Giáo trình Điều khiển số hệ thống điện cơ điều khiển máy điện/động cơ điện - Điều khiển bộ biến tần - Trần Công Binh

171 trang cucquyet12 3030

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Điều khiển số hệ thống điện cơ điều khiển máy điện/động cơ điện - Điều khiển bộ biến tần - Trần Công Binh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_dieu_khien_so_he_thong_dien_co_dieu_khien_may_die.pdf

Nội dung text: Giáo trình Điều khiển số hệ thống điện cơ điều khiển máy điện/động cơ điện - Điều khiển bộ biến tần - Trần Công Binh

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 Cơng Binh TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 1 NĂM 2014
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB GIỚI THIỆU MƠN HỌC 1. Tên mơn 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. Mơn tiên quyết: 6. Mơn song hành: 7. Giáo trình chính: 8. Tài liệu tham khảo: [1] Trần Cơng Binh, “Điều khiển động cơ khơng 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. Tĩm 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. 07/01/2014 2
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB CHƢƠNG TRÌNH MƠN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ - ĐIỀU KHIỂN CÁC MÁY ĐIỆN Chương 1: Bộ nghịch lƣu ba pha và Vector khơng gian (4T) . Vector khơng gian. . Bộ nghịch lưu ba pha. Chương 2: Hệ qui chiếu quay (2T) . Hệ qui chiếu quay. . Chuyển đổi hệ toạ độ abc    dq (Biến đổi Park). Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB 3 pha ( ), (dq) (9T) . Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu. . Mơ hình động cơ trong HTĐ stator ( ). . Mơ hình động cơ trong HTĐ từ thơng rotor (r). Chương 4: Điều khiển định hƣớng từ thơng (FOC) ĐCKĐB (12T) . Điều khiển PID . Các phương pháp điều khiển vơ hướng (Scalar Control). . Điều khiển độc lập moment và từ thơng. . Điều khiển tiếp dịng. . Điều khiển tiếp áp. . Điều khiển FOC trực tiếp, gián tiếp. . Tính tốn thiết kế bộ điều khiển FOC. . Mơ phỏng điều khiển FOC. Chương 5: Một số phƣơng pháp ƣớc lƣợng từ thơng 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 (gĩc) vector r. . Ước lượng (r) trong HTĐ dq. . Ước lượng từ thơng rotor dùng khâu quan sát (observer) . Đáp ứng mơ phỏng FOC. Chương 6: Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (?T) . Điều khiển dịng trong HQC ( ): vịng trễ và so sánh. . Điều khiển dịng trong HQC (dq). Chương 7: Các phƣơng pháp điều khiển dịng (3T) . Điều khiển dịng trong HQC ( ): vịng trễ và so sánh. . Điều khiển dịng trong HQC (dq). Chương 8: Một số phƣơng pháp ƣớc lƣợng tốc độ động cơ (3T) . Ước lượng vận tốc vịng hở (2 pp). . Ước lượng vận tốc vịng kín (cĩ hồi tiếp). . Điều khiển khơng 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 khơng đồng bộ ba pha . Bộ biến tần (42 tiết) 07/01/2014 3
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB Chương 1: VECTOR KHƠNG GIAN VÀ BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA I. Vector khơng gian I.1. Biểu diễn vector khơng gian cho các đại lượng ba pha Động cơ khơng đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha cĩ ba (hay bội số của ba) cuộn dây stator bố trí trong khơng gian như hình vẽ sau: usb Pha B stator usa Pha A 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 gĩc 1200 trong khơng gian) B A N C Ba điện áp cấp cho ba đầu dây của động cơ từ lưới ba pha hay từ bộ nghịch lưu, biến tần; ba điện áp này thỏa mãn phương trình: usa(t) + usb(t) + usc(t) = 0 (1.1) Trong đĩ: usa(t) = |us| cos(st) 0 (1.2a) usb(t) = |us| cos(st – 120 ) (1.2b) 0 usc(t) = |us| cos(st + 120 ) (1.2c) Với s = 2 fs; fs là tần số của mạch stator; |us| là biên độ của điện áp pha, cĩ thể thay đổi. Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.1
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB (điện áp pha là các số thực) Vector khơng gian của điện áp stator được định nghĩa như sau: 2 u (t) u (t) u (t) u (t) (1.3) s 3 sa sb sc 2 j00 j1200 j2400 us (t) usa (t)e usb (t)e usc (t)e  3 (mặt phẳng ba chiều với 3 vector đơn vị) 2 j1200 j2400 us (t) usa (t) usb(t)e usc (t)e  (1.4) 3 (tương tự như vector trong mặt phẳng phức hai chiều với 2 vector đơn vị) 2 0 u (t) u (t) a.u (t) a 2 .u (t) với a e j120 s 3 sa sb sc 0 0 0 1 a a 2  e j0 e j120 e j240  0 Ví dụ 1.1: Chứng minh? js t a) us (t) us e us  st us cos st jsin st  (1.6) 2 3 3 u u 0,5u 0,5u j u u b) s  as bs cs  bs cs (1.5) 3 2 2  Im usc B s Re usa A C usb Hình 1.2: Vector khơng 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 u s lên trục của cuộn dây tương ứng. Đối với các đại lượng khác của động cơ: dịng điện stator, dịng rotor, từ thơng stator và từ thơng rotor đều cĩ thể xây dựng các vector khơng gian tương ứng như đối với điện áp stator ở trên. I.2. Hệ tọa độ cố định stator Vector khơng gian điện áp stator là một vector cĩ modul xác định (|us|) quay trên mặt phẳng phức với tốc độ gĩc s và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha A) một gĩc Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.2
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB st. Đặt tên cho trục thực là và trục ảo là , vector khơng gian (điện áp stator) cĩ thể được mơ tả thơng 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 Cuộn dây us pha B usb Cuộn dây pha A 0 usa = us Cuộn dây pha C Hình 1.3: Vector khơng gian điện áp stator u s và các điện áp pha. 2 j1200 j2400 us (t) usa(t) usb(t)e usc(t)e  us ju s 3 Bằng cách tính hình chiếu các thành phần của vector khơng gian điện áp stator u s ,u s lên trục pha A, B (trên hình 1.3), cĩ thể xác định các thành phần theo phương pháp hình học: usa = us (1.7a) usb = (1.7b) suy ra (1.8a) us = usa (1.8b) 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 cĩ thể tính được vector u s . Hay từ phương trình (1.5) 2 3 3 u u 0,5u 0,5u j u u (1.9) s  as bs cs  bs cs 3 2 2 cĩ thể xác định ma trận chuyển đổi abc αβ theo phương pháp đại số: Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.3
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB 1 1 u s 1 as u s 2 2 2 u s bs (1.10) u s 3 3 3 0 u 2 2 cs Ví dụ 1.2: Chứng minh ma trận chuyển đổi hệ toạ độ αβ abc? 1 0 u as s 1 3 u s u (1.11) bs s 2 2 u s u cs 1 3 2 2 Ví dụ 1.3: Chứng minh: Bằng cách tương tự như đối với vector khơng gian điện áp stator, các vector khơng gian dịng điện stator, dịng điện rotor, từ thơng stator và từ thơng rotor đều cĩ thể được biểu diễn trong hệ tọa độ stator cố định (hệ tọa độ ) như sau: = us + j us (1.12a) = is + j is (1.12b) (1.12c) = ir + j ir (1.12d) (1.12e) II. Bộ nghịch lưu ba pha II.1. Bộ nghịch lưu ba pha Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.4
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB Biến tần ngõ vào 1 pha, nếu tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là: 2 2U U phase_ RMS dc_ tb Biến tần ngõ vào 3 pha, nếu tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là: 3 3 2U U phase_ RMS dc_tb Nếu tụ lọc đủ lớn (hay khi khơng tải), điện áp DC sẽ được lọc phẳng. Trị điện áp DC trung bình của: Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.5
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB _ Biến tần ngõ vào 1 pha : Udc 2Uphase_ RMS _ Biến tần ngõ vào 3 pha : Udc 2Uline_ RMS 2 3Uphase_ RMS . R S1 S3 S5 A Udc B motor C N S7 S2 S4 S6 n n Hình 1.4: Sơ đồ bộ nghịch lưu ba pha cân bằng gồm 6 khố S1 S6. Ví dụ 1.4: Chứng minh các phương trình tính điện áp pha? 1 a) U U U U Nn 3 An Bn Cn 2 1 1 b) U U U U AN 3 An 3 Bn 3 Cn 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 Udc N UCN n C Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.6
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB Hình 1.5: Trạng thái các khố S1, S3, S6 ON, và S2, S4, S5 OFF (trạng thái 110). II.2. Vector khơng gian điện áp Đơn vị (Udc) Va Vb Vc usa usb usc uab ubc uca U Deg us k S1 S3 S5 UAN UBN UCN UAB UBC UCA us us 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 U0 U000 o 1 1 0 0 2/3 -1/3 -1/3 1 0 -1 U1 0 o 2 1 1 0 1/3 1/3 -2/3 0 1 -1 U2 60 o 3 0 1 0 -1/3 2/3 -1/3 -1 1 0 U3 120 o 4 0 1 1 -2/3 1/3 1/3 -1 0 1 U4 180 o 5 0 0 1 -1/3 -1/3 2/3 0 -1 1 U5 240 o 6 1 0 1 1/3 -2/3 1/3 1 -1 0 U6 300 7 1 1 1 0 0 0 0 0 0 U7 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 khơng gian điện áp sử dụng bộ nghịch lưu ba pha Ví dụ 1.7: Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 110: Khi đĩ các điện áp pha usa=1/3Udc, usb= 1/3Udc, usc=-2/3Udc. Phương pháp đại số: theo phương trình (1.4): 2 j1200 j2400 2 1 1 j1200 2 j2400 uphase_ 2 usa (t) usb(t)e usc(t)e  Udc Udce Udce 3 3 3 3 3 2 Udc j1200 j2400 j2400 2 j2400 2 j2400 j1800 2 j600 uphase_ 2  1 e e 3e  Udce Udce e Udce , 3 3 3 3 3 2 2 2 1 1 2 2 Hay uphase_ 2 usa (t) a.usb(t) a .usc(t) Udc a.Udc a .Udc 3 3 3 3 3 0 với a e j120 , 1 a a 2 0 2 U 2 2 0 2 0 u dc  1 a a2 3a2  U a2 U ej240 U ej60 phase_ 2 3 3 3 dc 3 dc 3 dc Phương pháp hình học: cĩ hình vẽ Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.7
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB B U 2(110) Udc A C Hình 1.6: Vector khơng gian điện áp stator u s ứng với trạng thái (110). Ở trạng thái (110), vector khơng gian điện áp stator pha uphase_1 cĩ độ lớn bằng 2/3Udc và cĩ gĩc pha là 60o. Ví dụ 1.8: Tìm (độ lớn và gĩc của) vector khơng gian điện áp stator us (t) ứng với trạng thái (101)? (Giải theo phương pháp đại số như trên hay theo phương pháp hình học)  Xét tương tự cho các trang thái cịn lại, rút ra được cơng thức tổng quát 2 j(k 1) U U e 3 với k = 1, 2, 3, 4, 5, 6 = sector. k 3 dc U3 (010) U2 (110) CCW U0 (000) U4 (011) U1 (100) U7 (111) CW U (001) U (101) 5 6 Hình 1.7: 8 vector khơng gian điện áp stator tương ứng với 8 trạng thái. Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.8
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB j(k 1) 2 3 U U e k = 1, 2, 3, 4, 5, 6 = sector. U0 và U7 là vector 0. k 3 dc Các trường hợp xét ở trên là vector khơng gian điện áp pha stator. Up3 Up2 b Up0 a Up1 Up4 Trục usa Up7 c Up5 Up6 Hình 1.8: Các vector khơng gian điện áp pha stator. 2 j(k 1) U U e 3 k = 1, 2, 3, 4, 5, 6 = sector. phase_ k 3 dc Bằng cách điều khiển chuyển đổi trạng thái đĩng cắt các khĩa của bộ nghịch lưu dễ dàng điều khiển vector khơng gian điện áp “quay” thuận nghịch, nhanh chậm. Khi đĩ dạng điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu cĩ dạng 6 bước (six step). Hình 1.9: Các điện áp thành phần tương ứng với 6 trạng thái. 2 0 Ví dụ 1.9: Chứng minh u U ej0 phase_1 3 dc Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 100: Khi đĩ các điện áp pha usa=2/3Udc, usb= –1/3Udc, usc=-1/3Udc. 2 Phương pháp đại số: theo phương trình (1.3): u (t) u (t) u (t) u (t) s 3 sa sb sc hay phương trình (1.4): 2 j1200 j2400 2 2 1 j1200 1 j2400 uphase_1 usa (t) usb(t)e usc(t)e  Udc Udce Udce 3 3 3 3 3 Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.9
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB 2 Udc j1200 j2400 2 2 j00 uphase_1 3 1 e e  Udc Udce , 3 3 3 3 2 2 2 2 1 1 2 Hay uphase_1 usa (t) a.usb(t) a .usc(t) Udc a.Udc a .Udc 3 3 3 3 3 0 với a e j120 , 1 a a 2 0 2 U 2 2 0 u dc 3 1 a a 2  U U e j0 phase_1 3 3 3 dc 3 dc Phương pháp hình học: cĩ hình vẽ B 2/3Udc A U1(100) C Hình 1.10: Vector khơng gian điện áp stator u s ứng với trạng thái (100). Ở trạng thái (100), vector khơng gian điện áp pha stator uphase_ 0 cĩ độ lớn bằng 2/3Udc và cĩ gĩc pha trùng với trục pha A.  Trong một số trường hợp, cần xét vector khơng gian điện áp dây của stator. 2 u u (t) u (t) u (t) line 3 ab bc ca 2 j1200 j2400 hay uline uab (t) ubc(t)e uca (t)e  3 2 hay u u (t) a.u (t) a2.u (t) với line 3 ab ba ca Ví dụ 1.10: Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 100: Khi đĩ các điện áp pha uab=Udc, ubc= 0, uca= -Udc. Phương pháp đại số: theo phương trình trên: 2 j1200 j2400 2 j2400 uline_1 uab (t) ubc(t)e uca (t)e  Udc Udce  3 3 2 0 2 0 2 1 3 u U U e j240 U 1 e j60 U 1 j line_1  dc dc  dc dc 3 3 3 2 2 Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.10
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB 2 3 3 2 3 1 2 0 u U j 3U j 3U e j30 line_1 dc dc dc 3 2 2 3 2 2 3 Phương pháp hình học: cĩ hình vẽ: BC 2/3Udc U line_1 AB CA Hình 1.11: Vector khơng gian điện áp dây stator uline_1 ứng với trạng thái (100). Ở trạng thái (100), vector khơng gian điện áp dây stator cĩ độ lớn bằng 2 3U và cĩ gĩc pha là 30o. 3 dc Ví dụ 1.11: Tìm (độ lớn và gĩc của) vector khơng gian điện áp stator u ứng với line trạng thái (110), uline_ 2 ? (Giải theo phương pháp đại số và phương pháp hình học)  Xét tương tự cho các trạng thái cịn lại, rút ra được cơng thức tổng quát 2 j(2k 1) U 3U e 6 k = 1, 2, 3, 4, 5, 6 line_ k 3 dc Ud2 Ud3 Ud1 Ud0 Ud7 Trục uab Ud4 Ud6 U d5 Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.11
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB Hình 1.12: Các vector khơng gian điện áp dây stator. Ví dụ 1.12: Chứng minh các vector điện áp cĩ giá trị như sau: 5 5 2 j 2 j a/ v V e 3 b/ v 3 V e 6 6 pha 3 DC 3 day 3 DC  Điều chế biên độ và gĩc vector khơng gian điện áp dùng bộ nghịch lưu ba pha U3 (010) U2 (110) CCW T2 us U0 (000) U4 (011) U1 (100) T1 U7 (111) CW U (001) U (101) 5 6 Hình 1.13: Điều chế biên độ và gĩc vector khơng gian điện áp. Để khơng quá điều chế, biên độ điện áp phải nằm trong U vịng trịn nội tuyến của lục giác: u dc s 3 T1 T2 T0 u s U1 U 2 U0 (U7 ) TPWM TPWM TPWM hay us a.U1 b.U2 c.U0 (U7 ) Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.12
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB U2 (110) T2 us U0 (000) U1 (100) T1 U7 (111) u u a 3 s sin( ) b 3 s sin c 1 – (a+b) Udc 3 Udc 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 đĩ, là gĩc giữa vector Ux và vector điện áp us. a b 2U 2U dc dc Cĩ thể tính theo: a b c hay c a b 1 us 3 3u s Bằng cách điều khiển chuyển đổi trạng thái đĩng cắt các khĩa của bộ nghịch lưu thơng qua T1, T2 và T0, dễ dàng điều khiển độ lớn và tốc độ quay của vector khơng gian điện áp. Khi đĩ dạng điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu cĩ dạng PWM sin. 2 2 j Ví dụ 1.13: Chứng minh u e j T U T U e 6 s 1 dc 2 dc 3 3 Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.13
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB Hình 1.14: Điều chế biên độ và tần số điện áp. Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.14
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB Hình 1.15: Dạng điện áp và dịng điện PWM sin. Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.15
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB 4 2 j Bài tập 1.1. Chứng minh: u U e 3 phase_5 3 dc 7 2 j Bài tập 1.2. Chứng minh: u 3U e 6 line_ 4 3 dc Bài tập 1.3. Điện áp ba pha 380V, 50Hz. Tại thời điểm t = 6ms. Tính usa, usb, usc? Từ đĩ tính us , us, |us| theo định nghĩa vector khơng gian? Biết gĩc 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 vịng trịn 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 cĩ 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 cĩ 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 cĩ điện áp dây 380V, 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 U lớn nhất mà biến tần trên cĩ thể dRMS cấp cho động cơ 3 pha nối Y (khi chưa quá điều chế, us như hình vẽ trên)? 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 gĩc 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 khố S7 và các diode ngược (mắc song song với các khố đĩng cắt S1 –S6) trong bộ nghịch lưu? Bài tập 1.13. Cho Udc = 309V, trạng thái các khố như sau: S2, S3, S6: ON; và S1, S4, S5: OFF. Tính các điện áp usa, usb, usc, UAB, UBC? Bài tập 1.14. Khi tăng tần số điều rộng xung (PWM) của bộ nghịch lưu, đánh giá tác động của sĩng hài bậc cao lên dịng điện động cơ. Phương pháp điều khiển nào cĩ tần số PWM luơn thay đổi? Bài tập 1.15. Biến tần (hình dưới) cĩ thơng số ngõ vào 3 pha 380Vrms, 50Hz; ngõ ra 380V, 0-400Hz, động cơ 2HP, nối , 380Vrms, 50Hz, hệ số cơng 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 khơng đồng bộ ba pha. Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.16
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB a) Tính điện áp một chiều trên tụ điện C (DC Link)? (0,5đ) 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 sĩng hài? (0,5đ) c) Tính cơng suất lớn nhất của động cơ nối , 220Vrms, 50Hz, PF=0,8 mà biến tần trên cĩ thể điều khiển được? (0,5đ) d) Nếu động cơ nối , 220Vrms, 50Hz được đấu dây lại thành nối Y: tính cơng suất lớn nhất của động cơ mà biến tần trên cĩ thể điều khiển được? Khi đĩ tính điện áp hiệu dụng pha và điện áp hiệu dụng dây lớn nhất mà biến tần cĩ thể cấp cho động cơ (khi chưa quá điều chế)? (1đ) e) Động cơ nối Y, biết trạng thái các khố 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, o usq). Cho biết gĩc hệ toạ độ quay lúc đĩ là r = 270 . (1,5đ) Ví dụ 1.1: Chứng minh? js t a) us (t) us e us  st us cos st jsin st  (1.6) 2 3 3 b) u u 0,5u 0,5u j u u (1.5) s  as bs cs  bs cs 3 2 2 Ví dụ 1.2: Chứng minh ma trận chuyển đổi hệ toạ độ αβ abc? 1 0 u as s 1 3 u s u (1.11) bs s 2 2 u s u cs 1 3 2 2 Ví dụ 1.3: Chứng minh: Ví dụ 1.4: Chứng minh các phương trình tính điện áp pha? 1 a) U U U U Nn 3 An Bn Cn 2 1 1 b) U U U U AN 3 An 3 Bn 3 Cn Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.17
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) 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? 2 0 Ví dụ 1.7: Bộ nghịch lưu ở trạng thái 110, chứng minh u U e j60 phase_1 3 dc Ví dụ 1.8: Tìm (độ lớn và gĩc của) vector khơng gian điện áp stator us (t) ứng với trạng thái (101)? (Giải theo phương pháp đại số như trên hay theo phương pháp hình học) 2 0 Ví dụ 1.9: Chứng minh u U e j0 phase_ 0 3 dc 2 0 Ví dụ 1.10: Bộ nghịch lưu ở trạng thái 100, chứng minh u 3U e j30 line_1 3 dc Ví dụ 1.11: Tìm (độ lớn và gĩc của) vector khơng gian điện áp stator u ứng với line trạng thái (110), uline_ 2 ? (Giải theo phương pháp đại số và phương pháp hình học) Ví dụ 1.12: Chứng minh các vector điện áp cĩ giá trị như sau: 5 5 2 j 2 j a/ v V e 3 b/ v 3 V e 6 6 pha 3 DC 3 day 3 DC 2 2 j Ví dụ 1.13: Chứng minh u e j T U T U e 6 s 1 dc 2 dc 3 3 Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.18
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB 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 cĩ trục hồnh d và trục tung q, hệ tọa độ thứ 2 này cĩ chung điểm gốc và nằm lệch đi một da gĩc s so với hệ tọa độ stator (hệ tọa độ ). Trong đĩ,  quay trịn quanh a dt gốc tọa độ chung, gĩc a = at + a0. Khi đĩ sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector trong khơng gian tương ứng với hai hệ tọa độ này. Hình vẽ sau sẽ mơ tả mối liên hệ của hai tọa độ này. jq j d fs fsd fsq a 0 fs Hình 2.1: Chuyển hệ toạ độ cho vector khơng gian us từ hệ tọa độ  sang hệ tọa độ dq và ngược lại. Từ hình 1.5 dễ dàng rút ra các cơng thức về mối liên hệ của hai tọa độ của một vector ứng với hai hệ tọa độ  và dq. Hay thực hiện biến đổi đại số: (1.10a) fs = fsdcosa - fsqsina (1.10b) fs = fsdsina + fsqcosa Theo pt (1.9a) thì: f  f jf (1.11) s s sβ dq và tương tự thì: fs fsd jfsq (1.12)  dq ja Ví dụ 2.1: Chứng minh fs fs e Khi thay hệ pt (1.10) vào pt (1.11) sẽ được: f  f cos f sin j f sin f cos s sd a sq a sd a sq a f jf cos jsin f dqe ja (1.13) sd sq a a s  dq j  a dq  ja Hay fs fs e fs fs e (1.14) Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.1
(HTĐKS-ĐKCMĐ) 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 gĩc pha A ban đầu là 0o. Tại thời điểm t = 4ms: i. Tính biên độ điện áp u s và usa, usb, usc, us , us? ii. Tính thời gian chuyển mạch T1, T2 và T0? Biết tần số điều rộng xung là 20KHz. o iii. Biết gĩc hệ toạ độ quay lúc đĩ là a = 30 . Tính usd và usq? Ví dụ 2.3: Tính fsd và fsq theo fs , fs và a. Thay pt (1.11) vào pt (1.14), thu được phương trình: (1.15a) fsd = fs cosa + fssina (1.15b) fsq = - fs sina + fscosa d a Cuộn dây s jq pha B fsd a fsq 0 Cuộn dây pha A Cuộn dây pha C Hình 2.2: Hệ tọa độ quay Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.2
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Biến đổi Park:  XÉT KHI a 0 Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.3
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB II. Biễu diễn các vector khơng gian trên hệ tọa độ từ thơng rotor Mục này trình bày cách biểu diễn các vector khơng gian của động cơ khơng đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha trên hệ tọa độ từ thơng rotor. Giả thiết một ĐCKĐB ba d pha đang quay với tốc độ gĩc  (tốc độ quay của rotor so với stator đứng yên), dt với  là gĩc hợp bởi trục rotor với trục chuẩn stator (qui định trục cuộn dây pha A, chính là trục trong hệ tọa độ ). j d Cuộn dây  jq pha B r =a is isd r isq  0 is Cuộn dây pha A Trục rotor Cuộn Trục từ dây pha C thơng rotor Hình 2.3: Biểu diễn vector khơng gian is trên hệ toạ độ từ thơng rotor, cịn gọi là hệ toạ độ dq. Trong hình 1.6 biểu diễn cả hai vector dịng stator và vector từ thơng rotor d  . Vector từ thơng rotor quay với tốc độ gĩc   r  2 f (tốc độ r a r dt s s quay của từ thơng rotor so với stator đứng yên). Trong đĩ, fs là tần số của mạch điện stator và r là gĩc của trục d so với trục chuẩn stator (trục ). Độ chênh lệch giữa s và  (giả thiết số đơi cực của động cơ là p=1) sẽ tạo nên dịng điện rotor với tần số fsl, dịng điện này cũng cĩ thể được biễu diễn dưới Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.4
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB dạng vector i quay với tốc độ gĩc sl = 2 fsl, (sl = s -  r - ) so với vector r từ thơng rotor  r . Trong mục này ta xây dựng một hệ trục tọa độ mới cĩ hướng trục hồnh (trục d) trùng với trục của vector từ thơng rotor và cĩ gốc trùng với gốc của hệ tọa độ , hệ tọa độ này được gọi là hệ tọa độ từ thơng rotor, hay cịn gọi là hệ tọa dq. Hệ tọa độ dq quay quanh điểm gốc chung với tốc độ gĩc r s, và hợp với hệ tọa độ  một gĩc r. Vậy tùy theo quan sát trên hệ tọa độ nào, một vector trong khơng gian sẽ cĩ 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 i sẽ được viết thành: s . i s : vector dịng stator quan sát trên hệ tọa độ . s f . is : vector dịng stator quan sát trên hệ tọa độ dq. Theo pt (1.8a) và pt (1.11) thì: (1.16a) = i + j i s s (1.16b) = isd + j isq Nếu biết được gĩc r thì sẽ xác định được mối liên hệ: (1.17a) (1.17b) Theo hệ pt (???) và pt (1.17b) thì cĩ thể tính được vector dịng stator thơng qua các giá trị dịng ia và ib đo được (hình 1.7). Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.5
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Udc Điều khiển == Nghịch lưu 3~  a b c r isa is isd i 2= sb 3 is isq pt (2. ) pt (2. ) ĐC KĐB M 3~ Hình 2.4: Thu thập giá trị thực của vector dịng stator trên hệ tọa độ dq. Tương tự như đối với vector dịng stator, cĩ thể biểu diễn các vector khác của ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq: = isd + j isq (1.18a) (1.18b) = usd + j isq (1.18c) (1.18d) = ird + j irq (1.18e) Tuy nhiên, để tính được isd và isq thì phải xác định được gĩc r, gĩc r được xác định thơng qua r =  + sl. Trong thực tế chỉ cĩ  là cĩ thể đo được, trong khi (tốc độ trượt) sl = 2 fsl với fsl là tần số của mạch điện rotor (lồng sĩc) khơng đo được. Vì vậy phương pháp điều khiển ĐCKĐB ba pha dựa trên các mơ tả trên hệ tọa dộ dq bắt buột phải xây đựng phương pháp tính r chính xác. Chú ý khi xây dựng mơ hình tính tốn trong hệ tọa độ dq, do khơng thể tính tuyệt đối chính xác gĩc r nên vẫn giữ lại  rq ( =0) để đảm bảo tính khách quan trong khi quan sát. Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.6
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB III. Ưu điểm của việc mơ tả động cơ khơng đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thơng rotor f Trong hệ tọa độ từ thơng rotor (hệ tọa độ dq), các vector dịng stator is và f vector từ thơng rotor  r , cùng với hệ tọa độ dq quanh (gần) đồng bộ với nhau với tốc độ r quanh điểm gốc, do đĩ 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 khơng đổi; trong quá trình quá độ, các giá trị này cĩ thể biến theo theo một thuật tốn điều khiển đã được định trước. Hơn nữa, trong hệ tọa độ dq, rq=0 do vuơng gĩc với vector (trùng với f trục d) nên  r =rd. (1.19) Đối với ĐCKĐB 3 pha, trong hệ tọa độ dq, từ thơng và mơmen quay được biểu diễn theo các phần tử của vector dịng stator: (1.20a) (1.20b) (Hai phương trình trên sẽ được chứng minh trong chương sau). với: Te momen quay (momen điện) của động cơ Lr điện cảm rotor Lm hỗ cảm giữa stator và rotor p số đơi cực của động cơ Tr hằng số thời gian của rotor s tốn tử Laplace Phương trình (1.20a) cho thấy cĩ thể điều khiển từ thơng rotor  rd  r thơng qua điều khiển dịng 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 cơng trong việc áp đặt nhanh và chính xác dịng isd để điều khiển ổn định từ thơng  rd tại mọi điểm làm việc của động cơ. Và thành cơng trong việc áp đặt nhanh và chính xác dịng isq, và theo pt (1.20b) thì cĩ thể coi isq là đại lượng điều khiển của momen Te của động cơ. Bằng việc mơ tả ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ từ thơng rotor, khơng cịn quan tâm đến từng dịng điện pha riêng lẻ nữa, mà là tồn bộ vector khơng gian dịng stator của động cơ. Khi đĩ vector is sẽ cung cấp hai thành phần: isd để điều khiển từ thơng rotor  r , isq để điều khiển momen quay Te, từ đĩ cĩ thể điều khiển tốc độ của động cơ. i sd (1.21a) i T  (1.21b) sq e Khi đĩ, phương pháp mơ 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 Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.7
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB ba pha tương tự như trường hợp sử dụng động cơ điện một chiều. Điều khiển tốc độ ĐCKĐB ba pha  thơng qua điều khiển hai phần tử của dịng điện is là isd và isq. Bài tập 2.1. Chứng minh: d r d r  rr  dt dt r 22  rr Bài tập 2.2. Cho điện áp ba pha: 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: a) Tính usa, usb, usc, us , us và u s ? o b) Biết gĩc hệ toạ độ quay lúc đĩ là r = s = 45 . Tính usd và usq ? Bài tập 2.3. Mơ 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. 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 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 gĩc pha A ban đầu là 0o. Tại thời điểm t = 2ms: iv. Tính biên độ điện áp và usa, usb, usc, us , us? v. Tính thời gian chuyển mạch T1, T2 và T0? Biết tần số điều rộng xung là 20KHz. o vi. Biết gĩc hệ toạ độ quay lúc đĩ là a = 40 . Tính usd và usq? Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.8
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB vii. Tính lại các cấu trên tại thời điểm t = 5ms. Udc Điều khiển == Nghịch 3~ lưu  a b c r isa is isd i 2= sb 3 is isq pt (2. ) pt (2. ) ĐC KĐB M 3~ Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.9
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Chương 3: MƠ HÌNH ĐCKĐB TRONG HỆ QUI CHIẾU QUAY  I. Một số khái niệm cơ bản của động cơ khơng đồng bộ ba pha I.1. Một số qui ước ký hiệu dùng cho điều khiển ĐCKĐB ba pha Để xây dựng mơ hình mơ tả động cơ KĐB ba pha, ta thống nhất một số qui ước cho các ký hiệu cho các đại lượng và các thơng số của động cơ. B A N C Cuộn dây pha B usb isb  rotorstator irA  Trục chuẩn irB isa Cuộn dây irC pha A usa usc isc stator Cuộn dây pha C Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.1
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Hình 2.1: Mơ hình đơn giản của động cơ KĐB ba pha i is Rs Ls Lr r vs im Rr Lm s 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 cơng 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 gĩc phải trên: s đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu stator (hệ tọa độ ). f đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu từ thơng rotor (hệ tọa độ dq – field - flux). r đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor với trục thực là trục của rotor (hình 1.6). *, ref, giá trị đặt /lệnh (reference) e giá trị ước lượng Chỉ số nhỏ gĩc phải dưới: o Chữ cái đầu tiên: s đại lượng của mạch stator. r đại lượng của mạch rotor. o Chữ cái thứ hai: d, q phần tử thuộc hệ tọa độ dq. ,  phần tử thuộc hệ tọa độ . a, b, c đại lượng ba pha của stator. 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: u điện áp (V). i dịng điện (A).  từ thơng (Wb).  từ thơng mĩc vịng (A.vịng). () Te momen điện từ (N.m). TL momen tải (momen cản - torque) (hay cịn ký hiệu là MT) (Nm).  tốc độ gĩc điện của rotor so với stator (rad/s). Ω tốc độ gĩc cơ của rotor so với stator (rad/s). a tốc độ gĩc của một hệ toạ độ bất kỳ (arbitrary) (rad/s). Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.2
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB s tốc độ gĩc của từ thơng stator so với stator (s =  + sl) (rad/s). r tốc độ gĩc của từ thơng rotor so với stator (r s) (rad/s). sl tốc độ gĩc của từ thơng rotor so với rotor (tốc độ trượt) (rad/s).  gĩc của trục rotor (cuộn dây pha A) trong hệ toạ độ  (rad). s gĩc của trục d (hệ toạ độ quay bất kỳ) trong hệ toạ độ  (rad). r gĩc của trục d (hệ toạ độ quay bất kỳ) so với trục rotor (rad). s gĩc của từ thơng stator trong hệ toạ độ  (rad). r gĩc của từ thơng rotor trong hệ toạ độ  (rad). e r gĩc của từ thơng rotor ước lượng (estimated) trong hệ toạ độ  (rad). gĩc pha giữa điện áp so với dịng điện. . Các thơng số của ĐCKĐB ba pha: Rs điện trở cuộn dây pha của stator (). Rr điện trở rotor đã qui đổi về stator (). Lm hỗ cảm giữa stator và rotor (H). Ls điện cảm tản của cuộn dây stator (H). Lr điện cảm tản của cuộn dây rotor đã qui đổi về stator (H). P số đơi cực của động cơ. J momen quán tính cơ (Kg.m2). . Các thơng số định nghĩa thêm: Ls = Lm + Ls điện cảm stator. Lr = Lm + Lr điện cảm rotor. L s Ts = hằng số thời gian stator. R s L r Tr = hằng số thời gian rotor. R r L2  = 1 – m hệ số từ tản tổng. Ls L r Tsamp chu kỳ lấy mẫu. . Cc đại lượng viết bằng chữ thường – chữ hoa: Chữ thường: Đại lượng tức thời, biến thiên theo thời gian. Đại lượng là các thành phần của các vector. Chữ hoa: Đại lượng vector, module của vector, độ lớn. I.2. Các phương trình cơ bản của ĐCKĐB ba pha Các phương trình tốn học của động cơ cần phải thể hiện rõ các đặc tính thời gian của đối tượng. Việc xây dựng mơ hình ở đây khơng nhằm mục đích mơ phỏng chính xác về mặc tốn học đối tượng động cơ. Việc xây dựng mơ hình ở đây chỉ nhằm mục đích phục vụ cho việc xây dựng các thuật tốn điều chỉnh. Điều đĩ cho phép chấp nhận một số điều kiện giả định trong quá trình thiết lập mơ hình, tất nhiên sẽ tạo ra một số sai lệch nhất định giữa đối tượng và mơ 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 khơng đồng bộ được mơ tả với một hệ phương trình vi phân. Để xây dựng phương trình cho động cơ, giả định lý tưởng hĩa kết cấu dây quấn và mạch từ với các giả thuyết sau: . Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng trong khơng gian. Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.3
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB . Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bảo hịa của mạch từ. . Dịng từ hĩa và từ trường phân bố hình sin trong khe hở khơng khí. . Các giá trị điện trở và điện kháng xem như khơng đổi. Rs jXs jX’r RFe jXm Mạch tương đương động cơ KĐB với tổn hao sắt từ Rs jXs jX’r Rm jXm Mạch tương đương của động cơ KĐB jX’ Rs jXs r jXm Mạch tương đương động cơ KĐB với dịng từ hố i is Rs Ls Lr r vs im Rr Lm s Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.4
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB r Rs is Ls Lr Rr * * r im r vs Lm  r vr  s j r r Rr Phương trình điện áp trên 3 cuộn dây stator: dsa (t) usa(t) = Rsisa(t) + (2.1a) dt dsb (t) usb(t) = Rsisb(t) + (2.1b) dt dsc (t) usc(t) = Rsisc(t) + (2.1c) dt Biểu diễn điện áp theo dạng vector khơng gian: s 2 j1200 j2400 u s (t) u sa (t) u sb (t)e u sc (t)e  (2.2) 3 Thay các phương trình điện áp pha (2.1a),(2.1b),(2.1c) vào (2.2), ta được: Ví dụ 3.1: Chứng minh: Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.5
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB s s s d s (t) u (t) = Rs. i (t) + (2.3) s s dt Trong đĩ, tương tự như đối với điện áp: s 2 j1200 j2400 is (t) isa (t) isb (t)e isc (t)e  (2.4) 3 s 2 j1200 j2400 s (t) sa (t) sb (t).e sc (t).e  (2.5) 3 Tương tự, ta cĩ phương trình điện áp của mạch stotor. Khi quan sát trên hệ qui chiếu rotor (rotor ngắn mạch): d r t u r (t) 0 R i r t r (2.6) r r r dt Các vector từ thơng stator và rotor quan hệ với các dịng stator và rotor: Ví dụ 3.2: Chứng minh: CM s Ls is Lm ir (2.7a) CM  r Lm is Lr ir (2.7b) với  m Lmim Lm is ir (2.7b)  s Lsis Lmir  m s  r Lmis Lrir  m r Ví dụ 3.3: Chứng minh: Lm= 3/2LaA? ĐCKĐB là một hệ điện cơ, cĩ phương trình momen: 3 3 T P  xi P  xi (2.8) e 2 s s 2 r r Ví dụ 3.4: Chứng minh: 3 Lm 3 3 Te P  rxis P  mxis PLm irxis 2 Lr 2 2 và phương trình chuyển động: J d d Te = TL + = TL + J (2.9) P dt dt  Việc xây dựng các mơ hình cho ĐCKĐB ba pha trong các phần sau đều phải dựa trên các phương trình cơ bản trên đây của động cơ. Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.6
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB  II. Mơ hình liên tục của ĐCKĐB trên hệ tọa độ stator (toạ độ ) Tương tự như (1.13), từ hệ quy chiếu rotor quy về hệ quy chiếu stator theo các phương trình: r s j Ví dụ 3.5: Chứng minh: ir ir e (2.10) r s j Và  r  r e (2.11) d với  , trong đĩ  là tốc độ quay của rotor (theo hình 2.3). dt Thay pt (2.10) và pt (2.11) vào pt (2.6), qui pt (2.6) về hệ quy chiếu stator: d s Ví dụ 3.6: Chứng minh: 0 R i s r j s (2.12) r r dt r Sơ đồ mạch điện tương đương của mơ hình động của ĐCKĐB trong HTĐ stator Vậy từ các pt (2.3), (2.7), (2.8), (2.9) và(2.12) ta cĩ hệ phương trình: s s s d s u = Rs. i + (2.13a) s s dt s s d r s 0 = Rr i + - j (2.13b) r dt r s L i s L i s (2.13c) s s s m r s s s r Lm is Lr ir (2.13d) 3 Te = p(  x i )= - p(  x i ) (2.13e) 2 s s r r J d Te = TL + (2.13f) p dt Để xác định dịng điện stator và từ thơng rotor, từ pt (2.13d) và pt (2.13c) cĩ: 1 s s =  r Lm is (2.14) L r s s s s Lm  s = Ls. i s +  r Lm i s (2.15) Lr Thay (2.14) và (2.15) vào (2.13a) và (2.13b), với các định nghĩa sau: L s . Ts = : hằng số thời gian stator. R s Lr . Tr : hằng số thời gian rotor. R r Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.7
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB L2 .  1 m : hệ số từ tản tổng. Ls Lr Phương trình (2.13a) và (2.13b) trở thành: s s s s dis Lm d r u s R S is Ls (2.16) dt Lr dt L 1 ds m s s r 0 is j  r (2.17) Tr Tr dt suy ra: ds L 1 r m s s is j  r (2.19) dt Tr Tr Thay (2.19) vào (2.16): di s 1 1  1  1 1 s s s s is j  r u s (2.20) dt Ts Tr Lm Tr Ls ds L 1 r m s s is j  r (2.21) dt Tr Tr Chuyển sang dạng các thành phần của vector trên hai trục toạ độ: di 1 1  1  1  1 s is  r  r u s (2.22a) dt Ts Tr Tr Lm Lm Ls di 1 1  1  1  1 s is  r  r u s (2.22b) dt Ts Tr Tr Lm Lm Ls d r Lm 1 is  r  r (2.22c) dt Tr Tr d r Lm 1 is  r  r (2.22d) dt Tr Tr s 1 s s Thay pt (2.14) ir =  r Lm is L r vào pt (2.13e), cĩ: 3 s s s 1 3 L m s s Te p  r x  r L m is P  r x.is 2 L r 2 L r Thay các thành phần của vector từ thơng rotor và dịng stator, được: Ví dụ 3.7: Chứng minh: 3 L m Te p r i s r i s (2.24) 2 L r d p T T  dt J e L Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.8
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB  Mơ hình tốn động cơ DC Mạch tương đương của động cơ DC:  Rư Lư Ikt Iư Rkt U Ukt E = kE.kt.  k.Ikt. kt Phương trình mạch vịng điện áp cho phần ứng của động cơ. diu U = E + Ruiu + Lu dt Trong đĩ : E = K kt kkt.ikt Phương trình cân bằng moment trên trục động cơ : d Te = TL + J + B dt Trong đĩ : 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, cĩ mơ hình động cơ DC: V s E s R uIu s LusIu s E s K s T s TL s B s Js s T s kIu s V s E s Iu s Lus R u T s TL s  s Js B Sơ đồ khối mơ hình động cơ DC: Vs I (s) T (s)  s 1 1 K. Lus R u Js B E (s) TL s K. Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.9
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB  III. Mơ hình của ĐCKĐB trên hệ tọa độ từ thơng rotor (toạ độ dq) Theo hệ pt (1.17), biểu diễn pt (2.3) và pt (2.6) lên hệ trục tọa độ từ thơng rotor (hệ trục dq): s s s d s (t) u (t) = Rs. i (t) + (2.3) s s dt r r r dr t u r (t) 0 R r ir t (2.6) dt s f jr t f jr Với ir ir e ir e r f j s  t f j s  t ir ir e ir e Ví dụ 3.8: Chứng minh: f f f f ds u = Rs i + js  + (2.29a) s s s dt f f f dr 0 = Rr i + jsl  + (2.29b) r r dt Sơ đồ mạch điện tương đương của mơ hình động của ĐCKĐB trong HTĐ dq Kết hợp với hai pt trên với hệ phương trình (2.7), cĩ hệ phương trình: = Rs + js + (2.30a) 0 = Rr + j(s-) + (2.30b) f f f s Ls is Lm ir (2.30c) f f f r Lm is Lr ir (2.30d) Suy ra Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.10
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB f 1 f f i r r Lmis Lr 2 L f L f m m f s Ls is r Lr Lr Thực hiện tương tự đối với việc xây dựng mơ hình động cơ trên hệ tọa độ , khử f f các biến ir và s , được hệ sau: di f 1 1  1  1 1 s f f f f is jsis j  r u s dt Ts Tr Lm Tr Ls d f L 1 r m f f is jsl  r dt Tr Tr Chuyển sang dạng các thành phần của vector trên hai trục toạ độ: di 1 1  1  1  1 sd = isd + sisq + rd + rq + u sd (2.31a) dt Ts Tr Tr Lm Lm Ls di 1 1  1  1  1 sq = isq sisd+ rq rd + u sq (2.31b) dt Ts Tr Tr Lm Lm Ls drd L m 1 i sd rd slrq (2.31c) dt Tr Tr drq L m 1 i sq rq slrd (2.31d) dt Tr Tr f f Trong hệ tọa độ dq, rq=0 do vuơng gĩc với vector  r nên  r =rd . = isd + sisq + + (2.32a) = isq sisd + (2.32b) drd Lm 1 isd rd (2.32c) dt Tr Tr d rq = 0 (2.32d) dt Lm và isq slrd Tr Lm Ví dụ 3.9: Chứng minh:  r  rd isd 1 Trs Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.11
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Lm isq Ví dụ 3.10: Chứng minh: sl Tr  r Phương trình moment: L2 L f m f m f Thay s Ls is r (2.33) Lr Lr 3f f 3 Lmm f f 3 L Vào: Te P  s i s P  r i s P  rd i sq  rq i sd (2.34) 2 2 Lrr 2 L 3 Lm cĩ Te p rd isq rq isd (2.35) 2 Lr L m i sq với tốc độ trượt: sl = r –  = (2.36) T r rd 3 Lm Ví dụ 3.11: Chứng minh: Te P  rd isq  rq isd 2 Lr Ví dụ 3.12: J d Te = TL + hay = Te - TL (2.37) p dt f Trong hệ tọa độ từ thơng rotor (hệ tọa độ dq), các vector dịng stator is và f vector từ thơng rotor  r , cùng với hệ tọa độ dq quanh (gần) đồng bộ với nhau với tốc độ s quanh điểm gốc, do đĩ 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 khơng đổi; trong quá trình quá độ, các giá trị này cĩ thể biến theo theo một thuật tốn điều khiển đã được định trước. f Hơn nữa, trong hệ tọa độ dq, rq=0 do vuơng gĩc với vector nên  r =rd. Đối với ĐCKĐB 3 pha, trong hệ tọa độ dq, từ thơng và mơmen quay được biểu diễn theo các phần tử của vector dịng stator: Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.12
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB (Hai phương trình trên được trình bày tựa theo phương trình (2.34c) và phương trình (2.34d) trong chương II). Phương trình trên cho thấy cĩ thể điều khiển từ thơng rotor  rd  r thơng qua điều khiển dịng 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 cơng trong việc áp đặt nhanh và chính xác dịng isd để điều khiển ổn định từ thơng  rd tại mọi điểm làm việc của động cơ. Và thành cơng trong việc áp đặt nhanh và chính xác dịng isq, và theo pt (1.20b) thì cĩ thể coi isq là đại lượng điều khiển của momen Te của động cơ. Bằng việc mơ tả ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ từ thơng rotor, khơng cịn quan tâm đến từng dịng điện pha riêng lẻ nữa, mà là tồn bộ vector khơng gian dịng stator của động cơ. Khi đĩ vector is sẽ cung cấp hai thành phần: isd để điều khiển từ thơng rotor  r , isq để điều khiển momen quay Te, từ đĩ cĩ thể điều khiển tốc độ của động cơ. isd () isq Te  () Khi đĩ, phương pháp mơ 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  thơng qua điều khiển hai phần tử của dịng điện là isd và isq. Ưu điểm khi của mơ hình của ĐCKĐB trong HTĐ dq so với HTĐ : 1. Các đại lượng khơng biến thiên dạng sin theo thời gian. 2. Hệ phương trình đơn giản hơn (rq=0). 3. Phân ly điều khiển từ thơng rotor và momen Te (tốc độ ). 4. Gần giống với điều khiển động cơ một chiều. Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.13
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB 3 Te = P(  x i )= - P(  x i )= P( x ) ??? (2.8) 2 s s r r m Bài tập 3.1. Nêu ý nghĩa của việc điều khiển từ thơng trong điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ ba pha? Bài tập 3.2. Nêu‎ nghĩa của phương pháp điều khiển V/f = const trong khiển khiển tốc độ động cơ khơng 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 luơn nhỏ hơn định mức? s r s s d s (t) r r dr t Bài tập 3.3. Từ pt: u (t) = Rs. i (t) + và u (t) 0 R i t s s dt r r r dt CM: 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 3 3 Lm 3 Lm Bài tập 3.6. CM: Te P  s is P  r is P  risq 2 2 Lr 2 Lr 3 3 Bài tập 3.7. CM: Chứng minh: Te PLm ir is PLm i rd isq i rq isd 2 2 Bài tập 3.8. Cho động cơ 3 pha nối Y, cĩ 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 thơng rotor đạt định mức và khơng đổi, dịng khởi động bằng 1,65 lần dịng định mức; tính trị biên độ isd, isq và moment lúc khởi động? Bài tập 3.9. Cho động cơ khơng đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ cĩ ghi: 2 cực, nối Y, 380V, 50Hz, Iđm=5,5A, Mcơ_đm=7,75Nm. Thơng qua các thí nghiệm đo đạt, xác định được thơng 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 thơng rotor, đang vận hành ở chế độ định mức (isd_đm < isq_đm). Trong hệ tọa độ từ thơng rotor: a) Tính dịng điện isd_đm và isq_đm? Tính từ thơng mĩc vịng rotor |r|? b) Với từ thơng như câu a). Tính dịng điện khi moment tải cịn 50%? Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.14
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB c) Lúc khởi động động cơ, biết từ thơng đạt định mức, moment bằng 2 lần moment định mức. Tính dịng điện khởi động? So sánh với dịng định mức? Bài tập 3.10. Một động cơ khơng đồng bộ cĩ các thơng 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 dịng điện định mức isdn, isqn, từ thơng định mức r n và dịng điện định mức Isn? Bài tập 3.11. Điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha dùng bộ biến tần cài đặt ở chế độ điều khiển định hướng từ thơng rotor: a) Khi điều khiển động cơ đạt từ thơng rotor ổn định, viết phương trình chứng tỏ: (0,5 đ) i) Biên độ từ thơng rotor |r| cĩ thể được điều khiển qua isd ? ii) Moment cơ của động cơ Mcơ cĩ thể được điều khiển qua isq ? b) Biết động cơ ba pha nối Y, cĩ 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 thơng rotor định mức và khơng đổi, và dịng khởi động được cài đặt bằng 1,5 lần dịng định mức: tính trị biên độ dịng điện khởi động isd_kđ, isq_kđ và moment khởi động Mcơ_kđ? Nhận xét? (1,5 đ) c) Biến tần đang điều khiển động cơ trên vận hành với từ thơng rotor định mức. Lúc động cơ kéo tải cĩ moment bằng 150% định mức, tính dịng điện hiệu dụng của động cơ? (1 đ) Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.15
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Chương 4: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THƠNG ĐCKĐB (FOC) I. Hiệu chỉnh PID (PID CONTROL) r(t) e(t) u(t) Đối tượng c(t) PID điều khiển Phương trình vi phân mơ tả hiệu chỉnh PID: de(t) u(t) = KP e(t) + KI e(t)dt + KD dt KP: hệ số khâu tỉ lệ. KI: hệ số khâu tích phân. KD:hệ số khâu vi phân. Biến đổi Laplace: u(s) 1 K K P D G(s) K p 1 TD .s trong đĩ: TI , TD e(s) TI .s K I K P Vấn đề thiết kế là cần hiệu chỉnh các giá trị K p , K i và K D 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 khơng chấp nhận được đối với mạch động lực. Khâu tích phân tỉ lệ (PI) cĩ mặt trong hệ thống dẫn đến sai lệch tĩnh triệt tiêu (hệ vơ 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 cĩ mặt của khâu PI là bắt buộc. Sự cĩ mặt của khâu vi phân tỉ lệ (PD) làm giảm độ vọt lố, đáp ứng ra bớt nhấp nhơ và hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn. Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID) kết hợp những ưu điểm của khâu PD và khâu PI, cĩ khả năng tăng độ dự trữ pha ở tần số cắt, khử chậm pha. Sự cĩ mặt của khâu PID cĩ 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 cơng nghiệp dưới dạng thiết bị điều khiển hay thuật tốn phần mềm. Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.1
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Tĩm tắt Vai trị 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 - vơ 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 nhơ (dao động) Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID Đáp ứng bước hàm bước 1(t) PID với hai khâu setpoint weighting và anti-windup Bộ PID với hai khâu setpoint weighting và anti-windup là một bộ PID có ứng dụng tổng quát, trong đó tín hiệu điều khiển (tín hiệu ra của bộ PID) có thể được tổng hợp bởi sai số của 2 tín hiệu - cung cấp bởi 2 đối tượng khác nhau (đối tượng được điều khiển và đối tượng cung cấp tín hiệu đặt). Bộ PID cải thiện đáp ứng quá độ ( giảm độ vọt lố, giảm thời gian quá độ và giảm sai số xác lập). - Nếu giá trị ngõ ra của bộ PID lớn hơn so với giá trị bão hòa (một giá trị định mức ta định cho hệ thống), nó sẽ được giảm xuống một cách nhanh chóng nhờ khâu anti-windup. Khâu anti-windup là một khâu tỉ lệ với giá trị độ lợi = 1/ Tt, trong đó giá trị Tt >=1. - Nếu tín hiệu đặt là tín hiệu từ một đối tượng khác cung cấp, có giá trị rất bé, (hoặc rất lớn) nó sẽ được tăng lên (hoặc giảm xuống) nhờ khâu setpoint Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.2
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB weighting mà thực chất là một khâu tỉ lệ với độ lợi b. Điều này nhằm tăng tốc độ phản ứng trong quá trình tỉ lệ.  Hệ phương trình mô tả cho bộ PID Tín hiệu ngõ ra của bộ PID là tổ hợp của 3 lượng P, I, D: P=K*(b*ysp-y) Td.s DK (4.3) (Td / N)s 1 11 I K (ysp y) (u v) Ti.s Tt u=P+I+D v=sat(P+I+D) Trong đó ysp : giá trị đặt. y : giá trị thực của hệ thống. B : độ lợi của khâu weighting. K : hằng số của thành phần khuyếch đại tỉ lệ. K/Ti : hằng số của thành phần tích phân. KTd : hằng số của thành phần vi phân. u : tín hiệu đầu ra của bộ PID. v : giá trị qua khâu bão hòa của u. Hình: Mô phỏng PID với anti-windup and setpoint weighting. Mô phỏng bộ PID trong hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ Bộ PID được mô phỏng không có thành phần vi phân D, cho Td=0, N=1000, lúc 1 đó hàm truyền của bộ PID chỉ đơn giản là : K1 Tsi Giá trị độ lợi khâu weighting b=1 Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.3
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Các thông số khác của bộ PID (K, Tt, Ti, N) được xác định thông qua một quá trình thăm dò phức tạp ta không xét đến ở đây, trong quá trình mô phỏng sẽ chấp nhận các giá trị này như là được cung cấp. Giá trị ngõ vào bộ PID là sai số giữa vận tốc lệnh (w*) và vận tốc thực w Giá trị ngõ ra của bộ PID là momen điện từ lệnh. Phương trình liên hệ giữa sai số vận tốc ngõ vào và momen điện từ lệnh ngõ ra là J dw T -T = eLP dt Như vậy việc ta cấp vận tốc lệnh cho bộ điều khiển cũng tương đương với việc cấp momen lệnh. Hình: Giao diện nhập thông số của bộ PID. PI rời rạc: r(k) e(k) u(k) Đối tượng c(k) PID SỐ điều khiển u(k)=u p (k)+u I (k) u (k)=K p .e(k) u (k)= u (k-1)+K .T.e(k) = u (k-1)+ K'I . e(k) Trong đĩ:T là tần số lấy mẫu Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.4
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB void PID_Control(void) /*Khau PI*/ { ss_n = n_dat - RPM; /* tinh sai so toc do hoi tiep ve*/ Up = Kp * ss_n; /* hieu chinh khau ti le (P)*/ Ui = Ui + Ki * Tsamp * ss_n; /* hieu chinh khau tich phan (I)*/ U_pt = Up + Ui; if( U_pt = 0*/ U_pt= 0; if( U_pt> 1.0) /*Gioi han dien ap <= 1.0*/ U_pt = 1.0; DRX = (int)(U_pt*(float)T1PR); /*Do Rong Xung tich cuc muc cao */ T1CMPR = T1PR - DRX; CMPR1 = T1PR - DRX; } PID số (Phương pháp 1): de t u t K e t K e t dt K P I D dt Rời rạc hĩa: u k uP k uI k uD k uP k KP.e k ' uI k uI k 1 KI .T.e k uI k 1 KI .e k e k e k 1 u k K . K' e k e k 1 D D T D Trong đĩ:T là tần số lấy mẫu.hiể Rời rạc hĩa _ Phương pháp gần đúng (khâu I): u k uP k uI k uD k uP k K P .e k uI k K I . e k e k 1 uD k KD e k e k 1 PID số (Phương pháp 2): du t de t d 2e t Đạo hàm 2 vế: K K e t K dt P dt I D dt 2 Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.5
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB u k u k 1 u k u k u k T P I D e k e k 1 u k K . K' e k e k 1 P P T p uI k KI .e k e k e k 1 e k 1 e k 2 uD k KD. K'D e k 2*e k 1 e k 2 T T Hay: u k u k 1 u'P k u'I k u'D k ' u'P k K''p e k e k 1 u'I k K'I .e k u'D k K''D e k 2*e k 1 e k 2 Hay: u k u k 1 uP k uI k uD k uP k KP. e k e k 1 uI k KI .e k uD k K'D uP k uP k 1 Điều khiển tốc độ động cơ DC:  Rư Lư Ikt Iư Rkt U Ukt E = kE. kt.  k.Ikt. kt DCM L TON C N T Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.6
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB ndat + e u n PIDtốc độ Động cơ _ n 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. u k u k 1 uP k uI k uD k u k 1 void PID(void) { // ek =(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) uk = 255; // Giá trị lớn nhất là 255 (số 8bit) // duty_cycle = uk /Umax * T_PWM; } Một số đáp ứng của hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.7
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Đáp ứng bước Vọt lố Dao động Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.8
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB II. Phương pháp điều khiển V/f V, T V, T Vđm V/f=const Vđm V/f=const Te Tđm Tđm Te TL TL Rs*Ili f Rs*Ili f m m fđm fđm Tải moment hằng số Tải moment thay đổi theo tốc độ (Thang máy, cần cẩu, băng chuyền) (Bơm, quạt, ) Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.9
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Tải moment hằng số phải dùng biến tần lớn hơn 1 cấp so với tải moment biến đổi. III. Điều khiển tiếp dịng - điều khiển moment, từ thơng Điều khiển định hướng từ thơng rotor (Field Oriental Control - FOC) Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.10
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB IV. Điều khiển tiếp áp - điều khiển dịng điện trong HQC quay Điều khiển dịng điện động cơ (hồi tiếp) bằng dịng 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. Mơ hình động cơ KĐB 3 pha  =??? Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.11
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB r , Te , r=??? V.2. Điều khiển trực tiếp Điều khiển trực tiếp từ giá trị hồi tiếp đo về: Điều khiển tiếp dịng: r , Te , r=??? Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.12
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Điều khiển trực tiếp từ giá trị hồi tiếp - tiếp áp: ed, eq =??? ed, eq =??? Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.13
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Điều khiển trực tiếp từ giá trị đặt - tiếp áp: V.3. Điều khiển gián tiếp Điều khiển gián tiếp từ giá trị đặt - tiếp dịng: Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.14
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB ids , iqs , sl =??? K1 , K2 =??? , mech =??? Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.15
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB r =??? V.4. Điều khiển trực tiếp - tiếp áp Cấu trúc của hệ thống điều khiển định hướng trường định hướng trường (Field Oriented Control -FOC) trong điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha được trình bày trong hình vẽ sau: Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.16
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB * u * a  r i + i y u T sd sd ĐCi d sd L d u b MTi – MTu * * u c  sl i sq + isq y q u sq BBĐ ĐCiq Động cơ – MTu MTu i a i i sd b CTĐi i sq * +  * +   ĐC sl r r – +  Hình 4.1: Cấu trúc của hệ thống điều khiển ĐCKĐB ba pha dùng FOC Bằng việc mơ tả ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ từ thơng rotor, vector is sẽ chia thành hai thành phần: isd để điều khiển từ thơng rotor  r , isq để điều khiển momen quay Te, từ đĩ cĩ thể điều khiển tốc độ của động cơ. isd isq Te  (4.1a) (4.1b) V.4.1. Xây dựng thuật tốn 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 dịng (MTi) * * r isd 1 sTr (4.2a) Lm * * Tr r * isq sl (4.2b) Lm Mạng tính áp (MTu) Ls u sd R s yd yq (4.3a) 1 sTs Ls Lm * u sq R s yq yd r d (4.3b) 1 sTs Lr Ls Ls Lm Trong đĩ, Ts R s R s Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.17
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Tính gĩc r   r (4.4) r s Chuyển đổi hệ tọa độ dịng điện (CTĐi) is = isa (4.5a) i 1 (4.5b) s = isa 2isb 3 isd = is cosr + issinr (4.6a) isq = - is sinr + iscosr (4.6b) Bộ biến đổi (BBĐ) o Chuyển đổi hệ tọa độ dịng điện (CTĐi) us = usdcosr – usqsinr (4.7a) us = usdsinr + usqcosr (4.7b) o Bộ biến đổi điện áp (bộ điều chế vector khơng gian) usa = us (4.8a) 1 3 u u u (4.8b) sb 2 s 2 s usc = – usa – usb (4.8c) Khâu điều chế tốc độ quay (ĐC) Là khâu hiệu chỉnh PI: KI sl K* P   (4.9) s Các khâu điều chế dịng (DCid và DCiq) o Khâu điều chế dịng isd (DCid) K Id yd K Pd isd (4.10) s o Khâu điều chế dịng isq (DCiq) K Iq yq K Pq isq (4.11) s Chú ý: Xét trong hệ tọa độ từ thơng rotor nên rq 0, r rd (4.12) Các thơng số KP và KI trong các bộ điều khiển PI được hiệu chỉnh sao cho hệ thống đạt tới đáp ứng tốt nhất. V.4.2. Đánh giá đáp ứng của thuật tốn điều khiển FOC Hệ thống ổn định. Sai số xác lập của tốc độ nhỏ, sai số xác lập của từ thơng rotor lớn. Thời gian đáp ứng của hệ thống tương đối nhanh. Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.18
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Momen tải khơng tác động nhiều đến đáp ứng của tốc độ, và đáp ứng của từ thơng rotor. Chất lượng đáp ứng suy giảm khi bị nhiễu tác động lên tín hiệu hồi tiếp. Hệ thống dễ mất ổn định khi cĩ sai số mơ hình hay bị tác động của nhiễu. Dịng điện khởi động lớn so với dịng điện làm việc; dịng khởi động tăng lên khi cĩ sai số mơ hình. VI. Tính tốn thiết kế hệ thống điều khiển gián tiếp ĐCKĐB theo phương pháp định hướng từ thơng rotor Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.19
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB 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. (Chú ý, khi vận hành ở cơng suất định mức: isdn < isqn) Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.20
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB ' '  Rs jXs  jX’r Is Ir R r   1 s IFe Im '  R r Us s RFe jXm Mạch tương đương động cơ KĐB với tổn hao sắt từ X m Xs Ls L m Ls Ls Lm Ls Ts 2 f 2 f Rs Xr L r Lr Lr Lm Lr Tr 2 f R r L mi sd  rd Từ thơng khơng đổi, r L mi ds 1 Tr s 2 Lr Te 2 Lr Te 2 Lr isq isqisd 2 Te 3P Lm  r 3P Lm Lmisd 3P Lm 2 2 Mà is isq i ds 2Is Khi biết momen điện Te và dịng 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. Thơng thường isd bằng 40-60% Is định mức. L mi qs Và tính được sl . Tr r  Từ đĩ tính được tốc độ gĩc trựơt cơ:   sl và tính được tốc độ động cơ. sl sl_ co p Lm iqs  rd  rd Tr s 3 L m Te Lr 1 isq i sd i sq sl Lr L m 2p L r  r Tr r Tr isd Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.21
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB * * Từ thơng khơng đổi: r Lmi ds * * * iqs 2 Lr 1 i qs K1Te K1 * 2 * Te 3p Lm ids * * * sl Lm 1 * * * sl K 2i qs K 2 * * * vì Lmi qs Tr r sl iqs Tr r Trids Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.22
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.23
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.24
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Chú ý: Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.25
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB L1 L L2 N L3 Bộ ử l FOC SCI ADC Bộ điều khiển PWM I/O QEP ADC Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.26
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Với K P K I TI Với Tdom = J/P và  = Tdelay = chu kỳ xử lý ( tổng thời gian trễ). Thêm khâu smooth: Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.27
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.28
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB 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. 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: Điều khiển gián tiếp từ giá trị đặt: Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.29
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Tính tất cả các giá trị cần thiết để điều khiển gián tiếp từ thơng rotor, được minh họa trong ví dụ 1 này. Động cơ KĐB 3 pha 4 cực, nối Y, rotor lồng sĩc, các thơng số ở 50Hz là: Rs = 10, Rr = 6,3, Xs = 13,5, Xr = 12,6, Xm = 132. Dịng điện định mức là 2.1A ở 380V. Điều khiển gián tiếp định hướng từ thơng rotor (FOC) động cơ KĐB trên. Bộ điều khiển dịng cần tính tốn từ giá trị dịng điện đo về và giá trị dịng điện đặt. Tốc độ động cơ được điều khiển từ 0 đến tốc độ định mức. Từ thơng khơng đổi và bằng giá trị từ thơng định mức. Moment định mức là 5.07Nm và moment quán tính 2 là 0.1 kgm . Vì vậy cần tính dịng điện định mức isdn, isqn từ moment định mức Ten, tính từ thơng định mức r n và tính vận tốc gĩc định mức sln? (Chú ý, khi vận hành ở cơng suất định mức: isdn < isqn ) Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.30
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.31
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Ví dụ 2: Một động cơ khơng đồng bộ cĩ các thơng 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 dịng điện định mức isdn, isqn, từ thơng định mức r n và dịng điện định mức Isn? Tính K1, K2, Kp, Ti? Biết chu kỳ xử lý của bộ điều khiển là 50s, moment quán tính 2 của động cơ là 0.5 kgm . 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 đơi moment định mức, tính dịng điện khởi động khi dùng biến tần FOC? _ Cài dịng khởi động gấp 1,5 dịng định mức, tính moment định mức khi dùng biến tần FOC? R ' r '  Rs jXs  s jX’r Is I r  Im  E  ' U s s E r jXm Stator với dịng từ hố Rotor quy về stator Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.32
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB '  Rs jXs ' R jX’r Is Ir r  Im  1 s ' U s R s r jXm Mạch tương đương động cơ KĐB với dịng từ hố * * * * * Lmiqs Trr sl Tr Lmidssl * iqs * * 2 ns n * Trsl Tr P.sl_co Tr P. sl P.sl_co =P. Ωsl ids 60 * iqs 2 Lr 1 * * K i qs K1Te 1 * 2 * Te 3p Lm ids * sl Lm 1 * * K2 * * * sl K 2i qs * * * vì Lmi qs Tr r sl iqs Trr Trids J 1 KP P 2Tdelay K K P TI 4Tdelay I TI Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.33
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Hay với Tdom = J/P và  = Tdelay = chu kỳ xử lý ( tổng thời gian trễ). a) Is = 2.509587 d) K1 = 0.457651 b) Te = 6.401969 d) K2 = 7.148431 c) id = 2.002982 e) Kp = 2500.000000 c) iq = 2.929867 e) Ki = 12500000.000000 c) PHIr = 0.801193 e) Ti = 0.000200 Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.34
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.35
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Bài tập 4.1. Khi điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha, bộ biến tần cĩ chế độ V/ f const : 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, dịng điện stator, độ lớn từ thơng rotor, tốc độ và moment)? Bài tập 4.2. Điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha dùng bộ biến tần cài đặt ở chế độ điều khiển định hướng từ thơng rotor: a. Khi biến tần điều khiển động cơ đạt từ thơng rotor ổn định, viết phương trình chứng tỏ: i) Biên độ từ thơng rotor |r| cĩ thể được điều khiển qua isd ? ii) Moment cơ của động cơ Mcơ cĩ thể được điều khiển qua isq ? d ii) Gia tốc động cơ a cĩ thể được điều khiển qua isq ? dt b. Động cơ ba pha nối Y, cĩ 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 thơng rotor định mức và khơng đổi, và dịng khởi động bằng 2 lần dịng 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 cĩ các thơng 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). R is s L Rr Lr s u 1 s s Rr Lm s a) Tính dịng điện định mức Is? b) Tính moment điện từ định mức Te? c) Tính từ thơng 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 Ki? Biết chu kỳ xử lý là 50s. Bài tập 4.4. Cho động cơ khơng 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 cĩ các thơng số: Rs = 10, Rr = 6,3, Ls = Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.36
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB 0,043H, Lr = 0,04H, Lm = 0,42H. Trong hệ tọa độ từ thơng rotor, khi động cơ vận hành ở định mức, tính: a) Dịng điện isd và isq ? (Biết ở định mức, isd < isq). b) Độ lớn từ thơng 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 khơng đồng bộ cĩ các thơng số (tất cả quy về stator) như sau: Rs = 10, Rr = 6,3, Ls = 0,043H, Lr = 0,04H, Lm = 0,42H. Động cơ 3 pha, 4 cực, cuộn dây stator nối Y, 50Hz, 380V, 1400rpm. Tính dịng điện định mức Isn, dịng điện định mức isdn, isqn, từ thơng 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. Bài tập 4.6. Cho động cơ khơng 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 thơng rotor, khi động cơ vận hành ở định mức, tính: a) Dịng điện isd và isq ? (Biết ở định mức, isd < isq). b) Độ lớn từ thơng 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 cĩ các thơng số: Rs = 10, Rr = 6,3, Ls = 0,043H, Lr = 0,04H, Lm = 0,42H. Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.37
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.38
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB 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. o a) Tính usa, usb, usc, us và us, |us|? Biết gĩc pha điện áp ban đầu uo = 0 . b) Tính T1, T2 và T0? Biết tần số điều rộng xung là 20KHz. o c) Tính usd và usq? Biết gĩc hệ toạ độ quay lúc đĩ là r = s = 45 . Bài tập 4.2. Cho động cơ khơng đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ cĩ ghi: 2 cực, nối Y, 380V, 50Hz, Iđm=2,9A. Thơng 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. o Gĩc pha dịng điện ban đầu io = 0 , tại thời điểm t = 4ms: a) Tính isa, isb, isc, is và is, |is|? o b) Tính isd và isq? Biết gĩc hệ toạ độ quay lúc đĩ là r = s = 15 . c) Tính độ lớn từ thơng mĩc vịng 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 (vịng/phút) của động cơ? Bài tập 4.3. Khởi động động cơ dùng biến tần điều khiển theo phương pháp FOC. Biết động cơ luơn đạt từ thơng rotor định mức và khơng đổi lúc khởi động (isd_kđ = isd_đm). Biết động cơ 3 pha nối Y, cĩ các thơng số định mức: Mcơ_đm= 4Nm, Iđm_RMS=2,9A (trong đĩ, trị biên độ isd_đm =1.75A, isq_đm =3.70A). a) Tính độ lớn từ thơng mĩc vịng rotor |r|? Biết Xm=140 ở 50Hz. b) Nếu cài đặt dịng khởi động bằng Ikđ=1,5 lần dịng 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 khơng đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ cĩ ghi: 2 cực, nối Y, 380V, 50Hz, Iđm=2,9A, Mcơ_đm=4Nm. Thơng qua các thí nghiệm đo đạt, xác định được thơng 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 thơng rotor, đang vận hành ở chế độ định mức (isd_đm < isq_đm). Trong hệ tọa độ từ thơng rotor: a) Tính dịng điện isd_đm và isq_đm? b) Tính độ lớn từ thơng mĩc vịng rotor |r|? c) Tốc độ trượt Ωsl (rad/s), và tốc độ n_đm (vịng/phút) định mức của động cơ trên? Bài tập 4.5. Cho động cơ khơng đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ cĩ ghi: 2 cực (1 cặp cực), nối Y, 380V, 50Hz, Iđm=3A, Mcơ_đm=4Nm. Động cơ cĩ thơng số (đã Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.39
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB 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 thơng rotor (FOC), đang vận hành ở chế độ định mức (isd_đm < isq_đm). Trong hệ tọa độ từ thơng rotor: a) Tính dịng điện isd_đm và isq_đm? (2 đ) b) Tính từ thơng mĩc vịng rotor |r|? (1 đ) c) Tính tốc độ trượt Ωsl (rad/s và vịng/phút)? (1 đ) d) Khi khởi động dùng biến tần ở chế độ FOC, động cơ luơn đạt từ thơng rotor bằng định mức (isd_kđ =isd_đm). Biết động cơ khởi động với Mcơ_kđ =2Mcơ_đm =8Nm, tính dịng khởi động của động cơ Ikđ_RMS? Cho nhận xét? (1 đ) Bài tập 4.6. Cho động cơ khơng đồng bộ ba pha 380 V, nối Y, 50Hz, rotor lồng sĩc, 4 cực, cĩ các thơng 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, dịng điện định mức là 9 A (rms). Động cơ vận hành ở chế độ định mức, tính: a) Dịng điện isd_đm và isq_đm? (2 đ) b) Từ thơng mĩc vịng rotor |r|? (1 đ) c) Moment điện từ. d) Tốc độ trượt Ωsl (rad/s và vịng/phút)? (1 đ) e) Tốc độ rotor và độ trượt. f) Các hệ số K1, K2 của hệ điều khiển định mức từ thơng. 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 luơn đạt từ thơng rotor bằng định mức (isd_kđ =isd_đm). Biết động cơ khởi động với Mcơ_kđ =2Mcơ_đm, tính dịng khởi động của động cơ Ikđ_RMS? Cho nhận xét? (1 đ) Bài tập 4.7. Cho động cơ khơng đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ cĩ ghi: 4 cực, nối Y, 380 V, 50Hz, 1415 RPM. Thơng 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. a) Tính dịng điện hiệu dụng và moment cơ khởi động? (1 đ) b) Tính dịng điện hiệu dụng và tốc độ trượt định mức (rad/s)? (1 đ) c) Từ kết quả câu b), trên hệ tọa độ từ thơng mĩc vịng rotor, tính dịng điện isd_đm và isq_đm, từ thơng mĩc vịng rotor |r_đm|, moment cơ định mức? (3 đ) d) Khi dùng biến tần ở chế độ FOC, lúc khởi động động cơ luơn đạt từ thơng rotor định mức và khơng đổi (isd_kđ = isd_đm). Để động cơ khởi động gấp đơi moment định mức, tính dịng khởi động của động cơ cần cài đặt cho biến tần? Mặc khác, nếu cài đặt dịng điện khởi động trên biến tần gấp đơi dịng định mức, tính moment khởi động khi đĩ? (2 đ) Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.40
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Bài tập lớn: Điện áp định mức: Uđm=380V, 50Hz, 5.5A, 7.75Nm. Động cơ nối Y. % Model Parameter 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) TL = MSV; % momen tai co (Nm) MSV = 5 + (tổng 3 số cuối MSSV)/6. Bài tập 1. Trong hệ tọa độ , mơ phỏng mơ hình động cơ trên Matlab Simulink (7.x): a) Mơ phỏng điều khiển vịng 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 thơng, dịng điện. Nhận xét sự khác biệt khi tải thay đổi. b) Mơ phỏng điều khiển vịng 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 thơng, dịng điện. Nhận xét sự khác biệt khi điện áp thay đổi. Bài tập 2. Trong hệ tọa độ dq, mơ phỏng mơ hình động cơ trên Matlab Simulink (7.x): a) Mơ phỏng điều khiển vịng 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 thơng, dịng điện. Nhận xét sự khác biệt khi tải thay đổi. b) Mơ phỏng điều khiển vịng 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 thơng, dịng điện. Nhận xét sự khác biệt khi điện áp thay đổi. Bài tập 3. Mơ phỏng trên Matlab Simulink (7.x) bộ điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha dùng phương pháp FOC. Động cơ khởi động khơng 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 thơng, dịng điện. Nhận xét thời gian đáp ứng, độ ổn định tốc độ, moment và dịng điện khởi động của đơng cơ: a) Dùng điều khiển tiếp dịng, khơng cĩ ước lượng từ thơng. b) Dùng điều khiển tiếp dịng, cĩ bộ ước lượng từ thơng. c) Dùng điều khiển tiếp áp, cĩ bộ ước lượng từ thơng (khơng bắt buộc). Đề thi HK2/2012: Cho động cơ khơng đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ cĩ ghi: 4 cực, nối Y, 380 V, 50Hz, 10Nm, 3,155A. Thơng 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. a) Tính dịng điện stator và moment cơ lúc khởi động? (1 đ) b) Tính dịng điện stator và từ thơng mĩc vịng rotor lúc khơng tải? (1 đ) Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.41
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB c) Khi động cơ vận hành ở định mức, trên hệ tọa độ từ thơng rotor, tính dịng điện isd_đm và isq_đm, từ thơng mĩc vịng rotor |r_đm|, tốc độ trượt (rad/s) và tốc độ động cơ (vịng/phút)? (2 đ) d) Khi động cơ vận hành ở tốc độ 1450 vịng/phút, tính dịng điện làm việc của động cơ? Khi đĩ, trên hệ tọa độ từ thơng rotor, tính dịng điện isd và isq, từ thơng mĩc vịng rotor |r|, và moment điện từ của động cơ? (2 đ) e) Khi dùng biến tần ở chế độ FOC, lúc khởi động động cơ luơn đạt từ thơng rotor định mức và khơng đổi (isd_kđ = isd_đm). Để động cơ khởi động gấp rưỡi moment định mức, tính dịng khởi động của động cơ cần cài đặt cho biến tần? Mặc khác, nếu cài đặt dịng điện khởi động trên biến tần gấp rưỡi dịng định mức, tính moment khởi động khi đĩ? (1 đ) f) Dùng cảm biến đo được tốc độ động cơ 1415 vịng/phút, dịng điện tức thời isa=0,2217A và isb=3,9620A. Biết lúc đĩ gĩc của hệ tọa độ từ thơng rotor là 0 r=30 . Ước lượng giá trị từ thơng mĩc vịng rotor |r|, moment cơ, và tốc độ trượt (rad/s) của động cơ? (2 đ) g) Điều khiển động cơ trên bằng phương pháp định hướng từ thơng rotor FOC, thời gian trễ của vịng 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 đĩ là 0.1 kgm2. (1 đ) Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.42
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Chƣơng 5: MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG TỪ THƠNG ROTOR ĐCKĐB Giới thiệu các phương pháp đo dịng điện tức thời, đo từ thơng khe hở khơng khí, đo điện áp, tốc độ động cơ, I. Ƣớc lƣợng từ thơng rotor từ dịng hồi tiếp và từ thơng khe hở khơng khí r i a ,i b , m i is Rs Ls Lr r vs im Rr Lm s ir R Rs Rr s is vs im Lm Rr j r s s s i m is i r r Lrir Lmis s s s s s s r Lrir Lmis Lr im is Lmis s s s Lr s s r Lri m Lr Lm is Lmi m Lris Lm s Lr s s r m Lris r jr Lm 2 2 r r r r Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.1
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB r r cos r cosr sin r sinr r r  d  hay tg tg r  r arctg r r r r r dt r 3 Lm Te p r is r is 2 Lr II. Ƣớc lƣợng từ thơng rotor từ điện áp và dịng hồi tiếp r u a ,u b , ia ,ib  Ít chính xác ở tốc độ thấp do dùng phép tích phân! Từ thơng rotor được ước lượng từ từ thơng stator và dịng stator:  s Ls is Lm ir  r Lm is Lr ir s 1 s s ir  s Ls is Lm L L L2 L L s r s s r s m s r s r Lm is  s Ls is  s 1 is Lm Lm Ls Lr Lm s Lr s Ls Lr s r  s  is Lm Lm Trong đĩ, từ thơng stator được ước lượng từ dịng stator và áp stator như sau: d s u s R is s s s s dt d s s u s R is dt s s s Hay d s L d s L L dis r r s  s r s dt Lm dt Lm dt s s dr Lr s s Ls Lr di s u s R sis  dt Lm Lm dt Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.2
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB d s L dis r r u s R is L s s s s s dt Lm dt ' ' 2 ' 2 với r r r r r cos r cosr sin r sinr r r  d  hay tg tg r  r arctg r r r r r dt r 3 Lm Te p r is r is 2 Lr III. Ƣớc lƣợng từ thơng rotor từ tốc độ và dịng hồi tiếp r , ia ,ib  Chính xác cả ở tốc độ thấp! d s L 1 r m s s is j  r dt Tr Tr d r Lm 1 is  r  r dt Tr Tr d r Lm 1 is  r  r dt Tr Tr với hay Sơ đồ khối bộ ước lượng từ thông rotor trên hệ tọa độ . Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.3
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB 1.2 1.4 1.2 1 tu thong dat 1 0.8 tu thong dap ung tu thong uoc luong 0.8 tu thong dat tu thong dap ung 0.6 (Wb) t (Wb) tu thong uoc luong t s s e e 0.6 r r Fi Fi 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 time (s) time (s) Đáp ứng của bộ ước lượng từ thông rotor trên tọa độ . IV. Ƣớc lƣợng vị trí từ thơng rotor gián tiếp từ từ thơng đặt và Te đặt Các phương trình ước lượng vị trí vector từ thơng rotor từ các giá trị lệnh của từ thơng rotor và moment điện từ như sau: Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.4
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB V. Ƣớc lƣợng từ thơng rotor từ tốc độ và dịng hồi tiếp trong HTĐ (dq) r , ia ,ib  dr Lm 1 isd r dt Tr Tr L m i sq với tốc độ trượt: r =  + sl =  + T r rd 3 Lm cĩ Te = p rd isq 2 Lr Các phương trình sau được dùng để ước lượng từ thơng rotor: Hay các phương trình này cĩ thể được viết lại như sau: Vị trí tức thời của vector từ thơng rotor được xác định như sau: Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.5
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Sơ đồ khối bộ ước lượng từ thông rotor trên hệ tọa độ dq. 1.2 1.4 1.2 1 tu thong dat 1 0.8 tu thong dap ung tu thong uoc luong tu thong dat 0.8 tu thong dap ung 0.6 tu thong uoc luong (Wb) t (Wb) t s s e e 0.6 r r Fi Fi 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 time (s) time (s) Đáp ứng của bộ ước lượng từ thông rotor trên tọa độ dq. VI. Ƣớc lƣợng từ thơng rotor dùng khâu quan sát (observer) s is pt (5.1a) ˆ s pt (5.1b)  s pt (5.1c) pt (5.1d) r r pt (5.1e) Ki ucomp K p s s s s u s pt (5.1f) ucomp s s s   r  r pt (5.1h) r pt (5.1g) Hình 5.1: Sơ đồ bộ ước lượng từ thơng rotor dùng khâu quan sát. Thuật tốn ước lượng từ thơng rotor cho ĐCKĐB ba pha dùng khâu quan sát Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.6
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB isd = is cosr + issinr (5.1a) drd Lm 1 isd rd (5.1b) dt Tr Tr r = rdcoss (5.1c) r = rdsins (5.1d) 2 ˆ s LsLr Lm s Lm s s is r (5.1e) Lr Lr s d s s s = u – Rs. i + ucomp (5.1f) dt s s Ki ˆ s s u comp K p s s (5.1g) s 2 s Lm s LsLr Lm s r s is (5.1h) Lr Lm 2 2 r r r (5.1i) VII. Đáp ứng điều khiển dộng cơ bằng FOC Đáp ứng của bộ ước lượng từ thơng rotor khi các thơng số ĐCKĐB ba pha cĩ sai số: 1.4 1.4 1.2 1.2 1.2 1 1 1 tu thong dat tu thong dat 0.8 tu thong dat 0.8 0.8 tu thong dap ung tu thong dap ung tu thong dap ung tu thong uoc luong (Wb) tu thong uoc luong (Wb) t tu thong uoc luong t s s e 0.6 e 0.6 (Wb) 0.6 r t r s Fi e Fi r Fi 0.4 0.4 0.4 0.2 0.2 0.2 0 0 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 time (s) time (s) time (s) Hình 5.2: Đáp ứng của Hình 5.3: Đáp ứng của Hình 5.4: Đáp ứng của bộ ước lượng từ thơng bộ ước lượng từ thơng bộ ước lượng từ thơng rotor từ tốc độ và dịng rotor từ tốc độ và dịng rotor dùng khâu quan hồi tiếp trên tọa độ . hồi tiếp trên tọa độ dq. sát. Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.7
Bài giảng Hệ Thống Điều Khiển Số (ĐCKĐB) TB KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐƢỢC TIẾP DỊNG Từ thơng được đưa đến giá trị định mức khi moment vẫn được giữ ở giá trị zero. Sau khi từ thơng 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 đĩ 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 thơng rotor khơng đổi và ở giá trị lệnh, moment tải bằng zero. Moment tải sau đĩ được tăng đến giá trị định mức dương theo kiểu step- wise. Sau một khoảng thời gian thì moment tải được đưa về zero cũng theo kiểu step-wise. Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.8
Bài giảng Hệ Thống Điều Khiển Số (ĐCKĐB) TB Từ thơng được giữ khơng 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 mơ phỏng trên. Bộ nghịch lưu được giả sử là nguồn dịng lý tưởng. Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.9
Bài giảng Hệ Thống Điều Khiển Số (ĐCKĐB) TB KẾT QUẢ ĐO ĐẠC CỦA ĐỘNG CƠ ĐƢỢC TIẾP DỊNG Dịng stator trong trạng thái ổn định được phân tích. Trừ sĩng harmonic bậc nhất, các sĩng hài bậc cao thường tập trung quanh các dải tần số 10 kHz, 20 kHz, 30 kHz, 40 kHz Từ thơng bằng 70% từ thơng định mức, ban đầu động cơ đang chạy khơng tải ở 600 rpm, moment tải bằng moment định mức dương được được tăng theo kiểu step- wise. Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.10
Bài giảng Hệ Thống Điều Khiển Số (ĐCKĐB) TB Biến đổi của dịng stator khi máy tăng tốc từ 200 rpm đến 1500 rpm. Động cơ đã hồn tồn được từ hố trước, moment tải bằng zero. Biến đổi của dịng stator khi máy tăng tốc từ 200 rpm đến 1500 rpm. Động cơ đã hồn tồn được từ hố trước, moment tải bằng zero. Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.11
Bài giảng Hệ Thống Điều Khiển Số (ĐCKĐB) TB Bài tập 5.1. Cho động cơ khơng đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ cĩ ghi: 4 cực, nối Y, 380 V, 50Hz, 1415 RPM. Thơng 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 vịng/phút. Dùng cảm biến đo được dịng điện tức thời (như hình vẽ dưới) isa= 0,2217A và isb= 3,9620A. Biết lúc đĩ gĩc của hệ tọa độ từ thơng rotor 0 là r = 30 .  a b c r isa is isd i 2= j sb e r is isq 3 M 3~ a) Tính isd , isq , dịng điện stator hiệu dụng, từ thơng mĩc vịng rotor |r| , moment cơ, tốc độ trượt (rad/s), tốc độ đồng bộ (vịng/phút) và tần số nguồn điện cấp cho động cơ? (4 đ) b) Giả sử động cơ đang chạy ổn định, tính gĩc r2 sau 50µs? (1 đ) Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.12
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Chƣơng 6: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỊNG I. Điều khiển dịng trong hệ qui chiếu stator I.1. Điều khiển vịng trễ dịng điện Điều khiển dịng, tiếp dịng Chương 6: Các phương pháp điều khiển dịng VI.1
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB 3 3 T P  xi P  xi e 2 s s 2 r r I.1. Điều khiển so sánh dịng điện Điều khiển dịng, tiếp dịng Chương 6: Các phương pháp điều khiển dịng VI.2
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB II. Điều khiển dịng trong hệ qui chiếu từ thơng rotor Điều khiển dịng (dq), tiếp áp III. Điều khiển áp Điều khiển điện áp vịng hở (V/F, VFF, ) Phân biệt: Điều khiển tiếp áp Điều khiển tiếp dịng Điều khiển dịng Điều khiển dịng trong hệ toạ độ từ thơng rotor (dq) (FOC) Điều khiển dịng trong hệ toạ độ stator (abc) Bộ nghịch lưu áp Bộ nghịch lưu dịng Chương 6: Các phương pháp điều khiển dịng VI.3
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB Chƣơng 7: MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐCKĐB L1 L L2 N 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 khơng đồng bộ I.1. Phƣơng pháp 1 dr dr r r dt dt Lm 1  r sl 2 2 2 r is r is r r Tr r L Trong đĩ:  r u R i dt L i r  s s s s s  Lm L  r u R i dt L i r  s s s s s  Lm 2 2 r r r Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB VII.1
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB Chứng minh (cách 1): d d  r  r r dt r dt Chứng minh: r 2 2 r r d d  r  r d d d  r r 1    arctg r dt dt r r s 2 2 dt dt dt r r  r 1 r d d  r  r r dt r dt r 2 2 r r Lm 1 Chứng minh: sl 2 r is r is Tr r 3 Lm Cĩ Lmisq Trrsl và Te p rd isq 2 Lr Lr 2 Te sl 2 Tr 3p r Lm 1 mà  r Lmis Lrir i r is  r Lr Lr 3 3 L 1 m nên Te p r xi r p r x is  r 2 2 Lr Lr 3 L 3 L m m Te p r x is p r xi s 2 L r 2 L r Lr 2 Te Lm r xi s Lm 1 sl 2 2 2 r is r is Tr 3p r Tr r Tr r Chứng minh (cách 2): d r Lm 1 Cĩ: is  r  r dt Tr Tr d r Lm 1 is  r  r dt Tr Tr d r Lm 1 2  r is  r  r  r  r dt Tr Tr d r Lm 1 2  r is r  r r  r dt Tr Tr d r d r Lm 2 2  r  r is r is  r   r  r dt dt Tr d d L 2 r r m  r  r  r is r is  r dt dt Tr Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB VII.2
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB d d Lm r r i  i   r  r s r s r dt dt Tr  2 2  r  r L Chứng minh:  s r u s R is dt L is r  s s s s s  Lm d s u s R is s s s s dt d s s u s R is dt s s s Và s Ls is Lm ir  r Lm is Lr ir s 1 s s ir  s Ls is Lm L L L2 L L s r s s r s m s r s r Lm is  s Ls is  s 1 is Lm Lm Ls Lr Lm s Lr s Ls Lr s r  s  is Lm Lm d s L d s L L dis r r s  s r s dt Lm dt Lm dt d s L dis r r u s R is L s s s s s dt Lm dt d L di r r u R i L s s s s s dt Lm dt d L di r r u R i L s s s s s dt Lm dt Hay I.2. Phƣơng pháp 2 d r d r i r i r  dt dt i r  r i r r s 1 s s Trong đĩ, i r  s Lsis Lm d r d r  s Lsis  s Lsis  dt dt  s Lsis  r  s Lsis  r Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB VII.3
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB s Lr s Ls Lr s Với r  s  is Lm Lm Lr Ls Lr  r  s  is Lm Lm Lr Ls Lr  r  s  is Lm Lm d s với s u s R is dt s s s  u R i dt s s s s  u R i dt s s s s Chứng minh: d s 0 R i s r j s r r dt r d 0 R i r  r r dt r d 0 R i r  r r dt r d 0.i R i i i r i  r r r r r dt r r Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB VII.4
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB d 0.i R i i i r i  r r r r r dt r r d d 0 i r i r  i  i  r r r r r r dt dt d r d r i r i r  dt dt i r  r i r r II. Ƣớc lƣợng vận tốc vịng kín Dùng điều khiển thích nghi mơ hình (Model Reference Adaptive Control – MRAC) Mơ hình tham khảo: d s L dis r r u s R is L s s s s s dt Lm dt r u a ,u b , ia ,ib  Mơ hình thích nghi (trong hệ tọa độ stator):  dr Lm 1   is r r (7.1a) dt Tr Tr  dr Lm 1   is r r (7.1b) dt Tr Tr Sai số mơ hình: s s    = r r = r r – r r (7.2) Hiệu chỉnh sai số: Ki  K p  (7.3) s Ít phụ thuộc vào thơng số mơ hình và các đại lượng hồi tiếp. Khi đĩ, tốc độ  được ước lượng theo sơ đồ sau: Mơ hình thích nghi  ˆ s s r s s is r r hệ pt (7.1)  Ki  K p s s s Mơ hình  r từ thơng ước lượng pt (7.2) u s tham khảo Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB VII.5
(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 thơng số động cơ. _ Khối lƣợng tính tốn rất nhi u nên tốc độ ƣớc lƣợng chậm. d s L 1 r m s s Từ chương 3, cĩ: is j  r dt Tr Tr  dr Lm 1   is r r dt Tr Tr  dr Lm 1   is r r dt Tr Tr chỉ số “” gĩc trên phải chỉ từ thơng được tính trực tiếp từ tốc độ ước lượng .  Nhận ét: Theo hệ phương trình (7.1) thì từ thơng rotor (xét trong hệ tọa độ stator) phụ thuộc vào tốc độ . Mặc khác, bộ ước lượng từ thơng đã cho kết quả tương đối chính xác về giá trị của vector từ thơng rotor. Như vậy, nếu tốc độ ước lượng  trong phương trình (7.1) khác với tốc độ   thực của động cơ thì vector từ thơng ( r , r ) tính được ở phương trình (7.1) sẽ sai lệch với vector từ thơng ( r , r ) ước lượng. Sai lệch này được định nghĩa bằng: s s  = r r = – (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 thơng trên: Ki  K p  (7.3) s Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB VII.6
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB III. Đi u khi n khơng dùng cảm biến (Sensorless Vector Control - SVC) Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển định hướng từ thơng rotor khơng dùng cảm biến vận tốc: Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB VII.7
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB Đáp ứng mơ phỏng: 120 100 toc do dat 80 toc do dap ung toc do uoc luong 60 (rad/s) t s e W 40 20 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 time (s) Hình 7 : Đáp ứng của bộ ước lượng tốc độ với mơ hình lý tưởng. Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB VII.8
Tuần 11 (3T): Chương 7 (6T) 120 100 80 toc do dat toc do dap ung toc do uoc luong 60 (rad/s) t s e W 40 20 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 time (s) Hình 7 : Đáp ứng của bộ ước lượng tốc độ với mơ hình cĩ sai lệch. Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB VII.9
Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ TB Đáp ứng trên hệ thực: Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB VII.10
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Chương 8: ĐIỀU KHIỂN SỐ ĐỘNG CƠ I. Cấu trúc một hệ thống điều khiển động cơ I.1. Sơ đồ khối một hệ thống điều khiển động cơ KĐB 3 pha * TL * '  r + i u u i sd sd PI sd sd MTi – u a * * ' MTu * + + i u u Motor   sl i sq sq PI u sq sq b PI BBĐ u c ~3 –  – MTu  r MTu i sd ia i b  i sq CTĐ  r +  r  r + L1 L L2 N L3 Bộ FOC SCI ADC Bộ điều khiển PWM I/O QEP ADC Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.1
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Nguồn AC Chỉnh Inverter Động lưu DC Link (VSI) cơ Giao tiếp Cảm biến Hiển thị dịng điện Bộ trung tâm Điều DSP TMS320LF2407A Cảm biến khiển tốc độ Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.2
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.3
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB I.2. Các khối chức năng  Bộ chỉnh lưu  Bộ nghịch lưu 3 pha và mạch kích (FPGA, DSP) Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.4
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.5
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB PM25CL1A120 – Mitsubishi Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.6
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB PS21A7A - Mitsubishi Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.7
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB STGIPS40W60L1  Hãm  Bộ xử lý dsPIC DSP Texas Instruments (TMS320F2812, TMS320F28335) Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.8
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Power Stage Three phase Motor Inverter Fault Driver Current Speed Protection Circuits Sensors Sensor PDPINT PWM Genrator ADC Modul Capture/ QEP CPU SCI/ SPI Digital IO Comm Control Control Serial DSP Speed Logic L1 L L2 N L3 FOC SCI ADC đ n DSP PWM I/O QEP ADC Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.9
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.10
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB  Cảm biến đo lường  Mạch giao tiếp, nối mạng II. Cảm biến đo ường II.1. Đo điện áp DC Sử dụng bộ chuyển đổi ADC của bộ điều khiển thơng qua mạch chia áp II.2. Cảm biến đo dịng điện Đo điện áp trên điện trở Shunt Biến dịng * TL * '  r + i u u i sd sd PI sd sd MTi – u a * * ' MTu * + + i u u Động    sl i sq sq PI u sq sq b PI BBĐ cơ u c –  – MTu  r MTu i sd ia ib i sq CTĐ  r +  r  r + Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.11
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Vdc Điều khiển == Biến tần 3~  a b c r i sa i i 2= s sd isb e jr 3 is isq Đ.cơ KĐB M 3~ Cảm biến Hall B A 1 1 GND B Out A Out (-) (+) OFS GIN GIN OFS 0V -12V +12V NANA ELECTRONICS JAPAN Ba chân nguồn cấp từ bên ngồi GIN: Chỉnh độ lợi (khuếch đại) OFS: Chỉnh offset Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.12
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Sơ đồ chân cảm biến Hall Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.13
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Magnetoresistive (MR) Closed Loop Current Sensor II.3. Cảm biến đo tốc độ Tachometter Incremental Encoder Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.14
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.15
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp tốc độ dùng encoder Absolute Encoder (đo gĩc) III. Một số ưu điểm khi s dụng bộ điều khiển tốc độ động cơ Bộ biến tần Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.16
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Ưu điểm của bộ biến tần: 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 Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.17
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB Nối mạng điều khiển từ xa Đồng bộ tốc độ dễ dàng Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.18
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB V, T V, T Vđm V/f=const Vđm V/f=cons t Te Tđm Tđm Te TL TL Rs*Ili f Rs*Ili f m f m fđm đm a) b) Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.19
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB IV. Hệ thống điều khiển số động cơ khơng đồng bộ ba pha Phần cứng Chỉnh lưu Nghịch lưu Cảm biến (Hall, Incremental - Absolute Encoder, Tachocometter, ) Bộ điều khiển Giao tiếp, I/O, Keypad, LED Bộ Xử lý Phần mềm Thuật tốn Đáp ứng: điên áp sin xung, dịng sin xung. V. Bộ biến tần Ưu điểm: 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) Chọn biến tần Sixstep Một pha, Ba pha Cơng suất (>=) Điện áp (>=) Chức năng, Nhãn hiệu EMC Cài đặt Thơng số động cơ Thơng số điều khiển, Tần số PWM Chọn chế độ Chế độ vịng hở (V/f, FFC) Chế độ hồi tiếp (PID) Chế độ điều khiển khơng cảm biến Cách điều chỉnh 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 Nối mạng đồng bộ Sử dụng Dây dẫn nối trước và sau biến tần Nguồn động lực Cơng suất động cơ Quá tải, ngắn mạch Cài đặt sai Chế độ hiển thị Bảo vệ nhiệt cho động cơ Chương 8: Bộ điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha VIII.20