Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học điều khiển nâng cao hiệu suất hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu...

Tài liệu điều khiển nâng cao hiệu suất hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

.PDF
115
425
125

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI –––––– NGUYỄN AN TOÀN ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO HIỆU SUẤT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI –––––– NGUYỄN AN TOÀN ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO HIỆU SUẤT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. TẠ CAO MINH HÀ NỘI – 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sĩ “Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu” là công trình của tôi và được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Tạ Cao Minh. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn trung thực. Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục “Tài liệu tham khảo” và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Hà Nội, ngày 25 tháng 04 năm 2016 Học viên Nguyễn An Toàn i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc và kính trọng đến thầy Tạ Cao Minh, thầy đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu. Học trò “Bảo An” cảm ơn thầy rất nhiều. Tôi xin trân trọng cảm ơn các giảng viên và cán bộ Viện Điện – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn. Tôi xin trân trọng cảm ơn các cán bộ, nghiên cứu sinh và cựu sinh viên tại Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ (CTI) – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Cảm ơn các bạn Phạm Công Minh, Bùi Đình Dân, Lê Tất Thắng, Đỗ Ngọc Hân. Đặc biệt, tôi xin cảm ơn anh Nguyễn Bảo Huy đã nhiệt tình trao đổi và hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại CTI. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Quy Nhơn, Ban Chủ nhiệm khoa Kỹ thuật và Công nghệ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi được tập trung học tập tại Hà Nội trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và động viên của các đồng nghiệp, học viên cao học lớp 14AĐKTĐH. Cảm ơn những người bạn ở khu Nhà khách Dân số – Ký túc xá Đại học Kinh tế Quốc dân đã luôn động viên, khích lệ tôi. Có những người luôn ở bên cạnh nhưng không cần ở tôi một lời cảm ơn nào, đó là gia đình của tôi, người chị tảo tần nuôi dạy tôi. Bản thân tôi chỉ biết khắc cốt ghi tâm. Khả năng của tôi còn nhiều hạn chế nên thành quả là rất nhỏ bé, nhưng nếu không có hỗ trợ và giúp đỡ như trên thì tôi sẽ không làm được gì. Một lần nữa, tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến tất cả mọi người. ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................ ii MỤC LỤC ............................................................................................................................iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .............................................................................................. vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................viii DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .......................................................................... x MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 1 2. Lịch sử nghiên cứu .................................................................................................. 1 3. Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu ............................................................... 3 4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 4 Chương 1 TỔNG QUAN ....................................................................................................... 5 1.1 Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ................................................ 5 1.1.1 Các loại PMSM ................................................................................................ 6 1.1.2 Động cơ đồng bộ IPM .................................................................................... 10 1.1.3 Một số phương pháp điều khiển PMSM......................................................... 12 1.2 Phương pháp điều khiển vector PMSM ................................................................. 13 1.2.1 Công thức chuyển đổi Clarke ......................................................................... 14 1.2.2 Công thức chuyển đổi Park ............................................................................ 15 1.3 Phân tích hoạt động của PMSM ............................................................................ 17 1.3.1 Mô hình toán học của PMSM ......................................................................... 17 1.3.2 Giới hạn dòng điện và điện áp ........................................................................ 18 1.3.3 Các đặc tính của PMSM ................................................................................. 19 1.3.4 Đặc tính công suất – tốc độ ............................................................................ 22 1.4 Kết luận chương 1.................................................................................................. 24 Chương 2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ................... 26 2.1 Cấu hình điều khiển cho PMSM............................................................................ 26 2.2 Điều chế độ rộng xung cho bộ nghịch lưu ba pha ................................................. 27 2.2.1 Mô hình hóa mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha............................................. 27 iii Mục lục 2.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian....................................................... 28 2.3 Thiết kế các bộ điều khiển dòng điện và tốc độ .................................................... 33 2.3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện bằng kỹ thuật hàm chuẩn bậc hai .............. 33 2.3.2 Thiết kế mạch vòng tốc độ theo phương pháp tối ưu đối xứng ...................... 37 2.3.3 Mô phỏng và kết quả ...................................................................................... 39 2.4 Kết luận chương 2.................................................................................................. 42 Chương 3 ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU .......................................................................................................................... 44 3.1 Mô hình tổn thất của PMSM ................................................................................. 44 3.1.1 Tổn thất đồng .................................................................................................. 44 3.1.2 Tổn thất sắt ..................................................................................................... 44 3.1.3 Tổn thất phụ .................................................................................................... 45 3.1.4 Tổn thất tổng................................................................................................... 46 3.2 Bão hoà từ .............................................................................................................. 46 3.3 Một số phương pháp giảm thiểu tổn thất đã biết ................................................... 48 3.3.1 Phương pháp điều khiển MTPA ..................................................................... 49 3.3.2 Phương pháp thực nghiệm .............................................................................. 53 3.3.3 Phương pháp xấp xỉ đa thức ........................................................................... 55 3.4 Phương pháp tối thiểu tổn thất đề xuất .................................................................. 58 3.4.1 Tối thiểu tổn thất ở vùng trong giới hạn điện áp và dòng điện ...................... 59 3.4.2 Tối thiểu tổn thất trên biên giới hạn điện áp ................................................... 62 3.4.3 Điều khiển nâng cao hiệu suất PMSM ........................................................... 63 3.5 Kết luận chương 3.................................................................................................. 66 Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ......................................................... 69 4.1 Mô phỏng hệ truyền động trong MATLAB/SIMULINK ...................................... 69 4.1.1 Mô hình hệ truyền động ................................................................................. 69 4.1.2 Kết quả mô phỏng và nhận xét ....................................................................... 72 4.2 So sánh LMA đề xuất với phương pháp xấp xỉ đa thức của Lee........................... 77 4.3 Kết luận chương 4.................................................................................................. 83 KẾT LUẬN.......................................................................................................................... 85 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN VĂN ..................................... 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 87 iv Mục lục PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 91 P.1 Chuyển đổi giữa các hệ trục tọa độ trong MATLAB/SIMULINK ....................... 91 P.2 Mô hình động cơ đồng bộ IPM xây dựng trong MATLAB/SIMULINK .............. 92 P.3 Mô hình bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha trong MATLAB/SIMULINK ............... 93 P.4 Khâu SVM xây dựng trong MATLAB/SIMULINK ............................................. 93 P.5 Khâu điều khiển dòng điện và tốc độ .................................................................... 96 P.6 Bảng các thông số và hệ số của một PMSM trên FCEV [18] ............................... 97 P.7 Bảng các giá trị đặt tốc độ và mômen cản trên trục động động cơ theo thời gian 97 P.8 Lưu đồ thuật toán tối thiểu tổn thất cho IPMSM mà Lee đã đề xuất .................... 98 P.9 Chương trình MATLAB function thực hiện LMA đề xuất ................................. 101 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa r rad/s Góc pha giữa trục chuẩn  với trục của rotor (Góc cơ) s rad/s Góc pha giữa trục chuẩn  với trục của vector từ thông rotor (Góc pha từ thông)  Wb Từ thông khe hở không khí d , q Wb Thành phần trục d và q của từ thông móc vòng1 stator s Wb Từ thông stator  Hệ số nhấp nhô2 ψs Wb Vector từ thông stator m Wb Từ thông nam châm vĩnh cửu (Từ thông rotor) base rad/s Tốc độ cơ bản e rad/s Tốc độ điện r rad/s Tốc độ quay của rotor (Tốc độ quay của trục động cơ) C fe Hệ số tổn thất sắt Cstr Hệ số tổn thất phụ d1 , d3 , d5 Tín hiệu điều chế es V Thành phần trục d và q của sức điện động tự cảm is A Vector dòng điện stator i , i A Thành phần trục  và  của dòng điện stator ia , ib , ic A Dòng điện pha id , iq A Thành phần trục d và q của dòng điện stator if 2 Sức điện động tự cảm esd , esq 1 V A Dòng điện kích thích tương đương của nam châm vĩnh cửu (Nguồn dòng ảo) Flux linkage Saliency ratio vi Danh mục các ký hiệu I dm A Dòng điện định mức của động cơ I qsat A Mốc giá trị dòng điện iq mà điện cảm Lq bắt đầu giảm mạnh khi dòng điện iq tăng. Is A Biên độ dòng điện pha stator I s max A Biên độ dòng điện lớn nhất của động cơ J kgm2 Ld H Điện cảm trục d (Điện cảm dọc trục) Lq H Điện cảm trục q (Điện cảm ngang trục) Pcu W Tổn thất đồng Pfe W Tổn thất sắt Pstr W Tổn thất phụ Pt W Tổn thất tổng Mômen quán tính của rotor Số đôi cực Pn Rs  Điện trở stator (Điện trở phần ứng) T0 , T7 s Thời gian thực hiện vector u 0 , u 7 Tp , Tt s Thời gian thực hiện vector biên phải, biên trái Tc Nm Mômen cản (Mômen tải) Te Nm Mômen điện từ của động cơ u0,1,...,7 V Vector điện áp chuẩn (Vector chuẩn) u p , ut V Vector biên phải, biên trái us V Vector điện áp stator u , u V Thành phần trục  và  của điện áp đầu cực ua , ub , uc V Điện áp pha ud , uq V Thành phần trục d và q của điện áp đầu cực U dm V Điện áp định mức của động cơ U dc V Điện áp mạch một chiều trung gian (Điện áp dc-link) U s max V Điện áp đỉnh lớn nhất của bộ nghịch lưu vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt BLDC Brushless Direct Current (Động cơ) một chiều không chổi than CPSR Constant Power Speed Range Dải tốc độ công suất không đổi DTC Direct Torque Control Điều khiển trực tiếp mômen FCEV Fuel Cell Electric Vehicle Xe ô tô điện sử dụng pin nhiên liệu FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FOC Field Oriented Control Điều khiển tựa theo từ thông IM Induction Motor Động cơ không đồng bộ IPM Interior Permanent Magnet Nam châm vĩnh cửu chìm LMA Loss Minimization Algorithm Thuật toán tối thiểu tổn thất LMC Loss Model Controller Bộ điều khiển mô hình tổn thất MTPA Maximum Torque per Ampere Tối ưu dòng điện đầu vào đáp ứng mômen của phụ tải PMAC Permanent Current PMSM Permanent Magnet Synchronous Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh Motor cửu PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung SPM Surface Permanent Magnet Nam châm vĩnh cửu bề mặt SRM Switch Reluctance Motor Động cơ từ trở thay đổi SynRM Synchronous Reluctance Motor Động cơ đồng bộ từ trở thay đổi WFSM Wound Machine Magnet Field Alternating Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có sức phản điện động hình sin Synchronous Động cơ đồng bộ kích từ bằng cuộn dây viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: So sánh giữa động cơ BLDC với PMSM ...................................................9 Bảng 1.2: So sánh giữa SPMSM và IPMSM ............................................................11 Bảng 2.1: Bảng trạng thái đóng cắt van và giá trị điện áp ứng với các vector chuẩn ...................................................................................................................................29 Bảng 2.2: Xác định tín hiệu điều chế theo phương pháp SVM ................................31 ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Các loại động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha .............................................6 Hình 1.2: Mặt cắt một số dạng rotor tiêu biểu của động cơ đồng bộ ..........................8 Hình 1.3: Các đường sức từ của nam châm vĩnh cửu IPMSM .................................10 Hình 1.4: Vector dòng điện stator trên hai hệ tọa độ cố định stator và - .............14 Hình 1.5: Vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định - và hệ tọa độ quay d-q ...................................................................................................................................15 Hình 1.6: Đường tròn giới hạn dòng điện và ellipse giới hạn điện áp với đường cong mômen bằng hằng số của IPMSM ............................................................................18 Hình 1.7: Các đặc tính của PMSM ở dải tốc độ quay định mức và vùng giảm từ thông ...................................................................................................................................19 Hình 1.8: Quỹ đạo dòng điện và đặc tính công suất – tốc độ trong ba trường hợp ..23 Hình 2.1: Cấu trúc điều khiển cho PMSM ................................................................26 Hình 2.2: Mô hình mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha ..............................................27 Hình 2.3: Sơ đồ mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha ..................................................28 Hình 2.4: Vị trí các vector chuẩn trên hệ tọa độ cố định - ...................................29 Hình 2.5: Lưu đồ thuật toán xác định sector của vector điện áp stator.....................30 Hình 2.6: Hàm điều chế cho mạch nghịch lưu ba pha theo phương pháp SVM ......32 Hình 2.7: Mô hình động cơ trên hệ tọa độ d-q ..........................................................33 Hình 2.8: Bộ điều khiển bù xen kênh dòng điện .......................................................34 Hình 2.9: Sơ đồ mạch vòng điều khiển dòng điện ....................................................34 Hình 2.10: Ảnh hưởng của hệ số tắt dần đến chất lượng hệ thống ...........................37 Hình 2.11: Sơ đồ mạch vòng điều khiển tốc độ ........................................................38 x Danh mục các hình vẽ và đồ thị Hình 2.12: Đồ thị đáp ứng tốc độ và mômen của động cơ khi đặt id  0 .................41 Hình 2.13: Đồ thị đáp ứng dòng điện id và iq của động cơ ở các tốc độ và mômen khác nhau khi đặt id  0 ............................................................................................41 Hình 2.14: Đồ thị đáp ứng dòng điện ba pha của động cơ ở các tốc độ và mômen khác nhau khi đặt id  0 ....................................................................................................42 Hình 3.1: Đồ thị đo từ thông móc vòng stator theo dòng điện trên hai trục d, q ......47 Hình 3.2: Giá trị đo điện cảm ....................................................................................47 Hình 3.3: Đường sức từ được kích thích bởi id và iq ...............................................48 Hình 3.4: Đặc tính sinh mômen của IPMSM ............................................................50 Hình 3.5: Quỹ đạo của đường MTPA .......................................................................51 Hình 3.6: Cấu hình điều khiển nâng cao hiệu suất cho IPMSM của Mademlis .......53 Hình 3.7: Đồ thị xấp xỉ sự thay đổi của Lq theo một hàm tuyến tính bậc nhất ........57 Hình 3.8: Đồ thị xấp xỉ một đoạn thay đổi của Lq thành một hàm tuyến tính bậc nhất ...................................................................................................................................61 Hình 3.9: Thuật toán tối thiểu tổn thất (LMA) đề xuất .............................................64 Hình 3.10: Thuật toán tối thiểu tổn thất đề xuất cho SPMSM ..................................66 Hình 4.1: Mô hình hệ truyền động xây dựng trong MATLAB/SIMULINK ............70 * * Hình 4.2: Khâu tính toán các dòng điện đặt id và iq ................................................71 Hình 4.3: Đồ thị đáp ứng tốc độ và mômen của động cơ khi sử dụng LMA đề xuất ...................................................................................................................................75 Hình 4.4: Đồ thị đáp ứng các dòng điện id và iq của động cơ khi sử dụng LMA đề xuất ............................................................................................................................75 Hình 4.5: Đồ thị dòng điện ba pha của động cơ khi sử dụng LMA đề xuất .............76 xi Danh mục các hình vẽ và đồ thị Hình 4.6: Đồ thị dòng điện ba pha của động cơ trong khoảng thời gian 0,60,8s khi sử dụng LMA đề xuất................................................................................................76 Hình 4.7: Đồ thị tổn thất công suất của động cơ khi sử dụng LMA đề xuất ............77 Hình 4.8: Đồ thị đáp ứng tốc độ trên trục động cơ của hai phương pháp .................78 Hình 4.9: Đồ thị đáp ứng mômen của động cơ theo hai phương pháp .....................78 Hình 4.10: Đồ thị đáp ứng dòng điện id theo hai phương pháp ...............................79 Hình 4.11: Đồ thị đáp ứng dòng điện iq theo hai phương pháp ...............................79 Hình 4.12: Đồ thị đáp ứng dòng điện ba pha của động cơ khi sử dụng LMA đề xuất ...................................................................................................................................80 Hình 4.13: Đồ thị đáp ứng dòng điện ba pha của động cơ khi sử dụng phương pháp của Lee ......................................................................................................................80 Hình 4.14: Đồ thị tổn thất công suất của động cơ khi sử dụng LMA đề xuất ..........81 Hình 4.15: Đồ thị tổn thất công suất của động cơ khi sử dụng phương pháp của Lee ...................................................................................................................................81 Hình 4.16: Đồ thị tổn thất công suất của động cơ theo hai phương pháp .................82 Hình 4.17: Đồ thị tổn thất công suất của động cơ theo ba phương pháp ..................83 xii MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Khi hiệu ứng nhà kính trở thành mối quan tâm hàng đầu, thì hiệu suất của các ứng dụng gia dụng trở thành vấn đề quan trọng hơn bao giờ hết. Nhờ hiệu suất cao và tỷ lệ công suất trên khối lượng lớn, giá thành của vật liệu nam châm vĩnh cửu dần được giảm xuống và mối quan tâm đến khí hiệu ứng nhà kính cũng tăng lên, nên động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motor – PMSM) dần được sử dụng trong các ứng dụng gia dụng như tủ lạnh, điều hòa nhiệt độ, quạt gió, máy giặt… Hơn nữa, các hệ thống truyền động thủy lực trong ô tô và máy bay cũng dần được thay thế bằng PMSM để có hiệu suất nhiên liệu cao hơn. Ngoài ra, PMSM còn được sử dụng phổ biến và đóng vai trò là một động cơ kéo cho ô tô và tàu thủy điện lai. Thêm vào đó, với những ưu điểm nổi bật như trên, PMSM rất phù hợp cho các ứng dụng trong các hệ truyền động có nguồn cung cấp hạn chế như pin, ắc quy. Để tăng tính cạnh tranh của sản phẩm thì một yêu cầu đặt ra cho các ứng dụng trên là phải giảm thiểu được tổn thất của của động cơ, cũng như tăng thời gian sử dụng pin (ắc quy), hoặc cũng có thể giảm kích cỡ pin (ắc quy) nếu cần thiết. Do đó, đề tài “Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu” được đặt ra để giải quyết bài toán trên. 2. Lịch sử nghiên cứu Hệ truyền động PMSM điều khiển tốc độ được ứng dụng nhanh chóng vào lĩnh vực ô tô điện, dụng cụ y tế, và các thiết bị điều khiển chuyển động… Các hệ truyền động này thường được cung cấp năng lượng từ pin hoặc ắc quy. Vì bị hạn chế bởi nguồn cung cấp, nên việc cải thiện hiệu suất trở thành ưu tiên quan trọng. Morimoto và các cộng sự [28] đã đưa ra luật điều khiển tối thiểu tổn thất PMSM dựa trên dòng điện chứa trong mô hình tổn thất đồng và tổn thất sắt, và bằng cách lấy vi phân phương trình tổn thất, đưa ra dòng điện trục d để giảm thiểu tổn thất. GallegosLópez và các cộng sự [12] đã đề xuất ý tưởng ứng dụng phương pháp điều khiển 1 Mở đầu MTPA trong vùng giảm từ thông3 với các ứng dụng nổi bật trong ôtô điện. Tuy nhiên, tổn thất sắt lại không được xét đến. Mademlis và các cộng sự [20] đã xây dựng công thức hàm tổn thất trong hệ tọa độ d-q, và suy ra cách để tối thiểu tổn thất theo dòng điện trục d. Nhưng tối ưu trong vùng bão hòa và ở trên biên điện áp chưa được xét đến. Jeong và các cộng sự [15] đã xét vùng bão hòa và tách kênh trong mô hình tổn thất, và ứng dụng phương pháp Newton online trong tìm kiếm giá trị tối ưu. Nhưng một nghiên cứu tối ưu ở biên điện áp cũng chưa được xét tới. Lee và các cộng sự [18] đã đưa ra thuật toán tối thiểu tổn thất bằng phương pháp Lagrange dựa trên mô hình tổn thất của Mademlis [20], và đã dùng phép xấp xỉ đa thức4 để tìm nghiệm trên biên. Ngoài ra, bảng tra gần đúng đã được sử dụng để điều khiển giảm thiểu tổn thất động cơ [7], [19], hoặc các phương pháp tìm kiếm giá trị online [10], [15], [23] cũng đã được sử dụng. Tuy nhiên, việc xây dựng bảng tra đòi hỏi chi phí cao và mất thời gian để đo đếm. Thêm nữa, bảng tra gần đúng đòi hỏi một kích thước bộ nhớ lớn hoặc một thuật toán nội suy phù hợp. Như vậy, các nghiên cứu trên đã đưa ra nhiều giải pháp khác nhau để giải quyết bài toán điều khiển nâng cao hiệu suất cho động cơ, nhưng chung quy lại là đều dựa vào việc điều khiển giảm từ thông, và các phương pháp này có thể được phân làm hai loại chính: 1) kỹ thuật điều khiển dựa vào mô hình tổn thất; 2) ứng dụng thuật toán điều khiển tìm kiếm. Kỹ thuật điều khiển dựa vào mô hình tổn thất dựa trên việc khai triển mô hình toán của các tổn thất năng lượng xuất hiện khi động cơ làm việc. Để có một kết quả tốt nhất, phương pháp này cần có một mô hình tổn thất chính xác và các tham số của mô hình phải được xem xét trong điều kiện nhiệt độ và dòng điện thay đổi. Bằng cách đưa mô hình tổn thất về một hàm của các biến điều khiển của hệ truyền động, thì kỹ thuật điều khiển dựa vào mô hình tổn thất tìm cách đưa ra giá trị của các biến điều khiển là tối ưu, để hiệu suất của động cơ là lớn nhất. 3 4 Field-weakening region Polynomial approximations 2 Mở đầu Đối với kỹ thuật sử dụng thuật toán điều khiển tìm kiếm thì ngược lại, nó không dựa vào mô hình tổn thất, mà là sử dụng chương trình thích nghi. Đầu tiên, kỹ thuật này thay đổi giá trị biến điều khiển theo từng bước nhỏ, sau đó đo công suất vào động cơ ở mỗi điểm làm việc. Cuối cùng, bằng cách so sánh kết quả đo được với giá trị đo được ở bước trước đó trong điều kiện vận hành ổn định, để tìm kiếm điểm tiêu thụ công suất thấp nhất. Thuật toán điều khiển tìm kiếm có ưu điểm là không cần biết đến mô hình tổn thất của động cơ và các tham số của nó. Tuy nhiên, nó cũng có điểm hạn chế là chi phí xây dựng cấu hình hệ thống cao, gánh nặng tính toán lớn, đặt biệt là đáp ứng của hệ thống bị dao động, vì vậy, có thể dẫn đến hệ truyền động bị mất ổn định. Từ các ưu nhược điểm vừa phân tích cùng với điều kiện và khả năng nghiên cứu, trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp điều khiển tối thiểu tổn thất PMSM dựa vào mô hình tổn thất để giải quyết bài toán đã đưa ra, đồng thời khắc phục những vẫn đề còn tồn tại ở trên. 3. Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu Nói chung, điều khiển tối thiểu tổn thất là một bài toán tối ưu có ràng buộc. Chính xác, nó là vấn đề tìm dòng điện đặt trục d và trục q trong giới hạn điện áp và dòng điện, để tổn thất của động cơ là nhỏ nhất trong khi phải tạo ra mômen xác lập tại tốc độ đặt. Khi đã giảm thiểu được tổn thất của động cơ thì hiệu suất của động cơ cũng được nâng lên. Để giải quyết bài toán đưa ra, cũng như khắc phục những mặt còn tồn tại, luận văn đề xuất hướng nghiên cứu như sau:  Xây dựng cấu trúc điều khiển nâng cao hiệu suất PMSM sử dụng phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông rotor. Trong đó bao gồm hai mạch vòng điều khiển: mạch vòng điều khiển dòng điện bên trong và mạch vòng điều khiển tốc độ bên ngoài. 3 Mở đầu  Dựa trên những nghiên cứu đã có, xây dựng mô hình tổn thất của PMSM bao gồm các tổn thất có thể điều khiển được theo các biến trên hệ tọa độ d-q.  Nghiên cứu đưa ra thuật toán điều khiển tối thiểu tổn thất (Loss Minimization Algorithm – LMA) với hai trường hợp riêng biệt tùy theo điểm làm việc của PMSM: trong vùng giới hạn điện áp và dòng điện, và trên biên giới hạn điện áp.  Xem xét hiện tượng bão hòa từ ảnh đến các tham số của PMSM. Từ đó đưa ra thuật toán xấp xỉ giá trị điện cảm theo dòng điện ứng với các điểm làm việc khác nhau của PMSM, nhằm cải thiện thuật toán điều khiển tối thiểu tổn thất đề xuất.  Mô phỏng hệ thống sử dụng thuật toán tối thiểu tổn thất đề xuất và so sánh với một thuật toán mới được đề xuất gần đây để kiểm chứng giá trị của thuật toán đề xuất. Đối tượng nghiên cứu Hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Phạm vi nghiên cứu  Tập trung xây dựng thuật toán điều khiển nâng cao hiệu suất hệ truyền động PMSM, dựa vào mô hình tổn thất của động cơ.  Khảo sát ảnh hưởng của bão hòa từ đến giá trị các điện cảm của PMSM, từ đó đưa ra luật xấp xỉ giá trị điện cảm ứng với sự thay đổi của dòng điện. 4. Phương pháp nghiên cứu  Sử dụng phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor để xây dựng hệ truyền động và mô hình tổn thất của bài toán.  Sử dụng phương pháp giải tích để tìm nghiệm của bài toán tối thiểu tổn thất động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.  Sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK để mô phỏng và kiểm chứng các kết quả nghiên cứu đưa ra. 4 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Đối với động cơ xoay chiều kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, thì nam châm vĩnh cửu thay thế cho cuộn dây kích từ và vành trượt cổ góp dẫn điện như đối với động cơ đồng bộ kích từ bằng cuộn dây (Wound Field Synchronous Machine – WFSM), và động cơ xoay chiều nam châm vĩnh cửu cũng không có cấu tạo lồng sóc như ở rotor của động cơ không đồng bộ (Induction Motor – IM). Nhờ đặc điểm đó, các PMSM có một số ưu điểm nổi bật so với các loại động cơ khác. Do không có các cuộn dây kích từ bên trong rotor, nên các động cơ xoay chiều nam châm vĩnh cửu có khối lượng nhỏ và mômen quán tính thấp, điều này giúp cho động cơ đáp ứng mômen nhanh hơn. Thêm vào đó, cường độ từ trường của động cơ này vẫn lớn trong khi thể tích của động cơ có thể giảm xuống. Hơn nữa, vì không cần năng lượng để từ hóa động cơ và không có tổn thất đồng ở rotor, nên PMSM có hiệu suất cao hơn IM và WFSM. Điều này cũng giúp giảm chi phí và kích thước biến tần dùng cho PMSM. Nhờ không có tổn thất đồng ở rotor, nên rotor PMSM hầu như không tự sinh nhiệt mà còn nhận nhiệt từ phía stator, giúp quá trình tản nhiệt trong động cơ tốt hơn. Đặc biệt, một số PMSM có lợi thế vượt trội là được thêm mômen từ trở trong dải điều khiển giảm từ thông, vì vậy, chúng có thể được thiết kế để có một dải công suất không đổi rộng. Các kết quả trên dẫn đến PMSM có mật độ công suất cao hơn bất kỳ loại động cơ nào khác. Nói cách khác, với cùng một công suất yêu cầu thì PMSM cần một không gian hiệu dụng nhỏ so với các loại động cơ khác. Về nguyên lý hoạt động, khi nối nguồn ba pha vào các cuộn dây stator của PMSM, dòng điện chạy trong hệ thống ba cuộn dây quấn stator sẽ sinh ra một từ trường quay với tốc độ: n 60 f e Pn 5 (1.1) Chương 1: Tổng quan với f e là tần số dòng điện stator, Pn là số đôi cực của động cơ đồng bộ. Từ trường này sẽ tương tác với từ trường rotor tạo ra mômen kéo rotor quay với tốc độ đúng bằng tốc độ của từ trường quay. Như vậy, từ trường trong động cơ gồm hai thành phần là từ trường rotor và từ trường stator. Từ trường stator là do dòng điện stator tạo thành, còn từ trường rotor là do nam châm vĩnh cửu gắn trên rotor tạo thành. 1.1.1 Các loại PMSM Dựa vào đặc điểm và cấu tạo của rotor, các động cơ đồng bộ (Synchronous Motor – SM) có thể được phân loại như Hình 1.1. Động cơ đồng bộ (Synchronous Motor ) Động cơ đồng bộ kích từ bằng cuộn dây Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PM Motor) Sức phản điện động hình sin (PMAC hay PMSM) Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bề mặt (SPMSM) Động cơ từ trở (Reluctance Motor) Sức phản điện động hình thang (BLDC Motor) Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm (IPMSM) Hình 1.1: Các loại động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha. Trong Hình 1.1, động cơ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Motor – PM Motor) được phân thành hai loại theo dạng sóng sức phản điện động. Một loại có đặc điểm là sức phản điện động hình sin được gọi là PMAC hay PMSM (Permanent Magnet Alternating Current, Permanent Magnet Synchronous Motor), và một loại 6
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan