Tài liệu Nghiên cứu khảo sát động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu và cấu trúc điều khiển sử dụng phần mềm matlab

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB Chủ nhiệm đề tài: TS. PHẠM TÂM THÀNH Hải Phòng, tháng 5/2016 1 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 3 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu ............................................................................. 3 2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu ................................................................................ 3 3. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu....................................................................... 3 4. Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của công trình nghiên cứu ..................................... 3 5. Kết quả đạt được của đề tài ............................................................................................. 3 Chương 1. Khảo sát mô hình động học của động cơ đồng bộ ............................................. 4 1.1. Khái quát về động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) .............................. 4 1.2. Mô hình động học của PMSM ...................................................................................... 4 1.2.1. Nguồn tương đương................................................................................................ 4 1.2.2. Momen điện từ ........................................................................................................ 5 1.2.3. Từ thông móc vòng ................................................................................................. 5 1.2.4. Mạch tương đương ................................................................................................. 6 1.2.5. Mô phỏng động học ................................................................................................ 8 1.2.6. Phương trình tín hiệu nhỏ của PMSM ............................................................... 10 1.2.7. Đánh giá đặc tính điều khiển của PMSM ........................................................... 12 Chương 2. Cấu trúc và chiến lược điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu ...... 13 2.1. Cấu trúc hệ truyền động điều khiển động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu ........................................................................................................................................ 13 2.1.1. Hệ truyền động điều khiển mô-men .................................................................... 13 2.1.2. Mô phỏng và kết quả của hệ truyền động điều khiển mômen .......................... 16 2.1.3. Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ ....................................................................... 17 2.1.4. Mô phỏng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ ...................................................... 20 2.2. Một số chiến lược điều khiển ...................................................................................... 21 0 2.2.1. Điều khiển giữ góc mômen bằng hằng số   90 .............................................. 21 2.2.2. Điều khiển hệ số công suất ................................................................................... 23 2.2.3. Điều khiển từ thông là hằng................................................................................. 24 2.2.4. Điều khiển góc giữa từ thông tổng và dòng phức ............................................. 25 2.2.5. Điều khiển tối ưu mômen/dòng điện ................................................................... 27 2.2.6. Điều khiển hệ số tổn hao công suất là hằng ........................................................ 27 2.2.7. Điều khiển hiệu suất tối đa .................................................................................. 31 Chương 3. Mô phỏng cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ sử dụng phần mềm Matlab 32 3.1. Cấu trúc hệ truyền động động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu ........... 32 3.2. Cấu trúc mô phỏng ...................................................................................................... 32 3.2.1. Thông số động cơ .................................................................................................. 32 3.2.2. Mô hình Simulink của động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu ........ 33 3.2.3. Mô phỏng cấu trúc điều khiển ............................................................................. 34 KẾT LUẬN ............................................................................................................................. 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 41 PHỤ LỤC ................................................................................................................................ 42 2 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Để có thể phục vụ tốt hơn trong công tác giảng dạy, nghiên cứu về máy điện, truyền động điện, tổng hợp hệ điện cơ… cần tiến hành khảo sát, mô phỏng động học của máy điện, mô phỏng các cấu trúc điều khiển máy điện nói chung hay động cơ đồng bộ kích thích nam châm…giúp sinh viên, học viên có thể tiếp cận dễ dàng khi học tập các học phần đó 2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu Ở Việt Nam cũng như ở nước ngoài đề tài nghiên cứu về máy điện nói chung và động cơ điện đồng bộ xoay chiều ba pha nói riêng đã được nhiều nhà khoa học quan tâm. Máy điện rất đa dạng, lý thuyết về máy điện rất phức tạp, việc phân tích các quá trình quá độ, trạng thái làm việc của máy điện là điều không dễ dàng thực hiện được. Cấu trúc điều khiển máy điện xoay chiều ba pha và cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha được các nhà khoa học trong nước và quốc tế đặc biệt quan tâm. 3. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu a. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng tài liệu nghiên cứu động cơ điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu sử dụng công cụ Matlab và Simulink, phục vụ học tập trực quan cho sinh viên chuyên ngành. Đó cũng là mục đích nghiên cứu của đề tài. Đề tài có sản phẩm đó là tập hợp tài liệu và các chương trình viết trên Matlab phục vụ nghiên cứu đối tượng động cơ điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu và cấu trúc điều khiển. b. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, nghiên cứu về mô hình toán của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, các cấu trúc điều khiển và khảo sát mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab 4. Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của công trình nghiên cứu Trong quá trình nghiên cứu tác giả kết hợp các phương pháp: Lý thuyết và mô phỏng máy tính. Kết cấu của công trình nghiên cứu gồm 3 chương và phụ lục - Chương 1: Khảo sát mô hình động học động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu - Chương 2: Cấu trúc và chiến lược điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu - Chương 3: Mô phỏng cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ sử dụng phần mềm Matlab 5. Kết quả đạt được của đề tài Đề tài là tài liệu nghiên cứu về đối tượng động cơ điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu gồm: mô hình toán và các cấu trúc điều khiển, mô hình động cơ và cấu trúc điều khiển được mô phỏng kiểm chứng bởi phần mềm Matlab&Simulink. Kết quả nghiên cứu sẽ làm phong phú thêm nội dung bài giảng các môn học chuyên ngành: Kỹ thuật điện, máy điện… và phục vụ công tác đào tạo nhân lực của Nhà trường.. Như vậy đề tài “Nghiên cứu khảo sát động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu và cấu trúc điều khiển sử dụng phần mềm Matlab” được đưa ra vừa có ý nghĩa khoa học, vừa có giá trị thực tiễn và đào tạo. 3 Chương 1. Khảo sát mô hình động học của động cơ đồng bộ 1.1. Khái quát về động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có cấu tạo gồm các cuộn dây 3 pha phân bố đối xứng và rotor gắn nam châm vĩnh cửu để tạo từ trường khe hở. Việc loại bỏ được mạch điện kích từ ở phía rotor đem lại một số ưu điểm cho động cơ ĐB-KTVC như giảm tổn hao đồng, mật độ công suất cao hơn, giảm mô-men quán tính của động cơ, cấu tạo rotor bền vững về mặt cơ khí hơn..Hiện nay, giá thành của loại động cơ ĐBKTVC vẫn cao hơn so với loại động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc (KĐB-RLS) ở cùng dải công suất, nhưng động cơ ĐB-KTVC thường có hiệu suất cao hơn, nên trong thời gian lâu dài thì giá thành sử dụng của động cơ ĐB-KTVC vẫn nhỏ hơn so với động cơ KĐB-RLS. Động cơ ĐB-KTVC đang được sử dụng rất rộng rãi và ngày càng nhiều hơn trong công nghiệp, đặc biệt ở dải công suất thấp và trung bình (công suất tới vài trăm hp-horse power) 1.2. Mô hình động học của PMSM 1.2.1. Nguồn tương đương Các đầu vào công suất cho máy ba pha có được bằng năng lượng đầu vào cho các máy hai pha có ý nghĩa giải thích trong phép đo, phân tích và mô phỏng. Công suất đầu vào tức thời của 3 pha là: t pi  vabc iabc  vas ias  vbs ibs  vcs ics (1.1) pi : công suất đầu vào tức thời t vabc : vector điện áp pha abc tức thời vas , vbs , vcs : điện áp đầu vào pha a, b, c iabc : vector điện áp pha abc : dòng điện stator tức thời 3 pha ias , ibs , ics Các dòng pha abc và điện áp được chuyển thành tương đương: r iabc  Tabc  iqd 0 (1.2) r vabc  Tabc  vqd 0 (1.3) 1 1 Từ (1.1), (1.2), (1.3) ta có công suất đầu vào: r pi   vqd 0 t Tabc   T 1 t abc  1 r qd 0 i (1.4) Khai triển phía bên phải của phương trình (1.4), công suất đầu vào trong các biến dq0 là: pi  3  vqsr iqsr  vdsr idsr   2v0i0   2 (1.5) Đối với máy 3 pha không có thứ tự dòng điện, công suất đầu vào có thể được thu gọn: pi  3  vqsr iqsr  vdsr idsr   2v0i0   2 (1.6) 4 1.2.2. Momen điện từ Mô-men điện từ là các biến đầu ra quan trọng nhất để xác định các động lực cơ khí của máy chẳng hạn như vị trí rotor và tốc độ. Nó có nguồn gốc từ phương trình ma trận máy bằng cách nhìn vào công suất đầu vào và các thành phần khác của nó như tổn thất điện trở, công suất cơ học, và mức độ thay đổi của năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây stator. Mức độ thay đổi của năng lượng từ trường được lưu trữ chỉ có thể bằng không trong trạng thái ổn định. Do đó, trong một trạng thái ổn định có tổn thất điện trở và công suất đầu ra chênh lệch với công suất đầu vào. Mức độ thay đổi của năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây stator không cần phải bằng không. Và nguồn gốc của các momen xoắn điện từ được thực hiện như sau. Các phương trình động học của PMSM có thể được viết như sau: (1.7) V = [R]i + [L]pi + [G]wr i Công suất đầu vào tức thời là: pi = itV = it [R]i + it [L]pi + it [G]wri (1.8) Với: : ma trận các thành phần điện trở : ma trận các hệ số của hàm điều hành p : ma trận các hệ số của tốc độ rotor (ωr) : điện trở tổn thất ở rotor và stator : biểu thị mức độ thay đổi trường lưu trữ : các thành phần còn lại bao gồm cả khe hở không khí [R] [L] [G] it[R]i it[L]pi it[G]ωri Mối liên hệ giữa khe hở không khí và momen xoắn: wmTe = Pa = i t [G ]i.wr = i t [G ]i P wm 2 (1.9) Trong đó P là số cực. Bỏ qua tốc độ trên cả hai vế phương trình ta có momen điện từ: Te = i t [G ]i P 2 (1.10) Thay thế [G] trong phương trình (1.10) ta có momen xoắn điện từ thu được dưới dạng: Te = 3Pé l af + (Ld - Lq )idsr ù iqsr ( N .m) ê ú ë û 22 (1.11) 1.2.3. Từ thông móc vòng Các phương trình động lực của PMSM trong hệ tọa độ rotor có thể được thể hiện bằng cách sử dụng các mối liên kết thông như các biến. Ngay cả khi điện áp và dòng là không liên tục thì các từ thông móc vòng vẫn liên tục. Điều này tạo thuận lợi phân biệt các biến số có sự ổn định. Các từ thông móc vòng stator và rotor trong hệ tọa độ rotor được định nghĩa là: l qsr = Ls iqsr (1.12) 5 l dsr = Ls idsr + l af (1.13) Từ những phương trình này, dòng điện stator trong hệ tọa độ rotor có thể được biểu diễn với các từ thông móc vòng và cuộn cảm. Điện áp theo hệ dq stator về các từ thông móc vòng trong hệ tọa độ rotor như sau: vqsr = Rs r l qs + pl qsr + wrl dsr Lq (1.14) vdsr = Rs r l ds + l af )+ pl dsr - wrl dsr ( Ld (1.15) Những phương trình này có thể được biểu diễn dưới dạng các mạch tương đương và cũng có thể ở dạng một sơ đồ khối. Momen điện từ như là một hàm của các từ thông móc vòng thu được bằng cách thay thế dòng điện stator về các từ thông móc vòng và được tính toán như: Te = 3P 1 é 3 Pé r r pl af + (1- r )l dsr ù l qsr = l ds ids + l qsr iqsr ù ë û ë û 2 2 Lq 22 Với : r = Lq Ld (1.16) (1.17) Phần thứ hai của biểu thức thể hiện rõ hơn momen là kết quả của sự tương tác giữa từ thông móc vòng và dòng điện trục d-q ở các cuộn dây và ngược lại. Các dấu trừ liên quan đến các từ thông móc vòng trục q và trục d dòng điện là bởi vì nó tạo ra một momen cản ngược lại với các thành phần momen khác. 1.2.4. Mạch tương đương Các mạch tương đương của PMSM có thể bắt nguồn từ các phương trình stator và được thể hiện ở hình 1.1. Hình 1.1. Mạch tương đương của PMSM bỏ qua tổn thất lõi. (a) mạch tương đương stator theo trục q (b) mạch tương đương stator theo trục d 6 (c) mạch tương đương không theo trình tự Các mạch tương đương rất hữu ích trong việc nghiên cứu hệ thống. Các mạch tương đương có thể được sửa đổi để giải thích cho những tổn thất lõi. Tổn thất lõi sinh ra bởi từ trễ và các tổn thất dòng xoáy trong các lá thép kỹ thuật điện. Trong khi những tổn thất thường bị chi phối bởi mật độ từ trường, tần số kích thích, và đặc tính của lá thép, và độ dày của lá thép trong trường hợp tổn thất dòng xoáy là duy nhất, cần lưu ý rằng mỗi biến ảnh hưởng đến sự tổn thất lõi rất khác nhau. Hơn nữa, có tổn thất trên mặt cực và tổn thất sóng hài do cuộn dây và các lá thép stator và rotor. Như vậy một mô hình tổn thất cho tất cả mọi các thành phần có thể không được dễ dàng tích hợp vào các mạch tương đương đơn giản. Tuy nhiên, một mô hình đơn giản để giải thích cho những tổn thất cốt lõi do kích thích cơ bản là có thể bởi một trở kháng tương đương, mặc dù vẫn có tổn thất khác như tổn thất trên mặt cực và tổn thất sóng hài được loại trừ trong một mô hình này. Mô hình này rất hữu ích trong các nghiên cứu tính hiệu quả tối ưu momen cho hoạt động của máy, và quan trọng nhất để xác định momen đối với tốc độ giới hạn để việc sử dụng tối ưu và an toàn nhất trong vận hành máy. Hình 1.2. Mạch trạng tương đương thái ổn định với tổn thất lõi của PMSM. (a) mạch tương đương trạng thái ổn định theo trục q (b) mạch tương đương trạng thái ổn định theo trục d Việc thêm vào điện trở tổn hao tương đương trong các mạch theo trục q và d chứng minh rằng dòng điện tiêu thụ của chúng bị mất cho hệ momen trong máy. Hơn thế nữa, những tổn thất làm giảm khả năng tản nhiệt của máy. Các sơ đồ khối của PMSM được thể hiện trong hình 1.3. Các momen điện từ có được từ các từ thông móc vòng. Các dòng điện được rút ra từ các từ thông móc vòng và chúng không được hiển thị ở đây để đơn giản hóa. 7 Hình 1.3. Sơ đồ khối của PMSM. 1.2.5. Mô phỏng động học Các mô phỏng động năng của PMSM được giải thích trong phần này. Các phương trình của PMSM trong hệ tọa độ rotor: æ R ö l L 1 r ÷ r r r piqsn = wb ççç- sn iqsn - dn wrnidsn - afn wrn + vqsn ÷ ÷ ÷ çè Lqn Lqn Lqn Lqn ø æ L ö R r 1 r ÷ r r pidsn = wb çç- qn wrniqsn - sn idsn + vdsn ÷ ÷ ÷ çè Ldn Ldn Ldn ø 1 pwrn = (l afniqsnr - (Ldn - Lqn )idsnr iqsnr - Bn wrn - Tl n ) 2H (1.18) 1.19) (1.20) Các phương trình cuối cùng được thêm vào để tìm vị trí rotor vì nó rất quan trọng trong việc xác định điện áp và dòng điện trong từng pha của máy. Các vị trí rotor đơn vị là radian. Nó được xem là những phương trình phi tuyến, kết quả của các biến có liên quan. Các giải pháp của hệ thống sau đó thu được bằng cách tích hợp các phương trình vi phân. Phương pháp Runge Kutta Gill có thể được sử dụng cho tích phân số hoặc minh họa trong chương trình MATLAB, một giải pháp đơn giản bằng cách rời rạc hóa có thể thu được điện áp đầu vào. Các dòng pha abc có thể được lấy từ dòng dq trong hệ tọa độ rotor bằng cách sử dụng các ma trận biến đổi nghịch đảo. Từ các dòng dq stator, thu được momen điện từ. Việc thực hiện trong điều kiện mô phỏng được thể hiện trong hình 1.4. Không có sự điều khiển đối với các PMSM dựa trên vị trí rotor của nó trong mô phỏng này. Bởi vì các dòng stator đạt được giá trị cao với các dao động trong khe hở không khí momen, dẫn đến sự rung lắc đáng kể của rotor. Sự rung lắc như vậy là điều không mong muốn. Đối với mô phỏng này, momen tải được coi là bằng không và điện áp pha áp dụng là bằng với điện áp cơ sở về độ lớn và một bộ cân bằng điện áp ba pha với tần số 60 Hz. Các trục q và d điện áp stator trong hệ tọa độ rotor không phải là hằng số. 8 Start Đọc thông số của động cơ Khởi tạo thời gian và đọc các điện áp và thời gian cuối Tính các điện áp dq0 trong hệ tọa độ rotor Giải các phương trình vi phân của động cơ sử dụng phương pháp tích phân số RungeKutta Tính mô-men, từ thông và dòng abc Lưu giữ giá trị của các biến Sai Đã đạt thời gian cuối? Time time t Đúng In/hiển thị thời gian đáp ứng End Hình 1.4. Lưu đồ mô phỏng động lực của PMSM 9 Hình 1.5. Kết quả mô phỏng động lực Để vận hành PMSM tốt hơn, hãy xem xét điều khiển vòng kín đơn giản mà vị trí rotor được sử dụng để thiết lập một pha điện áp như một hình sin của vị trí rotor và góc α cố định. Các điện áp pha b và c có nguồn gốc tương tự. Góc α được gọi là góc pha điện áp stator. Độ lớn của điện áp pha được đưa ra như là một chức năng của tốc độ rotor cộng với một điện áp bù đắp như: (1.21) Vm = Kbwr + 1(V ) Với: K b : Hằng số EMF wr : Tốc độ quay rotor Điện áp bù vượt quá điện áp rơi trên trở để làm cho nó có khả năng tạo ra một dòng điện tại thời điểm bắt đầu từ điểm dừng. Đối với biến tần điều khiển tốc độ động cơ cảm ứng có thể nhận ra rằng điện áp bù phục vụ cùng một mục đích trong việc điều khiển U/f. Giả sử điện áp cơ sở là Vb, điện áp pha bình thường được viết là: Vasn = Vm sin (wt t + a ) Vb ( p.u ) (1.22) Điện áp tăng lên tương ứng với tốc độ. Góc giữa các từ thông móc vòng rotor và điện áp được duy trì ở 90 °, nghĩa là α = 90 °. Các momen khe hở không khí giảm khi dòng điện giảm trong biên độ do sức điện động gây ra và tăng khi tốc độ tăng. Điện áp và tần số của điện áp và pha có thể được lập trình từ các tín hiệu điều khiển. 1.2.6. Phương trình tín hiệu nhỏ của PMSM Các phương trình điện của PMSM và các hệ thống con điện cơ được đưa ra trong phương trình (1.18) qua (1.21) kết hợp để cung cấp cho các phương trình động học của hệ thống tải của động cơ. Những phương trình động học phi tuyến là sản phẩm của hai biến dòng điện hoặc một biến dòng điện và tốc độ rotor. Đối với thiết kế bộ điều khiển với kỹ thuật thiết kế hệ thống điều khiển tuyến tính, các phương trình phi tuyến động 10 lực không thể được sử dụng trực tiếp. Chúng phải được tuyến tính xung quanh một điểm làm việc sử dụng kỹ thuật nhiễu loạn. Đối với đầu vào tín hiệu nhỏ hoặc rối loạn, các phương trình tuyến tính là hợp lệ. Các phương trình tuyến tính thu được như sau. Các biến trong các đơn vị SI là sau khi nhiễu loạn: (1.23) dvqsr = (Rs + Lq p)diqsr + wr 0 Ld didsr + (Ld I dsr 0 + l af )dwr dvdsr = - wr 0 Lqdiqsr + (Rs + Ld p)didsr - Lq I qsr 0dwr P Jpdwr + Bdwr = (dT - dTl ) 2 pdqr = dwr 3P dTe = (l af diqsr + (Ld - Lq )(I dsr 0diqsr + I qsr 0didsr )) 22 (1.24) 1.25) (1.26) (1.27) Kết hợp phương trình thông qua (1.23) và (1.27) đưa về mô hình không gian trạng thái ta có: (1.28) pX = AX + BU Với: t X = éëdiqsr didsr dwr dqr ù (1.29) û U = éëdvqsr dvdsr dTl ù û t Rs    Lq   Lq r 0  A Ld   k1 af   Ld  Lq  I dsr 0   0   1  0 0    Lq    1 B 0 0  Ld    P 0 0   2J   0 0  0    (1.30)  Ld r 0 Lq   Rs Ld k1  Ld  Lq  I dsr 0 0 3 æP ö 1 k1 = çç ÷ ÷ 2 çè 2 ø÷ J    af  Ld I dsr 0  0    L  q I qsr 0 0 Ld   B  0 J  1 0  (1.31) (1.32) 2 (1.33) Đầu ra có thể là hàm của các biến trạng thái: (1.34) Trong đó C và D tại là vector kích thước thích hợp. Những hệ thống và đầu ra được mô tả bởi phương trình (1.28) và (1.34). Với mục đích nhỏ gọn trong việc xây dựng, momen tải đã được coi như một đầu vào. y = CX + DU 11 1.2.7. Đánh giá đặc tính điều khiển của PMSM Biến đổi Laplace phương trình (1.28) và (1.34) với các giả thiết điều kiện ban đầu bằng không: (1.35) sX (s)= AX (s)+ Bu s 1 ( ) y (s)= CX (s)+ Du (s) (1.36) Với s là biến Laplace. Áp dụng phương trình (1.31) và (1.32), đầu ra như sau: - 1 (1.37) y (s)= éêC (sI - A) B1 + Dù úu (s) ë û Với I là ma trận đơn vị. Ma trận đầu vào được viết: (1.38) Bu s = bu s 1 ( ) i i( ) Với bi là vector cột thứ i của ma trận B và i tương ứng với số phần tử trong vector đầu vào, tương tự: (1.39) Du (s)= diui (s) và kết quả là các phương trình: (1.40) sX (s)= AX (s)+ bu s i i( ) y (s)= CX (s)+ diui (s) (1.41) Việc đánh giá các hàm truyền được thực hiện đơn giản nếu dạng biến chính tắc hay pha của phương trình trạng thái được đưa ra trong phương trình (1.28) được tìm thấy. Giả định rằng nó được thực hiện bằng việc chuyển đổi sau đây: X = Tp X p (1.42) Các phương trình trạng thái và đầu ra được chuyển thành: pX p = Ap X p + Bp ui (1.43) y = C p X p + d i ui (1.44) Với: Ap = Tp- 1 ATp (1.45) Bp = Tp- 1bi (1.46) C p = CTp (1.47) Các ma trận và vector có dạng: é0 1 0 ù ê ú Ap = ê 0 0 1 ú ê ú ê- m - m - m ú 1 2 3 ë û t Bp = [0 0 1] Cp = [n1 n2 n3 ] (1.48) (1.49) (1.50) Và hàm chuyển đổi được viết: y (s) n1 + n2 s + n3 s 2 = + di u (s) m1 + m2 s + m3 s 2 (1.51) Vấn đề nằm ở chỗ tìm các ma trận biến đổi, Tp. Một thuật toán để xây dựng Tp được đưa ra dưới đây: 12    T p  t1 t2 t 3   t3  bi  t3- k  At3- k  m3- k  1bi ; k  1,2  (1.52) Với t1, t2, t3 là các vector cột. Các phương trình cuối cùng cần các hệ số của phương trình đặc trưng và được tính toán trước đó bằng cách sử dụng thuật toán Leverrier. Các thuật toán Leverrier được đưa ra sau đây:  m3  trace( A); H 3  A  m3 I  1  m2   trace( AH 3 ); H 2  AH 5  m4 I 2  1  m1   5 trace( AH 2 ) (1.53) Với các vết một ma trận là tổng các phần tử đường chéo của nó. Tần số đáp ứng được đánh giá từ phương trình (1.37) bằng cách thay thế, s = j ω. Mức độ và đồ thị pha có thể được vẽ trên phạm vi tần số mong muốn cho việc đánh giá các đặc tính điều khiển. Chương 2. Cấu trúc và chiến lược điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu 2.1. Cấu trúc hệ truyền động điều khiển động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu 2.1.1. Hệ truyền động điều khiển mô-men Coi hệ truyền động động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu với đầu vào bên ngoài là mômen và từ thông tổng yêu cầu (giá trị đặt). Chúng có thể là các đầu vào độc lập trong trường hợp mômen điều khiển truyền động động cơ trong ứng dụng điều khiển chuyển động hoặc có thể là trong hệ truyền động điều chỉnh tốc độ phụ thuộc vào các biến nội bộ. Cung cấp mômen đặt mM* , giá trị đặt dòng stator is* và góc mômen đặt  * 13 được tính toán từ các phương trình đã biết của mômen, từ thông tổng, các biến đặt được đưa ra thay cho biến thực và chúng là: mM*   m*  3 zp  * 1  * * 2  i sin   L  L i sin 2 *   N .m      p s sd sq s  2 2  2  (2.1)  (2.2)  Lsd is* cos  *    Lsqis* sin  *  Wb  2 p Cung cấp đầu vào bên ngoài là mômen và từ thông đặt, biên độ dòng stator và góc từ thông đặt có thể được tính toán từ phương trình (2.1), (2.2) với giả thiết rằng tham số của động cơ là hằng. Có sự phức tạp và khó khăn khi giải các phương trình này là đặc biệt là đối với PMSM cực lồi. Cần yêu cầu một số phép tính lặp với tính toán off-line và bảng trong quá trình thực hiện. PMSM với điện cảm dọc trục và ngang trục bằng nhau, khi đó giá trị đặt mômen và từ thông được giảm mM*   m*  3 zp  pis* sin  *   N .m)  2 2  (2.3)  Lsd is* cos  *    Lsqis* sin  *    p2   Lsd is*   2  p Lsd is* cos  *  Wb  2 p 2 2 (2.4) Giải pháp cho giá trị đặt mômen được phân tích theo các bước sau: ▪Bước 1: Thành phần dòng stator sinh từ thông is* cos  * được tính từ (2.4) bằng cách thay is* sin  * từ (2.3)     * 2  L2 m sd    * * is cos      m    p   3 zp     p  2 2  Lsd * M 2 (2.5) ▪Bước 2: Dòng đặt stator được tính từ (2.4) bằng cách thay thế is* cos  * từ (2.5) i  * s    * m 2 p  2 p  is* cos  *  (2.6) Lsd Giá trị đặt góc mômen có thể được tính từ (2.5) và (2.6). Từ giá trị đặt dòng và giá trị đặt góc mômen, thành phần dòng sản sinh từ thông và mômen có thể được tính từ để thay thế thực bằng biến đặt: iT*  * sin   (2.7)  *   is    cos   i f  Sử dụng chuyển hệ tọa độ từ hệ tọa độ rotor sang hệ tọa độ dòng ba pha, dòng pha đặt được tính:   cos s isu*   *    2 isv   cos  s  3 i *    sw     2 cos  s  3   sin s 2    sin  s  3   2    sin  s  3      sin s   *   *  2   iT  *   *    *   is sin  s    3   i f      2  * sin  s     3             (2.8) Dòng pha đặt có thể tính trực tiếp từ dòng stator chiếu lên các trục u,v,w như hình 2.1. Khi đó thực hiện điều khiển vector trong hệ truyền động điều khiển mômen động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu. Sơ đồ cấu trúc cơ bản như hình 2.2. Cấu trúc 14 điều khiển không thay đổi đối với máy điện đồng bộ cực lồi ngoại trừ các công thức dẫn xuất từ (2.1) và (2.2) điều này tương tự như cách cài đặt giá trị đặt của biên độ dòng stator và góc mômen. Các quá trình tính toán có thể được thực hiện on-line hoặc lưu giữ trong các bảng tính off-line để giảm bớt thời gian tính toán. Khi các thông số thay đổi, các bảng khác nhau cho sự biến đổi được lưu giữ và được gọi ra trong quá trình vận hành Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc điều khiển vector hệ truyền động điều khiển mômen động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu Góc pha của dòng stator trong hệ tọa độ gắn với stator được tính bởi tổng vị trí góc từ thông rotor và góc mômen:  s*  s   *  s t   * (2.9) Sử dụng (2.8) và (2.9), giá trị đặt dòng stator được tổng hợp trong khối thứ hai của bộ điều khiển vector. Quá trình tính dòng pha yêu cầu từ giá trị đặt mômen và từ thông là trái tim của bộ điều khiển vector và nằm trong phần nét đứt. Hệ thống là bộ điều khiển dòng với mômen và từ thông được điều khiển trực tiếp bởi dòng. Do đó, dòng điều khiển bao gồm cả dòng phản hồi và các chi tiết này không được đề cập. Chỉ có 2 dòng được đo về, và tổng ba dòng pha trong hệ thống ba pha ba dây bằng 0 và do đó dòng 3 pha có thể được tính từ hai dòng pha. Sai lệch giữa các dòng pha và giá trị đặt của chúng được xử lý, bộ điều khiển PI đưa ra giá trị đặt cho điện áp pha. Chúng có thể dẫn dắt trong biến tần thông qua bộ điều khiển có trễ hoặc bộ điều chế độ rộng xung (PWM) hoặc điều khiển điều chế không gian vector. Cụ thể của bộ điều chỉnh dòng không được thể hiện trong sơ đồ cấu trúc, sự thực hiện bộ điều chỉnh này thông qua biến tần. Thuật toán bộ điều khiển có trễ được xem xét ở phần này Bộ điều khiển dòng có trễ (Hysteresis Current Controller) Dòng hay trễ  i được chọn trước trong khi thực hiện và hai biến được đưa ra bởi phép cộng và trừ từ dòng pha đặt để có phạm vi điều khiển với dòng pha được giữ nguyên. Trên cơ sở đó, giá trị của dòng pha, bộ chuyển mạch lôgic cho bộ điều khiển dòng pha được thể hiện: Nếu  isu  isu*   i thì uu 0  Vdc 2 Nếu  isu  isu*   i thì uu 0   Vdc 2 Có thể gọi ua0 là điện áp tại điểm giữa của nhánh biến tần pha a. Các pha khác được thực hiện tương tự. Từ điện áp điểm giữa (midpoint voltages), điện áp dây và điện áp pha có thể được tính và có thể chuyển sang điện áp trục d, trục q trong hệ tọa độ tựa từ thông. Lời giải của các phương trình máy điện cho dòng stator trong hệ toạ độ rotor bằng cách chuyển đổi ngược các dòng điện pha. Mômen và từ thông được tính toán từ dòng trên hệ tọa độ rotor 15 2.1.2. Mô phỏng và kết quả của hệ truyền động điều khiển mômen Tốc độ của máy điện được giữ không đổi, mômen đặt là đầu vào của hệ truyền động. Điều này dễ dàng để kiểm tra trong phòng thí nghiệm nhưng không biết điều chỉnh mômen được thực tiễn như thế nào. Thường thì tốc độ điều khiển theo một cách thức nhất định hoặc trong thực tiễn, chẳng hạn con người sử dụng mạch vòng tốc độ trong hệ truyền động của phương tiện giao thông sử dụng điều chỉnh mômen. Một hệ truyền động đơn giản với góc mômen 900 với kết quả dòng đầu vào dòng stator sinh ra mômen điện từ và không có thành phần dòng tạo từ thông với kết quả đó không có suy giảm từ thông dọc theo trục từ. Điều đó không có nghĩa là không có sự biến đổi của từ thông, bởi vì từ thông stator trục q phụ thuộc vào thành phần dòng stator trục q liên kết với từ thông rotor vĩnh cửu. Với sự gia tăng của biên độ dòng stator, từ thông tăng lên được thấy rõ. Để tăng tốc độ tính toán, phương pháp số để giải phương trình vi phân cho máy điện được sử dụng là phương pháp Euler và cho thấy nhiều ưu điểm hơn sử dụng phương pháp Runger-Kutta bậc 4 Kết quả mô phỏng cho hệ truyền động điều chỉnh mômen khi giữ tốc độ 0.5pu (đơn vị tương đối), được thể hiện như hình 2.2 với bộ điều khiển dòng có trễ trong mạch vòng dòng. Sai lệch dòng được đặt là 0.1pu, giá trị lớn nhưng thuận tiện để theo dõi sự đập mạch của mômen. Bởi vì độ gợn cao của dòng trục q, độ nhấp nhô của mômen cũng tương đối lớn. Bộ điều khiển dòng dẫn dắt dòng theo các giá trị đặt với thời gian trễ nhỏ, một lợi thế riêng của bộ điều khiển dòng có trễ. Có thể thấy rằng từ thông tổng hay từ thông khe hở không khí tăng trưởng cùng với dòng stator. Góc mômen được điều khiển là giá trị trung bình để được giá trị mong muốn nhưng sai lệch của nó so với giá trị đặt phụ thuộc chủ yếu vào sai lệch dòng so với giá trị đặt được xác định bởi chất lượng của bộ điều khiển dòng trong biến tần và tham số của máy điện Thành phần dòng stator tạo từ thông cũng như vậy, giữ bằng 0 tương tự như góc mômen. Các biến trên đồ thị đều ở đơn vị tương đối trừ góc mômen, đây là góc điện và thời gian. Sau khi viết chương trình mô phỏng trên phần mềm Matlab ta có kết quả mô phỏng dưới đây, ứng với thông số của động cơ: ▪Số đôi cực zp=6 ▪Điện trở stator: Rs=1,4 (  ) ▪Điện cảm trục d: Lsd=0.0056 (H) ▪Điện cảm trục q: Lsq=0.009(H) ▪Từ thông cực  p  0.1546(Wb) ▪Hệ số ma sát: B=0.01 ▪Mômen quán tính J=0.006 (kg/m2) ▪Điện áp một chiều Vdc=285V ▪Tốc độ góc định mức s  314.3(rad / s) 16 isd*,isd mM*,mM 1 0 isu*,isv*,isw* -1 ws 1 0.5 isu,isv,isw delta*,delta 0 100 0 0.5 0 0 -1 1 0 -1 2 Phim isq*,isq 1 1 0 0.005 0.01 1 0 0 0.005 0.01 Hình 2.2. Điều khiển mômen với bộ điều khiển dòng có trễ Truyền động điều chỉnh mômen trên cơ sở điều chế PWM sine được thể hiện như hình 2.2 với điều kiện vận hành tương tự như bộ điều khiển dòng có trễ. Thực hiện bộ điều khiển dòng PWM được thể hiện trong hệ điều chỉnh tốc độ động cơ. Tần số sóng mang PWM là 20kHz. Dòng điện nhấp nhô và mômen dao động là rất nhỏ với tần số đóng cắt cao khi so sánh với bộ điều khiển có trễ với sai lệch lớn. Nhưng khi tính trung bình, các biến của hệ truyền động, chẳng hạn, mômen và từ thông khe hở được nhận dạng trong cả hai cấu trúc. Sự khác nhau về chất lượng là biên độ của dòng nhấp nhô và mômen đập mạch 2.1.3. Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ được xây dựng bằng cách dùng hệ truyền động điều chỉnh mômen như cấu trúc hình 2.1 làm cốt lõi và thêm vào mạch vòng điều khiển tốc độ để điều chỉnh tốc độ rotor của hệ truyền động và được thể hiện như hình 2.3. Sai lệch tốc độ giữa tốc độ thực và tốc độ đặt *   được xử lý thông qua bộ điều khiển PI (bộ điều khiển tốc độ) để vô hiệu hóa trạng thái sai lệch tốc độ. Đầu ra của bộ điều chỉnh tốc độ thiết lập giá trị đặt cho mômen mM* bởi vì sai lệch tốc độ có thể bằng không và cực tiểu hóa chỉ bằng cách tăng hoặc giảm mômen điện từ của máy điện, phụ thuộc vào sai lệch tốc độ là dương hay âm. Để đáp ứng nhanh tốc độ, một bộ điều chỉnh tỷ lệ-tích phân-đạo hàm PID được sử dụng. Từ thông đặt được đưa ra phụ thuộc vào tốc độ rotor. Biên độ của sức điện động cảm ứng không vượt quá điện áp một chiều cấp cho nghịch lưu, tỷ số giữa sức điện động cảm ứng và tần số stator được giữ là hằng, kết quả là từ thông không đổi và tần số lớn nhất (tần số cơ bản), với sự giới hạn này, tốc độ ở đây là tốc độ cơ bản. Ngay khi tần số vượt quá giá trị cơ bản, tốc độ được điều khiển vượt quá tốc độ cơ bản và hệ quả là sức điện động cảm ứng ban đầu vượt quá biên độ của điện áp một chiều cung cấp. 17 Hình 2.3. Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu Điều này dẫn đến điều khiển dòng stator rất khó và dẫn đến điều khiển mômen cũng khó khăn. Điều khiển hệ truyền động trở nên chậm trong vùng này. Để duy trì dòng điều khiển cần duy trì điều khiển qua độ lớn sức điện động cảm ứng, từ thông có thể được tính toán để giảm tỷ lệ nghịch với tốc độ, sức điện động cảm ứng được giới hạn ở một mức mà có thể đáp ứng tốc độ cơ bản thậm chí tốc độ được đẩy vượt quá giá trị đó. Chế độ vận hành này được hiểu là vùng suy giảm từ thông, chế độ vận hành này gọi là điều khiển suy giảm từ thông. Nhưng mômen không thể hy vọng giữ ở giá trị cơ bản đáp ứng tốc độ cơ bản cung cấp công suất tổng và nó không bao giờ có thể được vượt quá trong máy điện trong trạng thái ổn định, khi đó tổn hao lớn, bảo vệ nhiệt tác động, dẫn đến máy điện bị lỗi. Dòng stator yêu cầu vượt quá giá trị cơ bản của máy điện. Tất cả các vấn đề này xảy ra khi mômen giảm, khi tốc độ vượt quá tốc độ cơ bản, bằng cách lập trình để giảm dưới giá trị cơ bản, do đó, công suất khe hở không khí sinh ra cân bằng với công suất cơ bản. Điều khiển phức tạp được thực hiện đơn giản theo hai bước sau đây: ▪Lập trình tính toán từ thông Một bộ điều khiển cung cấp 1 p.u để tăng đến tốc độ cơ bản và quá tốc độ, điều này sẽ cho đầu ra tỷ lệ nghịch với tốc độ định mức, được tạo ra khi sử dụng chức năng tạo hàm để mô tả mômen hằng và chế độ vận hành trong vùng suy giảm từ thông của hệ truyền động. Đầu ra được định nghĩa bởi thành phần f (bn ) và tỷ lệ với từ thông đặt. Hệ số tỷ lệ Kf được đưa ra ở đây nhằm mục đích đó. Hàm chức năng f (bn ) sẽ đặt giá trị đặt cho từ thông tổng đòi hỏi hằng số Kf. Đầu ra của hàm chức năng cũng là đơn vị tương đối p.u, giá trị của Kf là duy nhất ▪ Lập trình tính toán mômen trong vùng suy giảm từ thông Điều này kéo theo quá trình tính toán của bộ điều khiển tốc độ tạo ra giá trị mômen đặt m* như một hàm của tốcđộ. Từ thông được tính toán tỷ lệ với tốc độ 18 1 if*,isd ws*,ws 1 0 mM*,mM -1 -1 2 1 0 0 -1 -2 isu,isv,isw is*,is 2 1 0 1 0 -1 m 2 0 Phi iT*,isq 2 -2 0 0 0.02 0.04 1 0 0 0.02 0.04 Hình 2.4. Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ với 04 góc phần tư và sử dụng bộ điều chỉnh dòng PWM của rotor, đầu ra của bộ điều khiển tính từ thông có thể dùng để điều chỉnh mômen đặt m* để có thể tạo ra mômen đặt mM* trong bộ điều khiển vector bằng cách nhân m* và f (bn ) như hình 2.4. Lý do cho khối này được điều chỉnh thành phần dòng stator tạo từ thông trong chế độ mà cả mômen và công suất đều giữ không đổi. Điều này được chứng minh sau đây: Hàm chức năng vận hành dựa vào tốc độ có đặc điểm:  f bn   b ; b    max r (2.10) f bn   1;0    b Trong đó  b là tốc độ cơ bản. Công suất tổng được tính  Pa  m mM*  f (bn )m* (2.11) zp / 2 Thay hàm từ (2.10) vào (2.11) công suất tổng với vùng mômen hằng số được tính: T * (2.12) Pa   m m* zp / 2 Công thức này thể hiện rõ rằng công suất tổng tỷ lệ với tốc độ khi mômen là hằng số cho đến khi tốc độ đạt giá trị cơ bản. Lưu ý mômen đặt lấy từ bộ điều khiển tốc độ m* là hằng số khi tốc độ ở trạng thái xác lập. Điều này không được bổ sung để đưa ra mômen điện từ đặt cuối cùng mM* cho bộ điều khiển vector.Trong vùng công suất không đổi, công suất tổng được tính như sau:  m* (2.13) Pa  b zp / 2 19 Tốc độ cơ bản  b và m* là hằng và do đó công suất đầu ra trong chế độ suy giảm từ thông được giữ là hằng tại công suất cơ bản. Chế độ vận hành giữ mômen không đổi và công suất không đổi được thực hiện với khối tạo hàm, như (2.12) và (2.13). Lưu ý rằng trừ bớt tổn hao trên trục động cơ từ công suất tổng được công suất đầu ra trên trục động cơ Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ là phần cơ bản của hệ truyền động điều chỉnh vị trí. Mạch vòng phản hồi vị trí rotor biến đổi tốc độ hệ truyền động sang vị trí . Khi đó hệ truyền động điều chỉnh vị trí có thể được xây dựng, chẳng hạn với động cơ servo. Ở đây ta quan tâm có thể mô phỏng hệ truyền động với các hiểu biết về hệ thống 2.1.4. Mô phỏng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ Mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm Matlab, kết hợp giá trị đặt của thành phần dòng tạo mômen đặt. Với từ thông, giá trị đặt không giữ lâu như từ thông tổng, một cách dễ dàng để thực hiện là giữ giá trị đặt trục d của hệ tọa độ gắn với rotor. Điều này có nghĩa từ thông rotor là tổng của từ thông cực từ và từ thông dọc trục tạo bởi thành phần dòng stator. Mặc dù có sự thay đổi, đặc tính động của hệ truyền động vẫn được đảm bảo như kết quả mô phỏng. Lưu ý rằng từ thông đặt không được thực hiện theo cách này trong thực tiễn Mạch vòng tốc độ của hệ truyền động điều chỉnh mômen là mạch vòng kín và làm việc ở bốn góc phần tư, khi mô phỏng với mômen tải 0.3pu. Kết quả được thể hiện như hình 2.4. Bộ điều khiển tốc độ PI được sử dụng trong hệ truyền động này. Bộ điều khiển dòng PWM được thiết lập trong mô phỏng này. Máy điện đứng yên tại thời điểm ban đầu và với tốc độ dương, mômen đặt được điều khiển là giá trị dương lớn nhất và được duy trì cho đến khi tốc độ rotor đạt giá trị yêu cầu. Khi tốc độ rotor bằng với tốc độ yêu cầu, mômen đặt sẽ giảm để phù hợp với mômen tải và mômen ma sát. Mômen đặt là âm khi tốc độ đặt thay đổi từ 0.5pu đến -0.5pu. Tốc độ rotor giảm dần tới 0. Giữ mômen âm, rotor đảo chiều quay và bám theo tốc độ đặt -0.5pu. Khi gần giá trị -0.5pu, mômen điện từ giảm nhẹ thấp hơn giá trị mômen tải +0.3pu, bởi vì mômen ma sát là âm và do đó tổng của mômen ma sát và mômen tải được mômen tổng. Quan trọng là chất lượng của mạch vòng dòng là minh chứng cần thiết của sự đảo dòng pha trong khi đổi chiều quay. Sự phản ứng chậm của mạch vòng dòng sẽ tác động tiêu cực đến đáp ứng tốc độ . Chế độ vận hành suy giảm từ thông: Khi lớn hơn 0.5pu, từ thông suy giảm được khởi tạo sử dụng thuật toán đã biết ở phần trước. Dòng đặt trục d được giảm khi suy giảm từ thông, kết quả là giảm từ thông tổng. Chất lượng của hệ truyền động dưới điều kiện này được nhận dạng để đạt hiệu quả trong cả 4 góc phần tư. Lưu ý rằng trong miền suy giảm từ thông, mômen yêu cầu giảm để giữ công suất tổng không đổi. Mã chương trình Matlab có thể được thêm vào mạch vòng mô phỏng sau khi tính toán mômen đặt: if wwb/2, fw=(wb/2)/w; end mM_refnew=mM_ref*fw; if_ref=(fw-1)*Phi_p/Lsd; it_ref=mM_refnew*(2/3)*(2/zp)/((Lsd-Lsq)*if_ref+Phi_p); 20