Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha dung bộ điều khiển PID mờ lai

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:110

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài "Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha dùng bộ điều khiển PID mờ lai" là tìm hiểu phương pháp điều khiển định hướng trường, là phương pháp điều khiển tốt đã được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ điện; từ thông rotor để sử dụng trong hệ thống điều khiển định hướng trường được ước lượng dựa trên cơ sở của hàm Lyapunov; xây dựng hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID mờ để điều khiển tốc độ động cơ. Các luật hợp thành của tập mờ được xây dựng dựa vào các suy luận của người thiết kế, kinh nghiệm của chuyên gia.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha dung bộ điều khiển PID mờ lai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- NGUYỄN MINH CHƠN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ LAI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- NGUYỄN MINH CHƠN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ LAI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày … tháng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 Chủ tịch 2 Phản biện 1 3 Phản biện 2 4 Ủy viên 5 Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. HCM, ngày 18 tháng 02 năm 2018 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Minh Chơn..................................Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 06-12-1983 .................................. .Nơi sinh: Phú Tân – Cà Mau Chuyên ngành: Kỹ thuật điện................................................MSHV: 1641830004 I- Tên đề tài: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha dung bộ điều khiển PID mờ lai II- Nhiệm vụ và nội dung: - Tìm hiểu tổng quan về động cơ không đồng bộ 3 pha và các phương pháp điều khiển tốc độ. - Tìm hiểu về logic mờ, bộ điều khiển PID và ứng dụng trong điều khiển động cơ không đồng bộ. - Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab - Viết luận văn III- Ngày giao nhiệm vụ: (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong QĐ giao đề tài) IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15 tháng 8 năm 2018 V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn (Ký và ghi rõ họ tên)
LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên xin chân thành cám ơn thầy cô trong Viện Kỹ thuật HUTECH và Viện Đào tạo Sau đại học đã nhiệt tình giảng dạy và hỗ trợ để tôi hoàn thành khóa học. Đặc biệt PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương đã truyền cảm hứng vá hướng dẫn để tôi hoàn thành luận văn này. Cám ơn các bạn học viên cùng lớp đã đồng hành, động viên và giúp đỡ tôi trong học tập để vượt qua khó khăn trong học tập và nghiên cứu tại trường. Cuối cùng, tôi xin chân thành cám ơn sự quan tâm hỗ trợ tạo điều kiện về vật chất và tinh thần của gia đình trong suốt quá trình học tập. Nguyễn Minh Chơn
i MỤC LỤC Mục lục ............................................................................................................................i Tóm tắt luận văn .............................................................................................................iv Danh sách các hình .........................................................................................................vi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ......................................................................................... 1 1.1. Tổng quan đề tài ........................................................................................................ 1 1.2. Các phương pháp điều khiển .................................................................................... 2 1.2.1. Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar) ......................................... 2 1.2.2. Phương pháp điều chế vector không gian ............................................................. 4 1.2.3. Điều khiển định hướng trường .............................................................................. 5 1.2.4. Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp .................................................... 6 1.2.5. Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp .................................................... 6 1.2.6. Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường ................................................ 7 1.2.7. Nhận xét ................................................................................................................. 8 1.3. Những kỹ thuật tiên tiến hiện nay ............................................................................ 8 1.3.1. Điều khiển thông minh .......................................................................................... 8 1.3.2. Những kỹ thuật khác.............................................................................................. 9 1.4. Trình tự mô phỏng động cơ không đồng bộ ........................................................... 10 1.4.1. Xây dựng mô hình toán học của động cơ không đồng bộ cho cấu trúc điều khiển ....................................................................................................................................... 10 1.4.2. Bộ biến tần điều khiển ......................................................................................... 11 1.4.3. Kiểm tra thiết bị truyền động AC ........................................................................ 11 1.4.4. Phương pháp điều khiển, xây dựng và thiết kế bộ điều khiển đi kèm ................ 11 1.5. Định hướng ................................................................................................................. 11 1.6. Mục tiêu của đề tài.................................................................................................. 11 1.7. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................ 12 1.8. Nội dung của luận văn ............................................................................................ 12 1.9. Ý nghĩa đề tài .......................................................................................................... 12 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA13 2.1. Giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha......................................................... 13
ii 2.2. Vector không gian của các đại lượng ba pha.......................................................... 14 2.2.1. Xây dựng vector không gian ............................................................................... 14 2.2.2. Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian ............................................................ 16 2.2.3. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor ........................... 17 2.3. Mô hình của động cơ không đồng bộ ba pha ......................................................... 17 2.3.1. Lý do xây dựng mô hình...................................................................................... 20 2.3.2. Hệ phương trình cơ bản của động cơ .................................................................. 21 2.3.3. Các tham số của động cơ ..................................................................................... 22 2.3.4. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator .......................................... 23 2.3.5. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor ........................................... 25 2.3.6. Ưu điểm của việc mô tả động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor ............................................................................................................................... 26 2.3.7. Bộ điều chế độ rộng xung PWM ......................................................................... 27 2.3.8. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ stator trong Simulink của Matlab ..................................................................................................................... 28 2.4 Nhận xét ................................................................................................................... 34 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ........................................ 35 3.1. Đại cương về phương pháp FOC ............................................................................ 35 3.2. Cấu trúc nội dung phương pháp FOC .................................................................... 37 3.3. Mô phỏng phương pháp foc bằng simulink/matlab ............................................... 41 3.3.1. Sơ đồ cấu trúc hiện đại của phương pháp FOC trong Simulink/Matlab ............. 41 3.3.2. Giải thích nguyên lí hoạt động ............................................................................ 41 3.3.3. Phân tích sơ đồ..................................................................................................... 42 3.4. Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC .. 46 3.4.1. Tham số mô phỏng .............................................................................................. 46 3.4.2. Trình tự mô phỏng ............................................................................................... 46 3.4.3. Kết quả mô phỏng điều khiển FOC trong Simulink/Matlab ............................... 48 3.4.4. Nhận xét kết quả mô phỏng điều khiển FOC ...................................................... 62 CHƯƠNG 4: DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ............................................................................................. 65
iii 4.1. Tổng quan về phương pháp đề xuất ....................................................................... 65 4.2. Bộ điều khiển mờ pi ............................................................................................... 65 4.2.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 65 4.2.2. Cấu trúc bộ điều khiển pid mờ ............................................................................ 67 4.2.3. Cấu trúc bộ điều khiển pid mờ lai ....................................................................... 68 4.2.4. Xây dựng các bộ điều khiển pi mờ ...................................................................... 69 4.3. Mô phỏng điều khiển định hướng trường động cơ không đồng bộ dựa vào ước lượng từ thông rotor có bộ điều khiển mờ pi để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha ................................................................................................................ 80 4.4. Nhận xét .................................................................................................................. 89 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN , HẠN CHẾVÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ...... 91 5.1. Kết luận................................................................................................................... 91 5.2. Hạn chế ................................................................................................................... 91 5.3. Hướng phát triển ..................................................................................................... 92 Tài liệu tham khảo ......................................................................................................... 93
iv TÓM TẮT Động cơ không đồng bộ ba pha là thiết bị chủ lực trong truyền động điện xoay chiều vì các ưu điểm như: cấu tạo đơn giản, chắc chắn, vận hành tin cậy, ít bảo trì, sữa chữa, giá thành hạ, hiệu suất cao… so với động cơ một chiều. Tuy nhiên, việc điều khiển động cơ không đồng bộ là một vấn đề khó khăn, phức tạp vì động cơ không đồng bộ là một hệ phi tuyến mạnh và cần một thuật toán điều khiển hết sức chặt chẽ. Phương pháp điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control-FOC) có khả năng điều khiển độc lập từ thông và moment, đang được sử dụng phổ biến để điều khiển động cơ. Tác giả kết hợp tính ưu việt của các phương pháp điều khiển khác nhau, và cũng như với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều. Trong luận văn thạc sỹ này, đề tài “Ứng dụng phương pháp điều khiển PID mờ kết hợp với phương pháp định hướng trường để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha” được thực hiện. Với mục đích cải tiến phương pháp điều khiển PI thông thường (với thông số Kp và Ki cố định) bằng cách đề xuất phương pháp điều khiển PI mờ lai (với sự thay đổi động các thông số Kp và Ki theo yêu cầu điều khiển tốc độ động cơ -IM). Các kết quả mô phỏng sẽ cho thấy hiệu quả của phương pháp đề xuất.
v ABSTRACT Induction motors, are known with their ruggedness and reliability, due to their simple construction, much lower cost, lack of commutating elements, better power to mass ratio compared to the DC motors, which make them an attractive alternative in these applications. However, the advantages above mentioned come with the very complicated, strongly coupled nonlinear dynamics, which requires putting in place sophisticated control algorithms in order to obtain good controlling. Field Oriented Control (FOC), provides independent control of torque and flux method is being used popularly to control induction motor response improving.Writer (author) combined other method’s advantage, together with high expection of wide & deep study of in duction motor drivers. In this Master thesis, the theme: “The application of PID Fuzzy control method combine with FOC to speed control of induction motor” are presented. With an aim of improving the PI normally control method ( with parameter point of Kp and Ki) by proposed the PI Fuzzy hybrid control method ( with variable parameter of Kp and Ki).Simulation results show the effectiveness of the proposed method.
vi DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại 2 Hình 1.2. Mô hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng 3 Hình 1.3. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mômen vô hướng 4 Hình 1.4. Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian 5 Hình 1.5. Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản 6 Hình 1.6. Hai mô hình hệ thống điều khiển vector đối với động cơ cảm ứng có định hướng từ thông rotor gián tiếp 7 Hình 2.1. Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ không đồng bộ 3 pha 14 Hình 2.2. Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha 15 Hình 2.3. Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian ở hệ tọa độ αβ 16 Hình 2.4. Chuyển hệ tọa độ giữa αβ và dq 17 Hình 2.5. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor 17 Hình 2.6. Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ tọa độ từ thông 19 rotor (hệ tọa độ dq) Hình 2.7. Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc 20 Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ PWM 27 Hình 2.9. Cơ chế đóng ngắt của PWM (pha U) 27 Hình 2.10. Dạng sóng 3 pha khi được điều chế PWM 28 Hình 2.11. Mô hình mô phỏng của động cơ không đồng bộ ba pha 30 Hình 2.12. Mô hình mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ qua PWM 30 Hình 2.13. Dòng từ hóa 31 Hình 2.14. Từ thông rotor 31 Hình 2.15. Tốc độ động cơ 32 Hình 2.16. Moment động cơ 32 Hình 2.17. Dòng điện stator 32 Hình 2.18. Điện áp Stator 33 Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC trực tiếp. 36 Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC gián tiếp 37 Hình 3.3. Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC 38
vii Hình 3.4. Vector dòng điện, điện áp, và từ thông rotor trên hệ trục tọa độ (d, q). 39 Hình 3.5. Sơ đồ khối điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp FOC 41 Hình 3.6. Sơ đồ khối động cơ không đồng bộ trong hệ trục tọa độ tĩnh (α, β) 43 Hình 3.7. Tốc độ đặt cho quá trình mô phỏng 47 Hình 3.8. Tốc độ đặt cho quá trình mô phỏng đảo chiều động cơ 47 Hình 3.9. Moment đặt cho quá trình mô phỏng 48 Hình 3.10. Từ thông thật của động cơ 49 Hình 3.11. Từ thông ước lượng của động cơ 49 Hình 3.12. Tốc độ thật của động cơ 49 Hình 3.13. Sự thay đổi của tốc độ thực theo tốc độ đặt 50 Hình 3.14. Moment thực của động cơ 50 Hình 3.15. Moment của động cơ được ước lượng 51 Hình 3.16. Dòng điện pha U của động cơ 51 Hình 3.17. Dòng điện ba pha của động cơ 52 Hình 3.18. Từ thông thật của động cơ (khi đảo chiều quay) 52 Hình 3.19. Từ thông của động cơ được ước lượng (khi đảo chiều quay) 53 Hình 3.20. Tốc độ thật của động cơ (khi đảo chiều quay) 53 Hình 3.21. Sự thay đổi của tốc độ thật theo tốc độ đặt (khi đảo chiều động cơ) 53 Hình 3.22. Moment thật của động cơ (khi đảo chiều quay) 54 Hình 3.23. Moment của động cơ được ước lượng (khi đảo chiều quay) 54 Hình 3.24. Từ thông thật của động cơ (khi tăng moment tải) 55 Hình 3.25. Từ thông ước lượng của động cơ (khi tăng moment tải) 55 Hình 3.26. Tốc độ thật của động cơ (khi tăng moment tải) 55 Hình 3.27. Sự thay đổi của tốc độ thật theo tốc độ đặt (khi tăng moment tải) 56 Hình 3.28. Moment thực của động cơ (khi tăng moment tải) 56 Hình 3.29. Moment ước lượng của động cơ (khi tăng moment tải) 56 Hình 3.30. Dòng điện pha U của động cơ (khi tăng moment tải) 57 Hình 3.31. Dòng điện ba pha của động cơ (khi tăng moment tải) 57 Hình 3.32. Từ thông thực của động cơ (khi tăng moment quán tính) 58 Hình 3.33. Từ thông ước lượng của động cơ (khi tăng moment quán tính) 58 Hình 3.34. Tốc độ thực của động cơ (khi tăng moment quán tính) 58
viii Hình 3.35. Sự thay đổi của tốc độ thực theo tốc độ đặt (khi tăng moment quán tính) 59 Hình 3.36. Moment thực của động cơ (khi tăng moment quán tính) 59 Hình 3.37. Moment ước lượng của động cơ (khi tăng moment quán tính) 59 Hình 3.38. Dòng điện pha U của động cơ (khi tăng moment quán tính) 60 Hình 3.39. Dòng điện pha V của động cơ (khi tăng moment quán tính) 60 Hình 3.40. Dòng điện pha W của động cơ (khi tăng moment quán tính) 60 Hình 3.41. Dòng điện ba pha của động cơ (khi tăng moment quán tính) 61 Hình 4.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID thông thường 65 Hình 4.2. Hệ thống điều khiển mờ 67 Hình 4.3. Hệ thống điều khiển mờ theo sai lệch e và đạo hàm sai lệch 67 Hình 4.4. Sơ đồ khối Bộ điều khiển PID mờ 67 Hình 4.5. Mô hình điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua khâu điều chỉnh PI mờ 68 Hình 4.6. Sơ đồ khối điều khiển PI MỜ xây dựng trên Simulink/Matlab 68 Hình 4.7. Sơ đồ khối bộ điều khiển PI mờ lai 68 Hình 4.8. Mô hình điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua khâu điều chỉnh PI mờ lai 69 Hình 4.9. Cấu trúc bộ điều khiển PI mờ lai xây dựng trên Matlab 69 Hình 4.10. Sơ đồ khối bộ điều khiển tốc độ PI mờ 70 Hình 4.11. Tập mờ sai số tốc độ 70 Hình 4.12. Tập mờ ngõ ra của bộ Kp mờ 71 Hình 4.13. Quy luật thay đổi Kp 71 Hình 4.14 Tập mờ sai số ngõ vào 72 Hình 4.15. Tập mờ ngõ racủa bộ KI mờ 72 Hình 4.16. Quy luật thay đổi KI 73 Hình 4.17. Sơ đồ khối điều khiển động cơ có bộ điều khiển từ thông PI mờ 73 Hình 4.18. Tập ngõ vào của bộ Kp mờ 74 Hình 4.19. Tập ngõ ra của bộ Kp mờ 74 Hình 4.20. Quy luật thay đổi Kp 75 Hình 4.21. Tập ngõ vào của bộ KI mờ 75 Hình 4.22. Tập ngõ ra của bộ KI mờ 76 Hình 4.23. Quy luật thay đổi KI 76 Hình 4.24. Sơ đồ khối điều khiển moment có PI mờ 76
ix Hình 4.25. Tập ngõ vào của bộ KP mờ 77 Hình 4.26. Tập ngõ ra KP mờ 77 Hình 4.27. Quy luật thay đổi Kp 78 Hình 4.28. Tập ngõ vào bộ KI mờ 78 Hình 4.29. Tập ngõ ra của bộ KI mờ 79 Hình 4.30. Quy luật thay đổi KI 79 Hình 4.31. mô hình 3 bộ điều khiển mờ từ thông- moment và tốc độ 80 Hình 4.32. Mô hình điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều khiển PI thông thường 80 Hình 4.33. Mô hình điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều khiển PI mờ lai 81 Hình 4.34. So sánh kết quả mô phỏng giữa Bộ điều khiển PID mờ 81 Hình 4.35. Kết quả Bộ điều khiển PID mờ lai 82 Hình 4.36. Kết quả Bộ điều khiển PID thông thường 82 Hình 4.37. So sánh từ thông khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường 83 Hình 4.38. So sánh tốc độ khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường 84 Hình 4.39. So sánh mômen khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường 84 Hình 4.40. So sánh dòng điện khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường 85 Hình 4.41. So sánh từ thông khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường 86 Hình 4.42. So sánh tốc độ khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường 87 Hình 4.43. So sánh mô men khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường 88 Hình 4.44. So sánh dòng điện khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường 89
1 CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI: Điều khiển tự động Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại chứa đựng những phương pháp mới trong việc mô hình hóa đối tượng động cơ, từ đó xây dựng nên các thuật toán điều khiển phù hợp với các tiến bộ mới của công nghệ vi điện tử, vi xử lý và điện tử công suất. Cơ sở Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại là phương pháp điều khiển tựa theo từ trường quay của Rotor được Haase đưa ra 1968 và Balaschke đưa ra 1970. K.Haase: Về động học truyền động có điều chỉnh tốc độ quay dùng động cơ không đồng bộ ba pha rotor ngắn mạch nuôi bằng biến tần (Luận văn phó tiến sĩ 1969) F.Balaschke: Phương pháp tựa theo trường trong điều chỉnh động cơ không đồng bộ ba pha. Thông báo kết quả nghiên cứu và phát triển của Siemens 1972. TS. Nguyễn Phùng Quang đã cho ra đời lý thuyết cơ sở: “Các phương pháp điều chỉnh dòng trong truyền động điện xoay chiều ba pha: nguyên lý và hạn chế của chúng” nhằm giới thiệu phương pháp điều khiển tựa theo từ thông, một phương pháp mạnh dùng mô tả và chế ngự Động cơ xoay chiều ba pha và giới thiệu cách tiếp cận với các thuật toán thích hợp cho việc điều khiển bằng số, cụ thể là điều khiển gián đoạn bằng vi xử lý. Phần ứng dụng của tác giả TS. Nguyễn Phùng Quang dựa trên cơ sở đó đã ra đời và được ứng dụng thành công không chỉ trong phòng thí nghiệm mà còn cả trên thiết bị hiện đang được hai hãng REFU và Siemens chế tạo và lưu hành trên thị trường. Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động đơn lẻ bao gồm: • Phần công suất với động cơ xoay chiều ba pha và biến tần dùng van bán dẫn. • Phần điều khiển với nhiều vi xử lý khác nhau, trong đó một vi xử lý để giải quyết các bài toán điều khiển thời gian thực, một vi xử lý phụ trách việc đối thoại với hệ thống cấp trên, một vi xử lý phụ dùng để điều khiển ghép nối – đối thoại với thiết bị ngoại vi tại chỗ PLC.
2 Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại 1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1.2.1. Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar) Hiện nay, phần lớn hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ là truyền động đặc tính thấp trong đó cả biên độ lẫn tần số của dòng điện và điện áp của nguồn cung cấp có thể điều chỉnh đồng thời. Cách điều chỉnh này cho phép điều khiển tốc độ hoặc momen đến trạng thái xác lập trong khi vẫn giữ từ thông của động cơ ổn định. Điều khiển này được gọi là điều khiển vô hướng, khi giả thiết điện áp hoặc dòng điện được điều khiển có dạng hình sin, duy nhất biên độ và tần số được điều chỉnh, không liên quan đến vị trí không gian của những vector tương ứng. Điều khiển vô hướng đơn giản hơn điều khiển vector. Kỹ thuật vô hướng chung Volts nhất thường được dùng trong thực tế là không đổi (Constant Volts/Hertzs - CVH) Hertz nghĩa là biên độ điện áp stator được điều chỉnh tỉ lệ với tần số nhằm duy trì từ thông stator không đổi. Phương pháp này bao gồm điều khiển tốc độ từ trường quay của stator bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp. Momen được cải tiến phụ thuộc vào sự khác biệt giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor. Hệ thống điều khiển đơn giản chỉ duy nhất yêu cầu hồi tiếp tốc độ. Tín hiệu tốc độ thật ωM sẽ so sánh với tín hiệu tốc độ chuẩn ω M* , sai số đạt được đưa vào bộ điều khiển trượt (slip controller), cho ra tín hiệu tốc độ trượt chuẩn ω sl* . Tín hiệu này cộng với ωM tạo ra tín hiệu đồng bộ, qua khối tỉ lệ
3 p/2 tạo tần số góc đúng yêu cầu cung cấp cho biến tần. Bộ điều chỉnh điện áp (Voltage Controller) tạo ra tín hiệu điện áp stator cung cấp cho bộ biến tần. VS* ∆ω M ω * S1 ω * Syn ω *M ω* ωM ωM ωM Hình 1.2. Mô hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng Một phương pháp điều khiển scalar khác sử dụng kỹ thuật điều khiển momen (Torque Control - TC) là điều chỉnh biên độ và tần số của dòng điện stator, vì thế momen xác lập được điều khiển trong khi biên độ từ trường được duy trì không đổi. Trong trường hợp này, hồi tiếp tốc độ chỉ đóng vai trò phụ vì hồi tiếp dòng điện có phần phức tạp hơn phương pháp Constant Volts/Hertzs (CVH).
4 I s* * I sT* T λ/*R I s*Φ ωM ω* Hình 1.3. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mômen vô hướng 1.2.2. Phương pháp điều chế vector không gian Bộ điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM) là một trong những thiết bị điện tử công suất được nghiên cứu rộng rãi nhất trong 3 thập niên qua. Không chỉ đòi hỏi khả năng đóng ngắt nhanh của thiết bị đóng ngắt bán dẫn công suất mà còn yêu cầu kỹ thuật điều chế phải đơn giản và chính xác. Có nhiều kỹ thuật điều chế như: kỹ thuật dao động phụ, điều chế vectơ không gian... nhưng bổ sung thêm ứng dụng số là điều chế vector không gian ở bộ biến đổi nguồn dòng và nguồn áp. Phương pháp điều chế vector không gian (space vector modulation) xuất phát từ các ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong hệ thống điện ba pha. Phương pháp này là phương pháp phổ cập trong các hệ truyền động đã số hóa toàn phần dùng để điều khiển biến tần dùng van bán dẫn. Thông thường, các đôi van được vi xử lý điều khiển sao cho điện áp xoay chiều 3 pha với biên độ cho trước, với tần số cũng như góc pha cho trước cung cấp cho động cơ đạt yêu cầu. Biến tần được nuôi bởi điện áp một chiều. Biến tần thường hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cắt cao. Van bán dẫn được dùng ở đây là IGBT, MOSFET.
5 Phương pháp điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục của vector không gian tương đương của vector điện áp nghịch lưu trên quỹ đạo đường tròn. Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quỹ đạo đường tròn, các sóng hài bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ áp ra trở nên tuyến tính. Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp. Hình 1.4. Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian 1.2.3. Điều khiển định hướng trường Động cơ AC, cụ thể là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có những ưu điểm là đơn giản, tin cậy, giá thành thấp, và ít bảo dưỡng. Tuy nhiên, trong những ứng dụng trong công nghiệp đòi hỏi hiệu suất truyền động cao thì việc điều khiển chúng vẫn gặp phải những thử thách lớn bởi vì chúng là đối tượng phi tuyến và nhiều thông số, chủ yếu là điện trở rotor thay đổi theo những điều kiện vận hành. Điều khiển định hướng trường (Field orientation control - FOC) hoặc điều khiển vector (Vas, 1990) cho động cơ không đồng bộ đạt được việc tách biệt thay đổi động giữa momen và từ thông dẫn đến việc điều khiển độc lập giữa từ thông và momen tương tự như động cơ DC kích từ độc lập. Điều khiển định hướng trường là điều kiện tối ưu hóa momen và tách rời điều khiển momen khỏi điều khiển từ thông trong điều kiện vận hành ổn định và quá độ của động cơ không đồng bộ.