Bài giảng: Điều khiển số hệ thống điện cơ điều khiển máy điện/ động cơ điện/ Điều khiển bộ biến tần
Tài liệu Bài giảng: Điều khiển số hệ thống điện cơ điều khiển máy điện/ động cơ điện/ Điều khiển bộ biến tần: 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: Elect...
Bạn đang xem trước 20 trang mẫu tài liệu Bài giảng: Điều khiển số hệ thống điện cơ điều khiển máy điện/ động cơ điện/ Điều khiển bộ biến tần, để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
Bài giảng:
ĐIỀU KHIỂN SỐ HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ
ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN / ĐỘNG CƠ ĐIỆN
ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN TẦN
Biên soạn: ThS. Trần Cơng Binh
TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 1 NĂM 2014
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
07/01/2014 2
GIỚI THIỆU MƠN HỌC
1. Tên mơn học: ĐIỀU KHIỂN SỐ HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ- ĐIỀU
KHIỂN CÁC MÁY ĐIỆN / ĐỘNG CƠ ĐIỆN / BỘ BIẾN TẦN
2. Mã số:
3. Phân phối giờ:
4. Số tín chỉ: 2(2.1.5) Bài tập: 30% Kiểm tra: 20%, Thi: 50%
5. Mơn tiên quyết:
6. Mơn song hành:
7. Giáo trình chính:
8. Tài liệu tham khảo:
[1] Trần Cơng Binh, “Điều khiển động cơ khơng đồng bộ dùng DSP
TMS320LF2407A”, 11/2004.
[2] Emil Levi, High Performance Drive, Liverpool John Moores
Univerity, 2002.
[3] Slobodan N.Vukosavic, “Digital Control of Electrical Drives”, Springer
2007.
[4] Bimal K.Bose, “Power Electronics and Motor Drivers”, Elsevier 2006.
9. Tĩm tắc nội dung:
Phần Tiếng Việt:
Summary: Electrical Engineering
10. Đối tượng học: Sinh viên ngành Điện Năng, Hệ thống năng lượng, Kỹ thuật
điện – điện tử.
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
07/01/2014 3
CHƢƠNG TRÌNH MƠN HỌC
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ - ĐIỀU KHIỂN CÁC MÁY ĐIỆN
Chương 1: Bộ nghịch lƣu ba pha và Vector khơng gian (4T)
Vector khơng gian.
Bộ nghịch lưu ba pha.
Chương 2: Hệ qui chiếu quay (2T)
Hệ qui chiếu quay.
Chuyển đổi hệ toạ độ abc dq (Biến đổi Park).
Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB 3 pha (), (dq) (9T)
Sơ đồ tương đương của động cơ và một số ký hiệu.
Mơ hình động cơ trong HTĐ stator ().
Mơ hình động cơ trong HTĐ từ thơng rotor (r).
Chương 4: Điều khiển định hƣớng từ thơng (FOC) ĐCKĐB (12T)
Điều khiển PID
Các phương pháp điều khiển vơ hướng (Scalar Control).
Điều khiển độc lập moment và từ thơng.
Điều khiển tiếp dịng.
Điều khiển tiếp áp.
Điều khiển FOC trực tiếp, gián tiếp.
Tính tốn thiết kế bộ điều khiển FOC.
Mơ phỏng điều khiển FOC.
Chương 5: Một số phƣơng pháp ƣớc lƣợng từ thơng rotor (3T)
Từ m và ia, ib hồi tiếp.
Từ us và ia, ib hồi tiếp.
Từ và ia, ib hồi tiếp.
Ước lượng vị trí (gĩc) vector r.
Ước lượng (r) trong HTĐ dq.
Ước lượng từ thơng rotor dùng khâu quan sát (observer)
Đáp ứng mơ phỏng FOC.
Chương 6: Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (?T)
Điều khiển dịng trong HQC (): vịng trễ và so sánh.
Điều khiển dịng trong HQC (dq).
Chương 7: Các phƣơng pháp điều khiển dịng (3T)
Điều khiển dịng trong HQC (): vịng trễ và so sánh.
Điều khiển dịng trong HQC (dq).
Chương 8: Một số phƣơng pháp ƣớc lƣợng tốc độ động cơ (3T)
Ước lượng vận tốc vịng hở (2 pp).
Ước lượng vận tốc vịng kín (cĩ hồi tiếp).
Điều khiển khơng dùng cảm biến (sensorless).
Chương 9: Bộ biến tần (6T)
Cấu trúc một hệ thống điều khiển động cơ.
Cảm biến đo lường
Một số ưu điểm khi sử dụng bộ điều khiển tốc độ động cơ
Hệ thống điều khiển số động cơ khơng đồng bộ ba pha
Bộ biến tần
(42 tiết)
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB
Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.1
Chương 1: VECTOR KHƠNG GIAN VÀ
BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA
I. Vector khơng gian
I.1. Biểu diễn vector khơng gian cho các đại lượng ba pha
Động cơ khơng đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha cĩ ba (hay bội số
của ba) cuộn dây stator bố trí trong khơng gian như hình vẽ sau:
Hình 1.1: Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCKĐB ba pha.
(Ba trục của ba cuộn dây lệch nhau một gĩc 1200 trong khơng gian)
Ba điện áp cấp cho ba đầu dây của động cơ từ lưới ba pha hay từ bộ nghịch lưu,
biến tần; ba điện áp này thỏa mãn phương trình:
usa(t) + usb(t) + usc(t) = 0 (1.1)
Trong đĩ:
(1.2a)
(1.2b)
(1.2c)
Với s = 2fs; fs là tần số của mạch stator; |us| là biên độ của điện áp pha, cĩ 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 – 120
0
)
usc(t) = |us| cos(st + 120
0
)
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB
Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.2
(điện áp pha là các số thực)
Vector khơng gian của điện áp stator được định nghĩa như sau:
)t(u)t(u)t(u
3
2
)t(u scsbsas
(1.3)
000 240jsc120jsb0jsas e)t(ue)t(ue)t(u
3
2
)t(u
(mặt phẳng ba chiều với 3 vector đơn vị)
00 240120 )()()(
3
2
)( jsc
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(u
3
2
)t(u sc
2
sbsas
với
0120jea
0eeeaa1 000 240j120j0j2
Ví dụ 1.1: Chứng minh?
a) tsinjtcosutueu)t(u sssss
tj
ss
s
(1.6)
b)
csbscsbsass uujuuuu
2
3
2
3
5,05,0
3
2
(1.5)
)t(u)t(u)t(u
3
2
)t(u scsbsas
Hình 1.2: Vector khơng gian điện áp stator trong hệ tọa độ .
Theo hình vẽ trên, điện áp của từng pha chính là hình chiếu của vector điện áp
stator su
lên trục của cuộn dây tương ứng. Đối với các đại lượng khác của động cơ: dịng
điện stator, dịng rotor, từ thơng stator và từ thơng rotor đều cĩ thể xây dựng các vector
khơng gian tương ứng như đối với điện áp stator ở trên.
I.2. Hệ tọa độ cố định stator
Vector khơng gian điện áp stator là một vector cĩ modul xác định (|us|) quay trên
mặt phẳng phức với tốc độ gĩc s và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha A) một gĩc
Re
Im
A
B
C
usa
s
usc
usb
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB
Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.3
st. Đặt tên cho trục thực là và trục ảo là , vector khơng gian (điện áp stator) cĩ thể
được mơ tả thơng qua hai giá trị thực (us) và ảo (us) là hai thành phần của vector. Hệ tọa
độ này là hệ tọa độ stator cố định, gọi tắt là hệ tọa độ .
Hình 1.3: Vector khơng gian điện áp stator su
và các điện áp pha.
ss240jsc120jsbsas juue)t(ue)t(u)t(u
3
2
)t(u
00
Bằng cách tính hình chiếu các thành phần của vector khơng gian điện áp stator
ss u,u lên trục pha A, B (trên hình 1.3), cĩ 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 cĩ thể tính được vector su
.
Hay từ phương trình (1.5)
csbscsbsass u
2
3
u
2
3
ju5,0u5,0u
3
2
u (1.9)
cĩ 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
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB
Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.4
cs
bs
as
s
s
s
s
u
u
u
2
3
2
3
0
2
1
2
1
1
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 khơng gian điện áp stator, các vector khơng
gian dịng điện stator, dịng điện rotor, từ thơng stator và từ thơng rotor đều cĩ thể được
biểu diễn trong hệ tọa độ stator cố định (hệ tọa độ ) như sau:
(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
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB
Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.5
Biến tần ngõ vào 1 pha, nếu tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là:
RMS_phase
tb_dc
U22
U
Biến tần ngõ vào 3 pha, nếu tụ lọc nhỏ, điện áp DC trung bình là:
RMSphase
tbdc
U
U
_
_
233
Nếu tụ lọc đủ lớn (hay khi khơng tải), điện áp DC sẽ được lọc phẳng. Trị điện áp
DC trung bình của:
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB
Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.6
_ 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 khố S1S6.
Ví dụ 1.4: Chứng minh các phương trình tính điện áp pha?
a) CnBnAnNn UUU
3
1
U
b) CnBnAnAN U
3
1
U
3
1
U
3
2
U
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
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB
Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.7
Hình 1.5: Trạng thái các khố S1, S3, S6 ON, và S2, S4, S5 OFF (trạng thái 110).
II.2. Vector khơng gian điện áp
Đơn vị (Udc)
Va Vb Vc usa usb usc uab ubc uca U Deg us
k S1 S3 S5 UAN UBN UCN UAB UBC UCA us us
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 U0 U000
1 1 0 0 2/3 -1/3 -1/3 1 0 -1 U1 0
o
2 1 1 0 1/3 1/3 -2/3 0 1 -1 U2 60
o
3 0 1 0 -1/3 2/3 -1/3 -1 1 0 U3 120
o
4 0 1 1 -2/3 1/3 1/3 -1 0 1 U4 180
o
5 0 0 1 -1/3 -1/3 2/3 0 -1 1 U5 240
o
6 1 0 1 1/3 -2/3 1/3 1 -1 0 U6 300
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 khơng gian điện áp sử dụng bộ nghịch lưu ba pha
Ví dụ 1.7: Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 110:
Khi đĩ các điện áp pha usa=1/3Udc, usb= 1/3Udc, usc=-2/3Udc.
Phương pháp đại số: theo phương trình (1.4):
0000 240j
dc
120j
dcdc
240j
sc
120j
sbsa2_phase eU
3
2
eU
3
1
U
3
1
3
2
e)t(ue)t(u)t(u
3
2
u
0000000 60jdc180j240jdc240jdc240j240j120jdc2_phase eU
3
2
eeU
3
2
eU
3
2
e3ee1
3
U
3
2
u
,
Hay
dc
2
dcdcsc
2
sbsa2_phase U.a
3
2
U.a
3
1
U
3
1
3
2
)t(u.a)t(u.a)t(u
3
2
u
với
0120jea , 0aa1 2
00 60jdc240jdc2dc22dc2_phase eU
3
2
eU
3
2
aU
3
2
a3aa1
3
U
3
2
u
Phương pháp hình học: cĩ hình vẽ
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB
Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.8
Hình 1.6: Vector khơng gian điện áp stator su
ứng với trạng thái (110).
Ở trạng thái (110), vector khơng gian điện áp stator pha 1_phaseu
cĩ độ lớn bằng
2/3Udc và cĩ gĩc pha là 60
o
.
Ví dụ 1.8: Tìm (độ lớn và gĩc của) vector khơng 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 cịn lại, rút ra được cơng thức tổng quát
3
)1k(j
dck eU
3
2
U
với k = 1, 2, 3, 4, 5, 6 = sector.
Hình 1.7: 8 vector khơng 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)
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB
Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.9
3
)1k(j
dck eU
3
2
U
k = 1, 2, 3, 4, 5, 6 = sector. U0 và U7 là vector 0.
Các trường hợp xét ở trên là vector khơng gian điện áp pha stator.
Hình 1.8: Các vector khơng gian điện áp pha stator.
3
)1k(j
dck_phase eU
3
2
U
k = 1, 2, 3, 4, 5, 6 = sector.
Bằng cách điều khiển chuyển đổi trạng thái đĩng cắt các khĩa của bộ nghịch lưu dễ
dàng điều khiển vector khơng gian điện áp “quay” thuận nghịch, nhanh chậm. Khi đĩ dạng
điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu cĩ dạng 6 bước (six step).
Hình 1.9: Các điện áp thành phần tương ứng với 6 trạng thái.
Ví dụ 1.9: Chứng minh
00j
dc1_phase eU
3
2
u
Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 100:
Khi đĩ 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(u
3
2
)t(u scsbsas
hay phương trình (1.4):
0000 240j
dc
120j
dcdc
240j
sc
120j
sbsa1_phase eU
3
1
eU
3
1
U
3
2
3
2
e)t(ue)t(u)t(u
3
2
u
Up1
Up2 Up3
Up6 Up5
Up4
Up0
Up7
Trục usa
a
b
c
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB
Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.10
000 0jdcdc240j120jdc1_phase eU
3
2
U
3
2
ee13
3
U
3
2
u
,
Hay
dc
2
dcdcsc
2
sbsa1_phase U.a
3
1
U.a
3
1
U
3
2
3
2
)t(u.a)t(u.a)t(u
3
2
u
với
0120jea , 0aa1 2
00jdcdc2dc1_phase eU
3
2
U
3
2
aa13
3
U
3
2
u
Phương pháp hình học: cĩ hình vẽ
Hình 1.10: Vector khơng gian điện áp stator su
ứng với trạng thái (100).
Ở trạng thái (100), vector khơng gian điện áp pha stator 0_phaseu
cĩ độ lớn bằng
2/3Udc và cĩ gĩc pha trùng với trục pha A.
Trong một số trường hợp, cần xét vector khơng gian điện áp dây của stator.
)t(u)t(u)t(u
3
2
u cabcabline
hay 00 240jca120jbcabline e)t(ue)t(u)t(u
3
2
u
hay )t(u.a)t(u.a)t(u
3
2
u ca
2
baabline
với
0120jea
Ví dụ 1.10: Xét bộ nghịch lưu ở trạng thái 100:
Khi đĩ các điện áp pha uab=Udc, ubc= 0, uca= -Udc.
Phương pháp đại số: theo phương trình trên:
000 240jdcdc240jca120jbcab1_line eUU
3
2
e)t(ue)t(u)t(u
3
2
u
2
3
j
2
1
1U
3
2
e1U
3
2
eUU
3
2
u dc
60j
dc
240j
dcdc1_line
00
A
B
C
2/3Udc
U1(100)
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB
Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.11
030j
dcdcdc1_line eU3
3
2
2
1
j
2
3
U3
3
2
2
3
j
2
3
U
3
2
u
Phương pháp hình học: cĩ hình vẽ:
Hình 1.11: Vector khơng gian điện áp dây stator 1_lineu
ứng với trạng thái (100).
Ở trạng thái (100), vector khơng gian điện áp dây stator 1_lineu
cĩ độ lớn bằng
dcU3
3
2
và cĩ gĩc pha là 30
o
.
Ví dụ 1.11: Tìm (độ lớn và gĩc của) vector khơng 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 cịn lại, rút ra được cơng thức tổng quát
6
)1k2(j
dck_line eU3
3
2
U
k = 1, 2, 3, 4, 5, 6
AB
BC
CA
2/3Udc
Uline_1
Ud1
Ud2
Ud3
Ud6
Ud5
Ud4
Ud0
Ud7 Trục uab
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB
Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.12
Hình 1.12: Các vector khơng gian điện áp dây stator.
Ví dụ 1.12: Chứng minh các vector điện áp cĩ giá trị như sau:
a/
5
3
6
2
3
j
pha DCv V e
b/
5
6
3
2
3
3
j
day DCv V e
Điều chế biên độ và gĩc vector khơng gian điện áp dùng bộ nghịch lưu ba pha
Hình 1.13: Điều chế biên độ và gĩc vector khơng
gian điện áp.
Để khơng quá điều chế, biên độ điện áp phải nằm trong
vịng trịn nội tuyến của lục giác:
3
dc
s
U
u
)U(U
T
T
U
T
T
U
T
T
u 70
PWM
0
2
PWM
2
1
PWM
1
s
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)
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB
Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.13
)
3
sin(3
Udc
u
a
s
sin3
Udc
u
b
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 đĩ, là gĩc giữa vector Ux và vector điện áp us.
Cĩ thể tính theo:
3
2 dc
s
U
u
ba
cba
hay
1
u3
U2
bac
s
dc
Bằng cách điều khiển chuyển đổi trạng thái đĩng cắt các khĩa của bộ nghịch lưu
thơng qua T1, T2 và T0, dễ dàng điều khiển độ lớn và tốc độ quay của vector khơng gian
điện áp. Khi đĩ dạng điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu cĩ dạng PWM sin.
Ví dụ 1.13: Chứng minh
6
j
dc2dc1
j
s eU
3
2
TU
3
2
Teu
U1 (100)
us
T1
T2
U2 (110)
U0 (000)
U7 (111)
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB
Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.14
Hình 1.14: Điều chế biên độ và tần số điện áp.
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB
Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.15
Hình 1.15: Dạng điện áp và dịng điện PWM sin.
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB
Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.16
Bài tập 1.1. Chứng minh: 3
4
j
dc5_phase eU
3
2
u
Bài tập 1.2. Chứng minh: 6
7
j
dc4_line eU3
3
2
u
Bài tập 1.3. Điện áp ba pha 380V, 50Hz. Tại thời điểm t = 6ms. Tính usa, usb, usc?
Từ đĩ tính us , us, |us| theo định nghĩa vector khơng gian?
Biết gĩc pha ban đầu của pha A là o = 0.
Bài tập 1.4. Lưới điện 3 pha 4 dây 380V. Tính Udc trung bình, Us max (trong vịng trịn nội
tiếp), Upha, Udây của biến tần:
a. 1 pha.
b. 3 pha.
Bài tập 1.5. Điện áp ba pha cấp cho bộ nghịch lưu là 380V, 50Hz. Tính điện áp pha lớn
nhất mà bộ nghịch lưu cĩ thể cung cấp cho động cơ nối Y.
Bài tập 1.6. Điện áp một pha cấp cho bộ nghịch lưu là 220V, 50Hz. Tính điện áp dây lớn
nhất mà bộ nghịch lưu cĩ thể cung cấp cho động cơ.
Bài tập 1.7. Bộ biến tần dùng ở Việt Nam, 3 pha 380V (ngõ vào). Được cấp nguồn 3 pha
380V, 50Hz.
a) Tụ lọc khá nhỏ:
_ Tính điện áp trung bình trên DC Link?
_ Tính biên độ điện áp pha lớn nhất (chưa quá điều chế)?
_ Tính điện áp hiệu dụng pha lớn nhất?
_ Tính điện áp hiệu dụng dây lớn nhất?
b) Tụ lọc đủ lớn: tính lại câu a).
Bài tập 1.8. Tính lại câu trên với biến tần 1 pha 220V (ngõ vào).
Bài tập 1.9. Bộ biến tần như hình vẽ trên được cấp điện 3 pha cĩ điện áp dây 380V,
50Hz. Giả sử tụ C1 cuộn dây L1 rất nhỏ.
a. Tính giá trị điện áp một chiều trung bình Udc_tb trên ngõ ra của bộ chỉnh
lưu?
b. Tính trị hiệu dụng của điện áp dây UdRMS lớn nhất mà biến tần trên cĩ 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 gĩc pha ban đầu o = 0 và tần số điều rộng xung là 20KHz.
Bài tập 1.11. Lập bảng và vẽ giản đồ vector các điện áp dây thành phần tương ứng với 8
trạng thái của bộ nghịch lưu.
Bài tập 1.12. Nêu các chức năng của khố S7 và các diode ngược (mắc song song
với các khố đĩng cắt S1 –S6) trong bộ nghịch lưu?
Bài tập 1.13. Cho Udc = 309V, trạng thái các khố như sau: S2, S3, S6: ON; và S1,
S4, S5: OFF. Tính các điện áp usa, usb, usc, UAB, UBC?
Bài tập 1.14. Khi tăng tần số điều rộng xung (PWM) của bộ nghịch lưu, đánh giá tác
động của sĩng hài bậc cao lên dịng điện động cơ. Phương pháp điều
khiển nào cĩ tần số PWM luơn thay đổi?
Bài tập 1.15. Biến tần (hình dưới) cĩ thơng số ngõ vào 3 pha 380Vrms, 50Hz; ngõ ra
380V, 0-400Hz, động cơ 2HP, nối , 380Vrms, 50Hz, hệ số cơng suất
PF=0,8. Biết tụ điện C đủ lớn để lọc phẳng điện áp DC. Ngõ vào biến
tần được cấp nguồn 3 pha 380Vrms, 50Hz. Ngõ ra biến tần cấp nguồn
cho động cơ khơng đồng bộ ba pha.
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB
Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.17
a) Tính điện áp một chiều trên tụ điện C (DC Link)? (0,5đ)
b) Tính giá trị cuộn dây choke 3 pha 3% (sụt áp trên choke bằng 3% điện áp
định mức) gắn thêm trước bộ điều khiển động cơ để lọc sĩng hài? (0,5đ)
c) Tính cơng suất lớn nhất của động cơ nối , 220Vrms, 50Hz, PF=0,8 mà
biến tần trên cĩ thể điều khiển được? (0,5đ)
d) Nếu động cơ nối , 220Vrms, 50Hz được đấu dây lại thành nối Y: tính
cơng suất lớn nhất của động cơ mà biến tần trên cĩ thể điều khiển được?
Khi đĩ tính điện áp hiệu dụng pha và điện áp hiệu dụng dây lớn nhất mà
biến tần cĩ thể cấp cho động cơ (khi chưa quá điều chế)? (1đ)
e) Động cơ nối Y, biết trạng thái các khố của biến tần trên như sau: S1, S4,
S5: ON; và S2, S3, S6: OFF. Tính các điện áp pha của động cơ (stator) trên
các hệ tọa độ abc (usa, usb, usc), (us, us)?
f) Chương 2: Tính các điện áp pha của động cơ (stator) trên hệ tọa độ dq (usd,
usq). Cho biết gĩc hệ toạ độ quay lúc đĩ là r = 270
o
. (1,5đ)
Ví dụ 1.1: Chứng minh?
a) tsinjtcosutueu)t(u sssss
tj
ss
s
(1.6)
b)
csbscsbsass u
2
3
u
2
3
ju5,0u5,0u
3
2
u (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 1.3: Chứng minh:
Ví dụ 1.4: Chứng minh các phương trình tính điện áp pha?
a) CnBnAnNn UUU
3
1
U
b) CnBnAnAN U
3
1
U
3
1
U
3
2
U
(ĐKCMĐ-ĐKSHTĐC-ĐKĐCKĐB) TB
Chương 1: Vector khơng gian và Bộ nghịch lưu ba pha I.18
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 eU
3
2
u
Ví dụ 1.8: Tìm (độ lớn và gĩc của) vector khơng 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 eU
3
2
u
Ví dụ 1.10: Bộ nghịch lưu ở trạng thái 100, chứng minh
030j
dc1_line eU3
3
2
u
Ví dụ 1.11: Tìm (độ lớn và gĩc của) vector khơng 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 cĩ giá trị như sau:
a/
5
3
6
2
3
j
pha DCv V e
b/
5
6
3
2
3
3
j
day DCv V e
Ví dụ 1.13: Chứng minh
6
j
dc2dc1
j
s eU
3
2
TU
3
2
Teu
(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 cĩ trục
hồnh d và trục tung q, hệ tọa độ thứ 2 này cĩ chung điểm gốc và nằm lệch đi một
gĩc s so với hệ tọa độ stator (hệ tọa độ ). Trong đĩ,
dt
d a
a
quay trịn quanh
gốc tọa độ chung, gĩc a = at + a0. Khi đĩ sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector
trong khơng gian tương ứng với hai hệ tọa độ này. Hình vẽ sau sẽ mơ tả mối liên hệ
của hai tọa độ này.
Hình 2.1: Chuyển hệ toạ độ cho vector khơng gian su
từ hệ tọa độ sang hệ
tọa độ dq và ngược lại.
Từ hình 1.5 dễ dàng rút ra các cơng thức về mối liên hệ của hai tọa độ của
một vector ứng với hai hệ tọa độ và dq. Hay thực hiện biến đổi đại số:
(1.10a)
(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
ajdqsaasqsd efsinjoscjff
(1.13)
Hay
ajdq
ss eff
a
j
s
dq
s eff
(1.14)
j
fs
0
fs
d
jq
fsd
fsq
a
fs = fsdcosa - fsqsina
fs = fsdsina + fsqcosa
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.2
Ví dụ 2.2: Bộ biến tần được cấp nguồn vào từ nguồn ba pha 380V, 50Hz, chỉnh lưu
thành điện một chiều với tụ lọc khá lớn, rồi nghịch lưu thành điện ba pha 25Hz để
cấp nguồn cho động cơ với điện áp pha lớn nhất khi chưa quá điều chế. Biết gĩc
pha A ban đầu là 0o. Tại thời điểm t = 4ms:
i. Tính biên độ điện áp
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 gĩc hệ toạ độ quay lúc đĩ là a = 30
o
. 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
Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.3
Biến đổi Park:
XÉT KHI 0a
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.4
II. Biễu diễn các vector khơng gian trên hệ tọa độ từ thơng rotor
Mục này trình bày cách biểu diễn các vector khơng gian của động cơ khơng
đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha trên hệ tọa độ từ thơng rotor. Giả thiết một ĐCKĐB ba
pha đang quay với tốc độ gĩc
dt
d
(tốc độ quay của rotor so với stator đứng yên),
với là gĩc hợp bởi trục rotor với trục chuẩn stator (qui định trục cuộn dây pha A,
chính là trục trong hệ tọa độ ).
Hình 2.3: Biểu diễn vector khơng gian si
trên hệ toạ độ từ thơng rotor, cịn gọi là
hệ toạ độ dq.
Trong hình 1.6 biểu diễn cả hai vector dịng stator si
và vector từ thơng rotor
r
. Vector từ thơng rotor r
quay với tốc độ gĩc ss
r
ra f2
dt
d
(tốc độ
quay của từ thơng rotor so với stator đứng yên). Trong đĩ, fs là tần số của mạch điện
stator và r là gĩc của trục d so với trục chuẩn stator (trục ).
Độ chênh lệch giữa s và (giả thiết số đơi cực của động cơ là p=1) sẽ tạo
nên dịng điện rotor với tần số fsl, dịng điện này cũng cĩ thể được biễu diễn dưới
is
Cuộn dây
pha A
Cuộn dây
pha B
Cuộn
dây pha C
0
is
d
jq
isd
isq
r =a
r
Trục từ
thơng rotor
Trục rotor
j
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.5
dạng vector ri
quay với tốc độ gĩc sl = 2fsl, (sl = s - r - ) so với vector
từ thơng rotor r
.
Trong mục này ta xây dựng một hệ trục tọa độ mới cĩ hướng trục hồnh
(trục d) trùng với trục của vector từ thơng rotor r
và cĩ gốc trùng với gốc của hệ
tọa độ , hệ tọa độ này được gọi là hệ tọa độ từ thơng rotor, hay cịn gọi là hệ tọa
dq. Hệ tọa độ dq quay quanh điểm gốc chung với tốc độ gĩc r s, và hợp với hệ
tọa độ một gĩc r.
Vậy tùy theo quan sát trên hệ tọa độ nào, một vector trong khơng gian sẽ cĩ
một tọa độ tương ứng. Qui định chỉ số trên bên phải của ký hiệu vector để nhận biết
vector đang được quan sát từ hệ tọa độ nào:
s: tọa độ (stator coordinates).
f: tọa độ dq (field coordinates).
Như trong hình 1.6, vector si
sẽ được viết thành:
ssi
: vector dịng stator quan sát trên hệ tọa độ .
fsi
: vector dịng stator quan sát trên hệ tọa độ dq.
Theo pt (1.8a) và pt (1.11) thì:
(1.16a)
(1.16b)
Nếu biết được gĩc r thì sẽ xác định được mối liên hệ:
(1.17a)
(1.17b)
Theo hệ pt (???) và pt (1.17b) thì cĩ thể tính được vector dịng stator thơng
qua các giá trị dịng ia và ib đo được (hình 1.7).
= is + j is
= isd + j isq
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.6
Hình 2.4: Thu thập giá trị thực của vector dịng stator trên hệ tọa độ dq.
Tương tự như đối với vector dịng stator, cĩ thể biểu diễn các vector khác
của ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq:
(1.18a)
(1.18b)
(1.18c)
(1.18d)
(1.18e)
Tuy nhiên, để tính được isd và isq thì phải xác định được gĩc r, gĩc r được
xác định thơng qua r = + sl. Trong thực tế chỉ cĩ là cĩ thể đo được, trong khi
(tốc độ trượt) sl = 2fsl với fsl là tần số của mạch điện rotor (lồng sĩc) khơng đo
được. Vì vậy phương pháp điều khiển ĐCKĐB ba pha dựa trên các mơ tả trên hệ
tọa dộ dq bắt buột phải xây đựng phương pháp tính r chính xác. Chú ý khi xây
dựng mơ hình tính tốn trong hệ tọa độ dq, do khơng thể tính tuyệt đối chính xác
gĩc r nên vẫn giữ lại rq ( 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
Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.7
III. Ưu điểm của việc mơ tả động cơ khơng đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ
thơng rotor
Trong hệ tọa độ từ thơng rotor (hệ tọa độ dq), các vector dịng stator fsi
và
vector từ thơng rotor fr
, cùng với hệ tọa độ dq quanh (gần) đồng bộ với nhau với
tốc độ r quanh điểm gốc, do đĩ các phần tử của vector
f
si
(isd và isq) là các đại
lượng một chiều. Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như khơng đổi; trong quá
trình quá độ, các giá trị này cĩ thể biến theo theo một thuật tốn điều khiển đã được
định trước.
Hơn nữa, trong hệ tọa độ dq, rq=0 do vuơng gĩc với vector
f
r
(trùng với
trục d) nên fr
=rd. (1.19)
Đối với ĐCKĐB 3 pha, trong hệ tọa độ dq, từ thơng và mơmen quay được
biểu diễn theo các phần tử của vector dịng stator:
(1.20a)
(1.20b)
(Hai phương trình trên sẽ được chứng minh trong chương sau).
với: Te momen quay (momen điện) của động cơ
Lr điện cảm rotor
Lm hỗ cảm giữa stator và rotor
p số đơi cực của động cơ
Tr hằng số thời gian của rotor
s tốn tử Laplace
Phương trình (1.20a) cho thấy cĩ thể điều khiển từ thơng rotor rrd
thơng qua điều khiển dịng stator isd. Đặc biệt mối quan hệ giữa hai đại lượng này là
mối quan hệ trễ bậc nhất với thời hằng Tr.
Nếu thành cơng trong việc áp đặt nhanh và chính xác dịng isd để điều khiển ổn
định từ thơng rd tại mọi điểm làm việc của động cơ. Và thành cơng trong việc áp
đặt nhanh và chính xác dịng isq, và theo pt (1.20b) thì cĩ thể coi isq là đại lượng
điều khiển của momen Te của động cơ.
Bằng việc mơ tả ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ từ thơng rotor, khơng cịn
quan tâm đến từng dịng điện pha riêng lẻ nữa, mà là tồn bộ vector khơng gian
dịng stator của động cơ. Khi đĩ vector si
sẽ cung cấp hai thành phần: isd để điều
khiển từ thơng rotor r
, isq để điều khiển momen quay Te, từ đĩ cĩ thể điều khiển
tốc độ của động cơ.
(1.21a)
(1.21b)
Khi đĩ, phương pháp mơ tả ĐCKĐB ba pha tương quan giống như đối với
động cơ một chiều. Cho phép xây dựng hệ thống điều chỉnh truyền động ĐCKĐB
isd
isq Te
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.8
ba pha tương tự như trường hợp sử dụng động cơ điện một chiều. Điều khiển tốc độ
ĐCKĐB ba pha thơng qua điều khiển hai phần tử của dịng điện 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 gĩc hệ toạ độ quay lúc đĩ là r = s = 45
o
.
Tính usd và usq ?
Bài tập 2.3. Mơ phỏng trên Matlab Simulink (7.0) các khối chuyển đổi hệ tọa độ:
abc dq
Bài tập 2.4. Điện áp ba pha 380Vrms và tần số fs = 50Hz.
usa(t) = |us| cos(st)
usb(t) = |us| cos(st – 2/3)
usc(t) = |us| cos(st + 2/3)
Với s = 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 gĩc
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 gĩc hệ toạ độ quay lúc đĩ là a = 40
o
. Tính usd và usq?
2 2
r r
r r
r
r r
d d
dt dt
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 2: Hệ qui chiếu quay II.9
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: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.1
Chương 3: MƠ HÌNH ĐCKĐB TRONG HỆ QUI CHIẾU QUAY
I. Một số khái niệm cơ bản của động cơ khơng đồng bộ ba pha
I.1. Một số qui ước ký hiệu dùng cho điều khiển ĐCKĐB ba pha
Để xây dựng mơ hình mơ tả động cơ KĐB ba pha, ta thống nhất một số qui
ước cho các ký hiệu cho các đại lượng và các thơng số của động cơ.
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
Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.2
Hình 2.1: Mơ hình đơn giản của động cơ KĐB ba pha
mL
s
Rr
rLsLsR
sv
si r
i
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 cơng thức được xây dựng sau này đều tuân theo qui ước này. Sau đây
là một số các qui ước cho các ký hiệu:
Hình thức và vị trí các chỉ số:
Chỉ số nhỏ gĩc phải trên:
s đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu stator (hệ tọa độ ).
f đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu từ thơng rotor
(hệ tọa độ dq – field - flux).
r đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor với trục thực là trục
của rotor (hình 1.6).
*, ref, giá trị đặt /lệnh (reference)
e giá trị ước lượng
Chỉ số nhỏ gĩc phải dưới:
o Chữ cái đầu tiên:
s đại lượng của mạch stator.
r đại lượng của mạch rotor.
o Chữ cái thứ hai:
d, q phần tử thuộc hệ tọa độ dq.
, phần tử thuộc hệ tọa độ .
a, b, c đại lượng ba pha của stator.
A, B, C đại lượng ba pha của rotor, lưới.
Hình mũi tên () trên đầu: ký hiệu vector (2 chiều).
Gạch chân (_) ở dưới: ký hiệu vector, ma trận.
Độ lớn (modul) của đại lượng: ký hiệu giữa hai dấu gạch đứng (| |).
Các đại lượng của ĐCKĐB ba pha:
u điện áp (V).
i dịng điện (A).
từ thơng (Wb).
từ thơng mĩc vịng (A.vịng). ()
Te momen điện từ (N.m).
TL momen tải (momen cản - torque) (hay cịn ký hiệu là MT) (Nm).
tốc độ gĩc điện của rotor so với stator (rad/s).
Ω tốc độ gĩc cơ của rotor so với stator (rad/s).
a tốc độ gĩc của một hệ toạ độ bất kỳ (arbitrary) (rad/s).
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.3
s tốc độ gĩc của từ thơng stator so với stator (s = + sl) (rad/s).
r tốc độ gĩc của từ thơng rotor so với stator (r s) (rad/s).
sl tốc độ gĩc của từ thơng rotor so với rotor (tốc độ trượt) (rad/s).
gĩc của trục rotor (cuộn dây pha A) trong hệ toạ độ (rad).
s gĩc của trục d (hệ toạ độ quay bất kỳ) trong hệ toạ độ (rad).
r gĩc của trục d (hệ toạ độ quay bất kỳ) so với trục rotor (rad).
s gĩc của từ thơng stator trong hệ toạ độ (rad).
r gĩc của từ thơng rotor trong hệ toạ độ (rad).
r
e
gĩc của từ thơng rotor ước lượng (estimated) trong hệ toạ độ (rad).
gĩc pha giữa điện áp so với dịng điện.
Các thơng số của ĐCKĐB ba pha:
Rs điện trở cuộn dây pha của stator ().
Rr điện trở rotor đã qui đổi về stator ().
Lm hỗ cảm giữa stator và rotor (H).
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 đơi cực của động cơ.
J momen quán tính cơ (Kg.m2).
Các thơng 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 tốn học của động cơ cần phải thể hiện rõ các đặc tính thời
gian của đối tượng. Việc xây dựng mơ hình ở đây khơng nhằm mục đích mơ phỏng
chính xác về mặc tốn học đối tượng động cơ. Việc xây dựng mơ hình ở đây chỉ
nhằm mục đích phục vụ cho việc xây dựng các thuật tốn điều chỉnh. Điều đĩ cho
phép chấp nhận một số điều kiện giả định trong quá trình thiết lập mơ hình, tất
nhiên sẽ tạo ra một số sai lệch nhất định giữa đối tượng và mơ hình trong phạm vi
cho phép. Các sai lệch này phải được loại trừ bằng kỹ thuật điều chỉnh.
Đặc tính động của động cơ khơng đồng bộ được mơ tả với một hệ phương
trình vi phân. Để xây dựng phương trình cho động cơ, giả định lý tưởng hĩa kết cấu
dây quấn và mạch từ với các giả thuyết sau:
Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng trong khơng gian.
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.4
Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bảo hịa của mạch từ.
Dịng từ hĩa và từ trường phân bố hình sin trong khe hở khơng khí.
Các giá trị điện trở và điện kháng xem như khơng đổi.
mL
s
Rr
rLsLsR
sv
si r
i
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 dịng từ hố
jXm
jX’r
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.5
r
rj
sR sL rL
r
rR
s
*
sv mL
mi
*
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 khơng gian:
00 240jsc120jsbsass e)t(ue)t(u)t(u
3
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
Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.6
ssu
(t) = Rs. )t(i
s
s
+
dt
)t(d ss
(2.3)
Trong đĩ, tương tự như đối với điện áp:
00 240jsc120jsbsass e)t(ie)t(i)t(i
3
2
)t(i
(2.4)
00 240jsc120jsbsass e).t(e).t()t(
3
2
)t(
(2.5)
Tương tự, ta cĩ phương trình điện áp của mạch stotor. Khi quan sát trên hệ qui
chiếu rotor (rotor ngắn mạch):
dt
td
tiR0)t(u
r
rr
rr
r
r
(2.6)
Các vector từ thơng stator và rotor quan hệ với các dịng 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, cĩ phương trình momen:
rrsse ixP
2
3
ixP
2
3
T
(2.8)
Ví dụ 3.4: Chứng minh:
srmsmsr
r
m
e ixiPL
2
3
ixP
2
3
ix
L
L
P
2
3
T
và phương trình chuyển động:
Te = TL +
dt
d
P
J
= TL +
d
J
dt
(2.9)
Việc xây dựng các mơ hình cho ĐCKĐB ba pha trong các phần sau đều phải
dựa trên các phương trình cơ bản trên đây của động cơ.
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.7
II. Mơ hình liên tục của ĐCKĐB trên hệ tọa độ stator (toạ độ )
Tương tự như (1.13), từ hệ quy chiếu rotor quy về hệ quy chiếu stator theo các
phương trình:
Ví dụ 3.5: Chứng minh:
js
r
r
r eii
(2.10)
Và jsr
r
r e
(2.11)
với
dt
d
, trong đĩ 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: sr
s
rs
rr j
dt
d
iR0
(2.12)
Sơ đồ mạch điện tương đương của mơ hình động của ĐCKĐB trong HTĐ stator
Vậy từ các pt (2.3), (2.7), (2.8), (2.9) và(2.12) ta cĩ hệ phương trình:
ssu
= Rs.
s
si
+
dt
d ss
(2.13a)
0 = Rr
s
ri
+
dt
d sr
- srj
(2.13b)
srm
s
ss
s
s iLiL
(2.13c)
srr
s
sm
s
r iLiL
(2.13d)
Te =
2
3
p( s
x si
)= -
2
3
p( r
x ri
) (2.13e)
Te = TL +
dt
d
p
J
(2.13f)
Để xác định dịng điện stator và từ thơng rotor, từ pt (2.13d) và pt (2.13c) cĩ:
sri
=
rL
1 ssmsr iL
(2.14)
s
s = Ls.
s
si +
r
m
L
L ssmsr 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
r
r
R
L
T : hằng số thời gian rotor.
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.8
rs
2
m
LL
L
1 : hệ số từ tản tổng.
Phương trình (2.13a) và (2.13b) trở thành:
dt
d
L
L
dt
id
LiRu
s
r
r
m
s
s
s
s
sS
s
s
(2.16)
dt
d
j
T
1
i
T
L
0
s
rs
r
r
s
s
r
m
(2.17)
suy ra:
sr
r
s
s
r
m
s
r j
T
1
i
T
L
dt
d
(2.19)
Thay (2.19) vào (2.16):
s
s
s
s
r
rm
s
s
rs
s
s u
L
1
j
T
1
L
1
i
T
1
T
1
dt
id
(2.20)
s
r
r
s
s
r
m
s
r j
T
1
i
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 u
L
1
L
1
LT
1
i
T
1
T
1
dt
di
(2.22a)
s
s
r
m
r
mr
s
rs
s
u
L
1
L
1
LT
1
i
T
1
T
1
dt
di
(2.22b)
rr
r
s
r
mr
T
1
i
T
L
dt
d
(2.22c)
rr
r
s
r
mr
T
1
i
T
L
dt
d
(2.22d)
Thay pt (2.14) sri
=
rL
1 ssmsr iL
vào pt (2.13e), cĩ:
sssr
r
m
r
s
sm
s
r
s
re i.x
L
L
P
2
3
L
1
iLxp
2
3
T
Thay các thành phần của vector từ thơng rotor và dịng stator, được:
Ví dụ 3.7: Chứng minh:
srsr
r
m
e ii
L
L
p
2
3
T (2.24)
Le TT
J
p
dt
d
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.9
Mơ hình tốn động cơ DC
Mạch tương đương của động cơ DC:
Phương trình mạch vịng điện áp cho phần ứng của động cơ.
U = E + Ruiu + Lu
udi
dt
Trong đĩ : E = K
kt kkt.ikt
Phương trình cân bằng moment trên trục động cơ :
Te = TL + J
d
dt
+ B
Trong đĩ : Te = k..iu
J - Moment quán tính của hệ thống quy đổi về trục động cơ.
B - Hệ số ma sát
TL - Moment cản quy đổi về trục động cơ.
Ap dụng biến đổi laplace, từ các phương trình trên, cĩ mơ hình động cơ DC:
ssILsIRsEsV uuuu
sKsE
sJssBsTsT L
sIksT u
uu
u
RsL
sEsV
sI
BJs
sTLsT
s
Sơ đồ khối mơ 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
Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.10
III. Mơ hình của ĐCKĐB trên hệ tọa độ từ thơng rotor (toạ độ dq)
Theo hệ pt (1.17), biểu diễn pt (2.3) và pt (2.6) lên hệ trục tọa độ từ thơng rotor (hệ
trục dq):
ssu
(t) = Rs. )t(i
s
s
+
dt
)t(d ss
(2.3)
dt
td
tiR0)t(u
r
rr
rr
r
r
(2.6)
Với
rr jf
r
tjf
r
s
r eieii
tjf
r
tjf
r
r
r
ss eieii
Ví dụ 3.8: Chứng minh:
fsu
= Rs
f
si
+ js
f
s
+
dt
d fs
(2.29a)
0 = Rr
f
ri
+ jsl
f
r
+
dt
d fr
(2.29b)
Sơ đồ mạch điện tương đương của mơ hình động của ĐCKĐB trong HTĐ dq
Kết hợp với hai pt trên với hệ phương trình (2.7), cĩ hệ phương trình:
fsu
= Rs
f
si
+ js
f
s
+
dt
d fs
(2.30a)
0 = Rr
f
ri
+ j(s-)
f
r
+
dt
d fr
(2.30b)
frm
f
ss
f
s iLiL
(2.30c)
frr
f
sm
f
r iLiL
(2.30d)
Suy ra
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.11
fsmfr
r
f
r iL
L
1
i
fr
r
m
f
s
r
2
m
s
f
s
L
L
i
L
L
L
Thực hiện tương tự đối với việc xây dựng mơ hình động cơ trên hệ tọa độ , khử
các biến fri
và fs
, được hệ sau:
f
s
s
f
r
rm
f
ss
f
s
rs
f
s u
L
1
j
T
1
L
1
iji
T
1
T
1
dt
id
f
rsl
r
f
s
r
m
f
r j
T
1
i
T
L
dt
d
Chuyển sang dạng các thành phần của vector trên hai trục toạ độ:
dt
disd =
rs T
1
T
1
isd + sisq + rd
mrLT
1
+ rq
mL
1
+ sd
s
u
L
1
(2.31a)
dt
disq
=
rs T
1
T
1
isqsisd+ rq
mrLT
1
rd
mL
1
+ sq
s
u
L
1
(2.31b)
rqslrdsd
r
mrd
Tr
1
i
T
L
dt
d
(2.31c)
rdslrq
r
sq
r
mrq
T
1
i
T
L
dt
d
(2.31d)
Trong hệ tọa độ dq, rq=0 do vuơng gĩc với vector
f
r
nên fr
=rd .
dt
disd =
rs T
1
T
1
isd + sisq + rd
mrLT
1
+ sd
s
u
L
1
(2.32a)
dt
disq
=
rs T
1
T
1
isqsisd rd
mL
1
+ sq
s
u
L
1
(2.32b)
rd
r
sd
r
mrd
T
1
i
T
L
dt
d
(2.32c)
dt
d rq
= 0 (2.32d)
và rdslsq
r
m i
T
L
Ví dụ 3.9: Chứng minh: sd
r
m
rdr i
sT1
L
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.12
Ví dụ 3.10: Chứng minh:
r
sq
r
m
sl
i
T
L
Phương trình moment:
Thay fr
r
mf
s
r
2
m
s
f
s
L
L
i
L
L
L
(2.33)
Vào: f f f fm me s s r s rd sq rq sd
r r
3 3 L 3 L
T P i P i P i i
2 2 L 2 L
(2.34)
cĩ
sdrqsqrd
r
m
e ii
L
L
p
2
3
T (2.35)
với tốc độ trượt: sl = r – =
r
m
T
L
rd
sqi
(2.36)
Ví dụ 3.11: Chứng minh: sdrqsqrd
r
m
e ii
L
L
P
2
3
T
Ví dụ 3.12:
Te = TL +
dt
d
p
J
hay
dt
d
p
J
= Te - TL (2.37)
Trong hệ tọa độ từ thơng rotor (hệ tọa độ dq), các vector dịng stator fsi
và
vector từ thơng rotor fr
, cùng với hệ tọa độ dq quanh (gần) đồng bộ với nhau với
tốc độ s quanh điểm gốc, do đĩ các phần tử của vector
f
si
(isd và isq) là các đại
lượng một chiều. Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như khơng đổi; trong quá
trình quá độ, các giá trị này cĩ thể biến theo theo một thuật tốn điều khiển đã được
định trước.
Hơn nữa, trong hệ tọa độ dq, rq=0 do vuơng gĩc với vector
f
r
nên fr
=rd.
Đối với ĐCKĐB 3 pha, trong hệ tọa độ dq, từ thơng và mơmen quay được
biểu diễn theo các phần tử của vector dịng stator:
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.13
(Hai phương trình trên được trình bày tựa theo phương trình (2.34c) và phương
trình (2.34d) trong chương II).
Phương trình trên cho thấy cĩ thể điều khiển từ thơng rotor rrd
thơng
qua điều khiển dịng stator isd. Đặc biệt mối quan hệ giữa hai đại lượng này là mối
quan hệ trễ bậc nhất với thời hằng Tr.
Nếu thành cơng trong việc áp đặt nhanh và chính xác dịng isd để điều khiển ổn
định từ thơng rd tại mọi điểm làm việc của động cơ. Và thành cơng trong việc áp
đặt nhanh và chính xác dịng isq, và theo pt (1.20b) thì cĩ thể coi isq là đại lượng
điều khiển của momen Te của động cơ.
Bằng việc mơ tả ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ từ thơng rotor, khơng cịn
quan tâm đến từng dịng điện pha riêng lẻ nữa, mà là tồn bộ vector khơng gian
dịng stator của động cơ. Khi đĩ vector si
sẽ cung cấp hai thành phần: isd để điều
khiển từ thơng rotor r
, isq để điều khiển momen quay Te, từ đĩ cĩ thể điều khiển
tốc độ của động cơ.
()
()
Khi đĩ, phương pháp mơ tả ĐCKĐB ba pha tương quan giống như đối với
động cơ một chiều. Cho phép xây dựng hệ thống điều chỉnh truyền động ĐCKĐB ba
pha tương tự như trường hợp sử dụng động cơ điện một chiều. Điều khiển tốc độ
ĐCKĐB ba pha thơng qua điều khiển hai phần tử của dịng điện r
là isd và isq.
Ưu điểm khi của mơ hình của ĐCKĐB trong HTĐ dq so với HTĐ :
1. Các đại lượng khơng biến thiên dạng sin theo thời gian.
2. Hệ phương trình đơn giản hơn (rq=0).
3. Phân ly điều khiển từ thơng rotor r
và momen Te (tốc độ ).
4. Gần giống với điều khiển động cơ một chiều.
isd
isq Te
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.14
Te =
2
3
P( s
x si
)= -
2
3
P(
r
x ri
)=
2
3
P(
m
x si
) ??? (2.8)
Bài tập 3.1. Nêu ý nghĩa của việc điều khiển từ thơng trong điều khiển tốc độ động cơ
khơng đồng bộ ba pha?
Bài tập 3.2. Nêu nghĩa của phương pháp điều khiển V/f = const trong khiển khiển
tốc độ động cơ khơng đồng bộ ba pha. Nhận xét khi vận hành động cơ trên tần
số định mức với biến tần V/f = const? Biết biến tần bị giới hạn điện áp ngõ ra
luơn nhỏ hơn định mức?
Bài tập 3.3. Từ pt: ssu
(t) = Rs. )t(i
s
s
+
dt
)t(d ss
và
dt
td
tiR0)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
m
sr
r
m
sse i
L
L
Pi
L
L
PiPT
2
3
2
3
2
3
Bài tập 3.7. CM: Chứng minh: sdrqsqrdmsrme iiiiPL
2
3
iiPL
2
3
T
Bài tập 3.8. Cho động cơ 3 pha nối Y, cĩ giá trị định mức: Te=2,5Nm, IsRMS=2,11A
(biết trị biên độ isdm=1.87A, isqm=2.33A). Động cơ này được cấp nguồn từ
biến tần ở chế độ điều khiển định hướng trường. Khi khởi động động cơ với từ
thơng rotor đạt định mức và khơng đổi, dịng khởi động bằng 1,65 lần dịng định
mức; tính trị biên độ isd, isq và moment lúc khởi động?
Bài tập 3.9. Cho động cơ khơng đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ cĩ ghi: 2 cực,
nối Y, 380V, 50Hz, Iđm=5,5A, Mcơ_đm=7,75Nm. Thơng qua các thí nghiệm đo
đạt, xác định được thơng số động cơ (đã quy về stator) như sau: Rs=4, Rr=4,
Ls=0,01H, Lr=0,01H, Lm=0,19H. Động cơ được điều khiển bằng bộ biến tần
theo phương pháp định hướng từ thơng rotor, đang vận hành ở chế độ định mức
(isd_đm < isq_đm). Trong hệ tọa độ từ thơng rotor:
a) Tính dịng điện isd_đm và isq_đm? Tính từ thơng mĩc vịng rotor |r|?
b) Với từ thơng như câu a). Tính dịng điện khi moment tải cịn 50%?
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 3: Mơ hình ĐCKĐB trong hệ qui chiếu quay III.15
c) Lúc khởi động động cơ, biết từ thơng đạt định mức, moment bằng 2 lần
moment định mức. Tính dịng điện khởi động? So sánh với dịng định mức?
Bài tập 3.10. Một động cơ khơng đồng bộ cĩ các thơng
số (quy về stator) như sau:
Rs = 10, Rr = 6,3, Ls = Lr = 0,04H, Lm = 0,4H.
Động cơ 3 pha, 4 cực, cuộn dây stator nối Y, 50Hz, 380V, 1400rpm. Tính dịng
điện định mức isdn, isqn, từ thơng định mức r n và dịng điện định mức Isn?
Bài tập 3.11. Điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha
dùng bộ biến tần cài đặt ở chế độ điều khiển định hướng từ thơng rotor:
a) Khi điều khiển động cơ đạt từ thơng rotor ổn định, viết phương trình
chứng tỏ: (0,5 đ)
i) Biên độ từ thơng rotor |r| cĩ thể được điều khiển qua isd ?
ii) Moment cơ của động cơ Mcơ cĩ thể được điều khiển qua isq ?
b) Biết động cơ ba pha nối Y, cĩ giá trị định mức: Mcơ_đm =3,73Nm, Isđm_RMS
=2,69A (với trị biên độ isd_đm =1,79A, isq_đm =3,35A). Khi khởi động,
động cơ đạt từ thơng rotor định mức và khơng đổi, và dịng khởi động được
cài đặt bằng 1,5 lần dịng định mức: tính trị biên độ dịng điện khởi động
isd_kđ, isq_kđ và moment khởi động Mcơ_kđ? Nhận xét? (1,5 đ)
c) Biến tần đang điều khiển động cơ trên vận hành với từ thơng rotor định
mức. Lúc động cơ kéo tải cĩ moment bằng 150% định mức, tính dịng điện
hiệu dụng của động cơ? (1 đ)
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.1
Chương 4:
ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THƠNG ĐCKĐB
(FOC)
I. Hiệu chỉnh PID (PID CONTROL)
Phương trình vi phân mơ tả hiệu chỉnh PID:
u(t) = KP e(t) + KI dt)t(e + KD dt
)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
1
1K
)s(e
)s(u
)s(G D
I
p trong đĩ:
P
D
D
I
P
I
K
K
T,
K
K
T
Vấn đề thiết kế là cần hiệu chỉnh các giá trị K p , K i và K D sao cho hệ thỏa đạt
được chất lượng tối ưu.
Thủ tục hiệu chỉnh PID
Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm
sai số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây ra vọt lố và trong một số
trường hợp là khơng chấp nhận được đối với mạch động lực.
Khâu tích phân tỉ lệ (PI) cĩ mặt trong hệ thống dẫn đến sai lệch tĩnh triệt tiêu
(hệ vơ sai). Muốn tăng độ chính xác của hệ thống ta phải tăng hệ số khuyếch đại,
xong với mọi hệ thống thực đều bị hạn chế và sự cĩ mặt của khâu PI là bắt buộc.
Sự cĩ mặt của khâu vi phân tỉ lệ (PD) làm giảm độ vọt lố, đáp ứng ra bớt nhấp
nhơ và hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn.
Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID) kết hợp những ưu điểm của khâu PD
và khâu PI, cĩ khả năng tăng độ dự trữ pha ở tần số cắt, khử chậm pha. Sự cĩ mặt
của khâu PID cĩ thể dẫn đến sự dao động của hệ do đáp ứng quá độ bị vọt lố bởi
hàm dirac (t). Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực cơng
nghiệp dưới dạng thiết bị điều khiển hay thuật tốn phần mềm.
e(t) u(t)
PID
Đối tượng
điều khiển
c(t) r(t)
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.2
Tĩm tắt Vai trị của mỗi khâu hiệu chỉnh (adjustment) trong bộ điều khiển PID:
Khâu khuếch đại tỉ lệ Kp (Proportional gain):
Khi Kp tăng
Sai số xác lập giảm
Vọt lố tăng
Thời gian lên nhanh
Khâu tích phân tỉ lệ Ki (Integral gain):
Khi Ki tăng
Sai lệch tĩnh giảm (triệt tiêu - vơ sai với hàm nấc)
Thời gian đáp ứng chậm
Khâu vi phân tỉ lệ Kd (Derivative gain):
Khi Kd tăng
Vọt lố giảm
Thời gian đáp ứng nhanh
Bớt nhấp nhơ (dao động)
Đáp ứng của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID
Đáp ứng bước hàm bước 1(t)
PID với hai khâu setpoint weighting và anti-windup
Bộ PID với hai khâu setpoint weighting và anti-windup là một bộ PID có
ứng dụng tổng quát, trong đó tín hiệu điều khiển (tín hiệu ra của bộ PID) có thể
được tổng hợp bởi sai số của 2 tín hiệu - cung cấp bởi 2 đối tượng khác nhau (đối
tượng được điều khiển và đối tượng cung cấp tín hiệu đặt). Bộ PID cải thiện đáp
ứng quá độ ( giảm độ vọt lố, giảm thời gian quá độ và giảm sai số xác lập).
- Nếu giá trị ngõ ra của bộ PID lớn hơn so với giá trị bão hòa (một giá trị định
mức ta định cho hệ thống), nó sẽ được giảm xuống một cách nhanh chóng nhờ
khâu anti-windup. Khâu anti-windup là một khâu tỉ lệ với giá trị độ lợi = 1/ Tt,
trong đó giá trị Tt >=1.
- Nếu tín hiệu đặt là tín hiệu từ một đối tượng khác cung cấp, có giá trị rất bé,
(hoặc rất lớn) nó sẽ được tăng lên (hoặc giảm xuống) nhờ khâu setpoint
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.3
weighting mà thực chất là một khâu tỉ lệ với độ lợi b. Điều này nhằm tăng tốc độ
phản ứng trong quá trình tỉ lệ.
Hệ phương trình mô tả cho bộ PID
Tín hiệu ngõ ra của bộ PID là tổ hợp của 3 lượng P, I, D:
P=K*(b*ysp-y)
Td.s
D K
(Td / N)s 1
(4.3)
1 1
I K (ysp y) (u v)
Ti.s Tt
u=P+I+D
v=sat(P+I+D)
Trong đó ysp : giá trị đặt.
y : giá trị thực của hệ thống.
B : độ lợi của khâu weighting.
K : hằng số của thành phần khuyếch đại tỉ lệ.
K/Ti : hằng số của thành phần tích phân.
KTd : hằng số của thành phần vi phân.
u : tín hiệu đầu ra của bộ PID.
v : giá trị qua khâu bão hòa của u.
Hình: Mô phỏng PID với anti-windup and setpoint weighting.
Mô phỏng bộ PID trong hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ
Bộ PID được mô phỏng không có thành phần vi phân D, cho Td=0, N=1000, lúc
đó hàm truyền của bộ PID chỉ đơn giản là :
i
1
K 1
T s
Giá trị độ lợi khâu weighting b=1
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.4
Các thông số khác của bộ PID (K, Tt, Ti, N) được xác định thông qua một
quá trình thăm dò phức tạp ta không xét đến ở đây, trong quá trình mô phỏng sẽ
chấp nhận các giá trị này như là được cung cấp.
Giá trị ngõ vào bộ PID là sai số giữa vận tốc lệnh (w*) và vận tốc thực w
Giá trị ngõ ra của bộ PID là momen điện từ lệnh.
Phương trình liên hệ giữa sai số vận tốc ngõ vào và momen điện từ lệnh ngõ ra là
e L
J dw
T -T =
P dt
Như vậy việc ta cấp vận tốc lệnh cho bộ điều khiển cũng tương đương với
việc cấp momen lệnh.
Hình: Giao diện nhập thông số của bộ PID.
PI rời rạc:
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 đĩ:T là tần số lấy mẫu
e(k) u(k)
PID SỐ
Đối tượng
điều khiển
c(k) r(k)
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.5
void PID_Control(void) /*Khau PI*/
{
ss_n = n_dat - RPM; /* tinh sai so toc do hoi tiep ve*/
Up = Kp * ss_n; /* hieu chinh khau ti le (P)*/
Ui = Ui + Ki * Tsamp * ss_n; /* hieu chinh khau tich phan (I)*/
U_pt = Up + Ui;
if( U_pt = 0*/
U_pt= 0;
if( U_pt> 1.0) /*Gioi han dien ap <= 1.0*/
U_pt = 1.0;
DRX = (int)(U_pt*(float)T1PR); /*Do Rong Xung tich cuc muc cao */
T1CMPR = T1PR - DRX;
CMPR1 = T1PR - DRX;
}
PID số (Phương pháp 1):
dt
tde
KdtteKteKtu DIP
Rời rạc hĩa:
kukukuku DIP
ke.Kku PP
ke.K1kuke.T.K1kuku 'IIIII
1kekeK
T
1keke
.Kku 'DDD
Trong đĩ:T là tần số lấy mẫu.hiể
Rời rạc hĩa _ 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
ted
KteK
dt
tde
K
dt
tdu
DIP
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.6
kukuku
T
kuku
DIP
1
1'1. kekeK
T
keke
Kku pPP
keKku II .
21*2'211.
kekekeK
T
keke
T
keke
Kku 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
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.7
Nếu n > ndat thì e < 0. PID sẽ điều khiển GIẢM u để n giảm bớt.
Nếu n 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; // Khơng cĩ 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
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.8
Đáp ứng bước Vọt lố Dao động
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.9
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
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.10
Tải moment hằng số phải dùng biến tần lớn hơn 1 cấp so với tải moment biến đổi.
III. Điều khiển tiếp dịng - điều khiển moment, từ thơng
Điều khiển định hướng từ thơng rotor (Field Oriental Control - FOC)
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.11
IV. Điều khiển tiếp áp - điều khiển dịng điện trong HQC quay
Điều khiển dịng điện động cơ (hồi tiếp) bằng dịng điện lệnh (đặt) bằng cách điều
chỉnh điện áp đầu ra (tiếp áp).
ed, eq =???
V. Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC)
V.1. Mơ hình động cơ KĐB 3 pha
=???
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.12
r , Te , r=???
V.2. Điều khiển trực tiếp
Điều khiển trực tiếp từ giá trị hồi tiếp đo về:
Điều khiển tiếp dịng:
r , Te , r=???
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.13
Điều khiển trực tiếp từ giá trị hồi tiếp - tiếp áp:
ed, eq =???
ed, eq =???
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.14
Điều khiển trực tiếp từ giá trị đặt - tiếp áp:
V.3. Điều khiển gián tiếp
Điều khiển gián tiếp từ giá trị đặt - tiếp dịng:
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.15
ids , iqs , sl =???
K1 , K2 =??? , mech =???
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.16
r =???
V.4. Điều khiển trực tiếp - tiếp áp
Cấu trúc của hệ thống điều khiển định hướng trường định hướng trường
(Field Oriented Control -FOC) trong điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha
được trình bày trong hình vẽ sau:
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.17
Hình 4.1: Cấu trúc của hệ thống điều khiển ĐCKĐB ba pha dùng FOC
Bằng việc mơ tả ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ từ thơng rotor, vector si
sẽ
chia thành hai thành phần: isd để điều khiển từ thơng rotor r
, isq để điều khiển
momen quay Te, từ đĩ cĩ thể điều khiển tốc độ của động cơ.
(4.1a)
(4.1b)
V.4.1. Xây dựng thuật tốn điều khiển
Giải thuật của từng khối trong hệ thống điều khiển định hướng trường (hình
4.1) được trình bày như sau:
Mạng tính dịng (MTi)
m
*
r
r
*
sd
L
sT1i
(4.2a)
*sl
m
*
rr*
sq
L
T
i
(4.2b)
Mạng tính áp (MTu)
q
s
s
dssd y
sT1
L
yRu
(4.3a)
*
dr
r
m
d
s
s
qssq
L
L
y
sT1
L
yRu
(4.3b)
Trong đĩ,
s
ms
s
s
s
R
LL
R
L
T
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
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.18
Tính gĩc r
s
r
r
(4.4)
Chuyển đổi hệ tọa độ dịng điện (CTĐi)
is = isa (4.5a)
is = sbsa i2i
3
1
(4.5b)
isd = iscosr + issinr (4.6a)
isq = - issinr + iscosr (4.6b)
Bộ biến đổi (BBĐ)
o Chuyển đổi hệ tọa độ dịng điện (CTĐi)
us = usdcosr – usqsinr (4.7a)
us = usdsinr + usqcosr (4.7b)
o Bộ biến đổi điện áp (bộ điều chế vector khơng gian)
usa = us (4.8a)
sssb u
2
3
u
2
1
u (4.8b)
usc = – usa – usb (4.8c)
Khâu điều chế tốc độ quay (ĐC)
Là khâu hiệu chỉnh PI:
Isl P
K
K *
s
(4.9)
Các khâu điều chế dịng (DCid và DCiq)
o Khâu điều chế dịng isd (DCid)
sd
Id
Pdd i
s
K
Ky
(4.10)
o Khâu điều chế dịng isq (DCiq)
sq
Iq
Pqq i
s
K
Ky
(4.11)
Chú ý: Xét trong hệ tọa độ từ thơng rotor nên 0rq , rdr (4.12)
Các thơng số KP và KI trong các bộ điều khiển PI được hiệu chỉnh sao cho hệ
thống đạt tới đáp ứng tốt nhất.
V.4.2. Đánh giá đáp ứng của thuật tốn điều khiển FOC
Hệ thống ổn định.
Sai số xác lập của tốc độ nhỏ, sai số xác lập của từ thơng rotor lớn.
Thời gian đáp ứng của hệ thống tương đối nhanh.
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.19
Momen tải khơng tác động nhiều đến đáp ứng của tốc độ, và đáp ứng của từ
thơng rotor.
Chất lượng đáp ứng suy giảm khi bị nhiễu tác động lên tín hiệu hồi tiếp.
Hệ thống dễ mất ổn định khi cĩ sai số mơ hình hay bị tác động của nhiễu.
Dịng điện khởi động lớn so với dịng điện làm việc; dịng khởi động tăng lên
khi cĩ sai số mơ hình.
VI. Tính tốn thiết kế hệ thống điều khiển gián tiếp ĐCKĐB theo phương
pháp định hướng từ thơng rotor
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.20
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 cơng suất định mức: isdn < isqn )
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.21
f2
X
L mm
f2
X
L ss
sms LLL
s
s
s
R
L
T
f2
X
L rr
rmr LLL
r
r
r
R
L
T
sT1
iL
r
sdm
rd
Từ thơng khơng đổi, dsmr iL
sdm
e
m
r
r
e
m
r
sq
iL
T
L
L
P3
2T
L
L
P3
2
i
e2
m
r
sdsq T
L
L
P3
2
ii
Mà s
2
ds
2
sqs I2iii
Khi biết momen điện Te và dịng điện Is,
Từ 2 phương trình trên tính được isd và isq và r.
Chú ý: khi động cơ vận hành ở định mức, thì isd thường nhỏ hơn isq.
Thơng thường isd bằng 40-60% Is định mức.
Và tính được
rr
qsm
sl
T
iL
.
Từ đĩ tính được tốc độ gĩc trựơt cơ:
p
sl
co_slsl
và tính được tốc độ động cơ.
m
rrdrd
sd
L
sT
i
r
e
r
m
sq
T
L
L
p2
3
i
sd
sq
r
r
rr
qs
r
m
sl
i
i
T
1
L
T
i
L
L
Rs
sI
jXs
sU
'
rI
'rR jX’r
Mạch tương đương động cơ KĐB với tổn hao sắt từ
'
rR
s
s1
RFe jXm
mI
FeI
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.22
Từ thơng khơng đổi: *dsm
*
r iL
*e1
*
qs TKi *
ds
2
m
r
*
e
*
qs
1
i
1
L
L
p3
2
T
i
K
*qs2
*
sl iK *
dsr
*
rr
m
*
qs
*
sl
2
iT
1
T
L
i
K
vì *sl
*
rr
*
qsm TiL
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.23
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.24
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.25
Chú ý:
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.26
Bộ điều khiển
Bộ ử l
FOC
PWM
QEP ADC
SCI
I/O
ADC
L3
L2
L1
N
L
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.27
Với
I
P
I
T
K
K
Với Tdom = J/P và = Tdelay = chu kỳ xử lý ( tổng thời gian trễ).
Thêm khâu smooth:
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.28
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.29
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
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.30
Tính tất cả các giá trị cần thiết để điều khiển gián tiếp từ thơng rotor, được minh
họa trong ví dụ 1 này. Động cơ KĐB 3 pha 4 cực, nối Y, rotor lồng sĩc, các thơng
số ở 50Hz là:
Rs = 10, Rr = 6,3, Xs = 13,5, Xr = 12,6, Xm = 132.
Dịng điện định mức là 2.1A ở 380V. Điều khiển gián tiếp định hướng từ thơng
rotor (FOC) động cơ KĐB trên.
Bộ điều khiển dịng cần tính tốn từ giá trị dịng điện đo về và giá trị dịng điện đặt.
Tốc độ động cơ được điều khiển từ 0 đến tốc độ định mức. Từ thơng khơng đổi và
bằng giá trị từ thơng định mức. Moment định mức là 5.07Nm và moment quán tính
là 0.1 kgm
2. Vì vậy cần tính dịng điện định mức isdn, isqn từ moment định mức Ten,
tính từ thơng định mức r n và tính vận tốc gĩc định mức sln?
(Chú ý, khi vận hành ở cơng suất định mức: isdn < isqn )
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.31
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.32
Ví dụ 2: Một động cơ khơng đồng bộ cĩ các thơng số (đã 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 dịng
điện định mức isdn, isqn, từ thơng định mức r n và dịng điện định mức Isn? Tính
K1, K2, Kp, Ti? Biết chu kỳ xử lý của bộ điều khiển là 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 đơi moment định mức, tính dịng điện
khởi động khi dùng biến tần FOC?
_ Cài dịng khởi động gấp 1,5 dịng định mức, tính moment định mức khi dùng
biến tần FOC?
Rs
sI
jXs
sE
sU
Stator với dịng từ hố
mI
jXm
s
R 'r
jX’r
'
rE
'
rI
Rotor quy về stator
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.33
*
sl
*
dsmr
*
sl
*
rr
*
qsm iLTTiL
60
nn2
.PT.PTT
i
i
s
r
*
co_slr
*
slr*
ds
*
qs co_slsl .P =P. Ωsl
*e1
*
qs TKi *
ds
2
m
r
*
e
*
qs
1
i
1
L
L
p3
2
T
i
K
*qs2
*
sl iK *
dsr
*
rr
m
*
qs
*
sl
2
iT
1
T
L
i
K
vì *sl
*
rr
*
qsm TiL
delay
P
TP
J
K
2
1
delayI TT 4
I
P
I
T
K
K
Rs
sI
jXs
sU
Mạch tương đương động cơ KĐB với dịng từ hố
mI
jXm
jX’r '
rI
'
rR
'
rR
s
s1
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.34
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
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.35
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.36
Bài tập 4.1. Khi điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha, bộ biến tần cĩ 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, dịng điện stator, độ lớn từ thơng
rotor, tốc độ và moment)?
Bài tập 4.2. Điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha dùng bộ biến tần cài đặt ở
chế độ điều khiển định hướng từ thơng rotor:
a. Khi biến tần điều khiển động cơ đạt từ thơng rotor ổn định, viết phương
trình chứng tỏ:
i) Biên độ từ thơng rotor |r| cĩ thể được điều khiển qua isd ?
ii) Moment cơ của động cơ Mcơ cĩ thể được điều khiển qua isq ?
ii) Gia tốc động cơ
dt
d
a
cĩ thể được điều khiển qua isq ?
b. Động cơ ba pha nối Y, cĩ giá trị định mức: Mcơ_đm =2,5Nm,
Isđm_RMS=2,11A (với trị biên độ isd_đm =1.87A, isq_đm =2.33A). Khi khởi
động, động cơ đạt từ thơng rotor định mức và khơng đổi, và dịng khởi động
bằng 2 lần dịng định mức: tính trị biên độ isd_kđ, isq_kđ và moment Mcơ_kđ?
Tính tỷ lệ Mcơ_kđ/Mcơ_đm?
Bài tập 4.3. Động cơ cĩ các thơng số (quy về stator như hình vẽ sau) như sau:
Rs=0,105, Rr=0,081, Ls=0,58mH, Lr=0,87mH, Lm= 13,7mH (bỏ qua tổn hao
sắt từ).
a) Tính dịng điện định mức Is?
b) Tính moment điện từ định mức Te?
c) Tính từ thơng định mức r?
d) Tính các hệ số K1, K2 ?
e) Tính các hệ số hiệu chỉnh của bộ điều khiển PI (như hình vẽ) là Kp và
Ki? Biết chu kỳ xử lý là 50s.
Bài tập 4.4. Cho động cơ khơng đồng bộ ba pha, 4 cực, 380V, 50Hz, nối Y, 2,1A,
moment quán tính 0.2 kgm
2. Moment định mức là 4,** Nm (với ** là 2 số cuối
của mã số sinh viên). Động cơ cĩ các thơng số: Rs = 10, Rr = 6,3, Ls =
Rs is L
s
us
Lm
Lr Rr
rR
s
s1
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.37
0,043H, Lr = 0,04H, Lm = 0,42H. Trong hệ tọa độ từ thơng rotor, khi động cơ
vận hành ở định mức, tính:
a) Dịng điện isd và isq ? (Biết ở định mức, isd < isq).
b) Độ lớn từ thơng rotor |r| ?
c) Tốc độ trượt sl và tốc độ động cơ n ?
d) Hệ số K1, K2 như hình vẽ?
e) Tính các hệ số hiệu chỉnh của bộ điều khiển PI (như hình vẽ) là Kp và Ki?
Biết chu kỳ xử lý là 50s.
Bài tập 4.5. Một động cơ khơng đồng bộ cĩ các thơng số (tất cả quy về stator) như
sau: Rs = 10, Rr = 6,3, Ls = 0,043H, Lr = 0,04H, Lm = 0,42H.
Động cơ 3 pha, 4 cực, cuộn dây stator nối Y, 50Hz, 380V, 1400rpm. Tính dịng
điện định mức Isn, dịng điện định mức isdn, isqn, từ thơng định mức r n và moment
định mức Ten? Tính K1, K2, Kp, Ti? Biết chu kỳ xử lý của bộ điều khiển là 50s,
moment quán tính là 0.5 kgm
2
.
Bài tập 4.6. Cho động cơ khơng đồng bộ ba pha, 4 cực, 380V, 50Hz, nối Y, 2,1A.
Moment định mức là 4,** Nm (với ** là 2 số cuối của mã số sinh viên). Trong
hệ tọa độ từ thơng rotor, khi động cơ vận hành ở định mức, tính:
a) Dịng điện isd và isq ? (Biết ở định mức, isd < isq).
b) Độ lớn từ thơng rotor |r| ?
c) Tốc độ trượt sl và tốc độ động cơ n ?
d) Hệ số K1, K2 như hình vẽ?
Cho biết động cơ cĩ các thơng số:
Rs = 10, Rr = 6,3,
Ls = 0,043H, Lr = 0,04H,
Lm = 0,42H.
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.38
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.39
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 gĩc pha điện áp ban đầu uo = 0
o
.
b) Tính T1, T2 và T0? Biết tần số điều rộng xung là 20KHz.
c) Tính usd và usq? Biết gĩc hệ toạ độ quay lúc đĩ là r = s = 45
o
.
Bài tập 4.2. Cho động cơ khơng đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ cĩ ghi: 2 cực,
nối Y, 380V, 50Hz, Iđm=2,9A. Thơng số của động cơ (đã quy về stator) như sau:
Rs=9, Rr=5, Xs=12, Xr=12, Xm=140. Động cơ vận hành ở định mức.
Gĩc pha dịng điện ban đầu io = 0
o
, tại thời điểm t = 4ms:
a) Tính isa, isb, isc, is và is, |is|?
b) Tính isd và isq? Biết gĩc hệ toạ độ quay lúc đĩ là r = s = 15
o
.
c) Tính độ lớn từ thơng mĩc vịng rotor |r|?
d) Tính moment Te = Mcơ của động cơ?
e) Tính tốc độ trượt Ωsl (rad/s) và độ trượt sđm của động cơ?
f) Tính tốc độ Ω (rad.s) và n (vịng/phút) của động cơ?
Bài tập 4.3. Khởi động động cơ dùng biến tần điều khiển theo phương pháp FOC.
Biết động cơ luơn đạt từ thơng rotor định mức và khơng đổi lúc khởi động (isd_kđ =
isd_đm). Biết động cơ 3 pha nối Y, cĩ các thơng số định mức: Mcơ_đm= 4Nm,
Iđm_RMS=2,9A (trong đĩ, trị biên độ isd_đm =1.75A, isq_đm =3.70A).
a) Tính độ lớn từ thơng mĩc vịng rotor |r|? Biết Xm=140 ở 50Hz.
b) Nếu cài đặt dịng khởi động bằng Ikđ=1,5 lần dịng định mức Iđm, tính trị biên độ
isq_kđ và moment khởi động Mcơ_kđ? Nhận xét tỷ lệ Mcơ_kđ/Mcơ_đm?
Bài tập 4.4. Cho động cơ khơng đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ cĩ ghi: 2 cực,
nối Y, 380V, 50Hz, Iđm=2,9A, Mcơ_đm=4Nm. Thơng qua các thí nghiệm đo đạt,
xác định được thơng số động cơ (đã quy về stator) như sau: Rs=9, Rr=5,
Xs=12, Xr=12, Xm=140. Động cơ được điều khiển bằng bộ biến tần theo
phương pháp định hướng từ thơng rotor, đang vận hành ở chế độ định mức
(isd_đm < isq_đm). Trong hệ tọa độ từ thơng rotor:
a) Tính dịng điện isd_đm và isq_đm?
b) Tính độ lớn từ thơng mĩc vịng rotor |r|?
c) Tốc độ trượt Ωsl (rad/s), và tốc độ n_đm (vịng/phút) định mức của động cơ
trên?
Bài tập 4.5. Cho động cơ khơng đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ cĩ ghi: 2 cực (1
cặp cực), nối Y, 380V, 50Hz, Iđm=3A, Mcơ_đm=4Nm. Động cơ cĩ thơng số (đã
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.40
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 thơng
rotor (FOC), đang vận hành ở chế độ định mức (isd_đm < isq_đm). Trong hệ tọa độ
từ thơng rotor:
a) Tính dịng điện isd_đm và isq_đm? (2 đ)
b) Tính từ thơng mĩc vịng rotor |r|? (1 đ)
c) Tính tốc độ trượt Ωsl (rad/s và vịng/phút)? (1 đ)
d) Khi khởi động dùng biến tần ở chế độ FOC, động cơ luơn đạt từ thơng rotor
bằng định mức (isd_kđ =isd_đm). Biết động cơ khởi động với Mcơ_kđ =2Mcơ_đm =8Nm,
tính dịng khởi động của động cơ Ikđ_RMS? Cho nhận xét? (1 đ)
Bài tập 4.6. Cho động cơ khơng đồng bộ ba pha 380 V, nối Y, 50Hz, rotor lồng
sĩc, 4 cực, cĩ các thơng số quy đổi về stator như sau: Rs=2.5, Rr=2.5,
Xs=3.5, Xr=2.8, Xm=48, moment định mức 26.526Nm, moment quán
tính 0.2kgm
2, dịng điện định mức là 9 A (rms). Động cơ vận hành ở chế độ định
mức, tính:
a) Dịng điện isd_đm và isq_đm? (2 đ)
b) Từ thơng mĩc vịng rotor |r|? (1 đ)
c) Moment điện từ.
d) Tốc độ trượt Ωsl (rad/s và vịng/phút)? (1 đ)
e) Tốc độ rotor và độ trượt.
f) Các hệ số K1, K2 của hệ điều khiển định mức từ thơng.
g) Tính các hệ số của bộ điều khiển vận tốc PI (KP, KI, TI). Biết Tsamp=50µs.
h) Khi khởi động dùng biến tần ở chế độ FOC, động cơ luơn đạt từ thơng rotor
bằng định mức (isd_kđ =isd_đm). Biết động cơ khởi động với Mcơ_kđ =2Mcơ_đm, tính
dịng khởi động của động cơ Ikđ_RMS? Cho nhận xét? (1 đ)
Bài tập 4.7. Cho động cơ khơng đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ cĩ ghi: 4 cực,
nối Y, 380 V, 50Hz, 1415 RPM. Thơng số động cơ (đã quy về stator) như sau:
Rs=3,75 Ω; Rr=4,20 Ω; Ls=1,75 mH; Lr=17,5 mH; Lm=350 mH.
a) Tính dịng điện hiệu dụng và moment cơ khởi động? (1 đ)
b) Tính dịng điện hiệu dụng và tốc độ trượt định mức (rad/s)? (1 đ)
c) Từ kết quả câu b), trên hệ tọa độ từ thơng mĩc vịng rotor, tính dịng điện
isd_đm và isq_đm, từ thơng mĩc vịng rotor |r_đm|, moment cơ định mức? (3 đ)
d) Khi dùng biến tần ở chế độ FOC, lúc khởi động động cơ luơn đạt từ thơng
rotor định mức và khơng đổi (isd_kđ = isd_đm). Để động cơ khởi động gấp đơi
moment định mức, tính dịng khởi động của động cơ cần cài đặt cho biến
tần? Mặc khác, nếu cài đặt dịng điện khởi động trên biến tần gấp đơi dịng
định mức, tính moment khởi động khi đĩ? (2 đ)
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.41
Bài tập lớn:
Điện áp định mức: Uđm=380V, 50Hz, 5.5A, 7.75Nm. Động cơ nối Y.
% Model Parameter
Rs = 4; % dien tro stator
Rr = 4; % dien tro rotor
Ls = 0.20; % dien cam stator
Lr = 0.20; % dien cam rotor
Lm = 0.19; % ho cam
P = 1; % so doi cuc
J = 0.015; % momen quan tinh (kg.m^2)
Tsamp = 0.0001; % thoi gian lay mau (0.0001 sec)
TLr = 7.75; % momen co dinh muc (Nm)
TL = MSV; % momen tai co (Nm)
MSV = 5 + (tổng 3 số cuối MSSV)/6.
Bài tập 1. Trong hệ tọa độ , mơ phỏng mơ hình động cơ trên Matlab Simulink (7.x):
a) Mơ phỏng điều khiển vịng hở tốc độ ở điện áp định mức, tải thay đổi (0%, 50%,
100%)TL. Vẽ các đáp ứng tốc độ đồng bộ, tốc độ động cơ, moment điện từ,
moment tải, từ thơng, dịng điện. Nhận xét sự khác biệt khi tải thay đổi.
b) Mơ phỏng điều khiển vịng hở tốc độ khi động cơ mang tải TL, điện áp thay đổi
(biên độ, tần số)=(100%, 100%), (100%, 50%), (50%, 100%), (50%, 50%). Vẽ các
đáp ứng tốc độ đồng bộ, tốc độ động cơ, moment điện từ, moment tải, từ thơng,
dịng điện. Nhận xét sự khác biệt khi điện áp thay đổi.
Bài tập 2. Trong hệ tọa độ dq, mơ phỏng mơ hình động cơ trên Matlab Simulink (7.x):
a) Mơ phỏng điều khiển vịng hở tốc độ ở điện áp định mức, tải thay đổi (0%, 50%,
50%)TL. Vẽ các đáp ứng tốc độ đồng bộ, tốc độ động cơ, moment điện từ, moment
tải, từ thơng, dịng điện. Nhận xét sự khác biệt khi tải thay đổi.
b) Mơ phỏng điều khiển vịng hở tốc độ khi động cơ mang tải TL, điện áp thay đổi
(biên độ, tần số)=(100%, 100%), (100%, 50%), (50%, 100%), (50%, 50%). Vẽ các
đáp ứng tốc độ đồng bộ, tốc độ động cơ, moment điện từ, moment tải, từ thơng,
dịng điện. Nhận xét sự khác biệt khi điện áp thay đổi.
Bài tập 3. Mơ phỏng trên Matlab Simulink (7.x) bộ điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha
dùng phương pháp FOC. Động cơ khởi động khơng tải, và mang tải TL sau khi tốc độ ổn
định. Yêu cầu điều khiển ổn định tốc độ khi moment tải thay đổi. Vẽ các đáp ứng tốc độ
đặt (= 50%, 100%) tốc độ định mức, tốc độ đáp ứng, moment điện từ, moment tải, từ
thơng, dịng điện. Nhận xét thời gian đáp ứng, độ ổn định tốc độ, moment và dịng điện
khởi động của đơng cơ:
a) Dùng điều khiển tiếp dịng, khơng cĩ ước lượng từ thơng.
b) Dùng điều khiển tiếp dịng, cĩ bộ ước lượng từ thơng.
c) Dùng điều khiển tiếp áp, cĩ bộ ước lượng từ thơng (khơng bắt buộc).
Đề thi HK2/2012: Cho động cơ khơng đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ cĩ ghi: 4
cực, nối Y, 380 V, 50Hz, 10Nm, 3,155A. Thơng số động cơ (đã quy về stator) như
sau: Rs=3,75Ω; Rr=4,20Ω; Xs=0,55Ω; Xr=0,55Ω; Xm=110Ω. Bỏ qua tổn hao sắt
và tổn hao cơ.
a) Tính dịng điện stator và moment cơ lúc khởi động? (1 đ)
b) Tính dịng điện stator và từ thơng mĩc vịng rotor lúc khơng tải? (1 đ)
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thơng ĐCKĐB IV.42
c) Khi động cơ vận hành ở định mức, trên hệ tọa độ từ thơng rotor, tính dịng điện
isd_đm và isq_đm, từ thơng mĩc vịng rotor |r_đm|, tốc độ trượt (rad/s) và tốc độ
động cơ (vịng/phút)? (2 đ)
d) Khi động cơ vận hành ở tốc độ 1450 vịng/phút, tính dịng điện làm việc của
động cơ? Khi đĩ, trên hệ tọa độ từ thơng rotor, tính dịng điện isd và isq, từ
thơng mĩc vịng rotor |r|, và moment điện từ của động cơ? (2 đ)
e) Khi dùng biến tần ở chế độ FOC, lúc khởi động động cơ luơn đạt từ thơng
rotor định mức và khơng đổi (isd_kđ = isd_đm). Để động cơ khởi động gấp rưỡi
moment định mức, tính dịng khởi động của động cơ cần cài đặt cho biến tần?
Mặc khác, nếu cài đặt dịng điện khởi động trên biến tần gấp rưỡi dịng định mức,
tính moment khởi động khi đĩ? (1 đ)
f) Dùng cảm biến đo được tốc độ động cơ 1415 vịng/phút, dịng điện tức thời
isa=0,2217A và isb=3,9620A. Biết lúc đĩ gĩc của hệ tọa độ từ thơng rotor là
r=30
0. Ước lượng giá trị từ thơng mĩc vịng rotor |r|, moment cơ, và tốc độ
trượt (rad/s) của động cơ? (2 đ)
g) Điều khiển động cơ trên bằng phương pháp định hướng từ thơng rotor FOC,
thời gian trễ của vịng điều khiển là 50s. Tính các hệ số của bộ điều khiển PI
điều khiển vận tốc động cơ (KP, KI, TI)? Biết moment quán tính lúc đĩ là 0.1
kgm
2
. (1 đ)
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.1
Chƣơng 5: MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG
TỪ THƠNG ROTOR ĐCKĐB
Giới thiệu các phương pháp đo dịng điện tức thời, đo từ thơng khe hở khơng khí,
đo điện áp, tốc độ động cơ,...
I. Ƣớc lƣợng từ thơng rotor từ dịng hồi tiếp và từ thơng khe hở khơng khí
mbar ,i,i
mL
s
Rr
rLsLsR
sv
si r
i
mi
s
R sR rR
rRmL
rj
mi
si
ri
sv
sr
s
s
s
m iii
smrrr iLiL
ssmsssmrssmsrrsr iLiiLiLiL
ssrsmm
m
rs
smr
s
mr
s
r iLiL
L
L
iLLiL
mbar ,i,i
rr
s
sr
s
m
m
rs
r jiL
L
L
2r
2
rrr
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.2
r
r
rr coscos
r
r
rr sinsin
hay
r
r
rr tgtg
r
rr
r arctg
dt
d
srsr
r
m
e ii
L
L
p
2
3
T
II. Ƣớc lƣợng từ thơng rotor từ điện áp và dịng hồi tiếp
babar i,i,u,u
Ít chính xác ở tốc độ thấp do dùng phép tích phân!
Từ thơng rotor được ước lượng từ từ thơng stator và dịng stator:
rmsss iLiL
rrsmr iLiL
sssss
m
s
r iL
L
1
i
ss
m
rs
rs
2
ms
s
m
rs
ss
s
s
m
rs
smr i
L
LL
LL
L
1
L
L
iL
L
L
iL
ss
m
rss
s
m
rs
r i
L
LL
L
L
Trong đĩ, từ thơng stator được ước lượng từ dịng stator và áp stator như sau:
dt
d
iRu
s
ss
ss
s
s
s
ss
s
s
s
s iRu
dt
d
Hay
dt
di
L
LL
dt
d
L
L
dt
d
s
s
m
rs
s
s
m
r
s
r
dt
di
L
LL
iRu
L
L
dt
d
s
s
m
rss
ss
s
s
m
r
s
r
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.3
dt
di
LiRu
L
L
dt
d
s
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
rr
r arctg
dt
d
srsr
r
m
e ii
L
L
p
2
3
T
III. Ƣớc lƣợng từ thơng rotor từ tốc độ và dịng hồi tiếp
bar i,i,
Chính xác cả ở tốc độ thấp!
s
r
r
s
s
r
m
s
r j
T
1
i
T
L
dt
d
rr
r
s
r
mr
T
1
i
T
L
dt
d
rr
r
s
r
mr
T
1
i
T
L
dt
d
với 2'r
2'
r
'
r
r
r
rr coscos
r
r
rr sinsin
hay
r
r
rr tgtg
r
rr
r arctg
dt
d
srsr
r
m
e ii
L
L
p
2
3
T
Sơ đồ khối bộ ước lượng từ thông rotor trên hệ tọa độ .
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.4
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
time (s)
F
i r
e
s
t
(W
b
)
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)
F
i r
e
s
t
(W
b
) tu thong dat
tu thong dap ung
tu thong uoc luong
Đáp ứng của bộ ước lượng từ thông rotor trên tọa độ .
IV. Ƣớc lƣợng vị trí từ thơng rotor gián tiếp từ từ thơng đặt và Te đặt
Các phương trình ước lượng vị trí vector từ thơng rotor từ các giá trị lệnh của từ
thơng rotor và moment điện từ như sau:
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.5
V. Ƣớc lƣợng từ thơng rotor từ tốc độ và dịng hồi tiếp trong HTĐ (dq)
bar i,i,
r
r
sd
r
mr
T
1
i
T
L
dt
d
với tốc độ trượt: r = + sl = +
r
m
T
L
rd
sqi
cĩ Te =
2
3
p
r
m
L
L
sqrdi
Các phương trình sau được dùng để ước lượng từ thơng rotor:
Hay các phương trình này cĩ thể được viết lại như sau:
Vị trí tức thời của vector từ thơng rotor được xác định như sau:
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.6
Sơ đồ khối bộ ước lượng từ thông rotor trên hệ 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)
F
i r
e
s
t
(W
b
)
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)
F
i r
e
s
t
(W
b
)
tu thong dat
tu thong dap ung
tu thong uoc luong
Đáp ứng của bộ ước lượng từ thông rotor trên tọa độ dq.
VI. Ƣớc lƣợng từ thơng rotor dùng khâu quan sát (observer)
Hình 5.1: Sơ đồ bộ ước lượng từ thơng rotor dùng khâu quan sát.
Thuật tốn ước lượng từ thơng rotor cho ĐCKĐB ba pha dùng khâu quan sát
pt (5.1a)
pt (5.1b)
pt (5.1c)
pt (5.1d)
pt (5.1e)
s
sˆ
s
si
r
pt (5.1f)
s
s
s
si
s
su
s
K
K ip
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
Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.7
isd = iscosr + issinr (5.1a)
rd
r
sd
r
mrd
T
1
i
T
L
dt
d
(5.1b)
r = rdcoss (5.1c)
r = rdsins (5.1d)
sr
r
ms
s
r
2
mrss
s
L
L
i
L
LLLˆ
(5.1e)
dt
d ss
= ssu
– Rs.
s
si
+ ucomp (5.1f)
ssssipcomp ˆ
s
K
Ku
(5.1g)
ss
m
2
mrss
s
r
ms
r i
L
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 thơng rotor khi các thơng số ĐCKĐB ba pha cĩ 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)
F
i r
e
s
t
(W
b
) tu thong dat
tu thong dap ung
tu thong uoc luong
Hình 5.2: Đáp ứng của
bộ ước lượng từ thơng
rotor từ tốc độ và dịng
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)
F
i r
e
s
t
(W
b
)
tu thong dat
tu thong dap ung
tu thong uoc luong
Hình 5.3: Đáp ứng của
bộ ước lượng từ thơng
rotor từ tốc độ và dịng
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)
F
i r
e
s
t
(W
b
)
tu thong dat
tu thong dap ung
tu thong uoc luong
Hình 5.4: Đáp ứng của
bộ ước lượng từ thơng
rotor dùng khâu quan
sát.
Bài giảng Hệ Thống Điều Khiển Số (ĐCKĐB) TB
Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.8
KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐƢỢC TIẾP DỊNG
Từ thơng được đưa đến giá trị định mức khi moment vẫn được giữ ở giá trị
zero.
Sau khi từ thơng đạt giá trị ổn định, động cơ được lệnh tăng tốc đến một giá
trị vận tốc dương.
Moment được đưa đến giá trị dương ở mức tối đa.
Moment được đưa trở về giá trị âm và sau đĩ zero khi vận tốc thực bằng vận
tốc lệnh, và moment được giữ ở zero để vận tốc thực bằng vận tốc lệnh.
Hệ truyền động ban đầu đang hoạt động với từ thơng rotor khơng đổi và ở
giá trị lệnh, moment tải bằng zero.
Moment tải sau đĩ được tăng đến giá trị định mức dương theo kiểu step-
wise.
Sau một khoảng thời gian thì moment tải được đưa về zero cũng theo kiểu
step-wise.
Bài giảng Hệ Thống Điều Khiển Số (ĐCKĐB) TB
Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.9
Từ thơng được giữ khơng đổi ở giá trị định mức.
Vận tốc được đảo ngược từ -40% của vận tốc sang 40% vận tốc định mức.
Moment tải bằng zero trong suốt quá trình mơ phỏng trên.
Bộ nghịch lưu được giả sử là nguồn dịng lý tưởng.
Bài giảng Hệ Thống Điều Khiển Số (ĐCKĐB) TB
Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.10
KẾT QUẢ ĐO ĐẠC CỦA ĐỘNG CƠ ĐƢỢC TIẾP DỊNG
Dịng stator trong trạng thái ổn định được phân tích. Trừ sĩng harmonic bậc
nhất, các sĩng hài bậc cao thường tập trung quanh các dải tần số 10 kHz, 20
kHz, 30 kHz, 40 kHz
Từ thơng bằng 70% từ thơng định mức, ban đầu động cơ đang chạy khơng tải ở 600
rpm, moment tải bằng moment định mức dương được được tăng theo kiểu step-
wise.
Bài giảng Hệ Thống Điều Khiển Số (ĐCKĐB) TB
Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.11
Biến đổi của dịng stator khi máy tăng tốc từ 200 rpm đến 1500 rpm.
Động cơ đã hồn tồn được từ hố trước, moment tải bằng zero.
Biến đổi của dịng stator khi máy tăng tốc từ 200 rpm đến 1500 rpm.
Động cơ đã hồn tồn được từ hố trước, moment tải bằng zero.
Bài giảng Hệ Thống Điều Khiển Số (ĐCKĐB) TB
Chương 5: Một số phương pháp ước lượng từ thơng rotor ĐCKĐB V.12
Bài tập 5.1. Cho động cơ khơng đồng bộ ba pha, trên nhãn động cơ cĩ ghi: 4 cực,
nối Y, 380 V, 50Hz, 1415 RPM. Thơng số động cơ (đã quy về stator) như sau:
Rs=3,75 Ω; Rr=4,20 Ω; 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 vịng/phút. Dùng cảm biến đo được dịng điện tức thời (như hình vẽ
dưới) isa= 0,2217A và isb= 3,9620A. Biết lúc đĩ gĩc của hệ tọa độ từ thơng rotor
là r = 30
0
.
a) Tính isd , isq , dịng điện stator hiệu dụng, từ thơng mĩc vịng rotor |r| ,
moment cơ, tốc độ trượt (rad/s), tốc độ đồng bộ (vịng/phút) và tần số
nguồn điện cấp cho động cơ? (4 đ)
b) Giả sử động cơ đang chạy ổn định, tính gĩc r2 sau 50µs? (1 đ)
M
3~
a b c
2=
3
isa
isb
is
is
rje
isd
isq
r
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 6: Các phương pháp điều khiển dịng VI.1
Chƣơng 6: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DỊNG
I. Điều khiển dịng trong hệ qui chiếu stator
I.1. Điều khiển vịng trễ dịng điện
Điều khiển dịng, tiếp dịng
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 6: Các phương pháp điều khiển dịng VI.2
rrsse ixP
2
3
ixP
2
3
T
I.1. Điều khiển so sánh dịng điện
Điều khiển dịng, tiếp dịng
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TB
Chương 6: Các phương pháp điều khiển dịng VI.3
II. Điều khiển dịng trong hệ qui chiếu từ thơng rotor
Điều khiển dịng (dq), tiếp áp
III. Điều khiển áp
Điều khiển điện áp vịng hở (V/F, VFF,)
Phân biệt: Điều khiển tiếp áp
Điều khiển tiếp dịng
Điều khiển dịng
Điều khiển dịng trong hệ toạ độ từ thơng rotor (dq) (FOC)
Điều khiển dịng trong hệ toạ độ stator (abc)
Bộ nghịch lưu áp
Bộ nghịch lưu dịng
(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 khơng đồng bộ
I.1. Phƣơng pháp 1
srsr2
rr
m
2
r
2
r
r
r
r
r
slr ii
1
T
Ldt
d
dt
d
Trong đĩ: sssss
m
r
r iLdtiRu
L
L
sssss
m
r
r iLdtiRu
L
L
2r2rr
Bộ đi u khi n
Bộ l
FOC
PWM
QEP ADC
SCI
I/O
ADC
L3
L2
L1
N
L
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB
Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB VII.2
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
r
r
r
r
r
srr
1
1dt
d
dt
d
arctg
dt
d
dt
d
dt
d
2
r
2
r
r
r
r
r
r
dt
d
dt
d
Chứng minh: srsr2
rr
m
sl ii
1
T
L
Cĩ slrrsqm TiL và sqrd
r
m
e i
L
L
p
2
3
T
2
r
e
r
r
sl
T
p3
2
T
L
mà rrsmr iLiL r
r
s
r
m
r
L
1
i
L
L
i
nên
r
r
s
r
m
rrre
L
1
i
L
L
xp
2
3
xip
2
3
T
sr
r
m
s
r
m
re xi
L
L
p
2
3
i
L
L
xp
2
3
T
srsr2
rr
m
2
r
sr
r
m
2
r
e
r
r
sl ii
1
T
Lxi
T
LT
p3
2
T
L
Chứng minh (cách 2):
Cĩ:
rr
r
s
r
mr
T
1
i
T
L
dt
d
rr
r
s
r
mr
T
1
i
T
L
dt
d
2rrr
r
rs
r
mr
r
T
1
i
T
L
dt
d
2rrr
r
rs
r
mr
r
T
1
i
T
L
dt
d
2r2rrsrs
r
mr
r
r
r ii
T
L
dt
d
dt
d
rsrs
r
mr
r
r
r
2
r ii
T
L
dt
d
dt
d
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB
Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB VII.3
2
r
rsrs
r
m
2
r
r
r
r
r
ii
T
L
dt
d
dt
d
Chứng minh: ssssssss
m
rs
r iLdtiRu
L
L
dt
d
iRu
s
ss
ss
s
s
sss
s
s
s
s iRu
dt
d
Và rmsss iLiL
rrsmr iLiL
sssss
m
s
r iL
L
1
i
ss
m
rs
rs
2
ms
s
m
rs
ss
s
s
m
rs
smr i
L
LL
LL
L
1
L
L
iL
L
L
iL
ss
m
rss
s
m
rs
r i
L
LL
L
L
dt
di
L
LL
dt
d
L
L
dt
d
s
s
m
rs
s
s
m
r
s
r
dt
di
LiRu
L
L
dt
d
s
s
s
s
ss
s
s
m
r
s
r
dt
di
LiRu
L
L
dt
d s
ssss
m
rr
dt
di
LiRu
L
L
dt
d s
ssss
m
rr
Hay ssssssss
m
rs
r iLdtiRu
L
L
I.2. Phƣơng pháp 2
rrrr
r
r
r
r
ii
dt
d
i
dt
d
i
Trong đĩ, sssss
m
s
r iL
L
1
i
rsssrsss
r
sss
r
sss
iLiL
dt
d
iL
dt
d
iL
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB
Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB VII.4
Với ss
m
rss
s
m
rs
r i
L
LL
L
L
s
m
rs
s
m
r
r i
L
LL
L
L
s
m
rs
s
m
r
r i
L
LL
L
L
với sss
s
s
s
s iRu
dt
d
dtiRu ssss
dtiRu ssss
Chứng minh:
sr
s
rs
rr j
dt
d
iR0
r
r
rr
dt
d
iR0
r
r
rr
dt
d
iR0
rr
r
rrrrr i
dt
d
iiiRi.0
(HTĐKS-ĐKCMĐ) TCB
Chương 7: Một số phương pháp ước lượng tốc độ ĐCKĐB VII.5
rr
r
rrrrr i
dt
d
iiiRi.0
rrrr
r
r
r
r ii
dt
d
i
dt
d
i0
rrrr
r
r
r
r
ii
dt
d
i
dt
d
i
II. Ƣớc lƣợng vận tốc vịng kín
Dùng điều khiển thích nghi mơ hình (Model Reference Adaptive Control – MRAC)
Mơ hình tham khảo:
dt
di
LiRu
L
L
dt
d
s
s
s
s
ss
s
s
m
r
s
r
babar i,i,u,u
Mơ hình thích nghi (trong hệ tọa độ stator):
rr
r
s
r
mr
T
1
i
T
L
dt
d
(7.1a)
rr
r
s
r
mr
T
1
i
T
L
dt
d
(7.1b)
Sai số mơ hình:
= srsr
= r r – r
r (7.2)
Hiệu chỉnh sai số:
s
K
K ip (7.3)
Ít phụ thuộc vào t
Các file đính kèm theo tài liệu này:
bai_giang_dkshtdc_dkcmd_0681.pdf
