4.2.1 Cơ cấu mô phỏng
Hình 4-21: Khối tín hiệu tham chiếu tốc độ động cơ
Khối tín hiệu tham chiếu cũng chính là khối cấp lượng đặt tốc độ cho động cơ hoạt động. Ta dùng khối Stair generator tạo hàm bước step để xây dựng đường đặc tính tốc độ thay đổi liên tục theo thời gian. Hệ thống chạy ở chế độ Discrete-Time với thời gian lấy mẫu Ts=5e-05 (tức 5.10-5 giây), thời gian mô phỏng là 25s và thời gian lấy mẫu dùng cho khối tín hiệu tham chiếu tương tự. Hình trên là lượng đặt tốc độ động cơ hoạt động ở tốc độ cao, các khoảng thời gian hay đổi tốc độ là 4s, 8s, 12s, 14s, 19s, 22s và tốc độ tương ứng ở thời điểm đó là 506070958055( đơn vị rad/s).
Ta sẽ khảo sát động cơ hoạt động ở hai dãy tốc độ cao và tốc độ thấp, trong hai điều kiện động cơ chạy không tải và động cơ mang tải định mức.
61
4.2.2 Kết quả thu được khi động cơ hoạt động không tải
Đầu tiên ta cho động cơ hoạt động không tải trong suốt thời gian hoạt động. Các kết quả thu được như sau:
Hình 4-22: Đáp ứng tốc độ của động cơ và momen Te lúc không tải
Ở chế độ không tải động cơ đáp ứng tốt ở dải tốc độ cao, hệ thống đáng tin cậy. trong khoảng thời gian khởi động (3s đầu tiên) động cơ tăng tốc nhanh (0500RPM trong 2s),giá trị tốc độ đáp ứng chính xác so với giá trị tham chiếu. Không vọt lố, không sai số xác lập.
Tại thời điểm bắt đầu khởi động momen động cơ tăng cao (Gần 1.5N.m), ở những khoảng thời gian động cơ thay đổi tốc độ thì momen quay cũng thay đổi (ở những khoảng thời gian4s,8s,12s,14s,19s,22s), những đoạn tăng tốc momen xảy ra vọt lố nhưng không vượt quá giá trị định mức.
62
Hình 4-23: Từ thông của động cơ
Từ thông của động cơ khá ổn định, ở những giai đoạn động cơ tăng tốc từ thông cũng bị dao động nhưng không nhiều do khâu điều chỉnh đáp ứng tốc độ của động cơ hợp lý. Từ thông ít vọt lố, sai số xác lập nhỏ.
Hình 4-24: Dòng điện các pha stator
Trong các trường hợp động cơ chạy không tải, dòng điện luôn bị ảnh hưởng sóng hài rất nhiều, điều này không liên quan tới tần số sóng mang Fs của bộ điều chế mà là do ảnh hưởng của ma sát không khí cũng như các tổn hao khác sinh ra.
63
Tiếp theo ta sẽ thử cho động cơ chạy không tải ở tốc độ thấp (dưới 100RPM) để khảo sát đáp ứng của mô phỏng. Và đây là kết quả thu được:
Hình 4-25: Tốc độ của động cơ theo đường tham chiếu( dải tốc độ thấp)
Khi chạy không tải ở tốc độ thấp hệ thống vẫn đáp ứng tốt với đường đặc tính cũng như giá trị tham chiếu, momen ổn định hơn, ít vọt lố hơn. Động cơ hoạt động ổn định. Thông thường khi điều khiển động cơ ở tốc độ thấp đối với các bộ điều khiển thông thường động cơ rất dễ bị sụt tốc do ảnh hưởng sụt áp cũng như các tổn hao, dẫn đến việc đáp ứng của động cơ không sát với giá trị và đường đặc tính tham chiếu.
64
Hình 4-26: Dòng điện các pha stator
Hình 4-27: Từ thông khi hoạt động ở tốc độ thấp
Từ thông động cơ ổn định hơn nhiệu ở dãy tốc độ thấp, không vọt lố. Thời gian gia tốc của từ thông thời điểm khởi động động cơ rất nhanh (tầm 0.2s)
65
4.2.3 Kết quả mô phỏng khi động cơ hoạt động có tải
Ở tình huống này ta sẽ cấp tải cho động cơ để khảo sát chất lượng bộ điều khiển khi động cơ mang tải, với giá trị tải bằng với giá trị định mức: Tm=1.325 N.m. Mô phỏng vẫn được thực hiện trong 25s. Cho động cơ chạy không tải trong 5s đầu tiên, sau đó cấp tải trong thời gian còn lại. Đường đặc tính tham chiếu giữ nguyên như ở trường hợp chạy không tải.Ban đầu cho động cơ chạy dải tốc độ cao. Ta thu được các kết quả sau:
66
Trong giai đoạn đầu khi hoạt động không tải (giai đoạn khởi động), động cơ đáp ứng tốt như ở mô phỏng không tải, thời gian gia tốc vẫn nhanh và giá trị bám sát giá trị đặt. Giai đoạn bắt đầu cấp tải cho động cơ (sau 5s đầu), tốc độ động cơ bị ảnh hưởng và giảm đi nhiều (giảm khoảng 85RPM, độ trượt s tại thời điểm tải tác động là 0.143). Sau khoảng gần 1s sau khi tải tác động tốc độ động cơ đã tăng trở lại và hoạt động ổn định.
Đối với momen Te giai đoạn đầu hoạt động không tải thì giống như ở khảo sát không tải. Tuy nhiên thời điểm cấp tải momen Te thay đổi và đáp ứng theo giá trị tải được cấp. Trong suốt khoảng thời gian mang tải, có những đoạn tốc độ động cơ thay đổi momen tăng nhanh nhưng sau đó vẫn bám sát giá trị tải định mức. Hệ thống hoạt động ổn định ở dải tốc độ cao.
67
Hình 4-30: Từ thông của động cơ khi mang tải
Ngay thời điểm mang tải định mức giá trị từ thông thay đổi (thay đổi tầm 0.07Wb) so với ban đầu, vọt lố sinh ra nhưng không hề đáng kể. Dòng điện các pha khi mang tải ít bị ảnh hưởng bởi sóng hài hơn là khi hoạt động không tải.
Ta hoàn toàn có thể khắc phục sụt tốc bằng khâu điều chỉnh bộ điều khiển PI (tải định mức) của đại lượng Te*. Ví dụ như hình sau:
68
Hình 4-32: Momen Te của động cơ sau khi điều chỉnh bộ điều khiển
So sánh về đáp ứng có thể thấy rằng sau khi hiệu chỉnh bộ điều khiển PI, đáp ứng tốc độ động cơ tốt và nhanh hơn rất nhiều so với lúc chưa hiệu chỉnh.Tuy nhiên ở đồ thị momen, có thể thấy ở những giai đoạn động cơ thay đổi tốc độ momen Te bị vọt lố rất lớn (lớn hơn nhiều so với định mức). Đó chính là một nhược điểm của bộ điều khiển PI, khi ta giảm Kp, đáp ứng của hệ thống sẽ rất kém, còn nếu như muốn hệ thống đáp ứng tốt và nhanh buộc ta phải tăng Kp, và hệ lụy là vọt lố tăng theo nhiều. Hơn nữa khi động cơ tăng tốc nhanh ở những dải tốc độ cao vọt lố sẽ còn cao hơn nữa. Nếu như áp dụng vào thực tế các thông số này thì hệ thống sẽ không hoạt động được, thậm chí hệ thống sẽ bị hư hỏng.
Ở trường hợp cuối cùng, các thông số hệ thống giữ nguyên, tuy nhiên ta sẽ cho động cơ chạy ở mức tốc độ thấp với đường tham chiếu giống với khi chạy không tải. Động cơ vẫn sẽ kéo tải với giá trị tải định mức. Động cơ chạy không tải trong 6s đầu tiên sau đó sẽ mang tải định mức chạy trong khoảng thời gian còn lại. Mục đích là để kiểm tra xem động cơ có hoạt động tốt khi mang tải chạy ở dải tốc độ thấp hay không? Kết quả ta thu được như sau:
69
Hình 4-33: Đáp ứng tốc độ động cơ mang tải chạy tốc độ thấp
Khi cho động cơ hoạt động ở dải tốc độ thấp hệ thống vẫn đáp ứng tốt. Thời điểm bắt đầu kéo tải tốc độ động cơ giảm xuống nhưng chỉ là một lượng nhỏ không đáng kể do trong hệ thống đã thiết kế đủ các bước phản hồi giá trị cũng như bù giá trị cho các giá trị lượng đặt. Có những đoạn tốc độ động cơ vọt lố tuy nhiên không đáng kể và sau đó tốc độ vẫn đáp ứng theo đường tham chiếu ban đầu
Đối với momen khi động cơ hoạt động dải tốc độ thấp tương đối là ổn định, đáp ứng đúng với thời điểm mang tải, ít vọt lố, ít dao động ở thời điểm tốc độ động cơ thay đổi.
70
Hình 4-34: Dòng điện các pha stator khi động cơ mang tải chạy tốc độ thấp
Hình 4-35: Từ thông của động cơ
Tương tự như ở mô phỏng mang tải tốc độ cao, từ thông động cơ thời điểm mang tải thay đổi ít, vẫn bám sát giá trị ban đầu. Dòng điện khi động cơ hoạt động ở tải định ít bị ảnh hưởng bởi sóng hài.
71
Hình 4-36: Tốc độ động cơ khi mang tải lớn chạy tốc độ cao
Khi mang tải lớn gấp 4 lần định mức (4N.m) chạy ở tốc độ cao hệ thống vẫn đáp ứng ổn tuy nhiên ở những đoạn giảm tốc do ảnh hưởng một chút bởi sụt áp đột ngột kèm việc kéo tải lớn nên động cơ bị mất ổn định trong một khoảng thời gian ngắn nhưng không là vấn đề. Nhìn chung khi điều khiển động cơ chạy ở tải vượt quá tải định mức ta cần tuân thủ các nguyên tắc cơ bản: Cho động cơ khởi động không tải, điều chỉnh các thông số bộ điều khiển sao cho hợp lý để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định nhất có thể ở các dải tốc độ khác nhau,…
Nhận xét chung về bộ điều khiển FOC-SVPWM cho động cơ KĐB 3p
Về mặt cấu trúc: Hệ thống điều khiển FOC có cấu trúc khá phức tạp, kèm theo đó là nhiều phương pháp điều khiển để vận hành hệ thống. Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng nhưng chung quy lại mục đích đều là để kết quả đầu ra của hệ thống khớp với kết quả tham chiếu.
Về mặt kết quả: Đầu ra hệ thống FOC đáp ứng rất tốt so với tín hiệu tham chiếu. Hệ thống vận hành ổn định ở mọi điều kiện. Tốc độ động cơ tăng giảm rất nhanh, khớp với tín hiệu tham chiếu.
72
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận
Luận văn đã thể hiện rất cụ thể về chất lượng đầu ra của hai phương pháp điều khiển đang được sử dụng nhiều nhất hiện nay là FOC và V/f với đối tượng điều khiển được chọn là động cơ không đồng bộ 3 pha. Thông qua việc tìm hiều về đối tượng và hai phương pháp điều khiển để mô phỏng trên nền tảng Matlab Simulink. Đánh giá các kết quả thu được như sau:
_Đối với điều khiển định hướng trường RFOC: Hệ thống làm việc tin cậy ở mọi tình huống được đưa ra, đảm bảo được độ chính xác rất cao. Hơn nữa việc áp dụng bộ dẫn truyền kép trong khâu điều chế momen quay giúp cho đáp ứng của động cơ khớp với tín hiệu tham chiếu ở những điều kiện khác nhau. Với đáp ứng đầu ra tốt như vậy, mô phỏng đã làm rõ quan điểm rằng điều khiển định hướng trường đang được tin cậy và áp dụng cho hầu hết các hệ thống từ hiệu suất cao đến hiệu suất thấp.
_Đối với điều khiển vô hướng V/f: Tuy đáp ứng đầu ra không được tốt như ở điều khiển có hướng, tuy nhiên phương pháp V/f giữ cho đối tượng hoạt động ổn định với giá trị đặt tần số không đổi. Kèm với cấu trúc đơn giản, dễ điều khiển, điều khiển V/f được áp dụng nhiều cho những hệ thống đơn giản hoạt động với dây chuyền không hoặc ít có thay đổi ở đầu ra.
5.2 Hướng phát triển đề tài
Trong tương lai đề tài này có thể được phát triển theo các hướng sau: Tiến hành thực nghiệm (thi công mô hình thực tế).
Thay thế bộ điều khiển PI, PID thông thường bằng những bộ điều khiển hiện đại ngày nay như bộ điều khiển đáp ứng thích nghi (Model Reference Adaptive Control-MRAC), bộ PI mờ,….
73
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Sách “Biến đổi Năng lượng điện cơ”-Hồ Phạm Huy Ánh.
[2] Bài giảng “Điều khiển số Hệ thống điện cơ-Điều khiển máy điện-Động cơ điện”-Trần Công Binh.
[3] Tài liệu học tập “Điều khiển truyền động điện”-Nguyễn Hải Dương.
[4] Slide “Điều chỉnh tự động truyền động điện động cơ không đồng bộ”-TS Bùi Xuân Minh.
[5] Slide “Chương 4-Điều khiển động cơ AC”, môn Điện tử công suất ứng dụng- Huỳnh Hữu Phương.
[6] Field Oriented Control of 3-Phase AC Motors-Texas Instruments Europe.
[7] Space vector modulated-Direct torque controlled(DTC-SVM), Inverter-Fed induction motor drive-Marcin Zelechowski.
[8] Specification Guide of Electric Motors-WEG.com
[9] Field Oriented Control-Electrical4u.com
https://www.electrical4u.com/field-oriented-control/
[10] Field Oriented Control of Induction Motor Drive-Mathworks
https://www.mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ref/fieldorientedcontro linductionmotordrive.html
[11] Speed Control of Induction Motor using FOC method-Mohamad Habibullad.
[12] Field-Oriented Control of Induction Motors with Simulink and Motor Control Blockset-Channel MATLAB
74
[13] Playlist “Three-Phase Induction motor MATLAB Simulink”-Channel Abdelrahman Farghly
https://www.youtube.com/watch?v=LYUGtFl-
Z2w&list=PLUSE6w0Kh7fJQF2ONIEbq3qK5aNBIrWJf
[14] Voltage/Frequency (V/f) Control of Induction Motor-Open loop&Closed loop-Channel Future of EEE
https://www.youtube.com/watch?v=HmB2Egay3m8&t=816s
[15] Space Vector PWM Simulinks-Channel Tech Talks