Tài liệu Luận văn điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- PHẠM THANH TIẾN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR TRỰC TIẾP DÙNG MÔ HÌNH ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ ROTOR LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- PHẠM THANH TIẾN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR TRỰC TIẾP DÙNG MÔ HÌNH ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ ROTOR LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN XUÂN HOÀNG VIỆT TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM ngày … tháng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT 1 2 3 4 5 Họ và tên Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện 1 Phản biện 2 Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp. HCM, ngày __ tháng __ năm 2018 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Thanh Tiến Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: I- Tên đề tài: Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor II- Nhiệm vụ và nội dung: - Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến điều khiển động cơ không đồng bộ; - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ; - Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor; - Nghiên cứu và mô hình kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor; - Nghiên cứu và mô phỏng kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor. III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt CÁN BỘ HUỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả đạt được trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các tài liệu tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn Phạm Thanh Tiến LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đầy đủ và tốt các nhiệm vụ được giao của đề tài luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức quý báu của chuyên ngành Kỹ thuật điện mà là một nền tảng vững chắc cho tôi hoàn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ12 đã động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM; Viện Khoa học Kỹ thuật, Viện Đào tạo sau đại học và cơ quan nơi tôi đang công tác đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận văn tốt nghiệp này. Phạm Thanh Tiến i Tóm tắt Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn và kỹ thuật vi điều khiển, các hệ thống truyền động điện đã đạt được những bước tiến nhảy vọt. Các đáp ứng điều khiển đạt được độ chính xác cao, cả trong chế độ động và tĩnh. Trong các hệ thống truyền động điện, động cơ không đồng bộ được sử dụng phổ biến với các nguyên lý điều khiển định hướng từ thông rotor mà cũng đang được áp dụng rộng rãi. Đặc biệt là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, có giá thành thấp, hiệu suất cao, ít bảo trì. Trong tương lai, động cơ này có thể sẽ dần thay thế động cơ một chiều trong các ứng dụng cần thay đổi vận tốc của truyền động. Chính vì lý do này, luận văn thực hiện nghiên cứu các vấn đề liên quan đến, "Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor" mà bao gồm các nội dung như sau: - Chương 1: Giới thiệu chung - Chương 2: Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ - Chương 3: Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor - Chương 4: Mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor - Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai ii Abstract With the rapid development of semi-conductor and microcontroller technologies, electric drive systems have made great strides. Control responses achieve high accuracy, both in dynamic and static states. In electric drive systems, induction motors are commonly used with rotor field-oriented control principles. Especially, the induction motors with the squirrel cage rotor have low cost, high performance, less maintenance. In the future, this engine may gradually replace the DC motor in applications that need to change the speed of the drive. For this reason, the thesis does research on issues related to, "Induction motor control using direct rotor field-oriented controllers and a rotor speed estimation model" which includes the following content: - Chapter 1: Introduction - Chapter 2: Theory to induction machines - Chapter 3: Induction motor control using a direct rotor field-oriented controller and a rotor speed estimation model - Chapter 4: Simulations - Chapter 5: Conclusions and future works iii MỤC LỤC Tóm tắt ....................................................................................................... i Mục lục..................................................................................................... iii Danh sách hình vẽ ......................................................................................vi Chương 1 - Giới thiệu chung ...................................................................1 1.1. Giới thiệu ............................................................................................1 1.2. Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của luận văn ...................................1 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn ...................................2 1.4. Tổng quan các nghiên cứu liên quan ...................................................2 1.5. Bố cục dự kiến của luận văn ................................................................3 Chương 2 - Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ ..............................5 2.1. Giới thiệu động cơ không đồng bộ .......................................................5 2.2. Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ .........................5 2.2.1. Phương pháp điều khiển V/f (điều khiển vô hướng) .........................5 2.2.2. Phương pháp định hướng từ trường FOC .........................................6 2.2.3. Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC ...............................6 2.3. Mô hình động của động cơ không đồng bộ lý tưởng ............................7 2.3.1. Phương trình toán học mô tả động cơ không đồng bộ lý tưởng .........7 2.3.2. Phương trình vector không gian trong hệ tọa độ stator ......................9 2.4. Phương pháp ước lượng từ thông rotor .............................................. 13 2.4.1. Phương pháp ước lượng từ thông rotor trong điều khiển trực tiếp ... 13 2.4.2. Phương pháp ước lượng từ thông rotor trong điều khiển gián tiếp .. 18 2.5. Phương pháp ước lượng tốc độ rotor ................................................. 19 Chương 3 - Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor 21 3.1. Giới thiệu .......................................................................................... 21 3.2. Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ iv thông rotor gián tiếp ................................................................................. 22 3.3. Bộ nghịch lưu .................................................................................... 25 3.3.1. Bộ nghịch lưu áp 3 pha ................................................................... 26 3.3.2. Phương pháp điều khiển PWM dòng điện ...................................... 31 Chương 4 - Mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor ................................................................................................... 34 4.1. Giới thiệu .......................................................................................... 34 4.2. Các thông số mô phỏng ..................................................................... 34 4.3. Mô phỏng kỹ thuật điều khiển RFOC ................................................ 35 4.3.1. Mô hình và mô phỏng bộ nghịch lưu .............................................. 35 4.3.2. Mô hình và mô phỏng khối PID với hai khâu setpoint-weighting và anti-windup .............................................................................................. 36 4.3.3. Mô hình và mô phỏng động cơ lý tưởng trong Simulink/Matlab ..... 38 4.4. Mô phỏng ĐCKĐB ........................................................................... 40 4.4.1. Thông số của ĐCKĐB ................................................................... 40 4.4.2. Động cơ hoạt động không tải TL = 0 ............................................... 41 4.4.3. Động cơ hoạt động với tải TL = 4,1 N.m ......................................... 42 4.5. Mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương pháp định hướng từ thông rotor gián tiếp .......................................................................................... 44 4.5.1. Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ............. 46 4.5.2. Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ............ 49 4.5.3. Động cơ chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ............ 51 4.5.4. Động cơ chạy không tải với vận tốc bằng 1/2 vận tốc định mức rồi đổi chiều .................................................................................................. 54 4.6. Mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp ........................................................................................... 56 4.6.1. Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ............. 59 4.6.2. Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ............ 61 4.6.3. Động cơ chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ............ 64 v 4.6.4. Động cơ chạy không tải với vận tốc bằng 1/2 vận tốc định mức rồi đổi chiều .................................................................................................. 66 4.7. Mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor ................................. 69 4.7.1. Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ............. 70 4.7.2. Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ............ 72 4.7.3. Động cơ chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ............ 75 4.7.4. Động cơ chạy không tải với vận tốc bằng 1/2 vận tốc định mức rồi đổi chiều .................................................................................................. 77 4.8. Kết luận ............................................................................................ 80 Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ............................. 82 5.1. Kết luận ............................................................................................. 82 5.2. Hướng phát triển tương lai ................................................................. 82 Tài liệu tham khảo ................................................................................. 83 vi DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 2.1. Mô hình cấu trúc động cơ không đồng bộ ...................................8 Hình 2.2. Mô hình ước lượng từ thông rotor từ dòng hồi tiếp và từ thông khe hở không khí ............................................................................................ 14 Hình 2.3. Mô hình ước lượng từ thông rotor từ áp và dòng hồi tiếp .......... 15 Hình 2.4. Mô hình ước lượng từ thông rotor từ dòng hồi tiếp vân tốc quay của rotor ................................................................................................... 17 Hình 2.5. Nguyên lý điều khiển RFOC gián tiếp ...................................... 18 Hình 2.6. Mô hình ước lượng từ thông rotor trong điều khiển gián tiếp ..... 18 Hình 2.7. Mô hình ước lượng tốc độ ........................................................ 20 Hình 3.1. Vector không gian trong hệ tọa độ quay gắn với vector từ thông 22 Hình 3.2. Mô hình ước lượng từ thông rotor từ áp và dòng hồi tiếp .......... 24 Hình 3.3. Bộ nghịch lưu áp 3 pha dạng mạch cầu ..................................... 26 Hình 3.4. Giản đồ xung kích và áp tải của bộ nghịch lưu áp 3 pha dạng mạch cầu ........................................................................................................... 27 Hình 3.5. Điều khiển bộ nghịch lưu bằng phương pháp điều khiển vòng trễ ............................................................................................................ 32 Hình 3.6. Mạch lái với điều khiển vòng trễ .............................................. 32 Hình 3.7. Nguyên lý điều khiển vòng trễ .................................................. 33 Hình 4.1. Mô hình và mô phỏng bộ nghịch lưu ........................................ 35 Hình 4.2. Mô hình và mô phỏng tính toán điện áp 3 pha Vabc ................... 36 Hình 4.3. Mô hình bộ PI .......................................................................... 37 Hình 4.4. Thông số của bộ điều khiển PI .................................................. 38 Hình 4.5. Khối chuyển đổi các giá trị trong hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ abc ................................................................................................................. 39 Hình 4.6. Khối chuyển đổi điện áp 3 pha abc sang hệ tọa độ αβ .............. 39 Hình 4.7. Mô hình và mô phỏng ĐCKĐB sử dụng Simulink/Matlab ........ 40 vii Hình 4.8. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB với tải TL = 0 N.m .................... 41 Hình 4.9. Moment điện từ Te của ĐCKĐB với tải TL = 0 N.m .................. 41 Hình 4.10. Dòng điện stator pha A, ia của ĐCKĐB với tải TL = 0 N.m ..... 42 Hình 4.11. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB với tải TL = 4,1 N.m ............... 43 Hình 4.12. Moment điện từ Te của ĐCKĐB với tải TL = 4,1 N.m ............. 43 Hình 4.13. Dòng điện stator ia của ĐCKĐB với tải TL = 4,1 N.m ............. 44 Hình 4.14. Mô hình và mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương pháp RFOC gián tiếp ............................................................................... 44 Hình 4.15. Mô hình và mô phỏng khối RFOC có bộ PI ............................ 45 Hình 4.16. Mô hình và mô phỏng tính toán dòng đặt ................................ 45 Hình 4.17. Mô hình và mô phỏng kỹ thuật điều khiển RFOC ................... 46 Hình 4.18. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ...................................................................................... 47 Hình 4.19. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ...................................................................................... 47 Hình 4.20. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ...................................................................................... 48 Hình 4.21. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ...................................................................................... 48 Hình 4.22. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ...................................................................................... 49 Hình 4.23. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ...................................................................................... 50 Hình 4.24. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ...................................................................................... 50 Hình 4.25. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ............................................................................................. 51 Hình 4.26. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ................................................................................... 52 Hình 4.27. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ................................................................................... 52 viii Hình 4.28. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ................................................................................... 53 Hình 4.29. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ............................................................................................. 53 Hình 4.30. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 54 Hình 4.31. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 55 Hình 4.32. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 55 Hình 4.33. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ................................................................. 56 Hình 4.34. Mô hình và mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương pháp RFOC trực tiếp ................................................................................ 57 Hình 4.35. Mô hình khối ước lượng từ thông và góc quay từ thông .......... 58 Hình 4.36. Mô hình ước lượng từ thông rotor từ dòng và áp .................... 58 Hình 4.37. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ...................................................................................... 59 Hình 4.38. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ...................................................................................... 60 Hình 4.39. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ...................................................................................... 60 Hình 4.40. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ...................................................................................... 61 Hình 4.41. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ...................................................................................... 62 Hình 4.42. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ...................................................................................... 62 Hình 4.43. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ...................................................................................... 63 ix Hình 4.44. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ............................................................................................. 63 Hình 4.45. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ................................................................................... 64 Hình 4.46. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ................................................................................... 65 Hình 4.47. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ................................................................................... 65 Hình 4.48. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ............................................................................................. 66 Hình 4.49. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 67 Hình 4.50. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 67 Hình 4.51. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 68 Hình 4.52. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ................................................................. 68 Hình 4.53. Mô hình và mô phỏng điều khiển động bằng phương pháp RFOC trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor .............................. 69 Hình 4.54. Mô hình ước lượng tốc độ rotor từ dòng và áp ........................ 69 Hình 4.55. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ...................................................................................... 70 Hình 4.56. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ...................................................................................... 71 Hình 4.57. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ...................................................................................... 71 Hình 4.58. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ...................................................................................... 72 Hình 4.59. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ...................................................................................... 73 x Hình 4.60. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ...................................................................................... 73 Hình 4.61. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ...................................................................................... 74 Hình 4.62. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ............................................................................................. 74 Hình 4.63. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ................................................................................... 75 Hình 4.64. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ................................................................................... 76 Hình 4.65. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ................................................................................... 76 Hình 4.66. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ............................................................................................. 77 Hình 4.67. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 78 Hình 4.68. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 78 Hình 4.69. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 79 Hình 4.70. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng ½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ................................................................. 79 1 Chương 1 Giới thiệu chung 1.1. Giới thiệu Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn và kỹ thuật vi điều khiển, các hệ thống truyền động điện đã đạt được những bước tiến nhảy vọt. Các đáp ứng điều khiển đạt được độ chính xác cao, cả trong chế độ động và tĩnh. Trong các hệ thống truyền động điện, động cơ không đồng bộ được sử dụng phổ biến với các nguyên lý điều khiển định hướng từ thông rotor mà cũng đang được áp dụng rộng rãi. Đặc biệt là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, có giá thành thấp, hiệu suất cao, ít bảo trì. Trong tương lai, động cơ này có thể sẽ dần thay thế động cơ một chiều trong các ứng dụng cần thay đổi vận tốc của truyền động. Nguyên lý điều khiển định hướng từ thông sẽ xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thông và moment, đồng thời có thể điều khiển được moment tối ưu. 1.2. Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của luận văn Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của luận văn bao gồm: + Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến điều khiển động cơ không đồng bộ; + Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ; + Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor; + Nghiên cứu và mô hình kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor; 2 + Nghiên cứu và mô phỏng kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor. 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn + Đối tượng nghiên cứu của luận văn là động cơ không đồng bộ. + Phạm vi nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp. 1.4. Tổng quan các nghiên cứu liên quan Tác giả Nguyễn Đức Trí đã nghiên cứu điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp RFOC/SFOC mà được kết hợp với kỹ thuật logic mờ trong Luận văn Thạc sĩ, “Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp RFOC/SFOC và fuzzy logic”, tại Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM, năm 2008 [1]. Tác giả đã tập trung thực hiện mô hình hóa động cơ không đồng bộ lý tưởng. Trên cơ sở đó, tác giả đã thực hiện mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ sử dụng kỹ thuật FOC và logic mờ bằng phần mềm Simulink/Matlab. Tác giả Hồ Viết Phát đã thực hiện điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp RFOC có tính đến bù tổn hao sắt từ trong Luận văn tốt nghiệp, tại Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM, năm 2009 [2]. Tác giả đã thực hiện mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ lý tưởng và động cơ có tính đến tôn hao sắt từ. Tác giả Hồ Thiện Lợi đã thực hiện điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC trên cơ sở dsPACE 1104 trong Luận văn tốt nghiệp, tại Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM, năm 2010 [3]. Tác giả đã tìm hiểu card dsPACE 1104 và tiến hành thực nghiệm điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp RFOC gián tiếp. Các tác giả C. Patel, R. Ramchand, K. Sivakumar, A. Das và K. Gopakumar đã thực hiện mô phỏng và thực nghiệm điều khiển động cơ không đồng bộ sử dụng card xử lý tín hiệu số TM320F2812 DSP trong công bố, “A 3 vector control for IM drives using current error space phasor based hysteresis controller without speed sensor” [4]. Kỹ thuật điều khiển chính được sử dụng trong nghiên cứu này là kỹ thuật điều khiển sai số dòng điện và đặc biệt, kỹ thuật điều khiển này không sử dụng cảm biến tốc độ. Các tác giả đã thực hiện ước lượng vận tốc rotor dựa trên các giá trị áp và dòng điện stator của động cơ. R. Yanamshetti, S. S. Bharatkar, D. Chatterjee, A. K. Ganguli đã thực hiện điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC, trong đó các giá trị của từ thông stator và tốc độ rotor được ước lượng trong công bố khoa học, “A simple DSP based speed sensorleess field oriented control of induction motor” [5]. Tác giả đã thực hiện mô phỏng và thực nghiệm bằng việc sử dụng card xử lý tín hiệu số DSP TMS320F2407. Kết quả tốc độ hồi tiếp và tốc độ ước lượng được so sánh với các đánh giá độ chính xác là cao. Ngoài ra, nghiên cứu cũng cho thấy được mối quan hệ giữa từ thông rotor và điện trở stator; giữa tốc độ trượt và điện trở rotor. Các tác giả W. B. Mabrouk, J. Belhadj và M. Pietrzak-David đã thực hiện các nghiên cứu để điều khiển hai hoặc nhiều động cơ không đồng bộ bằng phương pháp điều khiển hướng từ rotor trung bình (Mean rotor field oriented control, MRFOC) trong công bố khoa học, “Electromechanical multi-machine system for railway: modelling, analysis and control” [6]. 1.5. Bố cục dự kiến của luận văn Luận văn nghiên cứu các vấn đề liên quan đến điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor bao gồm các nội dung cụ thể như sau: + Chương 1: Giới thiệu chung Chương này giới thiệu chức năng và phạm vi sử dụng của động cơ không đồng bộ trong các hệ thống truyền động điện của các hệ thống công nghiệp. Bên cạnh đó, chương này cũng trình bày tổng quan các kết quả nghiên cứu của các tác giả khác liên quan đến nội dung của luận văn trong thời gian gần đây của điều khiển động cơ không đồng bộ. 4 + Chương 2: Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về mô hình toán học của động cơ không đồng bộ, cũng như các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ như phương pháp điều khiển V/f, phương pháp điều khiển định hướng từ trường FOC và phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC. + Chương 3: Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor Chương này trình bày kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor. + Chương 4: Mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor Chương này trình bày các mô phỏng và kết quả đạt được tương ứng với các kịch bản khác nhau như: - Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa; - Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước; - Động cơ chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức; - Động cơ chạy không tải với vận tốc bằng 1/2 vận tốc định mức rồi đổi chiều + Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai.