1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN NGUYỄN THỊ XUÂN THU ĐỀ TÀI: ƢỚC LƢỢNG TỪ THÔNG TRONG ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA TỪ THÔNG RÔT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Thái Nguyên - Năm 2014 2 ĐỀ TÀI : ƢỚC LƢỢNG TỪ THÔNG TRONG ĐIỀU KHIỂN VEC TƠ TỰA TỪ THÔNG ROTO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1) Lý do chọn đề tài. Trong thuật toán điều khiển tựa từ thông roto – FOC đòi hỏi lượng phản hồi là đại lượng từ thông roto. Việc đo đại lượng từ thông roto gặp rất nhiều khó khăn trong thực tế, độ tin cậy thấp và tăng chi phí của hệ thống. Chính vì vậy, trong thuật toán điều khiển FOC đòi hỏi thuật toán ước lượng đại lượng từ thông roto từ các đại lượng khác đo được. 2) Mục tiêu nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu luận văn: - Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ trên các hệ trục tọa độ abc, hệ trục tọa độ  và hệ trục tọa độ dq - Tìm hiểu cấu trúc thuật toán điều khiển FOC - Xây dựng mô hình ước lượng từ thông từ các đại lượng dòng điện stato - Thiết kế các bộ điều khiển dòng điện theo phương pháp bù tách kênh - Nghiên cứu điều khiển bằng mô phỏng. - Nghiên cứu bằng thực nghiệm. 3) Nội dung của luận văn Chƣơng 1: Tổng quan về mô hình điều khiển FOC động cơ không đồng bộ trong không gian véc tơ Chƣơng 2: Nguyên lý điều khiển vector tựa từ thông rô to Chƣơng 3: Thiết kế điều khiển Chƣơng 4: Mô phỏng và thí nghiệm tại phòng thí nghiệm của trường Đai học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Kết luận và kiến ngh Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG KHÔNG GIAN VEC TƠ 3 1.1 Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ 1.1.1. Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ - Động cơ không đồng bộ xoay chiều được Faraday phát minh ra năm 1833. - Ngày nay động cơ xoay chiều được chia làm hai loại động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ. - Một trong những vấn đề quan trọng trong dây truyền tự động hóa là việc điều chỉnh tốc độ của động. Đặc biệt là động coe xoay chiều rôto lồng sóc. - Điều khiển động cơ không đồng bộ với hướng điều khiển U/f, điều khiển trực tiếp mômen động cơ. 1.1.2. Cấu tạo động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ gồm 2 phần stator (phần tĩnh) và rotor (phần quay) . 1. Stator:Gồm vỏ máy, lõi sắt, dây quấn. 2. Rôto: Trục, lõi sắt và dây quấn 1.1.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Động cơ không đồng bộ làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi đặt điện áp 3 pha vào ba dây quấn 3 pha đạt đối xứng trong lõi thép stator, khi đó trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay mà thành phần bậc 1 của từ truờng này quay với tốc độ góc là: 1 2 f p    trong đó: f là tần số dòng điện cáp cho stator p là số đôi cực của dây quấn stator 1.1.4. Ứng dụng, ƣu và nhƣợc điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha * Ƣu điểm: - Giá thành hạ. - Bảo dưỡng nhanh. - Vận Hành tin cậy, chắc chắn. - Có thể dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần thêm trang thiết bị biến đổi. - Có khả năng làm trong môi trường khắc nghiệt. * Nhƣợc điểm: - Điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn. - Có các chỉ tiêu khởi động xấu so với động cơ một chiều. *Ứng dụng: 4 - Trong nông nghiệp được dùng làm máy bơm hay maý gia công nông sản phẩm - Trong đời sống hàng ngày động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ tủ lạnh, - Trong công nghiệp động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công nghiệp nhẹ, 1.2. Mô hình ba pha của động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ có các dây quấn ba pha ở roto và stato,được nghiên cứu ở đây với các giả thiết: - Khe hở không khí là đều - Mạch từ tuyến tính - Các dây quấn là đối xứng và được bố trí sao cho từ thông dọc theo chu vi khe hở không khí có dạng hình sin i as i cs i bs ω θ m U bs U cs U as R e i ar i br i cr U ar U cr U br Hình 1.1. Sơ đồ dây quấn tập trung của KĐB Hình 1.2. Sơ đồ 3 pha quy đổi về stato của KĐB Căn cứ vào sơ đồ quy đổi và các ký hiệu quy ước, có thể dễ dàng viết ra được hệ các phương trình cơ bản của điều khiển trong không gian 3 pha quy đổi về stato 5 ' ' ' ' s s r s r r r r r d u R I dt d u R I e dt              (1.4)     ' ' ' ' ' ' ' ' ' . . . . . . . m s s s m r s s s r s m r m s r r s r m s r r m L I L I L I L I I L I L I L I L I I                              (1.5)     ' ' ' ' . . . 3 mb mc ar ma br cr p M i i i          (1.6) 1.3. Đại lƣợng véc tơ không gian 1.4. Mô hình động cơ không đồng bộ trong các hệ tọa độ trực giao 1.4.1. Mô hình trong hệ tọa độ gắn với stato (0) Giả thiết dq đối xứng, điện áp as u , bs u , cs u Hình 1.8. Biểu diễn vector trên hệ trục αβ 6 e αr R s R r L ϭs L ϭr i αs i αr L m Ψ αr u αs u αr e βr R s R r L ϭs L ϭr i βs i βr L m Ψ βr u βs u βr Ψ αs Ψ βs Hình 1.9. Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ trong hệ trục (0  ) R s R r 1 L s 1 s 1 L r XX X X X L m X X X 3p‟ 2 R r R s 1 s 1 L r 1 s 1 L s XX X X X L m p‟ J.s X X X 1 s u sα u sβ ψ αs ψ βs ψ αs ψ βs i βs i αs i αr i βr M M c ψ βr ψ αr u βr u αr - - - - - - - - - - - Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc của động cơ trong hệ tọa độ (0  ) 1.4.2. Mô hình trong hệ tọa độ quay đồng bộ (dq0 ) Các đại lượng véc tơ không gian cũng có thể được biểu diễn trong hệ tọa độ trực giao d, q, quay vơi tốc độ s  7 e dr R s R r L ϭs L ϭr i ds i dr L m Ψ dr u ds u dr e ds e qr R s R r L ϭs L ϭr i qs i qr L m Ψ qr u qs u qr e qs Ψ ds Ψ qs Hình 1.13. Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ trục tọa độ dq Từ các phân tích và sơ đồ thay thế có thể dẫn ra được hệ phương trình sau với     . ,, . . . s T T j s as s s ds ds s ds s qs qs qs s qs s ds dr rs r dr sl qr qr qr r qr sl dr ds s ds M dr dr M ds r dr s qs M qr qr M qs r qr u u e u u d U R i dt d U R i dt d U R i dt d U R i dt L i L i L i L i qs L i L i L i L i                                    (1.15) 1.4. 3. Mô hình trong hệ tọa độ gắn với roto (D, Q, O) 8 Hình 1.15. Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ tọa độ gắn với roto   . ' . . 3 . . . 2 Ds Qs Qs Ds Ds Ds S Ds Qs Qs Qs S Qs Ds Dr Dr r Dr Qr Qr r Qr Qs Dr Ds Qr e e d U R i dt d U R i dt d U R i dt d U R i dt M p i i                     (1.16) Phương trình (1.16) bao gồm các biểu thức tính từ thông trong các trục D, Q giống như trong hệ phương trình (1.6) được biểu diễn bởi sơ đồ như hình 1.16. Hình 1.16. Sơ đồ cấu trúc của điều khiển trong hệ tọa độ gắn với roto 9 CHƢƠNG 2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ TỰA TỪ THÔNG ROTO Phương pháp điều khiển vecto tựa từ thông roto dựa trên mô hình động cơ trong hệ trục tọa độ quay đồng bộ, trong đó hệ trục được gắn vào vecto từ thông roto, có thể làm được như vậy là do vecto không gian của từ thông roto quay với tốc độ đồng bộ, vecto từ thông roto nằm ở roto nên sự biến thiên vị trí góc của nó phụ thuộc vào tốc độ góc của roto (tốc độ cơ khí), hơn nữa vecto từ thông roto chịu ảnh hướng của dòng điện mạch roto, trong đó hằng số thời gian điện từ của mạch roto (L r /R r ) nói chung là khá lớn hơn hằng số thời gian điện từ của mạch stato (L s /R s ), những điều này nói lên rằng vecto từ thông roto biến thiên (cả về biên độ và vị trí pha) chậm hơn các vecto không gian còn lại. Đó là lý do tại sao lại “tựa” vào từ thông roto. 2.1. Nguyên lý điều khiển Để diễn giải phương pháp ta hãy vẽ lại hình 1.12 trong đó hệ trục tọa độ dq được tựa vào vecto từ thông rô to hình 2.1 α≡a s ψ r ω s jq i qs i s i ds θ s γ i O d u qs u s θ m θ sl ω a r Hình 2-1 Đồ thị véc tơ cho trường hợp tựa hệ trục d,q và véc tơ từ thông roto Bằng nguyên lý điều khiển trên đây ta đã “biến đổi” động cơ không đồng bộ roto lồng sóc về mô hình tương ứng động cơ điện một chiều kích từ độc lập. M i u Ф M ds i ds u r  qs u qs i k i k u Hình 2-2 . Sự tương đồng giữa động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ tựa từ thông rôto và động cơ một chiều kích từ độc lập 10 Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vecto tựa từ thông roto 2.2. Tổng quan về biến tần 2.2.1. Biến tần sử dụng trong công nghiệp Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông … Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ: 2.2.2. Các loại biến tần - Biến tần trực tiếp - Biến tần gián tiếp Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp 2.3. Các phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu - Điều chỉnh điện áp một chiều: - Điều chỉnh điện áp phía xoay chiều: [...]... thống điều khiển trên Matlab - Simulink 4.2.1.Mô hình mô phỏng Từ các thông số của động cơ vừa tính toán được ta sử dụng các công thức tính toán thông số bộ điều khiển tốc độ, bộ điều khiển từ thông và bộ điều khiển dòng điện dưới dạng các mflie ở phần phụ lục để tính tính toán ta có bộ thông số như bảng 4 Bảng 4.3 Thông số các bộ điều khiển Mô hình mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ sử... trung vào nghiên cứu ƣớc lƣợng từ thông trong điều khiển véc tơ tựa từ thông roto động cơ không đồng bộ Với mục tiêu đặt ra nội dung luận văn đã hoàn thành các nội dung sau: 23 - Xây dựng, phân tích mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên các hệ trục tọa độ abc, hệ trục tọa độ  và hệ trục tọa độ dq - Từ thông của động cơ là một đại lượng phản hồi trong thuật toán điều khiển tựa từ thông FOC Tuy nhiên... phương pháp điều khiển tựa vector từ thông – FOC được mô tả ở hình 4.2 Hình 4.2 Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ sử dụng thuật toán FOC Trong mô hình mô phỏng ở trên động cơ không đồng bộ ba pha được xây dựng trên hệ trục tọa độ dq các phương trình được viết trong hàm S – funcion „‟asmcdq.c‟‟ 18 Hình 4.3 Mô hình động cơ không đồng bộ trên trục dq Hình 4.4 thể hiện mô hình bộ điều khiển dòng... thấy sự tương đồng giữa mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ trục d, q tựa từ thông roto với mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập Cũng từ đó có thể dễ dàng lập được sơ đồ cấu trúc như trên hình 3.3 với ký hiệu bổ sung 14 usd 1/Rs 1+sTs isd ψrd Lm 1+sTr esd X Ls ωs esq X - usq 1/Rnm 1+sTnm erq ωse Lnm isq ψrd X Hình 3.3 Mô hình gần đúng của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ tựa từ thông roto... VDC 0 CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN 3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện isd và isq 3.1.1 Mô hình gần đúng của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ d,q tựa từ thông roto Trong không gian d, q tựa từ thông roto, các đại lượng điện từ biến thiên chậm và có thể coi là các đại lượng một chiều : Lsϭ Lrϭ isdq irdq ψDs imdq Lm Ψrdq Hình 3.1 Dòng điện động cơ trên trục d, q Nếu nhìn từ hai điểm A, B của sơ... 4.3 Đánh giá kết quả bằng thực nghiệm 4.3.1 Cấu hình thực nghiêm về điều khiển véc tơ tựa từ thông rô to động cơ không đồng bộ 21 Hình 4.16 Động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc Hình 4.17 Biến tần M440.siemensJPC 4.3.2 Giới thiệu về mô hình thực nghiệm 4.3.3 Các kết quả thực nghiệm - Trường hợp khi thay đổi lượng đặt tốc độ động cơ có đảo chiều Ban đầu lượng đặt tốc độ là 550v/p sau 20s lượng đặt... được lấy theo (3.7) 3.2 Thiết kế bộ điều khiển từ thông roto Căn cứ biểu thức (2.1) và hình 2.2 có thể dễ dàng lập được mô hình để thiết kế bộ điều khiển từ thông roto, Ψr* Rψ i*ds ids 1 ψr Lm 1+pTr Ψr ids M* ~ iqs MHTT Lm ψr 3p‟ Lm 2 Lr X M - p‟ J.s ω MC (Ha) (Hb) Hình 3.7 (a) Mô hình mạch vòng điều khiển từ thông. (hb) (b) Sơ đồ khối hàm truyền hệ FOC-IM 3.3 Ước lượng từ thông rô to ˆ ˆ Hình 3.8 Mô hình... được giữ không đổi ở giá trị 50(N.m) Hình 4.12 Đáp ứng từ thông Từ hình 4.12 ta thấy khi lượng đặt từ thông thay đổi thì giá trị thực của từ thông vẫn bám theo được giá trị mong muốn Khi các giá trị từ thông và tốc độ thay đổi thì các giá trị đặt của hai bộ điều khiển dòng điện cũng bị biến động tuy nhiên các giá trị thực của chúng đáp ứng rất nhanh có thể coi như là tức thời với các biến động ( Hb)... bộ điều khiển dòng điện có bù tách kênh Khối ước lượng từ thông và tính toán góc quay của roto lần lượt được thể hiện như hình 4.5 và hình 4.6 Hình 4.5 Bộ ước lượng từ thông roto 4.2.2.Kết quả mô phỏng khi thay đổi mô men động cơ Tại thời điểm ban đầu đặt giá trị tốc độ ref  20(rad / s ) , lượng đặt từ thông Fref  1Wb Momen đầu vào tai thời điểm ban đầu là 50(Nm) tại thời điểm 5(s) momen động cơ. .. tính) - Phương pháp điều chế PWM thông thường trong nghịch lưu áp ba pha 11 Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển nghịch lưu áp ba pha PWM thông thường 2.3.2 Phương pháp điều chế vector không gian SPWM Do sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị điện tử công suất đã dẫn đến yêu cầu cần PWM SPWM là một phương pháp hiệu quả cao để tạo ra sáu xung điều khiển nghịch lưu cho một hệ truyền động Hình 2.8 Nghịch . HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG KHÔNG GIAN VEC TƠ 3 1.1 Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ 1.1.1. Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ - Động cơ không đồng bộ. là động coe xoay chiều rôto lồng sóc. - Điều khiển động cơ không đồng bộ với hướng điều khiển U/f, điều khiển trực tiếp mômen động cơ. 1.1.2. Cấu tạo động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng. 2-2 . Sự tương đồng giữa động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ tựa từ thông rôto và động cơ một chiều kích từ độc lập 10 Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vecto tựa từ thông roto 2.2.