Sau khi thực hiện việc mụ phỏng cho mụ hỡnh một pha của ĐCMCKCT và tỡm ra bộ điều khiển cho mạch vũng điều chỉnh thỡ chỳng ta thực hiện xõy dựng mụ hỡnh 3 pha của ĐCMCKCT thụng qua cỏc phƣơng trỡnh cơ điện đó cú.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trong mụ hỡnh một pha cũng nhƣ trong phƣơng trỡnh hàm truyền của ĐCMCKCT thỡ chỳng ta đều thực hiện việc giản ƣớc cỏc ảnh hƣởng nhỏ đến chất lƣợng của hàm truyền đạt để thuận lợi cho việc tổng hợp cũng nhƣ xõy dựng mụ hỡnh. Tuy nhiờn trong quỏ trỡnh mụ phỏng cho động cơ mà xõy dựng hệ thống từ cỏc phần tử điện thực cú thứ nguyờn nhƣ cuộn dõy, điện trở, cỏc van bỏn dẫn… thỡ kết quả mà chỳng ta nhận đƣợc sẽ chớnh xỏc hơn. Bờn cạnh đú thỡ một số khõu cú thể vẫn đƣợc tối giản để việc thiết kế đơn giản hơn và rỳt ngắn đƣợc thời gian mụ phỏng nhƣ cỏc thành phần của hệ điều khiển, cỏc bộ phản hồi dũng, phản hồi tốc độ vẫn đƣợc trỡnh bày dƣới dạng cỏc hàm truyền đạt toỏn học. Đặc biệt là cỏc bộ điều chỉnh hoàn toàn cú thể sử dụng mụ hỡnh hàm truyền để mụ phỏng vỡ trờn thực tế cỏc bộ điều chỉnh thƣờng đƣợc lập trỡnh và đƣa vào vi điều khiển để thực hiện thuật toỏn.
Mụ hỡnh hệ thống điều khiển động cơ tổng quỏt đƣợc trỡnh bày trong hỡnh 3.18:
Hỡnh 3.18: Hệ thống điều khiển ĐCMCKCT
Mụ hỡnh đƣợc xõy dựng thành 3 khối chớnh là:
+ Khối bộ điều khiển: bao gồm cỏc bộ điều chỉnh tốc độ, dũng điện, hạn chế dũng điện, khối tạo dạng dũng điện, khõu điều chế độ rộng xung. Tớn hiệu vào của khối là tớn hiệu đặt tốc độ, cỏc tớn hiệu phản hồi dũng điện và phản hồi tốc độ. Đầu ra là 6 xung điều khiển đƣợc điều biến độ rộng xung (PWM).
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Đầu vào là 6 xung PWM cấp cho 6 van. Đầu ra của khối là 3 điện ỏp pha cấp cho động cơ.
+ Khối động cơ một chiều khụng chổi than: gồm ĐCMCKCT đƣợc cấp điện 3 pha. Cỏc giỏ trị dũng điện pha hay tốc độ thực sẽ đƣợc truyền về bộ điều khiển để làm tớn hiệu phản hồi.
Trờn thực tế, trong trƣờng hợp này cú 2 cỏch để lấy tớn hiệu phản hồi dũng điện. Đú là lấy tớn hiệu phản hồi về từ phớa dũng mạch một chiều cấp cho bộ nghịch lƣu và tớn hiệu phản hồi lấy trực tiếp trờn cỏc pha của động cơ. Phƣơng phỏp lấy tớn hiệu đầu tiờn sẽ đơn giản và tiết kiệm hơn do chỉ cần dựng 1 phần tử đo dũng điện. Trong khi đú, nếu đo dũng ở cả 3 pha thỡ số lƣợng cảm biến dũng điện tăng lờn và việc điều khiển sẽ phức tạp hơn do cú 3 tớn hiệu phản hồi cựng mức ƣu tiờn. Tuy nhiờn, ƣu điểm của phƣơng phỏp này ở chỗ, nú đem lại tớnh chõn thực của tớn hiệu dũng điện thực chảy trong động cơ, đặc biệt là pha của tớn hiệu dũng. Mục tiờu của việc mụ phỏng là xem xột, tỏi tạo lại cỏc đặc tớnh của đối tƣợng thực trờn mỏy tớnh. Vỡ vậy đề tài sẽ chọn cỏch lấy phản hồi dũng điện trờn cả 3 pha động cơ.
3.2.2. Mụ hỡnh ĐCMCKCT
Mụ hỡnh ĐCMCKCT bao gồm 3 cuộn dõy sator, 3 thiết bị đo dũng điện của cỏc pha, khõu tớnh toỏn mụmen điện từ, khõu tạo sức phản điện động, khõu quỏn tớnh của động cơ.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hỡnh 3.19: Mụ hỡnh mụ phỏng ĐCMCKCT
Sau đõy là phõn tớch cỏc thành phần cụ thể của mụ hỡnh ĐCMCKCT
3.2.2.1. Phần mạch điện
Mạch nguyờn lý của ĐCMCKCT đƣợc xõy dựng bởi cỏc thành phần điện trở, điện cảm, sức phản điện động. Mụ hỡnh mạch nguyờn lý tƣớng ứng sẽ đƣợc ghộp lại từ 3 pha và đƣợc nối thành mạch hỡnh sao nhƣ trờn hỡnh 3.20: Ra La Ea Eb Rb Lb Rc Lc Ec Va Vb Vc
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
của động cơ và 3 thành phần sức phản điện động thể hiện sự tƣơng tỏc giữa từ trƣờng rotor và từ trƣờng stator. Mỗi một nhỏnh là một pha bao gồm 1 điện trở và 1 cuộn dõy đấu nối tiếp nhau và nối tiếp với một nguồn sức phản điện động. Do 3 cuộn dõy của stator đặt lệch nhau 1200
nờn tƣơng ứng sức phản điện động của 3 pha cũng lệch nhau 1200.
Trờn mỗi nhỏnh cú đặt một phần tử Measurement để đo dũng điện pha rồi sau đú sẽ đƣợc phản hồi về bộ điều khiển. Đồng thời, dũng điện này là tham số cho việc tớnh toỏn momen điện từ của động cơ.
3.2.2.2. Phần tớnh toỏn momen M 1 Switch Product 3 Product 2 Product 1 Product Fcn 1/u Constant 0.001 Abs |u| w 5 Ic 4 Ib 3 Ia 2 Ea,Eb ,Ec 1
Hỡnh 3.21: Khõu tớnh toỏn momen
Momen điện từ đƣợc tớnh toỏn dựa trờn cỏc thụng tin về dũng điện, sức phản điện động và tốc độ đƣợc đƣa về từ cỏc khối khỏc theo cụng thức (2-11).
Mụ hỡnh khõu tớnh toỏn momen đƣợc trỡnh bày trong hỡnh 3.21. Mụ hỡnh thực hiện việc nhõn từng cặp sức phản điện động và dũng điện pha tƣơng ứng rồi tớnh tổng của chỳng. Sau đú, kết quả sẽ đƣợc nhõn với nghịch đảo của tốc độ động cơ.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
động cơ bằng 0 rad/s nờn nếu ta sử dụng cụng thức (2-11) thỡ sẽ gặp phải trƣờng hợp chia cho khụng nờn mụ hỡnh sẽ khụng chạy đƣợc vỡ khụng thoả món điều kiện toỏn học. Vỡ vậy trong trƣờng hợp này chỳng ta sử dụng một bộ chuyển mạch (Switch) theo nguyờn lý sau:
- Nếu giỏ trị tuyệt đối của tốc độ xấp xỉ bằng 0, đầu ra của chuyển mạch sẽ bằng đầu vào (tốc độ) cộng với 0.001. Đõy chớnh là việc loại bỏ trƣờng hợp chia cho khụng.
- Nếu giỏ trị tuyệt đối của tốc độ lớn hơn 0, đầu ra bộ chuyển mạch sẽ lấy trực tiếp giỏ trị của tốc đú.
Momen điện từ sau khi tớnh toỏn sẽ trừ đi momen cản kết hợp với momen quỏn tớnh để cú giỏ trị tốc độ động cơ theo cụng thức dt (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
J M M m c dt .
3.2.2.3. Khối tạo dạng sức phản điện động
Ta cú giỏ trị sức phản điện động đƣợc tớnh theo cụng thức: E= Ke .
Đối với ĐCMCKCT cú đặc tớnh sức phản điện động là hỡnh thang nờn khi mụ phỏng cho mụ hỡnh của động cơ thỡ giỏ trị sức phản điện động của động cơ đƣợc tớnh toỏn từ cỏc giỏ trị thực tế bằng cỏch dũ điểm theo vị trớ của rotor.
Để lấy đƣợc cỏc giỏ trị sức phản điện động của động cơ thỡ dựng một động cơ khụng đồng bộ 3 pha đƣợc điều khiển bằng biến tần để kộo cho ĐCMCKCT quay với tốc độ cao thƣờng lấy là 1000 vũng/phỳt. Khi đú sử dụng osiloscope số để đo điện ỏp hai đầu một bối dõy của stator của động cơ. Sau khi lấy đƣợc cỏc giỏ trị từ thiết bị đo thỡ cỏc giỏ trị sức phản điện động đƣợc đƣa vào bảng gồm cú giỏ trị thời gian. Do đõy là đặc tớnh thực của động cơ nờn nú đúng vai trũ rất quan trọng ảnh hƣởng đến chất lƣợng mụ phỏng của động cơ. Vỡ vậy ở cụng đoạn này nếu việc đo đạc càng chớnh xỏc thỡ việc tỡm hai bộ điều chỉnh để mụ phỏng cho động cơ đỳng là càng thuận lợi.
Từ bảng giỏ trị sức phản điện động theo thời gian để đƣa đƣợc vào mụ hỡnh thỡ ta phải quy cỏc giỏ trị sức phản điện động theo giỏ trị gúc điện hoặc gúc cơ. Trong mụ
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
của rotor động cơ. Cú hai cỏch để tạo ra dạng sức phản điện động đú là:
+ Dựng cỏc khối tạo dạng tớn hiệu để tạo ra dạng sức phản điện động theo hỡnh thang. Ƣu điểm của phƣơng phỏp này là đơn giản nhƣng nú khụng thể hiện hết đƣợc tớnh chất thực tế của dạng sức phản điện động của động cơ vỡ dạng tớn hiệu đƣợc đƣa ra là dạng hỡnh thang bằng phẳng mà trong thực tế thỡ khe hở của rotor và stator nờn nú cú thể nhấp nhụ.
+ Dựng bảng LookupTable để đƣa cỏc giỏ trị đó đo đƣợc vào trong bảng theo dạng ma trận hai chiều. Bảng LookupTable cú một đầu vào và một đầu ra, đầu vào là giỏ trị gúc cơ của rotor động cơ cũn đầu ra là giỏ trị sức phản điện động đó đo đƣợc ở tốc độ 1000 vũng/phỳt. Ƣu điểm của phƣơng phỏp này là chớnh xỏc hơn và thể hiện đƣợc sự nhấp nhụ của sức phản điện động.
Đồng thời do tớn hiệu ra của sức phản điện động là 3 pha lệch nhau 1200
về gúc pha nờn để tạo đƣợc tớn hiệu điện ỏp ra lệch thỡ chỳng ta thực hiện cộng, trừ giỏ trị gúc của rotor đi 1200
thỡ chỳng ta sẽ cú đƣợc tớn hiệu của 3 pha lệch nhau.
Cấu trỳc của mụ hỡnh khối tạo sức phản điện động đƣợc mụ tả trong hỡnh 3.22:
Hỡnh 3.22: Mụ hỡnh khối tạo dạng sức phản điện động
Trong mụ hỡnh trờn, cú cỏc khối chức năng gồm:
+ Khối rem(u,2*pi) cũn gọi là khối chia lấy phần dƣ trong đú u là biến vào (số chia) cũn 2*pi là số bị chia. Cú thể giải thớch khối này nhƣ sau:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
quả là 0 và dƣ là u.
- Nếu u > 2*pi, đầu ra của khối là phần dƣ của phộp chia u/(2*pi).
Trờn mụ hỡnh 3.22 tốc độ sau khi qua khõu tớch phõn sẽ cho thụng tin về vị trớ của rotor tớnh theo radian (do tốc độ tớnh theo rad/s), mà vị trớ của rotor luụn nằm trong đoạn [0,2*pi]. Vỡ vậy, hàm rem(0,2*pi) chớnh là khối giới hạn gúc quay của rotor. Hỡnh 3.23 cho thấy sự khỏc nhau của tớn hiệu vị trớ rotor trƣớc (3.23.a) và sau (3.23.b) khi đi qua khõu rem(). ɵ ɵ 2.π 4.π Uvào Ura (a) (b)
Hỡnh 3.23: Đặc điểm tớn hiệu của hàm rem(u,2*pi) (a) Tớn hiệu vào trước rem(u,2*pi)
(b) Tớn hiệu ra sau rem(u,2*pi)
+ Khối Lookup Table là một khối chức năng trong bộ cụng cụ Simulink. Khối này đƣợc định nghĩa là khối hàm xấp xỉ một chiều, nú sử dụng cỏc thụng tin về cỏc vector x, y đƣợc cung cấp để thực hiện phộp tớnh toỏn xấp xỉ thành hàm y=f(x). Một cỏch đơn giản, nú là một bảng đối chiếu, ứng với một giỏ trị vào, khối sẽ đƣa ra một giỏ trị ra tƣơng ứng. Nếu giả sử đặt vào đầu vào một giỏ trị khụng cú sẵn trong bảng, Lookup Table sẽ thực hiện tớnh xấp xỉ húa giỏ trị đầu ra từ cỏc giỏ trị liền kề. Trong mụ hỡnh khối tạo dạng sức phản điện động 3.23 thỡ Lookup Table bao gồm 2 cột. Một cột giỏ trị đầu vào là vị trớ của rotor theo gúc cơ, cột giỏ trị đầu ra là độ lớn của
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Vỡ vậy, phộp đo trờn sẽ tiến hành trong dải từ với từ 0 đến 90 độ cơ.
Sau khi tớn hiệu ra khỏi bảng LookupTable thỡ giỏ trị tớn hiệu là sức phản điện động của động cơ ở tốc độ 1000 vũng/phỳt nờn cần phải cú một khõu chuyển đơn vị để cú đƣợc hệ số Ke để nhõn với giỏ trị tốc độ của rotor để đƣợc giỏ trị sức phản điện động của 3 pha. Giỏ trị của khõu khếch đại này là K=60/(2*pi*1000)=9.55/1000.
3.2.3. Mụ hỡnh bộ chuyển mạch điện tử - nghịch lƣu nguồn ỏp
Bộ chuyển mạch điện tử cú cấu tạo của một bộ nghịch lƣu nguồn ỏp 3 pha. Với nguồn cấp là điện một chiều 640VDC. Trong mụ hỡnh cú sử dụng 6 van MOSFET cú sẵn trong thƣ viện của Simulink để xõy dựng mụ hỡnh bộ chuyển mạch nhƣ trỡnh bày trong sơ đồ hỡnh 3.24. Cỏc van đƣợc sắp xếp theo thứ tự 1- 4, 3 – 6, 5 - 2.
Hỡnh 3.24: Mụ hỡnh bộ chuyển mạch nghịch lưu 3 pha (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong mụ hỡnh trờn, theo mặc định của phần mềm, điện trở của búng MOSFET là 0,1 là khỏ lớn so với điện trở cuộn dõy động cơ (0.382). Vỡ vậy, sẽ cú một phần điện ỏp cấp cho động cơ sẽ rơi trờn van khi van dẫn nờn làm cho quỏ trỡnh mụ phỏng khụng chớnh xỏc. Do đú, đề việc mụ phỏng hoàn thành đỳng theo yờu cầu, cần phải điều chỉnh lại điện
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
0.0001.
- Đầu ra của khối là điện ỏp 3 pha nối đến động cơ.
- Đầu vào của khối là 6 xung PWM nhận từ bộ điều khiển. Cỏc xung này cấp cho 6 van MOSFET.
3.2.4. Khối Bộ điều khiển
Khối Bộ điều khiển bao gồm cỏc bộ điều chỉnh tốc độ, bộ điều chỉnh dũng điện, khối tạo dạng dũng điện 3 pha, khối điều chế độ rộng xung. Mụ hỡnh của khối Bộ điều khiển đƣợc trỡnh bày trong hỡnh 3.25:
Hỡnh 3.25: Mụ hỡnh Bộ điều khiển
Hoạt động của khối nhƣ sau: Tớn hiệu đặt tốc độ sẽ đƣợc so sỏnh với tớn hiệu tốc độ thực, sai lệch của chỳng sẽ đi qua bộ điều chỉnh tốc độ rồi qua hạn chế dũng để đi tới bộ tạo dạng dũng điện. Bộ tạo dạng dũng điện sẽ tạo ra 3 dũng điện chuẩn 3 pha lệch nhau 1200, đõy cũng chớnh là dũng điện đặt của mạch vũng dũng điện. Dũng điện đặt đƣợc so sỏnh với dũng điện 3 pha thực phản hồi từ động cơ về. Tớn hiệu sai lệch dũng điện sẽ đƣợc đi qua bộ điều chỉnh dũng điện rồi đi tới bộ tạo xung PWM để điều chế ra độ rộng xung cấp cho cỏc đầu ra. 6 xung PWM cấp cho 6 van mạch nghich lƣƣ ỏp 3 pha. Sau đõy là phõn tớch cụ thể của từng khối.
Khối Rw: bộ điều chỉnh tốc độ
Khối tạo dạng dũng điện : cú chức năng tạo dạng dũng điện chuẩn Khối Ri: bộ điều chỉnh dũng điện
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.2.4.1. Khối Rw
Khối Rw thực chất chỉ là một khõu PID đơn giản với cỏc thụng số đó đƣợc tổng hợp trong mạch vũng tốc độ.
Do tớn hiệu tốc độ chỉ là duy nhất nờn khối này cũng sẽ chỉ cú một bộ PID.
3.2.4.2. Khối tạo dạng dũng điện
Khối tạo dạng dũng điện chuẩn làm tớn hiệu đặt dũng cho bộ điều chỉnh. Khõu tạo dạng dũng chuẩn phải cú là vỡ dũng điện phản hồi đƣợc lấy về sau bộ chuyển mạch 3 pha nờn dũng điện 3 pha đƣơc đƣa về sẽ cú thứ tự lệch pha nhau 1200
. Vỡ vậy, dũng điện đặt cũng phải tƣơng ứng lệch nhau 1200. Đồng thời đối với ĐCMCKCT cú sức phản điện động là hỡnh thang thỡ dũng điện chảy trong 3 pha của cuộn dõy stator là dạng xung vuụng nờn dũng điện đặt cũng phải là dạng xung vuụng thỡ hai dũng điện thực và đặt mới so sỏnh đƣợc với nhau.
Mụ hỡnh của khối đƣợc trỡnh bày trong hỡnh 3.26 sau:
Hỡnh 3.26: Mụ hỡnh khối tạo dạng dũng điện
Bộ tạo dạng dũng điện cú cấu trỳc cũng giống nhƣ bộ tạo dạng sức phản điện động đều bao gồm cỏc khối tớch phõn, hàm rem(), bảng LoolupTable. Tốc độ sau khi qua bộ tớch phõn cho ta vị trớ của rotor. Sau đú đƣợc cộng trừ đi một lƣợng (2*pi/3) để đƣa vào hàm rem() để cắt đi phần gúc thừa vỡ rotor chỉ dịch chuyển trong khoảng gúc
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
độ để làm tớn hiệu đặt cho khối Lookup Table để tạo ra dạng dũng điện chuẩn 3 pha với biờn độ bằng 1. Ba dũng điện này sẽ đƣợc nhõn với giỏ trị dũng điện đặt Im để tạo nờn hệ thống 3 dũng điện cú biờn độ bằng giỏ trị dũng điện đặt và lệch nhau 1200
về pha Ia*, Ib*, Ic*.
Nhƣ vậy, điểm khỏc biệt lớn nhất giữa hai khụi tạo dạng dũng chuẩn và tạo dạng sức điện động chuẩn là khối Lookup Table.
Bảng LookupTable trong khối tạo dạng dũng điện chuẩn đƣợc lập ra căn cứ vào