Bộ điều khiển mơmen có ba mức đầu ra, tùy thuộc vào sai lệch mơmen. Đây là mơ hình đơn giản nhất của điều khiển trực tiếp mômen. Các giá trị đặt của biên độ mômen, các giá trị thực đƣợc đƣa vào các khối trạng thái có trễ tƣơng ứng ba mức. dM = 1 khi eM > +BTM M d M e d e 2BT
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
dM = - 1 khi eM < -BTM
dM = 0 khi –BTM < eM < +BTM
Mômen nằm trong rải trễ tƣơng ứng, độ rộng của dải này quyết định độ chính xác điều khiển.
Có thể chứng minh độ rộng dải trễ mơmen ảnh hƣởng đến tần số chuyển mạch của biến tần.
3.3 MƠ HÌNH TỐN HỌC ƢỚC LƢỢNG CÁC ĐẠI LƢỢNG PHẢN HỒI Mơ hình động cơ dùng để tính tốn ψs và M làm các đại lƣợng phản hồi, việc tính mơmen có thể sử dụng sơ đồ trên hình 3.1.
X X 3p‟ 2 X ψrβ ψrα isβ isα - M
Hình 3.3. Mơ hình dịng điện ƣớc lƣợng tín hiệu mơmen điện từ
3 ˆ ( ) 2 m r s r s r L p M i i L
Nhƣ vậy chỉ cịn phải lập mơ hình tính tốn từ thơng: 2 2
s s s trong đó: 0 t s s s s s s s u i R dt u i (3.2) Điện áp stator có thể đo lƣờng đƣợc, tuy nhiên hình dáng điện áp là rất
xấu do sự chuyển mạch gián đoạn của các van nghịch lƣu, hơn nữa
Vì us 2 2
3Udc Sa S ab S ac
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Nên có thể tính đƣợc điện áp thơng qua việc đo điện áp mạch một chiều và biết trạng thái chuyển mạch tức thời của nghịch lƣu, cụ thể:
2 1 2 ( ) . 3 2 3 s dc c b c dc u U S S S U S 1 1 ) . 2 2 s dc b c dc u U S S U S
Vị trí góc của véctơ từ thơng có thể xác định đƣợc theo hình 3.2
sin s s s X ∫ X Rs Rs 1/2 ∫ ÷ Udc Sa Sb Sc ias ibs ics abc + - + + + - αβ Sβ Sα - - ψαs ψs ψβs sinθsψ 2 1 3 2 2 2 () ()
Hình 3.4. Mơ hình tính tốn từ thơng stato và vị trí góc phần sáu s(x) Hệ truyền động ứng dụng DTC có thể hoạt động cả bốn góc phần tƣ (4Q) và có ƣu điểm nổi bật là đáp ứng mơmen nhanh do: khơng có mạch vịng điều chỉnh dịng điện, khơng áp dụng thuật PWM kinh điển, không cần chuyển vị véctơ (quay hệ trục) nhƣ trong điều khiển véctơ. Tuy nhiên do bản chất của phƣơng pháp điều khiển mà có đập mạch lớn của từ thơng và mơmen và tần số chuyển mạch của nghịch lƣu không phải là hằng số.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 4.1. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG: 4.1.1 Mơ hình mơ phỏng angle dTe/1 XY Graph v + - Te (N.m) TU THONG DAT F_d F_q Is_d Is_q Te TINH MOMEN1 Is_abc Is_d Is_q Subsystem3 Us Is F_d F_q Subsystem1 Vdc SABC U_ab Subsystem Re Im Momen m is_abc Te Machines Measurement Demux MOMEN TAI MOMEN DAT angle sector Khoi tinh Sector
g A B C + - Tm m A B C Induction machine Err_phi1 DC Voltage Source |u| u Err_ Te Err_ Phi Sector Gates Bang chon -dTe/1
Hình 4.1. Mơ hình mơ phỏng ƣớc lƣợng từ thông stator và mômen điện từ - Biên độ từ thông đặt (Wb) và mômen đặt (N.m) sẽ là những giá trị đặt
trực tiếp vào mơ hình mơ phỏng (sơ đồ hình 4.1)
- DTC dựa trên bảng tra 2.2 mômen ƣớc lƣợng theo công thức 3.2
- Bộ điều chỉnh mômen là bộ điều chỉnh ba trạng thái có trễ theo bảng 2.2. Bộ điều chỉnh từ thơng là hai trạng thái có trễ theo bảng 3.3. Sai lệch từ thông và mômen mong muốn là ±5%
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
4.1.2 Cấu trúc các khối chi tiết trong sơ đồ
Thông số động cơ
Bảng 4.1. Thông số động cơ
Thông số Giá trị
Công suất danh định PN 3kW
Điện áp danh định UN 220V Tần số danh định fN 50Hz Số đôi cực pc 2 Điện trở stator Rs 2.89 Điện trở rôto Rr 2.39 Điện cảm từ hoá Lm 0.214H Mơmen qn tính J 0.005 kgm2 Điện cảm stator Ls 0,225H Điện cảm rôto Lr 0,225H
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Khối bảng chọn
Mục đích: Khối có chức năng lựa chọn véctơ đóng cắt tối ƣu và phát xung mở van nghịch lƣu của biến tần nguốn áp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Bảng tra khi Flux = 1
Bảng tra khi Flux = -1 Khối tính sector
Mục đích: Chức năng của khối là tìm vị trí của véctơ từ thơng Stator trong 6 sector trong mặt phẳng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 sector <= > <= > <= > <= > <= > > <= AND AND OR AND AND AND 6 5 4 3 2 1 Convert Convert Convert Convert Convert Convert -90 -150 -150 150 150 90 90 30 -30 -90 30 -30 1 angle
Hình 4.5. Cấu trúc khối tính sector Khối tính điện áp Stator Us trong hệ tọa độ cố định
Hình 4.6. Khối tính điện áp stator
Mục đích: Khối tính điện áp Usα và Usβ từ điện áp 1 chiều Udc và trạng thái chuyển mạch của biến
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ tần 1 U_ab a3 a2 a1 Product2 Product1 -K- Gain2 1/3 Gain1 2 Gain double 2 SABC 1 Vdc
Hình 4.7. Cấu trúc khối tính điện áp stator Khối tính dịng điện Stator
Hình 4.8. Khối tính dịng điện stator
Mục đích: Chuyển đổi dịng điện Stator từ hệ trục tọa độ abc sang hệ trục tọa độ cố định dq
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Khối tính thành phần từ thơng Stator trong hệ trục tọa độ dq
Hình 4.10. Khối tính thành phần từ thơng stator Mục đích: Chức năng của khối là tính từ thơng Stator ψd và ψq
Hình 4.11. Cấu trúc khối tính thành phần từ thơng stator Khối tính Mơmen
Hình 4.12. Khối tính mơmen Mục đích: Tính mơmen động cơ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.13. Cấu trúc khối tính mơmen
Khối tính từ thơng Stator
Hình 4.14. Khối tính từ thơng stator
Mục đích: Dựa vào 2 thành phần ψα và ψβ để tính ra độ lớn và góc pha của từ thông để so sánh giá trị đặt và xác định vị trí của véctơ từ thơng Stator
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Bộ điều khiển PI
Hình 4.15. Cấu trúc bộ điều khiển PI
Kết quả mô phỏng:
Đáp ứng mômen
Hình 4.16. Đáp ứng mơmen Đáp ứng từ thơng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.17. Đáp ứng từ thơng Quỹ đạo từ thơng Stator
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Đáp ứng Tốc độ
Hình 4.19. Đáp ứng tốc độ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.20. Đáp ứng mơmen khi thay đổi mômen đặt
*Nhận xét: Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mơmen có đặc điểm chung:
- Điều khiển trực tiếp mômen và từ thông (bằng cách chọn lựa các véctơ chuyển mạch tối ƣu)
- Điều khiển gián tiếp dòng điện stator
- Đáp ứng cho chất lƣợng của dịng điện và từ thơng stator là hình sin - Giảm thiểu đƣợc độ nhiễu của từ thông stator và mômen điện từ so với
các phƣơng pháp khác - Tác động nhanh
- Tần số chuyển mạch phụ thuộc vào độ rộng giải trễ mômen và từ thông.
*Ƣu điểm:
- Đáp ứng nhanh mômen.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Yêu cầu bộ ƣớc lƣợng từ thông và mômen - Thay đổi tần số chuyển mạch
4.2. ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG QUA THÍ NGHIỆM: 4.2.1. Các trang thiết bị trong phần thực nghiệm. 4.2.1. Các trang thiết bị trong phần thực nghiệm.
+ Bộ biến tần nguồn áp ba pha
+ Hệ thống dùng để thí nghiệm biến tần (các đèn tín hiệu, các đồng hồ do vơn kế, ămpe kế, Các nút điều chỉnh, các đèn báo)
+ Động cơ không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc với thơng số động cơ: Uđm = 220/380 (V) Iđm = 5,4 (A) Pđm = 2,4 (KW) Cosφ = 0,83 f = 50 ( Hz) n = 1450 (v/p) + Tải sử dụng: Máy phát một chiều, hệ thống tải trở. + PLC S7 300 thu thập tín hiệu
+ Máy tính dùng Win CC để vẽ đặc tính.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.21. Hệ thống thí nghiệm
\
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.23. Hệ thống thí nghiệm biến tần
Hình 4.24. Động cơ khơng đồng bộ rơto lồng sóc sử dụng tải máy phát một chiều
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.25. Tải trở sử dụng trong thí nghiệm
Hình 4.26. PLC S7-300 thu thập dữ liệu
Hình 4.27. Máy tính dùng Win CC vẽ đặc tính đƣợc lấy ra từ PLC
4.2.2. Kết quả thí nghiệm.
Sau khi thí nghiệm sử dụng biến tần điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ ta có đƣợc kết quả của đáp ứng tốc độ nhƣ hình 4.28.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.28. Đáp ứng tốc độ
Để có đƣợc đáp ứng tốc độ nhƣ hình 4.28 ta đặt tốc độ động cơ nđ=875 (v/ph). Đƣờng đặc tính tốc độ với động cơ thực khi đƣợc điều khiển trực tiếp mômen bằng biến tần đƣợc lấy ra nhờ sự hỗ trợ của PLC S7 300 và máy tính sử dụng Win CC.
Ta so sánh giữa đƣờng đặc tính tốc độ thực tế và đƣờng đặc tính lấy đƣợc trong mơ phỏng matlab là tƣơng đƣơng nhau. Tuy nhiên đƣờng đặc tính có đƣợc khi thực hiện mô phỏng đẹp hơn, thời gian quá độ ít hơn và đƣờng đặc tính bám với tốc độ đặt hơn vì trong mơ phỏng ta đã lý tƣởng hóa động cơ và các thiết bị do đó đƣờng đặc tính khơng bị chịu ảnh hƣởng của các tác động cơ học nhƣ ( ma sát của vòng bi, v v...).
4.2.3. Đánh giá các kết quả.
Các kết quả mơ phỏng đã chứng tỏ đƣợc tính đúng đắn của phân tích lý luận và các bƣớc thiết kế. Hình 4.18 trang 76, đã chứng tỏ đƣợc từ thông stator là quỹ đạo tiệm cận với đƣờng tròn, điều này chứng tỏ sự đúng đắn của phân tích lý luận trong chƣơng 2, trang 45, với khẳng định tính chính xác của mơ hình ƣớc lƣợng trong chƣơng 3, trang 54 hình 3.4. Kết quả mơ phỏng trong hình 4.20, trang 78, chứng tỏ đƣợc các dự đốn đã đặt ra từ đầu là:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Mômen thay đổi tức thời theo lƣợng đặt. - Đập mạch mơmen là có thực.
- Mơ hình ƣớc lƣợng mơmen điện từ của động cơ là chính xác.
Mặc dù có hạn chế về thiết bị, nhƣng các thiết bị đƣợc tiến hành tại trung tâm thực nghiệm của trƣờng đại học Kỹ thuật cơng nghiệp Thái Ngun, hình 4.28, trang 73, đã cũng chứng tỏ đƣợc sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm.
- Tốc độ thay đổi tuyến tính theo thời gian chứng tỏ mơmen trong q trình quá độ là hằng (so sánh với hình 4.16, trang 65)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 1. Kết luận:
Trong khuôn khổ luận văn này, kết quả Tôi đã thực hiện đƣợc việc nghiên cứu và thực nghiện một phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ khơng đồng bộ đó là phƣơng pháp điều chỉnh trực tiếp mômen với các nôi dung nhƣ sau:
+ Đã thực hiện nghiên cứu và tính tốn điều khiển DTC bao gồm thuật tốn điều khiển DTC, tạo ra một “lõi DTC” trong đó các bộ điều khiển mơmen và từ thơng stator có đặc tính dạng rơle có trễ với 3 và 2 vị trí.
+ Đã thiết lập đƣợc các mơ hình ƣớc lƣợng các đại lƣợng phản hồi (mômen và từ thông stator).
+ Đã tiến hành mô phỏng để kiểm chứng tính đúng đắn của phân tích, tổng hợp lý thuyết.
+ Các thực nghiệm tại trung tâm thực nghiệm trƣờng đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên cũng đã chứng tỏ đƣợc sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm.
2. Đề nghị:
Nhƣợc điểm lớn của phƣơng pháp DTC là đập mạch mômen điện từ, mặc dù đập mạch này sẽ đƣợc “lọc” bởi quán tính cơ học của truyền động điện. Tuy nhiên cũng cần nghiên cứu, phát triển các thuật toán nâng cao để giảm thiểu biên độ đập mạch mômen này.
Trong điều khiển DTC kinh điển khơng có các bộ điều khiển dịng điện điều này có thể gây nguy hiểm cho các bộ biến tần, do đó cần bổ sung nghiên cứu thiết lập các bộ điều khiển dòng điện phù hợp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Bính: Điện tử công suất, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1994. [2]. Nguyễn Văn Liễn, Bùi Quốc Khánh, Cơ sở truyền động điện, NXB Khoa
học kỹ thuật, Hà Nội, 2009
[3]. Nguyễn Phùng Quang, Andreas Ditrich, truyền động điện thông minh,
Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, 2004.
[4]. Nguyễn Phùng Quang: MATLAB & Simulink dành cho kỹ sƣ điều khiển
tự động, NXB Khoa học & kỹ thuật, 2006.
[5]. Nguyễn Phùng Quang: Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều 3
pha , NXB Giáo dục 1996.
[6]. Võ Nhƣ Tiến, Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không
cần cảm biến, Tạp chí Khoa học và Cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng – Số
4/2005.
[7]. Võ Nhƣ Tiến, Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý tín hiệu số (DSP) điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ, Đề tài NCKH cấp Bộ mã số B2008-ĐN 06-05.
[8]. Võ Nhƣ Tiến, Bùi Quốc Khánh, Điều khiển trực tiếp mô men động cơ
đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phƣơng pháp logic mờ, Hội Nghị toàn
quốc lần thứ VI(VICA 6), Hà nội 12-14/4/2005.
[9]. M.R. Zolghadri, C. Pelisson, D. Poye (1996), Star Up of a Global Torque Control Systerm, IEEE Trans. on Power Electronics, pp.370-374.
[10]. Nash J. (1997), Direct Torque Control, Induction Motor Vector Control without an Encoder, IEEE Trans. on Ind. Applications, Vol.33, No.2