Chuong7

Chương 7 Các phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều hiện đại 7.1 Cơ sở điều khiển động cơ xoay chiều hiện đại 7.2 Véctơ không gian 7.3 Hệ tọa độ trường và chuyển đổi giữa các hệ tọa độ

7.4 Điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập 7.5 Mô hình động cơ KĐB ở hệ tọa độ trường 7.6 Mô hình động cơ Đồng bộ ở hệ tọa độ trường

Chương 7 Các phương pháp điều khiển động cơ xoay chiều hiện đại 7.7 Một số vấn đề khi xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ hay tựa theo từ trường 7.8 Phương pháp điều chế vectơ không gian 7.9 Chọn lựa bộ biến tần 7.10 Cài đặt hệ thống truyền động biến tần - động cơ

7.1 Cơ sở điều khiển động cơ xoay chiều hiện đại • Lý thuyết điều khiển động cơ một chiều • Lý thuyết về vectơ không gian (space vector) • Lý thuyết về chuyển đổi tọa độ (coordinates transformation). → Phương pháp điều khiển hướng trường (tựa theo từ trường – Field Oriented Control – FOC, điều khiển vectơ (vector control). Tg: Hasse, Blaschke,… • Mục tiêu phân tách (decoupling) và tuyến tính hóa (linearization ) hệ phương trình mô tả động cơ. → Phương pháp điều khiển phi tuyến hiện đại (modern nonlinear control ). Tg: A. Isdori, H.Nijmeijer, Van de Schaft,...

7.1 Cơ sở điều khiển động cơ xoay chiều hiện đại • Lý thuyết chuyển đổi phi tuyến các biến trạng thái động cơ (nonliear transformation of the motor ) → Phương pháp điều khiển tuyến tính hóa phản hồi (feedback linearization control, FLC) hoặc phương pháp phân tách đầu vào và đầu ra (Input-Output decoupling). → Mô hình đa vô hướng động cơ KĐB (multiscalar model of the IM). Tg: Mario, Krzeminski,…

Phân loại các phương pháp điều khiển hiện đại

7.1 Cơ sở điều khiển động cơ xoay chiều hiện đại • Phương pháp điều khiển dựa trên tính thụ động (Passivity-based control). Tg: R. Ortega, A. Loria,… • Phương pháp điều khiển trực tiếp momen (Direct Torque Control DTC). Tg: Depenbrock, Takahashi, Nogouchi,…

So sánh chất lượng một số hệ TĐĐ

7.2 Véctơ không gian a • G/s 3 pha đối xứng: ia(t) + ib(t) + ic(t) = 0 với ia(t) = |is| cos(ωst) β Im ib(t) = |is| cos(ωst+120o) b ic(t) = |is| cos(ωst+240o) c • Xây dựng vectơ không gian:

α R e

2 j120 0 j240 0  jγ i s ( t ) = i a (t) + i b (t)e + i c (t)e =| i s | e  3 

7.2 Véctơ không gian

7.2 Véctơ không gian

7.2 Véctơ không gian

θ

θ=60o

7.3 Các hệ tọa độ trường (từ thông) và chuyển đổi giữa các hệ tọa độ a) Hệ tọa độ cố định stato αβ: Nếu ta gọi trục thực là trục α (trùng với trục pha a) và trục ảo là trục β (vuông góc ta sẽ có một hệ trục toạ độ được gọi là hệ trục tọa độ cố định stato. Vectơ không gian is(t) biểu diễn ở hệ toạ độ αβ như sau: s i s = i sα + ji sβ

7.3 Các hệ tọa độ trường và chuyển đổi giữa các hệ tọa độ a) Hệ tọa độ cố định stato αβ: β a

α R e Isβ

Is

Is

β Im b c

Isα

α

7.3 Các hệ tọa độ trường và chuyển đổi giữa các hệ tọa độ a) Hệ tọa độ cố định stato αβ: Chuyển đổi hệ abc ↔ αβ: iα = ia  1  iβ = 3 (ia + 2i b ) 

Tương tự với các đại lượng u, ψ,…

b) Hệ tọa độ từ thông roto dq:

7.3 Các hệ tọa độ trường và chuyển đổi giữa các hệ tọa độ b) Hệ tọa độ từ thông roto dq: Nếu có một véctơ không gian is(t) ta có thể biểu diễn nó ở hệ tọa độ dq:

f is

= isd + jisq

Tương tự cho các đại lượng khác.

7.3 Các hệ tọa độ trường và chuyển đổi giữa các hệ tọa độ c) Chuyển đổi giữa αβ ↔ dq: Tổng quát, giả sử có hai hệ trục tọa độ xy và x*y* đặt trùng gốc nhưng lệch nhau một góc là θ*. Giả sử có một vectơ V bất kỳ, ta có công thức chuyển đổi giữa hai hệ tọa độ như sau:

V

xy

* jθ *

=V e

*

xy − jθ*

↔ V =V e

7.3 Các hệ tọa độ trường và chuyển đổi giữa các hệ tọa độ c) Chuyển đổi giữa αβ ↔ dq: Như vậy, nếu biết góc θs-góc giữa vectơ từ thông rôto ψr và trục pha a- trục chuẩn ta có thể chuyển đổi một đại lượng vectơ không gian giữa hai hệ trục toạ độ αβ và dq như sau: f is

=

s jθ s ise

↔

s is

=

f − jθ s is e

7.3 Các hệ tọa độ trường và chuyển đổi giữa các hệ tọa độ c) Chuyển đổi giữa αβ ↔ dq: Hay: isd = isβ sin θs + isα cosθs αβ → dq isq = isβ cosθs − isα sin θs

dq → αβ

isα = isd cosθs − isq sin θs isβ = isd sin θs + isq cosθs

7.4 Điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập Iư

Ikt

φ = c. Ikt/(1+pTkt) M = kφ. Iư

7.5 Mô hình động cơ KĐB ở hệ tọa độ trường 7.5.1 Hệ phương trình mô tả động cơ Ở hệ tọa độ tự nhiên: dψ sa ( t )  u sa ( t ) = R s i sa ( t ) + dt  dψ sb ( t )  u sb ( t ) = R s i sb ( t ) + dt  dψ sc ( t )  u sc ( t ) = R s i sc ( t ) + dt 

dψ ra (t )  0 = R r i ra (t ) + dt  dψ rb (t )  0 = R r i rb (t ) + dt  dψ rc (t )  0 = R r i rc (t ) + dt 

7.5 Mô hình động cơ KĐB ở hệ tọa độ trường 7.5.1 Hệ phương trình mô tả động cơ Ở dạng vectơ không gian: 0 0 2 j120 j240 us (t ) = u a (t) + u b (t)e + u c (t)e  3

s d ψ s s s u s = R s is + dt r r dψ r 0 = R r ir +

dt

7.5.1 Hệ phương trình mô tả động cơ • Phương trình từ thông:

ψs = is Ls + i r L m  ψ r = is L m + i r L r Trong đó: Ls = Lm+Lσs Lr = Lm+Lσr Ts = Ls/Rs Tr = Lr/Rr σ = 1 – L2m/(LsLr)

7.5.1 Hệ phương trình mô tả động cơ • Phương trình momen:

3 3 m M = p c (ψ s × i s ) = − p c (ψ r × i r ) 2 2

• Phương trình chuyển động:

J dω mM = mT + p c dt

• Ở hệ toạ độ hướng trường rôto dq, áp dụng công thức chuyển đổi tọa độ: f d ψ s + jω ψ f u sf = R s i sf + s s dt

0 = R r ifr +

d ψ fr

+ jωr ψ fr dt

7.5.1 Hệ phương trình mô tả động cơ • Ở hệ toạ độ cố định stato αβ, hệ tọa độ đứng yên: s s s dψ s u s = Rs is +

dt

s s dψ r 0 = Rr ir + − jωψsr

dt

7.5.2 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ từ thông rôto f  d ψs f f f u s = R s i s + + jωs ψs dt   f 0 = R if + dψ r + jω ψ f r r r r  dt  ψ f = isf Ls + ifr L m  s ψ f = if L + if L  r s m r r

7.5.2 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ từ thông rôto f  d ψs f f f u s = R s i s + + jωs ψs dt   f 0 = R if + dψ r + jω ψ f r r r r  dt  ψ f = isf Ls + ifr L m f  s i r ψ f = if L + if L  r s m r r

f ψs f ir

7.5.2 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ từ thông rôto f/ ψ Để đơn giản cho mô hình ta đặt r =

là dòng từ hóa sinh từ thông rôto.

dψ fr / dt

ψ fr Lm

có đơn vị là A, gọi

 1  f/ 1 f = − + j(ωs − ω) ψ r + i s Tr  Tr 

 1  f  1− σ di sf 1− σ 1− σ f / 1 f ψ + = − + + jωs i s −  j us ω− r dt σTr  σL s  σ  σTs σTr 

7.5.2 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ từ thông rôto Khai triển theo hai trục tọa độ dq ta được hệ phương trình sau:  disd  1 1− σ  1− σ / 1− σ 1 /   ωψ + = − + + ω + ψ + u sd i i  sd s sq rd rq   σ σLs σTr  σTs σTr   dt  di   1− σ / 1 /  sq = −ωsisd −  1 + 1 − σ isq − 1 − σ ωψ rd + ψ rq + u sq   σ σTr σLs  dt  σTs σTr   / isd  dψ rd = 1 i − 1 ψ / + (ω − ω)ψ / / ψ rd = sd rd s rq  dt Tr Tr 1 + Tr p  /  dψ rq 1 1 / /  = isq − (ωs − ω)ψ rd − ψ rq  dt Tr Tr

7.5.2 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ từ thông rôto • Phương trình mômen trên hệ toạ độ dq: 3 Lm f f m M = pc ψ r × is 2 Lr

(

Ta biết:

ψ fr = ψ rd + jψ rq

3 L2m / mM = p cψ rdisq 2 Lr

)

7.5.2 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ từ thông rôto Chuyển đổi Laplace hệ phương trình mô tả động cơ:  Tσ  1− σ / 1 i sd = ωs i sq + u sd  ψ rd +  1 + Tσ p  σTr σL s 

 Tσ  1− σ 1 / isq = u sq  ωψ rd + − ωsisd − 1 + Tσ p  σ σLs 

i sd / ψ rd = 1 + Tr p

1 / 0 = i sq − (ωs − ω)ψ rd Tr

Tσ xác định từ phương trình: 1 1 1− σ = + Tσ σTs σTr

7.5.2 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ từ thông rôto

7.5.2 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ từ thông rôto • Viết theo dạng mô hình trạng thái:

f

dx f f f f f = A x + B us + N x ωs dt Trong đó: / / x fT = [ i sd , i sq , ψ rd , ψ rq ]

u sfT = [ u sd , u sq ]

7.5.2 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ từ thông rôto • Viết theo dạng mô hình trạng thái:   1 1− σ  1− σ 1− σ   + 0 ω −  σTr σ    σTs σTr    1 1− σ  1− σ 1− σ   − 0 −  + ω   f T T T σ σ σ σ  s r  r  A = 1 1   0 − − ω   Tr Tr   1 1   0 ω − Tr Tr  

7.5.2 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ từ thông rôto • Viết theo dạng mô hình trạng thái:  1  σL  s f  0 B =   0   0

 0   1  σLs  0   0 

0 − 1 N= 0  0

0 0 0 0 0 0 1  0 − 1 0

1

0

7.5.2 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ từ thông rôto • Viết theo dạng mô hình trạng thái:

Phi tuyến

ωs f us (t )

B

f

N d x f (t ) dt

f

x (t )

∫

A

f

7.5.2 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ từ thông rôto khi Đ được cấp từ biến tần nguồn dòng  dψ / 1 1 / rd  = isd − ψ rd  dt Tr Tr  0 = 1 i − (ω − ω)ψ / sq s rd  T  r 2 3 Lm / mM = p cψ rdisq 2 Lr

7.5.2 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ từ thông rôto khi Đ được cấp từ biến tần nguồn dòng

isd

isαα αβ

1 1 + s.Tr

ψ/rd Tr

isββ

dq

isq θs

mT

÷ 1 s

3p c L2m 2.L r

isq ωr

mM

ω ωs

pc sJ

ω

So sánh với động cơ MC KTĐL Iư

M = kφ. Iư

Ikt

c φ= .I kt 1 + p.Tkt

2 3 Lm / mM = pcψrdisq 2 Lr

isd / ψ rd = 1 + Tr p

So sánh với động cơ MC KTĐL

AC/DC converter

Iư

đặt

Firing

PI

Ikt

6

Iư

Ikt đặt

6,4

PI

Firing

AC/DC converter

Ikt

7.5.2 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ từ thông rôto cấu trúc sơ bộ hệ điều khiển vectơ

7.5.3 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ cố định stato αβ s  dψ s s s  u = Rs i + s  s dt  s d ψ  s s r 0 = R r i r + dt − jωψ r  ψs = iss Ls + isr L m  s ψ s = is L + is L  r s m r r

7.5.3 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ cố định stato αβ Thực hiện một số biến đổi…

 disα  1 1− σ  1− σ / 1− σ 1 / = − + ψ rα + ωψ rβ + u sα   i sα + σTr σ σLs  σTs σTr   dt  di  sβ = −  1 + 1 − σ  i − 1 − σ ωψ / + 1 − σ ψ / + 1 u sβ rα rβ σL sβ  dt σ σ σ σ T T T r  r s  s   /  dψ rα = 1 i − 1 ψ / − ωψ / sα rα rβ  dt Tr Tr   dψ /  rβ = 1 isβ + ωψ r/α − 1 ψ /  dt Tr Tr rβ

7.5.3 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ cố định stato αβ Phương trình mômen động cơ, viết lại ở hệ tọa độ stato:

3 3 m M = p c (ψ s × i s ) = − p c (ψ r × i r ) 2 2  s 3 1  s s m M = − p c  ψ r × (ψ r − is L m )  2 Lr   Lm s s 3 = pc (ψ × is ) r 2 Lr

Ta biết:

L2m 3 = pc ( ψ r/ α i sβ − ψ r/ β i sα ) 2 Lr

ψs = is Ls + i r L m  ψ r = is L m + i r L r

7.5.3 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ cố định stato αβ mT

usαα

1 σLs

Tσ 1+ s.Tσ

isαα

1 1+s.Tr

ψ/

rα α

1− σ σ.Tr

usββ

Tσ 1+ s.Tσ isββ

2.Lr mM Tr

1− σ σ

1− σ s.Tr 1 σLs

3pcL2m

1 1+s.Tr ψ/rββ

pc sJ

ω

7.5.3 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ cố định stato αβ Viết ở dạng vectơ không gian trạng thái:

s

dx s s s s = A x + B us dt s us (t )

B

s

d xs (t ) dt

s

x (t )

∫ A

s

7.5.3 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ cố định stato αβ s us (t )

s B1

diss (t ) dt

s A 11

∫

s is ( t )

A s21 s A 12 dψs/ s (t ) dt

∫ As22

/s ψs (t )

7.5.3 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ cố định stato αβ khi động cơ được cấp nguồn từ BT nguồn dòng

dψsr

 1  s Lm s =  jω − ψ r + is dt  Tr  Tr

 dψ / rα = − 1 ψ / − ωψ / + 1 i  rα sα r β Tr Tr  dt  /  dψ rβ 1 / 1 / = ωψ rα − ψ rβ + isβ  Tr Tr  dt

7.5.3 Mô hình động cơ mô tả trên hệ tọa độ cố định stato αβ mT isαα

isββ

1 Tr

1 Tr

Tr 1+s.Tr

Tr 1+s.Tr

ψ/rαα

3pcL2m 2.Lr mM

ψ/rββ

pc sJ

ω

7.6 Mô hình động cơ đồng bộ roto nam châm vĩnh cửu Đặc điểm: • Phương thức sản sinh từ thông roto. • Từ thông roto luôn phân cực, có hướng nhất quán và cố định. → không cần ước lượng biên độ từ thông roto. • Tốc độ trượt ωr = 0 → có thể dễ dàng tính góc từ thông. Thuận tiện nhất ⇒ s
dng h ta đ ta theo t thông roto-h ta đ dq

7.6 Mô hình động cơ đồng bộ roto nam châm vĩnh cửu Hệ phương trình mô tả động cơ: s s s dψ s u s = Rs is +

dt

Quan sát trên hệ tọa độ dq, trục d trùng với trục từ thông rôto vĩnh cửu:

f f f dψs u s = Rs is + + jωs ψsf

Trong đó:

dt

f f f ψ s = L s is + ψ p ψ fp là vectơ từ thông roto, chỉ có thành phần thực.

7.6 Mô hình động cơ đồng bộ roto nam châm vĩnh cửu Do đặc điểm cấu tạo roto → có sự khác biệt của điện cảm stato giữa 2 trục d và q, nên từ thông stato:

ψsd = isd Lsd + ψ p  ψsq = isq Lsq disd  usd = Rsisd + Lsd dt − ωsL sq isq  u = R i + L disq + ω L i + ω ψ s sq sq s sd sd s p  sq dt

7.6 Mô hình động cơ đồng bộ roto nam châm vĩnh cửu Phương trình momen và chuyển động: 3 m M = p c (ψ s × is ) 2 3 = p c (ψsd .isq − ψsq .isd ) 2 3 = p c ψ p isq + isd isq (Lsd − Lsq ) 2   3  ψ p = p c  + isd Lsd isq − Lsq isd isq  2  Lsd   J dω m M − mT = p c dt

[

]

7.6 Mô hình động cơ đồng bộ roto nam châm vĩnh cửu • Cấu trúc sơ bộ hệ thống điều khiển vectơ động cơ ĐB roto NCVC (xem sách TĐĐ xoay chiều hiện đại/thông minh-Nguyễn Phùng Quang, rồi thảo luận tại lớp).

7.7 Một số vấn đề liên quan cấu trúc hệ thống điều khiển: - Khử tác động ngang giữa các thành phần dọc trục d và ngang trục q - Ước lượng biên độ từ thông ψ và góc từ thông θ - Ước lượng tốc độ quay động cơ. - Hiệu chỉnh mô hình - vấn đề thông số mạch thay đổi (đặc biệt Tr). - Khâu quan sát, bộ lọc Kalman. (phần này sinh viên tự đọc ở nhà và giải đáp trên lớp)

7.8 Phương pháp điều chế vectơ không gian cho bộ biến tần • Xem file “PWM Methods.pdf” trong chương trình môn ĐTCS • Thảo luận tại lớp.

7.9 Chọn lựa bộ biến tần • Xem chương 7 “Selection of AC converters” tài liệu [11] Malcolm Barnes,

Practical Variable Speed Drives and Power Electronics, NXB Newnes, 2003. • Thảo luận tại lớp nội dung

7.10 Cài đặt hệ thống biến tần-động cơ • Xem chương 8 “Installation and Commissioning” tài liệu [11] Malcolm

Barnes, Practical Variable Speed Drives and Power Electronics, NXB Newnes, 2003. • Thảo luận tại lớp nội dung