1.3 CHIẾN LƢỢC ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
1.3.3 Điều khiển véctơ
Đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập , các dịng điện ứng và phần kích từ là giao nhau nên các sức điện động đƣợc hình thành bởi chúng trong các cuộn dây cũng giao nhau. Mơmen điện từ của động cơ phụ thuộc vào dịng điện phần ứng và dịng kích từ, hai dịng điện này độc lập với nhau. Cho nên khi giữ dịng điện kích từ khơng đổi ta có thể điều khiển mơmen điện từ động cơ một
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
chiều kích từ độc lập thơng qua điều khiển dịng điện phần ứng, các thành phần sinh mơmen và từ thông đƣợc điều khiển tách bạch.
Đối với động cơ khơng đồng bộ thì khác, bản thân động cơ khơng đồng bộ là hệ thống phụ thuộc, phi tuyến và có nhiều biến. Để có thể điều khiển động cơ khơng đồng bộ giống nhƣ động cơ một chiều kích từ độc lập thì một phƣơng pháp mới ra đời: điều khiển tựa từ thông cho phép điều khiển tách bạch, độc lập các thành phần dòng điện Stator sinh mômen và từ thông.
Trong quá trình quá độ thì momen điện từ của máy điện xoay chiều khe hở đều phải tỷ lệ với tích của thành phần dịng điện sinh ra từ thơng và thành phần dịng điện sinh mơmen trong khơng gian góc. Thƣờng để làm điều đó ta sử dụng các hệ tọa độ gắn với véctơ từ thơng móc vịng stator, với véctơ từ thơng móc vịng rơto, hoặc với véctơ từ thơng từ hóa để xây dựng đƣợc biểu thức mômen điện từ sao cho có thể giúp điều khiển độc lập các thành phần dịng điện sinh ra từ thơng và sinh ra mơmen.
Nhƣ vậy mơmen điện từ có thể đƣợc điều khiển bằng các điều khiển riêng rẽ mạch hai thành phần: thành phần tạo từ thông và thành phần tạo mômen của dòng điện stator.
Dựa trên ý tƣởng điều khiển động cơ không đồng bộ tƣơng tự nhƣ điều khiển động cơ một chiều. Động cơ một chiều có thể điều khiển độc lập dịng điện kích từ và dịng phần ứng để đạt đƣợc mômen tối ƣu theo cơng thức tính mơmen :
M= K Iƣ = KIktIƣ
Trong đó : Ikt, Iƣ - dịng điện kích từ và dịng điện phần ứng. - từ thông động cơ .
Hình 1.24. Sự tƣơng tự giữa điều khiển động cơ một chiều và điều khiển véctơ Mạch điều khiển và nghịch lƣu I- I- U- §M CKT Ids* Iqs* ĐC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Tƣơng tự ở điều khiển động cơ không đồng bộ, nếu ta sử dụng công thức: M = Km rIqs = KmIdsIqs (khi chọn trục d trùng với chiều véctơ từ thơng rơto) có thể điều khiển mômen bằng cách điều chỉnh độc lập các thành phần dòng điện trên hai trục vng góc của hệ tọa độ quay đồng bộ với véctơ từ thông rôto Lúc này vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ tƣơng tự điều khiển động cơ điện một chiều.
Ở đây thành phần dịng điện Ids đóng vai trị tƣơng tự nhƣ dịng điện kích từ động cơ một chiều (Ikt) và thành phần dòng Iqs tƣơng tự nhƣ dòng phần ứng động cơ một chiều (Iƣ) .
Với ý tƣởng định nghĩa véctơ không gian dịng điện của động cơ đƣợc mơ tả ở
hệ tọa độ quay với tốc độ s, các đại lƣợng dịng điện điện áp, từ thơng sẽ là các đại lƣợng một chiều nhƣ sau:
Hình 1.25. Điều khiển độc lập hai thành phần dịng điện: mơmen và kích từ *Điều khiển tựa theo từ trƣờng có các phƣơng pháp sau:
- Điều khiển động cơ tựa theo từ thông rôto. - Điều khiển động cơ tựa theo từ thông stator - Điều khiển động cơ tựa theo từ thơng từ hóa
Ids2 is1 r Ids1 q d s1 is2 s2 Iqs
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 1.26. Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động cơ tựa từ thông rôto. Đặc điểm:
- Điều khiển hƣớng trƣờng đƣợc sử dụng bắt chƣớc điều khiển động cơ một chiều.
- Đặc tính điện của động cơ đƣợc mơ phỏng “Mơ hình động cơ” (Motor Model).
- Vịng điều khiển kín.
- Điều khiển mômen gián tiếp. *Ƣu điểm:
- Đáp ứng mơ men tốt.
- Điều khiển tốc độ chính xác. - Mômen cực đại ở tốc độ thấp.
- Đặc tính tƣơng đƣơng với động cơ một chiều *Nhƣợc điểm:
- Cần bộ điều chế độ rộng xung
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
1.3.4 Giới thiệu nguyên tắc điều khiển trực tiếp mômen (DTC)
Nguyên tắc điều khiển trực tiếp mômen là điều khiển trực tiếp từ thông stator
và mômen không thông qua bộ điều khiển dòng stator. Điều khiển đƣợc thực hiện bằng việc điều khiển trực tiếp khoá sử dụng đầu ra của bộ so sánh trễ từ thông, bộ trễ mômen và lựa chọn véctơ điện áp phù hợp từ bảng chuyển mạch đƣợc định nghĩa trƣớc.
Nội dung chi tiết của phƣơng pháp sẽ đƣợc trình bày một cách chi tiết ở chƣơng sau.
Điều khiển mômen. Khi biên độ từ thông rôto khơng đổi, dịng điện sẽ điều chỉnh mômen một cách trực tiếp theo biểu thức sau:
M M sin r sq r s r r L L M i i l l (1.43)
trong đó: M là mômen điện từ, rlà độ lớn từ thông rôto, is là độ lớn dịng điện stator và là góc của mơmen. Điều này làm cho bộ biến đổi điều chế độ rộng xung (PWM) điều khiển dòng rất thuận tiện cho việc thực hiện giản đồ FOC.
Trong những truyền động động cơ không đồng bộ đƣợc ni bằng bộ biến đổi nguồn áp thì khơng chỉ dịng điện stator mà cả từ thơng stator đƣợc dùng làm đại lƣợng điều khiển mômen.
m 1 sin r s r s L M l L (1.44) Trong đó s là độ lớn từ thơng stato, là góc mơmen và là hệ số rị. Chú ý
rằng từ thông stato là biến trạng thái, nó đƣợc điều chỉnh bằng điện áp stator. Từ điện áp stator với rs= 0 , ta có:
s
N s
d
M u u
dt (1.45) trong đó u là véctơ điện áp đầu ra bộ biến đổi đƣợc cho bằng biểu thức sau:
2 ( ) ( 1) , 1,...., 6 3 3 0, 0, 7 dc u e khi u khi (1.46)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ trong đó 2 dc dc SN U u
U và USN là giá trị hiệu dụng của điện áp pha. Trong biểu thức u là 6 véctơ tích cực ( active vector) và 2 véctơ không ( zero vector ). Ta có 0 1 t s N u dt T (1.47) Trong sự vận hành với sáu véctơ điện áp, điện áp đầu ra bộ biến đổi tạo thành một chuỗi các véctơ tích cực đối xứng và tuần hồn. Do đó từ thơng stator chuyển động với tốc độ không đổi dọc theo quỹ đạo lục giác.
Việc đƣa vào véctơ khơng để dừng từ thơng lại, hiệu ứng đó đƣợc gọi là xung dừng, nhƣng nó khơng làm thay đổi đƣờng đi của từ thơng. Khi đó có sự thay đổi chu trình chuỗi véctơ điện áp. Điều này khác với sự vận hành hình sin của PWM, trong đó điện áp ra bộ biến đổi tạo thành một chuỗi phù hợp các véctơ tích cực và véctơ không và từ thông stator chuyển động dọc theo một đƣờng liên tục với vận tốc đồng bộ thực dọc theo một hình gần trịn.
Trong trƣờng hợp này, từ thơng rơto chuyển động theo hình gần trịn vì đƣợc làm mềm bởi việc lọc mạch rôto. Từ thông stato và rôto liên hệ bởi phƣơng trình sau: M s s s s r l l i l (1.48) Từ quan điểm của việc sinh mômen quay, sự chuyển động tƣơng đối giữa hai véctơ là quan trọng vì nó tạo nên góc mơmen nó xác đinh mômen tức thời của động cơ dựa vào biểu thức (1.42).
Giả sử từ thông rôto r quay chậm theo hƣớng ngƣợc chiều kim đồng hồ. Trong trƣờng hợp đó, việc chuyển mạch thuận của các véctơ điện áp tích cực gây nên sự chuyển động nhanh của ψs so ψr với, và cùng thời điểm đó mơmen quay của động cơ tăng vì sự tăng của góc mơmen ψ. Mặt khác khi ta sử dụng véctơ khơng thì từ thơng stator sẽ dừng trong khi ψr tiếp tục chuyển động, điều này làm cho góc mơmen ψ giảm và điều này lại làm cho mơmen động cơ giảm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Nếu thời gian tồn tại trạng thái khơng đủ lâu, ψr sẽ vƣợt qua ψs, có nghĩa là góc ψ và mơmen quay đảo chiều.
Từ những phân tích trên đây, ta rút ra kết luận quan trọng là tồn tại mối quan hệ trực tiếp giữa sự dao động của mômen với khoảng thời gian tồn tại trạng thái không. Sự chuyển mạch tuần hồn của các véctơ khơng và véctơ tích cực điều khiển mơmen quay của động cơ. Đây chính là ngun lý vận hành bộ điều chế tự điều khiển.
Trong dải tốc độ thấp (<0,2 N) chuyển động của từ thông rôto là châm nên không thể làm giảm mômen quay nhanh. Trong trƣờng hợp đó, ngƣời ta khơng sử dụng véctơ không mà sử dụng véctơ điện áp ngƣợc.
Trong vùng từ trƣờng yếu, ta không thế sử dụng véctơ khơng. Do đó việc điều khiển mơmen thu đƣợc thơng qua sự thay đổi nhanh góc mơmen bằng việc tăng hoặc giảm pha của từ thông stator.
Tổng hợp những kết luân thu đƣợc, ta thấy sự vận hành của ĐC KĐB đƣợc cấp bởi bộ biến đổi véctơ không gian đƣợc đặc trƣng bởi nhũng tính chất sau:
* Điện áp ra của bộ biến đổi chỉ có thể là một trong hai trạng thái, hoặc vectơ tích cực (một trong sáu véctơ u1,...,u6) hoặc véctơ khơng (u0, u7).
* Các véctơ tích cực chuyển động sinh ra sự chuyển động từ thông stator với tốc độ tuyến tính khơng đổi trong khi các véctơ khơng dừng từ thông, xét từ việc sinh ra mơmen quay thì hai trạng thái đó tƣơng ứng với điều kiện tăng hoặc giảm mơmen.
* Các véctơ tích cực chuyển động theo chiều ngƣợc lại sinh ra sự chuyển động của từ trƣờng stator với vận tốc tuyến tính theo chiều ngƣợc lại.
* Đối với sự vận hành chỉ gồm các véctơ tích cực, từ thơng stator chuyển động theo hình lục giác với vận tốc tuyến tính khơng đổi ( )2
3
s dc N
v u T và với vận tốc góc có giá trị trung bình tỉ lệ ngƣợc với độ lớn từ thông ( s vs s).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
* Đối với sự vận hành PWM hình sin (gồm cả véctơ tích cực cũng nhƣ véctơ khơng) và tần số chuyển mạch cao thì từ thông stator di chuyển dọc theo đƣờng gần trịn với tốc độ góc gần nhƣ khơng đổi bằng với tốc độ đồng bộ thực.
* Từ thông rôto luôn luôn chuyển động liên tục theo hình trịn với vận tốc góc đồng bộ thực.
Sơ đồ DTC thơng thƣờng có dạng nhƣ hình vẽ dƣới đây
Bảng chọn véctơ điện áp + - Mơ hình động cơ ĐK SP Udc NL M Ψs Rω - - - ω M eψ Ψ* s ψs dψ is S(x) 2BTψ BTM Sa Sb Sc ω* ω eM dM Hình 1.27. Sơ đồ khối DTC *Đặc điểm chính của phƣơng pháp DTC:
- Điều khiển trực tiếp mômen và từ thông stator. - Điều khiển gián tiếp điện áp và dòng điện stator. - Dịng điện stator và từ thơng stator gần sin. *Ƣu điểm của phƣơng pháp :
- Không phải chuyển đổi hệ toạ độ. - Thời gian đáp ứng mơmen rất nhỏ. *Tuy nhiên có vài nhƣợc điểm:
- Tồn tại vấn đề trong quá trình khởi động. - Yêu cầu phải ƣớc lƣợng từ thơng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
CHƢƠNG 2
NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔMEN
2.1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN
* Giới thiệu chung:
Phƣơng pháp điều khiển véctơ tựa từ thơng rơto, ngồi những ƣu điểm nổi bật còn tồn tại một nhƣợc điểm quan trọng là độ tác động nhanh khơng cao do mơ hình phức tạp, phải thực hiện phép quay tọa độ và vẫn phải điều khiển mômen gián tiếp qua điều khiển các thành phần dòng điện.
Phƣơng pháp điều khiển mơmen động cơ có các ƣu điểm là không không cần thực hiện các phép quay trục toạ độ, độ chính xác điều chỉnh là tùy ý, phụ thuộc vào khả năng về tần số chuyển mạch của biến tần, mơ hình ƣớc lƣợng chỉ phụ thuộc vào tham số là điện trở dây cuốn stator là tham số dễ dàng nhận dạng đƣợc sự biến thiên theo nhiệt độ.
Tƣ tƣởng chính của phƣơng pháp là: Tạo xung kích thích van trực tiếp trên cơ sở sai lệch từ thông stator và sai lệch mômen quay. DTC sử dụng dải trễ (hysterisis) để điều khiên trực tiếp từ thông và mômen của động cơ. Khi từ thơng stator rơi ra ngồi dải trễ, véctơ chuyển mạch thay đổi để từ thông đạt tối ƣu (đạt giá trị đặt).
Đây là phƣơng pháp điều khiển đơn giản, ít phụ thuộc vào các thơng số động cơ, đáp ứng mômen nhanh (gấp 4-5 lần điều khiển FOC). Nhƣng trong phƣơng pháp này cũng có một số nhƣợc điểm nhƣ xuất hiện xung mômen nên hệ làm việc ở tốc độ thấp khó ổn định.
* Nguyên lý:
Một phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mômen (Direct Torque Control-DTC) cho phép điều khiển trực tiếp mômen điện từ bởi một nguyên lý đơn giản.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Nhƣ tên gọi của phƣơng pháp, ta cần biểu diễn mối quan hệ giữa mômen điện từ và từ thông rơto và stator của động cơ, trong đó vẫn giả định là từ thơng rơto làm điểm mốc để tính tốn.
Biểu thức cuối cùng của hệ (1.34) có thể đƣợc viết lại ở dạng véctơ nhƣ sau:
3 * 2 s s p M i (2.1) Trong đó: s s j s ; is i s ji s
Cũng nhƣ vậy ta có thể viết lại bốn phƣơng trình từ thơng của (3.14) ở dạng véctơ :
s L is s L im r
; r L im s L ir r
(2.2) Từ đó có thể tính đƣợc từ thơng stator và dịng điện stator
s m s r r s r L L L i L (2.3) 2 s s 1 m s s r r r L i L L L L (2.4) Trong đó r s m L L L2 1 là hệ số tản từ tồn phần
Thế véctơ dịng điện stator vào (2.4) ta đƣợc mômen điện từ:
s* 2 3 2 m r s r L p M L L 2 s 3 sin 2 m r s r L p L L (2.5) Trong đó là góc tính từ véctơ từ thơng rơto tới véctơ từ thơng stator. Đồ thị véctơ. Hình 2.1 diễn giải nguyên lý phát sinh mômen theo chiều dƣơng, nếu coi rằng véctơ từ thông rôto là khơng đổi (chậm) thì ứng với mỗi sự thay đổi của véctơ từ thơng stato cả về mơdun và góc pha ta có sự biến thiên tƣơng ứng của mômen: 2 3 sin 2 m r s s s r L p M L L (2.6)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ jβs ψβs ψαs αs is ΔΨs Ψs ϭ Δϭ ψr θsψ ωs Ψs+ΔΨs
Hình 2.1. Biểu diễn các đại lƣợng trong hệ trục gắn với stator Mômen động cơ là biến thiên điều khiển cần phải điều khiển bám theo mômen tải Mc yêu cầu, có ba khả năng
- Mđ > Mc cần phải giảm mômen, tức là đẩy lùi véctơ s
- Mđ < Mc cần phải tăng mômen, tức là đẩy tiến véctơ s - Mđ =Mc giữ nguyên
Trong điều khiển trực tiếp mômen, ngƣời ta thiết kế bộ điều khiển trực tiếp mômen theo kiểu đóng cắt ba vị trí, đầu vào có lƣợng đặt mômen là mômen cản (Mc) và lƣợng thực mômen là mômen động cơ ( Mđ) đầu ra tín hiệu điều khiển dm
Khi Mđ > Mc + ∆m, dm = -1 (giảm mômen) Khi Mđ < Mc - ∆m, dm = +1 (tăng mômen)
Khi Mđ - ∆m,< Mđ < Mc+ ∆m, dm = 0 (giữ ngun mơmen). Trong đó ∆m là bằng trễ.
Từ thơng stator có thể tính tốn đƣợc bằng cách tích phân phƣơng trình điện áp stator trong (1.7):
s 0 ( ) t s us R i dts 23sin2mrsssrLpML L 23sin2mrsssrLpML L
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Nếu bỏ qua sụt áp trên điện trở stato và để ý rằng giữa hai lần chuyển mạch của nghịch lƣu thì điện áp stator khơng đổi nên:
s us. t (2.7) Tức là giá trị gia số từ thông phụ thuộc vào thời gian áp dụng cho véctơ điện áp.
Để ý rằng điện áp stato chỉ nhận các địa chỉ gián đoạn:
0 / 1/ 2/ 3/ 4 / 5/ 6/ 7