Đề tài này tập trung nghiên cứu bộ điều khiển PI mờ lai điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp DTC nhằm cho thấy sự thích nghi tốt của bộ điều khiển mờ lai trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ. Việc thiết kế sẽ được mô phỏng trên Matlab/simulink.
TỔNG QUAN
GIỚI THIỆU
1.1.1 Đặt vấn đề Động cơ không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành đơn giản, cạnh tranh về giá thành so với loại động cơ khác , làm việc tin cậy nên đƣợc sử dụng nhiều trong sản xuất và đời sống Tuy nhiên việc điều khi ển hoạt động của động cơ không đồng bộ là tương đối khó do đặc tính phi tuyến của động cơ
Ngày nay, sự phát triển của thiết bị điện tử công suất và các bộ vi xử lý đã làm cho việc điều khiển động cơ không đồng bộ (ĐC KĐB) trở nên dễ dàng hơn Các hệ thống xử lý tín hiệu số cho phép thực hiện các thuật toán phức tạp, giúp tối ưu hóa việc điều khiển động cơ Nhiều phương pháp điều khiển như momen trực tiếp, điều khiển phi tuyến, định hướng trường và điều khiển vector không gian đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền động điện Đặc biệt, việc kết hợp mạng neural và fuzzy logic với các phương pháp điều khiển thông thường đang mở ra hướng nghiên cứu đầy tiềm năng cho điều khiển máy điện không đồng bộ.
Để khám phá sâu hơn về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp DTC sử dụng bộ điều khiển PI mờ lai.”
1.1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, phương pháp DTC cũng là một lựa chọn mới trong các kỹ thuật điều khiển ĐC KĐB với những ƣu điểm sau:
- Đơn giản, không cần đến các khối chuyển đổi tương quan
- Khả năng điều khiển bền bỉ và chính xác
- Không cần phải sử dụng các cảm biến đo từ thông trực tiếp
- Không phụ thuộc nhiều vào thông số động cơ
- Khả năng bám tốc độ đặt cao, ngay cả khi tải thay đổi
Ưu điểm của phương pháp DTC so với phương pháp V/F
- Tốc độ động cơ bám tốt do momen điện từ của động cơ đƣợc điều khiển trực tiếp
- Đáp ứng tốc độ vẫn đảm bảo trong các điều kiện tải thay đổi hoặc thông số động cơ thay đổi trong quá trình làm việc
- Cho đáp ứng nhanh, chất lƣợng truyền động tốt, hiệu suất cao
- Từ thông của động cơ luôn đƣợc giữ tối ƣu
Ưu điểm của phương pháp DTC so với phương pháp FOC
- Ít phụ thuộc vào thông số động cơ
- Không cần phải sử dụng các khối chuyển đổi tương quan
- Cho đáp ứng momen nhanh hơn
Nghiên cứu này kết hợp phương pháp DTC với bộ điều khiển PI mờ lai nhằm nâng cao chất lượng hoạt động của hệ thống, đặc biệt là trong điều kiện tốc độ thấp và khi có sự thay đổi về momen yêu cầu.
MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.2.1 Mục tiêu của đề tài Đề tài này tập trung nghiên cứu bộ điều khiển PI mờ lai điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp DTC nhằm cho thấy sự thích nghi tốt của bộ điều khiển mờ lai trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ Việc thiết kế sẽ đƣợc mô phỏng trên Matlab/simulink
- Các phương pháp điều khiển động cơ KĐB 3 pha
- Đặc tính của máy điện không đồng bộ
- Xây dựng mô hình máy điện động cơ KĐB
- Xây dựng phương pháp điều khiển trực tiếp momen động cơ KĐB
- Xây dựng bộ điều khiển PI điều khiển tốc độ động cơ KĐB theo phương pháp DTC
- Xây dựng bộ điều khiển PI mờ lai điều khiển tốc độ động cơ KĐB theo phương pháp DTC
- Phương pháp tham khảo tài liệu: Bằng cách thu thập thông tin từ các tài liệu, bài báo liên quan, và truy cập mạng internet
Phương pháp quan sát được thực hiện bằng cách khảo sát các mô hình mô phỏng thực tế từ luận văn và bài báo trực tuyến, sau đó tái tạo chúng bằng phần mềm Matlab/Simulink Mục tiêu là so sánh các kết quả đã có để rút ra kinh nghiệm quý báu trong quá trình mô phỏng.
- Phương pháp mô phỏng: Phần nghiên cứu được kiểm chứng bằng việc thực hiện mô phỏng và đánh giá trên phần mềm Matlab/simulink.
TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
1.3.1 Giới thiệu tổng quan về phương pháp điều khiển DTC
- Kỹ thuật DTC điều khiển ĐC KĐB 3 pha đƣợc đƣa ra đầu tiên bởi Takahashi vào
Giải thuật điều khiển động cơ ra đời vào năm 1986, được đánh giá cao nhờ khả năng đáp ứng momen nhanh và hiệu suất điều khiển vượt trội Kỹ thuật này cho phép điều khiển độc lập và đồng thời từ thông động cơ cũng như momen điện từ.
Nếu từ thông stator được chọn làm giá trị tham chiếu, thì giá trị ước lượng của từ thông và mô men chỉ được tính toán dựa trên dòng điện và điện áp stator Do đó, điện trở stator trở thành thông số duy nhất cần thiết cho động cơ, tạo nên tính ưu việt cho kỹ thuật điều khiển trực tiếp mô men (DTC).
Những năm gần đây, các giải pháp đƣợc đề nghị cho các hệ thống điều khiển trực tiếp momen đƣợc cải tiến nhƣ sau:
- Sử dụng các bảng đóng cắt cải tiến
- Sử dụng các bộ so sánh trễ hoặc không có trễ, hai ba bậc
- Ứng dụng các sơ đồ DTC với tần số đóng ngắt không đổi, vận hành với kỹ thuật PWM hoặc điều chế véctơ không gian
- Ứng dụng kỹ thuật điều khiển mờ hoặc mạng nơron mờ
- Sử dụng các bộ ƣớc tính từ thông phức tạp để cải tiến đặc tính ở vận tốc thấp
1.3.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu
Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Trong thập kỷ qua, có rất nhiều cải tiến trong sơ đồ điều khiển trực tiếp momen cổ điển (Takahashi & Noguchi, 1986) đã đƣợc thực hiện bởi:
Romeral L., et al (2003) Novel Direct Torque Control (DTC) Scheme With Fuzzy Adaptive Torque-Ripple Reduction, IEEE Trans Ind Electron., vol.50, pp.487–492,Jun
Chen L., et al., (2005) A scheme of fuzzy direct torque control for induction machine, IEEE Proceedings of the Fourth International Conference on Machine Learning and Cybernetics, Guangzhou, 18-21 Aug
Reddy T B et al (2006) presented a novel approach for sensorless direct torque control of induction motors, utilizing hybrid space vector pulse width modulation to minimize ripples and switching losses Their method employs a variable structure controller, enhancing the efficiency and performance of motor control systems, as discussed at the IEEE Power India Conference.
Mục tiêu của các cải tiến là cải thiện khả năng khởi động động cơ, tối ưu hóa hoạt động trong điều kiện quá tải và ở tốc độ thấp Những thay đổi này cũng nhằm giảm momen và dòng điện hài, giảm tiếng ồn và ngăn ngừa biến điệu tần số thông qua các phương pháp chuyển mạch với tần số đóng cắt không đổi.
Sơ đồ DTC với bộ điều khiển trễ chuyển đổi tần số có nhược điểm chính là tạo ra dòng và momen gọn sóng Sự chuyển động của vector từ thông stator trong quá trình thay đổi vòng quay các thanh dẫn gây ra dao động đáng kể của momen điện từ Thêm vào đó, việc thực hiện các bộ điều khiển trễ yêu cầu tần số lấy mẫu cao, và khi sử dụng bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP), hoạt động sẽ khác biệt hoàn toàn so với bộ tương tự.
Trong bộ tương tự, các giá trị của momen điện từ và độ lớn từ thông của stator được kiểm soát trong một khoảng trễ nhất định Điều này có nghĩa là biến tần có khả năng thay đổi trạng thái khi độ lớn từ thông hoặc momen vượt qua một ngưỡng nhất định.
Việc thực hiện kỹ thuật số yêu cầu thời gian mẫu cụ thể để kiểm tra momen và từ thông trong giới hạn mong muốn Điều này có nghĩa là momen và từ thông có thể thường xuyên vượt ra ngoài giới hạn cho đến khi thời gian lấy mẫu tiếp theo Do đó, gợn sóng momen và từ thông không mong muốn thường xuất hiện.
Nhiều nhà nghiên cứu đang kết hợp các nguyên tắc của điều khiển trực tiếp mô-men (DTC) với phương pháp tần số đóng cắt không đổi để điều khiển bộ biến tần Việc này sử dụng điều chế vector không gian, yêu cầu tính toán trong các sơ đồ điều khiển vector điện áp tham chiếu, nhằm đảm bảo điều chế hiệu quả ở đầu ra của bộ biến tần.
Vì vậy, điều khiển trực tiếp momen với phương pháp điều chế không gian vector (DTC-SVM) đƣợc áp dụng
Koutsogiannis Z &, Adamidis G., (2007) Direct Torque Control using Space Vector Modulation and dynamic performance of the drive via a Fuzzy logic controller for speed regulation, in: proceedings of EPE
DTC-SVM có thể áp dụng điều khiển momen vòng kín để giảm gợn sóng momen Nhiều nghiên cứu đã trình bày về điều khiển tốc độ của truyền động điện, sử dụng các chiến lược trí tuệ nhân tạo như mạng lưới thần kinh nhân tạo và bộ điều khiển logic mờ Các bộ điều khiển tốc độ PI mờ được chứng minh có khả năng loại bỏ nhiễu và đảm bảo độ bền vững.
Gadoue S M at al., (2009) Artificial intelligence-based speed control of DTC induction motor drives-A comparative study, J Electric Power Syst Res
Tình hình nghiên cứu trong nước
Trong những năm gần đây, nghiên cứu về điện tử công suất ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ (KĐB) đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu, đặc biệt là việc kết hợp phương pháp điều khiển trực tiếp mô-men (DTC) với biến tần ma trận Nhiều công trình nghiên cứu đã được công bố, cung cấp cả lý thuyết và thực nghiệm về lĩnh vực này Một số nghiên cứu đáng chú ý đến từ các nhóm tác giả trong nước.
Direct torque control for matrix converter fed three-phase induction motor using an artificial neural network model TS Phan Quốc Dũng, Lê Minh Phương, Nguyễn Hoàng Vũ
Direct torque control for matrix converter fed induction motor drive using fuzzy logic controller.Nguyễn Phương Duy, Huỳnh Trung Nam, Huỳnh Thái Hoàng, Nguyễn Văn Nhờ
Direct torque control of induction motor drive fed by three-level NPC inverter with common mode voltage elimination.Phan Thành Minh, Nguyễn Văn Nhờ
Mặc dù nhiều nghiên cứu đã trình bày giải thuật hoặc mô phỏng bằng Matlab/Simulink, nhưng rất ít nghiên cứu đề cập đến kết quả thực nghiệm Luận văn này sẽ giới thiệu các giải thuật của bộ điều khiển PI mờ lai cho vòng hồi tiếp tốc độ, ứng dụng vào phương pháp điều khiển trực tiếp mô men động cơ KĐB 3 pha Tất cả lý thuyết và kết quả mô phỏng sẽ được trình bày trong phần sau.
CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Nội dung chính của luận văn gồm các chương sau:
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Mô hình toán động cơ không đổng bộ 3 pha
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển PI mờ lai điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp DTC
Chương 5: Kết quả mô phỏng
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
ĐIỀU KHIỂN MỜ
2.1.1 Giới thiệu chung Điều khiển mờ đƣợc thực hiện dựa trên lý thuyết logic mờ gọi là điều khiển mờ
Hệ điều khiển mờ cho phép đƣa các kinh nghiệm điều khiển của các chuyên gia vào thuật toán điều khiển
Chất lượng điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người thiết kế Điều khiển mờ có thế mạnh trong các hệ thống sau:
Hệ thống điều khiển phi tuyến
Hệ thống điều khiển mà các thông tin đầu vào và đầu ra không đủ hoặc không xác định
Hệ thống điều khiển khó xác định hoặc không xác định đƣợc mô hình đối tƣợng
Sơ đồ điều khiển có nhiều loại khác nhau, trong đó một ví dụ phổ biến là sơ đồ điều khiển đơn giản sử dụng bộ điều khiển mờ thay cho bộ điều khiển kinh điển.
Hinh 2.1: Sơ đồ hệ thống bộ điều khiển mờ cơ bản
2.1.2 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ bao gồm bốn khối chính: mờ hóa, hệ luật mờ, thiết bị hợp thành và giải mờ Khi tích hợp bộ điều khiển mờ vào hệ thống, thường cần thêm hai khối tiền xử lý và hậu xử lý để tối ưu hóa hiệu suất.
Hinh 2.2: Cấu trúc bộ điều khiển mờ [1]
Bộ điều khiển mờ cơ bản:
Hinh 2.3: Sơ đồ bộ điều khiển mờ cơ bản [1]
Bộ điều khiển mờ bao gồm :
Mờ hóa: Biến giá trị rõ đầu vào thành giá trị mờ
Hệ luật mờ là tập hợp các quy tắc "nếu-thì", đóng vai trò như "bộ não" của bộ điều khiển mờ Trong hệ thống này, có hai dạng luật mờ chính là luật mờ Mamdani và luật mờ Sugeno.
Thiết bị hợp thành: Biến đổi các giá trị đã đƣợc mờ hóa ở đầu vào thành các giá trị đầu ra theo các luật hợp thành nào đó
Giải mờ: Biến giá trị đầu ra của khối của thiết bị hợp thành thành giá trị rõ
Tiền xử lý: Xử lý tín hiệu trước khi đi vào bộ điều khiển mờ cơ bản
Lƣợng tử hóa hoặc làm tròn giá trị đo
Chuẩn hóa hoặc chuyển tỷ lệ giá trị đo vào tầm giá trị chuẩn
Lấy vi phân hay tích phân
Hậu xử lý: Xử lý tín hiệu ngõ ra của bộ điều khiển mờ cơ bản
Chuyển tỷ lệ giá trị ngõ ra của bộ điều khiển mờ cơ bản thành giá trị vật lý
Đôi khi có khâu tích phân
Bộ điều khiển Mamdani là bộ điều khiển mờ dựa trên các luật mờ Mamdani
If ( x1 = A1) and (x2 = A2) …and ( xn = An) then y = B Trong đó Ai , B là các tập mờ
Bộ điều khiển mờ Sugeno là bộ điều khiển mờ dựa trên các luật mờ Sugeno :
If ( x1 = A1) and (x2 = A2) …and ( xn = An) then y = f (x1, x2,….,xn)
Ai : là các tập mờ f(.) là hàm của các tín hiệu vào (hàm rõ)
Phương pháp giải mờ dùng trong bộ diều khiển mờ Sugeno là tổng có trọng số
Trong đó: βi : Độ cao của tập mờ kết quả trong mệnh đề điều kiện của luật i
Bộ điều khiển mờ Mamdani thích hợp để điều khiển các đối tƣợng không xác định đƣợc mô hình
Bộ điều khiển mờ Sugeno là giải pháp lý tưởng cho việc điều khiển các đối tượng có mô hình không chính xác hoặc mô hình phi tuyến được tuyến tính hóa theo từng đoạn.
Bộ điều khiển mờ Mamdani và bộ điều khiển mờ Sugeno đều sử dụng các tập mờ trong hệ luật, nhưng điểm khác biệt nằm ở phần kết luận; cụ thể, bộ điều khiển mờ Mamdani có kết luận là các tập mờ dạng singleton, trong khi bộ điều khiển mờ Sugeno có hệ luật với phần kết luận là hằng số.
2.1.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ
Thiết kế dựa vào kinh nghiệm chuyên gia
Thiết kế dựa trên lý thuyết Lyapunov
Thiết kế bộ điều khiển PID mờ
Thiết kế bộ điều khiển mờ dùng giải thuật di truyền
Bộ điều khiển PID được xem là giải pháp đa năng trong lĩnh vực điều khiển, áp dụng cho cả hệ thống Analog và Digital Theo nghiên cứu, hơn 90% bộ điều khiển hiện nay là bộ PID Khi được thiết kế hiệu quả, bộ PID có khả năng điều khiển hệ thống với chất lượng quá độ tốt, bao gồm đáp ứng nhanh và độ vọt lố thấp, đồng thời triệt tiêu sai số xác lập.
Việc thiết kế bộ điều khiển PID kinh điển thường dựa trên các phương pháp như Zeigler-Nichols, Offerein và Reinish Tuy nhiên, khi đối tượng điều khiển là phi tuyến, bộ điều khiển PID truyền thống không đảm bảo chất lượng điều khiển ở mọi điểm làm việc Do đó, để điều khiển các đối tượng phi tuyến, hiện nay người ta thường sử dụng kỹ thuật hiệu chỉnh PID mềm dựa trên phần mềm, từ đó hình thành cơ sở cho thiết kế PID mờ hoặc PID thích nghi.
2.1.4.1 Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ
Hình 2.4: Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ [1]
Mô hình toán của bộ PID [1]: u(t) dt t
Các tham số KP, K I, K D được điều chỉnh cho từng bộ điều khiển mờ dựa trên sai lệch e(t) và đạo hàm de(t) Có nhiều phương pháp để tinh chỉnh bộ PID như sử dụng phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định trực tiếp, hoặc theo các phương pháp của Zhao, Tomizuka và Isaka Nguyên tắc chung là bắt đầu với các giá trị KP, K I, K D theo phương pháp Zeigler-Nichols, sau đó quan sát đáp ứng và điều chỉnh dần để tìm ra hướng tinh chỉnh phù hợp.
Hình 2.5: Luật chỉnh định PID [1]
+ Lân cận a 1 ta cần luật ĐK mạnh để rút ngắn thời gian lên, do vậy chọn: K P lớn, KD nhỏ và nhỏ
+ Lân cận b1 ta tránh vọt lố lớn nên chọn: KP nhỏ, KD lớn, lớn
+ Lân cận c1 và d 1 giống nhƣ lân cận a 1 và b 1
Khi sai lệch có giá trị tuyệt đối lớn, cần tín hiệu điều khiển mạnh để đưa sai lệch về 0 nhanh chóng Nguyên tắc này dẫn đến mối quan hệ chỉnh định Kp, K I, α có dạng đối xứng qua đường chéo chính hoặc phụ.
Hình 2.6: Bộ điều khiển PD mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2]
Bộ điều khiển PD mờ, như được thể hiện trong hình 2.6, hoạt động dựa trên tín hiệu vào và vi phân của tín hiệu đó Loại bộ điều khiển này có khả năng điều khiển vô sai trong nhiều trường hợp khác nhau.
- Đối tượng có khâu tích phân lý tưởng, hoặc
- Ổn định hóa trạng thái của đối tƣợng xung quanh điểm cân bằng , trong đó ( ū, 𝑥 ), trong đó ū = 0
Nếu đối tượng không có khâu tích phân lý tưởng, như lò nhiệt hay bồn chứa chất lỏng, việc sử dụng bộ điều khiển PD mờ sẽ không thể loại bỏ sai số xác lập.
Hình 2.7a: Bộ điều khiển PI mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2]
Hình 2.7b: Bộ điều khiển PI mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2]
Có hai cách để thực hiện bộ điều khiển PI mờ, như thể hiện trong hình 2.7, với tín hiệu ra có mối quan hệ phi tuyến với tín hiệu vào và tích phân của nó Tuy nhiên, sơ đồ ở hình 2.7a khó thực hiện do khó khăn trong việc thiết lập các quy tắc điều khiển từ tích phân sai số Do đó, chỉ sơ đồ điều khiển PI mờ ở hình 2.7b được áp dụng trong thực tế.
Bộ điều khiển PI mờ nếu thiết kế tốt có thể điều khiển điều khiển đối tƣợng trong miền làm việc rộng với sai số xác lập bằng 0
Bộ điều khiển PI có thể làm chậm đáp ứng của hệ thống và trong nhiều trường hợp, gây ra dao động trong quá trình quá độ.
Hình 2.8a: Bộ điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2]
Hình 2.8b: Bộ điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2]
Bộ điều khiển PID mờ kết hợp các ưu điểm của bộ điều khiển PI mờ và PD mờ, cho phép điều khiển chính xác, thời gian đáp ứng nhanh và độ vọt lỗ thấp Sơ đồ bộ điều khiển PID mờ thường được trình bày trong hình 2.8, trong đó sơ đồ ở hình 2.8b được sử dụng phổ biến hơn so với hình 2.8a Việc áp dụng các quy tắc Mamdani để mô tả mối quan hệ giữa vi phân của tín hiệu ra và tín hiệu vào, cũng như vi phân bậc 1, là một thực tế quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của bộ điều khiển này.
2 của tín hiệu vào (hình 2.8b) dựa vào kinh nghiệm chuyên gia cũng không dễ dàng
Chỉ nên áp dụng bộ điều khiển PID mờ khi bộ điều khiển PI mờ hoặc PD mờ không đạt được chất lượng điều khiển mong muốn đối với đối tượng.
ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG (FOC)
Động cơ điện hoạt động như một nguồn momen có thể điều khiển, yêu cầu kiểm soát chính xác giá trị momen tức thời Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ truyền động có đặc tính động cao, nơi phương pháp điều khiển vị trí trục rotor được áp dụng để đạt hiệu suất tối ưu.
Momen sinh ra trong động cơ là kết quả của sự tương tác giữa dòng điện trong cuộn ứng và từ thông trong hệ thống kích từ Để đạt được momen tối đa, từ thông cần được duy trì ở mức tối ưu, đồng thời giảm thiểu độ bão hòa của mạch từ Khi từ thông không đổi, momen sẽ tỷ lệ thuận với dòng điện Trong động cơ không đồng bộ, dòng điện ứng là dòng rotor, trong khi từ thông được tạo ra bởi dòng stator.
Dòng rotor không được điều khiển trực tiếp bởi nguồn bên ngoài, mà là hệ quả từ sức điện động cảm ứng do chuyển động của rotor trong từ trường stator Vì vậy, dòng stator đóng vai trò là nguồn cung cấp từ thông và dòng ứng.
Trong động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, việc điều khiển momen tối ưu gặp khó khăn do dòng stator được điều khiển trực tiếp và không thể bố trí cố định giữa từ thông stator và rotor, khiến phương trình momen trở nên phi tuyến Để khắc phục điều này, nguyên lý định hướng theo trường (FOC) đã được đề xuất, cho phép điều khiển độc lập từ thông và momen thông qua phương pháp phân tách phi tuyến Bằng cách điều khiển các biến đã chọn sao cho chúng luôn bằng 0, phương pháp này giúp đơn giản hóa mô hình toán học bằng cách loại bỏ một số nhánh không cần thiết trong mô hình tổng quát.
Phương pháp điều khiển định hướng theo trường bao gồm:
+ Điều khiển định hướng theo vector từ thông stator (trực tiếp, gián tiếp)
+ Điều khiển định hướng theo vector từ thông rotor (trực tiếp, gián tiếp)
+ Điều khiển định hướng theo vector từ thông khe hở không khí (trực tiếp, gián tiếp)
Hệ thống định hướng trường tổng quát tạo ra các tín hiệu điện áp U a *, U b *, U c * từ tín hiệu từ thông rotor * r và momen M * (tốc độ *) Bộ nghịch lưu đảm nhận nhiệm vụ cung cấp điện áp tương ứng với điện áp đã được đặt.
Bộ nghịch lưu PWM 3 pha
Hệ thống định hướng trường
Hình 2.12: Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển định hướng trường
Trong phần này, chúng ta chỉ tập trung vào phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor, vì phương pháp này cho phép điều khiển độc lập từ thông và momen Ngược lại, phương pháp điều khiển định hướng từ thông stator và từ thông khe hở không khí không thể đạt được sự độc lập giữa hai thành phần này.
Trong phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor, động cơ không đồng bộ được mô hình hóa trên hệ tọa độ d-q, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội.
Trong hệ từ thông rotor (d-q), các vector dòng stator i f s và vector từ thông rotor f
, cùng với hệ tọa độ (d-q) quay gần đồng bộ với nhau với tốc độ s quanh điểm gốc, do đó các phần tử của vector i f s
(i ,i sd sq ) là các đại lƣợng một chiều
Trong chế độ xác lập, các giá trị hầu như giữ nguyên; tuy nhiên, trong quá trình quá độ, các giá trị này có thể thay đổi theo một thuật toán đã được xác định trước.
2.2.1 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp
Trong phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp, việc đo hoặc ước lượng biên độ và vị trí góc của từ thông rotor là rất quan trọng Cảm biến Hall có thể được sử dụng để đo từ trường, nhưng điều này làm tăng chi phí hệ thống và giảm độ tin cậy của hệ truyền động Do đó, phương pháp ước lượng từ thông thường được ưa chuộng hơn nhờ vào tính dễ thực hiện và sai số chấp nhận được Tuy nhiên, sai số này phụ thuộc nhiều vào thông số của động cơ Hiện có ba phương pháp ước lượng từ thông: ước lượng từ dòng và áp hồi tiếp, ước lượng từ tốc độ và dòng hồi tiếp, và ước lượng từ dòng, áp và tốc độ hồi tiếp.
Hình 2.13: Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp
Sơ đồ định hướng từ thông rotor trực tiếp, như thể hiện trong hình 2.14, bao gồm hai vòng kín: vòng đầu tiên điều khiển từ thông (i sd) và vòng thứ hai điều khiển tốc độ hoặc mô men (i sq).
Tín hiệu ngõ vào từ thông rotor và tốc độ sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu dòng đặt i * sd và i * sq thông qua khâu so sánh và hiệu chỉnh PI Các tín hiệu dòng đặt này tiếp tục được so sánh với tín hiệu dòng hồi tiếp và qua khâu hiệu chỉnh PI sẽ tạo ra tín hiệu điện áp đặt mong muốn u * sd và u * sq Hai tín hiệu điện áp này sau đó được chuyển sang hệ tọa độ α-β và qua khâu điều chế vector không gian, tạo ra giản đồ đóng ngắt cho 6 khóa của bộ nghịch lưu áp ba pha, cung cấp điện áp đầu ra cho động cơ.
2.2.2 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp
Trong phương pháp điều khiển gián tiếp, góc θ được xác định dựa trên tốc độ trượt ωsl* và thông tin về tốc độ động cơ ω Hệ thống có đặc tính phụ thuộc nhiều vào việc xác định chính xác các thông số động cơ Mặc dù phương pháp này đơn giản hơn so với phương pháp trực tiếp, nhưng vẫn tồn tại một số nhược điểm, dẫn đến đặc tính của sơ đồ có thể kém hiệu quả nếu không áp dụng các giải pháp đặc biệt khác.
Hình 2.14 Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp
Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp, như thể hiện trong hình 2.15, chỉ sử dụng một vòng lặp cho i sq Trong phương pháp này, vị trí góc của vector từ thông rotor được xác định dựa trên tốc độ trượt * sl và thông tin về tốc độ động cơ .
Phương pháp điều khiển gián tiếp sử dụng một số khâu chuyền trục từ phương pháp điều khiển trực tiếp Hệ thống này có ưu điểm là có thể áp dụng cho nhiều loại động cơ phổ biến, với vị trí rotor dễ dàng đo được thông qua cảm biến gắn ngoài.
2.2.3 Ưu, nhược điểm của phương pháp điều khiển định hướng trường
Đáp ứng vận tốc động cơ tốt
Điều khiển từ thông và momen một cách độc lập
Dòng khởi động thay đổi có thể chấp nhận
Cấu trúc mạch phức tạp, đòi hỏi bộ vi xử lý mạnh
Bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của các thông số động cơ trong quá trình hoạt động thực tế của máy.
ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN (DTC)
2.3.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển trực tiếp momen
Phương pháp điều khiển DTC (Direct Torque Control) được phát triển vào giữa những năm 80 bởi Takahashi I và nhanh chóng được ứng dụng trong công nghiệp nhờ vào những tính năng vượt trội Kỹ thuật này dựa trên mô hình của động cơ không đồng bộ với các vectơ không gian, cho phép điều khiển momen động cơ KĐB một cách hiệu quả thông qua bộ nghịch lưu áp.
Kỹ thuật DTC nổi bật với sự đơn giản, không cần lắp đặt cảm biến vào trục động cơ, giúp giảm giá thành và nâng cao độ tin cậy Phương pháp này mang lại hiệu quả điều khiển cao và tính ổn định nội bộ tốt, thuộc loại kỹ thuật điều khiển không sử dụng cảm biến.
Nguyên tắc điều khiển trực tiếp momen cho phép điều khiển từ thông stator mà không cần thông qua bộ điều khiển dòng stator Quá trình này được thực hiện bằng cách sử dụng đầu ra của bộ so sánh trễ từ thông, bộ trễ momen và lựa chọn vector điện áp phù hợp từ bảng chuyển mạch đã được định nghĩa trước.
Hình 2.15: Sơ đồ cấu trúc phương pháp điều khiển DTC ĐC KĐB [14]
Khâu 1 (đo điện áp và dòng điện): Dòng điện 2 pha A và B đƣợc đo, điện áp một chiều của biến tần và trạng thái chyển mạch của nghịch lưu
Khâu 2 của mô hình động cơ tập trung vào việc sử dụng các thông số đầu vào để dự báo chính xác các yêu cầu đầu ra, bao gồm độ lớn momen, biên độ từ thông và vị trí sector Quá trình này có thể được gọi là khâu ước lượng từ thông và momen động cơ, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tính chính xác trong hoạt động của động cơ.
Khâu 3 (bộ so sánh từ thông và momen) so sánh giá trị đặt của độ lớn từ thông stator và momen với giá trị thực, từ đó xác định sai số để làm đầu vào cho hai khối trễ tương ứng Đầu ra của hai khối này, kết hợp với vị trí của từ thông stator, sẽ được sử dụng làm đầu vào cho bảng chọn Vị trí của từ thông stator được chia thành 6 sector riêng biệt Sai số của độ lớn từ thông stator và momen được kiểm soát trong các giải trễ tương ứng, với dải trễ từ thông ảnh hưởng mạnh đến sự méo dòng điện stator trong vùng sóng hài thấp, trong khi dải trễ momen tác động đến tần số chuyển mạch.
Khâu 4 trong hệ thống điều khiển bao gồm bộ xử lý tín hiệu số (DSP) và bo mạch để điều khiển việc đóng mở các van Tần số đóng cắt là yếu tố quyết định đến hiệu quả của DTC, cho phép hệ thống hoạt động mà không cần encoder DTC có thể đạt độ chính xác ±5% và thời gian quá độ nhỏ hơn 2 ms, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho các vector điện áp.
Phương pháp điều khiển DTC mang lại hiệu quả tương đương với điều khiển vector nhưng có cấu trúc đơn giản hơn Nó cho phép điều khiển chính xác từ thông stator và momen động cơ Khi sai số của từ thông hoặc momen vượt quá giới hạn cho phép, hệ thống sẽ phát tín hiệu cho bộ nghịch lưu để điều chỉnh các tổ hợp khóa, đảm bảo từ thông và momen đạt giá trị mong muốn.
Các ưu và khuyết điểm của phương pháp DTC:
- Điều khiển trực tiếp từ thông và momen động cơ
- Điều khiển gián tiếp điện áp và dòng điện stator
- Dòng điện stator và từ thông stator gần sin
- Cho hiệu suất tốt với các hệ có đặc tính động học cao, có thể điều khiển tần số 0,5Hz mà vẫn cho momen định mức
- Tuy nhiên phương pháp DTC cơ bản có một số mặt hạn chế sau:
- Khó điều khiển momen và từ thông ở vận tốc thấp
- Độ nhấp nhô dòng và momen khá lớn
- Tần số đóng ngắt khóa thường biến thiên
- Độ ồn cơ cao ở vận tốc thấp
2.3.2 Sự biến thiên các đại lượng của phương pháp DTC
2.3.2.1 Sự biến thiên của từ thông stator
0 phương trình cơ bản vector điện áp stator: dt i d R u s s s s s s s
Vì giá trị điện trở stator Rs nhỏ, lúc tốc độ động cơ cao, có thể bỏ qua thành phần R s i s s u dt t s s s s
Dựa vào biểu thức (2.4), chúng ta nhận thấy rằng từ thông stator chủ yếu phụ thuộc vào vector điện áp stator \( u_{ss} \) với một giá trị từ thông ban đầu đã cho Tốc độ thay đổi của từ thông gần như tỷ lệ thuận với biên độ của vector điện áp, được thể hiện qua mối quan hệ \( \frac{d\psi_s}{dt} \approx u_{ss} \).
Bằng cách điều chỉnh các vector điện áp khác nhau, chúng ta có khả năng kiểm soát tăng hoặc giảm biên độ và góc pha của từ thông theo yêu cầu điều khiển.
2.3.2.2 Sự biến thiên của từ thông rotor
Phương trình vector của điện áp, từ thông stator, rotor trong hệ tọa độ stator:
Rút i r s từ phương trình (2.5d) 1 ( ) m s s s r r s r i L i L (2.6) Thay i r s từ phương trình (2.6) vào phương trình điện áp rotor (2.5b)
Thay giá trị thời hằng rotor đƣợc định nghĩa r r r R
T L vào biểu thức trên ta có : dt j d i T T
Thay phương trình (2.6) vào phương trình từ thông stator (2.5c)
Thay hệ số tiêu tán tổng đƣợc định nghĩa r s m
vào phương trình từ thông vừa thu đƣợc: r s r s m s s s L i L
Thay i s s từ phương trình (2.8) vào (2.7)
Triển khai và thực hiện Laplace hóa cho biểu thức (2.9) ta đƣợc: s r r s r r s m s s r s m r j
Từ biểu thức (2.10), các giá trị như , L m, L s và T r là không đổi và phụ thuộc vào thông số động cơ Điều này cho thấy từ thông rotor r s biến thiên theo từ thông stator s s với hình thức tương tự như hàm truyền khâu quán tính bậc nhất.
G ), biến thiên theo từ thông stator s
s nhƣng chậm hơn Với chu kỳ lấy mẫu bé, trong khoảng thời gian ngắn từ thông stator thay đổi, có thể xem từ thông rotor là không đổi
2.3.2.3 Sự biến thiên của điện áp stator
Sự biến thiên điện áp của stator phụ thuộc vào điện áp cung cấp cho các cuộn dây, và trong phương pháp DTC, điện áp này được cung cấp bởi bộ nghịch lưu 3 pha với 6 khóa bán dẫn Các khóa này được điều khiển để đóng ngắt, tạo ra 8 vector không gian, bao gồm 2 vector 0 Tùy thuộc vào yêu cầu điều khiển, ta có thể chọn tổ hợp đóng cắt phù hợp để tạo ra điện áp stator cần thiết.
Hình 2.16: Các vector điện áp trong không gian
2.3.2.4 Sự biến thiên của momen
Phương trình momen điện từ viết trên hệ trục tọa độ αβ:
Trong biểu thức (2.11), giá trị dòng điện i s và i s có thể được tính từ việc đo dòng điện các pha và chuyển đổi sang hệ tọa độ (α-β) Các giá trị s và s cũng có thể ước lượng dựa trên dòng điện, điện áp và điện trở stator theo phương trình (2.5a) Do đó, trong phương pháp DTC, biểu thức (2.11) có thể được sử dụng để ước lượng mô men động cơ.
Phương trình (2.11) không rõ ràng về mối quan hệ giữa mô men động cơ và các đại lượng có thể quan sát sự thay đổi của chúng Do đó, cần tìm thêm các phương trình tính toán mô men dựa trên những đại lượng đã biết để làm cơ sở cho các lập luận tiếp theo.
Từ phương trình (2.8), tách ra làm hai thành phần α và β:
Thay i s s ,i s s trở lại phương trình (2.11), ta có:
Momen động cơ T e được xác định bởi các yếu tố như số đôi cực p, từ thông stator và rotor, cùng với góc lệch pha giữa chúng Các thông số động cơ như , L m, L r, và L s được coi là không đổi trong suốt quá trình hoạt động của động cơ.
Trong phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC), từ thông stator được điều khiển trực tiếp và phụ thuộc vào điện áp stator Khi sai số giữa biên độ từ thông và giá trị đặt vượt quá giới hạn cho phép, bộ nghịch lưu sẽ tự động điều chỉnh điện áp stator để giảm sai số, đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống.
MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Máy điện không đồng bộ ba pha có stator được cấp điện từ lưới điện, tạo ra sức điện động cảm ứng và dòng điện trong dây quấn rotor nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ Dòng điện ba pha đối xứng trong dây quấn sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ ωs (rad/s) Rotor của máy không đồng bộ gồm hai loại khác nhau.
Rotor dây quấn là loại rotor có dây quấn nhiều pha, thường là ba pha, được lắp đặt trong các rãnh của rotor Nó có cùng số cực với dây quấn stator, và các đầu dây ra được kết nối với vành trượt cách điện với trục rotor Việc cung cấp điện cho rotor được thực hiện thông qua các chổi than, được đặt trong các bộ giá đỡ chổi than.
Rotor lồng sóc, với dây quấn rotor là các thanh dẫn bằng nhôm hoặc đồng trong rãnh rotor, được kết nối ngắn mạch ở hai đầu Nhờ vào cấu trúc đơn giản và chắc chắn, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trở thành nguồn động lực phổ biến trong nhiều lĩnh vực công nghiệp cũng như trong sinh hoạt hàng ngày.
Động cơ có rotor lồng sóc hiện đang chiếm ưu thế trên thị trường nhờ vào tính dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng và kích thước nhỏ gọn Sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi điện tử với chi phí ngày càng giảm đã tạo điều kiện cho việc áp dụng các kỹ thuật điều chỉnh phức tạp cho loại rotor này.
VECTOR KHÔNG GIAN VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG BA PHA
3.2.1 Xây dựng vector không gian Động cơ không đồng bộ ba pha có ba cuộn dây stator với điện áp ba pha đƣợc bố trí trong không gian nhƣ hình 3.1
Hình 3.1 Vị trí không gian các pha Phương trình điện áp stator: usa(t) + usb(t) + usc(t) = 0 (3.1) Với: u sa (t) u s cos( s t) (3.2)
Trong mặt phẳng cơ học của động cơ không đồng bộ, ba cuộn dây được bố trí lệch nhau 120 độ Khi thiết lập hệ tọa độ phức với trục thực đi qua cuộn dây A, ta có thể xây dựng vector không gian cho điện áp stator.
Theo công thức (3.5), vector u s (t) có modul không đổi và quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc s = 2 f s, tạo với trục thực (trục cuộn dây pha A) một góc = s t, trong đó fs là tần số mạch stator Hình 3.2 mô tả quá trình xây dựng vector u s (t).
Hình 3.2 Xây dựng vector không gian từ các đại lƣợng pha
Điện áp của từng pha trong động cơ được xác định bằng cách chiếu vector điện áp stator lên trục cuộn dây tương ứng Các đại lượng khác như dòng rotor, dòng stator, từ thông rotor và từ thông stator cũng có thể được biểu diễn dưới dạng vector không gian tương tự như điện áp stator.
3.2.2 Hệ tọa độ cố định stator (α-β)
Vector không gian điện áp stator có modul là u s, di chuyển trong mặt phẳng phức với tốc độ góc s và tạo với trục cuộn dây pha A một góc st Trục cuộn dây pha A được gọi là trục thực (), trong khi trục vuông góc với nó là trục ảo () Hệ tọa độ cố định stator ( -) cho phép mô tả các vector không gian thông qua hai thành phần là trục thực () và trục ảo ().
Hình 3.3: Hệ tọa độ stator ( -)
Bằng cách chiếu vector không gian lên hai trục tọa độ (α - β), chúng ta có thể tính toán thành phần của vector điện áp trong hệ tọa độ này bằng phương pháp hình học.
s s sb sa sc s s sb s sa u u u u u u u u u u
sc sb sb sa s sa s u u u u u u u
Theo phương trình, chỉ cần xác định điện áp pha A và B để tính toán vector điện áp không gian, vì đây là điện áp pha cân bằng và điện áp pha C đã được xác định trong phương trình.
3.2.3 Hệ tọa độ từ thông rotor (d-q)
Trong hệ tọa độ (α - β), chúng ta xem xét một hệ tọa độ thứ hai với trục hoành d và trục tung q, có chung điểm gốc và lệch một góc θ so với hệ tọa độ ban đầu Điều này dẫn đến sự tồn tại của hai tọa độ và một vector không gian có thể được biểu diễn trên cả hai hệ tọa độ này.
quay tròn quanh góc tọa độ chung
Hình 3.4 Mỗi liên hệ giữa tọa độ ( -) và tọa độ(d-q)
Từ hình trên ta có thể biểu diễn mỗi liên hệ giữa hai tọa độ nhƣ sau:
sq sd dq s s s s ju u u ju u u
(3.10) Biến đổi hai phương trình trên ta được mỗi liên hệ giữa hai tọa độ:
Các hệ phương trình này chuyển đổi giữa các hệ tọa độ (α-β) và (d-q), áp dụng cho điện áp stator và các thành phần khác của động cơ Trong hệ tọa độ (d-q), trục d được căn chỉnh với trục từ thông rotor và quay với tốc độ góc tương đương với tốc độ góc của vector từ thông rotor.
Hình 3.5 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ (d-q)
Trong hệ tọa độ từ thông rotor, các vector dòng stator và vector từ thông rotor di chuyển cùng với hệ tọa độ (d-q), dẫn đến các phần tử của vector dòng rotor trở thành đại lượng một chiều Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như không đổi, trong khi trong quá trình quá độ, các đại lượng này biến thiên theo một thuật toán đã được xác định trước.
Một ưu điểm quan trọng là thành phần từ thông rotor trên trục q có giá trị bằng 0, vì nó vuông góc với từ thông rotor theo trục d Do đó, từ thông rotor chỉ còn lại thành phần theo trục d, tạo thành một đại lượng một chiều.
MÔ HÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
3.3.1 Lý do xây dựng mô hình Để xây dựng, thiết kế bộ điều khiển cần phải có mô hình mô tả đối tƣợng cần điều khiển Vì vậy cần phải xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ta bắt đầu từ mô hình đơn giản của động cơ trong hình 3.6
Hình 3.6: Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc
Mô hình toán học cần thể hiện rõ đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh để xây dựng các thuật toán hiệu quả Việc này dẫn đến việc giả thiết các điều kiện trong quá trình lập mô hình, giúp đơn giản hóa thiết kế nhưng cũng gây ra sai lệch nhất định giữa đối tượng và mô hình, trong phạm vi cho phép.
Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được mô tả thông qua hệ phương trình vi phân bậc cao, do cấu trúc cuộn dây phức tạp và các mạch từ móc vòng Một số điều kiện cần được chấp nhận để mô hình hóa động cơ này.
- Các cuộn dây stator đƣợc bố trí một cách đối xứng về mặt không gian
- Các tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ có thể bỏ qua
- Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trên bề mặt khe từ
- Các giá trị điện trở và điện cảm đƣợc coi là không đổi
Trục chuẩn của mọi quan sát đƣợc quy ƣớc là trục đi qua tâm cuộn dây pha
A Ta sẽ sử dụng các mô hình trong không gian trạng thái để mô tả động cơ
3.3.2 Hệ phương trình cơ bản của động cơ
Hệ phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator: dt t t d i R t u dt t t d i R t u dt t t d i R t u sc sc s sc sb sb s sb sa sa s sa
Với: Rs: điện trở cuộn dây pha stator
sa , sb , sc : từ thông stator của cuộn dây pha A, B, C Áp dụng công thức ta thu đƣợc điện áp:
Thay 3 phương trình (3.12, 3.13, 3.14) vào phương trình (3.15), thu được phương trình điện áp stator dưới dạng vector như sau: dt i d R u S S S s (3.16)
RS: điện trở cuộn dây pha Stator
Phương trình trên thu được do các quan sát từ hệ thống 3 cuộn dây stator, vì vậy cũng thu đƣợc trên hệ tọa độ (α-β) dt i d R u
Tương tự, phương trình điện áp của cuộn dây rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch) dt i d R r r r r r
Trong đó: r r : vector từ thông rotor trên hệ tọa độ rotor
R r : điện trở rotor đã quy đổi về phía stator
Nhưng để dễ dàng tính toán trên các loại tọa độ, ta có phương trình tổng quát cho điện áp stator: k S k k k S S S k
Phương trình tổng quát trên có thể áp dụng cho mọi hệ tọa độ vuông góc Trong đó: dt d k k
Góc giữa trục thực và hệ tọa độ bất kỳ k được ký hiệu là ωk Đối với hệ tọa độ cố định Stator (α-β), ωk bằng 0, dẫn đến công thức (3.17) Khi thay "k" bằng "s", ta sẽ có hệ tọa độ từ thông rotor (d-q), với dt d S.
với s là góc lệch giữa trục q với trục thực Thay “k” = ”f”
Tương tự, ta có phương trình tổng quát điện áp rotor: k r k k k r r r j dt i d
0Với r k : vector từ thông ở hệ tọa độ “k” bất kỳ so với rotor
3.3.3 Các tham số của động cơ
L m hỗ cảm giữa rotor và stator
L s điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator
L r điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor (đã quy đổi về stator) s m s L L
T s = L s /R s hằng số thời gian stator
Tr = Lr/Rr hằng số thời gian rotor r s m L L
hệ số tiêu tán tổng
Phương trình từ thông stator và từ thông rotor: r r m s r m r s s s
Phương trình chuyển động: dt d p
Với: TL là momen tải, J là momen quán tính cơ, là tốc độ góc của rotor, pc số đôi cực từ của động cơ
3.3.4 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator (α-β)
Phương trình mô tả trạng thái của động cơ như sau:
Với Lm: hỗ cảm giữa stator va rotor
Có thể triệt tiêu 2 đại lƣợng vector dòng điện rotor và vector từ thông stator bằng cách rút vector i r s từ phương trình (3.27) , ta được:
Thế i r s ở phương trình (3.28) vào phương trình (3.26), ta được:
Thay i r s và s s vào (3.24, 3.25) đồng thời sử dụng các tham số ,T s ,T r ta thu được hệ phương trình (3.30) sau:
Ta chuẩn hóa r và r nhƣ sau:
/ là các phần tử của vectơ dòng từ hóa m s r
Thay thế các vector dòng từ hóa vào hệ phương trình (3.30) và chuyển đổi thành dạng phần tử của vector, chúng ta nhận được một hệ phương trình mới mô tả đầy đủ phần hệ thống điện của một ĐCKĐB.
Trong đó: 1L m 2 /(L s L r ): hệ số tiêu tán tổng
Ta cũng có phương trình momen:
ta rút i r s rồi thế vào phương trình momen:
Thay các vector bằng các phần tử tương ứng, ta được:
3.3.5 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor (d-q)
Có thể triệt tiêu 2 đại lƣợng vector dòng điện rotor và vector từ thông stator
Thay phương trình (3.47), 3.48) vào (3.43, 3.44) trên và biến đổi:
Vì trong trường hợp định hướng chính xác từ thông rotor ta có rq / = 0 Cuối cùng thu được hệ phương trình mô tả động cơ không đồng bộ sau:
1 rq r rd s sq r rq rq s rd r sd r rd sq s rq r rd sq r S sd s sq sd s rq rd r sq s sd r S sd i T T dt d i T T dt d
Trong đó: 1 L m 2 /( L s L r ): hệ số tiêu tán tổng (3.46)
Phương trình momen: rd sq r m C e i
Phương trình từ thông rotor: sd r m rd i pT
3.3.6 Mô hình động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa độ stator trong Simulink của Matlab
3.3.6.1 Các giá trị cần thu thập của động cơ không đồng bộ 3 pha
Hệ phương trình biểu diễn đầy đủ trạng thái của động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ tọa độ stator từ hệ phương trình:
Ta thu đƣợc giá trị dòng điện 3 pha isa, i sb , i sc từ i α, i β thông qua biến đổi tọa độ từ -> abc
Momen điện từ của động cơ:
Tốc độ của động cơ:
Mô đun dòng từ hóa m s r
từ các thành phần r / , r / thông qua công thức:
3.3.6.2 Mô hình động cơ trong simulink
Hình 3.7: Mô hình mô phỏng của động cơ không đồng bộ ba pha
3.3.6.3 Mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ
Mô hình mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ ba pha (KĐB) được trình bày trong Hình 3.8 Động cơ này có các thông số kỹ thuật quan trọng: điện trở stator Rs là 1.37 , điện trở rotor Rr là 1.1 , điện cảm stator Ls là 0.1459 H, điện cảm rotor Lr là 0.149 H, và điện cảm hỗ cảm Lm là 0.141 H.
Momen tải T L 26.5 N.m Điện áp định mức 380 V
Tần số định mức 50 Hz
Bảng 3.1: Các thông số của ĐCKĐB dùng để mô phỏng
Kết quả mô phỏng: Động cơ chạy không tải Động cơ chạy có tải (đóng tải tại t =1s) Dòng điện stator:
Hình 3.9 Kết quả mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ KĐB
Khi khởi động trực tiếp, động cơ tiêu thụ dòng khởi động lên tới 70A, dẫn đến hiện tượng sụt tốc khi có tải Do đó, việc áp dụng các phương pháp hạn chế dòng khởi động là cần thiết để bảo vệ tuổi thọ và đảm bảo hoạt động ổn định cho động cơ.
- Đặc biệt động cơ có công suất lớn khi khởi động trực tiếp có thể gây sụt áp lưới điện quá mức cho phép
- Momen khởi động chứa thành phần xung khá lớn có thể gây sốc cơ học, động cơ khởi động không êm
Phương pháp điều khiển trực tiếp mô-men bằng bộ điều khiển PI mờ lai đã giải quyết được vấn đề khởi động dòng quá lớn và đảm bảo ổn định tốc độ cho động cơ Bên cạnh đó, phương pháp này còn mang lại những thành tựu kỹ thuật vượt trội trong việc điều khiển động cơ không đồng bộ.