Điều khiển máy điện
-Giới thiệu về điều khiển vector
-Giới thiệu RFOC
Bộ môn Thiết bị điện
Ôn tập (1)
Chứng minh các công thức tính moment sau là tương đương:
Bộ môn Thiết bị điện
Ôn tập (2)
Một động cơ không đồng bộ có các tham số sau (đã qui đổi về stator): Rs=10 ohm; Rr=6,3 ohm ; Lγs=Lγr=0,04H ; Lm=0,4H. Máy vận hành ở 1425 vòng/phút và được cung cấp bởi nguồn 380V/50Hz. Máy có 4 cực, nối Y và vận hành ở xác lập. Máy được cấp nguồn, dạng hình sin, điện áp pha quy định bởi:
Viết điện áp pha stator thành phần trục alpha-beta và điện áp pha vector không gian trong hệ quy chiếu tĩnh.
Tính dòng điện stator vector không gian và các thành phần alpha-beta trên hệ tọa độ alpha-beta.
Bộ môn Thiết bị điện
Giới thiệu
Điều khiển V/f thích hợp cho các ứng dụng mà không đòi hỏi sự đáp ứng nhanh về moment, từ trường hay tốc độ.
Một số ứng dụng đòi hỏi phải có đáp ứng quá độ nhanh, do đó hệ thống điều khiển V/f không thích hợp.
Với sự phát triển về thiết bị và lý thuyết điều khiển vector hiện nay, động cơ kđb được sử dụng để thay thế động cơ DC cho các ứng dụng đòi hỏi đáp ứng nhanh.
Trước đây do sự hạn chế về kỹ thuật và thiết bị, hệ thống dùng động cơ DC được sử dụng
Bộ môn Thiết bị điện
Giới thiệu –Mô hình ĐCKĐB ở trạng thái xác lập bỏ qua sự quá độ khi thay đổi tải và thay đổi tần số stator. Những đại lượng này sẽ tăng rất nhanh đối với ứng dụng truyền động có tốc độ thay đổi.
–Với những ứng dụng có moment thay đổi nhanh, điều khiển V/f hay nối nguồn trực tiếp sẽ không cho chất lượng tốt. Khi đó cần thiết phải biết tốc độ hay từ thông và bộ điều khiển có chất lượng cao điều khiển vector
Bộ môn Thiết bị điện
Điều khiển định hướng trường (FOC)
• Điều khiển định hướng trường (FOC) hay điều
khiển vector là phương pháp điều khiển dùng cho động cơ kđb 3 pha, trong đó moment tạo ra và các thành phần từ hóa của từ thông stator được điều khiển độc lập
• Mô phỏng theo hoạt động của động cơ DC
• FOC cần các thông tin về: dòng điện, điện áp, từ
thông và tốc độ của động cơ.
Bộ môn Thiết bị điện
Ứng dụng
Thích hợp cho tất cả các ứng dụng trước đây sử dụng động cơ DC
-Các hệ thống servo điều khiển tốc độ hay vị trí, các máy công cụ và trục nâng, cần trục,…
Bộ môn Thiết bị điện
Bộ môn Thiết bị điện
So sánh điều khiển vector và V/f
Điều khiển vector có đáp ứng tốt hơn, chính xác hơn, đặc biệt ở vùng tốc độ thấp
Bộ môn Thiết bị điện
Nguyên lý điều khiển Vector
Các đại lượng vô hướng (u, i, từ thông) được chuyển thành dạng vector không gian tương ứng. Bằng cách điều khiển riêng biệt các thành phần dòng điện d-q sẽ gián tiếp điều khiển được từ thông và moment.
Trong bộ điều khiển, hai phép biến đổi ngược được thực hiện: 1) Từ hệ qui chiếu d-q về α-β; 2) Từ d*-q* về a*, b*, c*.
Bộ môn Thiết bị điện
Vector - Phasor
Phasor (vector pha) dùng để đặc trưng cho sự sai lệch góc pha của các tín hiệu dạng sin.
Space vector (vector không gian): chiều dài đặc trưng cho biên độ, hướng chỉ vị trí trong không gian của mmf hay từ trường gây bởi điện áp (dòng điện) trong cuộn dây.
Bộ môn Thiết bị điện
Điều khiển vector hay định hướng trường
Động cơ không đồng bộ có thể được điều khiển bằng cách đưa về trạng thái như động cơ DC kích từ độc lập
Bộ môn Thiết bị điện
Điều khiển vector hay định hướng trường
• Với điều khiển vector:
– ids (induction motor) If (dc motor) – iqs (induction motor) Ia (dc motor) – Momen cho bởi công thức sau:
– Trong đó , là giá trị đỉnh của biến vector không
gian từ thông.
Bộ môn Thiết bị điện
Vector và Moment
-Tương đương với ψf của động cơ DC
Vector rotor từ thông rotor ψr:
-Quay với tốc độ wr + wsl = we so với stator
-Quay với tốc độ wsl so với rotor
Cả is và ψr đều quay với tốc độ we.
Khi xác lập, 2 vector này lệch nhau một góc θ hằng số
Bộ môn Thiết bị điện
Vector và Moment
Vector dòng stator is có thể được phân thành 2 thành phần:
-Thành phần isd cùng phương với ψr
-Thành phần isq vuông góc với ψr
Moment T = k(is x ψr) = k ψr isq
Hệ tọa độ quay dq
Động cơ DC: T = k(ia x ψf) = k iaψf
Bộ môn Thiết bị điện
Vector và Moment
-Thành phần isd là thành phần tạo ra từ thông
-Thành phần isq gọi là dòng moment của động cơ kđb
Khi ψr nằm trên trục d, người ta nói hệ thống được định hướng trường Hệ tọa độ quay dq
=> Ψr = Ψrd
Bộ môn Thiết bị điện
Qui đổi sang 2 pha
Việc qui đổi nhằm làm đơn giản hóa việc phân tích và điều khiển
Dòng is (màu đen) và từ thông ψr (màu xanh) trong hệ tọa độ tĩnh αβ
Dòng is (màu đen) và từ thông ψr (màu xanh) trong hệ tọa độ quay dq Bộ môn Thiết bị điện
Qui đổi sang 2 pha
• Từ thông rotor ψr = ψrd
Nếu từ thông ψr trùng với trục d
• Thành phần ψrq = 0
• Thành phần dòng stator isq vuông góc với từ thông là thành phần tạo ra moment
• Thành phần dòng stator isd cùng phương với từ thông là thành phần tạo ra từ thông rotor
Bộ môn Thiết bị điện
Các pp điều khiển động cơ
Điều khiển vô hướng
Điều khiển vector
Bộ môn Thiết bị điện
Sơ đồ điều khiển FOC
Vq
Inverse Park V α
d,q
PID
PID
+
Iq +
Vd
V β
Space Vector PWM
PWM1 PWM2 PWM3 PWM4 PWM5 PWM6
PID
α, β
Id +
3- Phase Inverter
θr
Field Weakening Controller
r
Iq
Iα
α, β
d,q
ia ib
†
ic
Id
I β
a,b,c
α, β
Park T
Clarke T
Speed Calculator
θr †: ia + ib + ic = 0
Bộ môn Thiết bị điện
Nguyên lý điều khiển vector
Bài tập: Viết các phương trình chuyển đổi trong sơ đồ trên.
Bộ môn Thiết bị điện
Sơ đồ điều khiển FOC: tiếp dòng
Bộ môn Thiết bị điện
PT động học của IM
Chú ý: L0=Lm
Bộ môn Thiết bị điện
PT động học của IM
Định hướng trường
Đặt ψrd=L0imrd với imrd là dòng từ hóa tương đương
Các phương trình điều khiển vector
Bộ môn Thiết bị điện
Sự tương đồng với ĐC DC
Ở xác lập (từ thông là hằng số), imrd=isd
PT từ trường của điều khiển vector
Bộ môn Thiết bị điện
PT moment của điều khiển vector
T = k(is x ψr)
ψrd=L0imrd
= k |is| |ψr| sinθ = kψrisq
T = kL0isqimrd
Moment tỉ lệ với dòng isq (dòng moment)
Bộ môn Thiết bị điện
PT điều khiển vector về tốc độ trượt
-Phương trình này chỉ đúng khi từ thông rotor được định hướng
-Tốc độ trượt tỉ lệ thuận với dòng moment và hằng số ksl
Bộ môn Thiết bị điện
Ứng dụng
Bộ môn Thiết bị điện
Góc từ thông λ
Góc từ thông λ là góc giữa trục α và vector từ thông rotor
Hệ qui chiếu dq quay với vận tốc ωe
-Từ thông rotor được tính từ giá trị đo của từ thông khe hở không khí và dòng stator đo được
Điều khiển vector trực tiếp (feedback):
-Từ thông rotor được ước lượng từ dòng và áp stator đo được
Bộ môn Thiết bị điện
Góc từ thông λ
Cần điều khiển dòng moment isq và dòng từ thông isd
Để tính isq và isd cần biết góc từ thông λ
Dùng cảm biến để đo từ thông khe hở không khí ψ0
Bộ môn Thiết bị điện
Góc từ thông λ
Bộ môn Thiết bị điện
RFOC trực tiếp
Từ thông rotor ước lượng từ dòng stator và từ thông khe hở không khí
Bộ môn Thiết bị điện
RFOC trực tiếp
Từ thông rotor ước lượng từ dòng stator và áp stator
Viết các phương trình liên quan ???
Bộ môn Thiết bị điện
RFOC gián tiếp (feed-forward)
Vị trí từ thông rotor được tính gián tiếp như sau
Bộ môn Thiết bị điện
RFOC gián tiếp (feed-forward)
RFOC gián tiếp và tiếp dòng
Bộ môn Thiết bị điện
RFOC gián tiếp (feed-forward)
RFOC gián tiếp và tiếp áp
Bộ môn Thiết bị điện
Vòng điều khiển
Bộ giới hạn
Field weakening (nếu wr > we )
Sai số moment isq lệnh
Sai số tốc độ moment lệnh
w Sai lệch imrd isd lệnh we
Bộ môn Thiết bị điện
Bộ điều khiển PWM và Hysteresis
Đặc điểm:
-Đơn giản, dễ thiết lập
-Nhiễu đóng ngắt (switching noise) đáng kể
-Điện áp pha thay đổi từ -E/2 tới E/2 trong khi pha khác từ E/2 tới –E/2. Điện áp dây có thể thay đổi tới 2E với dV/dt rất cao (quá điện áp,..) .
Trong thương mại sử dụng PWM tiếp áp thay vì điều khiển Hysteresis.
Bộ môn Thiết bị điện
Câu hỏi (1/2) Máy dùng pp điều khiển vector trực tiếp, isq được điều khiển thành hằng số, isd được điều khiển thành dạng xung vuông 0- 10A với chu kì 2s
Từ thông trong máy sẽ là:
d/ sóng sine
Dạng sóng moment giống dạng sóng từ thông?
a/ hằng số b/ xung vuông c/ tăng giảm theo hàm mũ
a/ Có b/ Không
Bộ môn Thiết bị điện
Câu hỏi (2/2) Máy dùng pp điều khiển vector trực tiếp, isq được điều khiển thành hằng số, isd được điều khiển thành dạng xung vuông 0- 10A với chu kì 2s
Nếu isd được điều khiển thành hằng số, isq thành dạng xung vuông, moment sẽ là:
a/ hằng số b/ xung vuông c/ tăng giảm theo hàm mũ
d/ sóng sine
Bộ môn Thiết bị điện
Bài tập (1)
2/Lr = 0.34
Một động cơ không đồng bộ, 4 cực, nối Δ có dòng tiêu thụ định mức là 10.4A và dòng không tải (dòng từ hóa) là 6.2A. Biết Lm
Tính
-Giá trị định mức của isd và isq
-Moment định mức
