Bảng 7: So sánh hai phương pháp V/f vòng hở và vòng kín
Ưu điểm Nhược điểm
V/f vòng hở
Hệ thống đơn giản không quá nhiều khâu điều chỉnh, chỉ cần trị đặt tốc độ và bước tính toán quy đổi ra điện áp. Dễ sử dụng.
Đáp ứng tốt khi động cơ chạy không tải. Tốc độ động cơ bám sát giá trị tham chiếu.
Đáp ứng kém khi động cơ mang tải, không khớp được với đường đặc tính tham chiếu.
Vọt lố lớn ở momen quay.
V/f vòng kín
Đáp ứng tốt ở điều kiện không tải lẫn mang tải, bám sát giá trị tham chiếu.Hệ thống hoạt động ổn định.
Cấu trúc phức tạp hơn đòi hỏi khâu điều chỉnh bộ điều khiển phải chính xác. Khi động cơ hoạt động ở điều kiện khác phải hiệu chỉnh lại bộ điều khiển.
49
CHƯƠNG 4:THIẾT KẾ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN RFOC 4.1 Mô phỏng bộ điều khiển FOC-SVPWM
4.1.1 Xây dựng các khối tính toán trong bộ điều khiển
Bằng việc mô tả ĐCKĐB 3 pha trên hệ từ thông rotor thì vector dòng stator sẽ chia thành 2 thành phần: Id* để điều khiển từ thông rotor 𝜑𝑟∗, Iq* dùng để điều khiển momen Te*. Sau khi điều chế Id* và Iq* sẽ qua khâu bù điện áp phản hồi Vd, Vq để tạo ra tín hiệu đặt Vd*, Vq*
Hình 4-1 Sơ đồ khối bộ điều khiển
50
Khối chuyển đổi dòng stator từ hệ tọa độ abc->𝛼𝛽(biến đổi Clark)
Hình 4-3: Khối biến đổi Clark
Khối chuyển đổi dòng stator từ hệ tọa độ 𝛼𝛽 → 𝑑𝑞(biến đổi Park)
51 Khối tính toán ước lượng từ thông
Hình 4-5: Khối tính toán ước lượng từ thông
Khối tính góc lệch từ thông Delta:
52
Hình 4-7: Sơ đồ bộ điều khiển RFOC
Khối tính toán cho các giá trị lượng đặt (id*,iq*) với tín hiệu lượng đặt đầu vào
𝜑𝑟∗, Te*( điều chế từ 𝜔∗)
Hình 4-8: Khối tính toán giá trị lượng đặt Id*
53 Khâu PI điều chế tín hiệu momen quay
Hình 4-10: Khối điều chế Te*
Khâu PI điều chế điện áp Vd*, Vq*( có vòng bù điện áp phản hồi Vd, Vq):
54
Hình 4-12: Các khối tính toán giá trị Vd*-Vq*
Chuyển đổi điện áp Vd* ,Vq* sang Valpha-Beta*:
55
Sau khi chuyển đổi điện áp Valpha-Beta* được đưa qua bộ điều chế vector không gian SVPWM để tạo thành 6 tín hiệu xung vuông đưa vào mạch nghịch lưu DC- AC tạo thành điện áp thực cấp cho động cơ. Về nguyên lí của bộ điều chế SVPWM ta đã trình bày ở chương 2 mục 2.7 .
Sóng mang dùng trong bộ điều khiển là sóng tam giác. Tần số sóng mang càng cao thì lượng sóng hài bậc cao được khử càng nhiều. Tuy nhiên nếu tần số sóng mang Fs cao thì dẫn đến tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt của các khóa tăng theo. Các yếu tố này phần nào cũng gây những hạn chế trong việc chọn tần số phù hợp cho sóng mang.
56
4.1.2 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển RFOC trên matlab
Hình 4-15: Sơ đồ mạch động lực bộ điều khiển RFOC
57
Hình 4-17: Sơ đồ khối bộ nghịch lưu áp cầu 3 pha 6 khóa bán dẫn
58
Hình 4-19: Thông số mô phỏng bộ điều khiển FOC
Một số thay đổi giúp nâng cao chất lượng hệ thống:
Ta biết rằng tốc độ, momen và dòng điện 3 pha của động cơ khi hoạt động không tải và khi mang tải là hoàn toàn khác nhau. Khi hoạt động không tải tốc độ động cơ đáp ứng tốt so với đường đặc tính tốc độ tham chiếu, biên độ dao động hài của dòng điện động cơ rất nhiều do ma sát không khí và ảnh hưởng bởi các tổn hao. Còn khi hoạt động có tải tốc độ động cơ sẽ giảm đi không còn đáp ứng chính xác so với ban đầu, tuy nhiên dao động hài giảm đi đáng kể.
Vấn đề đặt ra ở đây là làm cách nào để khi động cơ hoạt động với tải vẫn đảm bảo đáp ứng được tốc độ so với tham chiếu. Phương pháp đơn giản nhất là điều chỉnh bộ điều khiển PI ở khâu điều chế Te*, tăng vọt lố. Tuy nhiên nếu tăng vọt lố ở cả hệ thống thì ở những giai đoạn động cơ hoạt động không tải tốc độ sẽ vượt quá so với đường đặc tính dẫn tới chất lượng đầu ra hệ thống không cao.
59
Cách giải quyết ở đây là chúng ta sẽ dùng 2 bộ điều khiển PI riêng biệt để cùng điều chế momen quay Te*, một bộ dùng cho hoạt động không tải và một bộ dùng cho mang tải, dĩ nhiên 2 bộ điều khiển trên hoạt động hoàn toàn độc lập.
Hình 4-20: Mô hình hệ thống dẫn truyền kép.
Ta có thể gọi đây là hệ dẫn truyền kép, do tín hiệu sai được đưa qua cả 2 bộ PI, tuy nhiên 2 đầu ra sẽ được nối vào một switch tự động, switch được thiết kế để thay đổi đường đi của tín hiệu theo thời gian. Giả sử trong mô phỏng ta cho động cơ chạy trong 10s, trong đó 2.5s đầu tiên hoạt động không tải, 7.5s sau sẽ cấp tải bằng với định mức. Khi đó thời gian cài đặt để switch chuyển đường truyền sẽ là sau khi động cơ chạy được 2.5s, chuyển từ đường truyền không tải sang có tải. Nhờ vào đó đáp ứng đầu ra của hệ thống sẽ khớp với tín hiệu tham chiếu do ở cả hai điều kiện có và không có tải
60
4.2 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển FOC-SVPWM 4.2.1 Cơ cấu mô phỏng 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