Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Điều khiển vector phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha trong điều kiện thời gian thực

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:159

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn nghiên cứu nhằm chỉ ra con đường thực hiện các cấu trúc ĐK phi tuyến thích hơp hoen với thực tiễn, phát xuất phát từ mô hình gián đoạn mô tả đối tượng phi tuyến đủ chính xác tạc các thời điểm gián đoạn điều, từ đó thiết kế trực tiếp ĐK phi tuyến hạn chế ảnh hưởng của quá trình xấp xỉ gần đúng luật ĐK sang thuật toán ĐK.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Điều khiển vector phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha trong điều kiện thời gian thực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Tâm Thành ĐIỀU KHIỂN VECTOR PHI TUYẾN CHO MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA TRONG ĐIỀU KIỆN THỜI GIAN THỰC LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Tâm Thành ĐIỀU KHIỂN VECTOR PHI TUYẾN CHO MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA TRONG ĐIỀU KIỆN THỜI GIAN THỰC Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 62520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TSKH. NGUYỄN PHÙNG QUANG Hà Nội - 2014
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang. Các số liệu, kết quả trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Tác giả luận án Phạm Tâm Thành
LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang. Ngoài những chỉ dẫn về mặt khoa học, sự động viên và lòng tin tưởng của thầy dành cho tác giả luôn là động lực lớn giúp tác giả tự tin và say mê trong nghiên cứu. Qua đây tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và lòng quý mến đối với thầy. Tác giả cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn đến Ban lãnh đạo, các thầy, các đồng nghiệp trong Trung tâm nghiên cứu triển khai công nghệ cao (Hitech) nay là Viện Kỹ thuật Điều khiển&Tự động hóa, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo một môi trường học tập và nghiên cứu thuận lợi giúp tác giả hoàn thành luận án này. Tại đây tác giả đã nhận được nhiều chỉ dẫn, góp ý cũng như một môi trường khoa học nghiêm túc và thân thiện, điều không thể thiếu trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận án của tác giả. Tác giả cũng xin được cảm ơn các Thầy, các anh chị, các bạn đồng nghiệp công tác tại Bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp, Bộ môn Điều khiển tự động, Viện Điện, Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, những người đã có những góp ý quý báu giúp tác giả hoàn thiện luận án. Tác giả xin được cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Ban lãnh đạo, các chuyên viên của Viện Đào tạo Sau đại học Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện hỗ trợ tác giả trong quá trình nghiên cứu, hoàn thiện luận án. Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám hiệu trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, Ban chủ nhiệm Khoa Điện-Điện tử, Ban chủ nhiệm Bộ môn, các anh chị đồng nghiệp công tác tại Bộ môn Điện tự động công nghiệp- Khoa Điện-Điện tử, trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình tác giả học tập, công tác và hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bố mẹ, vợ và con trai, những người luôn cảm thông và động viên tác giả trong quá trình hoàn thành luận án. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn bè, bạn bè nguồn động viên to lớn đối với tác giả. Tác giả
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.................................................... 4 DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ........................................................................... 6 MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 12 1 TỔNG QUAN .................................................................................................... 16 1.1 Đặt vấn đề ......................................................................................16 1.2 Tổng quan các phương pháp điều khiển máy điện xoay chiều ba pha .............................................................................................................17 1.3 Điều khiển thời gian thực (realtime control, digital control) cho máy điện xoay chiều ba pha .........................................................................23 1.3.1 Bộ điều khiển thời gian thực tuyến tính cho máy điện xoay chiều ba pha ..................................................................................23 1.3.2 Bộ điều khiển thời gian thực phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha ..................................................................................23 1.4 Tình hình và định hướng nghiên cứu ..............................................24 1.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước ..........................................24 1.4.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài .......................................24 1.4.3 Định hướng nghiên cứu của luận án......................................25 2 MÔ HÌNH MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA THÍCH HỢP CHO THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN......................................................................................................... 26 2.1 Mô hình toán học của máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc .......26 2.2 Mô hình dòng phi tuyến dạng affine của máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc .......................................................................................30 2.3 Mô hình gián đoạn bilinear của máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc thích hợp với điều khiển thời gian thực...........................................31 2.3.1 Nghiệm của phương trình vi phân dạng ma trận ...................32 2.3.2 Nghiệm của phương trình bilinear.........................................32 2.3.3 Mô hình trạng thái gián đoạn của máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc sử dụng phương pháp Taylor..................................34 2.4 Kết luận chương 2 ..........................................................................36 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA ........................................................................................ 37 3.1 Cấu trúc điều khiển phi tuyến cho máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc sử dụng phương pháp tuyến tính hóa chính xác ......................37 1
3.1.1 Khái quát về phương pháp tuyến tính hoá chính xác .............37 3.1.2 Cấu trúc điều khiển ..............................................................39 3.2 Cấu trúc điều khiển phi tuyến cho máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc theo nguyên lý hệ phẳng..........................................................40 3.2.1 Khái quát về nguyên lý hệ phẳng ...........................................40 3.2.2 Cấu trúc điều khiển ..............................................................42 3.3 Cấu trúc điều khiển cho máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc sử dụng phương pháp backstepping ..........................................................45 3.3.1 Khái quát về phương pháp backstepping...............................45 3.3.2 Cấu trúc điều khiển ..............................................................46 3.4 Kết luận chương 3 ..........................................................................48 4 ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN THỜI GIAN THỰC CHO MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA ............................................................................................................... 49 4.1 Cấu trúc điều khiển máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác .........................................49 4.2 Cấu trúc điều khiển máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng .......................................................................55 4.3 Cấu trúc điều khiển máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc thiết kế theo phương pháp backstepping ...........................................................57 4.4 Kết luận chương 4 ..........................................................................61 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM ......................................................... 62 5.1 Kết quả mô phỏng cho máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc ......62 5.1.1 Mô phỏng cấu trúc điều khiển thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác .........................................................................62 5.1.2 Mô phỏng cấu trúc điều khiển thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng ......................................................................................................79 5.1.3 Mô phỏng cấu trúc điều khiển thiết kế theo phương pháp backstepping..................................................................................85 5.1.4. Đánh giá kết quả mô phỏng khi các cấu trúc điều khiển được thiết kế theo các phương pháp khác nhau ......................................88 5.2 Kết quả thí nghiệm .........................................................................93 5.2.1 Cấu trúc thực nghiệm và ưu thế ............................................93 5.2.2 Kết quả thí nghiệm động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ....95 5.3 Kết luận chương 5 ........................................................................104 2
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................105 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................106 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................113 PHỤ LỤC ............................................................................................................114 Phụ lục A: Mô hình của máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu...........114 A1: Mô hình trạng thái của máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu tựa theo từ thông cực ...................................................................114 A2: Mô hình dòng affine ...............................................................115 A3: Mô hình trạng thái gián đoạn bilinear ....................................116 Phụ lục B: Mô hình của máy điện không đồng bộ nguồn kép..............117 B1: Mô hình trạng thái của máy điện không đồng bộ nguồn kép tựa theo vector điện áp lưới................................................................117 B2: Mô hình dòng affine...............................................................120 B3: Mô hình trạng thái gián đoạn bilinear....................................121 Phụ lục C: Các phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến liên tục cho máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu và không đồng bộ nguồn kép ..122 C1: Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu ...................................122 C2: Máy điện không đồng bộ nguồn kép ......................................126 Phụ lục D: Các cấu trúc điều khiển phi tuyến thời gian thực của máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu và không đồng bộ nguồn kép..........131 D1: Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu ...................................131 D2: Máy điện không đồng bộ nguồn kép ......................................144 Phụ lục E: Thông số của các máy điện sử dụng trong quá trình mô phỏng và thực nghiệm ........................................................................154 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ws , wr Tốc độ góc của các vector thuộc mạch điện stator, rotor w Tốc độ góc cơ học của rotor is Vector dòng stator isd , isq , is , is Các thành phần của vector dòng stator trên hệ tọa độ dq và β ir Vector dòng rotor ird , irq , ir , ir  Các thành phần của vector dòng rotor trên hệ tọa độ dq và β Ys Vector từ thông stator ysd , ysq Các thành phần của vector từ thông stator trên hệ tọa độ dq Ψr Vector từ thông rotor yrd , yrq Các thành phần của vector từ thông stator trên hệ tọa độ dq us Vector điện áp stator usd , usq Các thành phần của vector điện áp stator trên hệ tọa độ dq A Ma trận hệ thống B Ma trận đầu vào N Ma trận tương tác phi tuyến u Vector biến đầu vào x Vector biến trạng thái y Vector biến đầu ra r Vector bậc tương đối L( x) Ma trận tách kênh Lm Hỗ cảm giữa stator và rotor Ls , Lr Điện cảm stator và rotor L s , L r Điện cảm tản phía stator và rotor Rs , Rr Điện trở stator và rotor  Hệ số từ tản toàn phần zp Số cặp cực mM , mW Mômen quay của động cơ, mômen tải J Mômen quán tính cơ KĐB Không đồng bộ KĐB-NK Không đồng bộ nguồn kép 4
KĐB-RLS Không đồng bộ rotor lồng sóc TTHCX Tuyến tính hóa chính xác TKTT Tách kênh trực tiếp ĐB Đồng bộ ĐB-KTVC Đồng bộ kích thích vĩnh cửu ĐB-KTĐL Đồng bộ kích thích độc lập MĐXCBP Máy điện xoay chiều ba pha ĐCVTKG Điều chế vector không gian ĐCD Điều chỉnh dòng ĐC Điều chỉnh TTR Từ thông rotor T4R Tựa từ thông rotor TTGĐ Trạng thái gián đoạn ĐLĐK Đại lượng điều khiển ĐK Điều khiển QS Quan sát DFIM Doubly-Fed Induction Machine IM Induction Motor PI Proportional–integral controller PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor PWM Pulse Width Modulation FRT Finite respone time RTI Real time interface RFO Rotor Flux Orientation SFO Statator Flux Orientation NFO Natural Field Orientation GAS Globally asymptotically stable MIMO Multi-Input – Multi-Output MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Tranzitor PC Personal computer ISA Integrated Systems Architecture DSP Digital Signal Processor IGBT Insulated Gate Bipolar Tranzitor 5
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Các loại máy điện xoay chiều ba pha 16 Hình 1.2 Các phương pháp điều khiển đối tượng MĐXCBP 17 Hình 1.3 Hệ thống hóa các phương pháp điều khiển MĐXCBP 18 Hình 1.4 Các phương pháp điều khiển vector phi tuyến cho 19 MĐXCBP Hình 2.1 Đặc điểm phi tuyến bilinear của mô hình máy điện KĐB 27 trên hệ tọa độ tựa từ thông rotor Hình 2.2 Đặc điểm phi tuyến bilinear của mô hình dòng máy điện 29 KĐB-RLS trên hệ tọa độ tựa từ thông rotor Hình 2.3 Các phương án tìm mô hình trạng thái gián đoạn 31 Hình 3.1 Cấu trúc của đối tượng phi tuyến sau khi đã TTHCX 38 (chuyển tọa độ trạng thái) Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện KĐB-RLS thiết 40 kế theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác [62] Hình 3.3 Cấu trúc bộ điều khiển truyền thẳng [83] 41 Hình 3.4 Cấu trúc hệ thống thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng [83] 42 Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện không đồng bộ 43 rotor lồng sóc thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng [19] Hình 3.6 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện KĐB-RLS thiết 43 kế theo nguyên lý hệ phẳng (có bổ sung thêm khâu thiết lập quỹ đạo phẳng cho mạch vòng dòng) Hình 3.7 Cấu trúc hệ “dạng tam giác dưới” và phương pháp đệ 46 quy (backstepping) tìm hàm điều khiển Lyapunov Hình 3.8 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện KĐB-RLS thiết 47 kế theo phương pháp backstepping [20] Hình 3.9 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện KĐB-RLS thiết 47 kế theo phương pháp backstepping Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện KĐB-RLS thiết 55 kế theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác [62] Hình 4.2 Cấu trúc điều khiển máy điện KĐB-RLS thiết kế theo 57 nguyên lý hệ phẳng 6
Hình 4.3 Cấu trúc điều khiển máy điện KĐB-RLS thiết kế theo 57 phương pháp backstepping Hình 5.1 Sơ đồ mô phỏng cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện 62 KĐB-RLS thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác Hình 5.2 Tốc độ đặt và tốc độ thực của động cơ 63 Hình 5.3 Đặc tính dòng ba pha 64 Hình 5.4 Đặc tính mô-men và thành phần dòng isq 64 Hình 5.5 Đáp ứng từ thông và thành phần dòng isd 65 Hình 5.6 Đáp ứng dòng isd và isq 65 Hình 5.7 Đáp ứng các thành phần: isd , isq , yrd' , w 66 Hình 5.8 Đáp ứng tốc độ khi đảo chiều 66 Hình 5.9 Đáp ứng dòng ba pha 67 Hình 5.10 Đặc tính mô-men và thành phần 67 Hình 5.11 Từ thông và thành phần dòng isd 67 Hình 5.12 Thành phần dòng isd và isq 68 Hình 5.13 4 thành phần: isd , isq , yrd' , w 68 Hình 5.14 Đáp ứng tốc độ 69 Hình 5.15 Đáp ứng dòng ba pha 69 Hình 5.16 Thành phần dòng isd và isq 70 Hình 5.17 Đáp ứng tốc độ 70 Hình 5.18 Đáp ứng dòng ba pha 71 Hình 5.19 Thành phần dòng isd và isq 71 Hình 5.20 Đáp ứng tốc độ 72 Hình 5.21 Đáp ứng dòng ba pha 72 Hình 5.22 Thành phần dòng isd và isq 73 Hình 5.23 Đáp ứng tốc độ 73 Hình 5.24 Đáp ứng dòng ba pha 74 Hình 5.25 Thành phần dòng isd và isq 74 Hình 5.26 Đáp ứng tốc độ 75 7
Hình 5.27 Đáp ứng dòng ba pha 75 Hình 5.28 Thành phần dòng isd và isq 75 Hình 5.29 Đáp ứng tốc độ 76 Hình 5.30 Đáp ứng dòng ba pha 76 Hình 5.31 Thành phần dòng isd và isq 77 Hình 5.32 Đáp ứng tốc độ khi đảo chiều 77 Hình 5.33 Đáp ứng dòng ba pha 78 Hình 5.34 Đáp ứng dòng isd và isq 78 Hình 5.35 Sơ đồ mô phỏng cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện 80 KĐB-RLS thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng Hình 5.36 Đáp ứng tốc độ của động cơ khi tăng tốc 81 Hình 5.37 Đáp ứng dòng ba pha 81 Hình 5.39 Đáp ứng dòng isq 82 Hình 5.40 Đáp ứng dòng isd và isq 83 Hình 5.41 Đáp ứng tốc độ khi đảo chiều 83 Hình 5.42 Đáp ứng dòng ba pha 84 Hình 5.43 Đáp ứng dòng isd 84 Hình 5.44 Đáp ứng dòng isq 84 Hình 5.45 Đáp ứng hai thành phần dòng dòng isd và isq 85 Hình 5.46 Sơ đồ mô phỏng cấu trúc điều khiển máy điện KĐB-RLS 85 thiết kế theo phương pháp backtepping Hình 5.47 Đáp ứng tốc độ khi tăng tốc 86 Hình 5.48 Đáp ứng dòng ba pha khi tăng tốc 86 Hình 5.49 Đáp ứng thành phần dòng isd và isq 87 Hình 5.50 Đáp ứng tốc độ khi đảo chiều 87 Hình 5.51 Đáp ứng dòng ba pha 88 Hình 5.52 Đáp ứng thành phần dòng isd và isq 88 Hình 5.53 Đáp ứng tốc độ ứng với các cấu trúc điều khiển 89 Hình 5.54 Đáp ứng từ thông ứng với các cấu trúc điều khiển 89 8
Hình 5.55 Đáp ứng thành phần dòng isd ứng với các cấu trúc điều 90 khiển Hình 5.56 Đáp ứng thành phần dòng isq ứng với các cấu trúc điều 90 khiển Hình 5.57 Đáp ứng tốc độ khi đảo chiều ứng với các cấu trúc điều 91 khiển Hình 5.58 Đáp ứng từ thông ứng với các cấu trúc điều khiển 91 Hình 5.59 Đáp ứng thành phần dòng isd ứng với các cấu trúc điều 92 khiển Hình 5.60 Đáp ứng thành phần dòng isq ứng với các cấu trúc điều 92 khiển Hình 5.61 Cấu trúc mạch công suất của biến tần thực nghiệm 95 Hình 5.62 Hình ảnh chi tiết biến tần thực nghiệm 95 Hình 5.63 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống 96 Hình 5.64 Thời gian đóng ngắt các van tu, tv, tw và tv-tw khi quan sát 96 trên Graph của phần mềm Code Compose Studio (CCS) Hình 5.65 Thời gian đóng ngắt van tu, tv 96 Hình 5.66 Thời gian đóng ngắt van tu, tv-tw 96 Hình 5.67 Thời gian đóng ngắt van tv, tw 97 Hình 5.68 Dạng sóng PWM1H&2H 97 Hình 5.69 Dạng sóng PWM1H&3H 97 Hình 5.70 Dạng sóng PWM1L&2L 97 Hình 5.71 Dạng sóng PWM1L&3L 97 Hình 5.72 Dạng sóng PWM2L&3L 97 Hình 5.73 Dạng sóng U&V khi điện áp đầu vào 200VAC (sử dụng 98 que đo cách ly có tỷ lệ 1/200) Hình 5.74 Dạng sóng U&W khi điện áp đầu vào 250VAC (sử dụng 98 que đo cách ly có tỷ lệ 1/200) Hình 5.75 Tốc độ và các thành phần dòng của động cơ khi tăng tốc 99 Hình 5.76 Tốc độ và các thành phần dòng của động cơ khi tăng tốc 100 Hình 5.77 Tốc độ và các thành phần dòng của động cơ khi đảo 101 chiều Hình 5.78 Tốc độ và các thành phần dòng của động cơ khi tăng tốc 102 9
Hình 5.79 Tốc độ và các thành phần dòng của động cơ khi đảo 103 chiều Hình 5.80 Đặc tính khi đóng tải 103 Hình PL.1 Đặc điểm phi tuyến bilinear của mô hình máy điện ĐB- 115 KTVC trên hệ tọa độ tựa từ thông cực Hình PL.2 Đặc điểm phi tuyến bilinear của mô hình máy điện KĐB- 119 NK trên hệ tọa độ tựa điện áp lưới Hình PL.3 Đặc điểm phi tuyến bilinear của mô hình dòng rotor máy 120 điện KĐB-NK trên hệ tọa độ tựa điện áp lưới Hình PL.4 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện ĐB-KTVC thiết 123 kế theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác Hình PL.5 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện đồng bộ kích 124 thích vĩnh cửu Hình PL.6 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện đồng bộ kích 124 thích vĩnh cửu thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng (có bổ sung khâu thiết lập quỹ đạo phẳng cho mạch vòng dòng) Hình PL.7 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện đồng bộ kích 126 thích vĩnh cửu Hình PL.8 Cấu trúc điều khiển thiết kế theo phương pháp tuyến 127 tính hóa chính xác điều chỉnh máy phát trong hệ thống máy phát điện chạy sức gió sử dụng MĐKĐBNK Hình PL.9 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện không đồng bộ 128 nguồn kép thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng Hình PL.10 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện không đồng bộ 128 nguồn kép thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng (có bổ sung thêm khâu thiết lập quỹ đạo phẳng cho mạch vòng dòng rotor) Hình PL.11 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện không đồng bộ 130 nguồn kép khi bộ điều chỉnh dòng thiết kế theo phương pháp backstepping Hình PL.12 Cấu trúc điều điều khiển phi tuyến máy điện không 131 đồng bộ nguồn kép khi bộ điều chỉnh dòng thiết kế theo phương pháp backstepping Hình PL.13 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện ĐB-KTVC thiết 138 kế theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác Hình PL.14 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện đồng bộ kích 140 thích vĩnh cửu thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng 10
Hình PL.15 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện ĐB-KTVC thiết 141 kế theo phương pháp backstepping Hình PL.16 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy phát trong hệ thống 150 máy phát điện sức gió sử dụng MĐ KĐBNK thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác Hình PL.17 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện không đồng bộ 152 nguồn kép thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng Hình PL.18 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện không đồng bộ 152 nguồn kép khi bộ điều chỉnh dòng thiết kế theo phương pháp backstepping Hình PL.19 Hình ảnh hệ thống thí nghiệm 155 11
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài: Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ trong các lĩnh vực công nghệ chế tạo, công nghệ vật liệu mới và công nghệ thông tin là sự lớn mạnh của các ngành công nghiệp nhằm khai thác và cung cấp các sản phẩm, dịch vụ có chất lượng tốt nhất với giá thành hạ tới người sử dụng. Kinh nghiệm của các nước phát triển cho thấy việc áp dụng khoa học và công nghệ trong cải tiến, tạo ra các sản phẩm mới cũng như việc nâng cao chất lượng, giảm chi phí sản xuất và hạ giá thành sản phẩm, dịch vụ có ý nghĩa sống còn đối với mỗi nhà sản xuất nhưng ngược lại cũng đòi hỏi khoa học và công nghệ phải luôn đi trước một bước, đáp ứng được yêu cầu phát triển của nhà sản xuất nói riêng và của xã hội nói chung. Cho đến nay, lĩnh vực điều chỉnh tự động truyền động điện xoay chiều ba pha đã đi qua một chặng đường dài. Các kết quả nghiên cứu rất đa dạng, phong phú và dần đi đến mức độ hoàn thiện cao. Tuy nhiên, điều đó cũng không làm xu hướng tập trung nghiên cứu vào lĩnh vực này giảm sút bởi các lý do sau đây: các công cụ toán học mới liên tục được ra đời, các thiết bị phần cứng hỗ trợ cho điều khiển ngày một nâng cao về dung lượng bộ nhớ, tốc độ xử lý, số lượng cổng giao tiếp vào/ra và nhu cầu đòi hỏi công việc thiết kế hệ thống tối giản nhưng hiệu quả và chất lượng cao của các kỹ sư điều khiển tự động đặt ra... Theo trào lưu đó, các công trình nghiên cứu áp dụng các phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha được thực hiện cả ở trong và ngoài nước. Tuy nhiên các công trình đó chủ yếu thiết kế trên miền thời gian liên tục, hoặc dừng lại ở việc mô phỏng với phần cứng HIL (Hardware In Loop), vấn đề thiết kế điều khiển trên miền thời gian gián đoạn và cài đặt thời gian thực các cấu trúc điều khiển phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha chưa được đề cập đến. Vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Điều khiển vector phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha trong điều kiện thời gian thực”. Đối tượng nghiên cứu: Máy điện xoay chiều ba pha loại không đồng bộ rotor lồng sóc, không đồng bộ nguồn kép và đồng bộ kích thích vĩnh cửu Mục đích nghiên cứu: Bài toán giải quyết vấn đề cài đặt thời gian thực các cấu trúc điều khiển phi tuyến cho lớp đối tượng máy điện xoay chiều ba pha 12
Phạm vi nghiên cứu: Máy điện xoay chiều pha pha vận hành ở chế độ phi tuyến, khi các cấu trúc điều khiển phi tuyến được đề xuất sử dụng Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu của luận án thể hiện qua trình tự tiến hành công việc như sau: 1. Phân tích và chỉ ra đặc điểm phi tuyến cấu trúc bilinear của máy điện xoay chiều ba pha, tổng quát hóa dạng phương trình mô tả lớp máy điện xoay chiều ba pha, tổng quát hóa dạng phương trình mô tả mô hình dòng của máy điện xoay chiều ba pha 2. Trên cơ sở mô hình thu được, tiến hành tổng hợp các cấu trúc điều khiển phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha 3. Sau đó tiến hành kiểm chứng các cấu trúc ĐK thu được nhờ mô phỏng off- line trên nền Matlab/Simulink và PLECS 4. Cuối cùng là bước kiểm chứng bằng thực nghiệm trên mô hình thật của máy điện xoay chiều ba pha trên miền thời gian gián đoạn Ý nghĩa của đề tài: Việc thiết kế các cấu trúc điều khiển (ĐK) phi tuyến nhằm nâng cao chất lượng ĐK máy điện xoay chiều 3 pha (XC3P) đã được tiến hành trong suốt 10 năm qua tại trường ĐHBK Hà Nội nói riêng và trên thế giới nói chung. Tuy nhiên, các kết quả thu được trên miền thời gian, miền tần số chưa phù hợp với thực tiễn kỹ thuật, chưa thuận lợi cho việc cài đặt trên nền tảng kỹ thuật số (điều kiện thời gian thực, sử dụng vi điều khiển). Khi cài đặt ta sẽ phải chuyển xấp xỉ gần đúng luật ĐK thu được sang thuật toán ĐK. Luận án đặt mục tiêu chỉ ra con đường thực hiện các cấu trúc ĐK phi tuyến thích hợp hơn với thực tiễn, phải xuất phát từ mô hình gián đoạn mô tả đối tượng phi tuyến đủ chính xác tại các thời điểm gián đoạn cách đều, từ đó thiết kế trực tiếp ĐK phi tuyến hạn chế ảnh hưởng của quá trình xấp xỉ gần đúng luật ĐK sang thuật toán ĐK. Từ các mục tiêu đặt ra ta sẽ dễ dàng khẳng định được:  Ý nghĩa KH của đề tài: Khẳng định sự tồn tại/không tồn tại nghiệm của mô hình bilinear của đối tượng máy điện XC3P. Từ đó chọn phương pháp thu thập mô hình gián đoạn thích hợp với lớp đối tượng này. Cuối cùng, sử dụng các phương pháp thiết kế ĐK phi tuyến, thiết kế cấu trúc ĐK và kiểm chứng chúng thông qua mô phỏng và thực nghiệm. 13
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Với kết quả mới của luận án, ta sẽ có được chiếc chìa khóa mở cánh cửa đi vào các ứng dụng của thực tiễn công nghiệp, góp phần xác minh tính khả thi của các cấu trúc ĐK phi tuyến cho lớp đối tượng máy điện XC3P Những kết quả mới của luận án: Góp phần hoàn thiện các cấu trúc điều khiển phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha. Xây dựng mô hình trạng thái gián đoạn của máy điện xoay chiều ba pha theo phương pháp Taylor, mô hình này có đặc điểm bilinear và phù hợp với thiết kế điều khiển thời gian thực sử dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến. Từ các mô hình vừa xây dựng được tiến hành áp dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha trên miền thời gian gián đoạn Chứng minh tính khả thi của các bộ điều khiển phi tuyến thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác, nguyên lý hệ phẳng, phương pháp cuốn chiếu backstepping trong điều kiện thời gian thực thông qua mô phỏng và thực nghiệm. Bố cục của luận án được chia thành 5 chương: Chương 1 trình bày tổng quan các vấn đề trong điều khiển máy điện xoay chiều ba pha như các loại máy điện xoay chiều ba pha, các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến và các cách thức xử lý các yếu tố phi tuyến ảnh hưởng đến hệ thống, từ đó tổng hợp lại các vấn đề còn tồn tại cần tiếp tục nghiên cứu trong phương án mô hình hóa động cơ, các phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha. Chương 2 trình bày chi tiết về mô hình bilinear của máy điện xoay chiều ba pha, đưa ra các giải pháp xây dựng mô hình trạng thái gián đoạn thích hợp với điều khiển phi tuyến trong điều kiện thời gian thực Chương 3, trình bày khái quát ý tưởng các phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến: phương pháp tuyến tính hóa chính xác, phương pháp dựa trên nguyên lý hệ phẳng, phương pháp thiết kế cuốn chiếu (backstepping), từ đó đưa ra các cấu trúc điều khiển cho máy điện xoay chiều ba pha. Chương 4 sử dụng các kết quả thu được ở chương 2 là mô hình hóa của máy điện xoay chiều ba pha. Thực hiện thiết kế điều khiển phi tuyến trực tiếp trên miền thời gian gián đoạn cho máy điện xoay chiều ba pha. Chương 5 tác giả tập trung vào mô phỏng trên Matlab/Simulink và thực nghiệm sử dụng DSP họ C2000 của hãng Texas Instruments nhằm khẳng định kết quả nghiên cứu. Đây là bước tiền đề để chế tạo biến tần thương mại 14
có tích hợp các thuật toán điều khiển phi tuyến phù hợp với chế độ vận hành phi tuyến của máy điện xoay chiều ba pha. Máy điện xoay chiều ba pha gồm 3 loại: máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc, máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu, máy điện không đồng bộ nguồn kép. Để cho tập trung và tránh rườm rà trong các chương chỉ trình bày các kết quả nghiên cứu cho một loại máy điện điển hình: máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc, các kết quả nghiên cứu cho hai loại máy điện còn lại được trích dẫn trong Phụ lục Phần cuối là kết luận và kiến nghị của luận án. 15
1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Hiện nay, chúng ta đều biết đến hiệu quả kinh tế cao và tiện lợi về kỹ thuật trong sử dụng máy điện xoay chiều ba pha trong cả ứng dụng công nghiệp lẫn dân dụng. Do những ưu điểm quan trọng của máy điện xoay chiều ba pha mà việc ứng dụng rộng rãi máy điện xoay chiều ba pha là vấn đề cấp thiết đặt ra. Máy điện xoay chiều ba pha (MĐXCBP). Theo Hình 1.1 máy điện xoay chiều bao gồm: máy điện đồng bộ (MĐĐB) và máy điện không đồng bộ (MĐKĐB). Trong đó, MĐĐB lại có 2 loại: đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB- KTVC) và đồng bộ kích thích độc lập (ĐB-KTĐL). MĐKĐB có hai loại đó là: không đồng bộ rotor lồng sóc (KĐB-RLS) và không đồng bộ nguồn kép (KĐB- NK). Tuy nhiên đối với máy điện ĐB-KTĐL là loại máy điện được sử dụng trong các hệ thống máy phát điện công suất lớn, công suất cực lớn có phương thức điều khiển khác với 3 loại máy điện còn lại, do đó ta không nghiên cứu đến trong luận án này. Như vậy lớp đối tượng MĐXCBP được giới hạn gồm 3 loại máy điện (1), (2), (3). Về bản chất kỹ thuật, bản chất vật lý thì (1), (2), (3) có thể coi là một. Máy điện ĐB-KTĐL không thuộc phạm vi nghiên cứu của đề tài Hình 1.1 Các loại máy điện xoay chiều ba pha Trong những năm gần đây, lý thuyết điều khiển phi tuyến đã có những bước tiến quan trọng và trong đó có nhiều ứng dụng mà lý thuyết điều khiển tuyến tính không thể đưa ra các giải pháp phù hợp. Các ứng dụng của lý thuyết điều khiển phi tuyến cho máy điện ngày được quan tâm một cách rộng 16