ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC …tcbinh/File_2013/DKSHTDC/Bai giang DKSHTDC-DKCMD.pdf · Hình 1.1: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator

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 Công Binh

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 1 NĂM 2014

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

07/01/2014 2

GIỚI THIỆU MÔN HỌC

1. Tên môn 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. Môn tiên quyết:

6. Môn song hành:

7. Giáo trình chính:

8. Tài liệu tham khảo:

[1] Trần Công Binh, “Điều khiển động cơ không 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. Tóm 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.

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

07/01/2014 3

CHƢƠNG TRÌNH MÔN HỌC

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ - ĐIỀU KHIỂN CÁC MÁY ĐIỆN

Chương 1: Bộ nghịch lƣu ba pha và Vector không gian (4T)

Vector không 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: Mô hình ĐCKĐB 3 pha (), (dq) (9T)

Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu.

Mô hình động cơ trong HTĐ stator ().

Mô hình động cơ trong HTĐ từ thông rotor (r).

Chương 4: Điều khiển định hƣớng từ thông (FOC) ĐCKĐB (12T)

Điều khiển PID

Các phương pháp điều khiển vô hướng (Scalar Control).

Điều khiển độc lập moment và từ thông.

Điều khiển tiếp dòng.

Điều khiển tiếp áp.

Điều khiển FOC trực tiếp, gián tiếp.

Tính toán thiết kế bộ điều khiển FOC.

Mô phỏng điều khiển FOC.

Chương 5: Một số phƣơng pháp ƣớc lƣợng từ thông 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 (góc) vector r.

Ước lượng (r) trong HTĐ dq.

Ước lượng từ thông rotor dùng khâu quan sát (observer)

Đáp ứng mô phỏng FOC.

Chương 6: Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (?T)

Điều khiển dòng trong HQC (): vòng trễ và so sánh.

Điều khiển dòng trong HQC (dq).

Chương 7: Các phƣơng pháp điều khiển dòng (3T)

Điều khiển dòng trong HQC (): vòng trễ và so sánh.

Điều khiển dòng trong HQC (dq).

Chương 8: Một số phƣơng pháp ƣớc lƣợng tốc độ động cơ (3T)

Ước lượng vận tốc vòng hở (2 pp).

Ước lượng vận tốc vòng kín (có hồi tiếp).

Điều khiển không 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 không đồng bộ ba pha

Bộ biến tần

(42 tiết)

(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB

Chương 1: Vector không gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.1

Chương 1: VECTOR KHÔNG GIAN VÀ

BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA

I. Vector không gian

I.1. Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha

Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha có ba (hay bội số

của ba) cuộn dây stator bố trí trong không gian như hình vẽ sau:

Hình 1.1: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCKĐB ba pha.

(Ba trục của ba cuộn dây lệch nhau một góc 1200 trong không gian)

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 đó:

(1.2a)

(1.2b)

(1.2c)

Với s = 2fs; fs là tần số của mạch stator; |us| là biên độ của điện áp pha, có thể thay đổi.

rotor

stator

Pha A

Pha B

Pha C usc

usa

usb

A

B

C

N

usa(t) = |us| cos(st)

usb(t) = |us| cos(st – 1200)

usc(t) = |us| cos(st + 1200)



(điện áp pha là các số thực)

Vector không gian của điện áp stator được định nghĩa như sau:

)t(u)t(u)t(u3

2)t(u scsbsas

(1.3)

000 240j

sc

120j

sb

0j

sas e)t(ue)t(ue)t(u3

2)t(u

(mặt phẳng ba chiều với 3 vector đơn vị)

00 240120 )()()(3

2)( j

sc

j

sbsas etuetututu

(1.4)

(tương tự như vector trong mặt phẳng phức hai chiều với 2 vector đơn vị)

)t(u.a)t(u.a)t(u3

2)t(u sc

2

sbsas

với 0120jea

0eeeaa1000 240j120j0j2

Ví dụ 1.1: Chứng minh?

a) tsinjtcosutueu)t(u sssss

tj

sss

(1.6)

b)

csbscsbsass uujuuuu

2

3

2

35,05,0

3

2 (1.5)

)t(u)t(u)t(u3

2)t(u scsbsas

Hình 1.2: Vector không 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 su

lên trục của cuộn dây tương ứng. Đối với các đại lượng khác của động cơ: dòng

điện stator, dòng rotor, từ thông stator và từ thông rotor đều có thể xây dựng các vector

không gian tương ứng như đối với điện áp stator ở trên.

I.2. Hệ tọa độ cố định stator

Vector không gian điện áp stator là một vector có modul xác định (|us|) quay trên

mặt phẳng phức với tốc độ góc s và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha A) một góc

Re

Im

A

B

C

usa

s

usc

usb



st. Đặt tên cho trục thực là và trục ảo là , vector không gian (điện áp stator) có thể

được mô tả thông 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 .

Hình 1.3: Vector không gian điện áp stator su

và các điện áp pha.

ss

240j

sc

120j

sbsas juue)t(ue)t(u)t(u3

2)t(u

00

Bằng cách tính hình chiếu các thành phần của vector không gian điện áp stator

ss u,u lên trục pha A, B (trên hình 1.3), có thể xác định các thành phần theo phương

pháp hình học:

(1.7a)

(1.7b)

suy ra

(1.8a)

(1.8b)

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 có thể tính được vector su

.

Hay từ phương trình (1.5)

csbscsbsass u

2

3u

2

3ju5,0u5,0u

3

2u (1.9)

có thể xác định ma trận chuyển đổi abc αβ theo phương pháp đại số:

us = usa

us =

usa = us

usb =

0

j

usa = us

us usc

usb Cuộn dây

pha A

Cuộn dây

pha B

Cuộn dây

pha C



cs

bs

as

s

s

s

s

u

u

u

2

3

2

30

2

1

2

11

3

2

u

u

(1.10)

Ví dụ 1.2: Chứng minh ma trận chuyển đổi hệ toạ độ αβ abc?

s

s

s

s

cs

bs

as

u

u

2

3

2

1

2

3

2

1

01

u

u

u

(1.11)

Ví dụ 1.3: Chứng minh:

Bằng cách tương tự như đối với vector không gian điện áp stator, các vector không

gian dòng điện stator, dòng điện rotor, từ thông stator và từ thông rotor đều có thể được

biểu diễn trong hệ tọa độ stator cố định (hệ tọa độ ) như sau:

(1.12a)

(1.12b)

(1.12c)

(1.12d)

(1.12e)

II. Bộ nghịch lưu ba pha

II.1. Bộ nghịch lưu ba pha

= us + j us

= is + j is

= ir + j ir



Biến tần ngõ vào 1 pha, nếu tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là:

RMS_phase

tb_dc

U22U

Biến tần ngõ vào 3 pha, nếu tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là:

RMSphase

tbdc

UU

_

_

233

Nếu tụ lọc đủ lớn (hay khi không tải), điện áp DC sẽ được lọc phẳng. Trị điện áp

DC trung bình của:



_ Biến tần ngõ vào 1 pha : RMS_phasedc U2U

_ Biến tần ngõ vào 3 pha : RMS_phaseRMS_linedc U32U2U .

Hình 1.4: Sơ đồ bộ nghịch lưu ba pha cân bằng gồm 6 khoá S1S6.

Ví dụ 1.4: Chứng minh các phương trình tính điện áp pha?

a) CnBnAnNn UUU3

1U

b) CnBnAnAN U3

1U

3

1U

3

2U

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

C Udc

S4

S3

S6

S5

S2

S1

S7

R

n n

motor

N

A B

C

Udc

n

N

UAN UBN

UCN



Hình 1.5: Trạng thái các khoá S1, S3, S6 ON, và S2, S4, S5 OFF (trạng thái 110).

II.2. Vector không 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

1 1 0 0 2/3 -1/3 -1/3 1 0 -1 U1 0o

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 o

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 không gian điện áp sử dụng bộ nghịch lưu ba pha

Ví dụ 1.7: Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 110:

Khi đó các điện áp pha usa=1/3Udc, usb= 1/3Udc, usc=-2/3Udc.

Phương pháp đại số: theo phương trình (1.4):

0000 240j

dc

120j

dcdc

240j

sc

120j

sbsa2_phase eU3

2eU

3

1U

3

1

3

2e)t(ue)t(u)t(u

3

2u

0000000 60j

dc

180j240j

dc

240j

dc

240j240j120jdc2_phase eU

3

2eeU

3

2eU

3

2e3ee1

3

U

3

2u

,

Hay

dc

2

dcdcsc

2

sbsa2_phase U.a3

2U.a

3

1U

3

1

3

2)t(u.a)t(u.a)t(u

3

2u

với 0120jea , 0aa1 2

00 60j

dc

240j

dc

2

dc

22dc2_phase eU

3

2eU

3

2aU

3

2a3aa1

3

U

3

2u

Phương pháp hình học: có hình vẽ




ứng với trạng thái (110).

Ở trạng thái (110), vector không gian điện áp stator pha 1_phaseu

có độ lớn bằng

2/3Udc và có góc pha là 60o.

Ví dụ 1.8: Tìm (độ lớn và góc của) vector không gian điện áp stator )t(us

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 còn lại, rút ra được công thức tổng quát

3)1k(j

dck eU3

2U

với k = 1, 2, 3, 4, 5, 6 = sector.

Hình 1.7: 8 vector không gian điện áp stator tương ứng với 8 trạng thái.

A

B

C

Udc

U2(110)

U1 (100)

U2 (110) U3 (010)

U6 (101) U5 (001)

U4 (011)

CCW

CW

U0 (000)

U7 (111)



3)1k(j

dck eU3

2U

k = 1, 2, 3, 4, 5, 6 = sector. U0 và U7 là vector 0.

Các trường hợp xét ở trên là vector không gian điện áp pha stator.

Hình 1.8: Các vector không gian điện áp pha stator.

3)1k(j

dck_phase eU3

2U

k = 1, 2, 3, 4, 5, 6 = sector.

Bằng cách điều khiển chuyển đổi trạng thái đóng cắt các khóa của bộ nghịch lưu dễ

dàng điều khiển vector không gian điện áp “quay” thuận nghịch, nhanh chậm. Khi đó dạng

điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu có dạng 6 bước (six step).

Hình 1.9: Các điện áp thành phần tương ứng với 6 trạng thái.

Ví dụ 1.9: Chứng minh 00j

dc1_phase eU3

2u

Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 100:

Khi đó các điện áp pha usa=2/3Udc, usb= –1/3Udc, usc=-1/3Udc.

Phương pháp đại số: theo phương trình (1.3): )t(u)t(u)t(u3

2)t(u scsbsas

hay phương trình (1.4):

0000 240j

dc

120j

dcdc

240j

sc

120j

sbsa1_phase eU3

1eU

3

1U

3

2

3

2e)t(ue)t(u)t(u

3

2u

Up1

Up2 Up3

Up6 Up5

Up4

Up0

Up7

Trục usa a

b

c



000 0j

dcdc

240j120jdc1_phase eU

3

2U

3

2ee13

3

U

3

2u

,

Hay

dc

2

dcdcsc

2

sbsa1_phase U.a3

1U.a

3

1U

3

2

3

2)t(u.a)t(u.a)t(u

3

2u

với 0120jea , 0aa1 2

00j

dcdc

2dc1_phase eU

3

2U

3

2aa13

3

U

3

2u

Phương pháp hình học: có hình vẽ



Ở trạng thái (100), vector không gian điện áp pha stator 0_phaseu


2/3Udc và có góc pha trùng với trục pha A.

Trong một số trường hợp, cần xét vector không gian điện áp dây của stator.

)t(u)t(u)t(u3

2u cabcabline

hay 00 240j

ca

120j

bcabline e)t(ue)t(u)t(u3

2u

hay )t(u.a)t(u.a)t(u3

2u ca

2

baabline

với 0120jea

Ví dụ 1.10: Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 100:

Khi đó các điện áp pha uab=Udc, ubc= 0, uca= -Udc.

Phương pháp đại số: theo phương trình trên:

000 240j

dcdc

240j

ca

120j

bcab1_line eUU3

2e)t(ue)t(u)t(u

3

2u

2

3j

2

11U

3

2e1U

3

2eUU

3

2u dc

60j

dc

240j

dcdc1_line

00

A

B

C

2/3Udc

U1(100)



030j

dcdcdc1_line eU33

2

2

1j

2

3U3

3

2

2

3j

2

3U

3

2u

Phương pháp hình học: có hình vẽ:

Hình 1.11: Vector không gian điện áp dây stator 1_lineu


Ở trạng thái (100), vector không gian điện áp dây stator 1_lineu


dcU33

2 và có góc pha là 30

o.

Ví dụ 1.11: Tìm (độ lớn và góc của) vector không gian điện áp stator lineu

ứng với

trạng thái (110), 2_lineu

? (Giải theo phương pháp đại số và phương pháp hình học)

Xét tương tự cho các trạng thái còn lại, rút ra được công thức tổng quát

6)1k2(j

dck_line eU33

2U

k = 1, 2, 3, 4, 5, 6

AB

BC

CA

2/3Udc

Uline_1

Ud1

Ud2

Ud3

Ud6

Ud5

Ud4

Ud0

Ud7 Trục uab



Hình 1.12: Các vector không gian điện áp dây stator.

Ví dụ 1.12: Chứng minh các vector điện áp có giá trị như sau:

a/

5

36

2

3

j

pha DCv V e

b/

5

63

23

3

j

day DCv V e

Điều chế biên độ và góc vector không gian điện áp dùng bộ nghịch lưu ba pha

Hình 1.13: Điều chế biên độ và góc vector không

gian điện áp.

Để không quá điều chế, biên độ điện áp phải nằm trong

vòng tròn nội tuyến của lục giác: 3

dcs

Uu

)U(UT

TU

T

TU

T

Tu 70

PWM

0

2

PWM

21

PWM

1s

hay )U(U.cU.bU.au 7021s

U1 (100)

us

T1

T2

U2 (110) U3 (010)

U6 (101) U5 (001)

U4 (011)

CCW

CW

U0 (000)

U7 (111)



)3

sin(3

Udc

ua

s sin3

Udc

ub

s c 1 – (a+b)

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 đó, là góc giữa vector Ux và vector điện áp us.

Có thể tính theo:

3

2 dc

s

U

u

bacba

hay

1

u3

U2bac

s

dc

Bằng cách điều khiển chuyển đổi trạng thái đóng cắt các khóa của bộ nghịch lưu

thông qua T1, T2 và T0, dễ dàng điều khiển độ lớn và tốc độ quay của vector không gian

điện áp. Khi đó dạng điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu có dạng PWM sin.

Ví dụ 1.13: Chứng minh

6

j

dc2dc1

j

s eU3

2TU

3

2Teu

U1 (100)

us

T1

T2

U2 (110)

U0 (000)

U7 (111)



Hình 1.14: Điều chế biên độ và tần số điện áp.



Hình 1.15: Dạng điện áp và dòng điện PWM sin.



Bài tập 1.1. Chứng minh: 3

4j

dc5_phase eU3

2u

Bài tập 1.2. Chứng minh: 6

7j

dc4_line eU33

2u

Bài tập 1.3. Điện áp ba pha 380V, 50Hz. Tại thời điểm t = 6ms. Tính usa, usb, usc?

Từ đó tính us , us, |us| theo định nghĩa vector không gian?

Biết góc 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 vòng tròn 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 có 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 có 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 có 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 UdRMS lớn nhất mà biến tần trên có thể

cấp cho động cơ 3 pha nối Y (khi chưa quá điều chế, su

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 góc 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 khoá S7 và các diode ngược (mắc song song

với các khoá đóng cắt S1 –S6) trong bộ nghịch lưu?

Bài tập 1.13. Cho Udc = 309V, trạng thái các khoá 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 sóng hài bậc cao lên dòng điện động cơ. Phương pháp điều

khiển nào có tần số PWM luôn thay đổi?

Bài tập 1.15. Biến tần (hình dưới) có thông số ngõ vào 3 pha 380Vrms, 50Hz; ngõ ra

380V, 0-400Hz, động cơ 2HP, nối , 380Vrms, 50Hz, hệ số công 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 không đồng bộ ba pha.



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 sóng hài? (0,5đ)

c) Tính công suất lớn nhất của động cơ nối , 220Vrms, 50Hz, PF=0,8 mà

biến tần trên có thể điều khiển được? (0,5đ)

d) Nếu động cơ nối , 220Vrms, 50Hz được đấu dây lại thành nối Y: tính

công suất lớn nhất của động cơ mà biến tần trên có thể điều khiển được?

Khi đó tính điện áp hiệu dụng pha và điện áp hiệu dụng dây lớn nhất mà

biến tần có thể cấp cho động cơ (khi chưa quá điều chế)? (1đ)

e) Động cơ nối Y, biết trạng thái các khoá 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,

usq). Cho biết góc hệ toạ độ quay lúc đó là r = 270o. (1,5đ)

Ví dụ 1.1: Chứng minh?

a) tsinjtcosutueu)t(u sssss

tj

sss

(1.6)

b)

csbscsbsass u

2

3u

2

3ju5,0u5,0u

3

2u (1.5)

Ví dụ 1.2: Chứng minh ma trận chuyển đổi hệ toạ độ αβ abc?

s

s

s

s

cs

bs

as

u

u

2

3

2

1

2

3

2

1

01

u

u

u

(1.11)


Ví dụ 1.4: Chứng minh các phương trình tính điện áp pha?

a) CnBnAnNn UUU3

1U

b) CnBnAnAN U3

1U

3

1U

3

2U



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?

Ví dụ 1.7: Bộ nghịch lưu ở trạng thái 110, chứng minh 060j

dc1_phase eU3

2u

Ví dụ 1.8: Tìm (độ lớn và góc của) vector không gian điện áp stator )t(us

ứng với

trạng thái (101)? (Giải theo phương pháp đại số như trên hay theo phương

pháp hình học)

Ví dụ 1.9: Chứng minh 00j

dc0_phase eU3

2u

Ví dụ 1.10: Bộ nghịch lưu ở trạng thái 100, chứng minh 030j

dc1_line eU33

2u

Ví dụ 1.11: Tìm (độ lớn và góc của) vector không gian điện áp stator lineu

ứng với

trạng thái (110), 2_lineu

? (Giải theo phương pháp đại số và phương pháp hình học)

Ví dụ 1.12: Chứng minh các vector điện áp có giá trị như sau:

a/

5

36

2

3

j

pha DCv V e

b/

5

63

23

3

j

day DCv V e

Ví dụ 1.13: Chứng minh

6

j

dc2dc1

j

s eU3

2TU

3

2Teu

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.1

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 có trục

hoành d và trục tung q, hệ tọa độ thứ 2 này có chung điểm gốc và nằm lệch đi một

góc s so với hệ tọa độ stator (hệ tọa độ ). Trong đó, dt

d aa

quay tròn quanh

gốc tọa độ chung, góc a = at + a0. Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector

trong không gian tương ứng với hai hệ tọa độ này. Hình vẽ sau sẽ mô tả mối liên hệ

của hai tọa độ này.

Hình 2.1: Chuyển hệ toạ độ cho vector không gian su

từ hệ tọa độ sang hệ

tọa độ dq và ngược lại.

Từ hình 1.5 dễ dàng rút ra các công 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)

(1.10b)

Theo pt (1.9a) thì: sβss fjff

(1.11)

và tương tự thì: sqsd

dq

s fjff

(1.12)

Ví dụ 2.1: Chứng minh ajdq

ss eff

Khi thay hệ pt (1.10) vào pt (1.11) sẽ được:

asqasdasqasds cosfsinfjsinfcosff

ajdq

saasqsd efsinjoscjff

(1.13)

Hay ajdq

ss eff

aj

s

dq

s eff

(1.14)

j

fs

0

fs

d

jq

fsd

fsq

a

fs = fsdcosa - fsqsina

fs = fsdsina + fsqcosa

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


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 góc

pha A ban đầu là 0o. Tại thời điểm t = 4ms:

i. Tính biên độ điện áp su

và usa, usb, usc, us , us?

ii. Tính thời gian chuyển mạch T1, T2 và T0? Biết tần số điều rộng xung là 20KHz.

iii. Biết góc hệ toạ độ quay lúc đó là a = 30o. 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)

(1.15b)

Hình 2.2: Hệ tọa độ quay

Cuộn dây

pha A

Cuộn dây

pha B

Cuộn

dây pha C

0

d

jq

fsd

fsq

a

a

s

fsd = fscosa + fssina

fsq = - fssina + fscosa

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Biến đổi Park:

XÉT KHI 0a

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


II. Biễu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor

Mục này trình bày cách biểu diễn các vector không gian của động cơ không

đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor. Giả thiết một ĐCKĐB ba

pha đang quay với tốc độ góc dt

d (tốc độ quay của rotor so với stator đứng yên),

với là góc hợp bởi trục rotor với trục chuẩn stator (qui định trục cuộn dây pha A,

chính là trục trong hệ tọa độ ).

Hình 2.3: Biểu diễn vector không gian si

trên hệ toạ độ từ thông rotor, còn gọi là

hệ toạ độ dq.

Trong hình 1.6 biểu diễn cả hai vector dòng stator si

và vector từ thông rotor

r

. Vector từ thông rotor r

quay với tốc độ góc ssr

ra f2dt

d

(tốc độ

quay của từ thông rotor so với stator đứng yên). Trong đó, fs là tần số của mạch điện

stator và r là góc của trục d so với trục chuẩn stator (trục ).

Độ chênh lệch giữa s và (giả thiết số đôi cực của động cơ là p=1) sẽ tạo

nên dòng điện rotor với tần số fsl, dòng điện này cũng có thể được biễu diễn dưới

is

Cuộn dây

pha A

Cuộn dây

pha B

Cuộn

dây pha C

0

is

d

jq

isd

isq

r =a

r

Trục từ

thông rotor

Trục rotor

j

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


dạng vector ri

quay với tốc độ góc sl = 2fsl, (sl = s - r - ) so với vector

từ thông rotor r

.

Trong mục này ta xây dựng một hệ trục tọa độ mới có hướng trục hoành

(trục d) trùng với trục của vector từ thông rotor r

và có gốc trùng với gốc của hệ

tọa độ , hệ tọa độ này được gọi là hệ tọa độ từ thông rotor, hay còn gọi là hệ tọa

dq. Hệ tọa độ dq quay quanh điểm gốc chung với tốc độ góc r s, và hợp với hệ

tọa độ một góc r.

Vậy tùy theo quan sát trên hệ tọa độ nào, một vector trong không gian sẽ có

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 si

sẽ được viết thành:

s

si

: vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ .

f

si

: vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ dq.

Theo pt (1.8a) và pt (1.11) thì:

(1.16a)

(1.16b)

Nếu biết được góc r thì sẽ xác định được mối liên hệ:

(1.17a)

(1.17b)

Theo hệ pt (???) và pt (1.17b) thì có thể tính được vector dòng stator thông

qua các giá trị dòng ia và ib đo được (hình 1.7).

= is + j is

= isd + j isq

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Hình 2.4: Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ tọa độ dq.

Tương tự như đối với vector dòng stator, có thể biểu diễn các vector khác

của ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq:

(1.18a)

(1.18b)

(1.18c)

(1.18d)

(1.18e)

Tuy nhiên, để tính được isd và isq thì phải xác định được góc r, góc r được

xác định thông qua r = + sl. Trong thực tế chỉ có là có thể đo được, trong khi

(tốc độ trượt) sl = 2fsl với fsl là tần số của mạch điện rotor (lồng sóc) không đo

được. Vì vậy phương pháp điều khiển ĐCKĐB ba pha dựa trên các mô tả trên hệ

tọa dộ dq bắt buột phải xây đựng phương pháp tính r chính xác. Chú ý khi xây

dựng mô hình tính toán trong hệ tọa độ dq, do không thể tính tuyệt đối chính xác

góc r nên vẫn giữ lại rq ( rq =0) để đảm bảo tính khách quan trong khi quan sát.

ĐC KĐB

==

3~

Udc

Điều

khiển

M

3~

a b c

Nghịch

lưu

2=

3

isa

isb is

is

isd

isq

r

pt (2.…) pt (2.…)

= isd + j isq

= usd + j isq

= ird + j irq

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


III. Ưu điểm của việc mô tả động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ

thông rotor

Trong hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq), các vector dòng stator f

si

và

vector từ thông rotor f

r

, cùng với hệ tọa độ dq quanh (gần) đồng bộ với nhau với

tốc độ r quanh điểm gốc, do đó các phần tử của vector f

si

(isd và isq) là các đại

lượng một chiều. Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như không đổi; trong quá

trình quá độ, các giá trị này có thể biến theo theo một thuật toán điều khiển đã được

định trước.

Hơn nữa, trong hệ tọa độ dq, rq=0 do vuông góc với vector f

r

(trùng với

trục d) nên f

r

=rd. (1.19)

Đối với ĐCKĐB 3 pha, trong hệ tọa độ dq, từ thông và mômen quay được

biểu diễn theo các phần tử của vector dòng 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 đôi cực của động cơ

Tr hằng số thời gian của rotor

s toán tử Laplace

Phương trình (1.20a) cho thấy có thể điều khiển từ thông rotor rrd

thông qua điều khiển dòng 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 công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng isd để điều khiển ổn

định từ thông rd tại mọi điểm làm việc của động cơ. Và thành công trong việc áp

đặt nhanh và chính xác dòng isq, và theo pt (1.20b) thì có thể coi isq là đại lượng

điều khiển của momen Te của động cơ.

Bằng việc mô tả ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor, không còn

quan tâm đến từng dòng điện pha riêng lẻ nữa, mà là toàn bộ vector không gian

dòng stator của động cơ. Khi đó vector si

sẽ cung cấp hai thành phần: isd để điều

khiển từ thông rotor r

, isq để điều khiển momen quay Te, từ đó có thể điều khiển

tốc độ của động cơ.

(1.21a)

(1.21b)

Khi đó, phương pháp mô 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

isd

isq Te

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


ba pha tương tự như trường hợp sử dụng động cơ điện một chiều. Điều khiển tốc độ

ĐCKĐB ba pha thông qua điều khiển hai phần tử của dòng điện si

là isd và isq.

Bài tập 2.1. Chứng minh:

Bài tập 2.2. Cho điện áp ba pha:

usa = 540cos(100t) (V);

usb = 540cos(100t – 2/3) (V);

usc = 540cos(100t – 4/3) (V);

Tại thời điểm t = 0,004giây:

a) Tính usa, usb, usc, us , us và su

?

b) Biết góc hệ toạ độ quay lúc đó là r = s = 45o.

Tính usd và usq ?

Bài tập 2.3. Mô 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 = 2fs (rad/s)

Tại thời điểm t = 4ms = 0,004s,

a) Tính usa, usb, usc, us, us và biên độ điện áp su

?

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 góc

pha A ban đầu là 0o. Tại thời điểm t = 2ms:

iv. Tính biên độ điện áp su

và usa, usb, usc, us , us?

v. Tính thời gian chuyển mạch T1, T2 và T0? Biết tần số điều rộng xung là 20KHz.

vi. Biết góc hệ toạ độ quay lúc đó là a = 40o. Tính usd và usq?

2 2

r rr r

r

r r

d d

dt dt

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


vii. Tính lại các cấu trên tại thời điểm t = 5ms.

ĐC KĐB

==

3~

Udc

Điều

khiển

M

3~

a b c

Nghịch

lưu

2=

3

isa

isb is

is

isd

isq

r

pt (2.…) pt (2.…)

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

Chương 3: Mô hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.1

Chương 3: MÔ HÌNH ĐCKĐB TRONG HỆ QUI CHIẾU QUAY

I. Một số khái niệm cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha

I.1. Một số qui ước ký hiệu dùng cho điều khiển ĐCKĐB ba pha

Để xây dựng mô hình mô tả động cơ KĐB ba pha, ta thống nhất một số qui

ước cho các ký hiệu cho các đại lượng và các thông số của động cơ.

A

B

C

N

stator

Cuộn dây

pha A

isa

usa

irA

isc

usc

isb usb

Cuộn dây

pha C

Cuộn dây

pha B

rotor

irC

irB

stator

Trục chuẩn

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Hình 2.1: Mô hình đơn giản của động cơ KĐB ba pha

mLs

Rr

rLsLsR

sv

si ri

mi

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 công 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 góc 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 thông 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 góc 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 dòng điện (A).

từ thông (Wb).

từ thông móc vòng (A.vòng). ()

Te momen điện từ (N.m).

TL momen tải (momen cản - torque) (hay còn ký hiệu là MT) (Nm).

tốc độ góc điện của rotor so với stator (rad/s).

Ω tốc độ góc cơ của rotor so với stator (rad/s).

a tốc độ góc của một hệ toạ độ bất kỳ (arbitrary) (rad/s).

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


s tốc độ góc của từ thông stator so với stator (s = + sl) (rad/s).

r tốc độ góc của từ thông rotor so với stator (r s) (rad/s).

sl tốc độ góc của từ thông rotor so với rotor (tốc độ trượt) (rad/s).

góc của trục rotor (cuộn dây pha A) trong hệ toạ độ (rad).

s góc của trục d (hệ toạ độ quay bất kỳ) trong hệ toạ độ (rad).

r góc của trục d (hệ toạ độ quay bất kỳ) so với trục rotor (rad).

s góc của từ thông stator trong hệ toạ độ (rad).

r góc của từ thông rotor trong hệ toạ độ (rad).

re góc của từ thông rotor ước lượng (estimated) trong hệ toạ độ (rad).

góc pha giữa điện áp so với dòng điện.

Các thông 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).

Ls điện cảm tản của cuộn dây stator (H).

Lr điện cảm tản của cuộn dây rotor đã qui đổi về stator (H).

P số đôi cực của động cơ.

J momen quán tính cơ (Kg.m2).

Các thông số định nghĩa thêm:

Ls = Lm + Ls điện cảm stator.

Lr = Lm + Lr điện cảm rotor.

Ts = s

s

R

L hằng số thời gian stator.

Tr = r

r

R

L hằng số thời gian rotor.

= 1 – rs

2

m

LL

L hệ số từ tản tổng.

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 toán học của động cơ cần phải thể hiện rõ các đặc tính thời

gian của đối tượng. Việc xây dựng mô hình ở đây không nhằm mục đích mô phỏng

chính xác về mặc toán học đối tượng động cơ. Việc xây dựng mô hình ở đây chỉ

nhằm mục đích phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh. Điều đó cho

phép chấp nhận một số điều kiện giả định trong quá trình thiết lập mô hình, tất

nhiên sẽ tạo ra một số sai lệch nhất định giữa đối tượng và mô 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 không đồng bộ được mô tả với một hệ phương

trình vi phân. Để xây dựng phương trình cho động cơ, giả định lý tưởng hóa kết cấu

dây quấn và mạch từ với các giả thuyết sau:

Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng trong không gian.

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bảo hòa của mạch từ.

Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trong khe hở không khí.

Các giá trị điện trở và điện kháng xem như không đổi.

mLs

Rr

rLsLsR

sv

si ri

mi

Rs jXs jX’r

Mạch tương đương động cơ KĐB với tổn hao sắt từ

RFe jXm

Rs jXs

Rm

jXm

jX’r

Mạch tương đương của động cơ KĐB

Rs

jXs

Mạch tương đương động cơ KĐB với dòng từ hoá

jXm

jX’r

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


r

rj

sR sL rLr

rR

s

*

sv mLmi*

r

r r

rv

si

Rr

Phương trình điện áp trên 3 cuộn dây stator:

usa(t) = Rsisa(t) + dt

)t(d sa (2.1a)

usb(t) = Rsisb(t) + dt

)t(d sb (2.1b)

usc(t) = Rsisc(t) + dt

)t(d sc (2.1c)

Biểu diễn điện áp theo dạng vector không gian:

00 240j

sc

120j

sbsa

s

s e)t(ue)t(u)t(u3

2)t(u

(2.2)

Thay các phương trình điện áp pha (2.1a),(2.1b),(2.1c) vào (2.2), ta được: Ví dụ 3.1: Chứng minh:

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


s

su

(t) = Rs. )t(i s

s

+

dt

)t(d s

s

(2.3)

Trong đó, tương tự như đối với điện áp:

00 240j

sc

120j

sbsa

s

s e)t(ie)t(i)t(i3

2)t(i

(2.4)

00 240j

sc

120j

sbsa

s

s e).t(e).t()t(3

2)t(

(2.5)

Tương tự, ta có phương trình điện áp của mạch stotor. Khi quan sát trên hệ qui

chiếu rotor (rotor ngắn mạch):

dt

tdtiR0)t(u

r

rr

rr

r

r

(2.6)

Các vector từ thông stator và rotor quan hệ với các dòng stator và rotor: Ví dụ 3.2: Chứng minh:

CM rmsss iLiL

(2.7a)

CM rrsmr iLiL

(2.7b)

với rsmmmm iiLiL

(2.7b)

smrmsss iLiL

rmrrsmr iLiL

Ví dụ 3.3: Chứng minh: Lm= 3/2LaA?

ĐCKĐB là một hệ điện cơ, có phương trình momen:

rrsse ixP2

3ixP

2

3T

(2.8)


srmsmsr

r

me ixiPL

2

3ixP

2

3ix

L

LP

2

3T

và phương trình chuyển động:

Te = TL + dt

d

P

J = TL +

dJ

dt

(2.9)

Việc xây dựng các mô hình cho ĐCKĐB ba pha trong các phần sau đều phải

dựa trên các phương trình cơ bản trên đây của động cơ.

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


II. Mô 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:

Ví dụ 3.5: Chứng minh: js

r

r

r eii

(2.10)

Và js

r

r

r e

(2.11)

với

dt

d, trong đó là tốc độ quay của rotor (theo hình 2.3).

Thay pt (2.10) và pt (2.11) vào pt (2.6), qui pt (2.6) về hệ quy chiếu stator:

Ví dụ 3.6: Chứng minh: s

r

s

rs

rr jdt

diR0

(2.12)

Sơ đồ mạch điện tương đương của mô hình động của ĐCKĐB trong HTĐ stator

Vậy từ các pt (2.3), (2.7), (2.8), (2.9) và(2.12) ta có hệ phương trình:

s

su

= Rs.s

si

+dt

d s

s

(2.13a)

0 = Rrs

ri

+ dt

d s

r

- s

rj

(2.13b)

s

rm

s

ss

s

s iLiL

(2.13c)

s

rr

s

sm

s

r iLiL

(2.13d)

Te = 2

3p( s

x si

)= -2

3p( r

x ri

) (2.13e)

Te = TL + dt

d

p

J (2.13f)

Để xác định dòng điện stator và từ thông rotor, từ pt (2.13d) và pt (2.13c) có:

s

ri

= rL

1 s

sm

s

r iL

(2.14)

s

s = Ls. s

si + r

m

L

L s

sm

s

r iL (2.15)

Thay (2.14) và (2.15) vào (2.13a) và (2.13b), với các định nghĩa sau:

Ts = s

s

R

L : hằng số thời gian stator.

r

rr

R

LT : hằng số thời gian rotor.

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


rs

2

m

LL

L1 : hệ số từ tản tổng.

Phương trình (2.13a) và (2.13b) trở thành:

dt

d

L

L

dt

idLiRu

s

r

r

m

s

s

s

s

sS

s

s

(2.16)

dt

dj

T

1i

T

L0

s

rs

r

r

s

s

r

m

(2.17)

suy ra:

s

r

r

s

s

r

m

s

r jT

1i

T

L

dt

d

(2.19)

Thay (2.19) vào (2.16):

s

s

s

s

r

rm

s

s

rs

s

s uL

1j

T

1

L

1i

T

1

T

1

dt

id

(2.20)

s

r

r

s

s

r

m

s

r jT

1i

T

L

dt

d

(2.21)

Chuyển sang dạng các thành phần của vector trên hai trục toạ độ:

s

s

r

m

r

mr

s

rs

s uL

1

L

1

LT

1i

T

1

T

1

dt

di (2.22a)

s

s

r

m

r

mr

s

rs

su

L

1

L

1

LT

1i

T

1

T

1

dt

di (2.22b)

rr

r

s

r

mr

T

1i

T

L

dt

d (2.22c)

rr

r

s

r

mr

T

1i

T

L

dt

d (2.22d)

Thay pt (2.14) s

ri

= rL

1 s

sm

s

r iL

vào pt (2.13e), có:

s

s

s

r

r

m

r

s

sm

s

r

s

re i.xL

LP

2

3

L

1iLxp

2

3T

Thay các thành phần của vector từ thông rotor và dòng stator, được:


srsr

r

m

e iiL

Lp

2

3T (2.24)

Le TTJ

p

dt

d

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Mô hình toán động cơ DC

Mạch tương đương của động cơ DC:

Phương trình mạch vòng điện áp cho phần ứng của động cơ.

U = E + Ruiu + Luudi

dt

Trong đó : E = K

kt kkt.ikt

Phương trình cân bằng moment trên trục động cơ :

Te = TL + Jd

dt

+ B

Trong đó : 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, có mô hình động cơ DC:

ssILsIRsEsV uuuu

sKsE

sJssBsTsT L

sIksT u

uu

uRsL

sEsVsI

BJs

sTLsTs

Sơ đồ khối mô hình động cơ DC:

uu RsL

1

.K

.K

BJs

1

s

T (s)

sTL

V s

I (s)

E (s)

Ikt

U

Rư

Iư

E = kE.kt. k.Ikt.

Rkt

Ukt

kt

Lư

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


III. Mô hình của ĐCKĐB trên hệ tọa độ từ thông rotor (toạ độ dq)

Theo hệ pt (1.17), biểu diễn pt (2.3) và pt (2.6) lên hệ trục tọa độ từ thông rotor (hệ

trục dq):

s

su

(t) = Rs. )t(i s

s

+

dt

)t(d s

s

(2.3)

dt

tdtiR0)t(u

r

rr

rr

r

r

(2.6)

Với rr jf

r

tjf

r

s

r eieii

tjf

r

tjf

r

r

rss eieii


f

su

= Rsf

si

+ jsf

s

+dt

d f

s

(2.29a)

0 = Rrf

ri

+ jslf

r

+dt

d f

r

(2.29b)

Sơ đồ mạch điện tương đương của mô hình động của ĐCKĐB trong HTĐ dq

Kết hợp với hai pt trên với hệ phương trình (2.7), có hệ phương trình:

f

su

= Rsf

si

+ jsf

s

+dt

d f

s

(2.30a)

0 = Rrf

ri

+ j(s-) f

r

+dt

d f

r

(2.30b)

f

rm

f

ss

f

s iLiL

(2.30c)

f

rr

f

sm

f

r iLiL

(2.30d)

Suy ra

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


f

sm

f

r

r

f

r iLL

1i

f

r

r

mf

s

r

2

ms

f

sL

Li

L

LL

Thực hiện tương tự đối với việc xây dựng mô hình động cơ trên hệ tọa độ , khử

các biến f

ri

và f

s

, được hệ sau:

f

s

s

f

r

rm

f

ss

f

s

rs

f

s uL

1j

T

1

L

1iji

T

1

T

1

dt

id

f

rsl

r

f

s

r

m

f

r jT

1i

T

L

dt

d

Chuyển sang dạng các thành phần của vector trên hai trục toạ độ:

dt

disd =

rs T

1

T

1isd + sisq + rd

mrLT

1

+ rq

mL

1

+ sd

s

uL

1

(2.31a)

dt

disq =

rs T

1

T

1isqsisd+ rq

mrLT

1

rd

mL

1

+ sq

s

uL

1

(2.31b)

rqslrdsd

r

mrd

Tr

1i

T

L

dt

d

(2.31c)

rdslrq

r

sq

r

mrq

T

1i

T

L

dt

d

(2.31d)

Trong hệ tọa độ dq, rq=0 do vuông góc với vector f

r

nên f

r

=rd .

dt

disd =

rs T

1

T

1isd + sisq + rd

mrLT

1

+ sd

s

uL

1

(2.32a)

dt

disq =

rs T

1

T

1isqsisd rd

mL

1

+ sq

s

uL

1

(2.32b)

rd

r

sd

r

mrd

T

1i

T

L

dt

d

(2.32c)

dt

d rq = 0 (2.32d)

và rdslsq

r

m iT

L

Ví dụ 3.9: Chứng minh: sd

r

mrdr i

sT1

L

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Ví dụ 3.10: Chứng minh: r

sq

r

msl

i

T

L

Phương trình moment:

Thay f

r

r

mf

s

r

2

ms

f

sL

Li

L

LL

(2.33)

Vào: f f f fm me s s r s rd sq rq sd

r r

3 3 L 3 LT P i P i P i i

2 2 L 2 L

(2.34)

có sdrqsqrd

r

me ii

L

Lp

2

3T (2.35)

với tốc độ trượt: sl = r – = r

m

T

L

rd

sqi

(2.36)

Ví dụ 3.11: Chứng minh: sdrqsqrd

r

me ii

L

LP

2

3T

Ví dụ 3.12:

Te = TL + dt

d

p

J hay

dt

d

p

J = Te - TL (2.37)

Trong hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq), các vector dòng stator f

si

và

vector từ thông rotor f

r

, cùng với hệ tọa độ dq quanh (gần) đồng bộ với nhau với

tốc độ s quanh điểm gốc, do đó các phần tử của vector f

si

(isd và isq) là các đại

lượng một chiều. Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như không đổi; trong quá

trình quá độ, các giá trị này có thể biến theo theo một thuật toán điều khiển đã được

định trước.

Hơn nữa, trong hệ tọa độ dq, rq=0 do vuông góc với vector f

r

nên f

r

=rd.

Đối với ĐCKĐB 3 pha, trong hệ tọa độ dq, từ thông và mômen quay được

biểu diễn theo các phần tử của vector dòng stator:

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


(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 có thể điều khiển từ thông rotor rrd

thông

qua điều khiển dòng 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 công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng isd để điều khiển ổn

định từ thông rd tại mọi điểm làm việc của động cơ. Và thành công trong việc áp

đặt nhanh và chính xác dòng isq, và theo pt (1.20b) thì có thể coi isq là đại lượng

điều khiển của momen Te của động cơ.

Bằng việc mô tả ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor, không còn

quan tâm đến từng dòng điện pha riêng lẻ nữa, mà là toàn bộ vector không gian

dòng stator của động cơ. Khi đó vector si

sẽ cung cấp hai thành phần: isd để điều

khiển từ thông rotor r

, isq để điều khiển momen quay Te, từ đó có thể điều khiển

tốc độ của động cơ.

()

()

Khi đó, phương pháp mô 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 thông qua điều khiển hai phần tử của dòng điện r

là isd và isq.

Ưu điểm khi của mô hình của ĐCKĐB trong HTĐ dq so với HTĐ :

1. Các đại lượng không biến thiên dạng sin theo thời gian.

2. Hệ phương trình đơn giản hơn (rq=0).

3. Phân ly điều khiển từ thông rotor r

và momen Te (tốc độ ).

4. Gần giống với điều khiển động cơ một chiều.

isd

isq Te

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Te = 2

3P( s

x si

)= -2

3P(

r

x ri

)= 2

3P(

m

x si

) ??? (2.8)

Bài tập 3.1. Nêu ý nghĩa của việc điều khiển từ thông trong điều khiển tốc độ động cơ

không 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 không 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

luôn nhỏ hơn định mức?

Bài tập 3.3. Từ pt: s

su

(t) = Rs. )t(i s

s

+

dt

)t(d s

s

và

dt

tdtiR0)t(u

r

rr

rr

r

r

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

Bài tập 3.6. CM: sqr

r

msr

r

msse i

L

LPi

L

LPiPT

2

3

2

3

2

3

Bài tập 3.7. CM: Chứng minh: sdrqsqrdmsrme iiiiPL

2

3iiPL

2

3T

Bài tập 3.8. Cho động cơ 3 pha nối Y, có 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

thông rotor đạt định mức và không đổi, dòng khởi động bằng 1,65 lần dòng định

mức; tính trị biên độ isd, isq và moment lúc khởi động?

Bài tập 3.9. Cho động cơ không đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ có ghi: 2 cực,

nối Y, 380V, 50Hz, Iđm=5,5A, Mcơ_đm=7,75Nm. Thông qua các thí nghiệm đo

đạt, xác định được thông số động cơ (đã quy về stator) như sau: Rs=4, Rr=4,

Ls=0,01H, Lr=0,01H, Lm=0,19H. Động cơ được điều khiển bằng bộ biến tần

theo phương pháp định hướng từ thông rotor, đang vận hành ở chế độ định mức

(isd_đm < isq_đm). Trong hệ tọa độ từ thông rotor:

a) Tính dòng điện isd_đm và isq_đm? Tính từ thông móc vòng rotor |r|?

b) Với từ thông như câu a). Tính dòng điện khi moment tải còn 50%?

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


c) Lúc khởi động động cơ, biết từ thông đạt định mức, moment bằng 2 lần

moment định mức. Tính dòng điện khởi động? So sánh với dòng định mức?

Bài tập 3.10. Một động cơ không đồng bộ có các thông

số (quy về stator) như sau:

Rs = 10, Rr = 6,3, Ls = Lr = 0,04H, Lm = 0,4H.

Động cơ 3 pha, 4 cực, cuộn dây stator nối Y, 50Hz, 380V, 1400rpm. Tính dòng

điện định mức isdn, isqn, từ thông định mức r n và dòng điện định mức Isn?

Bài tập 3.11. Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

dùng bộ biến tần cài đặt ở chế độ điều khiển định hướng từ thông rotor:

a) Khi điều khiển động cơ đạt từ thông rotor ổn định, viết phương trình

chứng tỏ: (0,5 đ)

i) Biên độ từ thông rotor |r| có thể được điều khiển qua isd ?

ii) Moment cơ của động cơ Mcơ có thể được điều khiển qua isq ?

b) Biết động cơ ba pha nối Y, có 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 thông rotor định mức và không đổi, và dòng khởi động được

cài đặt bằng 1,5 lần dòng định mức: tính trị biên độ dòng 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 thông rotor định

mức. Lúc động cơ kéo tải có moment bằng 150% định mức, tính dòng điện

hiệu dụng của động cơ? (1 đ)

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.1

Chương 4:

ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ĐCKĐB

(FOC)

I. Hiệu chỉnh PID (PID CONTROL)

Phương trình vi phân mô tả hiệu chỉnh PID:

u(t) = KP e(t) + KI dt)t(e + KDdt

)t(de

KP: hệ số khâu tỉ lệ.

KI: hệ số khâu tích phân.

KD:hệ số khâu vi phân.

Biến đổi Laplace:

s.T

s.T

11K

)s(e

)s(u)s(G D

I

p trong đó: P

DD

I

PI

K

KT,

K

KT

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 không chấp nhận được đối với mạch động lực.

Khâu tích phân tỉ lệ (PI) có mặt trong hệ thống dẫn đến sai lệch tĩnh triệt tiêu

(hệ vô 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 có mặt của khâu PI là bắt buộc.

Sự có mặt của khâu vi phân tỉ lệ (PD) làm giảm độ vọt lố, đáp ứng ra bớt nhấp

nhô 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, có khả năng tăng độ dự trữ pha ở tần số cắt, khử chậm pha. Sự có mặt

của khâu PID có 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 công

nghiệp dưới dạng thiết bị điều khiển hay thuật toán phần mềm.

e(t) u(t) PID

Đối tượng

điều khiển

c(t) r(t)

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Tóm tắt Vai trò 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 - vô 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 nhô (dao động)

Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID

Đáp ứng bước hàm bước 1(t)

PID vôùi hai khaâu setpoint weighting vaø anti-windup

Boä PID vôùi hai khaâu setpoint weighting vaø anti-windup laø moät boä PID coù

öùng duïng toång quaùt, trong ñoù tín hieäu ñieàu khieån (tín hieäu ra cuûa boä PID) coù theå

ñöôïc toång hôïp bôûi sai soá cuûa 2 tín hieäu - cung caáp bôûi 2 ñoái töôïng khaùc nhau (ñoái

töôïng ñöôïc ñieàu khieån vaø ñoái töôïng cung caáp tín hieäu ñaët). Boä PID caûi thieän ñaùp

öùng quaù ñoä ( giaûm ñoä voït loá, giaûm thôøi gian quaù ñoä vaø giaûm sai soá xaùc laäp).

- Neáu giaù trò ngoõ ra cuûa boä PID lôùn hôn so vôùi giaù trò baõo hoøa (moät giaù trò ñònh

möùc ta ñònh cho heä thoáng), noù seõ ñöôïc giaûm xuoáng moät caùch nhanh choùng nhôø

khaâu anti-windup. Khaâu anti-windup laø moät khaâu tæ leä vôùi giaù trò ñoä lôïi = 1/ Tt,

trong ñoù giaù trò Tt >=1.

- Neáu tín hieäu ñaët laø tín hieäu töø moät ñoái töôïng khaùc cung caáp, coù giaù trò raát beù,

(hoaëc raát lôùn) noù seõ ñöôïc taêng leân (hoaëc giaûm xuoáng) nhôø khaâu setpoint

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


weighting maø thöïc chaát laø moät khaâu tæ leä vôùi ñoä lôïi b. Ñieàu naøy nhaèm taêng toác ñoä

phaûn öùng trong quaù trình tæ leä.

Heä phöông trình moâ taû cho boä PID

Tín hieäu ngoõ ra cuûa boä PID laø toå hôïp cuûa 3 löôïng P, I, D:

P=K*(b*ysp-y)

Td.sD K

(Td / N)s 1

(4.3)

1 1I K (ysp y) (u v)

Ti.s Tt

u=P+I+D

v=sat(P+I+D)

Trong ñoù ysp : giaù trò ñaët.

y : giaù trò thöïc cuûa heä thoáng.

B : ñoä lôïi cuûa khaâu weighting.

K : haèng soá cuûa thaønh phaàn khuyeách ñaïi tæ leä.

K/Ti : haèng soá cuûa thaønh phaàn tích phaân.

KTd : haèng soá cuûa thaønh phaàn vi phaân.

u : tín hieäu ñaàu ra cuûa boä PID.

v : giaù trò qua khaâu baõo hoøa cuûa u.

Hình: Moâ phoûng PID vôùi anti-windup and setpoint weighting.

Moâ phoûng boä PID trong heä thoáng ñieàu khieån ñoäng cô khoâng ñoàng boä

Boä PID ñöôïc moâ phoûng khoâng coù thaønh phaàn vi phaân D, cho Td=0, N=1000, luùc

ñoù haøm truyeàn cuûa boä PID chæ ñôn giaûn laø :

i

1K 1

T s

Giaù trò ñoä lôïi khaâu weighting b=1

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Caùc thoâng soá khaùc cuûa boä PID (K, Tt, Ti, N) ñöôïc xaùc ñònh thoâng qua moät

quaù trình thaêm doø phöùc taïp ta khoâng xeùt ñeán ôû ñaây, trong quaù trình moâ phoûng seõ

chaáp nhaän caùc giaù trò naøy nhö laø ñöôïc cung caáp.

Giaù trò ngoõ vaøo boä PID laø sai soá giöõa vaän toác leänh (w*) vaø vaän toác thöïc w

Giaù trò ngoõ ra cuûa boä PID laø momen ñieän töø leänh.

Phöông trình lieân heä giöõa sai soá vaän toác ngoõ vaøo vaø momen ñieän töø leänh ngoõ ra laø

e L

J dwT -T =

P dt

Nhö vaäy vieäc ta caáp vaän toác leänh cho boä ñieàu khieån cuõng töông ñöông vôùi

vieäc caáp momen leänh.

Hình: Giao dieän nhaäp thoâng soá cuûa boä PID.

PI rời rạc:

u(k)=u p (k)+u I (k)

u p (k)=K p .e(k)

u I (k)= u I (k-1)+K I .T.e(k) = u I (k-1)+ IK ' . e(k)

Trong đó:T là tần số lấy mẫu

e(k) u(k) PID SỐ

Đối tượng

điều khiển

c(k) r(k)

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


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) /*Gioi han dien ap >= 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):

dt

tdeKdtteKteKtu DIP

Rời rạc hóa:

kukukuku DIP

ke.Kku PP

ke.K1kuke.T.K1kuku '

IIIII

1kekeKT

1keke.Kku '

DDD

Trong đó:T là tần số lấy mẫu.hiể

Rời rạc hóa _ Phương pháp gần đúng (khâu I):

kukukuku DIP

keKku PP .

1. kekeKku II

1 kekeKku DD

PID số (Phương pháp 2):

Đạo hàm 2 vế:

2

2

dt

tedKteK

dt

tdeK

dt

tduDIP

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


kukuku

T

kukuDIP

1

1'1

.

kekeKT

kekeKku pPP

keKku II .

21*2'211

.

kekekeK

T

keke

T

kekeKku DDD

Hay: kukukukuku DIP '''1

1''' ' kekeKku pP

keKku II .''

21*2''' kekekeKku DD

Hay:

kukukukuku DIP 1

1. kekeKku PP

keKku II .

1' kukuKku PPDD

Điều khiển tốc độ động cơ DC:

Ikt

U

Rư

Iư

E = kE.kt. k.Ikt.

Rkt

Ukt

kt

Lư

TON

T

DCM

L

N C

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Nếu n > ndat thì e < 0. PID sẽ điều khiển GIẢM u để n giảm bớt.

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. 11 kukukukukuku DIP

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 (số 8 bit chứa giá trị tối đa là 255).

Proportional = (ek - ek_1)*Kp; Integral = ek*Ki; Differential = (ek-2*ek_1+ek_2)*Kd; PID_D = (Proportional + Integral + Differential); uk = uk_1 + PID_D; // uk phải là số interger (số 16 bit) // --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

uk_1 = uk; ek_2 = ek_1; ek_1 = ek;

// --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

if(uk < 0) uk = 0; // Không có giá trị (điện áp) âm if(uk > 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

ndat Động cơ

+

u _

n

n

PIDtốc độ e

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Đáp ứng bước Vọt lố Dao động

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


II. Phương pháp điều khiển V/f

Tải moment hằng số Tải moment thay đổi theo tốc độ

(Thang máy, cần cẩu, băng chuyền) (Bơm, quạt,…)

Rs*Ili

m

f

V, T

Te

TL

fđm

V/f=const Vđm

Tđm

V/f=const

f

V, T

Te

Rs*Ili

m

TL

fđm

Tđm

Vđm

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Tải moment hằng số phải dùng biến tần lớn hơn 1 cấp so với tải moment biến đổi.

III. Điều khiển tiếp dòng - điều khiển moment, từ thông

Điều khiển định hướng từ thông rotor (Field Oriental Control - FOC)

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


IV. Điều khiển tiếp áp - điều khiển dòng điện trong HQC quay

Điều khiển dòng điện động cơ (hồi tiếp) bằng dòng 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. Mô hình động cơ KĐB 3 pha

=???

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


r , Te , r=???

V.2. Điều khiển trực tiếp

Điều khiển trực tiếp từ giá trị hồi tiếp đo về:

Điều khiển tiếp dòng:

r , Te , r=???

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Điều khiển trực tiếp từ giá trị hồi tiếp - tiếp áp:

ed, eq =???

ed, eq =???

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


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 dòng:

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


ids , iqs , sl =???

K1 , K2 =??? , mech =???

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


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 không đồng bộ ba pha

được trình bày trong hình vẽ sau:

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Hình 4.1: Cấu trúc của hệ thống điều khiển ĐCKĐB ba pha dùng FOC

Bằng việc mô tả ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor, vector si

sẽ

chia thành hai thành phần: isd để điều khiển từ thông rotor r

, isq để điều khiển

momen quay Te, từ đó có thể điều khiển tốc độ của động cơ.

(4.1a)

(4.1b)

V.4.1. Xây dựng thuật toán 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 dòng (MTi)

m

*

rr

*

sdL

sT1i

(4.2a)

*

sl

m

*

rr*

sqL

Ti

(4.2b)

Mạng tính áp (MTu)

q

s

s

dssd ysT1

LyRu

(4.3a)

*

dr

r

md

s

s

qssqL

Ly

sT1

LyRu

(4.3b)

Trong đó, s

ms

s

s

sR

LL

R

LT

TL

b

a

i

i

MTu

BBĐ

c

b

a

u

u

u

Động cơ

–

*

sdi + ĐCid

MTu ĐCiq

MTu

MTi

–

+

*

r

CTĐi

ĐC

–

+

*

+

+

*

sl

*

sl

r r

*

sqi

sdi

sqi

sdi

sqi

dy

qy

sdu

squ

isd r

isq Te

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Tính góc r

s

r

r

(4.4)

Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện (CTĐi)

is = isa (4.5a)

is = sbsa i2i3

1 (4.5b)

isd = iscosr + issinr (4.6a)

isq = - issinr + iscosr (4.6b)

Bộ biến đổi (BBĐ)

o Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện (CTĐi)

us = usdcosr – usqsinr (4.7a)

us = usdsinr + usqcosr (4.7b)

o Bộ biến đổi điện áp (bộ điều chế vector không gian)

usa = us (4.8a)

sssb u

2

3u

2

1u (4.8b)

usc = – usa – usb (4.8c)

Khâu điều chế tốc độ quay (ĐC)

Là khâu hiệu chỉnh PI:

Isl P

KK *

s

(4.9)

Các khâu điều chế dòng (DCid và DCiq)

o Khâu điều chế dòng isd (DCid)

sd

Id

Pdd is

KKy

(4.10)

o Khâu điều chế dòng isq (DCiq)

sq

Iq

Pqq is

KKy

(4.11)

Chú ý: Xét trong hệ tọa độ từ thông rotor nên 0rq , rdr (4.12)

Các thông 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 toán điều khiển FOC

Hệ thống ổn định.

Sai số xác lập của tốc độ nhỏ, sai số xác lập của từ thông rotor lớn.

Thời gian đáp ứng của hệ thống tương đối nhanh.

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Momen tải không tác động nhiều đến đáp ứng của tốc độ, và đáp ứng của từ

thông rotor.

Chất lượng đáp ứng suy giảm khi bị nhiễu tác động lên tín hiệu hồi tiếp.

Hệ thống dễ mất ổn định khi có sai số mô hình hay bị tác động của nhiễu.

Dòng điện khởi động lớn so với dòng điện làm việc; dòng khởi động tăng lên

khi có sai số mô hình.

VI. Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển gián tiếp ĐCKĐB theo phương

pháp định hướng từ thông rotor

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


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, Xs = 13,5, Xr = 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 50s.

(Chú ý, khi vận hành ở công suất định mức: isdn < isqn )

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


f2

XL m

m

f2

XL s

s

sms LLL

s

ss

R

LT

f2

XL r

r

rmr LLL

r

r

rR

LT

sT1

iL

r

sdm

rd

Từ thông không đổi, dsmr iL

sdm

e

m

r

r

e

m

rsq

iL

T

L

L

P3

2T

L

L

P3

2i

e2

m

rsdsq T

L

L

P3

2ii

Mà s

2

ds

2

sqs I2iii

Khi biết momen điện Te và dòng 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.

Thông thường isd bằng 40-60% Is định mức.

Và tính được rr

qsm

slT

iL

.

Từ đó tính được tốc độ góc trựơt cơ: p

slco_slsl

và tính được tốc độ động cơ.

m

rrdrd

sdL

sTi

r

e

r

m

sq

T

L

L

p2

3i

sd

sq

r

r

rr

qs

r

m

sli

i

T

1L

T

iL

L

Rs sI jXs

sU

'

rI '

rR jX’r


'

rRs

s1

RFe jXm

mI FeI

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Từ thông không đổi: *

dsm

*

r iL

*

e1

*

qs TKi *

ds

2

m

r

*

e

*

qs

1i

1

L

L

p3

2

T

iK

*

qs2

*

sl iK *

dsr

*

rr

m

*

qs

*

sl

2iT

1

T

L

iK

vì *

sl

*

rr

*

qsm TiL

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Chú ý:

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Bộ điều khiển

Bộ ử l

FOC

PWM

QEP ADC

SCI

I/O

ADC

L3 L2 L1

N L

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Với

I

PI

T

KK

Với Tdom = J/P và = Tdelay = chu kỳ xử lý ( tổng thời gian trễ).

Thêm khâu smooth:

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


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, Xs = 13,5, Xr = 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 50s.

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:

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Tính tất cả các giá trị cần thiết để điều khiển gián tiếp từ thông rotor, được minh

họa trong ví dụ 1 này. Động cơ KĐB 3 pha 4 cực, nối Y, rotor lồng sóc, các thông

số ở 50Hz là:

Rs = 10, Rr = 6,3, Xs = 13,5, Xr = 12,6, Xm = 132. Dòng điện định mức là 2.1A ở 380V. Điều khiển gián tiếp định hướng từ thông

rotor (FOC) động cơ KĐB trên.

Bộ điều khiển dòng cần tính toán từ giá trị dòng điện đo về và giá trị dòng điện đặt.

Tốc độ động cơ được điều khiển từ 0 đến tốc độ định mức. Từ thông không đổi và

bằng giá trị từ thông định mức. Moment định mức là 5.07Nm và moment quán tính

là 0.1 kgm2. Vì vậy cần tính dòng điện định mức isdn, isqn từ moment định mức Ten,

tính từ thông định mức r n và tính vận tốc góc định mức sln?

(Chú ý, khi vận hành ở công suất định mức: isdn < isqn )

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Ví dụ 2: Một động cơ không đồng bộ có các thông số (đã quy về stator) như sau:

Rs = 10, Rr = 6,3, Ls = Lr = 0,04H, Lm = 0,4H.


điện định mức isdn, isqn, từ thông định mức r n và dòng điện định mức Isn? Tính

K1, K2, Kp, Ti? Biết chu kỳ xử lý của bộ điều khiển là 50s, moment quán tính

của động cơ là 0.5 kgm2. 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 đôi moment định mức, tính dòng điện

khởi động khi dùng biến tần FOC?

_ Cài dòng khởi động gấp 1,5 dòng định mức, tính moment định mức khi dùng

biến tần FOC?

Rs sI

jXs

sE

sU

Stator với dòng từ hoá

mI

jXm

s

R '

r jX’r

'

rE

'

rI

Rotor quy về stator

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


*

sl

*

dsmr

*

sl

*

rr

*

qsm iLTTiL

60

nn2.PT.PTT

i

is

r

*

co_slr

*

slr*

ds

*

qs co_slsl .P =P. Ωsl

*

e1

*

qs TKi *

ds

2

m

r

*

e

*

qs

1i

1

L

L

p3

2

T

iK

*

qs2

*

sl iK *

dsr

*

rr

m

*

qs

*

sl2

iT

1

T

L

iK

vì *

sl

*

rr

*

qsm TiL

delay

PTP

JK

2

1

delayI TT 4 I

PI

T

KK

Rs sI

jXs

sU


mI

jXm

jX’r '

rI '

rR

'

rRs

s1

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Hay với Tdom = J/P và = Tdelay = chu kỳ xử lý ( tổng thời gian trễ).

a) Is = 2.509587

b) Te = 6.401969

c) id = 2.002982

c) iq = 2.929867

c) PHIr = 0.801193

d) K1 = 0.457651

d) K2 = 7.148431

e) Kp = 2500.000000

e) Ki = 12500000.000000

e) Ti = 0.000200

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Bài tập 4.1. Khi điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha, bộ biến tần có chế độ

constf/V :

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, dòng điện stator, độ lớn từ thông

rotor, tốc độ và moment)?

Bài tập 4.2. Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng bộ biến tần cài đặt ở

chế độ điều khiển định hướng từ thông rotor:

a. Khi biến tần điều khiển động cơ đạt từ thông rotor ổn định, viết phương

trình chứng tỏ:

i) Biên độ từ thông rotor |r| có thể được điều khiển qua isd ?

ii) Moment cơ của động cơ Mcơ có thể được điều khiển qua isq ?

ii) Gia tốc động cơ dt

da

có thể được điều khiển qua isq ?

b. Động cơ ba pha nối Y, có 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 thông rotor định mức và không đổi, và dòng khởi động

bằng 2 lần dòng 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 có các thông số (quy về stator như hình vẽ sau) như sau:

Rs=0,105, Rr=0,081, Ls=0,58mH, Lr=0,87mH, Lm= 13,7mH (bỏ qua tổn hao

sắt từ).

a) Tính dòng điện định mức Is?

b) Tính moment điện từ định mức Te?

c) Tính từ thông 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 50s.

Bài tập 4.4. Cho động cơ không 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 có các thông số: Rs = 10, Rr = 6,3, Ls =

Rs is L

s

us

Lm

Lr Rr

rRs

s1

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


0,043H, Lr = 0,04H, Lm = 0,42H. Trong hệ tọa độ từ thông rotor, khi động cơ

vận hành ở định mức, tính:

a) Dòng điện isd và isq ? (Biết ở định mức, isd < isq).

b) Độ lớn từ thông 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 50s.

Bài tập 4.5. Một động cơ không đồng bộ có các thông số (tất cả quy về stator) như

sau: Rs = 10, Rr = 6,3, Ls = 0,043H, Lr = 0,04H, Lm = 0,42H.


điện định mức Isn, dòng điện định mức isdn, isqn, từ thông định mức r n và moment

định mức Ten? Tính K1, K2, Kp, Ti? Biết chu kỳ xử lý của bộ điều khiển là 50s,

moment quán tính là 0.5 kgm2.

Bài tập 4.6. Cho động cơ không 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 thông rotor, khi động cơ vận hành ở định mức, tính:

a) Dòng điện isd và isq ? (Biết ở định mức, isd < isq).

b) Độ lớn từ thông 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 có các thông số:

Rs = 10, Rr = 6,3,

Ls = 0,043H, Lr = 0,04H,

Lm = 0,42H.

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


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.

a) Tính usa, usb, usc, us và us, |us|? Biết góc pha điện áp ban đầu uo = 0o.

b) Tính T1, T2 và T0? Biết tần số điều rộng xung là 20KHz.

c) Tính usd và usq? Biết góc hệ toạ độ quay lúc đó là r = s = 45o.


nối Y, 380V, 50Hz, Iđm=2,9A. Thông số của động cơ (đã quy về stator) như sau:

Rs=9, Rr=5, Xs=12, Xr=12, Xm=140. Động cơ vận hành ở định mức.

Góc pha dòng điện ban đầu io = 0o, tại thời điểm t = 4ms:

a) Tính isa, isb, isc, is và is, |is|?

b) Tính isd và isq? Biết góc hệ toạ độ quay lúc đó là r = s = 15o.

c) Tính độ lớn từ thông móc vòng 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 (vòng/phút) của động cơ?

Bài tập 4.3. Khởi động động cơ dùng biến tần điều khiển theo phương pháp FOC.

Biết động cơ luôn đạt từ thông rotor định mức và không đổi lúc khởi động (isd_kđ =

isd_đm). Biết động cơ 3 pha nối Y, có các thông số định mức: Mcơ_đm= 4Nm,

Iđm_RMS=2,9A (trong đó, trị biên độ isd_đm =1.75A, isq_đm =3.70A).

a) Tính độ lớn từ thông móc vòng rotor |r|? Biết Xm=140 ở 50Hz.

b) Nếu cài đặt dòng khởi động bằng Ikđ=1,5 lần dòng định mức Iđm, tính trị biên độ

isq_kđ và moment khởi động Mcơ_kđ? Nhận xét tỷ lệ Mcơ_kđ/Mcơ_đm?


nối Y, 380V, 50Hz, Iđm=2,9A, Mcơ_đm=4Nm. Thông qua các thí nghiệm đo đạt,

xác định được thông số động cơ (đã quy về stator) như sau: Rs=9, Rr=5,

Xs=12, Xr=12, Xm=140. Động cơ được điều khiển bằng bộ biến tần theo

phương pháp định hướng từ thông rotor, đang vận hành ở chế độ định mức

(isd_đm < isq_đm). Trong hệ tọa độ từ thông rotor:

a) Tính dòng điện isd_đm và isq_đm?

b) Tính độ lớn từ thông móc vòng rotor |r|?

c) Tốc độ trượt Ωsl (rad/s), và tốc độ n_đm (vòng/phút) định mức của động cơ

trên?

Bài tập 4.5. Cho động cơ không đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ có ghi: 2 cực (1

cặp cực), nối Y, 380V, 50Hz, Iđm=3A, Mcơ_đm=4Nm. Động cơ có thông số (đã

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


quy về stator) như sau: Rs=10, Rr=5, Xs=12, Xr=12, Xm=130. Động

cơ được điều khiển bằng bộ biến tần theo phương pháp định hướng từ thông

rotor (FOC), đang vận hành ở chế độ định mức (isd_đm < isq_đm). Trong hệ tọa độ

từ thông rotor:

a) Tính dòng điện isd_đm và isq_đm? (2 đ)

b) Tính từ thông móc vòng rotor |r|? (1 đ)

c) Tính tốc độ trượt Ωsl (rad/s và vòng/phút)? (1 đ)

d) Khi khởi động dùng biến tần ở chế độ FOC, động cơ luôn đạt từ thông rotor

bằng định mức (isd_kđ =isd_đm). Biết động cơ khởi động với Mcơ_kđ =2Mcơ_đm =8Nm,

tính dòng khởi động của động cơ Ikđ_RMS? Cho nhận xét? (1 đ)

Bài tập 4.6. Cho động cơ không đồng bộ ba pha 380 V, nối Y, 50Hz, rotor lồng

sóc, 4 cực, có các thông số quy đổi về stator như sau: Rs=2.5, Rr=2.5,

Xs=3.5, Xr=2.8, Xm=48, moment định mức 26.526Nm, moment quán

tính 0.2kgm2, dòng điện định mức là 9 A (rms). Động cơ vận hành ở chế độ định

mức, tính:

a) Dòng điện isd_đm và isq_đm? (2 đ)

b) Từ thông móc vòng rotor |r|? (1 đ)

c) Moment điện từ.

d) Tốc độ trượt Ωsl (rad/s và vòng/phút)? (1 đ)

e) Tốc độ rotor và độ trượt.

f) Các hệ số K1, K2 của hệ điều khiển định mức từ thông.

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 luôn đạt từ thông rotor

bằng định mức (isd_kđ =isd_đm). Biết động cơ khởi động với Mcơ_kđ =2Mcơ_đm, tính

dòng khởi động của động cơ Ikđ_RMS? Cho nhận xét? (1 đ)


nối Y, 380 V, 50Hz, 1415 RPM. Thông số động cơ (đã quy về stator) như sau:

Rs=3,75 Ω; Rr=4,20 Ω; Ls=1,75 mH; Lr=17,5 mH; Lm=350 mH.

a) Tính dòng điện hiệu dụng và moment cơ khởi động? (1 đ)

b) Tính dòng điện hiệu dụng và tốc độ trượt định mức (rad/s)? (1 đ)

c) Từ kết quả câu b), trên hệ tọa độ từ thông móc vòng rotor, tính dòng điện

isd_đm và isq_đm, từ thông móc vòng rotor |r_đm|, moment cơ định mức? (3 đ)

d) Khi dùng biến tần ở chế độ FOC, lúc khởi động động cơ luôn đạt từ thông

rotor định mức và không đổi (isd_kđ = isd_đm). Để động cơ khởi động gấp đôi

moment định mức, tính dòng khởi động của động cơ cần cài đặt cho biến

tần? Mặc khác, nếu cài đặt dòng điện khởi động trên biến tần gấp đôi dòng

định mức, tính moment khởi động khi đó? (2 đ)

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


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 , mô phỏng mô hình động cơ trên Matlab Simulink (7.x):

a) Mô phỏng điều khiển vòng 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 thông, dòng điện. Nhận xét sự khác biệt khi tải thay đổi.

b) Mô phỏng điều khiển vòng 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 thông,

dòng điện. Nhận xét sự khác biệt khi điện áp thay đổi.

Bài tập 2. Trong hệ tọa độ dq, mô phỏng mô hình động cơ trên Matlab Simulink (7.x):

a) Mô phỏng điều khiển vòng 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 thông, dòng điện. Nhận xét sự khác biệt khi tải thay đổi.

b) Mô phỏng điều khiển vòng 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 thông,

dòng điện. Nhận xét sự khác biệt khi điện áp thay đổi.

Bài tập 3. Mô phỏng trên Matlab Simulink (7.x) bộ điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha

dùng phương pháp FOC. Động cơ khởi động không 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

thông, dòng điện. Nhận xét thời gian đáp ứng, độ ổn định tốc độ, moment và dòng điện

khởi động của đông cơ:

a) Dùng điều khiển tiếp dòng, không có ước lượng từ thông.

b) Dùng điều khiển tiếp dòng, có bộ ước lượng từ thông.

c) Dùng điều khiển tiếp áp, có bộ ước lượng từ thông (không bắt buộc).

Đề thi HK2/2012: Cho động cơ không đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ có ghi: 4

cực, nối Y, 380 V, 50Hz, 10Nm, 3,155A. Thông số động cơ (đã quy về stator) như

sau: Rs=3,75Ω; Rr=4,20Ω; Xs=0,55Ω; Xr=0,55Ω; Xm=110Ω. Bỏ qua tổn hao sắt

và tổn hao cơ.

a) Tính dòng điện stator và moment cơ lúc khởi động? (1 đ)

b) Tính dòng điện stator và từ thông móc vòng rotor lúc không tải? (1 đ)

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


c) Khi động cơ vận hành ở định mức, trên hệ tọa độ từ thông rotor, tính dòng điện

isd_đm và isq_đm, từ thông móc vòng rotor |r_đm|, tốc độ trượt (rad/s) và tốc độ

động cơ (vòng/phút)? (2 đ)

d) Khi động cơ vận hành ở tốc độ 1450 vòng/phút, tính dòng điện làm việc của

động cơ? Khi đó, trên hệ tọa độ từ thông rotor, tính dòng điện isd và isq, từ

thông móc vòng 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 luôn đạt từ thông

rotor định mức và không đổi (isd_kđ = isd_đm). Để động cơ khởi động gấp rưỡi

moment định mức, tính dòng khởi động của động cơ cần cài đặt cho biến tần?

Mặc khác, nếu cài đặt dòng điện khởi động trên biến tần gấp rưỡi dòng định mức,

tính moment khởi động khi đó? (1 đ)

f) Dùng cảm biến đo được tốc độ động cơ 1415 vòng/phút, dòng điện tức thời

isa=0,2217A và isb=3,9620A. Biết lúc đó góc của hệ tọa độ từ thông rotor là

r=300. Ước lượng giá trị từ thông móc vòng 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 thông rotor FOC,

thời gian trễ của vòng điều khiển là 50s. Tính các hệ số của bộ điều khiển PI

điều khiển vận tốc động cơ (KP, KI, TI)? Biết moment quán tính lúc đó là 0.1

kgm2. (1 đ)

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

Chöông 5: Một số phương pháp ước lượng từ thông rotor ĐCKĐB V.1

Chƣơng 5: MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG

TỪ THÔNG ROTOR ĐCKĐB

Giới thiệu các phương pháp đo dòng điện tức thời, đo từ thông khe hở không khí,

đo điện áp, tốc độ động cơ,...

I. Ƣớc lƣợng từ thông rotor từ dòng hồi tiếp và từ thông khe hở không khí

mbar ,i,i

mLs

Rr

rLsLsR

sv

si ri

mi

sR sR rR

rRmL

rj

misi

ri

sv

s

r

s

s

s

m iii

smrrr iLiL

s

sm

s

s

s

mr

s

sm

s

rr

s

r iLiiLiLiL

s

sr

s

mm

m

rs

smr

s

mr

s

r iLiLL

LiLLiL

mbar ,i,i

rr

s

sr

s

m

m

rs

r jiLL

L

2

r

2

rrr

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


r

r

rr coscos

r

r

rr sinsin

hay

r

r

rr tgtg

r

rrr arctg

dt

d

srsr

r

me ii

L

Lp

2

3T

II. Ƣớc lƣợng từ thông rotor từ điện áp và dòng hồi tiếp

babar i,i,u,u

Ít chính xác ở tốc độ thấp do dùng phép tích phân!

Từ thông rotor được ước lượng từ từ thông stator và dòng stator:

rmsss iLiL

rrsmr iLiL

s

ss

s

s

m

s

r iLL

1i

s

s

m

rs

rs

2

ms

s

m

rs

ss

s

s

m

rs

smr iL

LL

LL

L1

L

LiL

L

LiL

s

s

m

rss

s

m

rs

r iL

LL

L

L

Trong đó, từ thông stator được ước lượng từ dòng stator và áp stator như sau:

dt

diRu

s

ss

ss

s

s

s

ss

s

s

s

s iRudt

d

Hay

dt

di

L

LL

dt

d

L

L

dt

ds

s

m

rs

s

s

m

r

s

r

dt

di

L

LLiRu

L

L

dt

ds

s

m

rss

ss

s

s

m

r

s

r

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


dt

diLiRu

L

L

dt

ds

s

s

s

ss

s

s

m

r

s

r

với 2'

r

2'

r

'

r

r

r

rr coscos

r

r

rr sinsin

hay

r

r

rr tgtg

r

rrr arctg

dt

d

srsr

r

me ii

L

Lp

2

3T

III. Ƣớc lƣợng từ thông rotor từ tốc độ và dòng hồi tiếp

bar i,i,

Chính xác cả ở tốc độ thấp!

s

r

r

s

s

r

m

s

r jT

1i

T

L

dt

d

rr

r

s

r

mr

T

1i

T

L

dt

d

rr

r

s

r

mr

T

1i

T

L

dt

d

với 2'

r

2'

r

'

r

r

r

rr coscos

r

r

rr sinsin

hay

r

r

rr tgtg

r

rrr arctg

dt

d

srsr

r

me ii

L

Lp

2

3T

Sô ñoà khoái boä öôùc löôïng töø thoâng rotor treân heä toïa ñoä .

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

time (s)

Fi r e

st (

Wb)

tu thong dat

tu thong dap ung

tu thong uoc luong

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

time (s)

Fi r e

st (

Wb) tu thong dat

tu thong dap ung

tu thong uoc luong

Ñaùp öùng cuûa boä öôùc löôïng töø thoâng rotor treân toïa ñoä .

IV. Ƣớc lƣợng vị trí từ thông rotor gián tiếp từ từ thông đặt và Te đặt

Các phương trình ước lượng vị trí vector từ thông rotor từ các giá trị lệnh của từ

thông rotor và moment điện từ như sau:

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


V. Ƣớc lƣợng từ thông rotor từ tốc độ và dòng hồi tiếp trong HTĐ (dq)

bar i,i,

r

r

sd

r

mr

T

1i

T

L

dt

d

với tốc độ trượt: r = + sl = + r

m

T

L

rd

sqi

có Te = 2

3p

r

m

L

Lsqrdi

Các phương trình sau được dùng để ước lượng từ thông rotor:

Hay các phương trình này có thể được viết lại như sau:

Vị trí tức thời của vector từ thông rotor được xác định như sau:

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Sô ñoà khoái boä öôùc löôïng töø thoâng rotor treân heä toïa ñoä dq.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

time (s)

Fi r e

st (

Wb)

tu thong dat

tu thong dap ung

tu thong uoc luong

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

time (s)

Fi r e

st (

Wb)

tu thong dat

tu thong dap ung

tu thong uoc luong

Ñaùp öùng cuûa boä öôùc löôïng töø thoâng rotor treân toïa ñoä dq.

VI. Ƣớc lƣợng từ thông rotor dùng khâu quan sát (observer)

Hình 5.1: Sơ đồ bộ ước lượng từ thông rotor dùng khâu quan sát.

Thuật toán ước lượng từ thông rotor cho ĐCKĐB ba pha dùng khâu quan sát

pt (5.1a)

pt (5.1b)

pt (5.1c)

pt (5.1d)

pt (5.1e)

s

s

s

si

r

pt (5.1f)

s

s

s

si

s

su

s

KK i

p ucomp

ucomp

pt (5.1h)

s

r

s

si

s

s

pt (5.1g)

s

r

s

si

r

s

su

s

r

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


isd = iscosr + issinr (5.1a)

rd

r

sd

r

mrd

T

1i

T

L

dt

d

(5.1b)

r = rdcoss (5.1c)

r = rdsins (5.1d)

s

r

r

ms

s

r

2

mrss

sL

Li

L

LLLˆ

(5.1e)

dt

d s

s

= s

su

– Rs.s

si

+ ucomp (5.1f)

s

s

s

si

pcompˆ

s

KKu

(5.1g)

s

s

m

2

mrss

s

r

ms

r iL

LLL

L

L (5.1h)

2r

2

rr

(5.1i)

VII. Đáp ứng điều khiển dộng cơ bằng FOC

Đáp ứng của bộ ước lượng từ thông rotor khi các thông số ĐCKĐB ba pha có sai số:

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

time (s)

Fi r e

st (

Wb) tu thong dat

tu thong dap ung

tu thong uoc luong

Hình 5.2: Đáp ứng của

bộ ước lượng từ thông

rotor từ tốc độ và dòng

hồi tiếp trên tọa độ .

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

time (s)

Fi r e

st (

Wb)

tu thong dat

tu thong dap ung

tu thong uoc luong



rotor từ tốc độ và dòng

hồi tiếp trên tọa độ dq.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

time (s)

Fi r e

st (

Wb)

tu thong dat

tu thong dap ung

tu thong uoc luong



rotor dùng khâu quan

sát.

Bài giảng Hệ Thống Điều Khiển Số (ĐCKĐB) TB


KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐƢỢC TIẾP DÒNG

Từ thông được đưa đến giá trị định mức khi moment vẫn được giữ ở giá trị

zero.

Sau khi từ thông 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 đó 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 thông rotor không đổi và ở

giá trị lệnh, moment tải bằng zero.

Moment tải sau đó 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.



Từ thông được giữ không 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 mô phỏng trên.

Bộ nghịch lưu được giả sử là nguồn dòng lý tưởng.



KẾT QUẢ ĐO ĐẠC CỦA ĐỘNG CƠ ĐƢỢC TIẾP DÒNG

Dòng stator trong trạng thái ổn định được phân tích. Trừ sóng harmonic bậc

nhất, các sóng hài bậc cao thường tập trung quanh các dải tần số 10 kHz, 20

kHz, 30 kHz, 40 kHz……

Từ thông bằng 70% từ thông định mức, ban đầu động cơ đang chạy không tải ở 600

rpm, moment tải bằng moment định mức dương được được tăng theo kiểu step-

wise.



Biến đổi của dòng stator khi máy tăng tốc từ 200 rpm đến 1500 rpm.

Động cơ đã hoàn toàn được từ hoá trước, moment tải bằng zero.

Biến đổi của dòng stator khi máy tăng tốc từ 200 rpm đến 1500 rpm.

Động cơ đã hoàn toàn được từ hoá trước, moment tải bằng zero.




nối Y, 380 V, 50Hz, 1415 RPM. Thông số động cơ (đã quy về stator) như sau:

Rs=3,75 Ω; Rr=4,20 Ω; Ls=1,75 mH; Lr=17,5 mH; Lm=350 mH.

Khi động cơ khi đang được cấp nguồn từ biến tần và vận hành với tốc

độ 1415 vòng/phút. Dùng cảm biến đo được dòng điện tức thời (như hình vẽ

dưới) isa= 0,2217A và isb= 3,9620A. Biết lúc đó góc của hệ tọa độ từ thông rotor

là r = 300.

a) Tính isd , isq , dòng điện stator hiệu dụng, từ thông móc vòng rotor |r| ,

moment cơ, tốc độ trượt (rad/s), tốc độ đồng bộ (vòng/phút) và tần số

nguồn điện cấp cho động cơ? (4 đ)

b) Giả sử động cơ đang chạy ổn định, tính góc r2 sau 50µs? (1 đ)

M

3~

a b c

2=

3

isa

isb

is

is

rje

isd

isq

r

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

Chöông 6: Các phương pháp điều khiển dòng VI.1

Chƣơng 6: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DÒNG

I. Điều khiển dòng trong hệ qui chiếu stator

I.1. Điều khiển vòng trễ dòng điện

Điều khiển dòng, tiếp dòng

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


rrsse ixP2

3ixP

2

3T

I.1. Điều khiển so sánh dòng điện

Điều khiển dòng, tiếp dòng

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


II. Điều khiển dòng trong hệ qui chiếu từ thông rotor

Điều khiển dòng (dq), tiếp áp

III. Điều khiển áp

Điều khiển điện áp vòng hở (V/F, VFF,…)

Phân biệt: Điều khiển tiếp áp

Điều khiển tiếp dòng

Điều khiển dòng

Điều khiển dòng trong hệ toạ độ từ thông rotor (dq) (FOC)

Điều khiển dòng trong hệ toạ độ stator (abc)

Bộ nghịch lưu áp

Bộ nghịch lưu dòng

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB

Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB VII.1

Chƣơng 7: MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG

TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐCKĐB

I. Các phƣơng pháp ƣớc lƣợng vận tốc động cơ không đồng bộ

I.1. Phƣơng pháp 1

srsr2

rr

m

2

r

2

r

r

r

r

r

slr ii1

T

Ldt

d

dt

d

Trong đó: sssss

m

rr iLdtiRu

L

L

sssss

m

rr iLdtiRu

L

L

2

r

2

rr

Bộ đi u khi n

Bộ l

FOC

PWM

QEP ADC

SCI

I/O

ADC

L3

L2

L1

N

L



Chứng minh (cách 1):

Chứng minh: 2

r

2

r

r

r

r

r

r

dt

d

dt

d

2

r

r

2

r

r

rr

r

r

r

srr

1

1dt

d

dt

d

arctgdt

d

dt

d

dt

d

2

r

2

r

r

r

r

r

r

dt

d

dt

d

Chứng minh: srsr2

rr

msl ii

1

T

L

Có slrrsqm TiL và sqrd

r

me i

L

Lp

2

3T

2

r

e

r

rsl

T

p3

2

T

L

mà rrsmr iLiL r

r

s

r

mr

L

1i

L

Li

nên

r

r

s

r

mrrre

L

1i

L

Lxp

2

3xip

2

3T

sr

r

ms

r

mre xi

L

Lp

2

3i

L

Lxp

2

3T

srsr2

rr

m

2

r

sr

r

m

2

r

e

r

rsl ii

1

T

Lxi

T

LT

p3

2

T

L

Chứng minh (cách 2):

Có:

rr

r

s

r

mr

T

1i

T

L

dt

d

rr

r

s

r

mr

T

1i

T

L

dt

d

2

rrr

r

rs

r

mr

rT

1i

T

L

dt

d

2

rrr

r

rs

r

mr

rT

1i

T

L

dt

d

2

r

2

rrsrs

r

mr

r

r

r iiT

L

dt

d

dt

d

rsrs

r

mr

r

r

r

2

r iiT

L

dt

d

dt

d



2

r

rsrs

r

m

2

r

r

r

r

rii

T

L

dt

d

dt

d

Chứng minh: s

ss

s

ss

s

s

m

rs

r iLdtiRuL

L

dt

diRu

s

ss

ss

s

s

s

ss

s

s

s

s iRudt

d

Và rmsss iLiL

rrsmr iLiL

s

ss

s

s

m

s

r iLL

1i

s

s

m

rs

rs

2

ms

s

m

rs

ss

s

s

m

rs

smr iL

LL

LL

L1

L

LiL

L

LiL

s

s

m

rss

s

m

rs

r iL

LL

L

L

dt

di

L

LL

dt

d

L

L

dt

ds

s

m

rs

s

s

m

r

s

r

dt

diLiRu

L

L

dt

ds

s

s

s

ss

s

s

m

r

s

r

dt

diLiRu

L

L

dt

d s

ssss

m

rr

dt

diLiRu

L

L

dt

d s

ssss

m

rr

Hay s

ss

s

ss

s

s

m

rs

r iLdtiRuL

L

I.2. Phƣơng pháp 2

rrrr

r

r

r

r

ii

dt

di

dt

di

Trong đó, s

ss

s

s

m

s

r iLL

1i

rsssrsss

r

sss

r

sss

iLiL

dt

diL

dt

diL



Với s

s

m

rss

s

m

rs

r iL

LL

L

L

s

m

rs

s

m

rr i

L

LL

L

L

s

m

rs

s

m

rr i

L

LL

L

L

với s

ss

s

s

s

s iRudt

d

dtiRu ssss

dtiRu ssss

Chứng minh:

s

r

s

rs

rr jdt

diR0

r

r

rrdt

diR0

r

r

rrdt

diR0

rr

r

rrrrr idt

diiiRi.0



rr

r

rrrrr idt

diiiRi.0

rrrr

r

r

r

r iidt

di

dt

di0

rrrr

r

r

r

r

ii

dt

di

dt

di

II. Ƣớc lƣợng vận tốc vòng kín

Dùng điều khiển thích nghi mô hình (Model Reference Adaptive Control – MRAC)

Mô hình tham khảo:

dt

diLiRu

L

L

dt

ds

s

s

s

ss

s

s

m

r

s

r

babar i,i,u,u

Mô hình thích nghi (trong hệ tọa độ stator):

rr

r

s

r

mr

T

1i

T

L

dt

d

(7.1a)

rr

r

s

r

mr

T

1i

T

L

dt

d

(7.1b)

Sai số mô hình:

= s

r

s

r

=

r r – r

r (7.2)

Hiệu chỉnh sai số:

s

KK i

p (7.3)

Ít phụ thuộc vào thông số mô hình và các đại lượng hồi tiếp.

Khi đó, tốc độ được ước lượng theo sơ đồ sau:

Mô hình

thích nghi

hệ pt (7.1)

s

r

s

KK i

p

s

r

s

r

pt (7.2)

từ thông ước lượng Mô hình

tham khảo

s

r

s

su

s

si

s

si



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 thông số động cơ.

_ Khối lƣợng tính toán rất nhi u nên tốc độ ƣớc lƣợng chậm.

Từ chương 3, có: s

r

r

s

s

r

m

s

r jT

1i

T

L

dt

d

rr

r

s

r

mr

T

1i

T

L

dt

d

rr

r

s

r

mr

T

1i

T

L

dt

d

chỉ số “” góc trên phải chỉ từ thông được tính trực tiếp từ tốc độ ước lượng .

Nhận ét: Theo hệ phương trình (7.1) thì từ thông rotor (xét trong hệ tọa độ stator)

phụ thuộc vào tốc độ .

Mặc khác, bộ ước lượng từ thông đã cho kết quả tương đối chính xác về

giá trị của vector từ thông rotor.

Như vậy, nếu tốc độ ước lượng trong phương trình (7.1) khác với tốc độ

thực của động cơ thì vector từ thông (

r ,

r ) tính được ở phương trình

(7.1) sẽ sai lệch với vector từ thông ( r , r ) ước lượng. Sai lệch này

được định nghĩa bằng:

= s

r

s

r

=

r r – 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 thông trên:

s

KK i

p (7.3)



III. Đi u khi n không dùng cảm biến

(Sensorless Vector Control - SVC)

Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển định hướng từ thông rotor không dùng cảm biến vận tốc:



Đáp ứng mô phỏng:

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

20

40

60

80

100

120

time (s)

West (

rad/s

)

toc do dat

toc do dap ung

toc do uoc luong

Hình 7..: Đáp ứng của bộ ước lượng tốc độ với mô hình lý tưởng.

Tuaàn 11 (3T): Chöông 7 (6T)


0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

20

40

60

80

100

120

time (s)

West (

rad/s

)

toc do dat

toc do dap ung

toc do uoc luong

Hình 7..: Đáp ứng của bộ ước lượng tốc độ với mô hình có sai lệch.

Chöông 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ TB


Đáp ứng trên hệ thực:

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB

Chöông 8: Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha VIII.1

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


Bộ

FOC

PWM

QEP ADC

SCI

I/O

ADC

L3 L2 L1

N L

TL

ai

MTu

BBĐ

–

*

sdi

+

PI

MTu

PI

MTu

MTi

–

+

*

r

CTĐ

*

sl

r r

*

sqi

sdi

sqi

sdi

sqi

'

sdu

'

squ

sdu

squ

PI –

+ *

+

+ *

sl

bi

au

bu

cu

r

r

Motor

~3

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Bộ trung tâm

DSP TMS320LF2407A

Inverter

(VSI)

Chỉnh

lưu

DC Link

Nguồn AC Động

cơ

Cảm biến

dòng điện

Cảm biến

tốc độ

Giao tiếp

Hiển thị

Điều

khiển

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


I.2. Các khối chức năng

Bộ chỉnh lưu

Bộ nghịch lưu 3 pha và mạch kích (FPGA, DSP)

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


PM25CL1A120 – Mitsubishi

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


PS21A7A - Mitsubishi

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


STGIPS40W60L1

Hãm

Bộ xử lý

dsPIC

DSP Texas Instruments (TMS320F2812, TMS320F28335)

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


đ n

DSP

FOC

PWM

QEP ADC

SCI

I/O

ADC

L3

L2

L1

N

L

CPU

ADC Modul PWM Genrator Capture/ QEP PDPINT

SCI/ SPI Digital IO

Speed

Sensor

Driver

Circuits

Current

Sensors

Comm

Serial

Control

Logic

Fault

Protection

Motor

Three phase

Inverter

Power Stage

DSP Control

Speed

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


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 thông qua mạch chia áp...

II.2. Cảm biến đo dòng điện

Đo điện áp trên điện trở Shunt

Biến dòng

TL

ai

MTu

BBĐ

–

*

sdi

+

PI

MTu

PI

MTu

MTi

–

+

*

r

CTĐ

*

sl

r r

*

sqi

sdi

sqi

sdi

sqi

'

sdu

'

squ

sdu

squ

PI –

+ *

+

+ *

sl

Động

cơ

bi

au

bu

cu

r

r

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Cảm biến Hall

B A

OFS OFS GIN GIN 1

NANA ELECTRONICS JAPAN

GND B Out A Out (-) (+)

1

-12V +12V 0V

Ba chân nguồn cấp từ bên

ngoài GIN: Chỉnh độ lợi (khuếch đại)

OFS: Chỉnh offset

Ñ.cô KÑB

==

3~

Vdc

Ñieàu

khieån

M

3~

a b c

Bieán

taàn

2=

3

isa

isb

is

is rj

e

isd

isq

r

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Sơ đồ chân cảm biến Hall

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Magnetoresistive (MR) Closed Loop Current Sensor

II.3. Cảm biến đo tốc độ

Tachometter

Incremental Encoder

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp tốc độ dùng encoder

Absolute Encoder (đo góc)

III. Một số ưu điểm khi s dụng bộ điều khiển tốc độ động cơ

Bộ biến tần

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


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

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Nối mạng điều khiển từ xa

Đồng bộ tốc độ dễ dàng

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


a) b)

f

V, T

Te

Rs*Ili

m

TL

fđm

V/f=cons

t

Vđm

Tđm

V/f=const

f

V, T

Te

Rs*Ili

m

TL

fđm

Tđm

Vđm

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


IV. Hệ thống điều khiển số động cơ không đồng bộ ba pha Phần cứng

Chỉnh lưu

Nghịch lưu

Cảm biến (Hall, Incremental - Absolute Encoder, Tachocometter, …)


Giao tiếp, I/O, Keypad, LED

Bộ Xử lý

Phần mềm

Thuật toán

Đáp ứng: điên áp sin xung, dòng 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

Công suất (>=)

Điện áp (>=)

Chức năng, Nhãn hiệu

EMC

Cài đặt

Thông số động cơ

Thông số điều khiển, Tần số PWM

Chọn chế độ

Chế độ vòng hở (V/f, FFC)

Chế độ hồi tiếp (PID)

Chế độ điều khiển không 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

Công suất động cơ

Quá tải, ngắn mạch

Cài đặt sai

Chế độ hiển thị

Bảo vệ nhiệt cho động cơ

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Bài tập 1. Tìm hiểu, so sánh bộ biến tần của 3 nhà sản xuất bất kỳ do SV chọn:

o Công suất, điện áp, pha, dãy tần số, tần số PWM.

o Khả năng quá tải về dòng điện, công suất.

o Phương pháp điều khiển (V/f, (V/f)2, FOC - FCC, DTC, …)

o Chức năng hồi tiếp tốc độ từ encoder, hay chức năng Sensorless.

o Biến tần dùng cho tải nào (bơm, quạt hay băng chuyển, thang máy, cần cẩu,

máy nén, máy ép, ôtô, máy lạnh,…)

(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB


Chöông 1 TB

(HTĐKS-ĐKCMĐ) Trang 1/ 37

ĐIỀU KHIỂN SỐ HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ

ĐIỀU KHIỂN CÁC MÁY ĐIỆN / ĐỘNG CƠ ĐIỆN

ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN

Bô điêu khiên

Bô xư ly

FOC

PWM

QEP ADC

SCI

I/O

ADC

L3 L2 L1

N L

Chöông 1 TB


Hình 1.1: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCKĐB ba pha.

rotor

stator

Pha A

Pha B

Pha C usc

usa

usb

Chöông 1 TB


A

B

C

N

A

B

C

N

Rs

jXs

jX’r


RFe jXm

Rs

jXs

Rm

jXm

jX’r


Chöông 1 TB


Hình 1.2: Vector không gian điện áp stator trong hệ tọa độ .


và các điện áp pha.

Rs

jXs


jXm

jX’r

Re

Im

A

B

C

usa

s

0

j

usa = us

us usc

usb Cuộn dây

pha A

Cuộn dây

pha B

Cuộn dây

pha C

Chöông 1 TB


(với Vi là điện áp pha hiệu dụng).

Chöông 1 TB


Chöông 1 TB


(với Vi là điện áp pha hiệu dụng).

Chöông 1 TB


Hình 1.4: Sơ đồ bộ nghịch lưu ba pha cân bằng gồm 6 khoá S1S6.

A

B C

Udc

S4

S3

S6

S5

S2

S1

S7

R

n n

motor

N

A B

C

Udc

n

N

UAN UBN

UCN

Chöông 1 TB


Hình 1.5: Trạng thái các khoá S1, S3, S6 ON, và S2, S4, S5 OFF (trạng thái 110).

Đơn vị (Udc)

Va Vb Vc usa usb usc uab ubc uca U Deg us

S1 S3 S5 UAN UBN UCN UAB UBC UCA us us

0 0 0 0 0 0 0 0 0 U0 U000

1 0 0 2/3 -1/3 -1/3 1 0 -1 U1 0o

1 1 0 1/3 1/3 -2/3 0 1 -1 U2 60 o

0 1 0 -1/3 2/3 -1/3 -1 1 0 U3 120 o

0 1 1 -2/3 1/3 1/3 -1 0 1 U4 180 o

0 0 1 -1/3 -1/3 2/3 0 -1 1 U5 240 o

1 0 1 1/3 -2/3 1/3 1 -1 0 U6 300 o

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.



A

B

C

2/3Udc

U1(100)

Chöông 1 TB




Hình 1.8: 8 vector không gian điện áp stator tương ứng với 8 trạng thái.

3)1k(j

dck eU3

2U

k = 1, 2, 3, 4, 5, 6. U0 và U7 là vector 0.

Hình 1.9: Các vector không gian điện áp pha stator.

A

B

C

Udc

U2(100)

U1 (100)

U2 (110) U3 (010)

U6 (101) U5 (001)

U4 (011)

CCW

CW

U0 (000)

U7 (111)

Up1

Up2 Up3

Up6 Up5

Up4

Up0

Up7

Trục usa a

b

c

Chöông 1 TB


3)1k(j

dck eU3

2U

k = 1, 2, 3, 4, 5, 6. U0 và U7 là vector 0.

Hình 1.10: Các điện áp thành phần tương ứng với 6 trạng thái.

Hình 1.11: Vector không gian đ iện áp dây stator 1_lineu


AB

BC

CA

2/3Udc

Uline_1

Chöông 1 TB


Hình 1.12: Các vector không gian điện áp dây stator.

6)1k2(j

dck_line eU33

2U

k = 1, 2, 3, 4, 5, 6

3

dcs

Uu

Hình 1.13: Điều chế biên độ và góc vector không gian điện áp.

)U(UT

TU

T

TU

T

Tu 70

PWM

0

2

PWM

21

PWM

1s

T0 TPWM – (T1 + T2)

với chu kỳ điều rộng xung: TPWM const

Tổng quát: us =a.Ux + b.Ux+60 + c.U0, U7

Ud1

Ud2

Ud3

Ud6

Ud5

Ud4

Ud0

Ud7 Trục uab

U1 (100)

us

T1

T2

U2 (110) U3 (010)

U6 (101) U5 (001)

U4 (011)

CCW

CW

U0 (000)

U7 (111)

Chöông 1 TB


Hình 1.14: Điều chế biên độ và tần số điện áp.

Hình 1.15: Dạng điện áp và dòng điện PWM sin.

Chöông 2 TB


Hình 2.1: Chuyển hệ toạ độ cho vector không gian su

từ hệ tọa độ sang hệ tọa

độ dq và ngược lại.

j

us

0

us

d

jq

usd

usq

s

Cuoän daây

pha A

Cuoän daây

pha B

Cuoän

daây pha C

0

d

jq

fsd

fsq

a

a

s

Chöông 2 TB


Hình 2.2: Biểu diễn vector không gian si

trên hệ toạ độ từ thông rotor, còn gọi là

hệ toạ độ dq.

is

Cuoän daây

pha A

Cuoän daây

pha B

Cuoän

daây pha C

0

is

d

jq

isd

isq

r =a

r

Truïc töø

thoâng rotor

Truïc rotor

j

s

Chöông 2 TB


Hình 2.3: Vector không gian s

và r

trên hệ toạ độ dq.

Hình 2.4: Đo giá trị vector không gian dòng điện stator trên hệ tọa độ dq.

Cuoän daây

pha A

Cuoän daây

pha B

Cuoän

daây pha C

0

d

jq

r

r

Truïc töø

thoâng rotor

j

s

s

Truïc rotor

ĐC KĐB

==

3~

Udc

Điều

khiển

M

3~

a b c

Nghịch

lưu

2=

3

isa

isb

is

is

isd

isq

r

pt (2.…) pt (2.…)

Chöông 3 TCB


A

B

C

N

stator

Cuộn dây

pha A

isa

usa

irA

isc

usc

isb usb

Cuộn dây

pha C

Cuộn dây

pha B

rotor

irC

irB

stator

Trục chuẩn

Rs

jXs

jX’r


RFe jXm

Chöông 3 TCB


mLs

Rr

rLsLsR

sv

si ri

mi

r

rj

sR sL rLr

rR

s

*

sv mLmi*

r

r r

rv

si

Rs

jXs

Rm

jXm

jX’r


Rs

jXs


jXm

jX’r

Chöông 3 TCB


uu RsL

1

.K

.K

BJs

1

s

T (s)

sTL

V s

I (s)

E (s)

Ikt

U

Rư

Iư

E = kE.kt. k.Ikt.

Rkt

Ukt

kt

Lư

Chöông 4 TCB


Chöông 4 TCB


Chöông 4 TCB


TL

MTu

BBĐ

Động cơ

–

+

ĐCid

ĐCiq

MTi

–

+

CTĐi

ĐC

–

+

+

+

Chöông 5 TCB


C5

C5

Chöông 5 TCB


mLs

Rr

rLsLsR

sv

si ri

mi

sR sR rR

rRmL

rj

misi

ri

sv

Chöông 5 TCB


Chöông 5


Chöông 5


Chöông 6 TCB


Điều khiển vòng trễ:

Chöông 6 TCB


Điều khiển so sánh:

Chöông 6 TCB


ĐIỀU KHIỂN DÒNG TRONG HỆ QUY CHIẾU QUAY

ĐIỀU KHIỂN GIÁN TIẾP

Chöông 6 TCB


Chöông 6 TCB


Chöông 6 TCB


Chöông 7 TCB


Mô hình

thích nghi

hệ pt (7.1)

pt (7.2)

từ thông ước lượng Mô hình

tham khảo

Chöông 7 TCB


Chöông 7 TCB


Đáp ứng mô phỏng:

Hình 7..: Đáp ứng của bộ ước lượng tốc độ

với mô hình lý tưởng.

Hình 7..: Đáp ứng của bộ ước lượng tốc độ

với mô hình có sai lệch.

Đáp ứng trên hệ thực:

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

20

40

60

80

100

120

time (s)

West (

rad/s

)

toc do dat

toc do dap ung

toc do uoc luong

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0

20

40

60

80

100

120

time (s)

West (

rad/s

)

toc do dat

toc do dap ung

toc do uoc luong

Tuaàn 13-14: Chöông 8 (6T) TCB


Xem bài giảng

Các công thức lượng giác:

2cos

2cos2coscos

2sin

2sin2coscos

2cos

2sin2sinsin

2sin

2cos2sinsin

coscos2

1cos.cos

sinsin2

1cos.sin

coscos2

1sin.sin

sinsin2

1sin.cos

sin.sincos.coscos

sin.coscos.sinsin

coscos

sinsin

Documents

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC …tcbinh/File_2013/DKSHTDC/Bai giang DKSHTDC-DKCMD.pdf · Hình 1.1: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator