Nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc bằng phương pháp điều khiển vecto tựa từ thông roto (FOC)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ĐỒ ÁN MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ Giáo viên hướng dẫn: Ths.NGUYỄN ĐĂNG KHANG Nhóm sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC HÀ – LÊ ĐÌNH HÂN Lớp: ĐIỆN 1-K6 Khoa : CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỆN Tên Đề Tài: NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO LỒNG SÓC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTO TỰA TỪ THÔNG ROTO (FOC) LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ. Do đó động cơ điện năng đóng vai trò rất quan trọng trong các ngành sản xuất cũng như đời sống. Vì vậy các loại động cơ điện được chế tạo ngày càng hoàn thiện hơn, trong đó động cơ điện không đồng bộ 3 pha chiếm tỉ lệ lớn trong các ngành công nghiệp do động cơ không đồng bộ 3 pha có nhiều ưu điểm như việc khởi động dể dàng,giá thành rẻ, vận hành êm,kích thước nhỏ gọn, làm việc chắc chắn,đặc tính làm việc tốt, bảo quản đơn giản, chi phí vận hành và bảo trì thấp.tuy vậy nó có nhược điểm đặc tính cơ phi tuyến mạnh nên trước đây, với các phương pháp điều khiển còn đơn giản, loại động cơ này phải nhường chỗ cho động cơ điện một chiều và không được ứng dụng nhiều. với sự phát triển mạnh của ngành khoa học kỉ thuật ngày nay như ngành kỉ thuật vi xử lý, điện tử công suất cộng các lý thuyết điều khiển, truyền động thì việc ứng dụng động cơ không đồng bộ 3 pha là được ứng dụng rộng rải trong hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần động cơ một chiều. Có nhiều phương pháp điều chỉnh vận tốc động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc. Bản đồ án này nhóm em: Nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc bằng phương pháp điều khiển vecto tựa từ thông roto (FOC) Gồm các phần chính sau: 1. Xây dựng cơ sở lý thuyết biểu diễn véc tơ động cơ KĐB, Sơ đồ nguyên lý biến tần điều khiển véc tơ, thuật toán FOC 2.Mô phỏng bằng Matlap đánh giá đáp ứng hệ thống biến tần dùng thuật toán điều khiển FOC 3.Đánh giá ưu nhược điểm biến tần sử dụng luật FOC và vị trí ứng dụng. Do kiến thức có hạn củng như chưa có kinh nghiệm thực tế nên bản đồ án này của chúng em không tránh khỏi nhửng thiếu sót,em kính mong thầy giáo xem xét và góp ý để chúng em hoàn thành đồ án này được tốt hơn sau này. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo! MỤC LỤC I XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA VÀI NÉT VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO LỒNG SÓC CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN GIỚI THIỆU CHUNG VỀ FOC CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA PHÉP BIẾN ĐỔI KHÔNG GIAN VECTO HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ TRONG KHÔNG GIAN VECTO CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH QUAN SÁT TỪ THÔNG CẤU HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC 2.1. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB 2.2. ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BIẾN TẦN DÙNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC III. ĐÁNH GIÁ ƯU NHƯỢC ĐIỂM BIẾN TẦN SỬ DỤNG LUẬT FOC VÀ VỊ TRÍ ỨNG DỤNG 3.1. ƯU ĐIỂM CỦA FOC 3.2 NHƯỢC ĐIỂM CỦA FOC 3.3 VỊ TRÍ ỨNG DỤNG CỦA FOC. I . XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha Động cơ không đồng bộ 3 pha chia thành: Động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc Động cơ không đồng bộ 3 pha roto dây quấn ở đây ta tập trung vào nghiên cứu về động cơ 3 pha roto lồng sóc Nguyên lý hoạt động: Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau 120o trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ trường quay. Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn. Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay. Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua. Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây quấn phần cảm nữa nên sdd cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, momen quay cũng không còn. Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường. Đồng cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KDB) hay động cơ xoay chiều. Hình 1-1: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ωo (rad/s) hay no (vòng/phút) thì tốc độ quay của roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ωo ; n < no ). Sai lệch tương tối giữa hai tốc độ gọi là độ trượt s: (1-1) Từ đó ta có: ω = ωo(1 – s) (1-2) hay n = no(1 – s) (1-3) Với: (1-4) (1-5) f1 - tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato. Tốc độ ωo là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu không có lực cản nào. Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ. Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1. Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay: (1-6) Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha Phương trình đặc tính cơ: Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ 1-2 Hình 1-2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ Trong đó: U1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V) Iµ, I1, I’2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã quy đổi về stato (A) Xµ, X1, X’2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đã quy đổi về stato (Ω) Rµ, R1, R’2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch roto đã quy đổi về stato (Ω). Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng: (1-7) Trong đó: Xnm – điện kháng ngắn mạch, Xnm = X1 + X’2 Đường đặc tính cơ: Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá trị của M. Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1-4, đó là đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha. Hình 1-3: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó (1-8) Giải phương trình ta có: (1-9) Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có: (1-10) Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị sth và Mth của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+). Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KDB là một đường cong phức tạp có hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định.Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 ( s = 1 ) và momen mở máy: 1.2 VÀI NÉT SƠ BỘ VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO LỒNG SÓC. Ta đi tổng quan về động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn trong đó chỉ có dây quấn stato (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lưới với tần số fs, dây quấn rôto (dây quấn thứ cấp) được nối ngắn mạch (hoặc được khép kín qua điện trở). Dòng điện trong dây quấn rôto được lấy cảm ứng từ phía dây quấn stato, có tần số fr và là hàm của tốc độ góc rôto wr. So với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có ưu điểm về mặt cấu tạo và giá thành,làm việc tin cậy và chắc chắn. Khuyết điểm chính cuả động cơ KĐB là đặc tính mở máy xấu và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn so với động cơ một chiều. Trong thời gian gần đây, với sự hỗ trợ của một số nghành khoa học khác như: Điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý ... đã làm tăng khả năng sử dụng đối với động cơ không đồng bộ ngay cả trong những trường hợp có yêu cầu điều chỉnh tự động tốc độ trong dải rộng với độ chính xác cao mà trong các hệ truyền động trước đây vẫn thường phải sử dụng động cơ một chiều. Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điện xoay chiều,làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ,có tốc độ của roto khác với tốc độ từ trường quay trong máy. Động cơ không đồng bộ 3 pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì chế tạo đơn giản,giá rẻ,độ tin cậy cao,vận hành đơn giản,hiệu suất cao,và gần như không bảo trì.dải công suất rất rộng.  Các chi tiết chính của động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc như hình 01 Thân động cơ 10 Cánh quạt gió ngoài 02 Trục động cơ 11 Nắp ổ lăn ngoài sau 03 Nắp ổ lăn ngoài trước 12 Nắp che quạt gió 04 Năp trước 13 Thân hộp cực 05 Móc cẩu 14 Nắp hộp cực 06 Cum lõi thép STATO 15 Ống ra dây 07 Cụm lõi thép RÔTO 16 Then đầu trục 08 Nắp sau 17 Vít tiếp địa 09 Vòng bi Hình ảnh về rotor lồng sóc: Lá thép của rotor và stator: Các thanh nhôm được gắn trên rotor (thành dạng "cái lồng nhốt con sóc" nên gọi là "lồng sóc"): 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Ta có từ phương trình momen của động cơ : ta có thể dựa vào đó để điều khiển moomen bằng cách thay đổi các thông số như điện trở phụ,tốc độ trượt,và tần số nguồn cấp. Điều khiển điện áp stator Do momen động cơ không đồng bộ tỷ lệ bình phương điện áp stato,do đó có thể điều chỉnh được momen và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stato trong khi giử nguyên tần số.đây là phương pháp đơn giản nhất.chỉ sử dụng một bộ biến đổi điện năng (biến áp,triristor)để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn stator.phương pháp này kinh tế nhưng đặc tính cơ thu được không tốt,thích hợp với phụ tải máy bơm,quạt gió. Điều khiển điện trở roto Sử dụng trong cơ cấu dịch chuyển cầu trục,quạt gió,bơm nước;bằng việc điều khiển tiếp điểm hoặc trisistor làm ngắn mạch/hở mạch điện trở phụ ,của roto ta điều khiển được tốc độ động cơ,phương pháp này có ưu điểm mạch điện an toàn,giá thành rẻ.nhược điểm:đặc tính điều chỉnh không tốt,hiệu suất thấp,vùng điều chỉnh không rộng. Điều chỉnh công suất trượt Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt ps= pđt được tiêu tán trên điện trở mạch roto.ở các hệ thống truyền động điện công suất lớn,tổn hao này là đáng kể.vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động điện,vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ công suất trượt (sơ đồ nối tầng / nối cấp) P1 = Pcơ + Ps = P1(1 –s) +sP1 = const. Nếu lấy Ps trả lại lưới thì tiết kiệm được năng lượng -khi điều chỉnh với <:được gọi là điều chỉnh nối cấp dưới đồng bộ (lấy năng lượng Ps ra phát lên lưới). - khi điều chỉnh với >(s<0):điều chỉnh công suất trượt trên đồng bộ (nhận năng lượng ps vào ) hay còn gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ hai nguồn cung cấp. - nếu tái sử dụng năng lượng Ps để tạo Pcơ : được gọi là truyền động nối cấp cơ.phương pháp này không có nghỉa nhiều vì khi giảm còn 1/3 thì Ps = 2/3.P1 tức là công suất động cơ 1 chiều dùng để Ps phần gần đúng bằng động cơ chính xoay chiều.nếu không nên điều chỉnh xuống.trong thực tế ta không dùng phương pháp này. Điều chỉnh tần số nguồn cấp stator Khi điều chỉnh tần số động cơ đồng bộ thường phải điều chỉnh cả điện áp,dòng điện,hoặc từ thông trong mạch stator do trở kháng,từ thông,dòng điện của động cơ bị thay đổi. -luật điều chỉnh tần số - điện áp ở hệ thống điều khiển điện áp/tần số,sức điện động stator động cơ được điều chỉnh tỉ lệ với tần số đảm bảo duy trì từ thông khe hở không đổi.động cơ có khả năng sinh momen như nhau ở mọi tần số định mức.có thể điều chỉnh tốc độ ở 2 vùng: vùng dưới tốc độ cơ bản : giử từ thông không đổi qua điều khiển tỷ số sức điện động khe hở/tần số là hằng số vùng trên tốc độ cơ bản :giử công suất động cơ không đổi,điện áp được duy trì không đổi,từ thông động cơ giảm theo tốc độ. +theo khả năng quá tải : Để đảmbảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá tải dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện áp.đối với biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giử cho khả năng quá tải về momen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ.luật điều chỉnh là Us = fs(1+x/2) với x phụ thuộc tải.khi x = 0 (Mc = const,ví dụ cơ cấu nâng hạ )thì luật điều chỉnh us/fs không đổi. +điều chỉnh từ thông: Trong chế độ định mức,từ thông là định mức và mạch từ là tối đa.luật điều chỉnh tần số - điện áp là giử gần đúng từ thông không đổi trên toàn dải điều chỉnh.tuy từ thông động cơ trên mổi đặc tính cơ còn phụ thuộc rất nhiều vào độ trượt s,tức là phụ thuộc vào momen tải trên trục động cơ.vì vậy trong các hệ điều chỉnh yêu càu chất lượng cao cần tìm cách bù từ thông. Phương pháp này có nhược điểm là mổi đông cơ phải cài đặt một sensor do từ thông không thích hợp cho sản xuất đại trà và cơ cấu đó gắn liền trong đó bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và nhiểu. Nếu điều chỉnh cả biên độ và pha của dòng điện thì có thể điều chỉnh được từ thông roto mà không cần cảm biến tốc độ. + Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện: Phương pháp điều chỉnh này sử dụng biến tần nguồn dòng. Biến tần nguồn dòng có ưu điểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản mà vẫn thực hiện hãm tái sinh động cơ . Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là nguồn dòng điện, tức là dòng điện không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển . Để tạo nguồn điện một chiều thường dùng chỉnh lưu điều khiển hoặc băm xung áp một chiều có bộ điều chỉnh dòng điện có cấu trúc tỷ lệ - tích phân (PI), mạch lọc là điện kháng tuyến tính có trị số điện cảm đủ lớn. + Điều chỉnh tần số - dòng điện: Việc điều chỉnh từ thông trong hệ thống biến tần nguồn dòng được thực hiện tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp. + Điều chỉnh vectơ dòng điện: Tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp ở hệ thống biến tần nguồn dòng cũng có thể thực hiện điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh vị trí vectơ dòng điện không gian. Điều khác biệt là trong hệ thống biến tần nguồn dòng thì dòng điện là liên tục và việc chuyển mạch của các van phụ thuộc lẫn nhau. Điều khiển trực tiếp mômen Ra đời năm 1997, thực hiện được đáp ứng nhanh. Vì yr có quán tính cơ nên không biến đổi nhanh được, do đó ta chú trọng thay đổi ys không thay đổi yr. Phương pháp này không điều khiển theo quá trình mà theo điểm làm việc. Nó khắc phục nhược điểm của điều khiển định hướng trường vectơ rôto yr cấu trúc phức tạp, đắt tiền, độ tin cậy thấp (hiện nay đã có vi mạch tích hợp cao, độ chính xác cao), việc đo dòng điện qua cảm biến gây chậm trễ, đáp ứng momen của hệ điều khiển vectơ chậm (cỡ 10 ms) và ảnh hưởng của bão hoà mạch từ tới Rs lớn. Kết luận :trong hệ thống truyền động điều khiển tần số,phương pháp điều khiển theo từ thông roto có thể cho ta đặc tính tỉnh và động của động cơ tốt. 1.4 XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN FOC 1.4.1 TỔNG QUAN VỀ FOC Moment sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dòng trong cuộn ứng và từ thông sinh ra trong hệ thống kích từ động cơ .Từ thông phải được giữ ở mức tối ưu nhằm đảm bảo sinh ra moment tối đa và giảm tối thiểu mức độ bão hòa của mạch từ .Với từ thông có giá trị không đổi ,moment sẽ tỷ lệ với dòng phần ứng Động cơ điện tương tự như 1 nguồn moment điều khiển được . Yêu cầu điều khiển chính xác giá trị moment tức thời của động cơ đặt ra trong các hệ truyền động có đặc tính truyền động cao và sử dụng phương pháp điều khiển vị trí trục rotoViệc điều khiển moment ở xác lập có thể mở rộng cho quá độ được thực hiện trong. Việc điều khiển động cơ theo nguyên lý định hướng từ trường có nhiều phương pháp khác nhau như : định hướng từ thông roto , định hướng từ thông stator , định hướng từ thông khe hở không khí . Trong đó việc điều khiển từ thông roto ( FOC ) đơn giản và được sử dụng rộng rãi .Nguyên lý điều khiển định hướng theo vecto từ thông dựa trên phương pháp phân tách phi tuyến được sử dụng trong điều khiển các hệ thống phi tuyến . Bản chất của phương pháp này là điều khiển các biến đã chọn sao cho chúng luôn bằng 0 . Như vậy mô hình toán học sẽ trở nên đơn giản hơn vì có thể loại bỏ 1 số nhánh trong mô hình tổng quát 1.4.2 XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN FOC. 1.4.2.1 MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Đối với các hệ truyền động điện đã được số hoá hoàn toàn, để điều khiển biến tần người ta sử dụng phương pháp điều chế vectơ không gian. Khâu điều khiển biến tần là khâu nghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển/ điều chỉnh bằng số với khâu chấp hành. Như vậy cần mô tả động cơ thành các phương trình toán học. Quy ước : A,B,C chỉ thứ tự pha các cuộn dây rotor và a,b,c chỉ thứ tự pha các cuộn dây stator. Giả thiết : - Cuộn dây stato, roto đối xứng 3 pha, rôto vượt góc q. Tham số không đổi. Mạch từ chưa bão hoà. Khe hở không khí d đồng đều. Nguồn ba pha cấp hình sin và đối xứng (lệch nhau góc 2p/3) Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn dây k như sau: Trong đó :k là thứ tự cuộn dây A,B,C rotor và a,b,c stator. :yk là từ thông cuộn dây thứ k. yk=SLkjij. Nếu i=k: tự cảm, j¹k: hỗ cảm. Ví dụ:ya =L a ai a+L abi b+L aci c+L aAi A+L aBi B+L aCi C Vì ba pha đối xứng nên : Ra =Rb =Rc = Rs , RA =RB =RC =Rr L aa =L bb =L cc =L s1 , L AA =L BB =L CC =L r1 L ab =L ba =L bc ...=-M s , L AC =L BC =L AB ...=-M r L aA =L bB =L cC =L Aa = L Bb =L Cc =Mcosq L aB =L bC =L cA =L Ba = L Cb =L Ac =Mcos(q+2p/3) L aC =L bA =L cB =L Ca = L Ab =L Bc =Mcos(q -2p/3) Các hệ phương trình trên là các hệ phương trình vi phân phi tuyến có hệ số biến thiên theo thời gian vì góc quay q phụ thuộc thời gian: q = q0+òw(t)dt Kết luận : nếu mô tả toán học như trên thì rât phức tạp nên cần phải đơn giản bớt đi. Tới năm 1959 Kôvacs(Liên Xô) đề xuất phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ và Park (Mỹ) đưa ra phép biến đổi d, q. i a i b i c i c uA uB uC ua ub u c iA iB iC _ _ _ _ is = , ir = , us = , ur = RS 0 0 0 RS 0 0 0 R S Rr 0 0 0 Rr 0 0 0 R r [Rs] = [Rr] = LS1 -MS -MS -MS LS1 -MS -MS -MS LS1 Lr1 -Mr -Mr -Mr Lr1 -Mr -Mr -Mr Lr1 [Ls] = [Lr] = cosq cos(q+2p/3) cos(q-2p/3) cos(q-2p/3) cosq cos(q+2p/3) cos(q+2p/3) cos(q-2p/3) cosq [Lm(q)]=M. is ir [LS] [Lm(q)] [Lm(q)]t [Lr] ysyr = x us ur is ir = x Các hệ phương trình trên là các hệ phương trình vi phân phi tuyến có hệ số biến thiên theo thời gian vì góc quay q phụ thuộc thời gian: q = q0+òw(t)dt Kết luận : nếu mô tả toán học như trên thì rât phức tạp nên cần phải đơn giản bớt đi. Tới năm 1959 Kôvacs(Liên Xô) đề xuất phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ và Park (Mỹ) đưa ra phép biến đổi d, q. 1.4.2.2 PHÉP BIẾN ĐỖI TUYẾN TÍNH KHÔNG GIAN VECTO Trong máy điện ba pha thường dùng cách chuyển các giá trị tức thời của điện áp thành các véc tơ không gian. Lấy một mặt phẳng cắt môtơ theo hướng vuông góc với trục và biểu diễn từ không gian thành mặt phẳng. Chọn trục thực của mặt phẳng phức trùng với trục pha a. +1(a) +j(b) is a.ib a2 .ic Ia isa isb is Hình2-1: Tương quan giữa hệ toạ độ ab và toạ độ ba pha a,b,c Ba véc tơ dòng điện stator ia, ib, ic tổng hợp lại và đại diện bởi một véc tơ quay tròn is . Véc tơ không gian của dòng điện stator: Muốn biết is cần biết các hình chiếu của nó lên các trục toạ độ: isa,isb. ub ua Hình 2-2: Cuộn dây 3 pha nhìn trên ab Theo cách thức trên có thể chuyển vị từ 6 phương trình (3 rôto, 3 stato) thành nghiên cứu 4 phương trình . Phép biến đổi từ 3 pha (a,b,c) thành 2 pha (a, b) được gọi là phép biến đổi thuận. Còn phép biến đổi từ 2 pha thành 3 pha được gọi là phép biến đổi ngược. is a.ib a2 .ic Ia x y qk wk Đơn giản hơn, khi chiếu is lên một hệ trục xy bất kỳ quay với tốc độ wk: qk =q0 + wkt Nếu wk=0, q0=0 :đó là phép biến đổi với hệ trục a, b (biến đổi tĩnh) Nếu wk=w1, q0 tự chọn bất kỳ (để đơn giản một phương trình cho x trùng yr để yry=0): phép biến đổi d,q. Nếu wk= w1 - w =wr : hệ toạ độ cố định a,b đối với rôto (ít dùng). Hìh 2-3: Chuyển sang hệ toạ độ quay bất kỳ Các hệ toạ độ được mô tả như sau: pha C b qS d q a isb isa isq isd pha B pha A hướng trục rôto yr is Hình 2-4: Các đại lượng is , yr của động cơ trên các hệ toạ độ Các phương trình chuyển đổi hệ toạ độ: a,b,c à ab: ab à d,q isd = isacosq + isbsinq isq = isbcosq - isasinq ab à a,b,c: d,q à ab isa = isdcosq - isqsinq isb = isdsinq + isqcosq 1.4.2.3.HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ TRONG KHÔNG GIAN VECTO Để dễ theo dõi ta ký hiệu : Chỉ số trên s: xét trong hệ toạ độ stato (toạ độ a,b) f: trong toạ độ trường (field) từ thông rôto (toạ độ dq) r: toạ độ gắn với trục rôto. Chỉ số dưới s: đại lượng mạch stato r: đại lượng mạch rôto Phương trình mômen : (2-1) Phương trình chuyển động : (2-2) Phương trình điện áp cho ba cuộn dây stato : (2-3) Tương tự như vectơ dòng điện ta có vectơ điện áp: us(t)= 2/3.[usa(t) + usb(t).ej120 + usc(t).ej240] Sử dụng khái niệm vectơ tổng ta nhận được phương trình vectơ: (2-4) Trong đó uss, iss, yss là các vectơ điện áp, dòng điện, từ thông stato. Khi quan sát ở hệ toạ độ a,b: Đối với mạch rôto ta cũng có được phương trình như trên, chỉ khác là do cấu tạo các lồng sóc là ngắn mạch nên ur=0 (quan sát trên toạ độ gắn với trục rôto) Từ thông stato và rôto được tính như sau: ys = isLs+irLm (2-5) yr = isLm+irLr Trong đó Ls : điện cảm stato Ls = Lss+ Lm (Lós : điện cảm tiêu tán phía stato) Lr : điện cảm rôto Lr = Lsr+ Lm (Lór : điện cảm tiêu tán phía rôto) Ls : hỗ cảm giữa rôto và stato (Phương trình từ thông không cần đến chỉ số hệ toạ độ vì các cuộn dây stato và rôto có cấu tạo đối xứng nên điện cảm không đổi trong mọi hệ toạ độ). a) Phương trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định ab Phương trình điện áp stato giữ nguyên, còn phương trình điện áp rôto có thay đổi do rôto quay với tốc độ w so với stato nên có thể nói hệ toạ độ ab quay tương đối với rôto tốc độ -w (2-6) Tìm cách loại bỏ ys và ir: ta rút từ phương trình thứ 3 và 4 trong hệ (2-6) được: (2-7) Đặt s=1-Lm2/(LsLr)(hệ số tản từ), Ts=Ls/Rs , Tr=Lr/Rr và thay lại phương trình 1 và 2 trong hệ (2-6) : (2-8) Biến đổi (2-8) sang dạng từng phần tử của vectơ : (2-9) Thay irs từ phương trình thứ 2 của (2-5) vào phương trình mômen (2-1): (2-10) Thay các vectơ trong (2-10) bằng các phần tử tương ứng ta được : (2-11) Từ hệ phương trình (2-9) và phương trình (2-11) ta có công thức mô tả động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ ab, trong đó thay Ts theo công thức: (2-12) Từ (2-13) ta lập được mô hình điện cơ của động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ ab như sau: 1-s sLmTr Ts 1+pTs 1 sLs Pc pJ 1-s sLmTr Ts 1+pTs 1 sLs 1-s sLm Tr 3pcLm 2Lr usa usb isa isb - - - yrb yra mM mC Lm Lm w 1 1+pTr 1 1+pTr Hình 2-5: Mô hình động cơ trên hệ toạ độ cố định ab Đầu vào của mô hình là đại lượng điện áp. Do vậy mô hình chỉ đúng với biến tần nguồn áp. Còn khi sử dụng biến tần nguồn dòng (cho công suất truyền động rất lớn) thì phải biến đổi mô hình thành đầu vào là dòng stato isa, isb Hệ phương trình (2-9) khi viết lại dưới dạng ma trận: (2-13) Trong đó: xs: ma trận trạng thái, xsT =[isa, isb, yra, yrb] uss: ma trận đầu vào, ussT =[usa, usb] As: ma trận hệ thống Bs: ma trận đầu vào As= , với các phần tử như sau: Lập mô hình của động cơ theo các ma trận : từ (12) : ta có Bs ò As xs(t) Uss(t) dxs(t)dt Uss(t) Hình 2-6: Mô hình động cơ dạng ma trận Bs ò As11 ò As22 As12 As21 dyrs dt Iss(t) dIss dt yrs(t) Khi mô tả chi tiết bằng các phần tử ma trận: b, Phương trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq: Tương tự như trên, khi chiếu trên hệ toạ độ này thì các phương trình từ thông vẫn không đổi, chỉ có các phương trình điện áp thay đổi như sau: - Toạ độ từ thông rôto quay tốc độ ws so với stato. - Hệ toạ độ chuyển động vượt trước so với rôto một tốc độ góc wr = ws -w. Từ đó ta thu được hệ phương trình : (2-14) Tìm cách loại bỏ ifr và yfs : từ (2-14) có (2-15) Thế trở lại phương trình thứ 3 và 4 của (2-14) ta được phương trình : (2-16) Biến đổi tiếp hệ (2-16) với điều kiện chọn trục d trùng với vectơ yr , tức là yrq = 0: (2-17) Thay Ts theo công thức: Tương tự như trên toạ độ ab ta cũng có phương trình mômen cho toạ độ dq: Thay đại lượng vectơ bằng các phần tử của nó : isf = isd+jisq và ysf = ysd+jyrq ta có: (2-18) Từ (2-17) và (2-18) ta vẽ được sơ đồ toán học của động cơ trên hệ toạ độ từ thông rôto dq: 1 p Lm Tr Ts 1+pTs 1 sLs Lm 1+pTr Pc pJ Ts 1+pTs 1 sLs 1-s sLm Tr Lm 3pcLm 2Lr usd usq isd isq - yrd mM mC e-j qs : usa usb - w ws wr w qs Hình 2-7: Mô hình động cơ trên hệ toạ độ quay dq Sau này, khi đi sâu vào bài toán điều khiển ta sẽ sử dụng mô hình quay dq. Mô hình động cơ biểu diễn dưới dạng ma trận: hệ phương trình (2-16) sau khi tách wr = ws - w có thể viết lại dưới dạng mô hình trạng thái phi tuyến như sau: (2-19) Trong đó: xf = [isd, isq, yrd, yrq] T ufs = [usd, usq] T ;; Hình minh hoạ cho mô hình (2-19) cho thấy đầu vào stato động cơ gồm thành phần vectơ điện áp us và tần số nguồn ws. Như vậy so với mô hình trên hệ toạ độ tĩnh thì mô hình trên hệ toạ độ quay cần thêm tốc độ quay của hệ tọa độ đó. Điều đó có thể hiểu được vì vectơ us trên dq chỉ gồm hai thành phần một chiều usd, usq , còn trên toạ độ tĩnh thì tần số ws đã chứa trong hai thành phần xoay chiều usa usb. Bf N Af ò ws ufs(t) xf(t) Hình 2-8: Mô hình ĐCKĐB trên toạ độ dq theo dạng vectơ 1.4.2.4.CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Trước đây ta đã đề cập đến vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ theo công thức (2-18) : để có thể điều khiển được chính xác tương tự như động cơ một chiều (điều khiển độc lập thành phần kích từ yr và thành phần dòng phần ứng is). Như vậy hệ điều khiển cũng tương tự như hệ điều khiển động cơ một chiều. Rw Riư Rikt w* ikt* iư* Hình 2-9: Mô hình điều khển động cơ một chiều. Ta sẽ xây dựng một hệ điều khiển tương tự cho động cơ không đồng bộ nhưng trên toạ độ dq. Như vậy động cơ cũng phải biểu diễn trên dq (mục 2-3-2), lượng đặt là w và isd : Rw Risq Risd w* Isd* Isq* Nhánh kích từ Nhánh mômen Hình 2-10: Tư tưởng điều khiển ĐCKĐB. Nhưng trong hệ thống thực, nguồn cung cấp cho động cơ là ba pha abc và các đại lượng dòng phản hồi đo về được cũng là trên toạ độ abc, vậy giữa hai hệ toạ độ đó phải có các bộ chuyển đổi toạ độ, cụ thể là từ bộ điều chỉnh lượng đặt để thành tín hiệu đưa vào biến tần nuôi động cơ phải có một bộ chuyển đổi dq/abc từ các đại lượng dòng đo được đem phản hồi có một bộ chuyển đổi ngược từ abc/dq. Vấn đề nảy sinh là khi chuyển đổi giữa hai toạ độ cần phải có góc lệch giữa chúng (qs). Từ đây có hai giải pháp: Lấy qs bằng cách tích phân tốc độ quay ws của dòng, áp stato hoặc của từ thông rôto. Vì hệ toạ độ quay dq có trục thực gắn với yr nên góc qs có thể xác định bằng cách tính góc của yr trên hệ toạ độ ab Từ phân tích trên ta có hệ thống điều khiển như hình vẽ: a,b,c d,q a,b,c d,q Nghịch lưu độc lập PWM ias ibs ics uas* ubs* ucs* q* usd* w* w isq* isd* Isq isd w Nguồn một chiều Rw Risq Risd Hình 2-11: Sơ đồ hệ thống điều chỉnh dòng điện và tốc độ của động cơ trên dq. Góc qs dùng để chuyển toạ độ từ tĩnh sang quay theo chiều thuận hoặc ngược (abàdq hoặc dqàab) . qs có thể được tính trực tiếp qs = arctg(yr) hoặc gián tiếp : qs = ws.t + a0 Tuỳ theo cách xác định góc quay từ trường qs mà ta có hai phương pháp điều khiển vectơ: phương pháp điều khiển trực tiếp và phương pháp điều khiển gián tiếp: Điều khiển vectơ gián tiếp a +1(a) +j(b) yr b c yrb yra q=ws.t d ws q Hình 2-12: Đồ thị góc pha của phương pháp điều khiển vectơ gián tiếp Ở phương pháp này , góc qs được tính toán dựa vào các đại lượng đầu cực của động cơ. từ đó tính ra các phần tử quay cosq, sinq . Theo đồ thị trên, góc pha được tính như sau: qs =òwsdt + ao ws: tốc độ quay của vectơ dòng điện stato, từ thông rôto và là tốc độ quay của hệ trục toạ độ dq. Từ phương trình cân bằng điện áp rôto (2-14) : Xét trên hai trục d và q tương ứng ta được: (2-20) Từ công thức yr = Lrir + Lmis ta suy ra : (2-21) Thay (2-21) vào (2-20) được (2-22) Vì hệ toạ độ dq gắn vào vectơ từ thông rôto và các điều kiện sau giả sử được đảm bảo: Thay các điều kiện đó vào (2-22) và biến đổi được: (2-23) Khi đã tính được wr ta có công thức tính góc quay qs dựa vào isd, isq và tốc độ w: Lm Tr : Lm Trp+1 1 p wr w yr isd isq ws + + Hình 2-13: Sơ đồ tính toán góc quay từ trường theo phương pháp gián tiếp. Điều khiển vectơ trực tiếp theo từ thông rôto Phương pháp này xác định trực tiếp góc quay từ trường qs từ từ thông rôto yr hoặc từ thông khe hở y0 trên hai trục của hệ toạ độ vuông góc: yr có thể được xác định bằng cảm biến từ thông Hall hoặc bằng tính toán. Việc dùng cảm biến thường tín hiệu thu được dễ bị nhiễu trong quá trình đọng cơ làm việc nên ta có thể xác định yr bằng tính toán: Tính toán từ thông theo mô hình quan sát Mô hình quan sát từ thông đủ bậc trong đó tính toán cả dòng stato và từ thông rôto được xây dựng theo phương trình ở chương 2-7: Hay viết cách khác: Động cơ G1 A11 A12 B1 1 p A21 A22 G2 1 p is Dis is us yr + - Mô hình dòng điện Mô hình từ thông Hình 2-18: Tính toán yr theo mô hình quan sát. Sau khi đã có yra , yrb ta tính góc quay từ trường bằng các công thức: Từ đó ta có được mô hình toàn bộ hệ thống điều khiển trực tiếp như sau: Sơ đồ dưới dạng vectơ gồm hai nhánh song song : một là động cơ thực tế và một là mô hình quan sát động cơ lấy thông số là dòng điện, điện áp stato, sau khi tính toán được vectơ dòng điện stato mẫu is đem so với dòng stato thực tế từ đó tính ra vectơ từ thông yr . dq ab ab abc dq ab Tính toán từ thông rôto Nghịch lưu PWM wr* Ids* Bộ đ/c Rw Bộ đ/c Ri Iqs Ids Iqs* uds* uqs* ua* ub* uc* us is ĐK ab abc Bộ đ/c Ri qs Hình 2-19: Mô hình điều khiển vectơ kiểu trực tiếp lấy qs từ bộ quan sát 1.4.2.5. Tổng hợp các bộ điều chỉnh a. Tổng hợp hệ theo hàm chuẩn: Cấu trúc hệ gồm các mạch vòng điều chỉnh lệ thuộc lẫn nhau (cấu trúc mạch vòng phù hợp với các hệ điều chỉnh công nghiệp) R1 R2 R3 Fs3 Fs2 Fs1 y j w M Hình 2-20: Cấu trúc tổng quát một hệ điều chỉnh *Đặc tính động của hệ: là đáp ứng của hệ khi lượng vào là hàm nhảy cấp 1(t). y s% s% y Tđc 2% Tv w - Tốc độ điều chỉnh: (gia tốc của hệ thống) =w/Tv - Độ quá điều chỉnh: (mong muốn nhỏ): s%=100(ym=w)/w - Số lần dao động. - Thời gian điều chỉnh: Tđc , cần nhỏ Hình 2-21: Đặc tính quá độ của hệ thống . Việc điều chỉnh các thông số trên phụ thuộc lẫn nhau. Ví dụ nếu giảm Tđc sẽ làm tăng s%. Vậy phải đưa ra một sự dung hoà giữa các tiêu chuẩn để có được hệ thống tối ưu. * Tiêu chuẩn môđun tối ưu: Đặc tính mođun của hàm truyền kín của hệ là một hàm không tăng, không cộng hưởng và = 1 trong dải tần số sao cho rộng nhất. w H(w) wc=1/Tc có cộng hưởng 1 - Hàm không tăng: - Không cộng hưởng: - Bằng 1: limH(w2) =1 Hình 2-22: Đặc tính tần của hàm truyền kín tối ưu Từ tiêu chuẩn đó muốn môđun hệ kín là một khâu bậc hai thì hàm chuẩn bậc hai có dạng: (tiêu chuẩn môđun tối ưu) Nếu muốn môđun hệ kín là một khâu bậc ba thì hàm chuẩn bậc ba có dạng: (tiêu chuẩn môđun tối ưu đối xứng) Trong đó Tc được chọn sao cho nhỏ nhất để wc =1/Tc là lớn nhất. Hàm truyền kín của mỗi môđun dạng: . Nếu đã biết hàm truyền hệ thống Fs ta có thể dựa vào các tiêu chuẩn tối ưu để xác định hàm truyền bộ điều chỉnh Rs . b. Tuyến tính hoá mô hình động cơ Hệ phương trình (2-17) mô tả động cơ hệ phương trình phức tạp, có độ phi tuyến cao dẫn đến một sơ đồ rất phức tạp và khó có thể tổng hợp mạch theo các phương pháp thông thường được. Do vậy ta phải dùng phương pháp tuyến tính hoá quanh điểm làm việc: Gọi điểm làm việc ổn định của động cơ là điểm có tốc độ w0 ứng mômen tải m0 (và gọi tất cả các thông số tại điểm đó đều có chỉ số dưới là 0). Hệ thống xê dịch quanh điểm làm việc ổn định một lượng rất nhỏ kéo theo tất cả các đại lượng cũng đều bị thay đổi một lượng rất nhỏ nào đó, ví dụ w = wo + Dw Thay tất cả các đại lượng biến đổi được vào (2-17): isq=isq0+Disq ,w = wo + Dw, m=m0+Dm ... ta được: (2-28) Từ đó ta có sơ đồ cấu trúc động cơ đã tuyến tính hoá: Lm . 1+Trp Dusd Disd Dm Dmc Dw - Dusq LTryrd0 isq0 ws0 ws0 isd0 yrd0 - - - Dw Disq - Dyrd Dws Dwr wr yrd0 yrd0 w0 s0 is q0 Ts 1+Ts Ts 1+Tsp 1 .sLs 1 . sLs Pc pJ 3L.pc 2Lr Hình 2-23: Sơ đồ mô tả động cơ trên hệ toạ độ dq đã tuyến tính hoá quanh điểm làm việc c. Tổng hợp Risq và Rw Sơ đồ trên còn nhiều phức tạp mặc dù đã bỏ bớt khâu nhân và chia. Ta còn phải tiếp tục làm đơn giản bớt bằng các giả thiết sau: Giả thiết điều chỉnh tốc độ động cơ ở mức dưới tốc độ định mức. Khi đó giống như điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, ta sẽ theo luật từ thông không đổi à nhánh từ hoá yrd có Dyrd = 0. Theo phương trình 2 của (2-17) ta suy ra Disd = 0. Vậy (2-28) có dạng: isd0 yrd0 Lm . Tryrd0 3Lmpc 2Lr Pc pJ Dusq Disq Dm Dmc Dw - - Ts1+Tsp yrd0 1 .sLs Hình 2-24: Sơ đồ cấu trúc khi yr = const Biến đổi sơ đồ : yrd0 3Lmpc 2Lr Pc pJ Dusq Disq Dm Dmc Dw - - B Ts Tsp C p 1 . p+D Lmisd0 yrd0Tr yrd0+isd0 1 .sLs A Hình 2-25: Mô hình sau khi đã biến đổi. Đặt B = yrd0 + isd0 Tổng hợp mạch: mạch điều khiển gồm khâu điều chỉnh tốc độ và khâu điều chỉnh dòng điện. Coi khâu nghịch lưu có quán tính rất nhỏ, cỡ 1ms (Tnl = 0.001) Rw Risq 1 .p+D C p B w* usq* isq* isq w Knl 1+Tnlp 1 .sLs Hình 2-26: Tổng hợp các mạch vòng dòng điện và tốc độ. Nhận thấy tương tự như khi tổng hợp mô hình động cơ một chiều, khâu phản hồi B giống khâu phản hồi sức điện động. Mà ta biết quán tính của khâu này thì rất nhỏ so với quán tính cơ nên một cách gần đúng có thể bỏ qua để tổng hợp được. Fsi = Theo tiêu chuẩn tối ưu môđun ta có: Như vậy theo luật điều khiển môđun tối ưu hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện là: Để đơn giản bớt cho phần tổng hợp sau ta bỏ bớt thành phần bậc 2 của Fki: . Hàm truyền đối tượng của mạch vòng tốc độ Rsw : Đối với mạch điều chỉnh tốc độ, do quán tính của hệ thống lớn nên khi tổng hợp theo chuẩn tối ưu ta không thể đặt hằng số Tc cỡ miligiây như khi áp dụng cho mạch vòng dòng điện được.Nếu đặt Tc quá nhỏ sẽ gây hai bất lợi: thứ nhất để tốc độ ổn định từ 0 tới định mức trong khoảng thời gian miligiây thì dòng sinh mômen lúc đó phải có giá trị rất lớn, cỡ vài nghìn ampe, điều này không thể chấp nhận được. Thứ hai là tín hiệu đặt của mạch vòng dòng điện là tín hiệu đầu ra của mạch vòng tốc độ. Nếu tần số dao động của mạch vòng ngoài đưa vào cũng xấp xỉ tần số dao động của mạch vòng trong thì hệ thống dễ mất ổn định. Ta phải làm sao cho chu kỳ dao động của mạch vòng trong rất nhỏ so với mạch vòng ngoài thì hệ kín mới đảm bảo ổn định được. Áp dụng tiêu chuẩn môđun tối ưu đối xứng ở (2-68) cho mạch vòng tốc độ ta được: Nếu đơn giản chỉ lấy Rw là khâu PI: d. Tổng hợp Risd: Để giảm bớt phức tạp trong việc tổng hợp ta dựa vào lý luận sau: Khi khởi động ta làm theo quy trình như máy điện một chiều: sau khi ổn định việc cấp nguồn phía kích từ isd xong mới cấp mômen quay isq nên có thể coi khi đưa isd vào thì mạch phía phần ứng chưa có hoạt động. Nhờ vậy ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của phía phần ứng trong quá trình khởi động . Lúc đó mạch (2-23) có dạng: Dusd Disd Dm Dmc Dw isq0 wr0yrd0 isq0 - Risd 1 .sLs Ts 1+Tsp Knl 1+Tnlp 3Lm.pc 2Lr Pc pJ Lm . 1+Trp Hình 2-27: Nhánh kích từ của mô hình động cơ trên hệ toạ độ dq. Dusd Disd Dw isq0 Risd 1 . sLs Knl 1+Tnlp Ts . 1+Tsp Lm . 1+Trp isq0 3Lmpc2 2Lr J.p Hình 2-28: Biến đổi nhánh kích từ. Đơn giản bớt và lấy Suy ra theo hàm chuẩn bậc hai. 1.4.2.6 Bộ quan sát từ thông Trong phần này ta sẽ xây dựng bộ quan sát từ thông thích nghi mới của động cơ không đồng bộ cho điều khiển trong dải tốc độ rộng. Một ĐC KĐB được mô tả bằng phương trình trạng thái như sau: (2-29) viết gọn: trong đó: Mô hình quan sát đủ bậc trong đó tính toán cả dòng stato và từ thông rôto được xây dựng theo phương trình sau: (2-30) Trong đó ^ nghĩa là giá trị tính toán được. Chất lượng tính toán từ thông rôto bao gồm độ chính xác tĩnh và thời gian hội từt thông tính toán về giá trị thực (chế độ động). Chất lượng này sẽ góp phần quan trọng nâng cao chất lượng điều chỉnh của hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ. Mô hình quan át được thiết kế thoả mãn hai chỉ tiêu: độ chính xác tĩnh cao và thời gian hội tụ đủ bé. Chỉ tiêu thứ hai có nghĩa là các thông số sẽhội tụ về giá trị thực của động cơ trong thời gian đủ nhỏ mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng động của toàn hệ thống. Trong phương trình (2-30), có G là một ma trận trọng số dùng để bù sai lệch giữa các thông số thực của động cơ và các thông số trong mô hình quan sát sao cho mô hình quan sát mô tả các thông số động cơ giống thực tế nhất. Phương pháp lựa chọn G: vì động cơ là đối tượng ổn định, nghiệm cực của phương trình mô tả động cơ luôn nằm ở phía trái mặt phẳng phức nên để mô hình quan sát hoạt động ổn định ta phải lựa chọn G như sau: chọn G sao cho nghiệm cực của phương trình quan sát tỷ lệ với nghiệm cực của phương trình trạng thái mô tả động cơ theo một hệ số dương. Nếu mô hình quan sát có nghiệm cực tỷ lệ như vậy với nghiệm cực của động cơ thì có nghĩa là mô hình quan sát có nghiệm cực cũng nằm ở phía bên trái trục ảo của mặt phẳng phức (phần thực của nghiệm có giá trị âm). Như vậy mô hình quan sát làm việc ổn định. Các bước tính toán để xác định các phần tử của ma trận G: Tìm các nghiệm cực của phương trình trạng thái biểu diễn động cơ. Giải phương trình trạng thái của khâu quan sát để tìm nghiệm cực của mô hình, trong đó có chứa các phần tử của ma trận G như là các ẩn số. Cho nghiệm cực của mô hình quan sát tỷ lệ với nghiệm cực của động cơ theo một hệ số tỷ lệ k dương bất kỳ. Từ đó tính ra từng phần tử ma trận G theo k. Sau khi đã tìm được G ta sẽ tiến hành hiệu chỉnh hệ số k sao cho các đại lượng quan sát được ở mô hình quan sát là isa , isb , yra , yrb có giá trị gần đúng với các đại lượng của động cơ, sai lệch giữa chúng ở cả chế độ tĩnh và chế độ động là nhỏ nhất. Việc tìm hệ số tỷ lệ k sao cho phù hợp nhất sẽ được thực hiện ở chương 4 khi sử dụng phần mềm mô phỏng Simulink MATLAB. Mô hình quan sát đã nêu ở trên có cấu trúc như hình vẽ, trong đó G đóng vai trò ma trận hiệu chỉnh: ĐC KĐB B ò C (-) is us ò G ò Hình 2-29: Mô hình tổng quát bộ quan sát từ thông rôto. Nếu tách riêng mô hình quan sát thành hai khâu: khâu quan sát dòng điện và khâu quan sát từ thông thì bộ quan sát sẽ có cấu trúc như hình 2-30: Động cơ G1 A11 A12 B1 1 p A21 A22 G2 1 p is Dis is us yr + - Mô hình dòng điện Mô hình từ thông Hình 2-30: Mô hình dòng điện stato và từ thông rôto trong bộ quan sát. Theo (3-20), G là một ma trận độ rộng 4 x 2 trong đó ta giả thiết các phần tử của nó như sau: Tới đây ta phải giải tìm G : theo phân tích đã nói ở trên ta lần lượt giải tìm nghiệm cực của động cơ và mô hình. Phương trình trạng thái mô tả động cơ như sau: pX=AX+Bu (pI-A)X=Bu Từ đó rút ra phương trình đặc tính: pI -A= 0 (2-31) Phương trình đặc tính này có 2 ma trận nghiệm p1 và p2 thoả mãn điều kiện sau: p1+p2=a11+a22 và p1.p2=a11.a22+a12.a21 (2-32) Tìm nghiệm cực của mô hình quan sát : Lấy (2-2) -(2-30) được: Phương trình đặc tính của nó có dạng: pI - (A+GC) =0 trong đó: Khi đem giải như giải phương trình (2-31) được p2 -[a’11+a’22].p + a’11. a’22 - a’12. a’21 =0 Giả sử phương trình này cũng có 2 nghiệm cực p1’, p2’ tỷ lệ dương với nghiệm cực của phương trình trạng thái mô tả động cơ p1 , p2 như sau: p1’=k.p1 và p2’=k.p2 (k > 0) Tổng và tích hai nghiệm p1’, p2’ được rút ra từ phương trình trên: p1’+p2’= a’11+ a’22 và p1’.p2’= a’11. a’22 - a’12. a’21 (2-33) Có thể suy ra được p1’+p2’=k(p1+p2) và p1’+p2’=k2(p1.p2) Từ (2-32) và (2-33) suy ra: a’11+ a’22 =k.(a11+a22) a’11.a’22 =k2.(a11.a22) (2-34) Phương trình thứ nhất của (2-34) tương đương: Đồng nhất từng phần tử của hai ma trận ở hai vế ta được: ar11 +g1+ ar22 = k(ar11 + ar22) -a122 +g5 = k(-a122) a122 +g2 = k(a122) ar11 +g6+ ar22 = k(ar11 + ar22) Từ 4 phương trình đó rút ra kết quả: g1= g6 = (k-1)(ar11+ar22) (2-35) g2 = -g5 = (k-1)(-a122) Phương trình 2 của (2-34) tương đương: Đến đây lại sử dụng phương pháp đồng nhất ma trận như đã làm ở trên ta được: (2-36) Kết hợp (2-35) trong khi giải hệ gồm phương trình 3 và 4 của (2-36): Hệ trên tương đương: Rút gọn: (2-37) Từ (2-37) lấy (pt 1)*ar12 +(pt 2)*a112 được phương trình : Xét các định nghĩa: Nhận thấy nếu đặt c = sLm/(1-s) thì ar22 = - c.ar12, a122 = - c.a112 Thay vào phương trình trên được: Thay trở lại g3 vào phương trình thứ 2 của (2-37) được: Vậy ta đã tìm được ma trận G Trong đó: g1 = (k-1)(ar11+ar22) g2 = (k-1).a122 g3 = (k2-1)(c.ar11+ ar21) -(k-1)c(ar11+ ar22) g4= - c(k-1)a122  XÂY DỰNG CẤU HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC Đầu tiên, ta có một cái động cơ không đồng bộ, một bộ biến đổi điện tử công suất (nghịch lưu sử dụng IGBT hoặc MOSFET) và khâu điều chế xung PWM. Ta tiến hành đo dòng điện isa, isb, isc, cho qua khâu biến đổi (ma trận Clack transform) abc/α-β để tạo thành 2 dòng isα và isβ.Sau đó cho qua khâu quay trục tọa độ (ma trận Park transform) α-β /d-q để tạo ra 2 dòng isd và isq. Bây giờ, ta tạm để vòng dòng điện ở đó mà đi ra vòng ngoài cùng: vòng điều khiển tốc độ và vòng điều khiển từ thông. . Ta sẽ có cảm biến tốc độ đưa về tín hiệu phản hồi tốc độ động cơ, có lượng đặt tốc độ ω*, có khâu giảm từ thông với nhiệm vụ giữ nguyên từ thông định mức ở dải tốc độ cơ bản và giảm từ thông ở dải tốc độ cao, đầu ra là lượng đặt từ thông φr*.Lượng đặt tốc độ ω* và lượng đặt từ thông φr* so sánh với tốc độ phản hồi ω và từ thông φr, qua bộ điều khiển tốc độ và điều khiển từ thông (thường là các bộ PI) để tạo thành lượng đặt dòng điện isd* và isq*. (ω phản hồi từ cảm biến tốc độ, còn φr được lấy từ khâu ước lượng từ thông sẽ nói sau). Lượng đặt dòng isd* và isq* được so sánh với dòng phản hồi isd và isq mà ta đã có được, cho qua bộ điều khiển dòng điện (thường là PI) tạo ra tín hiệu điện áp đặt usd* và usq*. Tín hiệu điện áp đặt usd* và usq* này được cho qua hệ thống chuyển tọa độ ngược d-q/α-β rồi α-β /abc để tạo ra tín hiệu đặt usa*, usb*, usc* đưa vào khâu điều khiển điện tử công suất PWM (điều chế sóng mang tam giác hoặc điều biến không gian vector) phát xung cho mạch lực nghịch lưu, cấp điện cho động cơ quay. Nếu bộ điều khiển dòng điện ta không dùng PI mà dùng điều khiển dải trễ (Hysteresis Current Control - HCC) thì tín hiệu sau bộ điều khiển được đưa thẳng vào nghịch lưu để đóng cắt van. Thực tế thì HCC cũng là một phương pháp PWM chứ không chỉ có điều chế sóng tam giác và điều biến không gian vector.Để có từ thông rotor ta không đo được mà cần phải ước lượng nó sử dụng một bộ ước lượng từ thông. Công thức cụ thể các anh xem trong tài liệu.Để có được góc theta (sin cos của nó) sẽ có 2 phương pháp, từ đó chia FOC thành 2 loại: Điều khiển FOC trực tiếp (Direct Vector Control) và gián tiếp (Indirect Vector Control). Điều khiển FOC trực tiếp Điều khiển FOC gián tiếp II. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BIẾN TẦN DÙNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB Ta sử dụng mô SimpowerSyrtem với các sản phản MathWorks khác cùng với hướng dẫn có sẵn trong phần mềm m Ta vào matlap rồi mở simulink chọn simpowersystem lấy các khối vào nối chúng atlap để mô phỏng đáp ứng của hệ thống biến tần thuật toán điều khiển FOC. lại như hình : Các đầu vào thuật toán được mô phỏng sử dụng khối nguồn Simulink. Để thay thế cho các tín hiệu đầu vào trong thuật toán này, chúng ta sử dụng các biến số điểm cố định lấy trong thư viện c28xdmlib của simulink với các thông số bình thường, như khối DMC chờ đợi tín hiệu thay đổi từ 0-1 là góc mở của điện thay đổi từ 0 đến 2 *pi. Vì vậy , tín hiệu vị trí là một chuyển đổi bình thường mà chúng ta có thể chứng tỏ bằng cách sử dụng Q17 định dạng cố định điểm. Các đầu vào Ia và Ib đại diện cho các dòng giai đoạn A và B. Khối pass Thought Control là một subsysterm được xây dựng với mô hình. Với các thông số cài đặt đầu vào như sau: Khối nguồn Ia: Khối nguồn Ib: Kết quả mô phỏng ta thu được các dạng song với các thông số trên như sau. Dạng sóng đầu ra. Dòng theo trục Q,D Dạng sóng đầu vào: Bây giờ ta có thể quan sát sự thay đổi của dạng sóng khi thay đổi các yếu tố đầu vào mô phỏng trên hệ thống PMSM kiểm soát. Tăng biên độ của Ia và Ib lên. Cụ thể tăng giá trị “Number of offset samples” của Ia lên 12500,tăng giá trị “Number of offset samples” của Ib lên 12500-20000/3. Các dạng sóng thu được lần lượt là. Dạng sóng đầu vào Dạng đầu ra. Dạng sóng theo truc Q,D. Đánh giá đáp ứng của thuật toán điều khiển FOC. Hệ thống ổn định. Sai số xác lập tốc độ nhỏ, sai số xác lập của từ thông rôto lớn. Thời gian đáp ứng của hệ thống tương đối nhanh. Mômenet tải không tác động nhiều đến đáp ứng của tốc độ, và đáp ứng của từ thông roto. Chất lượng đáp ứng suy giảm khi bị nhiễu tác động lên tín hiệu hồi tiếp. Hệ thống dễ mất ổn định khi có sai số mô hình hay bị tác động của nhiễu. Dòng điện khởi động lớn so với dòng làm việc, dòng khởi động tăng lên khi có sai số mô hình. 3. Kết luận. Về cơ bản đồ án của ta đã hoàn thành: Đã giải quyết được khâu then chốt của đồ án, khâu then chốt thiết kế thuật toán điều chỉnh dòng trong hệ TĐĐXCBP theo nguyên lý điều chỉnh tựa từ theo từ thông rotor T4R. Về cơ bản khâu điều chỉnh dòng được chia làm 2 họ chính. + Một họ hoạt động trên cơ sở xử lý vector sai lệch điều chỉnh (mục 7.1) và (mục 7.2) . + Một họ hoạt động trên cơ sở hồi tiếp vector trạng thái. Kinh nghiệm thực tế cho thấy: Khâu điều chỉnh dòng hoạt động trên cơsở điều chỉnh vector sai lệch điều chỉnh hoạt động với độ tin cậy rất cao, ngay cả khi các thông số điều chỉnh kém chính xác (ví dụ như: tham số chỉ được tính từ nhán máy chứ không được xác định thông qua đo lường). Ưu điểm có thể cho khâu trở thành giải pháp chuẩn cho loại biến tần van năng phải hoạt động tốt ở điều kiện động cơ “ ít quen biết “. Ngược lại khâu điều chỉnh trạng thái (không phân tích trong đồ án) khá nhậy với sai lệch tham số điều chỉnh. Nếu được cung tham số một cách chính xác khâu cho phép đạt được một vài chỉ tiêu chất lượng cao hơn khâu trên và vì thế có thể sử dụng có lợi trong hệ thống chất lượng cao nơi mà phí tổn phụ không đáng kể. Trong hệ TĐĐXCBP có các khâu điều chỉnh vòng trong và vòng ngoài khâu điều chỉnh vòng trong ta đã sử dụng song. Sau đây ta xây dựng các bộ điều chỉnh vòng ngoài cùng các giải pháp đi theo dựa trên cơ sở điều chỉnh vòng trong - điều chỉnh dòng (ĐCD). III . ĐÁNH GIÁ ƯU NHƯỢC ĐIỂM BIẾN TẦN SỬ DỤNG LUẬT FOC VÀ VỊ TRÍ ỨNG ỤNG . ưu điểm biến tần sữ dụng luật foc -. Cho phép mở rộng dãy điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều - hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng biến tần sử dụng luật foc có kết cấu đơn giản, làm việc được trong nhiều môi trường khác nhau. - khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ dể dàng - có khả năng đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau . - các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc(dệt, băng tải….) -các thiết bị đơn lẻ yêu cầu tốc làm việc cao (máy li tâm, máy mài……) 2 . Nhược điểm Bên cạnh những ưu điểm đạt được thì phương pháp này vẫn tồn tại những nhược điểm cần khắc phục:trong truyền động điều khiển vecto ảnh hưởng bởi thông số của máy điện như điện trở điện cảm…… Đáp ứng moment đưới tác dụng của điều khiển dòng bị giới hạn bởi dây quấn phần ứng . Để điều khiển dòng điện cần biết vị trí roto của động cơ , vì vậy cần có bộ đo vị trí gây phức tạp trong truyền động và độ tin cậy cơ khí khi hoạt động ở tốc độ cao. 3 vị trí ứng dụng Với những ưu điểm như vậy phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng biến tần luật foc ngày càng được sử dụng rộng rãi trong sản suất đặc biệt là trong công nghiệp. đem lại nhiều lợi nhuận kinh tế cho con người.