Tài liệu Nghiên cứu hệ truyền động 4q cho động cơ không đồng bộ

LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu hệ truyền động 4Q cho động cơ không đồng bộ” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Tùng Lâm. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế. Để hoàn thành đồ án này em 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 em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2014 Sinh viên thực hiện Đỗ Thế Quang MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ......................................................................................................................... 1 Chương 1. TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ............................................. 2 1.1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ........................................................... 2 1.1.1. Giới thiệu chung về ĐCKĐB .................................................................................... 2 1.1.2. Cấu tạo của ĐCKĐB ................................................................................................. 2 1.1.3. Nguyên lý làm việc của ĐCKĐB.............................................................................. 4 1.2. Điều khiển tựa từ thông rotor FOC .................................................................................. 4 1.2.1. Mô hình toán học ĐCKĐB ........................................................................................ 5 1.2.2. Nguyên lý điều khiển FOC cho ĐCKĐB ............................................................... 12 1.2.3. Cấu trúc điều khiển tựa từ thông rotor FOC cho ĐCKĐB .................................... 12 1.2.4. Đánh giá phương pháp điều khiển FOC ................................................................. 15 1.3. Phương pháp điều chế vector không gian (ĐCVTKG) ................................................. 16 1.3.1. Nguyên lý của phương pháp ĐCVTKG ................................................................. 16 1.3.2. Trình tự thực hiện chuyển mạch ............................................................................. 20 1.3.3. Tính toán thời gian phát xung ................................................................................. 23 Chương 2. NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG DÙNG BIẾN TẦN 4Q ...................... 27 2.1. Tổng quan về biến tần 4Q ............................................................................................... 27 2.1.1. Cấu tạo của biến tần 4Q ........................................................................................... 27 2.2.2. Nguyên lý hoạt động của biến tần 4Q .................................................................... 27 2.2. Các dạng chỉnh lưu 4Q .................................................................................................... 29 2.2.1. Chỉnh lưu thông minh .............................................................................................. 29 2.2.2. Chỉnh lưu tích cực .................................................................................................... 31 2.3. Điều kiện hoạt động của chỉnh lưu tích cực................................................................... 33 2.4. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực........................................................................... 35 2.4.1. Giới thiệu chung về các cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực ........................... 35 2.4.2. Mô tả toán học của chỉnh lưu tích cực .................................................................... 37 2.4.3. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực theo vector điện áp VOC ........................ 40 Chương 3. TÌM HIỂU VÀ VẬN HÀNH BIẾN TẦN SINAMICS S120 .......................... 45 3.1. Giới thiệu chung về biến tần Sinamics S120 ................................................................. 45 3.1.1. Tính năng và đặc điểm biến tần Sinamics S120 .................................................... 45 3.1.2. Tổng quan về cấu trúc hệ thống Sinamics S120 .................................................... 46 3.2. Ghép nối phần cứng......................................................................................................... 49 3.2.1. Đi dây nguồn cho phần cứng................................................................................... 49 3.2.2. Quy luật đi dây cáp tín hiệu Drive-cliq .................................................................. 52 3.2.3. Các cổng vào ra ........................................................................................................ 53 3.3. Phần mềm Starter............................................................................................................. 55 3.4. Cài đặt và vận hành bộ thí nghiệm S120........................................................................ 97 3.4.1. Mục đích và yêu cầu cảu bài thí nghiệm ................................................................ 97 3.4.2. Cấu trúc phần cứng của bộ thí nghiệm ................................................................... 97 3.4.3. Lập project và thiết lập thông số ........................................................................... 100 3.4.4. Vận hành và đo kết quả ........................................................................................... 99 KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................. 117 Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phổ biến của động cơ không đồng bộ, vấn đề tiết kiệm năng lượng nổi lên như một vấn đề bức thiết, mang tính sống còn đối với mỗi doanh nghiệp, vì lý do đó mà một hệ truyền động 4Q với khả năng tái tạo điện năng đã và đang thể hiện tính ưu việt của nó so với các hệ truyền động khác, hệ truyền động 4Q sẽ ngày càng trở nên phổ biến đặc biệt là với các ứng dụng tiêu tốn nhiều năng lượng. Nhận thấy tính ưu việt của hệ truyền động 4Q, hãng Siemens đã cho ra đời hệ thống biến tần 4Q đa trục Sinamics S120 với nhiều tính năng vượt trội so với các dòng biến tần trước đây như khả năng tái sinh năng lượng, điều khiển tập trung, khả năng tùy biến cho từng nhà máy, Cài đặt trực quan trên máy tính v.v.. Tuy nhiên do mới được đưa và thị trường Việt Nam chưa lâu nên việc cài đặt vận hành cho hệ thống biến tần này vẫn là một công việc tương đối khó khăn với nhiều kỹ sư đặc biệt là với các kỹ sư trẻ còn chưa có nhiều kinh nghiệm. Vì vậy, em lựa chọn đề tài “Nghiên cứu hệ truyền động 4Q cho động cơ không đồng bộ”. Bản đồ án gồm các nội dung như sau: Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ, mô hình toán học, phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp tựa từ thông rotor FOC, phương pháp điều chế vector không gian điều khiển đóng mở van cho biến tần . Chương 2: Tổng quan về hệ truyền động dùng biến tần 4Q, các dạng chỉnh lưu 4Q, tìm hiểu cấu trúc điều khiển chỉnh lưu 4Q theo phương pháp VOC. Chương 3: Tìm hiểu và vận hành bộ thí nghiệm Sinamics S120 theo phương pháp tựa từ thông rotor cho động cơ không đồng bộ ở chế độ động cơ và chế độ hãm tái sinh. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn tự động hóa xí nghiệp công nghiệp đã tận tình chỉ bảo em trong suốt quá trình làm việc, đặc biệt là sự chỉ bảo và hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Quang Địch và TS. Nguyễn Tùng Lâm đã giúp em hoàn thành đồ án này. Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2014 Sinh viên thực hiện Đỗ Thế Quang 1 Chương 1. Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ Chương 1 TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) 1.1.1. Giới thiệu chung về ĐCKĐB ĐCKĐB là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn mà trong đó chỉ có một dây quấn (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lưới điện xoay chiều còn dây quấn còn lại (dây quấn thứ cấp) được nối tắt lại hay được khép kín qua điện trở. Về mặt cấu tạo, ĐCKĐB được chia thành 2 loại: - ĐCKĐB rotor dây quấn. - ĐCKĐB rotor lồng sóc. Nhược điểm chính của ĐCKĐB là đặc tính mở máy xấu và việc khống chế quá trình quá độ khó khăn hơn so với động cơ một chiều. Tuy nhiên trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý đã làm tăng khả năng sử dụng ĐCKĐB ngay cả những trường hợp có yêu cầu điều chỉnh tự động truyền động điện dải rộng với độ chính xác cao mà trong các hệ truyền động trước đây vẫn thường phải sử dụng động cơ một chiều. ĐCKĐB được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp với dải công suất từ nhỏ đến trung bình, chiếm tỷ lệ lớn so với các động cơ khác, nhờ các ưu điểm: - Có kết cấu đơn giản, đặc biệt là động cơ rotor lồng sóc. - So với động cơ một chiều, kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, vận hành an toàn, tin cậy giảm chi phí vận hành, sửa chữa. - Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi. - Được khai thác hết tiềm năng nhờ sự phát triển của công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử. 1.1.2. Cấu tạo của ĐCKĐB ĐCKĐB bao gồm 3 phần chính: phần tĩnh, phần quay và khe hở không khí. a) Phần tĩnh 2 Chương 1. Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ Gồm lõi thép, dây quấn và vỏ máy. * Lõi thép stator: Do nhiều lá thép kỹ thuật điện đã dập sẵn, ghép cách điện với nhau, phía trong có các rãnh đặt dây quấn. Hình 1.1. Dây quấn và lõi thép Stator. * Dây quấn: Được đặt trong các rãnh của lõi thép, xung quanh dây quấn có bọc lớp cách điện để cách điện với lõi thép. Với ĐCKĐB ba pha các pha dây quấn đặt cách nhau 120 độ điện. * Vỏ máy: Để bảo vệ và giữ chặt lõi thép stator, và không dùng để đẫn từ. b) Phần quay Gồm lõi thép và dây quấn. Hình 1.2: Rotor kiểu lồng sóc. * Lõi thép rotor: Cũng gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại giống ở stator. Lõi thép được ép trực tiếp lên trục, bên ngoài có xẻ rãnh để đặt dây quấn. * Trục máy: Gắn trên lõi thép rotor. Trục được đỡ trên nắp máy nhờ ổ lăn hay ổ trượt. * Dây quấn: Tùy theo ĐCKĐB mà ta chia ra rotor dây quấn và rotor lồng sóc. 3 Chương 1. Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ - Rotor kiểu dây quấn: Rotor dây quấn có kiểu giống như dây quấn stator và có số cực bằng số cực ở stator. - Rotor lồng sóc: Các dây quấn là các thanh đồng hay thanh nhôm đặt trên các rãnh lõi thép rotor. Hai đầu các thanh dẫn nối với các vòng đồng hay nhôm gọi là vòng ngắn mạch. Các dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi thép. c) Khe hở Giữa stator và rotor là khe hở không khí, do rotor là khối tròn nên khe hở rất đều. Mạch từ ĐCKĐB khép kín từ stator sang rotor qua khe hở không khí. 1.1.3. Nguyên lý làm việc của ĐCKĐB ĐCKĐB làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi dòng điện ba pha chạy vào dây quấn ba pha đặt đối xứng trong lõi thép stator, sẽ sinh ra từ trường quay  s với tốc độ: 1  2 f1 p (1.1) Trong đó: f1 là tần số dòng trong dây quấn stator. p là số đôi cực từ.  s quét qua các thanh dẫn rotor cảm ứng trong dây quấn rotor sức điện động E2 sinh ra dòng điện I r (chiều của I r xác định theo quy tắc bàn tay phải). Tương tác giữa I r và từ trường quay  s tạo thành momen M có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái. Momen M kéo rotor quay với tốc độ ω theo chiều quay từ trường. Tốc độ rotor ω luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay ω1 để có sự chuyển động tương đối giữa tốc độ  s và rotor, vì vậy duy trì được dòng I r và mô men M . Giữa tốc độ  s và tốc độ rotor có liên quan qua tỉ lệ: s 1   1 (1.2) Trong đó: s là hệ số trượt. Hệ số trượt thường từ 0,02 đến 0,06. 1.2. Điều khiển tựa từ thông rotor FOC Điều khiển FOC đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh của hệ thống trong quá trình quá độ cũng như chất lượng điều khiển tối ưu momen. Nguyên lý điều khiển FOC dựa trên ý 4 Chương 1. Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ tưởng điều khiển động cơ một chiều. Điều khiển FOC dựa trên định hướng vector từ thông rotor có thể cho phép điều khiển tách rời hai thành phần dòng stator, từ đó có thể điều khiển độc lập từ thông và momen của động cơ. Do đó hệ thống truyền động điện ĐCKĐB có thể được các đặc tính tĩnh và động cao, so sánh được với điều khiển động cơ một chiều. 1.2.1. Mô hình toán học ĐCKĐB a) Mô hình toán học của ĐCKĐB Để xây dựng mô hình toán học của ĐCKĐB ta dựa vào các phương trình cân bằng điện áp của dây quấn stator, rotor và mô men trên trục của động cơ: - Phương trình cân bằng điện áp trên stator: d sa (t )  u  R . i ( t )  sa s sa  dt  d sb (t )  usb  Rs .isb (t )  dt  d sc (t )   usc  Rs .isc (t )  dt  Trong đó: (1.3) Rs là điện trở của cuộn dây pha stator.  sa ,  sb ,  sc là từ thông của cuộn dây pha a, b, c. - Phương trình cân bằng điện áp của rotor gắn với rotor: d ra (t )  ura  Rr .ira (t )  dt  d rb (t )  urb  Rr .irb (t )  dt  d rc (t )  u  R . i ( t )  rc r rc  dt  (1.4) - Các giá trị của từ thông móc vòng của từng pha stator:  sa  Ls 'isa  M s 'isb  M s 'isc  M sr 'cos .ira  M sr 'cos(   )irb  M sr 'cos(  2 )irc  ' ' ' ' ' '  sb  M s isa  Ls isb  M s isc  M sr cos(  2 )ira  M sr cos .irb  M sr cos(   )irc (1.5)   M 'i  M 'i  L 'i  M 'cos(   )i  M 'cos(  2 )i  M 'cos .i s sa s sb s sc sr ra sr rb sr rc  sc - Các giá trị từ thông móc vòng của từng pha dây quấn rotor: 5 Chương 1. Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ  ra  M sr ' cos isa  M sr 'cos(   )isb  M sr 'cos(  2 )isc  Lr 'irA  M r 'irb  M r 'irc  ' ' ' ' ' '   rb  M sr cos(  2 )isa  M sr cos isb  M sr cos(   )isc  M r ira  Lr irb  M rc (1.6)    M 'cos(   )i  M 'cos(  2 )i  M ' cos i  M 'i  M 'i  L 'i sr sa sr sb sr sc r ra r rb r rc  rc Trong đó:  là góc lệch giữa hai trục của dây quấn stator và rotor.  2 3 * Mô hình ĐCKĐB trong không gian vector: Không gian vector cho phép ta chuyển các giá trị tự nhiên của hệ thống ba pha trên mặt phẳng phức đặt song song với mặt cắt ngang của động cơ. Trong mặt phẳng phức này, tốc độ góc quay của vector không gian bằng tần số góc của hệ thống nguồn ba pha. Để chuyển mô hình ĐCKĐB từ hệ tọa độ tự nhiên ra dạng vector ta sử dụng các toán tử ae j 2 3 . Vector không gian của điện áp stator: us  Rs is  d s dt (1.7) Vector không gian của điện áp rotor: ur  Rr ir  d r dt (1.8) Vector không gian của từ thông móc vòng stator: 2 3  s  ( sa  a sb  a 2 sc ) (1.9) Từ công thức (1.5) thay vào công thức (1.9) và rút gọn ta được: 3 2  s  ( Ls '  M s ' )is  M sr ' ir e j  Ls is  Lm ir ' Trong đó: (1.10) Ls  Ls '  M s ' điện cảm tổng ba pha stator. Lm  1,5M sr ' điện cảm tổng từ hóa ba pha. ir '  ir e j 6 (1.11) Chương 1. Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ Vector không gian của từ thông móc vòng rotor: 2 3  r  ( rA  a. rB  a 2 rC ) (1.12) Từ công thức (1.6) thay vào (1.12) rút gọn ta được: 3 2  r  ( L'r  M r ' )ir  M sr ' is e j  Lm is '  Lr ir (1.13) Trong đó: Lr  Lr '  M r ' : điện cảm tổng ba pha rotor. is '  is e j (1.13) Kết hợp (1.7), (1.8), (1.10), (1.11), (1.13) và (1.14) ta có hệ phương trình cân bằng áp viết cho ĐCKĐB như sau:  d s us  Rs is  dt   d r ur  Rr ir  dt   s  Ls is  Lm i 'r   r  Lm is '  Lr ir  ' j ir  ir e  '  j is  is e (1.15) 3 3 p( s is )   p( r ir ) 2 2 (1.16) Momen điện từ của ĐCKĐB: M Phương trình động học: M  Mc  Trong đó: J d p dt M là momen của động cơ [Nm]. M c là momen của tải [Nm]. J là momen quán tính [Nm]. 7 (1.17) Chương 1. Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ  là tốc độ quay của rotor [rpm]. p là số đôi cực của động cơ. * Mô hình động học của ĐCKĐB trong hệ tọa độ dq: Từ (1.15) ta có phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn stator trong hệ tọa độ dq: d sdq u Ri   js sdq dt dq s dq s s (1.18) Từ hệ (1.15) ta có phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn rotor trong hệ tọa độ dq: d rdq 0R i   j (s   ) rdq dt dq r r (1.19) Từ (1.10) và (1.13) từ thông móc vòng trên các dây quấn stator và rotor trong hệ tọa độ dq là:  sdq  Ls isdq  Lm irdq  dq dq dq  r  Lm is  Lr ir (1.20) Các đại lượng không cần thiết như vector dòng điện rotor irdq , vector từ thông stator  sdq bị triệt tiêu ra khỏi hệ. Từ (1.20) ta tìm được hai vector đó:  dq  rdq  Lm isdq ir  Lr   2  dq  Lm  dq  ( L  Lm )i dq r s s  s Lr Lr  (1.21) Từ phương trình thứ hai của (1.21) ta có: d sdq Lm d rdq Lm 2 disdq   ( Ls  ) dt Lr dt Lr dt (1.22) Mặt khác từ phương trình cân bằng điện áp trên dây quấn rotor (1.19) ta có: d rdq   Rr irdq  j (s   ) rdq dt 8 (1.23) Chương 1. Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ Từ (1.21), (1.22) và (1.23) ta có: d sdq L  dq  Lm isdq L 2 di dq   m ( Rr . r  j (s   ) rdq  ( Ls  m ). s ) dt Lr Lr Lr dt (1.24) Từ (1.18), (1.21) và (1.23) và rút gọn với: Ts  Ls : Hằng số thời gian mạch stator. Rs Tr  Lr : Hằng số mạch thời gian của rotor. Rr   1 L2m : Hệ số tính toán tổng. Ls Lr Ta được: disdq 1 1   dq 1    rdq 1    rdq usdq  (  )is  js isdq  .  j  dt  Ts  Tr  Tr Lm  Lm  Ls (1.25) Viết cụ thể các thành phần trong hệ tọa độ dq ta được: disd 1 1 1 1 1 1 1  (  )isd  sisq   rd    rq  u (1.26) dt  Ts  Tr  Tr Lm  Lm  Ls sd disq dt  sisd  ( 1 1 1 1 1 1 1  )isq    rd   rq  u (1.27)  Ts  Tr  Lm  Tr Lm  Ls sq Mặt khác theo (1.19) và (1.21): 1 d rdq 1 dq 1  rdq  dq  is   j (s   ) r Lm dt Tr Tr Lm Lm Viết cụ thể các thành phần trong hệ tạo độ dq ta được: 1 d rd 1 1 1 1  isd   rd  (s   )  rq Lm dt Tr Tr Lm Lm (1.28) 1 d rq 1 1 1 1  isq  (s   )  rd   rq Lm dt Tr Lm Tr Lm (1.29) 9 Chương 1. Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ Từ (1.21) thế vào (1.16) rút gọn ta được biểu thức momen điện từ: M 3 Lm dq dq 3 L p ( r .is )  p m ( rd .isq  rq .isd ) 2 Lr 2 Lr (1.30) Kết hợp (1.26), (1.27), (1.28), (1.29) và (1.30) ta có hệ phương trình mô tả ĐCKĐB ở hệ tọa độ dq:  disq 1 1 1 ' 1 1 '  dt  ( T   T )isd  s isq   T  rd     rq   L usd s r r s   disq 1 1 1 1 1  s isd  (  )isq    rd '   rq '  u   Ts  Tr   Tr  Ls sq  dt  d ' 1 1  rd  isq   rd '  (s   ) rq '  Tr Tr  dt  d ' 1 1  rq  isq  (s   ) rd '   rq ' Tr Tr  dt  2  M  3 p Lm ( i  i ) rd sq rq sd  2 Lr (1.31)  0 Với  r   rq suy ra hệ (1.31) có thể được viết lại như sau:  rd   r  disq 1 1-  1-  ' 1  dt  -( T   T )isd  sisq   T  r   L usd s r s s   disq 1 1-  1-  ' 1  -s isd - (  )isq -  r  u   Ts  Ts   Ls sq  dt  d ' 1 1 '  rd  isd -  r Tr Tr  dt  1 ' 0  isq - (s -  ) r Tr   3 Lm 2 M  p  rd 'isq 2 L  r Trong đó:  r '  r Lm 10 (1.32) Chương 1. Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ Chuyển (1.32) biểu diễn sang miến laplace ta được: 1 1-  ' 1  ( s  T )isd  s isq   T  r   L usd  s s  1 1-  ' 1  ( s  T )isq  -s isd -    r   L usq  s   1 1 ' ( s  T ) r  T isd r r   1 ' (s -  ) r  isq Tr   3 L 2 '  M  p m  rd isq 2 Lr  Trong đó: T  1 1-    Ts  Tr Từ (1.33) ta xây dựng được mô hình ĐCKĐB rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq. Hình 1.3. Mô hình ĐCKĐB rotor lồng sóc trên hệ tọa dq. 11 (1.33) Chương 1. Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ 1.2.2. Nguyên lý điều khiển FOC cho ĐCKĐB Đối với ĐCKĐB chỉ có một nguồn duy nhất vừa sinh ra momen vừa sinh ra từ thông. Trong hệ tọa độ abc không phân biệt được thành phần dòng điện nào sinh ra từ thông thành phần nào sinh ra momen gây ra khó khăn trong việc điều khiển. Khi quan sát trên hệ tọa độ từ thông rotor (tọa độ dq) ta thu được các mô hình toán học của ĐCKĐB. Trong đó ta thấy quan hệ đơn giản giữa momen quay, từ thông với các phần tử của vector dòng stator. Lm    rd  1  sT isd  r   M  3 Lm p i rd sq  2 Lr (1.34 a, b) Phương trình (1.34a) cho thấy là từ thông rotor có thể được tăng giảm gián tiếp thông qua tăng giảm isd , điều đáng lưu ý là quan hệ (1.34a) giữa hai đại lượng là quan hệ trễ bậc nhất với hằng số thời gian Tr . Nếu thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng isd , ta có thể coi isd là đại lượng điều khiển của từ thông rotor. Nếu bằng isd thành công trong việc điều chỉnh ổn định  rd tại mọi điểm công tác của động cơ, đồng thời thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng isq , theo phương trình (1.34b) sẽ có thể coi isq là đại lượng điều khiển của momen động cơ. Vậy nguyên lý điều khiển FOC cho ĐCKĐB: Chuyển thành phần dòng điện xoay chiều ba pha thành dòng điện một chiều id và iq nhằm phân biệt rõ thành phần nào sinh momen, thành phần nào sinh từ thông để dễ dàng trong việc điều khiển. 1.2.3. Cấu trúc điều khiển tựa từ thông rotor FOC cho ĐCKĐB Qua việc phân tích trên ta xây dựng được mô hình điều khiển ĐCKĐB tổng quát như Hình 1.4. - DTT: Là khâu dẫn từ thông, nó hoạt động dựa trên nguyên tắc khi tốc độ động cơ có giá trị nhỏ hơn giá trị định mức thì nó đưa tín hiệu ra là không đổi, nếu tốc độ động cơ là lớn hơn giá trị định mức thì giá trị ra sẽ tỉ lệ nghịch với tốc độ quay. - ĐCTT: Là khâu điều chỉnh từ thông, có nhiệm vụ gia tốc các quá trình từ hóa trong động cơ thông qua việc giảm tác dụng trễ của hằng số thời gian rotor Tr. Với đối tượng là một khâu trễ bậc nhất đơn giản (phương trình 1.34a)) và khâu ĐCD là đủ nhanh để 12 Chương 1. Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ có thể bỏ qua thời gian trễ đáp ứng thì khâu ĐCTT chỉ cần sử dụng bộ điều khỉnh PI là đủ. Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý điều khiển ĐCKĐB theo phương pháp FOC. - MHTT: Là khâu mô hình từ thông, có nhiệm vụ tính toán giá trị từ thông Rotor (tức là giá trị từ thông dọc trục  rd' và góc pha  s của trục d) qua các giá trị isd và isq và tốc độ động cơ ω. r  Lmisq Tr rd  s    r   s   s dt (1.35) Việc xác định chính xác module và góc pha của từ thông có ý nghĩa quan trọng trong điều khiển FOC. Trong thực tế các tham số gây sai lệch giữa mô hình thực tế và mô hình lý thuyết là hằng số thời gian rotor Tr = Lr/Rr và điện cảm Lm. Đặc biệt là hằng số thời gian rotor là yếu tố dễ thay đổi theo nhiệt độ (điện trở Rr biến động) và theo trạng thái bão hòa sắt từ của rotor (điện cảm Lr phụ thuộc vào mức độ từ hóa). Sai lệch giữa Tr thực tế của động cơ so với Tr của mô hình sẽ dẫn tới sai số của module từ thông rotor. Hiện nay các hệ thống biến tần hiện đại thường được trang bị các chức năng nhận dạng các tham số này để hiệu chỉnh mô hình. - ĐCTĐ: Là khâu điều chỉnh tốc độ động cơ, nó lấy tín hiệu vào là tín hiệu sai lệch giữa tốc độ quay đặt trước và tốc độ quay thực tế. Với sự giúp đỡ của khâu ĐCD, có thể áp đặt thành phần kích từ isd và thành phần tạo momen quay isq độc lập với nhau và gần như không có trễ, khâu ĐCTĐ chỉ cần sử dụng bộ điều chỉnh PI hoặc bộ điều chỉnh PID là đủ. 13 Chương 1. Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ - ĐCD: Là khâu điều chỉnh dòng có nhiệm vụ áp cho từng thành phần dòng các đặc tính truyền đạt cho trước thông qua hai cụm điều chỉnh nội tại nhánh dọc, đồng thời có nhiệm vụ cách ly thông qua hai cụm điều chỉnh nội tại nhánh ngang, hai đại lượng dòng điện khỏi tác động nội tại lẫn nhau. - Khâu ĐCVTKG: Là khâu điều chế vector không gian, có nhiệm vụ từ các giá trị điện áp đầu vào usα, usβ tính toán thời gian đóng cắt và phát xung điều khiển các cặp van IGBT theo phương pháp ĐCVTKG. - Các khâu chuyển tọa độ: Thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi các đại lượng dòng điện từ hệ tọa độ abc sang αβ, từ hệ tọa độ αβ sang dq, chuyển đổi điện áp từ hệ tọa độ dq sang αβ. Trên cơ sở các tính năng lý tưởng mà ta luôn giả thiết cho bộ điều chỉnh dòng, thì ta thu được một cấu trúc hệ điều chỉnh hoàn toàn giống như các hệ thống truyền động điện một chiều, cách tính toán thiết kế các bộ điều chỉnh tốc độ vòng quay và điều chỉnh vị trí cũng tương tự. Điểm khác biệt là cách thực hiện bộ điều chỉnh dòng. Điều khiển động cơ gồm có hai kênh điều khiển. Kênh điều khiển từ thông thường gồm một mạch vòng điều chỉnh dòng điện sinh từ thông isd . Kênh điều khiển momen thường gồm một mạch vòng điều chỉnh tốc độ và một mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh momen isq . Khâu điều chỉnh vòng trong cùng là khâu điều chỉnh dòng điều chỉnh hai thành phần dòng một chiều isd và isq . Với giả thiết hai thành phần dòng isd và isq hoàn toàn không phụ thuộc vào nhau (tức là tuyệt đối cách ly), khi ấy phương án sử dụng hai khâu điều chỉnh dòng theo luật PI sẽ là hoàn hảo. Trong thực tế hai thành phần dòng có tác dụng ảnh hưởng lẫn nhau và phụ thuộc vào s . Chính vì vậy nếu dùng hai bộ điều chỉnh dòng độc lập thì cấu trúc điều khiển như vậy chỉ hoạt động tốt ở chế độ tĩnh chưa tốt ở chế độ động. Điều này thể hiện đặc biệt rõ khi hệ làm việc ở vùng suy giảm từ thông (tốc độ quay lớn hơn tốc độ định mức) là vùng thường xuyên xảy ra tương tác giữa isd và isq . Khâu ĐCD vì vậy phải được thiết kế dưới giác độ coi ĐCKĐB là đối tượng điều chỉnh đa thông số, số lượng đối tượng điều chỉnh lớn hơn một, có nhiệm vụ áp cho từng thành phần dòng các đặc tính truyền đạt cho trước đồng thời có nhiệm vụ cách ly hai đại lượng khỏi tác động nội tại lẫn nhau. Kênh điều chỉnh từ thông: Từ công thức  rd  Lm isd → dòng isd được coi là đại 1  sTr lượng điều khiển cho  rd , tuy nhiên giữa hai đại lượng tồn tại một khâu trễ bậc nhất với 14 Chương 1. Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ hằng số thời gian Tr , vì vậy cần phải sử dụng khâu ĐCTT để gia tốc các quá trình từ hóa trong động cơ thông qua việc giảm tác dụng trễ của Tr . Mặt khác để điều chỉnh  rd ta cần có giá trị thực của đại lượng đó, là giá trị không đo được. Thông qua MHTT ta có thể ước lượng một cách chính xác  rd thông qua các giá trị đo được như isq , isd và  . Giá trị  rd* đưa tới đầu vào ĐCTT được cung cấp bởi khâu DTT. Kênh điều chỉnh momen: Từ sai lệch giữa tốc độ đặt và tốc độ quay thực tế qua bộ điều chỉnh tốc độ ta xác định được dòng đặt isq yêu cầu thay đổi lượng momen cho việc gia tốc hay giảm tốc, tuy nhiên giá trị dòng này cần đi qua khâu hạn chế dòng để tránh trường hợp quá dòng trên cuộn dây stator. Dòng isd và isq thực thu được thông qua đo các giá trị dòng ba pha đưa qua bộ chuyển hệ tọa độ để tính toán. Từ giá trị đặt và giá trị thực của hai dòng isd và isq đi qua bộ điều chỉnh dòng để xác định các giá trị điện áp đặt usd* và usq* cấp cho động cơ. usd* và usq* được đưa qua khâu chuyển hệ tọa độ để xác định điện áp đặt usα* và usβ* tương ứng đưa khâu ĐCVTKG có nhiệm vụ tính chuyển các phần tử của vector điện áp (mà bộ điều chỉnh dòng yều cầu) thành thời gian đóng ngắt các van bán dẫn của khối nghịch lưu. Với cách quan sát mới ta không còn quan tâm đến từng dòng pha riêng lẻ nữa, mà là toàn bộ vector: Tại từng điểm làm việc của động cơ, vector is phải cung cấp hai thành phần thích hợp: isd để điều khiển từ thông rotor, isq để sản sinh momen quay như bộ điều chỉnh tốc độ đòi hỏi. 1.2.4. Đánh giá phương pháp điều khiển FOC a) Ưu điểm - Phù hợp cho vùng tốc độ dưới tốc độ cơ bản, có thể làm việc ổn định rất tốt ở tốc độ cận không mà vẫn giữ được momen. - Cho họ đặc tính cơ của ĐCKĐB giống hệt với họ đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập ở vùng từ thông không đổi. b) Nhược điểm - Rất nhạy với sự biến thiên thông số của động cơ, nhất là điện trở rotor có thể thay đổi đến 50% giá trị chuẩn do sự thay đổi nhiệt độ và hiệu ứng mặt ngoài. 15 Chương 1. Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ Do phải thực hiện nhiều phép đổi hệ tọa độ nên tính toán phức tạp, tốc độ không cao. Hiện nay, công cụ điều khiển số rất mạnh do đó vấn đề tính toán phức tạp không còn là vấn đề lớn. 1.3. Phương pháp điều chế vector không gian (ĐCVTKG) 1.3.1. Nguyên lý của phương pháp ĐCVTKG Mạch cầu bộ biến đổi phía động cơ được nối giữa phía mạch một chiều và phía xoay chiều cấp cho stator, mô hình dạng vector trạng thái được giả thiết là lý tưởng: - Các van chuyển mạch là lý tưởng, thời gian chuyển mạch tức thời. - Dòng điện rò, tổn thất đều bằng không. Hình 1.5 Bộ biến đổi phía động cơ. Mỗi cặp van của một vế cầu của bộ biến đổi được mô hình hóa bằng một khóa chuyển mạch Sa, Sb, Sc hoặc nối vào cực điện áp dương, hoặc nối vào cực điện áp âm của điện áp một chiều udc. Quy ước khóa chuyển mạch có giá trị bằng 1 nếu nó nối pha với cực dương của udc và giá trị bằng không nếu nó nối pha với cực âm của udc. Điện áp của bộ biến đổi cầu có thể đặc trưng bởi 8 trạng thái nối pha với udc được mô tả bởi phương trình: jk  2 uk 1  udc e 3 3  u  0  0,7 (k=0,…,5) (1.36) Các vector điện áp u1 , u2 , u3 , u4 , u5 và u6 gọi là các vector điện áp tích cực và u0 và u7 gọi là các vector điện áp không. Vector u0 ứng với trường hợp cả ba pha của động 16