẳng định được bộ lỏi đó mụ tả sẽ làm việc được trong thực tờ.

Năm 1996 Kioskeridis và Margaris đưa tài liệu dẫn chứng về ưu điểm của việc tối thiểu húa dũng stator thay vỡ cụng suất ngừ vào. Kết quả hầu như giống với hiệu quả thực hiện, tối thiểu húa đũng stator dễ thấy hơn nhiều so với cụng suất cho nờn ớt

tốn cỏc cảm biến hơn. Bằng cỏch tớnh toỏn họ núi rằng điều này đặc biệt cú ưu điểm

trong cỏc bộ lỏi lớn hơn, khi mà rất khú để đo được tối thiểu cụng suất ngừ vào.

Nhiều tỏc giả đó thực hiện điều khiển tỡm kiếm với những thay đổi nhỏ trong

thực tế. Năm 1991 Famouri và Cathey đó tối thiểu húa cụng suất vào inverter cho một bộ lỏi vụ hướng bằng việc điều chỉnh tần số trượt rotor. Năm 1993 BlaabJerg và Pedersen tối thiểu húa cụng suất khõu DC bằng cỏch điều chỉnh tỉ số V/Hz như trong

hỡnh 4.34.

”—(}m : 'èpw

h s/j ˆ

“ lnipul power

Hỡnh 4.34 Vớ dụ về việc thực hiện tối ưu hiệu suất tỡm kiếm trong một bộ lỏi vụ hướng

Năm 1995 nhúm Cleland đó đề nghị thực hiện điều khiển tỡm kiếm trong một bộ

lỏi điều khiển vũng hở với đặc tớnh tải biết trước. Họ khẳng định cú thể điều chỉnh tốc

độ mà khụng cõn biệt cỏc thụng sụ động cơ, băng việc tăng tõn sụ stator mỗi khi giảm

HH HH HĐ GG G00000000000005005000EE0 0002 200000999909900000000000 000000 EEEẸ-g

Khảo sỏt năng lượng động cơ khụng động bộ 118

Luận văn thạc sĩ

điện ỏp stator. Tuy nhiờn, họ chưa bao giờ chứng minh điều này trong thực tế, nờn rất đỏng nghỉ là nú khú cú thể làm việc được.