Ph−¬ng ph¸p tæng hîp vμ m« pháng hÖ BiÕn tÇn
®iÒu khiÓn vect¬ tùa theo tõ th«ng r«to
NhËn d¹ng h»ng sè thêi gian r«to cña ®éng c¬
kh«ng ®ång bé trong qu¸ tr×nh qu¸ ®é
ThS. Vò xu©n hïng
Bé m«n Trang bÞ ®iÖn - §iÖn tö
Khoa §iÖn - §iÖn tö - Tr−êng §¹i häc GTVT
TS. TrÇn v¨n thÞnh
Khoa §iÖn – Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hμ Néi
Tãm t¾t: HiÖn nay ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn vect¬ tùa theo tõ th«ng r«to ®−îc sö dông
ngμy cμng nhiÒu trong hÖ truyÒn ®éng ®iÖn chÊt l−îng cao. Bμi b¸o tr×nh bμy kÕt qu¶ nghiªn
cøu ph−¬ng ph¸p tæng hîp vμ m« pháng hÖ biÕn tÇn ®iÒu khiÓn vect¬ tùa theo tõ th«ng r«to.
Trong qu¸ tr×nh lμm viÖc tham sè cña ®éng c¬ kh«ng ®ång bé bÞ biÕn ®æi do ¶nh h−ëng cña
hiÖu øng mÆt ngoμi vμ b·o hßa m¹ch tõ lμm gi¶m chÊt l−îng ®Æc tÝnh ®éng. §Ó kh¾c phôc ®iÒu
nμy, t¸c gi¶ ®Ò xuÊt mét ph−¬ng ph¸p nhËn d¹ng on-line h»ng sè thêi gian r«to. KÕt qu¶ tÝnh
to¸n vμ m« pháng ®−îc thùc hiÖn trªn ®éng c¬ kh«ng ®ång bé 14kW ®−îc cÊp bëi biÕn tÇn
IGBT PWM.
Summary: Today, the field oriented vector control method is used increasingly in high-
performance electric drives. This paper presents the results of research into the syntheses and
simulations method for field - oriented vector control. The variations of induction motor
parameters by skin face effects and magnetic saturation reduce dynamic performance. To
overcome the constraint, the authors propose a method for rotor time constant identification on-
line. The simulation and evaluation are performed using actual parameters of a 14 kW induction
motor fed by an IGBT PWM inverter.
i. ®Æt vÊn ®Ò
Tæng hîp vµ m« pháng lµ b−íc quan
träng khi thiÕt kÕ mét hÖ ®iÒu chØnh tù ®éng
truyÒn ®éng ®iÖn, nã cho phÐp kiÓm tra ®é æn
®Þnh vµ ®¸nh gi¸ chÊt l−îng cña hÖ truyÒn
®éng tr−íc khi ®i vµo thiÕt kÕ mét hÖ thèng
thùc, rót ng¾n thêi gian thiÕt kÕ, gi¶m thiÓu
®−îc rñi ro vµ chi phÝ khi thiÕt kÕ vµ s¶n xuÊt.
Gióp cho viÖc chØnh ®Þnh vµ lùa chän th«ng sè
cña bé ®iÒu chØnh trong qu¸ tr×nh vËn hµnh.
Trong bµi b¸o nµy, chóng t«i tr×nh bµy kÕt
qu¶ nghiªn cøu ph−¬ng ph¸p tæng hîp vµ m«
pháng hÖ biÕn tÇn ®iÒu khiÓn vect¬ tùa theo tõ
th«ng r«to vµ ®Ò xuÊt mét ph−¬ng ph¸p nhËn
d¹ng on-line h»ng sè thêi gian r«to cña ®éng
c¬ kh«ng ®ång bé trong qu¸ tr×nh ®éng do ¶nh
h−ëng cña hiÖu øng mÆt ngoµi vµ b·o hßa
m¹ch tõ.
ii. nguyªn lý ®iÒu khiÓn vect¬
VÐc t¬ dßng ®iÖn stato ®−îc t¸ch ra lµm
hai thµnh phÇn (h×nh 1): Thµnh phÇn thø nhÊt
lµ isd cã chiÒu trïng víi vect¬ tõ th«ng r«to,
thµnh phÇn nµy tû lÖ víi tõ th«ng r«to (ψr~ isd),
nhê cã bé ®iÒu chØnh dßng mµ thµnh phÇn isd
®−îc gi÷ kh«ng ®æi i = const do ®ã tõ th«ng
sd
e
r«to ®−
î
c
g
i÷ kh«n
g
®æi, isd ®−
î
c
gä
i lµ dßn
g
t¹o tõ th«ng (dßng kÝch tõ).
H×nh 1. §å thÞ vect¬
Thµnh phÇn thø hai lµ isq cã chiÒu vu«n
g
g
ãc víi vect¬ tõ th«n
g
r«to. Do m«men qua
y
t
û
lÖ víi tÝch cña tõ th«n
g
vµ thµnh phÇn dßn
g
isq ( M ~ ψr.isq
)
, m
Æ
t kh¸c tõ th«n
g
®−
î
c
g
i
÷
kh«ng ®æi nªn thµnh phÇn dßng isq t
û
lÖ víi
m«men, b»ng c¸ch ®iÒu chØnh dßng isq ta sÏ
®iÒu chØnh ®−îc m«men quay, dßng isq ®−
î
c
gä
i lµ dßn
g
t
¹
o m«men qua
y
. Nh− v
Ëy
nÕu
thµnh c«ng trong viÖc gi÷ isd = const vµ ¸p ®
Æ
t
nhanh dßng isq ®Ó ®iÒu khiÓn m«men th× thu
Ë
t
to¸n ®iÒu khiÓn vect¬ (®iÒu khiÓn tr−ên
®
nh
h−ín
g)
cho ®
é
n
g
c¬ kh«n
g
®ån
g
b
é
sÏ t−¬n
g
t
ù
nh− ®iÒu khiÓn ®
é
n
g
c¬ m
é
t chiÒu kÝch t
õ
®
é
c l
Ë
p. H×nh 2 lµ s¬ ®å cÊu tróc hÖ ®iÒu khiÓn
vect¬ tùa theo tõ th«ng r«to.
H×nh 2. S¬ ®å m« pháng hÖ ®iÒu khiÓn vect¬ cã kh©u nhËn d¹ng Tr
III. Bé ®iÒu chØnh dßng ®iÖn kiÓu dù b¸o
IPC (Intelligent Predictive Controller)
Bé ®iÒu chØnh dßng ®iÖn cã nhiÖm vô ¸p
®Æt nhanh chÝnh x¸c m« men quay trªn c¬ së
®iÒu chØnh dßng ®iÖn stato. HiÖn nay cã rÊt
nhiÒu ph−¬ng ph¸p ®iÒu chØnh dßng stato,
trong c¸c ph−¬ng ph¸p ®ã cã ph−¬ng ph¸p
®iÒu chØnh dßng th«ng minh kiÓu dù b¸o IPC
hai ®iÓm [2] cã ®é t¸c ®éng nhanh, cã thÓ ®iÒu
khiÓn nhanh m«men quay b¸m s¸t gi¸ trÞ
m«men ®Æt nhê kh¶ n¨ng dù b¸o tr−íc mÉu
xung ®iÒu khiÓn tèi −u ®Ó ®iÒu khiÓn van b¸n
dÉn trong chu kú kÕ tiÕp khi vect¬ dßng stato
rêi khái ph¹m vi sai sè ®Æt tr−íc. H×nh 3 lµ s¬
®å nguyªn lý bé ®iÒu chØnh dßng thùc hiÖn
theo nguyªn t¾c IPC.
eH×nh 3. Kh©u ®iÒu chØnh vect¬ dßng stato theo kiÓu IPC
a b
H×nh 4. a) Vect¬ sai sè cña dßng ®iÖn; b) Ph¹m vi sai sè cña dßng pha a; c) Ph¹m vi sai sè chung cña c¶ ba pha
Khi mét dßng rêi khái ph¹m vi sai sè cho
phÐp H (h×nh 4b, c), tïy theo dÊu cña sai sè
mµ pha ®ã sÏ ®−îc nèi víi cùc "+" hoÆc cùc "-
" cña nguån ®iÖn ¸p mét chiÒu cÊp cho biÕn
tÇn. §©y lµ mét ph−¬ng ¸n cã −u thÕ lín do cã
®Æc ®iÓm ®¬n gi¶n vµ cã ®Æc tÝnh ®éng häc
cao nªn ®−îc dïng phæ biÕn trong hÖ ®iÒu
khiÓn vect¬ ®ßi hái cao vÒ ®Æc tÝnh ®éng.
iv. Tæng hîp bé ®iÒu chØnh tõ th«ng
(Flux Controller)
Bé ®iÒu chØnh tõ th«ng lµm nhiÖm vô ¸p
®Æt nhanh, chÝnh x¸c dßng ®iÖn ®Æt isd, lo¹i bá
®−îc quan hÖ trÔ bËc nhÊt gi÷a tõ th«ng r«to
víi dßng ®iÖn isd. §Ó tæng hîp bé ®iÒu chØnh tõ
th«ng dùa vµo m¹ch vßng h×nh 5, trong ®ã ®èi
t−îng cña m¹ch vßng tõ th«ng ®−îc m« t¶ bëi
ph−¬ng tr×nh sau [1]:
)k()
T
T
1()k(i
T
T
)1k( '
rd
r
sd
r
'
rd Ψ−+=+Ψ (1)
v. Tæng hîp bé ®iÒu chØnh tèc ®é
(Speed Controller)
Bé ®iÒu chØnh tèc ®é lµm nhiÖm vô duy
tr×, æn ®Þnh tèc ®é ë gi¸ trÞ ®Æt th«ng qua viÖc
t¹o dßng m«men thÝch hîp i*sq. §Çu ra cña bé
®iÒu chØnh tèc ®é lµ dßng ®Æt m«men i*.
sq
H×nh 6. M¹ch vßng ®Ó tæng hîp bé ®iÒu chØnh tèc ®é
Tõ ph−¬ng tr×nh tÝnh m«men vµ ph−¬ng
tr×nh ®éng häc cña §C K§B [1]:
sqrdC
r
2
m
dt i'p
L
L
2
3
MΨ=
(2)
dt
d
p
J
MM
c
Cdt
ω
=−
(3)
Ta cã m¹ch vßng tæng
hîp bé ®iÒu chØnh tèc ®é
nh− h×nh 6.
§Ó x¸c ®Þnh th«ng sè
cña bé ®iÒu chØnh tèc ®é
chóng t«i sö dông c«ng cô Nonlinear Control
Design (NCD) trong Simulink - Matlab. Gi¶ sö
H×nh 5. M
¹
ch vßn
g
®iÒu chØnh
t
õ th«n
g
bé ®iÒu chØnh tèc ®é lµ kh©u PI [2], dùa vµo
c«ng cô NCD thu ®−îc th«ng sè cña bé ®iÒu
chØnh tèc ®é cña hÖ BiÕn tÇn - §C K§B 14kW
nh− sau: Kp = 25, Ki = 15.
H×nh 7. CÊu tróc cña bé ®iÒu chØnh tèc ®é
vi. M« h×nh quan s¸t vect¬ tõ
th«ng r«to (Flux Estimator, Flux
Observer)
1. M« h×nh tÝnh gãc vect¬ tõ th«ng
§Ó cã thÓ x©y dùng ®−îc hÖ ®iÒu khiÓn
vect¬ tùa theo tõ th«ng r«to ta cÇn ph¶i biÕt
chÝnh x¸c h−íng cña vect¬ tõ th«ng r«to, do
®ã ta cÇn ph¶i tÝnh chÝnh x¸c gãc lÖch υs cña
tõ th«ng r«to víi trôc α cña hÖ täa ®é cè ®Þnh
stato, gãc υs ®−îc tÝnh nh− sau:
()
dt)0( rss ∫ω+ω+υ=υ
(4)
víi υs(0) lµ vÞ trÝ ®Çu cña vect¬ tõ th«ng r«to.
Tèc ®é tr−ît cña r«to ®−îc tÝnh nh− sau [1]:
)k(T
)k(i
)k( ,
rd
r
sq
rψ
=ω
(5)
Tõ c¸c c«ng thøc trªn ta x©y dùng ®−îc
m« h×nh tÝnh gãc υs nh− h×nh 8.
H×nh 8. M« h×nh tÝnh gãc
υ
s
Tõ c¸c c«ng thøc trªn ta thÊy r»ng gi¸ trÞ
gãc tÝnh ®−îc υs phô thuéc rÊt lín vµo ®é
chÝnh x¸c cña h»ng sè thêi gian r«to Tr, mµ Tr
lµ tham sè biÕn ®æi m¹nh do ¶nh h−ëng cña
hiÖu øng mÆt ngoµi, sù b·o hßa cña m¹ch tõ
vµ nhiÖt ®é. §Ó cã thÓ ®iÒu khiÓn ®Þnh h−íng
tr−êng r«to mét c¸ch chÝnh x¸c ta cÇn ph¶i cã
ph−¬ng ph¸p nhËn d¹ng chÝnh x¸c h»ng sè
thêi gian r«to.
2. M« h×nh tÝnh modul vect¬ tõ th«ng
Tõ ph−¬ng tr×nh (1) ta x©y dùng ®−îc m«
h×nh tÝnh modul vect¬ tõ th«ng r«to (h×nh 9).
Chóng ta thÊy r»ng tõ th«ng r«to ψ*rd phô thuéc
vµo h»ng sè thêi gian r«to, ®©y lµ tham sè biÕn
®æi trong qu¸ tr×nh lµm viÖc. V× vËy, ®Ó cã thÓ
tÝnh chÝnh x¸c tõ th«ng r«to ta cÇn ph¶i cã m«
h×nh cã nhËn d¹ng h»ng sè thêi gian r«to Tr.
H×nh 9. M« h×nh tÝnh tõ th«ng r«t«
vii. M« h×nh nhËn d¹ng h»ng sè thêi
gian r«to Tr do ¶nh h−ëng cña sù b·o
hßa m¹ch tõ vμ hiÖu øng mÆt ngoμi
Dùa vµo nguyªn t¾c x¸c ®Þnh tham sè
cña ®éng c¬ do ¶nh h−ëng cña hiÖu øng mÆt
ngoµi vµ sù b·o hßa m¹ch tõ, xem [1], chóng
t«i ®Ò xuÊt mét ph−¬ng ph¸p nhËn d¹ng h»ng
sè thêi gian r«to Tr trong qu¸ tr×nh ®éng nh»m
c¶i thiÖn ®Æc tÝnh ®éng cña hÖ thèng, néi dung
cña ph−¬ng ph¸p nh− sau:
- Tham sè khëi ®Çu cho kh©u nhËn d¹ng
h»ng sè thêi gian r«to Tr: §ã lµ c¸c gi¸ trÞ ®iÖn
kh¸ng, ®iÖn trë r«to ®· cho tr−íc trong tµi liÖu
thiÕt kÕ m¸y ®iÖn hoÆc trªn nh·n cña m¸y ®iÖn.
- TÝn hiÖu ®Çu vµo ®Ó cã thÓ xÐt ®−îc ¶nh
h−ëng cña hiÖu øng mÆt ngoµi vµ sù b·o hßa
m¹ch tõ lµ: hÖ sè tr−ît s (hoÆc tèc ®é), tÇn sè
gãc stato ωs, biªn ®é dßng ®iÖn stato, trong
qu¸ tr×nh khëi ®éng c¸c gi¸ trÞ ®ã ®Òu lµ tham
sè biÕn ®æi. Nhê bé ®iÒu chØnh tèc ®é, bé ®iÒu chØnh
tõ th«ng cã kh©u h¹n chÕ, kh©u quan s¸t
vect¬ tõ th«ng r«to cã nhËn d¹ng h»ng sè thêi
gian r«to vµ kh¶ n¨ng ¸p ®Æt nhanh, chÝnh x¸c
cña bé ®iÒu chØnh dßng ®iÖn mµ dßng ®iÖn
khëi ®éng ®−îc h¹n chÕ trong ph¹m vi ®Æt
tr−íc (h×nh 11a), dßng ®iÖn i
- H»ng sè thêi gian r«to ®−îc tÝnh theo
c«ng thøc sau:
rs
20
r
r
rR
(t)x(t)x
R
L
Tω
+
==
(6) , i
trong ®ã: x0, x2, Rr lÇn l−ît lµ ®iÖn kh¸ng m¹ch
tõ hãa, ®iÖn kh¸ng r«to ®· quy ®æi vÒ stato,
®iÖn trë r«to - ®©y lµ c¸c tham sè biÕn ®æi do
¶nh h−ëng cña hiÖu øng mÆt ngoµi vµ b·o
hßa m¹ch tõ, ®−îc x¸c ®Þnh theo [1].
sd sq lu«n b¸m
theo gi¸ trÞ dßng ®iÖn ®Æt i* *
, i
sd sq (h×nh 11c, d).
§Æc tÝnh m«men Ýt dao ®éng, tèc ®é t¨ng ®Òu
trong qu¸ tr×nh khëi ®éng, sai lÖch tèc ®é ë
trong chÕ ®é x¸c lËp rÊt nhá (h×nh 11e), ®Æc
tÝnh m«men v−ît tréi so víi ®Æc tÝnh m«men
trong hÖ biÕn tÇn ®iÒu khiÓn theo luËt U/f mµ
t¸c gi¶ ®· kh¶o s¸t trong [5].
−u ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p lµ cã kh¶
n¨ng nhËn d¹ng trùc tuyÕn (on line) khi hÖ
thèng ®ang lµm viÖc, ph−¬ng ph¸p chØ sö
dông tÝn hiÖu th«ng th−êng cã thÓ ®o ®−îc vµ
tån t¹i trong mäi hÖ truyÒn ®éng nh− dßng
®iÖn, tèc ®é, kh«ng sö dông c¸c tÝn hiÖu kÝch
thÝch phô g©y bÊt lîi cho hÖ thèng. M« h×nh
nhËn d¹ng h»ng sè thêi gian r«to vµ giao diÖn
nhËp th«ng sè nh− trªn h×nh 10.
viii. KÕt qu¶ m« pháng vμ nhËn xÐt
H×nh 10a. M« h×nh nhËn d¹ng Tr
H×nh 10b. Giao diÖn nhËp th«ng sè cho khèi nhËn d¹ng
H×nh 11a. HÖ sè tr−ît, biªn ®é dßng ®iÖn
H×nh 11b. H»ng sè thêi gian r«to Tr vμ tõ th«ng r«to
H×nh 11c. Dßng ®iÖn ®Æt