Bài giảng Điều khiển số hệ thống điện cơ: Điều khiển máy điện, Động cơ điện điều khiển bộ biến tần

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Bài giảng:

ĐIỀU KHIỂN SỐ HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN / ĐỘNG CƠ ĐIỆN

ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN

Biên soạn: ThS. Trần Công Binh

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 1 NĂM 2014

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

GIỚI THIỆU MÔN HỌC 1. Tên môn học: ĐIỀU KHIỂN SỐ HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ- ĐIỀU

KHIỂN CÁC MÁY ĐIỆN / ĐỘNG CƠ ĐIỆN / BỘ BIẾN TẦN

2. Mã số: 3. Phân phối giờ: 4. Số tín chỉ: 2(2.1.5) Bài tập: 30% Kiểm tra: 20%, Thi: 50% 5. Môn tiên quyết: 6. Môn song hành: 7. Giáo trình chính: 8. Tài liệu tham khảo: [1] Trần Công Binh, “Điều khiển động cơ không đồng bộ dùng DSP TMS320LF2407A”, 11/2004.

[2] Emil Levi, High Performance Drive, Liverpool John Moores

Univerity, 2002. [3] Slobodan N.Vukosavic, “Digital Control of Electrical Drives”, Springer 2007. [4] Bimal K.Bose, “Power Electronics and Motor Drivers”, Elsevier 2006.

9. Tóm tắc nội dung:

 Phần Tiếng Việt:  Summary: Electrical Engineering 10. Đối tượng học: Sinh viên ngành Điện Năng, Hệ thống năng lượng, Kỹ thuật điện – điện tử.

2 07/01/2014

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

Chương 1:

(4T)

 Vector không gian.  Bộ nghịch lưu ba pha.

Chương 2:

CHƢƠNG TRÌNH MÔN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ - ĐIỀU KHIỂN CÁC MÁY ĐIỆN Bộ nghịch lƣu ba pha và Vector không gian

Hệ qui chiếu quay

(2T)

 Hệ qui chiếu quay.  Chuyển đổi hệ toạ độ abc    dq (Biến đổi Park).

Chương 3:

(9T)

Mô hình ĐCKĐB 3 pha (), (dq)  Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu.  Mô hình động cơ trong HTĐ stator ().  Mô hình động cơ trong HTĐ từ thông rotor (r).

Chương 4:

Điều khiển định hƣớng từ thông (FOC) ĐCKĐB

(12T)

 Điều khiển PID  Các phương pháp điều khiển vô hướng (Scalar Control).  Điều khiển độc lập moment và từ thông.  Điều khiển tiếp dòng.  Điều khiển tiếp áp.  Điều khiển FOC trực tiếp, gián tiếp.  Tính toán thiết kế bộ điều khiển FOC.  Mô phỏng điều khiển FOC.

Chương 5:

Một số phƣơng pháp ƣớc lƣợng từ thông rotor

(3T)

 Từ m và ia, ib hồi tiếp.  Từ us và ia, ib hồi tiếp.  Từ  và ia, ib hồi tiếp.  Ước lượng vị trí (góc) vector r.  Ước lượng (r) trong HTĐ dq.  Ước lượng từ thông rotor dùng khâu quan sát (observer)  Đáp ứng mô phỏng FOC.

Chương 6:

Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

(?T)

 Điều khiển dòng trong HQC (): vòng trễ và so sánh.  Điều khiển dòng trong HQC (dq).

Chương 7:

Các phƣơng pháp điều khiển dòng

(3T)

 Điều khiển dòng trong HQC (): vòng trễ và so sánh.  Điều khiển dòng trong HQC (dq).

Chương 8:

Một số phƣơng pháp ƣớc lƣợng tốc độ động cơ

(3T)

 Ước lượng vận tốc vòng hở (2 pp).  Ước lượng vận tốc vòng kín (có hồi tiếp).  Điều khiển không dùng cảm biến (sensorless).

Chương 9:

Bộ biến tần

(6T)

 Cấu trúc một hệ thống điều khiển động cơ.  Cảm biến đo lường  Một số ưu điểm khi sử dụng bộ điều khiển tốc độ động cơ  Hệ thống điều khiển số động cơ không đồng bộ ba pha  Bộ biến tần

(42 tiết)

3 07/01/2014

TB

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

Chương 1: VECTOR KHÔNG GIAN VÀ

BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA

I. Vector không gian

I.1. Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha có ba (hay bội số

của ba) cuộn dây stator bố trí trong không gian như hình vẽ sau:

usb

Pha B

stator

Pha A

usa

rotor

Pha C

usc

Hình 1.1: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCKĐB ba pha. (Ba trục của ba cuộn dây lệch nhau một góc 1200 trong không gian)

C

Ba điện áp cấp cho ba đầu dây của động cơ từ lưới ba pha hay từ bộ nghịch lưu,

(1.1)

usa(t) + usb(t) + usc(t) = 0

Trong đó:

(1.2a) (1.2b) (1.2c)

biến tần; ba điện áp này thỏa mãn phương trình:

Với s = 2fs; fs là tần số của mạch stator; |us| là biên độ của điện áp pha, có thể thay đổi.

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.1

usa(t) = |us| cos(st) usb(t) = |us| cos(st – 1200) usc(t) = |us| cos(st + 1200)

TB

(điện áp pha là các số thực)

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

Vector không gian của điện áp stator được định nghĩa như sau:

(1.3)

(mặt phẳng ba chiều với 3 vector đơn vị)

(1.4)

(tương tự như vector trong mặt phẳng phức hai chiều với 2 vector đơn vị)

với

Ví dụ 1.1: Chứng minh?

(1.6)

(1.5)



usc

s



usa

Hình 1.2: Vector không gian điện áp stator trong hệ tọa độ .

Theo hình vẽ trên, điện áp của từng pha chính là hình chiếu của vector điện áp stator lên trục của cuộn dây tương ứng. Đối với các đại lượng khác của động cơ: dòng điện stator, dòng rotor, từ thông stator và từ thông rotor đều có thể xây dựng các vector không gian tương ứng như đối với điện áp stator ở trên.

usb

I.2. Hệ tọa độ cố định stator Vector không gian điện áp stator là một vector có modul xác định (|us|) quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc s và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha A) một góc

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.2

TB

st. Đặt tên cho trục thực là  và trục ảo là , vector không gian (điện áp stator) có thể được mô tả thông qua hai giá trị thực (us) và ảo (us) là hai thành phần của vector. Hệ tọa độ này là hệ tọa độ stator cố định, gọi tắt là hệ tọa độ .

j

usc

us

Cuộn dây pha B

usb

Cuộn dây pha A



usa = us

Cuộn dây pha C

Hình 1.3: Vector không gian điện áp stator

và các điện áp pha.

Bằng cách tính hình chiếu các thành phần của vector không gian điện áp stator lên trục pha A, B (trên hình 1.3), có thể xác định các thành phần theo phương

(1.7a)

pháp hình học:

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

(1.7b)

usa = us

(1.8a)

suy ra

(1.8b)

us = usa us =

Theo phương trình (1.1), và dựa trên hình 1.3 thì chỉ cần xác định hai trong số ba điện áp pha stator là có thể tính được vector Hay từ phương trình (1.5)

(1.9)

có thể xác định ma trận chuyển đổi abc  αβ theo phương pháp đại số:

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.3

usb =

TB

(1.10)

Ví dụ 1.2: Chứng minh ma trận chuyển đổi hệ toạ độ αβ  abc?

(1.11)

Ví dụ 1.3: Chứng minh:

Bằng cách tương tự như đối với vector không gian điện áp stator, các vector không gian dòng điện stator, dòng điện rotor, từ thông stator và từ thông rotor đều có thể được biểu diễn trong hệ tọa độ stator cố định (hệ tọa độ ) như sau:

(1.12a)

= us + j us

(1.12b)

= is + j is

(1.12c)

= ir + j ir

(1.12d)

(1.12e)

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

II. Bộ nghịch lưu ba pha

II.1. Bộ nghịch lưu ba pha

I.4

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

TB

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

Biến tần ngõ vào 1 pha, nếu tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là:

Biến tần ngõ vào 3 pha, nếu tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là:

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.5

Nếu tụ lọc đủ lớn (hay khi không tải), điện áp DC sẽ được lọc phẳng. Trị điện áp DC trung bình của:

TB

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

_ Biến tần ngõ vào 1 pha :

_ Biến tần ngõ vào 3 pha : .

R

A

Udc

motor

B

C

N

n

Hình 1.4: Sơ đồ bộ nghịch lưu ba pha cân bằng gồm 6 khoá S1S6.

Ví dụ 1.4: Chứng minh các phương trình tính điện áp pha?

Phương pháp tính mạch điện:

Ví dụ 1.5: Tính điện áp các pha ở trạng thái S1, S3, S6 ON và S2, S4, S5 OFF?

A

B

UAN

UBN

N

Udc

UCN

C

n

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.6

TB

Hình 1.5: Trạng thái các khoá S1, S3, S6 ON, và S2, S4, S5 OFF (trạng thái 110).

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

II.2. Vector không gian điện áp

Đơn vị (Udc) us

usa

usb

uab ubc

k 0 1 2 3 4 5 6 7

Va Vb Vc S3 S1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1

uca usc S5 UAN UBN UCN UAB UBC UCA 0 0 -1/3 0 -2/3 0 -1/3 0 1/3 1 2/3 1 1/3 1 0 1

0 2/3 1/3 -1/3 -2/3 -1/3 1/3 0

0 -1/3 1/3 2/3 1/3 -1/3 -2/3 0

0 -1 -1 0 1 1 0 0

0 1 0 -1 -1 0 1 0

0 0 1 1 0 -1 -1 0

us

us

U U0 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7

Deg U000 0o 60 o 120 o 180 o 240 o 300 o U111

Bảng 1.1: Các điện áp thành phần tương ứng với 8 trạng thái của bộ nghịch lưu.

Ví dụ 1.6: Tính các điện áp thành phần us và us tương ứng với 8 trạng thái trong

bảng 1.1?

 Điều chế vector không gian điện áp sử dụng bộ nghịch lưu ba pha

Ví dụ 1.7: Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 110:



Hay

với



Phương pháp hình học: có hình vẽ

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.7

Khi đó các điện áp pha usa=1/3Udc, usb= 1/3Udc, usc=-2/3Udc. Phương pháp đại số: theo phương trình (1.4):

TB

U2(110)

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

Hình 1.6: Vector không gian điện áp stator

ứng với trạng thái (110).

Ở trạng thái (110), vector không gian điện áp stator pha

có độ lớn bằng

2/3Udc và có góc pha là 60o.

Ví dụ 1.8: Tìm (độ lớn và góc của) vector không gian điện áp stator

Udc

 Xét tương tự cho các trang thái còn lại, rút ra được công thức tổng quát

với k = 1, 2, 3, 4, 5, 6 = sector.

U3 (010)

U2 (110)

CCW

U0 (000)

U4 (011)

U1 (100)

U7 (111)

U5 (001)

U6 (101)

Hình 1.7: 8 vector không gian điện áp stator tương ứng với 8 trạng thái.

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.8

ứng với trạng thái (101)? (Giải theo phương pháp đại số như trên hay theo phương pháp hình học)

TB

k = 1, 2, 3, 4, 5, 6 = sector.

U0 và U7 là vector 0.

Các trường hợp xét ở trên là vector không gian điện áp pha stator.

Up3

Up2

Up0

Up1

Trục usa

Up4

Up7

Up5

Up6

Hình 1.8: Các vector không gian điện áp pha stator.

k = 1, 2, 3, 4, 5, 6 = sector.

Bằng cách điều khiển chuyển đổi trạng thái đóng cắt các khóa của bộ nghịch lưu dễ dàng điều khiển vector không gian điện áp “quay” thuận nghịch, nhanh chậm. Khi đó dạng điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu có dạng 6 bước (six step).

Hình 1.9: Các điện áp thành phần tương ứng với 6 trạng thái.

Ví dụ 1.9: Chứng minh

Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 100: Khi đó các điện áp pha usa=2/3Udc, usb= –1/3Udc, usc=-1/3Udc.

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

Phương pháp đại số: theo phương trình (1.3):

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.9

hay phương trình (1.4):

TB



Hay

với



Phương pháp hình học: có hình vẽ

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

U1(100)

Hình 1.10:

Vector không gian điện áp stator

ứng với trạng thái (100).

có độ lớn bằng

Ở trạng thái (100), vector không gian điện áp pha stator 2/3Udc và có góc pha trùng với trục pha A.

 Trong một số trường hợp, cần xét vector không gian điện áp dây của stator.

hay

với

Ví dụ 1.10:

2/3Udc

Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 100:

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.10

Khi đó các điện áp pha uab=Udc, ubc= 0, uca= -Udc. Phương pháp đại số: theo phương trình trên:

TB

Phương pháp hình học: có hình vẽ:

2/3Udc

Uline_1

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

AB

Hình 1.11:

Vector không gian điện áp dây stator

ứng với trạng thái (100).

Ở trạng thái (100), vector không gian điện áp dây stator

có độ lớn bằng

và có góc pha là 30o.

Ví dụ 1.11: Tìm (độ lớn và góc của) vector không gian điện áp stator

ứng với

? (Giải theo phương pháp đại số và phương pháp hình học)

trạng thái (110),

 Xét tương tự cho các trạng thái còn lại, rút ra được công thức tổng quát

k = 1, 2, 3, 4, 5, 6

Ud2

Ud3

Ud1

Ud0

Ud7

Trục uab

Ud4

Ud6

Ud5

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.11

TB

Hình 1.12:

Các vector không gian điện áp dây stator.

Ví dụ 1.12:

Chứng minh các vector điện áp có giá trị như sau:

 Điều chế biên độ và góc vector không gian điện áp dùng bộ nghịch lưu ba pha

U3 (010)

U2 (110)

CCW

U0 (000)



U4 (011)

U1 (100)

U7 (111)

U5 (001)

U6 (101)

Hình 1.13: Điều chế biên độ và góc vector không gian điện áp.

Để không quá điều chế, biên độ điện áp phải nằm trong

vòng tròn nội tuyến của lục giác:

hay

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.12

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

TB

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

U2 (110)

T2

us

U0 (000)



U1 (100)

T1

U7 (111)

c  1 – (a+b)



T1 = a.TPWM

T2 = b.TPWM

T0 = c.TPWM

với chu kỳ điều rộng xung: TPWM  (T1 + T2) + T0

hay T0  TPWM – (T1 + T2)

với TPWM  const

Tổng quát: us =a.Ux + b.Ux+60 + c.{U0, U7} Trong đó,  là góc giữa vector Ux và vector điện áp us.

Có thể tính theo:

hay

Bằng cách điều khiển chuyển đổi trạng thái đóng cắt các khóa của bộ nghịch lưu thông qua T1, T2 và T0, dễ dàng điều khiển độ lớn và tốc độ quay của vector không gian điện áp. Khi đó dạng điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu có dạng PWM sin.

Ví dụ 1.13:

Chứng minh

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.13

TB

Hình 1.14:

Điều chế biên độ và tần số điện áp.

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.14

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

TB

Hình 1.15:

Dạng điện áp và dòng điện PWM sin.

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.15

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

TB

Bài tập 1.1. Chứng minh:

Bài tập 1.2. Chứng minh:

Bài tập 1.3. Điện áp ba pha 380V, 50Hz. Tại thời điểm t = 6ms. Tính usa, usb, usc? Từ đó tính us , us, |us| theo định nghĩa vector không gian? Biết góc pha ban đầu của pha A là o = 0.

Bài tập 1.4. Lưới điện 3 pha 4 dây 380V. Tính Udc trung bình, Us max (trong vòng tròn nội

tiếp), Upha, Udây của biến tần: a. 1 pha. b. 3 pha.

Bài tập 1.5. Điện áp ba pha cấp cho bộ nghịch lưu là 380V, 50Hz. Tính điện áp pha lớn

nhất mà bộ nghịch lưu có thể cung cấp cho động cơ nối Y.

Bài tập 1.6. Điện áp một pha cấp cho bộ nghịch lưu là 220V, 50Hz. Tính điện áp dây lớn

nhất mà bộ nghịch lưu có thể cung cấp cho động cơ.

Bài tập 1.7. Bộ biến tần dùng ở Việt Nam, 3 pha 380V (ngõ vào). Được cấp nguồn 3 pha

380V, 50Hz. a) Tụ lọc khá nhỏ: _ Tính điện áp trung bình trên DC Link? _ Tính biên độ điện áp pha lớn nhất (chưa quá điều chế)? _ Tính điện áp hiệu dụng pha lớn nhất? _ Tính điện áp hiệu dụng dây lớn nhất? b) Tụ lọc đủ lớn: tính lại câu a).

Bài tập 1.8. Tính lại câu trên với biến tần 1 pha 220V (ngõ vào). Bài tập 1.9. Bộ biến tần như hình vẽ trên được cấp điện 3 pha có điện áp dây 380V,

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

50Hz. Giả sử tụ C1 cuộn dây L1 rất nhỏ.

a. Tính giá trị điện áp một chiều trung bình Udc_tb trên ngõ ra của bộ chỉnh lưu?

b. Tính trị hiệu dụng của điện áp dây UdRMS lớn nhất mà biến tần trên có thể như hình vẽ

Bài tập 1.10. Điện áp ba pha cấp cho bộ nghịch lưu là 380V, 50Hz. Điện áp pha bộ nghịch lưu cấp cho đồng cơ là 150V và 50Hz. Tại thời điểm t = 6ms. Tính T1, T2 và T0? Biết góc pha ban đầu o = 0 và tần số điều rộng xung là 20KHz.

Bài tập 1.11. Lập bảng và vẽ giản đồ vector các điện áp dây thành phần tương ứng với 8

trạng thái của bộ nghịch lưu.

Bài tập 1.12. Nêu các chức năng của khoá S7 và các diode ngược (mắc song song

cấp cho động cơ 3 pha nối Y (khi chưa quá điều chế, trên)?

Bài tập 1.13. Cho Udc = 309V, trạng thái các khoá như sau: S2, S3, S6: ON; và S1,

với các khoá đóng cắt S1 –S6) trong bộ nghịch lưu?

Bài tập 1.14. Khi tăng tần số điều rộng xung (PWM) của bộ nghịch lưu, đánh giá tác động của sóng hài bậc cao lên dòng điện động cơ. Phương pháp điều khiển nào có tần số PWM luôn thay đổi?

Bài tập 1.15. Biến tần (hình dưới) có thông số ngõ vào 3 pha 380Vrms, 50Hz; ngõ ra 380V, 0-400Hz, động cơ 2HP, nối , 380Vrms, 50Hz, hệ số công suất PF=0,8. Biết tụ điện C đủ lớn để lọc phẳng điện áp DC. Ngõ vào biến tần được cấp nguồn 3 pha 380Vrms, 50Hz. Ngõ ra biến tần cấp nguồn cho động cơ không đồng bộ ba pha.

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.16

S4, S5: OFF. Tính các điện áp usa, usb, usc, UAB, UBC?

TB

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

(0,5đ)

a) Tính điện áp một chiều trên tụ điện C (DC Link)? b) Tính giá trị cuộn dây choke 3 pha 3% (sụt áp trên choke bằng 3% điện áp

định mức) gắn thêm trước bộ điều khiển động cơ để lọc sóng hài? (0,5đ)

c) Tính công suất lớn nhất của động cơ nối , 220Vrms, 50Hz, PF=0,8 mà

biến tần trên có thể điều khiển được? (0,5đ)

d) Nếu động cơ nối , 220Vrms, 50Hz được đấu dây lại thành nối Y: tính công suất lớn nhất của động cơ mà biến tần trên có thể điều khiển được? Khi đó tính điện áp hiệu dụng pha và điện áp hiệu dụng dây lớn nhất mà biến tần có thể cấp cho động cơ (khi chưa quá điều chế)? (1đ)

e) Động cơ nối Y, biết trạng thái các khoá của biến tần trên như sau: S1, S4, S5: ON; và S2, S3, S6: OFF. Tính các điện áp pha của động cơ (stator) trên các hệ tọa độ abc (usa, usb, usc),  (us, us)?

f) Chương 2: Tính các điện áp pha của động cơ (stator) trên hệ tọa độ dq (usd,

Ví dụ 1.1: Chứng minh?

(1.6)

(1.5)

Ví dụ 1.2: Chứng minh ma trận chuyển đổi hệ toạ độ αβ  abc?

(1.11)

Ví dụ 1.3: Chứng minh:

Ví dụ 1.4: Chứng minh các phương trình tính điện áp pha?

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.17

(1,5đ) usq). Cho biết góc hệ toạ độ quay lúc đó là r = 270o.

TB

Ví dụ 1.5: Tính điện áp các pha ở trạng thái S1, S3, S6 ON và S2, S4, S5 OFF? Ví dụ 1.6: Tính các điện áp thành phần us và us tương ứng với 8 trạng thái trong

bảng 1.1?

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB)

Ví dụ 1.8: Tìm (độ lớn và góc của) vector không gian điện áp stator

Ví dụ 1.7: Bộ nghịch lưu ở trạng thái 110, chứng minh

Ví dụ 1.9: Chứng minh

ứng với trạng thái (101)? (Giải theo phương pháp đại số như trên hay theo phương pháp hình học)

Ví dụ 1.11: Tìm (độ lớn và góc của) vector không gian điện áp stator

ứng với

trạng thái (110),

? (Giải theo phương pháp đại số và phương pháp hình học)

Ví dụ 1.12:

Chứng minh các vector điện áp có giá trị như sau:

Ví dụ 1.13:

Chứng minh

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha

I.18

Ví dụ 1.10: Bộ nghịch lưu ở trạng thái 100, chứng minh

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Chương 2: HỆ QUI CHIẾU QUAY

I. Hệ qui chiếu quay Trong mặt phẳng của hệ tọa độ , xét thêm một hệ tọa độ thứ 2 có trục hoành d và trục tung q, hệ tọa độ thứ 2 này có chung điểm gốc và nằm lệch đi một

quay tròn quanh góc s so với hệ tọa độ stator (hệ tọa độ ). Trong đó,

gốc tọa độ chung, góc a = at + a0. Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector trong không gian tương ứng với hai hệ tọa độ này. Hình vẽ sau sẽ mô tả mối liên hệ của hai tọa độ này.

j jq

d fs

fsd

fsq

fs

a 

Hình 2.1: Chuyển hệ toạ độ cho vector không gian tọa độ dq và ngược lại.

từ hệ tọa độ  sang hệ

Từ hình 1.5 dễ dàng rút ra các công thức về mối liên hệ của hai tọa độ của

fs = fsdcosa - fsqsina (1.10a) (1.10b)

fs = fsdsina + fsqcosa

một vector ứng với hai hệ tọa độ  và dq. Hay thực hiện biến đổi đại số: Theo pt (1.9a) thì: (1.11)

(1.12)

Ví dụ 2.1: Chứng minh

và tương tự thì:

Khi thay hệ pt (1.10) vào pt (1.11) sẽ được:

(1.13)



Chương 2: Hệ qui chiếu quay

II.1

Hay (1.14)

TB

Ví dụ 2.2: Bộ biến tần được cấp nguồn vào từ nguồn ba pha 380V, 50Hz, chỉnh lưu thành điện một chiều với tụ lọc khá lớn, rồi nghịch lưu thành điện ba pha 25Hz để cấp nguồn cho động cơ với điện áp pha lớn nhất khi chưa quá điều chế. Biết góc pha A ban đầu là 0o. Tại thời điểm t = 4ms:

và usa, usb, usc, us , us?

i. Tính biên độ điện áp ii. Tính thời gian chuyển mạch T1, T2 và T0? Biết tần số điều rộng xung là 20KHz. iii. Biết góc hệ toạ độ quay lúc đó là a = 30o. Tính usd và usq?

Ví dụ 2.3: Tính fsd và fsq theo fs, fs và a.

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Thay pt (1.11) vào pt (1.14), thu được phương trình: (1.15a) (1.15b)

fsd = fscosa + fssina fsq = - fssina + fscosa

d a Cuộn dây s jq pha B

fsd

a

fsq

0 Cuộn dây

pha A

Cuộn

Hình 2.2: Hệ tọa độ quay

II.2

Chương 2: Hệ qui chiếu quay

dây pha C

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Biến đổi Park:

Chương 2: Hệ qui chiếu quay

II.3

 XÉT KHI

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

II. Biễu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor Mục này trình bày cách biểu diễn các vector không gian của động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor. Giả thiết một ĐCKĐB ba

pha đang quay với tốc độ góc (tốc độ quay của rotor so với stator đứng yên),

với  là góc hợp bởi trục rotor với trục chuẩn stator (qui định trục cuộn dây pha A, chính là trục  trong hệ tọa độ ).

d

j



Cuộn dây pha B jq r =a

is

isd

r



isq 

is 0

Cuộn dây pha A

Trục rotor

Trục từ Cuộn dây pha C

Hình 2.3: Biểu diễn vector không gian

thông rotor

trên hệ toạ độ từ thông rotor, còn gọi là

hệ toạ độ dq.

Trong hình 1.6 biểu diễn cả hai vector dòng stator và vector từ thông rotor

. Vector từ thông rotor quay với tốc độ góc (tốc độ

Chương 2: Hệ qui chiếu quay

II.4

quay của từ thông rotor so với stator đứng yên). Trong đó, fs là tần số của mạch điện stator và r là góc của trục d so với trục chuẩn stator (trục ). Độ chênh lệch giữa s và  (giả thiết số đôi cực của động cơ là p=1) sẽ tạo nên dòng điện rotor với tần số fsl, dòng điện này cũng có thể được biễu diễn dưới

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

quay với tốc độ góc sl = 2fsl, (sl = s -   r - ) so với vector

dạng vector từ thông rotor Trong mục này ta xây dựng một hệ trục tọa độ mới có hướng trục hoành và có gốc trùng với gốc của hệ (trục d) trùng với trục của vector từ thông rotor tọa độ , hệ tọa độ này được gọi là hệ tọa độ từ thông rotor, hay còn gọi là hệ tọa dq. Hệ tọa độ dq quay quanh điểm gốc chung với tốc độ góc r  s, và hợp với hệ tọa độ  một góc r. Vậy tùy theo quan sát trên hệ tọa độ nào, một vector trong không gian sẽ có một tọa độ tương ứng. Qui định chỉ số trên bên phải của ký hiệu vector để nhận biết vector đang được quan sát từ hệ tọa độ nào:  s: tọa độ  (stator coordinates).  f: tọa độ dq (field coordinates). Như trong hình 1.6, vector sẽ được viết thành:

 : vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ .

: vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ dq.

 Theo pt (1.8a) và pt (1.11) thì: (1.16a) (1.16b)

= is + j is = isd + j isq

Nếu biết được góc r thì sẽ xác định được mối liên hệ: (1.17a) (1.17b)

Theo hệ pt (???) và pt (1.17b) thì có thể tính được vector dòng stator thông

Chương 2: Hệ qui chiếu quay

II.5

qua các giá trị dòng ia và ib đo được (hình 1.7).

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Udc

Điều khiển == Nghịch lưu 3~

isd

is

r a b c

isa isb isq is 3

Hình 2.4: Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ tọa độ dq.

pt (2.…) pt (2.…) ĐC KĐB M 3~

= isd + j isq

= usd + j isq

= ird + j irq

Tương tự như đối với vector dòng stator, có thể biểu diễn các vector khác

(1.18a) (1.18b) (1.18c) (1.18d) (1.18e)

Chương 2: Hệ qui chiếu quay

II.6

=0) để đảm bảo tính khách quan trong khi quan sát. ( của ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq: Tuy nhiên, để tính được isd và isq thì phải xác định được góc r, góc r được xác định thông qua r =  + sl. Trong thực tế chỉ có  là có thể đo được, trong khi (tốc độ trượt) sl = 2fsl với fsl là tần số của mạch điện rotor (lồng sóc) không đo được. Vì vậy phương pháp điều khiển ĐCKĐB ba pha dựa trên các mô tả trên hệ tọa dộ dq bắt buột phải xây đựng phương pháp tính r chính xác. Chú ý khi xây dựng mô hình tính toán trong hệ tọa độ dq, do không thể tính tuyệt đối chính xác góc r nên vẫn giữ lại

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Trong hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq), các vector dòng stator

III. Ưu điểm của việc mô tả động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor và , cùng với hệ tọa độ dq quanh (gần) đồng bộ với nhau với vector từ thông rotor tốc độ r quanh điểm gốc, do đó các phần tử của vector (isd và isq) là các đại lượng một chiều. Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như không đổi; trong quá trình quá độ, các giá trị này có thể biến theo theo một thuật toán điều khiển đã được định trước. (trùng với Hơn nữa, trong hệ tọa độ dq, rq=0 do vuông góc với vector

trục d) nên (1.19) =rd.

Đối với ĐCKĐB 3 pha, trong hệ tọa độ dq, từ thông và mômen quay được

(1.20a)

(1.20b)

momen quay (momen điện) của động cơ điện cảm rotor hỗ cảm giữa stator và rotor số đôi cực của động cơ hằng số thời gian của rotor toán tử Laplace

isd 

(1.21a) (1.21b) isq  Te  

Chương 2: Hệ qui chiếu quay

II.7

biểu diễn theo các phần tử của vector dòng stator: (Hai phương trình trên sẽ được chứng minh trong chương sau). với: Te Lr Lm p Tr s Phương trình (1.20a) cho thấy có thể điều khiển từ thông rotor thông qua điều khiển dòng stator isd. Đặc biệt mối quan hệ giữa hai đại lượng này là mối quan hệ trễ bậc nhất với thời hằng Tr. Nếu thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng isd để điều khiển ổn tại mọi điểm làm việc của động cơ. Và thành công trong việc áp định từ thông đặt nhanh và chính xác dòng isq, và theo pt (1.20b) thì có thể coi isq là đại lượng điều khiển của momen Te của động cơ. Bằng việc mô tả ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor, không còn quan tâm đến từng dòng điện pha riêng lẻ nữa, mà là toàn bộ vector không gian dòng stator của động cơ. Khi đó vector sẽ cung cấp hai thành phần: isd để điều , isq để điều khiển momen quay Te, từ đó có thể điều khiển khiển từ thông rotor tốc độ của động cơ. Khi đó, phương pháp mô tả ĐCKĐB ba pha tương quan giống như đối với động cơ một chiều. Cho phép xây dựng hệ thống điều chỉnh truyền động ĐCKĐB

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

là isd và isq.

Bài tập 2.1. Chứng minh:

Bài tập 2.2. Cho điện áp ba pha:

ba pha tương tự như trường hợp sử dụng động cơ điện một chiều. Điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha  thông qua điều khiển hai phần tử của dòng điện

usa = 540cos(100t) (V); usb = 540cos(100t – 2/3) (V); usc = 540cos(100t – 4/3) (V);

Tại thời điểm t = 0,004giây:

Bài tập 2.3. Mô phỏng trên Matlab Simulink (7.0) các khối chuyển đổi hệ tọa độ:

abc    dq

Bài tập 2.4. Điện áp ba pha 380Vrms và tần số fs = 50Hz.

a) Tính usa, usb, usc, us , us và b) Biết góc hệ toạ độ quay lúc đó là r = s = 45o. Tính usd và usq ?

Bài tập 2.5. Bộ biến tần được cấp nguồn vào từ nguồn một pha 220V, 50Hz, chỉnh lưu thành điện một chiều với tụ lọc khá lớn, rồi nghịch lưu thành điện ba pha 60Hz để cấp nguồn cho động cơ với điện áp pha lớn nhất khi chưa quá điều chế. Biết góc pha A ban đầu là 0o. Tại thời điểm t = 2ms:

và usa, usb, usc, us , us?

iv. Tính biên độ điện áp v. Tính thời gian chuyển mạch T1, T2 và T0? Biết tần số điều rộng xung là 20KHz. vi. Biết góc hệ toạ độ quay lúc đó là a = 40o. Tính usd và usq?

Chương 2: Hệ qui chiếu quay

II.8

usa(t) = |us| cos(st) usb(t) = |us| cos(st – 2/3) usc(t) = |us| cos(st + 2/3) Với s = 2fs (rad/s) Tại thời điểm t = 4ms = 0,004s, a) Tính usa, usb, usc, us, us và biên độ điện áp t = 0.0040 usa = 96.1435 usb = 208.1846 usc = -304.3281 us_afa = 96.1435 us_bta = 295.8993 us = 311.1270

TB

vii. Tính lại các cấu trên tại thời điểm t = 5ms.

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Udc

Điều

Nghịch == khiển

lưu 3~

a b c

r

isd is 2= isa isb isq is 3

pt (2.…) pt (2.…) M ĐC KĐB

Chương 2: Hệ qui chiếu quay

II.9

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Chương 3: MÔ HÌNH ĐCKĐB TRONG HỆ QUI CHIẾU QUAY

 I. Một số khái niệm cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha

I.1. Một số qui ước ký hiệu dùng cho điều khiển ĐCKĐB ba pha Để xây dựng mô hình mô tả động cơ KĐB ba pha, ta thống nhất một số qui ước cho các ký hiệu cho các đại lượng và các thông số của động cơ.

C

Cuộn dây pha B

usb isb





rotor stator irA

Trục chuẩn

irB

isa

Cuộn dây pha A irC usa usc

isc

stator

Chương 3: Mô hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay

III.1

Cuộn dây pha C

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Hình 2.1: Mô hình đơn giản của động cơ KĐB ba pha

Hình 2.2: Mạch tương đương của động cơ KĐB ba pha

Trục chuẩn của mọi quan sát được qui ước là trục của cuộn dây pha A như hình 2.1. Mọi công thức được xây dựng sau này đều tuân theo qui ước này. Sau đây là một số các qui ước cho các ký hiệu:

 Hình thức và vị trí các chỉ số:  Chỉ số nhỏ góc phải trên: s f

đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu stator (hệ tọa độ ). đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu từ thông rotor (hệ tọa độ dq – field - flux). đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor với trục thực là trục của rotor (hình 1.6). giá trị đặt /lệnh (reference) giá trị ước lượng *, ref, e

 Chỉ số nhỏ góc phải dưới:

đại lượng của mạch stator. đại lượng của mạch rotor. o Chữ cái đầu tiên: s r o Chữ cái thứ hai:

phần tử thuộc hệ tọa độ dq. phần tử thuộc hệ tọa độ . đại lượng ba pha của stator. d, q ,  a, b, c A, B, C đại lượng ba pha của rotor, lưới.

 Hình mũi tên () trên đầu: ký hiệu vector (2 chiều).  Gạch chân (_) ở dưới: ký hiệu vector, ma trận.  Độ lớn (modul) của đại lượng: ký hiệu giữa hai dấu gạch đứng (| |).

 Các đại lượng của ĐCKĐB ba pha:

điện áp (V). dòng điện (A). từ thông (Wb). từ thông móc vòng (A.vòng). () momen điện từ (N.m).

Chương 3: Mô hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay

III.2

tốc độ góc điện của rotor so với stator (rad/s). tốc độ góc cơ của rotor so với stator (rad/s). tốc độ góc của một hệ toạ độ bất kỳ (arbitrary) (rad/s). u i   Te TL momen tải (momen cản - torque) (hay còn ký hiệu là MT) (Nm).  Ω a

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

s r sl  s r s r e r  tốc độ góc của từ thông stator so với stator (s =  + sl) (rad/s). tốc độ góc của từ thông rotor so với stator (r  s) (rad/s). tốc độ góc của từ thông rotor so với rotor (tốc độ trượt) (rad/s). góc của trục rotor (cuộn dây pha A) trong hệ toạ độ  (rad). góc của trục d (hệ toạ độ quay bất kỳ) trong hệ toạ độ  (rad). góc của trục d (hệ toạ độ quay bất kỳ) so với trục rotor (rad). góc của từ thông stator trong hệ toạ độ  (rad). góc của từ thông rotor trong hệ toạ độ  (rad). góc của từ thông rotor ước lượng (estimated) trong hệ toạ độ  (rad). góc pha giữa điện áp so với dòng điện.

 Các thông số của ĐCKĐB ba pha:

Rs Rr Lm Ls Lr P J điện trở cuộn dây pha của stator (). điện trở rotor đã qui đổi về stator (). hỗ cảm giữa stator và rotor (H). điện cảm tản của cuộn dây stator (H). điện cảm tản của cuộn dây rotor đã qui đổi về stator (H). số đôi cực của động cơ. momen quán tính cơ (Kg.m2).

 Các thông số định nghĩa thêm:

điện cảm stator. điện cảm rotor. Ls = Lm + Ls Lr = Lm + Lr

hằng số thời gian stator. Ts =

hằng số thời gian rotor. Tr =

 = 1 – hệ số từ tản tổng.

chu kỳ lấy mẫu. Tsamp  Cc đại lượng viết bằng chữ thường – chữ hoa:

Chữ thường: Chữ hoa: Đại lượng tức thời, biến thiên theo thời gian. Đại lượng là các thành phần của các vector. Đại lượng vector, module của vector, độ lớn.

Chương 3: Mô hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay

III.3

I.2. Các phương trình cơ bản của ĐCKĐB ba pha Các phương trình toán học của động cơ cần phải thể hiện rõ các đặc tính thời gian của đối tượng. Việc xây dựng mô hình ở đây không nhằm mục đích mô phỏng chính xác về mặc toán học đối tượng động cơ. Việc xây dựng mô hình ở đây chỉ nhằm mục đích phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh. Điều đó cho phép chấp nhận một số điều kiện giả định trong quá trình thiết lập mô hình, tất nhiên sẽ tạo ra một số sai lệch nhất định giữa đối tượng và mô hình trong phạm vi cho phép. Các sai lệch này phải được loại trừ bằng kỹ thuật điều chỉnh. Đặc tính động của động cơ không đồng bộ được mô tả với một hệ phương trình vi phân. Để xây dựng phương trình cho động cơ, giả định lý tưởng hóa kết cấu dây quấn và mạch từ với các giả thuyết sau:  Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng trong không gian.

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

jX’r

jXs

RFe

jXm

Mạch tương đương động cơ KĐB với tổn hao sắt từ

jX’r

jXs

jXm

Mạch tương đương của động cơ KĐB

jX’r

jXs

jXm

Mạch tương đương động cơ KĐB với dòng từ hoá

Chương 3: Mô hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay

III.4

 Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bảo hòa của mạch từ.  Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trong khe hở không khí.  Các giá trị điện trở và điện kháng xem như không đổi. Rs

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Phương trình điện áp trên 3 cuộn dây stator:

(2.1a) usa(t) = Rsisa(t) +

(2.1b) usb(t) = Rsisb(t) +

(2.1c) usc(t) = Rsisc(t) +

Biểu diễn điện áp theo dạng vector không gian:

(2.2)

Ví dụ 3.1: Chứng minh:

Chương 3: Mô hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay

III.5

Thay các phương trình điện áp pha (2.1a),(2.1b),(2.1c) vào (2.2), ta được:

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

+ (2.3) (t) = Rs.

Trong đó, tương tự như đối với điện áp:

(2.4)

(2.5)

Tương tự, ta có phương trình điện áp của mạch stotor. Khi quan sát trên hệ qui chiếu rotor (rotor ngắn mạch):

(2.6)

Ví dụ 3.2: Chứng minh:

Các vector từ thông stator và rotor quan hệ với các dòng stator và rotor:

(2.7a) CM

(2.7b) CM

(2.7b)

Ví dụ 3.3: Chứng minh: Lm= 3/2LaA?

với  

ĐCKĐB là một hệ điện cơ, có phương trình momen:

Ví dụ 3.4: Chứng minh:

(2.8)

và phương trình chuyển động:

(2.9) Te = TL + = TL +

Chương 3: Mô hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay

III.6

 Việc xây dựng các mô hình cho ĐCKĐB ba pha trong các phần sau đều phải dựa trên các phương trình cơ bản trên đây của động cơ.

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

 II. Mô hình liên tục của ĐCKĐB trên hệ tọa độ stator (toạ độ )

Ví dụ 3.5: Chứng minh: Và

Tương tự như (1.13), từ hệ quy chiếu rotor quy về hệ quy chiếu stator theo các phương trình:

(2.10) (2.11)

với , trong đó  là tốc độ quay của rotor (theo hình 2.3).

Ví dụ 3.6: Chứng minh:

Thay pt (2.10) và pt (2.11) vào pt (2.6), qui pt (2.6) về hệ quy chiếu stator:

(2.12)

Sơ đồ mạch điện tương đương của mô hình động của ĐCKĐB trong HTĐ stator

Vậy từ các pt (2.3), (2.7), (2.8), (2.9) và(2.12) ta có hệ phương trình:

+ (2.13a) = Rs.

+ - (2.13b) 0 = Rr

(2.13c)

(2.13d)

x )= - p( x ) (2.13e) Te = p(

(2.13f) Te = TL +

Để xác định dòng điện stator và từ thông rotor, từ pt (2.13d) và pt (2.13c) có:

= (2.14)

+ (2.15) = Ls.

Thay (2.14) và (2.15) vào (2.13a) và (2.13b), với các định nghĩa sau:

: hằng số thời gian stator.  Ts =

Chương 3: Mô hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay

III.7

 : hằng số thời gian rotor.

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

 : hệ số từ tản tổng.

Phương trình (2.13a) và (2.13b) trở thành:

(2.16)

(2.17)

suy ra:

(2.19)

Thay (2.19) vào (2.16):

(2.20)

(2.21)

Chuyển sang dạng các thành phần của vector trên hai trục toạ độ:

(2.22a)

(2.22b)

(2.22c)

(2.22d)

Thay pt (2.14) =

vào pt (2.13e), có:

Thay các thành phần của vector từ thông rotor và dòng stator, được: Ví dụ 3.7: Chứng minh:

Chương 3: Mô hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay

III.8

(2.24)

TB

 Mô hình toán động cơ DC Mạch tương đương của động cơ DC:

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Rư Lư 

Iư Ikt

Rkt U Ukt E = kE.kt.  k.Ikt. kt

Phương trình mạch vòng điện áp cho phần ứng của động cơ.

U = E + Ruiu + Lu

Trong đó : E = kt kkt.ikt

Phương trình cân bằng moment trên trục động cơ :

+ B Te = TL + J

Trong đó : Te = k..iu

J - Moment quán tính của hệ thống quy đổi về trục động cơ. B - Hệ số ma sát TL - Moment cản quy đổi về trục động cơ.

Ap dụng biến đổi laplace, từ các phương trình trên, có mô hình động cơ DC:



Sơ đồ khối mô hình động cơ DC:

I (s) T (s)

E (s)

III.9

Chương 3: Mô hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

 III. Mô hình của ĐCKĐB trên hệ tọa độ từ thông rotor (toạ độ dq)

Theo hệ pt (1.17), biểu diễn pt (2.3) và pt (2.6) lên hệ trục tọa độ từ thông rotor (hệ

trục dq):

+ (2.3) (t) = Rs.

(2.6)

Với

Ví dụ 3.8: Chứng minh:

+ (2.29a) = Rs + js

+ (2.29b) 0 = Rr + jsl

Sơ đồ mạch điện tương đương của mô hình động của ĐCKĐB trong HTĐ dq

Kết hợp với hai pt trên với hệ phương trình (2.7), có hệ phương trình:

+ (2.30a) = Rs + js

+ (2.30b) 0 = Rr + j(s-)

(2.30c)

(2.30d)

Chương 3: Mô hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay

III.10

Suy ra

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Thực hiện tương tự đối với việc xây dựng mô hình động cơ trên hệ tọa độ , khử

các biến và , được hệ sau:

Chuyển sang dạng các thành phần của vector trên hai trục toạ độ:

= + (2.31a) + isd + sisq +

= + (2.31b)  isqsisd+

(2.31c)

(2.31d)

nên Trong hệ tọa độ dq, rq=0 do vuông góc với vector =rd .

= + (2.32a) isd + sisq +

= + (2.32b) isqsisd

(2.32c)

= 0 (2.32d)

và

Chương 3: Mô hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay

III.11

Ví dụ 3.9: Chứng minh:

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Ví dụ 3.10: Chứng minh:

Phương trình moment:

(2.33) Thay

(2.34) Vào:

(2.35) có

(2.36) với tốc độ trượt: sl = r –  =

Ví dụ 3.11: Chứng minh:

Ví dụ 3.12:

hay (2.37) Te = TL + = Te - TL

Trong hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq), các vector dòng stator

nên =rd.

Đối với ĐCKĐB 3 pha, trong hệ tọa độ dq, từ thông và mômen quay được

Chương 3: Mô hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay

III.12

và , cùng với hệ tọa độ dq quanh (gần) đồng bộ với nhau với vector từ thông rotor (isd và isq) là các đại tốc độ s quanh điểm gốc, do đó các phần tử của vector lượng một chiều. Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như không đổi; trong quá trình quá độ, các giá trị này có thể biến theo theo một thuật toán điều khiển đã được định trước. Hơn nữa, trong hệ tọa độ dq, rq=0 do vuông góc với vector biểu diễn theo các phần tử của vector dòng stator:

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Phương trình trên cho thấy có thể điều khiển từ thông rotor

isd 

isq  Te   () ()

là isd và isq.

(Hai phương trình trên được trình bày tựa theo phương trình (2.34c) và phương trình (2.34d) trong chương II). thông qua điều khiển dòng stator isd. Đặc biệt mối quan hệ giữa hai đại lượng này là mối quan hệ trễ bậc nhất với thời hằng Tr. Nếu thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng isd để điều khiển ổn định từ thông tại mọi điểm làm việc của động cơ. Và thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng isq, và theo pt (1.20b) thì có thể coi isq là đại lượng điều khiển của momen Te của động cơ. Bằng việc mô tả ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor, không còn quan tâm đến từng dòng điện pha riêng lẻ nữa, mà là toàn bộ vector không gian dòng stator của động cơ. Khi đó vector sẽ cung cấp hai thành phần: isd để điều khiển từ thông rotor , isq để điều khiển momen quay Te, từ đó có thể điều khiển tốc độ của động cơ. Khi đó, phương pháp mô tả ĐCKĐB ba pha tương quan giống như đối với động cơ một chiều. Cho phép xây dựng hệ thống điều chỉnh truyền động ĐCKĐB ba pha tương tự như trường hợp sử dụng động cơ điện một chiều. Điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha  thông qua điều khiển hai phần tử của dòng điện Ưu điểm khi của mô hình của ĐCKĐB trong HTĐ dq so với HTĐ :

và momen Te (tốc độ ).

Chương 3: Mô hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay

III.13

1. Các đại lượng không biến thiên dạng sin theo thời gian. 2. Hệ phương trình đơn giản hơn (rq=0). 3. Phân ly điều khiển từ thông rotor 4. Gần giống với điều khiển động cơ một chiều.

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

x )= - P( x )= P( x ) ??? (2.8) Te = P(

Bài tập 3.1. Nêu ý nghĩa của việc điều khiển từ thông trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha?

Bài tập 3.3. Từ pt:

Bài tập 3.2. Nêu‎ nghĩa của phương pháp điều khiển V/f = const trong khiển khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha. Nhận xét khi vận hành động cơ trên tần số định mức với biến tần V/f = const? Biết biến tần bị giới hạn điện áp ngõ ra luôn nhỏ hơn định mức?

+ và (t) = Rs.

Bài tập 3.4. Vẽ sơ đồ khối động cơ trong HTĐ  Bài tập 3.5. Vẽ sơ đồ khối động cơ trong HTĐ dq

Bài tập 3.6. CM:

Bài tập 3.7. CM: Chứng minh:

CM:

Bài tập 3.8. Cho động cơ 3 pha nối Y, có giá trị định mức: Te=2,5Nm, IsRMS=2,11A (biết trị biên độ isdm=1.87A, isqm=2.33A). Động cơ này được cấp nguồn từ biến tần ở chế độ điều khiển định hướng trường. Khi khởi động động cơ với từ thông rotor đạt định mức và không đổi, dòng khởi động bằng 1,65 lần dòng định mức; tính trị biên độ isd, isq và moment lúc khởi động?

Bài tập 3.9. Cho động cơ không đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ có ghi: 2 cực, nối Y, 380V, 50Hz, Iđm=5,5A, Mcơ_đm=7,75Nm. Thông qua các thí nghiệm đo đạt, xác định được thông số động cơ (đã quy về stator) như sau: Rs=4, Rr=4, Ls=0,01H, Lr=0,01H, Lm=0,19H. Động cơ được điều khiển bằng bộ biến tần theo phương pháp định hướng từ thông rotor, đang vận hành ở chế độ định mức (isd_đm < isq_đm). Trong hệ tọa độ từ thông rotor:

Chương 3: Mô hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay

III.14

a) Tính dòng điện isd_đm và isq_đm? Tính từ thông móc vòng rotor |r|? b) Với từ thông như câu a). Tính dòng điện khi moment tải còn 50%?

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

c) Lúc khởi động động cơ, biết từ thông đạt định mức, moment bằng 2 lần

moment định mức. Tính dòng điện khởi động? So sánh với dòng định mức?

Bài tập 3.10. Một động cơ không đồng bộ có các thông số (quy về stator) như sau:

Rs = 10, Rr = 6,3, Ls = Lr = 0,04H, Lm = 0,4H.

Động cơ 3 pha, 4 cực, cuộn dây stator nối Y, 50Hz, 380V, 1400rpm. Tính dòng điện định mức isdn, isqn, từ thông định mức r n và dòng điện định mức Isn? Bài tập 3.11. Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

dùng bộ biến tần cài đặt ở chế độ điều khiển định hướng từ thông rotor: a) Khi điều khiển động cơ đạt từ thông rotor ổn định, viết phương trình

(0,5 đ)

chứng tỏ: i) Biên độ từ thông rotor |r| có thể được điều khiển qua isd ? ii) Moment cơ của động cơ Mcơ có thể được điều khiển qua isq ?

(1,5 đ) b) Biết động cơ ba pha nối Y, có giá trị định mức: Mcơ_đm =3,73Nm, Isđm_RMS =2,69A (với trị biên độ isd_đm =1,79A, isq_đm =3,35A). Khi khởi động, động cơ đạt từ thông rotor định mức và không đổi, và dòng khởi động được cài đặt bằng 1,5 lần dòng định mức: tính trị biên độ dòng điện khởi động isd_kđ, isq_kđ và moment khởi động Mcơ_kđ? Nhận xét?

Chương 3: Mô hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay

III.15

c) Biến tần đang điều khiển động cơ trên vận hành với từ thông rotor định mức. Lúc động cơ kéo tải có moment bằng 150% định mức, tính dòng điện hiệu dụng của động cơ? (1 đ)

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Chương 4: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ĐCKĐB (FOC)

I. Hiệu chỉnh PID (PID CONTROL)

e(t)

c(t) u(t) r(t) PID Đối tượng điều khiển

Phương trình vi phân mô tả hiệu chỉnh PID:

u(t) = KP e(t) + KI + KD

KP: hệ số khâu tỉ lệ. KI: hệ số khâu tích phân. KD:hệ số khâu vi phân.

Biến đổi Laplace:

trong đó:

Vấn đề thiết kế là cần hiệu chỉnh các giá trị K , K và K sao cho hệ thỏa đạt

được chất lượng tối ưu.

Thủ tục hiệu chỉnh PID

Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây ra vọt lố và trong một số trường hợp là không chấp nhận được đối với mạch động lực.

Khâu tích phân tỉ lệ (PI) có mặt trong hệ thống dẫn đến sai lệch tĩnh triệt tiêu (hệ vô sai). Muốn tăng độ chính xác của hệ thống ta phải tăng hệ số khuyếch đại, xong với mọi hệ thống thực đều bị hạn chế và sự có mặt của khâu PI là bắt buộc.

Sự có mặt của khâu vi phân tỉ lệ (PD) làm giảm độ vọt lố, đáp ứng ra bớt nhấp nhô và hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn.

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.1

Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID) kết hợp những ưu điểm của khâu PD và khâu PI, có khả năng tăng độ dự trữ pha ở tần số cắt, khử chậm pha. Sự có mặt của khâu PID có thể dẫn đến sự dao động của hệ do đáp ứng quá độ bị vọt lố bởi hàm dirac (t). Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp dưới dạng thiết bị điều khiển hay thuật toán phần mềm.

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Tóm tắt Vai trò của mỗi khâu hiệu chỉnh (adjustment) trong bộ điều khiển PID:

Khâu khuếch đại tỉ lệ Kp (Proportional gain): Khi Kp tăng Sai số xác lập giảm Vọt lố tăng Thời gian lên nhanh

Khâu tích phân tỉ lệ Ki (Integral gain): Khi Ki tăng Sai lệch tĩnh giảm (triệt tiêu - vô sai với hàm nấc) Thời gian đáp ứng chậm

Khâu vi phân tỉ lệ Kd (Derivative gain): Khi Kd tăng Vọt lố giảm Thời gian đáp ứng nhanh Bớt nhấp nhô (dao động)

Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID

Đáp ứng bước hàm bước 1(t)

PID vôùi hai khaâu setpoint weighting vaø anti-windup

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.2

Boä PID vôùi hai khaâu setpoint weighting vaø anti-windup laø moät boä PID coù  öùng duïng toång quaùt, trong ñoù tín hieäu ñieàu khieån (tín hieäu ra cuûa boä PID) coù theå ñöôïc toång hôïp bôûi sai soá cuûa 2 tín hieäu - cung caáp bôûi 2 ñoái töôïng khaùc nhau (ñoái töôïng ñöôïc ñieàu khieån vaø ñoái töôïng cung caáp tín hieäu ñaët). Boä PID caûi thieän ñaùp öùng quaù ñoä ( giaûm ñoä voït loá, giaûm thôøi gian quaù ñoä vaø giaûm sai soá xaùc laäp). - Neáu giaù trò ngoõ ra cuûa boä PID lôùn hôn so vôùi giaù trò baõo hoøa (moät giaù trò ñònh möùc ta ñònh cho heä thoáng), noù seõ ñöôïc giaûm xuoáng moät caùch nhanh choùng nhôø khaâu anti-windup. Khaâu anti-windup laø moät khaâu tæ leä vôùi giaù trò ñoä lôïi = 1/ Tt, trong ñoù giaù trò Tt >=1. - Neáu tín hieäu ñaët laø tín hieäu töø moät ñoái töôïng khaùc cung caáp, coù giaù trò raát beù, (hoaëc raát lôùn) noù seõ ñöôïc taêng leân (hoaëc giaûm xuoáng) nhôø khaâu setpoint

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Heä phöông trình moâ taû cho boä PID

weighting maø thöïc chaát laø moät khaâu tæ leä vôùi ñoä lôïi b. Ñieàu naøy nhaèm taêng toác ñoä phaûn öùng trong quaù trình tæ leä.  Tín hieäu ngoõ ra cuûa boä PID laø toå hôïp cuûa 3 löôïng P, I, D: P=K*(b*ysp-y)

(4.3)

u=P+I+D v=sat(P+I+D) ysp y B K K/Ti KTd u v : giaù trò ñaët. : giaù trò thöïc cuûa heä thoáng. : ñoä lôïi cuûa khaâu weighting. : haèng soá cuûa thaønh phaàn khuyeách ñaïi tæ leä. : haèng soá cuûa thaønh phaàn tích phaân. : haèng soá cuûa thaønh phaàn vi phaân. : tín hieäu ñaàu ra cuûa boä PID. : giaù trò qua khaâu baõo hoøa cuûa u.

Trong ñoù

Hình: Moâ phoûng PID vôùi anti-windup and setpoint weighting.

 Moâ phoûng boä PID trong heä thoáng ñieàu khieån ñoäng cô khoâng ñoàng boä Boä PID ñöôïc moâ phoûng khoâng coù thaønh phaàn vi phaân D, cho Td=0, N=1000, luùc

ñoù haøm truyeàn cuûa boä PID chæ ñôn giaûn laø :

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.3

Giaù trò ñoä lôïi khaâu weighting b=1

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Caùc thoâng soá khaùc cuûa boä PID (K, Tt, Ti, N) ñöôïc xaùc ñònh thoâng qua moät quaù trình thaêm doø phöùc taïp ta khoâng xeùt ñeán ôû ñaây, trong quaù trình moâ phoûng seõ chaáp nhaän caùc giaù trò naøy nhö laø ñöôïc cung caáp. Giaù trò ngoõ vaøo boä PID laø sai soá giöõa vaän toác leänh (w*) vaø vaän toác thöïc w Giaù trò ngoõ ra cuûa boä PID laø momen ñieän töø leänh. Phöông trình lieân heä giöõa sai soá vaän toác ngoõ vaøo vaø momen ñieän töø leänh ngoõ ra laø

Nhö vaäy vieäc ta caáp vaän toác leänh cho boä ñieàu khieån cuõng töông ñöông vôùi

vieäc caáp momen leänh.

Hình: Giao dieän nhaäp thoâng soá cuûa boä PID.

PI rời rạc:

e(k)

c(k) u(k) r(k)

Đối tượng điều khiển

PID SỐ

u(k)=u (k)+u (k) u (k)=K .e(k) u (k)= u (k-1)+K .T.e(k) = u (k-1)+ . e(k)

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.4

Trong đó:T là tần số lấy mẫu

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

/*Khau PI*/

void PID_Control(void) {

/* tinh sai so toc do hoi tiep ve*/ /* hieu chinh khau ti le (P)*/ /* hieu chinh khau tich phan (I)*/ ss_n = n_dat - RPM; Up = Kp * ss_n; Ui = Ui + Ki * Tsamp * ss_n; U_pt = Up + Ui;

/*Gioi han dien ap >= 0*/ U_pt= 0; /*Gioi han dien ap <= 1.0*/ if( U_pt < 0) if( U_pt> 1.0) U_pt = 1.0;

/*Do Rong Xung tich cuc muc cao */

DRX = (int)(U_pt*(float)T1PR); T1CMPR = T1PR - DRX; CMPR1 = T1PR - DRX;

}

PID số (Phương pháp 1):

Rời rạc hóa:

Trong đó:T là tần số lấy mẫu.hiể

Rời rạc hóa _ Phương pháp gần đúng (khâu I):

PID số (Phương pháp 2):

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.5

Đạo hàm 2 vế:

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Hay:

Điều khiển tốc độ động cơ DC:

Rư Lư 

Iư

Ikt Rkt U Ukt kt

E = kE.kt.  k.Ikt.

DCM

TON

L N

C

T

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.6

TB

ndat

PIDtốc độ

Động cơ

 Nếu n > ndat thì e < 0. PID sẽ điều khiển GIẢM u để n giảm bớt.  Nếu n < ndat thì e > 0. PID sẽ điều khiển TĂNG u để n tăng thêm.  Nếu n  ndat thì e  0. PID sẽ GIỮ NGUYÊN u để n ỔN ĐỊNH.

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

=(int)(((long)(N_ref - N_sensor)*255)/3000);

// Tốc độ cao nhất của động cơ là 3000, quy đổi là *255/3000 // để ek < 255 (số 8 bit chứa giá trị tối đa là 255).

= (ek - ek_1)*Kp; = ek*Ki; = (ek-2*ek_1+ek_2)*Kd;

= (Proportional + Integral + Differential); = uk_1 + PID_D; // uk phải là số interger (số 16 bit)

= uk; = ek_1; = ek;

= 0; // Không có giá trị (điện áp) âm

= 255; // Giá trị lớn nhất là 255 (số 8bit)

void PID(void) { // -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ek

Proportional Integral Differential PID_D uk // -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- uk_1 ek_2 ek_1 // -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- if(uk < 0) uk if(uk > 255) uk // -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- duty_cycle = uk /Umax * T_PWM; }

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.7

Một số đáp ứng của hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.8

Đáp ứng bước Vọt lố Dao động

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

II. Phương pháp điều khiển V/f

V/f=const

V, T V, T

Vđm Vđm

Tđm Te Tđm Te TL

Rs*Ili Rs*Ili f f

Tải moment hằng số

Tải moment thay đổi theo tốc độ

(Bơm, quạt,…)

(Thang máy, cần cẩu, băng chuyền)

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.9

fđm fđm

TB

Tải moment hằng số phải dùng biến tần lớn hơn 1 cấp so với tải moment biến đổi.

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.10

III. Điều khiển tiếp dòng - điều khiển moment, từ thông Điều khiển định hướng từ thông rotor (Field Oriental Control - FOC)

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

IV. Điều khiển tiếp áp - điều khiển dòng điện trong HQC quay

Điều khiển dòng điện động cơ (hồi tiếp) bằng dòng điện lệnh (đặt) bằng cách điều chỉnh điện áp đầu ra (tiếp áp). ed, eq =???

V. Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC)

V.1. Mô hình động cơ KĐB 3 pha

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.11

 =???

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

r , Te , r=???

V.2. Điều khiển trực tiếp Điều khiển trực tiếp từ giá trị hồi tiếp đo về: Điều khiển tiếp dòng:

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.12

r , Te , r=???

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Điều khiển trực tiếp từ giá trị hồi tiếp - tiếp áp:

ed, eq =???

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.13

ed, eq =???

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Điều khiển trực tiếp từ giá trị đặt - tiếp áp:

V.3. Điều khiển gián tiếp

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.14

Điều khiển gián tiếp từ giá trị đặt - tiếp dòng:

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

ids , iqs , sl =???

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.15

K1 , K2 =??? , mech =???

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

r =???

V.4. Điều khiển trực tiếp - tiếp áp

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.16

Cấu trúc của hệ thống điều khiển định hướng trường định hướng trường (Field Oriented Control -FOC) trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha được trình bày trong hình vẽ sau:

TB

ĐCid

–

MTu

MTi

BBĐ

Động cơ

–

ĐCiq MTu

MTu

CTĐi

ĐC

–

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Hình 4.1: Cấu trúc của hệ thống điều khiển ĐCKĐB ba pha dùng FOC

Bằng việc mô tả ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor, vector

sẽ , isq để điều khiển

chia thành hai thành phần: isd để điều khiển từ thông rotor momen quay Te, từ đó có thể điều khiển tốc độ của động cơ. isd  isq  Te   (4.1a) (4.1b)

V.4.1. Xây dựng thuật toán điều khiển Giải thuật của từng khối trong hệ thống điều khiển định hướng trường (hình 4.1) được trình bày như sau:

Mạng tính dòng (MTi)

(4.2a)

(4.2b)

Mạng tính áp (MTu)

(4.3a)

(4.3b)

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.17

Trong đó,

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Tính góc r

(4.4)

Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện (CTĐi)

(4.5a) is = isa

(4.5b) is =

(4.6a) (4.6b) isd = iscosr + issinr isq = - issinr + iscosr

Bộ biến đổi (BBĐ)

(4.7a) (4.7b)

(4.8a) o Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện (CTĐi) us = usdcosr – usqsinr us = usdsinr + usqcosr o Bộ biến đổi điện áp (bộ điều chế vector không gian) usa = us

(4.8b)

(4.8c) usc = – usa – usb

Khâu điều chế tốc độ quay (ĐC) Là khâu hiệu chỉnh PI:

(4.9)

Các khâu điều chế dòng (DCid và DCiq)

o Khâu điều chế dòng isd (DCid)

(4.10)

o Khâu điều chế dòng isq (DCiq)

(4.11)

(4.12) Chú ý: Xét trong hệ tọa độ từ thông rotor nên ,

Các thông số KP và KI trong các bộ điều khiển PI được hiệu chỉnh sao cho hệ thống đạt tới đáp ứng tốt nhất.

Hệ thống ổn định.

Sai số xác lập của tốc độ nhỏ, sai số xác lập của từ thông rotor lớn.

Thời gian đáp ứng của hệ thống tương đối nhanh.

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.18

V.4.2. Đánh giá đáp ứng của thuật toán điều khiển FOC

TB

Momen tải không tác động nhiều đến đáp ứng của tốc độ, và đáp ứng của từ

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

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 điện làm việc; dòng khởi động tăng lên

thông rotor.

khi có sai số mô hình.

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.19

VI. Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển gián tiếp ĐCKĐB theo phương pháp định hướng từ thông rotor

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Ví dụ 1: Một động cơ 3 pha, 4 cực, nối Y, 380V, 50Hz, 2,1A, 5,07Nm, J = 0,1kgm2. Rs = 10, Rr = 6,3, Xs = 13,5, Xr = 12,6, Xm = 132. Khi vận hành ở định mức: Tính (biên độ) isd, isq, r, Ωsl và tốc độ Ωcơ, n? Tính K1, K2, KP, KI? Biết chu kỳ xử lý của bộ điều khiển là 50s.

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.20

(Chú ý, khi vận hành ở công suất định mức: isdn < isqn )

TB

jX’r

jXs

RFe

jXm

Mạch tương đương động cơ KĐB với tổn hao sắt từ

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Từ thông không đổi, 



Mà Khi biết momen điện Te và dòng điện Is, Từ 2 phương trình trên tính được isd và isq và r.

Chú ý: khi động cơ vận hành ở định mức, thì isd thường nhỏ hơn isq. Thông thường isd bằng 40-60% Is định mức.

Và tính được .

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.21

Từ đó tính được tốc độ góc trựơt cơ: và tính được tốc độ động cơ.

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Từ thông không đổi:



Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.22

 vì

TB

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.23

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

TB

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.24

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.25

Chú ý:

TB

L N

L1 L2 L3

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Bộ ử l

FOC

SCI

ADC

Bộ điều khiển

PWM

I/O

QEP ADC

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.26

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Với

Với Tdom = J/P và  = Tdelay = chu kỳ xử lý ( tổng thời gian trễ).



Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.27

Thêm khâu smooth:

TB

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.28

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Ket qua _________________________________________________________ a) id = 2.055533 A a) iq = 2.143545 A a) PHIr = 0.863671 Wb.vong b) Ωsl = 14.273492 rad/s b) Ωco = 149.942887 rad/s b) n = 1431.849098 RPM c) K1 = 0.422790 c) K2 = 6.658826 c) KP = 500.000000 c) KI = 2500000.000000 Điều khiển trực tiếp từ giá trị hồi tiếp:

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.29

Điều khiển gián tiếp từ giá trị đặt:

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.30

Tính tất cả các giá trị cần thiết để điều khiển gián tiếp từ thông rotor, được minh họa trong ví dụ 1 này. Động cơ KĐB 3 pha 4 cực, nối Y, rotor lồng sóc, các thông số ở 50Hz là: Rs = 10, Rr = 6,3, Xs = 13,5, Xr = 12,6, Xm = 132. Dòng điện định mức là 2.1A ở 380V. Điều khiển gián tiếp định hướng từ thông rotor (FOC) động cơ KĐB trên. Bộ điều khiển dòng cần tính toán từ giá trị dòng điện đo về và giá trị dòng điện đặt. Tốc độ động cơ được điều khiển từ 0 đến tốc độ định mức. Từ thông không đổi và bằng giá trị từ thông định mức. Moment định mức là 5.07Nm và moment quán tính là 0.1 kgm2. Vì vậy cần tính dòng điện định mức isdn, isqn từ moment định mức Ten, tính từ thông định mức r n và tính vận tốc góc định mức sln? (Chú ý, khi vận hành ở công suất định mức: isdn < isqn )

TB

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.31

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

jX’r

jXs

jXm

Rotor quy về stator

Stator với dòng từ hoá

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.32

Ví dụ 2: Một động cơ không đồng bộ có các thông số (đã quy về stator) như sau: Rs = 10, Rr = 6,3, Ls = Lr = 0,04H, Lm = 0,4H. Động cơ 3 pha, 4 cực, cuộn dây stator nối Y, 50Hz, 380V, 1400rpm. Tính dòng điện định mức isdn, isqn, từ thông định mức r n và dòng điện định mức Isn? Tính K1, K2, Kp, Ti? Biết chu kỳ xử lý của bộ điều khiển là 50s, moment quán tính của động cơ là 0.5 kgm2. Tính tốc độ đồng bộ Ωs, ns, tốc độ trượt Ωsl, độ trượt s? Tính moment định mức? _ Để động cơ khởi động với moment gấp đôi moment định mức, tính dòng điện khởi động khi dùng biến tần FOC? _ Cài dòng khởi động gấp 1,5 dòng định mức, tính moment định mức khi dùng biến tần FOC?

TB

jXs

jX’r

jXm

Mạch tương đương động cơ KĐB với dòng từ hoá

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

=P. Ωsl



Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.33

 vì

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Hay với Tdom = J/P và  = Tdelay = chu kỳ xử lý ( tổng thời gian trễ).

a) Is = 2.509587 b) Te = 6.401969 c) id = 2.002982 c) iq = 2.929867 c) PHIr = 0.801193

d) K1 = 0.457651 d) K2 = 7.148431 e) Kp = 2500.000000 e) Ki = 12500000.000000 e) Ti = 0.000200

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.34

TB

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.35

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

TB

Bài tập 4.1. Khi điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha, bộ biến tần có chế độ

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

a. Nêu‎ nghĩa của chế độ khiển khiển này? b. Động cơ ba pha, nối Y 380V, 50Hz được cấp nguồn từ bộ biến tần 380V, 50Hz. Khi động cơ chạy trên tốc độ định mức, đại lượng nào sẽ bị suy giảm so với giá định mức (xét cho điện áp stator, dòng điện stator, độ lớn từ thông rotor, tốc độ và moment)?

Bài tập 4.2. Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng bộ biến tần cài đặt ở chế độ điều khiển định hướng từ thông rotor: a. Khi biến tần điều khiển động cơ đạt từ thông rotor ổn định, viết phương

trình chứng tỏ: i) Biên độ từ thông rotor |r| có thể được điều khiển qua isd ? ii) Moment cơ của động cơ Mcơ có thể được điều khiển qua isq ?

ii) Gia tốc động cơ có thể được điều khiển qua isq ?

b. Động cơ ba pha nối Y, có giá trị định mức: Mcơ_đm =2,5Nm, Isđm_RMS=2,11A (với trị biên độ isd_đm =1.87A, isq_đm =2.33A). Khi khởi động, động cơ đạt từ thông rotor định mức và không đổi, và dòng khởi động bằng 2 lần dòng định mức: tính trị biên độ isd_kđ, isq_kđ và moment Mcơ_kđ? Tính tỷ lệ Mcơ_kđ/Mcơ_đm?

Bài tập 4.3. Động cơ có các thông số (quy về stator như hình vẽ sau) như sau: Rs=0,105, Rr=0,081, Ls=0,58mH, Lr=0,87mH, Lm= 13,7mH (bỏ qua tổn hao sắt từ).

Rr Lr L is

us Lm

a) Tính dòng điện định mức Is? b) Tính moment điện từ định mức Te? c) Tính từ thông định mức r? d) Tính các hệ số K1, K2 ? e) Tính các hệ số hiệu chỉnh của bộ điều khiển PI (như hình vẽ) là Kp và

Bài tập 4.4. Cho động cơ không đồng bộ ba pha, 4 cực, 380V, 50Hz, nối Y, 2,1A, moment quán tính 0.2 kgm2. Moment định mức là 4,** Nm (với ** là 2 số cuối của mã số sinh viên). Động cơ có các thông số: Rs = 10, Rr = 6,3, Ls =

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.36

Ki? Biết chu kỳ xử lý là 50s.

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

0,043H, Lr = 0,04H, Lm = 0,42H. Trong hệ tọa độ từ thông rotor, khi động cơ vận hành ở định mức, tính:

a) Dòng điện isd và isq ? (Biết ở định mức, isd < isq). b) Độ lớn từ thông rotor |r| ? c) Tốc độ trượt sl và tốc độ động cơ n ? d) Hệ số K1, K2 như hình vẽ? e) Tính các hệ số hiệu chỉnh của bộ điều khiển PI (như hình vẽ) là Kp và Ki? Biết chu kỳ xử lý là 50s.

Bài tập 4.5. Một động cơ không đồng bộ có các thông số (tất cả quy về stator) như

sau: Rs = 10, Rr = 6,3, Ls = 0,043H, Lr = 0,04H, Lm = 0,42H.

Bài tập 4.6. Cho động cơ không đồng bộ ba pha, 4 cực, 380V, 50Hz, nối Y, 2,1A. Moment định mức là 4,** Nm (với ** là 2 số cuối của mã số sinh viên). Trong hệ tọa độ từ thông rotor, khi động cơ vận hành ở định mức, tính:

Động cơ 3 pha, 4 cực, cuộn dây stator nối Y, 50Hz, 380V, 1400rpm. Tính dòng điện định mức Isn, dòng điện định mức isdn, isqn, từ thông định mức r n và moment định mức Ten? Tính K1, K2, Kp, Ti? Biết chu kỳ xử lý của bộ điều khiển là 50s, moment quán tính là 0.5 kgm2.

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.37

a) Dòng điện isd và isq ? (Biết ở định mức, isd < isq). b) Độ lớn từ thông rotor |r| ? c) Tốc độ trượt sl và tốc độ động cơ n ? d) Hệ số K1, K2 như hình vẽ? Cho biết động cơ có các thông số: Rs = 10, Rr = 6,3, Ls = 0,043H, Lr = 0,04H, Lm = 0,42H.

TB

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.38

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Bài tập 4.1. Điện áp ba pha cấp cho bộ nghịch lưu là 380V, 50Hz. Điện áp pha bộ

nghịch lưu cấp cho đồng cơ là 150V và 50Hz. Tại thời điểm t = 4ms. a) Tính usa, usb, usc, us và us, |us|? Biết góc pha điện áp ban đầu uo = 0o. b) Tính T1, T2 và T0? Biết tần số điều rộng xung là 20KHz. c) Tính usd và usq? Biết góc hệ toạ độ quay lúc đó là r = s = 45o.

Bài tập 4.2. Cho động cơ không đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ có ghi: 2 cực, nối Y, 380V, 50Hz, Iđm=2,9A. Thông số của động cơ (đã quy về stator) như sau: Rs=9, Rr=5, Xs=12, Xr=12, Xm=140. Động cơ vận hành ở định mức. Góc pha dòng điện ban đầu io = 0o, tại thời điểm t = 4ms:

a) Tính isa, isb, isc, is và is, |is|? b) Tính isd và isq? Biết góc hệ toạ độ quay lúc đó là r = s = 15o. c) Tính độ lớn từ thông móc vòng rotor |r|? d) Tính moment Te = Mcơ của động cơ? e) Tính tốc độ trượt Ωsl (rad/s) và độ trượt sđm của động cơ? f) Tính tốc độ Ω (rad.s) và n (vòng/phút) của động cơ?

Bài tập 4.3. Khởi động động cơ dùng biến tần điều khiển theo phương pháp FOC. Biết động cơ luôn đạt từ thông rotor định mức và không đổi lúc khởi động (isd_kđ = isd_đm). Biết động cơ 3 pha nối Y, có các thông số định mức: Mcơ_đm= 4Nm, Iđm_RMS=2,9A (trong đó, trị biên độ isd_đm =1.75A, isq_đm =3.70A).

a) Tính độ lớn từ thông móc vòng rotor |r|? Biết Xm=140 ở 50Hz. b) Nếu cài đặt dòng khởi động bằng Ikđ=1,5 lần dòng định mức Iđm, tính trị biên độ

isq_kđ và moment khởi động Mcơ_kđ? Nhận xét tỷ lệ Mcơ_kđ/Mcơ_đm?

Bài tập 4.4. Cho động cơ không đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ có ghi: 2 cực, nối Y, 380V, 50Hz, Iđm=2,9A, Mcơ_đm=4Nm. Thông qua các thí nghiệm đo đạt, xác định được thông số động cơ (đã quy về stator) như sau: Rs=9, Rr=5, Xs=12, Xr=12, Xm=140. Động cơ được điều khiển bằng bộ biến tần theo phương pháp định hướng từ thông rotor, đang vận hành ở chế độ định mức (isd_đm < isq_đm). Trong hệ tọa độ từ thông rotor:

a) Tính dòng điện isd_đm và isq_đm? b) Tính độ lớn từ thông móc vòng rotor |r|? c) Tốc độ trượt Ωsl (rad/s), và tốc độ n_đm (vòng/phút) định mức của động cơ

trên?

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.39

Bài tập 4.5. Cho động cơ không đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ có ghi: 2 cực (1 cặp cực), nối Y, 380V, 50Hz, Iđm=3A, Mcơ_đm=4Nm. Động cơ có thông số (đã

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

quy về stator) như sau: Rs=10, Rr=5, Xs=12, Xr=12, Xm=130. Động cơ được điều khiển bằng bộ biến tần theo phương pháp định hướng từ thông rotor (FOC), đang vận hành ở chế độ định mức (isd_đm < isq_đm). Trong hệ tọa độ từ thông rotor:

(2 đ) (1 đ)

(1 đ)

a) Tính dòng điện isd_đm và isq_đm? b) Tính từ thông móc vòng rotor |r|? c) Tính tốc độ trượt Ωsl (rad/s và vòng/phút)? d) Khi khởi động dùng biến tần ở chế độ FOC, động cơ luôn đạt từ thông rotor

bằng định mức (isd_kđ =isd_đm). Biết động cơ khởi động với Mcơ_kđ =2Mcơ_đm =8Nm, (1 đ) tính dòng khởi động của động cơ Ikđ_RMS? Cho nhận xét?

Bài tập 4.6. Cho động cơ không đồng bộ ba pha 380 V, nối Y, 50Hz, rotor lồng sóc, 4 cực, có các thông số quy đổi về stator như sau: Rs=2.5, Rr=2.5, Xs=3.5, Xr=2.8, Xm=48, moment định mức 26.526Nm, moment quán tính 0.2kgm2, dòng điện định mức là 9 A (rms). Động cơ vận hành ở chế độ định mức, tính: (2 đ)

(1 đ)

a) Dòng điện isd_đm và isq_đm? b) Từ thông móc vòng rotor |r|? c) Moment điện từ. d) Tốc độ trượt Ωsl (rad/s và vòng/phút)? e) Tốc độ rotor và độ trượt. f) Các hệ số K1, K2 của hệ điều khiển định mức từ thông. g) Tính các hệ số của bộ điều khiển vận tốc PI (KP, KI, TI). Biết Tsamp=50µs. h) Khi khởi động dùng biến tần ở chế độ FOC, động cơ luôn đạt từ thông rotor

(1 đ) bằng định mức (isd_kđ =isd_đm). Biết động cơ khởi động với Mcơ_kđ =2Mcơ_đm, tính dòng khởi động của động cơ Ikđ_RMS? Cho nhận xét?

Bài tập 4.7. Cho động cơ không đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ có ghi: 4 cực, nối Y, 380 V, 50Hz, 1415 RPM. Thông số động cơ (đã quy về stator) như sau: Rs=3,75 Ω; Rr=4,20 Ω; Ls=1,75 mH; Lr=17,5 mH; Lm=350 mH.

(1 đ) (1 đ)

(3 đ)

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.40

a) Tính dòng điện hiệu dụng và moment cơ khởi động? b) Tính dòng điện hiệu dụng và tốc độ trượt định mức (rad/s)? c) Từ kết quả câu b), trên hệ tọa độ từ thông móc vòng rotor, tính dòng điện isd_đm và isq_đm, từ thông móc vòng rotor |r_đm|, moment cơ định mức? d) Khi dùng biến tần ở chế độ FOC, lúc khởi động động cơ luôn đạt từ thông rotor định mức và không đổi (isd_kđ = isd_đm). Để động cơ khởi động gấp đôi moment định mức, tính dòng khởi động của động cơ cần cài đặt cho biến tần? Mặc khác, nếu cài đặt dòng điện khởi động trên biến tần gấp đôi dòng định mức, tính moment khởi động khi đó? (2 đ)

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Rs = 4; % dien tro stator Rr = 4; % dien tro rotor Ls = 0.20; % dien cam stator Lr = 0.20; % dien cam rotor Lm = 0.19; % ho cam P = 1; % so doi cuc J = 0.015; % momen quan tinh (kg.m^2) Tsamp = 0.0001; % thoi gian lay mau (0.0001 sec) TLr = 7.75; % momen co dinh muc (Nm)

Bài tập lớn: Điện áp định mức: Uđm=380V, 50Hz, 5.5A, 7.75Nm. Động cơ nối Y. % Model Parameter

TL = MSV; % momen tai co (Nm) MSV = 5 + (tổng 3 số cuối MSSV)/6.

Bài tập 1. Trong hệ tọa độ , mô phỏng mô hình động cơ trên Matlab Simulink (7.x):

a) Mô phỏng điều khiển vòng hở tốc độ ở điện áp định mức, tải thay đổi (0%, 50%, 100%)TL. Vẽ các đáp ứng tốc độ đồng bộ, tốc độ động cơ, moment điện từ, moment tải, từ thông, dòng điện. Nhận xét sự khác biệt khi tải thay đổi.

b) Mô phỏng điều khiển vòng hở tốc độ khi động cơ mang tải TL, điện áp thay đổi (biên độ, tần số)=(100%, 100%), (100%, 50%), (50%, 100%), (50%, 50%). Vẽ các đáp ứng tốc độ đồng bộ, tốc độ động cơ, moment điện từ, moment tải, từ thông, dòng điện. Nhận xét sự khác biệt khi điện áp thay đổi.

Bài tập 2. Trong hệ tọa độ dq, mô phỏng mô hình động cơ trên Matlab Simulink (7.x):

a) Mô phỏng điều khiển vòng hở tốc độ ở điện áp định mức, tải thay đổi (0%, 50%, 50%)TL. Vẽ các đáp ứng tốc độ đồng bộ, tốc độ động cơ, moment điện từ, moment tải, từ thông, dòng điện. Nhận xét sự khác biệt khi tải thay đổi.

Bài tập 3. Mô phỏng trên Matlab Simulink (7.x) bộ điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha dùng phương pháp FOC. Động cơ khởi động không tải, và mang tải TL sau khi tốc độ ổn định. Yêu cầu điều khiển ổn định tốc độ khi moment tải thay đổi. Vẽ các đáp ứng tốc độ đặt (= 50%, 100%) tốc độ định mức, tốc độ đáp ứng, moment điện từ, moment tải, từ thông, dòng điện. Nhận xét thời gian đáp ứng, độ ổn định tốc độ, moment và dòng điện khởi động của đông cơ:

a) Dùng điều khiển tiếp dòng, không có ước lượng từ thông. b) Dùng điều khiển tiếp dòng, có bộ ước lượng từ thông. c) Dùng điều khiển tiếp áp, có bộ ước lượng từ thông (không bắt buộc).

Đề thi HK2/2012: Cho động cơ không đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ có ghi: 4 cực, nối Y, 380 V, 50Hz, 10Nm, 3,155A. Thông số động cơ (đã quy về stator) như sau: Rs=3,75Ω; Rr=4,20Ω; Xs=0,55Ω; Xr=0,55Ω; Xm=110Ω. Bỏ qua tổn hao sắt và tổn hao cơ.

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.41

a) Tính dòng điện stator và moment cơ lúc khởi động? b) Tính dòng điện stator và từ thông móc vòng rotor lúc không tải? (1 đ) (1 đ)

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB

IV.42

c) Khi động cơ vận hành ở định mức, trên hệ tọa độ từ thông rotor, tính dòng điện isd_đm và isq_đm, từ thông móc vòng rotor |r_đm|, tốc độ trượt (rad/s) và tốc độ (2 đ) động cơ (vòng/phút)? d) Khi động cơ vận hành ở tốc độ 1450 vòng/phút, tính dòng điện làm việc của động cơ? Khi đó, trên hệ tọa độ từ thông rotor, tính dòng điện isd và isq, từ (2 đ) thông móc vòng rotor |r|, và moment điện từ của động cơ? e) Khi dùng biến tần ở chế độ FOC, lúc khởi động động cơ luôn đạt từ thông rotor định mức và không đổi (isd_kđ = isd_đm). Để động cơ khởi động gấp rưỡi moment định mức, tính dòng khởi động của động cơ cần cài đặt cho biến tần? Mặc khác, nếu cài đặt dòng điện khởi động trên biến tần gấp rưỡi dòng định mức, (1 đ) tính moment khởi động khi đó? f) Dùng cảm biến đo được tốc độ động cơ 1415 vòng/phút, dòng điện tức thời isa=0,2217A và isb=3,9620A. Biết lúc đó góc của hệ tọa độ từ thông rotor là r=300. Ước lượng giá trị từ thông móc vòng rotor |r|, moment cơ, và tốc độ (2 đ) trượt (rad/s) của động cơ? g) Điều khiển động cơ trên bằng phương pháp định hướng từ thông rotor FOC, thời gian trễ của vòng điều khiển là 50s. Tính các hệ số của bộ điều khiển PI điều khiển vận tốc động cơ (KP, KI, TI)? Biết moment quán tính lúc đó là 0.1 kgm2. (1 đ)

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Chƣơng 5: MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG TỪ THÔNG ROTOR ĐCKĐB

Giới thiệu các phương pháp đo dòng điện tức thời, đo từ thông khe hở không khí, đo điện áp, tốc độ động cơ,...

V.1

Chöông 5: Một số phương pháp ước lượng từ thông rotor ĐCKĐB

I. Ƣớc lƣợng từ thông rotor từ dòng hồi tiếp và từ thông khe hở không khí

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

hay

Ít chính xác ở tốc độ thấp do dùng phép tích phân!

Từ thông rotor được ước lượng từ từ thông stator và dòng stator:

II. Ƣớc lƣợng từ thông rotor từ điện áp và dòng hồi tiếp

Trong đó, từ thông stator được ước lượng từ dòng stator và áp stator như sau:

V.2

Chöông 5: Một số phương pháp ước lượng từ thông rotor ĐCKĐB

Hay

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

với

hay

Chính xác cả ở tốc độ thấp!

III. Ƣớc lƣợng từ thông rotor từ tốc độ và dòng hồi tiếp

với

hay

V.3

Chöông 5: Một số phương pháp ước lượng từ thông rotor ĐCKĐB

Sô ñoà khoái boä öôùc löôïng töø thoâng rotor treân heä toïa ñoä .

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Ñaùp öùng cuûa boä öôùc löôïng töø thoâng rotor treân toïa ñoä .

V.4

Chöông 5: Một số phương pháp ước lượng từ thông rotor ĐCKĐB

IV. Ƣớc lƣợng vị trí từ thông rotor gián tiếp từ từ thông đặt và Te đặt Các phương trình ước lượng vị trí vector từ thông rotor từ các giá trị lệnh của từ thông rotor và moment điện từ như sau:

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

V. Ƣớc lƣợng từ thông rotor từ tốc độ và dòng hồi tiếp trong HTĐ (dq)

với tốc độ trượt: r =  + sl =  +

có Te = p

Các phương trình sau được dùng để ước lượng từ thông rotor:

Hay các phương trình này có thể được viết lại như sau:

V.5

Chöông 5: Một số phương pháp ước lượng từ thông rotor ĐCKĐB

Vị trí tức thời của vector từ thông rotor được xác định như sau:

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Sô ñoà khoái boä öôùc löôïng töø thoâng rotor treân heä toïa ñoä dq.

Ñaùp öùng cuûa boä öôùc löôïng töø thoâng rotor treân toïa ñoä dq.

VI. Ƣớc lƣợng từ thông rotor dùng khâu quan sát (observer)

r r

pt (5.1a) pt (5.1b) pt (5.1c) pt (5.1d) pt (5.1e)

ucomp

pt (5.1f)

ucomp

pt (5.1h) pt (5.1g)

Hình 5.1: Sơ đồ bộ ước lượng từ thông rotor dùng khâu quan sát.

V.6

Chöông 5: Một số phương pháp ước lượng từ thông rotor ĐCKĐB

Thuật toán ước lượng từ thông rotor cho ĐCKĐB ba pha dùng khâu quan sát

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

(5.1a) isd = iscosr + issinr

(5.1b)

(5.1c) (5.1d) r = rdcoss r = rdsins

(5.1e)

= (5.1f) – Rs. + ucomp

(5.1g)

(5.1h)

(5.1i)

VII. Đáp ứng điều khiển dộng cơ bằng FOC Đáp ứng của bộ ước lượng từ thông rotor khi các thông số ĐCKĐB ba pha có sai số:

V.7

Chöông 5: Một số phương pháp ước lượng từ thông rotor ĐCKĐB

Hình 5.4: Đáp ứng của bộ ước lượng từ thông rotor dùng khâu quan sát. Hình 5.2: Đáp ứng của bộ ước lượng từ thông rotor từ tốc độ và dòng hồi tiếp trên tọa độ . Hình 5.3: Đáp ứng của bộ ước lượng từ thông rotor từ tốc độ và dòng hồi tiếp trên tọa độ dq.

TB

Bài giảng Hệ Thống Điều Khiển Số (ĐCKĐB)

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐƢỢC TIẾP DÒNG

 Từ thông được đưa đến giá trị định mức khi moment vẫn được giữ ở giá trị zero.

 Sau khi từ thông đạt giá trị ổn định, động cơ được lệnh tăng tốc đến một giá trị vận tốc dương.

 Moment được đưa đến giá trị dương ở mức tối đa.  Moment được đưa trở về giá trị âm và sau đó zero khi vận tốc thực bằng vận tốc lệnh, và moment được giữ ở zero để vận tốc thực bằng vận tốc lệnh.

 Hệ truyền động ban đầu đang hoạt động với từ thông rotor không đổi và ở giá trị lệnh, moment tải bằng zero.

 Moment tải sau đó được tăng đến giá trị định mức dương theo kiểu step- wise.

V.8

Chöông 5: Một số phương pháp ước lượng từ thông rotor ĐCKĐB

 Sau một khoảng thời gian thì moment tải được đưa về zero cũng theo kiểu step-wise.

TB

Bài giảng Hệ Thống Điều Khiển Số (ĐCKĐB)

V.9

Chöông 5: Một số phương pháp ước lượng từ thông rotor ĐCKĐB

 Từ thông được giữ không đổi ở giá trị định mức.  Vận tốc được đảo ngược từ -40% của vận tốc sang 40% vận tốc định mức.  Moment tải bằng zero trong suốt quá trình mô phỏng trên.  Bộ nghịch lưu được giả sử là nguồn dòng lý tưởng.

TB

Bài giảng Hệ Thống Điều Khiển Số (ĐCKĐB)

KẾT QUẢ ĐO ĐẠC CỦA ĐỘNG CƠ ĐƢỢC TIẾP DÒNG

 Dòng stator trong trạng thái ổn định được phân tích. Trừ sóng harmonic bậc

nhất, các sóng hài bậc cao thường tập trung quanh các dải tần số 10 kHz, 20

kHz, 30 kHz, 40 kHz……

V.10

Chöông 5: Một số phương pháp ước lượng từ thông rotor ĐCKĐB

Từ thông bằng 70% từ thông định mức, ban đầu động cơ đang chạy không tải ở 600 rpm, moment tải bằng moment định mức dương được được tăng theo kiểu step- wise.

TB

Bài giảng Hệ Thống Điều Khiển Số (ĐCKĐB)

 Biến đổi của dòng stator khi máy tăng tốc từ 200 rpm đến 1500 rpm.  Động cơ đã hoàn toàn được từ hoá trước, moment tải bằng zero.

V.11

Chöông 5: Một số phương pháp ước lượng từ thông rotor ĐCKĐB

 Biến đổi của dòng stator khi máy tăng tốc từ 200 rpm đến 1500 rpm.  Động cơ đã hoàn toàn được từ hoá trước, moment tải bằng zero.

TB

Bài giảng Hệ Thống Điều Khiển Số (ĐCKĐB)

Bài tập 5.1. Cho động cơ không đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ có ghi: 4 cực, nối Y, 380 V, 50Hz, 1415 RPM. Thông số động cơ (đã quy về stator) như sau: Rs=3,75 Ω; Rr=4,20 Ω; Ls=1,75 mH; Lr=17,5 mH; Lm=350 mH. Khi động cơ khi đang được cấp nguồn từ biến tần và vận hành với tốc độ 1415 vòng/phút. Dùng cảm biến đo được dòng điện tức thời (như hình vẽ dưới) isa= 0,2217A và isb= 3,9620A. Biết lúc đó góc của hệ tọa độ từ thông rotor là r = 300.

r a b c

is isd 2= isa isb is isq

3 M

a) Tính isd , isq , dòng điện stator hiệu dụng, từ thông móc vòng rotor |r| , moment cơ, tốc độ trượt (rad/s), tốc độ đồng bộ (vòng/phút) và tần số nguồn điện cấp cho động cơ?

V.12

Chöông 5: Một số phương pháp ước lượng từ thông rotor ĐCKĐB

(4 đ) (1 đ) b) Giả sử động cơ đang chạy ổn định, tính góc r2 sau 50µs?

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Chƣơng 6: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DÒNG

I. Điều khiển dòng trong hệ qui chiếu stator

I.1. Điều khiển vòng trễ dòng điện

VI.1

Chöông 6: Các phương pháp điều khiển dòng

Điều khiển dòng, tiếp dòng

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

I.1. Điều khiển so sánh dòng điện

VI.2

Chöông 6: Các phương pháp điều khiển dòng

Điều khiển dòng, tiếp dòng

TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Điều khiển dòng (dq), tiếp áp II. Điều khiển dòng trong hệ qui chiếu từ thông rotor

Điều khiển tiếp dòng Điều khiển dòng Điều khiển dòng trong hệ toạ độ từ thông rotor (dq) (FOC) Điều khiển dòng trong hệ toạ độ stator (abc) Bộ nghịch lưu áp Bộ nghịch lưu dòng

VI.3

Chöông 6: Các phương pháp điều khiển dòng

III. Điều khiển áp Điều khiển điện áp vòng hở (V/F, VFF,…) Phân biệt: Điều khiển tiếp áp

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB

Chƣơng 7: MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐCKĐB

L N

L1 L2 L3

Bộ l

FOC

SCI

ADC

Bộ đi u khi n

PWM

I/O

QEP ADC

I. Các phƣơng pháp ƣớc lƣợng vận tốc động cơ không đồng bộ

I.1. Phƣơng pháp 1

Trong đó:

VII.1 Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB

Chứng minh (cách 1):

Chứng minh:



Chứng minh:

và Có



 mà

nên



Chứng minh (cách 2):

Có:



VII.2 Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB



Chứng minh:

Và



Hay

Trong đó,



I.2. Phƣơng pháp 2

VII.3 Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB

Với

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB

với



Chứng minh:



VII.4 Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB



II. Ƣớc lƣợng vận tốc vòng kín Dùng điều khiển thích nghi mô hình (Model Reference Adaptive Control – MRAC) Mô hình tham khảo:

Mô hình thích nghi (trong hệ tọa độ stator):

(7.1a)

(7.1b)

= – (7.2)

Sai số mô hình:  = Hiệu chỉnh sai số:

(7.3)







Mô hình thích nghi hệ pt (7.1)

pt (7.2)

từ thông ước lượng

Mô hình tham khảo

Khi đó, tốc độ  được ước lượng theo sơ đồ sau: Ít phụ thuộc vào thông số mô hình và các đại lượng hồi tiếp.

VII.5 Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB

Hình 7.1: Sơ đồ nguyên lý bộ ước lượng tốc độ ĐCKĐB ba pha.

_ Sai lệch tốc độ đƣợc đi u chỉnh tự động. _ Kết quả ít bị ảnh hƣởng bởi sai lệch thông số động cơ. _ Khối lƣợng tính toán rất nhi u nên tốc độ ƣớc lƣợng chậm.

Từ chương 3, có:



chỉ số “” góc trên phải chỉ từ thông được tính trực tiếp từ tốc độ ước lượng .

 Nhận ét: Theo hệ phương trình (7.1) thì từ thông rotor (xét trong hệ tọa độ stator)

phụ thuộc vào tốc độ . Mặc khác, bộ ước lượng từ thông đã cho kết quả tương đối chính xác về giá trị của vector từ thông rotor.

Như vậy, nếu tốc độ ước lượng  trong phương trình (7.1) khác với tốc độ ) tính được ở phương trình ) ước lượng. Sai lệch này , ,

thực của động cơ thì vector từ thông ( (7.1) sẽ sai lệch với vector từ thông ( được định nghĩa bằng:

 = = – (7.2)

nếu sai lệch  càng nhỏ thì tốc độ ước lượng của động cơ sẽ càng gần bằng với tốc độ thực của động cơ. Bộ ước lượng tốc độ cho động cơ KĐB ba pha sử dụng khâu hiệu chỉnh tích phân tỉ lệ PI để giảm thiểu sai lệch giữa hai vector từ thông trên:

(7.3)

VII.6 Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB

Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển định hướng từ thông rotor không dùng cảm biến vận tốc:

III. Đi u khi n không dùng cảm biến (Sensorless Vector Control - SVC)

VII.7 Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB

Đáp ứng mô phỏng:

Hình 7..: Đáp ứng của bộ ước lượng tốc độ với mô hình lý tưởng.

VII.8 Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB

Tuaàn 11 (3T): Chöông 7 (6T)

Hình 7..: Đáp ứng của bộ ước lượng tốc độ với mô hình có sai lệch.

VII.9 Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB

Chöông 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ TB

Đáp ứng trên hệ thực:

VII.10 Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

Chương 8: ĐIỀU KHIỂN SỐ ĐỘNG CƠ

I. Cấu trúc một hệ thống điều khiển động cơ

–

MTi

MTu

Motor

BBĐ

I.1. Sơ đồ khối một hệ thống điều khiển động cơ KĐB 3 pha

~3

–

PI MTu

MTu

CTĐ

L N

L1 L2 L3

Bộ

FOC

SCI

ADC

Bộ điều khiển

PWM

I/O

QEP ADC

VIII.1 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

Nguồn AC

DC Link

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

Động cơ

Chỉnh lưu

Inverter (VSI)

Giao tiếp Hiển thị

Cảm biến dòng điện

Bộ trung tâm

DSP TMS320LF2407A

Cảm biến

Điều khiển

tốc độ

VIII.2 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

VIII.3 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

 Bộ chỉnh lưu

 Bộ nghịch lưu 3 pha và mạch kích (FPGA, DSP)

I.2. Các khối chức năng

VIII.4 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

VIII.5 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

PM25CL1A120 – Mitsubishi

VIII.6 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

PS21A7A - Mitsubishi

VIII.7 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

 Hãm

 Bộ xử lý

STGIPS40W60L1

dsPIC

DSP Texas Instruments (TMS320F2812, TMS320F28335)

VIII.8 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

Power Stage

Motor

Three phase Inverter

Fault Protection

Driver Circuits

Current Sensors

Speed Sensor

PDPINT

PWM Genrator

ADC Modul

Capture/ QEP

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

CPU

SCI/ SPI

Digital IO

Comm Serial

Control Speed

Control Logic

DSP

L N

L1 L2 L3

FOC

SCI

ADC

đ n

PWM

DSP

I/O

QEP ADC

VIII.9 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

VIII.10 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

 Cảm biến đo lường  Mạch giao tiếp, nối mạng

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

II. Cảm biến đo ường

II.1. Đo điện áp DC

Sử dụng bộ chuyển đổi ADC của bộ điều khiển thông qua mạch chia áp...

II.2. Cảm biến đo dòng điện

–

MTi

MTu

BBĐ

Động cơ

–

PI MTu

MTu

CTĐ

Đo điện áp trên điện trở Shunt Biến dòng

VIII.11 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

Vdc

Ñieàu khieån ==

Bieán taàn 3~

r a b c

isd is 2= isa isb isq is 3

Ñ.cô KÑB M 3~

Cảm biến Hall

1

B A

GND B Out A Out

(-)

(+)

OFS

GIN

0V

-12V +12V

NANA ELECTRONICS JAPAN

Ba chân nguồn cấp từ bên

GIN: Chỉnh độ lợi (khuếch đại) OFS: Chỉnh offset

ngoài

VIII.12 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

Sơ đồ chân cảm biến Hall

VIII.13 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

Magnetoresistive (MR) Closed Loop Current Sensor

II.3. Cảm biến đo tốc độ

Tachometter

Incremental Encoder

VIII.14 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

VIII.15 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp tốc độ dùng encoder

Absolute Encoder (đo góc)

III. Một số ưu điểm khi s dụng bộ điều khiển tốc độ động cơ Bộ biến tần

VIII.16 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

Giảm hệ thống cơ khí (rulo, xích, hộp số tăng giảm tốc,…) Giảm tiếng ồn Tiết kiệm năng lượng (tổn hao cơ và tổn hao nhiệt) Thay đổi tốc độ dễ dàng Khởi động mềm và dừng mềm Ổn định tốc độ Ưu điểm của bộ biến tần:

VIII.17 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

Nối mạng điều khiển từ xa

Đồng bộ tốc độ dễ dàng

VIII.18 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

V, T V, T

V/f=cons V/f=const Vđm Vđm

Tđm Te Tđm Te TL

Rs*Ili Rs*Ili f f

fđm fđm

a) b)

VIII.19 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

Chỉnh lưu Nghịch lưu Cảm biến (Hall, Incremental - Absolute Encoder, Tachocometter, …) Bộ điều khiển Giao tiếp, I/O, Keypad, LED Bộ Xử lý

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

Điều chỉnh được tốc độ Ổn định tốc độ Giảm hệ thống cơ, giảm ồn Tiết kiệm năng lượng (tổn hao cơ và tổn hao nhiệt)

Sixstep Một pha, Ba pha Công suất (>=) Điện áp (>=) Chức năng, Nhãn hiệu EMC

Thông số động cơ Thông số điều khiển, Tần số PWM

Chế độ vòng hở (V/f, FFC) Chế độ hồi tiếp (PID) Chế độ điều khiển không cảm biến

Chỉnh trên keypad Chỉnh nhiều cấp tốc độ (giảm phần cơ: rulo, hộp số, curoa) Chỉnh bằng biến trở Chỉnh từ PLC, đồng bộ biến tần

IV. Hệ thống điều khiển số động cơ không đồng bộ ba pha Phần cứng Phần mềm Thuật toán Đáp ứng: điên áp sin xung, dòng sin xung.

Dây dẫn nối trước và sau biến tần Nguồn động lực Công suất động cơ Quá tải, ngắn mạch Cài đặt sai Chế độ hiển thị Bảo vệ nhiệt cho động cơ

V. Bộ biến tần Ưu điểm: Chọn biến tần Cài đặt Chọn chế độ Cách điều chỉnh Nối mạng đồng bộ Sử dụng

VIII.20 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

Bài tập 1. Tìm hiểu, so sánh bộ biến tần của 3 nhà sản xuất bất kỳ do SV chọn:

o Công suất, điện áp, pha, dãy tần số, tần số PWM. o Khả năng quá tải về dòng điện, công suất. o Phương pháp điều khiển (V/f, (V/f)2, FOC - FCC, DTC, …) o Chức năng hồi tiếp tốc độ từ encoder, hay chức năng Sensorless. o Biến tần dùng cho tải nào (bơm, quạt hay băng chuyển, thang máy, cần cẩu,

máy nén, máy ép, ôtô, máy lạnh,…)

VIII.21 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

VIII.22 Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

Chöông 1 TB

ĐIỀU KHIỂN SỐ HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ ĐIỀU KHIỂN CÁC MÁY ĐIỆN / ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN

L N

L1 L2 L3

Bộ xử lý FOC

SCI

ADC

Bộ điều khiển

PWM

I/O

QEP ADC

(HTĐKS-ĐKCMĐ)

Trang 1/ 37

usb

Chöông 1 TB

Pha B

stator

Pha A

usa

rotor

Pha C

usc

Hình 1.1: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCKĐB ba pha.

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 2/ 37

Chöông 1 TB

C

C Rs

jX’r

jXs

RFe

jXm

Mạch tương đương động cơ KĐB với tổn hao sắt từ

jX’r

jXs

jXm

Mạch tương đương của động cơ KĐB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 3/ 37

jX’r

jXs

jXm

Mạch tương đương động cơ KĐB với dòng từ hoá

Chöông 1 TB



s



usa

Hình 1.2: Vector không gian điện áp stator trong hệ tọa độ .

j

usc

us

Cuộn dây pha B

usb

Cuộn dây pha A



usa = us

Cuộn dây pha C

Hình 1.3: Vector không gian điện áp stator

và các điện áp pha.

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 4/ 37

Chöông 1 TB

(với Vi là điện áp pha hiệu dụng).

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 5/ 37

Chöông 1 TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 6/ 37

Chöông 1 TB

(với Vi là điện áp pha hiệu dụng).

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 7/ 37

Chöông 1 TB

R

A

Udc

motor

B

C

N

n

Hình 1.4: Sơ đồ bộ nghịch lưu ba pha cân bằng gồm 6 khoá S1S6.

A

B

UAN

UBN

N

Udc

UCN

C

n

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 8/ 37

Hình 1.5: Trạng thái các khoá S1, S3, S6 ON, và S2, S4, S5 OFF (trạng thái 110).

Đơn vị (Udc)

Chöông 1 TB

us

usa

usb

uab ubc

uca usc S5 UAN UBN UCN UAB UBC UCA 0 0 -1/3 0 -2/3 0 -1/3 0 1/3 1 2/3 1 1/3 1 0 1

0 2/3 1/3 -1/3 -2/3 -1/3 1/3 0

0 -1/3 1/3 2/3 1/3 -1/3 -2/3 0

us

0 -1 -1 0 1 1 0 0

0 0 1 1 0 -1 -1 0

0 1 0 -1 -1 0 1 0

Deg U000 0o 60 o 120 o 180 o 240 o 300 o U111

U U0 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7

Va Vb Vc S3 S1 us 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 Bảng 1.1: Các điện áp thành phần tương ứng với 8 trạng thái của bộ nghịch lưu.

U1(100)

Hình 1.6: Vector không gian điện áp stator

ứng với trạng thái (100).

2/3Udc

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 9/ 37

U2(100)

Chöông 1 TB

Hình 1.7: Vector không gian điện áp stator

ứng với trạng thái (110).

U3 (010)

U2 (110)

CCW

U0 (000)

U4 (011)

U1 (100)

U7 (111)

U5 (001)

U6 (101)

Hình 1.8: 8 vector không gian điện áp stator tương ứng với 8 trạng thái.

k = 1, 2, 3, 4, 5, 6.

U0 và U7 là vector 0.

Up3

Up2

Up0

Up1

Up4

Trục usa

Up7

Up5

Up6

Hình 1.9: Các vector không gian điện áp pha stator.

Udc

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 10/ 37

k = 1, 2, 3, 4, 5, 6.

U0 và U7 là vector 0.

Hình 1.10:

Các điện áp thành phần tương ứng với 6 trạng thái.

2/3Udc

Uline_1

Hình 1.11:

Vector không gian đ iện áp dây stator

ứng với trạng thái (100).

Chöông 1 TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 11/ 37

Ud2

Ud3

Ud1

Ud0

Ud7

Trục uab

Ud4

Ud6

Ud5

Hình 1.12:

Các vector không gian điện áp dây stator.

k = 1, 2, 3, 4, 5, 6

U3 (010)

U2 (110)

CCW

U0 (000)

U4 (011)

U1 (100)

U7 (111)

U5 (001)

U6 (101)

Hình 1.13:

Điều chế biên độ và góc vector không gian điện áp.

T0  TPWM – (T1 + T2)

với chu kỳ điều rộng xung: TPWM  const

Tổng quát: us =a.Ux + b.Ux+60 + c.{U0, U7}

Chöông 1 TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 12/ 37

Hình 1.14:

Điều chế biên độ và tần số điện áp.

Hình 1.15:

Dạng điện áp và dòng điện PWM sin.

Chöông 1 TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 13/ 37

j

Chöông 2 TB

d us

usd

usq

s 

0 us

Hình 2.1: Chuyển hệ toạ độ cho vector không gian độ dq và ngược lại.

từ hệ tọa độ  sang hệ tọa

d a s

Cuoän daây pha B jq

fsd

a

fsq

Cuoän daây pha A

Cuoän daây pha C

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 14/ 37

Chöông 2 TB

d  s j Cuoän daây pha B jq r =a

is

isd

r

isq  

is 0

Cuoän daây pha A

Truïc rotor

Hình 2.2: Biểu diễn vector không gian

Cuoän daây pha C Truïc töø thoâng rotor

trên hệ toạ độ từ thông rotor, còn gọi là

hệ toạ độ dq.

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 15/ 37

Chöông 2 TB

j d r

 Cuoän daây pha B jq

s



r

s

 

Cuoän daây pha A

Truïc rotor

Hình 2.3: Vector không gian

Cuoän daây pha C Truïc töø thoâng rotor

và trên hệ toạ độ dq.

Udc

Điều khiển == Nghịch lưu 3~

r a b c

is isd 2= isa isb 3 is isq

Hình 2.4: Đo giá trị vector không gian dòng điện stator trên hệ tọa độ dq.

pt (2.…) pt (2.…) ĐC KĐB M 3~

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 16/ 37

Chöông 3 TCB

C

Cuộn dây pha B

usb

isb





rotor stator irA

Trục chuẩn

irB

isa

Cuộn dây pha A

irC

usa

usc

isc

stator

Cuộn dây pha C

jX’r

jXs

RFe

jXm

Mạch tương đương động cơ KĐB với tổn hao sắt từ

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 17/ 37

jX’r

jXs

jXm

Mạch tương đương của động cơ KĐB

jX’r

jXs

jXm

Mạch tương đương động cơ KĐB với dòng từ hoá

Chöông 3 TCB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 18/ 37



Rư

Chöông 3 TCB

Lư

Iư

Ikt Rkt U

Ukt E = kE.kt.  k.Ikt. kt

Trang 19/ 37

T (s) I (s) E (s) (HTĐKS-ĐKCMĐ)

Chöông 4 TCB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 20/ 37

Chöông 4 TCB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 21/ 37

–

MTu

MTi

BBĐ

Động cơ

ĐCid ĐCiq

–

CTĐi

ĐC

–

Chöông 4 TCB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 22/ 37

Chöông 5 TCB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 23/ 37

Chöông 5 TCB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 24/ 37

Chöông 5 TCB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 25/ 37

Chöông 5

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 26/ 37

Chöông 5

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 27/ 37

Chöông 6 TCB

Điều khiển vòng trễ:

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 28/ 37

Chöông 6 TCB

Điều khiển so sánh:

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 29/ 37

Chöông 6 TCB

ĐIỀU KHIỂN DÒNG TRONG HỆ QUY CHIẾU QUAY

ĐIỀU KHIỂN GIÁN TIẾP

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 30/ 37

Chöông 6 TCB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 31/ 37

Chöông 6 TCB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 32/ 37

Chöông 6 TCB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 33/ 37







Mô hình thích nghi hệ pt (7.1)

pt (7.2)

từ thông ước lượng

Mô hình tham khảo

Chöông 7 TCB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 34/ 37

Chöông 7 TCB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 35/ 37

Chöông 7 TCB

Đáp ứng mô phỏng:

Hình 7..: Đáp ứng của bộ ước lượng tốc độ với mô hình lý tưởng.

Hình 7..: Đáp ứng của bộ ước lượng tốc độ với mô hình có sai lệch.

Đáp ứng trên hệ thực:

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 36/ 37

Xem bài giảng

Tuaàn 13-14: Chöông 8 (6T) TCB

Các công thức lượng giác:

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 37/ 37

Bài giảng Điều khiển số hệ thống điện cơ điều khiển máy điện - Động cơ điện điều khiển bộ biến tần - ThS. Trần Công Binh

Chủ đề:

Kỹ thuật điều khiển số

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐIỀU KHIỂN SỐ HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN / ĐỘNG CƠ ĐIỆN

ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN

Hệ qui chiếu quay

Mô hình ĐCKĐB 3 pha (), (dq)  Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu.  Mô hình động cơ trong HTĐ stator ().  Mô hình động cơ trong HTĐ từ thông rotor (r).

Điều khiển định hƣớng từ thông (FOC) ĐCKĐB

Một số phƣơng pháp ƣớc lƣợng từ thông rotor

Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Các phƣơng pháp điều khiển dòng

Một số phƣơng pháp ƣớc lƣợng tốc độ động cơ

Bộ biến tần

Chương 1: VECTOR KHÔNG GIAN VÀ

BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA

I. Vector không gian

I.1. Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha có ba (hay bội số

Pha B

stator

Pha A

rotor

Pha C

C

Vector không gian của điện áp stator được định nghĩa như sau:

I.2. Hệ tọa độ cố định stator Vector không gian điện áp stator là một vector có modul xác định (|us|) quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc s và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha A) một góc

II. Bộ nghịch lưu ba pha

II.1. Bộ nghịch lưu ba pha

R

A

B

C

N

n

n

A

B

N

C

n

II.2. Vector không gian điện áp

Đơn vị (Udc) us

usa

usb

uab ubc

k 0 1 2 3 4 5 6 7

Va Vb Vc S3 S1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1

uca usc S5 UAN UBN UCN UAB UBC UCA 0 0 -1/3 0 -2/3 0 -1/3 0 1/3 1 2/3 1 1/3 1 0 1

us

us

U U0 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7

Deg U000 0o 60 o 120 o 180 o 240 o 300 o U111

AB

U2 (110)

T2

us

U0 (000)

U1 (100)

T1

U7 (111)

Chương 2: HỆ QUI CHIẾU QUAY

d

Chương 3: MÔ HÌNH ĐCKĐB TRONG HỆ QUI CHIẾU QUAY

C

rotor stator irA

Trục chuẩn

Chương 4: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ĐCKĐB (FOC)

PID SỐ

PID số (Phương pháp 2):

DCM

TON

L N

C

T

Bộ ử l

FOC

Bộ điều khiển

a) Is = 2.509587 b) Te = 6.401969 c) id = 2.002982 c) iq = 2.929867 c) PHIr = 0.801193

d) K1 = 0.457651 d) K2 = 7.148431 e) Kp = 2500.000000 e) Ki = 12500000.000000 e) Ti = 0.000200