Để đỏp ứng moment nhanh chúng đƣợc hỡnh thành, trong chƣơng 2 đó nghiờn cứu và mụ phỏng phƣơng phỏp điều khiển trực tiếp moment động cơ đồng bộ nam chõm vĩnh cửu, phƣơng phỏp mới này đó chứng tỏ những ƣu điểm nổi bật so với phƣơng phỏp điều khiển vectơ kinh điển.
Ƣu điểm của phƣơng phỏp mới:
- Khụng sử dụng mạch vũng dũng điện, chỉ sử dụng duy nhất một tham số là Rs.
- Cấu trỳc đơn giản vỡ bản chất của phƣơng phỏp điều khiển là tựa theo từ thụng stator. Do đú khụng cần khõu điều khiển chuyển đổi - một khõu tƣơng đối phức tạp trong cỏc phƣơng phỏp điều khiển từ thụng rotor.
56
Qua kết quả mụ phỏng bằng phƣơng phỏp điều khiển trực tiếp moment với khõu trễ moment 3 vị trớ, thấy đƣợc đỏp ứng moment nhanh chúng đƣợc hỡnh thành.
Trong chƣơng này đó trỡnh bày phƣơng phỏp điều khiển trực tiếp moment động cơ đồng bộ nam chõm vĩnh cửu và cú phõn tớch ảnh hƣởng của tham số duy nhất Rs của động cơ đến sự làm việc ổn định của hệ thống, từ đú đề xuất thuật toỏn bự ảnh hƣởng điện trở stator của động cơ, đõy cũng đƣợc xem là một vấn đề mới của đề tài.
Phƣơng phỏp DTC cho đỏp ứng moment nhanh, ớt phụ thuộc vào tham số của động cơ, tuy nhiờn khả năng ứng dụng của phƣơng phỏp này cũn gặp một số hạn chế ở vựng tốc độ thấp - khi đú mạch từ bị bóo hoà nờn moment khụng thể đạt đƣợc nhƣ yờu cầu, điều này ảnh hƣởng đến chất lƣợng hệ truyền động động cơ đồng bộ nam chõm vĩnh cửu điều khiển trực tiếp moment. Vậy để nõng cao chất lƣợng của hệ thống, luận văn đó đƣa ra giải phỏp nghiờn cứu ở chƣơng 3 là: Xõy dựng quy luật điều khiển tỷ lệ tối ƣu moment/dũng điện (M/I), giảm tổn thất cụng suất.
57
Chƣơng3
ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMENT
ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU TỐI ƢU DềNG ĐIỆN
Qua kết quả nghiờn cứu lý thuyết và cỏc mụ phỏng phƣơng phỏp điều khiển trực tiếp moment ĐCĐBNCVC, chƣơng hai đó chứng tỏ những ƣu điểm nổi bật của phƣơng phỏp mới này so với phƣơng phỏp điều khiển vectơ. Phƣơng phỏp DTC cho đỏp ứng moment nhanh, ớt phụ thuộc vào tham số của động cơ. Tuy nhiờn khả năng ứng dụng của phƣơng phỏp này cũn hạn chế ở vựng tốc độ thấp và cận khụng, vỡ khi điều khiển trực tiếp moment của ĐCĐBNCVC ta giữ biờn độ từ thụng stator bằng hằng số với tốc độ điều khiển càng nhanh càng tốt để đạt sự thay đổi moment cực đại. Nhƣng trong trƣờng hợp tốc độ điều khiển giảm mà biờn độ từ thụng vẫn giữ nguyờn bằng hằng số hoặc biờn độ từ thụng lớn sẽ gõy nờn bóo hoà mạch từ, khụng thể điều khiển đƣợc moment ở vựng tốc độ này. Vậy để điều khiển moment đạt cực đại ở vựng tốc độ thấp cần thay đổi biờn độ từ thụng stator (giảm biờn độ từ thụng stator). Khi đú sẽ làm thay đổi tốc
58
độ điều khiển và dũng điện Id, Iq (giảm), điều khiển trực tiếp moment cú thể thực hiện ở vựng tốc độ thấp mà khụng gõy tổn thất cho hệ thống.
Một nhƣợc điểm nữa của phƣơng phỏp DTC là khi giỏ trị dũng điện vƣợt quỏ giới hạn sẽ khụng thể kiểm soỏt đƣợc dũng điện điều khiển moment, dẫn đến đỏp ứng moment thay đổi, mất ổn đinh và khụng đạt đƣợc cực đại. Nếu dũng điện điều khiển quỏ lớn sẽ làm hệ thống mất ổn định, gõy tổn thất cụng suất cho động cơ.
Biểu thức (1.30) chứng tỏ rằng sự gia tăng moment tƣơng ứng theo sự gia tăng gúc là gúc giữa từ thụng stator và từ thụng nam chõm, nếu giữ biờn độ từ thụng stator bằng hằng số và đƣợc điều khiển trong phạm vi từ
2 đến 2 thỡ
moment đạt cực đại khi = 2
, mà khi moment đạt cực đại với = 2
thỡ phản ứng phần ứng cú tớnh chất khử từ, đõy cũng là một nhƣợc điểm khi giữ biờn độ từ thụng stator khụng đổi. Vậy để cú thể tận dụng tớnh chất trợ từ ứng với
2
<<0 thỡ phải thay đổi biờn độ từ thụng stator.
Vậy qua tất cả cỏc nhƣợc điểm trờn, để nõng cao chất lƣợng hệ truyền động động cơ đồng bộ nam chõm vĩnh cửu điều khiển trực tiếp moment, tăng khả năng ứng dụng của phƣơng phỏp vào thực tiễn, luận văn đề xuất giải phỏp để giảm tổn thất cụng suất trong hệ thống và thay đổi đƣợc biờn độ từ thụng stator từ đú cú thể điều khiển trực tiếp moment trong vựng tốc độ thấp cận khụng:
- Xõy dựng quy luật điều khiển tỷ lệ tối ƣu moment/dũng điện (M/I), giảm tổn thất cụng suất.
59
3.1 Xỏc định quy luật điều khiển tỷ lệ tối ƣu moment/dũng điện (MTPA- maximum torque-per-ampere)
Quy luật MTPA là quy luật điều khiển tỷ lệ tối ƣu moment/dũng điện, quy luật này cho biết quan hệ giữa moment, biờn độ từ thụng stator và gúc , từ đú cú thể đƣa ra cỏch điều khiển tối ƣu theo mong muốn.
Xuất phỏt từ mỗi cặp giỏ trị (id, iq) cú thể tớnh đƣợc moment, biờn độ từ thụng stator và gúc tải tƣơng ứng, từ đú xỏc định đƣợc quy luật MTPA.
Quy luật MTPA là quy luật điều khiển tối ƣu moment/dũng điện đƣợc suy ra từ biểu thức (1.16), thoả món biểu thức (3.1).
Ta cú biểu thức: 2 2 2 4 2 q q q f d q f d i L L L L i (3.1)
Ứng với mỗi cặp (id, iq) thoả món biểu thức (3.1) thay vào biểu thức (1.16), (1.17), (1.19) ta tớnh đƣợc moment (T), từ thụng stator s , và gúc quay . Quy luật MTPA đƣợc xỏc từ cỏc giỏ trị moment với động cơ trong bảng 1 (phụ lục),
đƣợc biểu diễn trờn đồ thị T- s (hỡnh 3.1), và - s (hỡnh 3.2).
Nhỡn hỡnh 3.1, hỡnh 3.2 ta thấy moment sẽ tăng theo độ lớn từ thụng stator
s
và gúc , với < m. Khi moment T = 0 thỡ = 0 và từ thụng múc vũng stator trựng với từ thụng múc vũng của nam chõm. Theo cụng thức (3.2) nếu biết 2 trong 3 đại lƣợng M, s , thỡ sẽ tớnh đƣợc đại lƣợng cũn lại.
Lq sin 2 d L s sin q L f 2 q L d L 4 s p 3 T (3.2)
60
Nếu biết giỏ trị moment thỡ quy luật MTPA sẽ đƣợc xỏc định nếu biờn độ và gúc pha của từ thụng stator xỏc định từ tra bảng quy luật. Phƣơng phỏp điều khiển trực tiếp moment (DTC), để đạt sự thay đổi moment cực đại, rừ ràng nờn điều khiển trờn trục dựa theo quy luật biờn độ từ thụng stator và moment (hỡnh 3.1) hơn là điều khiển gúc tải theo quy luật (hỡnh 3.2). Vỡ điều khiển theo quy luật này gúc sẽ khụng vƣợt quỏ giỏ trị cực đại mnếu moment bị giới hạn bờn dƣới giỏ trị cực đại tƣơng ứng.
3.1.1 Xỏc định quy luật giới hạn dũng điện
Theo dũng điện cực đại (I0m) của động cơ thỡ dũng điện cú biểu thức sau: 2 2
q om
d I i
i (3.3) Trong đú: Iomlà đại lƣợng giới hạn của nguồn.
Từ mỗi cặp (id, iq ) thoả món biểu thức (3.3), ta cú thể xỏc định moment (T), biờn độ từ thụng stator ( s ) và gúc giữa từ thụng stator và từ thụng rotor là gúc
tải theo cỏc biểu thức (1.16), (1.17), (1.19) từ đú vẽ đƣợc đƣờng giới hạn dũng điện.
3.1.2 Xỏc định quy luật giới hạn điện ỏp
Theo điện ỏp cƣỡng bức cực đại (UOm) của động cơ thỡ điện ỏp cú biểu thức sau: 2 2 q om d U u u (3.4) Trong đú: Uom, là đại lƣợng giới hạn của nguồn.
Tƣơng tự nhƣ quy luật điều khiển tối ƣu moment/dũng điện MTPA, dũng điện I, điện ỏp U cƣỡng bức giới hạn cũng cú thể vẽ trong cựng mặt phẳng toạ độ T, s nhƣ hỡnh 3.1. Cũn giỏ trị của đƣợc biểu diễn hỡnh 3.2. Dũng điện giới
61
hạn cho phộp, nếu moment T bị điều khiển nằm ở phớa dƣới quỹ đạo giới hạn. Rừ ràng với 1 giỏ trị moment nào đú, dũng điện stator sẽ vƣợt qỳa dũng điện giới hạn nếu s bị giữ quỏ lõu. Điểm giao nhau của đƣờng giới hạn dũng điện và
MTPA là điểm A tƣơng ứng với điểm làm việc tỉ lệ moment/dũng điện. Khi điều khiển theo quy luật MTPA, dũng điện giới hạn cho phộp nếu moment bị giới hạn bờn dƣới giỏ trị dũng điện ứng với điểm A.
Điện ỏp stator Us tỷ lệ với tốc độ quay của rotor và từ thụng múc vũng stator, nếu bỏ qua điện trở của stator thỡ ta cú biểu thức quan hệ sau:
Us r s b sr cf (3.5) Trong đú: r, b, c tƣơng ứng với tốc độ quay rotor, tốc độ đồng bộ, tốc độ trƣợt và s tỉ lệ từ thụng múc vũng stator, f là tốc độ mở mỏy động cơ khụng tải, nú tỷ lệ với điện ỏp pha Uom. Quỹ đạo điện ỏp cực đại của 1 động cơ đƣợc xỏc định bởi mỗi cặp giỏ trị (id, iq) và một giỏ trị tốc độ phớa trờn. Để tớnh toỏn đơn giản điện ỏp giới hạn cực đại ứng với mỗi tốc độ đƣợc coi là 1 đƣờng thẳng đứng.
Với mỗi moment tỷ lệ thỡ từ thụng múc vũng stator sẽ là giỏ trị tỷ lệ của moment trong MTPA. Nếu tốc độ rotor nhỏ hơn tốc độ đồng bộ thỡ đƣờng điện ỏp giới hạn sẽ nằm bờn phải của điểm A (điểm giao MTPA và dũng điện giới hạn) và vỡ vậy điện ỏp sẽ luụn luụn phự hợp với điều khiển quy luật MTPA. Khi tốc độ rotor tăng quỏ tốc độ đồng bộ thỡ điện ỏp giới hạn sẽ dịch chuyển sang trỏi và từ thụng múc vũng stator phải giảm theo biểu thức (3.5) với cụng suất làm việc khụng đổi. Núi cỏch khỏc với điểm làm việc tốc độ rotor nhanh hơn tốc độ đồng bộ thỡ độ lớn của từ thụng múc vũng sẽ tỉ lệ của động cơ rotor.
62
Phớa dƣới tốc độ đồng bộ, moment cực đại tỡm rất đơn giản ở chỗ giao nhau giữa MTPA và quỹ đạo giới hạn dũng điện (điểm A). Ngoài ra hoạt động trong vựng cụng suất khụng đổi, moment cực đại đƣợc xỏc định tại giỏ trị ở chỗ giao nhau giữa quỹ đạo dũng điện và quỹ đạo giới hạn điện ỏp, nếu di chuyển quỹ đạo giới hạn dũng điện chuyển sang trỏi khi tốc độ tăng trờn tốc độ đồng bộ b .
Nhƣ khú khăn trƣớc là điều khiển trực tiếp cả moment bằng hằng số và vựng cụng suất khụng đổi, gúc cú thể giới hạn dƣới đú là cỏc giỏ trị cho phộp lớn nhất m.Ở hỡnh 3.2, m là đối diện với trục đồ thị s , m cú thể vƣợt quỏ vựng từ trƣờng yếu nếu chỗ giao nhau giữa giới hạn quỹ đạo dũng điện và quỹ đạo điện ỏp đó xảy ra. Vớ dụ nhƣ điểm C hỡnh 3.2 là khi tốc độ lớn(vƣợt quỏ tốc độ tƣơng ứng) thỡ vựng hoạt động giới hạn dũng điện và điện ỏp kết quả sẽ là > m. Nhƣ vậy moment đạt cực đại đƣợc tớnh theo cụng thức (1.30) và m tớnh theo
cụng thức 4 8 s / a s / a cos 2 1 m (3.6) Trong đú: d q q f L L L a 2.5 2 1.5 1 1.5 T IGH MTPA UGH (1200) UGH (2400) UGH (4000) UGH (1500) A
63
3.1.3 Cấu trỳc điều khiển tỷ lệ tối ƣu giữa moment/dũng điện (T/I)
Từ cấu trỳc điều khiển tỷ lệ tối ƣu giữa moment/dũng điện ta thấy đƣờng biểu diễn tốc độ nằm bờn ngoài hỡnh 3.3. Bảng tra cứu đƣợc dựng để xỏc định biờn độ của vectơ từ thụng stator s theo quy luật MTPA với moment bằng hằng số. Hoạt động trong vựng cụng suất khụng đổi, thỡ biờn độ từ thụng xỏc định bằng cụng thức :
Hỡnh 3.1: Điều khiển quy luật T, s
Hỡnh 3.2: Biểu diễn giỏ trị của với quy luật điều khiển
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 100 80 60 40 20 0 s Wb Igh MTPA Ugh (1500) 2400 4000 A 120 m C
64 f c sr b s r s U
3.1.4 Xỏc định Moment hằng số và cụng suất khụng đổi
Ta thấy hằng số moment và vựng hoạt động cụng suất khụng đổi xỏc định khụng đơn giản bằng tốc độ quay rotor r .
Rừ ràng, trong vựng hoạt động với tốc độ thấp hằng số moment sẽ đƣợc lựa chọn. Hoạt động ở trờn tốc độ đồng bộ, cụng suất khụng đổi chắc chắn đƣợc lựa chọn với giới hạn điện ỏp khụng đƣợc lớn hơn quy luật MTPA. Tuy nhiờn, hoạt động giữa phớa dƣới và những điểm tốc độ giao nhau, điều khiển là xỏc định moment. Nếu cỏc đƣờng thẳng biểu diễn hỡnh 3.2 là giới hạn điện ỏp tƣơng ứng hoạt động giữa tốc độ rotor b, c, đõy là chỗ giao nhau giữa cỏc đƣờng thẳng (điểm B) với quỹ đạo MPTA và điểm moment là TB. Nếu moment thực lớn hơn moment đƣợc xỏc định TB thỡ điều khiển cụng suất khụng đổi là lựa chọn đƣợc. Mặt khỏc, điều khiển moment bằng hằng số là lựa chọn trong suốt tốc độ rotor ở phớa trờn tốc độ đồng bộ.
Điều khiển moment bằng hằng số và cụng suất khụng đổi đƣợc biểu diễn ở lƣu đồ thuật toỏn hỡnh 3.4
Bộ PI Bảng MTPA Vom/r T* * s r r * Moment bằng hằng số Cụng suất hằng số
65
Vậy vectơ từ thụng *
s đƣợc kiểm tra bởi biểu thức sau:
f q q q s L L L
Với vectơ từ thụng bằng hằng số thỡ điều kiện xỏc định dT/d tại = 0
3.2 Xõy dựng quy luật điều khiển tỷ lệ tối ƣu moment/dũng điện (MTPA)
r T’ r > c Yes No No No Yes Yes ’s= ’s2 ’s= ’s1 ’s ’s1= ’s2 r< b s1 chọn từ bảng quỹ đạo MPTA s2 = Vam / r
Hỡnh 3.4: Lưu đồ thuật toỏn điều khiển moment hằng số và cụng suất khụng đổi
66
Trong phần này chỳng ta xõy dựng quy luật điều khiển tỷ lệ tối ƣu moment/dũng điện (MTPA) của ĐCĐBNCVC để đạt moment cực đại khi điều khiển ở vựng tốc độ thấp và cận khụng. Cú 2 phƣơng phỏp xõy dựng quy luật điều khiển tỷ lệ T/I, đƣợc thực hiện theo:
1. Vận hành với từ thụng tối ƣu trong miền tốc độ cao. 2. Vận hành bằng bộ biến đổi PWM với mỏy tăng điện ỏp
Trong hai phƣơng phỏp này, vận hành từ thụng tối ƣu là phƣơng phỏp phổ biến hơn(hỡnh 3.5). Tuy nhiờn vận hành theo cỏch này cần cú dũng điện làm giảm từ thụng nam chõm của động cơ và dũng này sẽ làm tăng tổn thất đồng trong động cơ.
Hỡnh 3.5: Biến đổi PWM sử dụng cho từ thụng tối ưu.
67
Vận hành bằng bộ biến đổi PWM với mỏy tăng ỏp là một phƣơng phỏp khỏc. Mạch gồm cú một bộ biến đổi PWM và mỏy tăng điện ỏp để điều khiển điện ỏp một chiều. Khi hoạt động ở tốc độ cao thỡ nguồn điện ỏp khụng đủ, mỏy bự ỏp phải tăng điện ỏp một chiều lờn giỏ trị cần thiết đủ để điều khiển dũng điện động cơ. Hệ thống cú một vài đặc điểm nhƣ sau:
Hệ thống hoạt động mà khụng cần dũng làm giảm từ thụng nam chõm của rotor. Vỡ vậy sẽ khụng cú tổn thất đồng do dũng điện gõy ra.
Nếu bất ngờ mất tớn hiệu điều khiển ở cỏc van khi đang hoạt động ở tốc độ cao, biờn độ của sức điện động phản hồi do từ trƣờng quay rotor sinh ra sẽ đƣợc giữ nhỏ hơn điện ỏp một chiều. Vỡ vậy hệ thống chắc chắn sẽ khụng xảy ra sự cố nghiờm trọng nhƣ ở phƣơng phỏp vận hành từ thụng tối ƣu. Tuy nhiờn, điểm quan trọng là hệ thống cần cỏc van cú cấp điện ỏp cao hơn và chịu đƣợc sự biến đổi nhanh của động cơ.
Mặc dự nguồn điện ỏp thay đổi, hệ thống này cú thể giữ giỏ trị điện ỏp một chiều ổn định trong miền moment khụng đổi. Nú giỳp cho việc tỡm quỹ đạo giới hạn cực đại của dũng điện động cơ dễ dàng.
Ta so sỏnh hoạt động bằng bộ biến đổi PWM với mỏy tăng ỏp và hoạt động