Điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ 3 pha

Nội dung text: Điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ 3 pha

1. ĐIỀUKHIỂN THÍCH NGHI ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ADAPTIVECONTROL OFTHREE PHASE INDUCTIONMOTORS (1)LÊ MINH PHƢƠNG, (2) NGUYỄN ĐẠI LỢI (1) Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh (2) Trường Cao Đẳng Nghề Tây Ninh TÓM TẮT Bài báo trình bày bộđiều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ 3 pha dùngđể ước tính tốc độ rotor trên mô hình tham chiếu thích nghi (MRAS) trên cơ sở quan sát từ thông hệ thống. Ưu điểm, bộ quan sát MRAS là đơn giản tuy nhiên sai số lớn khi từ thông quan sát đầu vào sai số. Để cải thiện chính xác bộ quan sát từ thông, trong đề tài dùng song song thêm mô hình tham chiếu thích nghi ước tính điện trở stator. Từ khóa:Động Cơ Không Đồng Bộ, Ước Lượng điện trở stator, Quan sát Luenberger,Ước Lượng Điện Trở Stator. ABSTRACT This paper presents adaptive controller of three phase induction motors to estimate the rotor speed on the model reference adaptive (MRAS) on the basis of observations from the system information. Advantages, the simple observation MRAS however significant error when the input flux observer bias. To improve the accuracy of the flux observed in parallel threads used more adaptive reference model estimated stator resistance. Key words: Induction Motor,Stator Resistance Estimator, Adaptive speed estimation, Luenberger Observer (LO), Model reference adaptive control. I. GIỚI THIỆU. (sensorless) góp phần giảm chi phí cũng Động cơ không đồng bộ xoay chiều như đơn giản hoá việc lắp đặt, bảo trì cho hệ thống động cơ không đồng bộ 3 pha. đươc̣ sử duṇ g phổ biến nhưng khó điều Một số công trình nghiên cứu trên thế giới khiển vì tính chất phi tuyến của nó . Ngày nay cùng với sự phát triển của các thiết bị đã đề cập ứng dụng điều khiển động cơ điện tử công suất và các bộ vi xử lý thì việc đồng thời không dùng cảm biến tốc độ, điều khiển động cơ không đồng bộ trở nên nhưng còn hạn chế ở trạng thái lý tưởng dễ dàng hơn. Đối với những hệ thống yêu động cơ hoạt động với thông số không thay cầu chính xác cao về tốc độ người ta buộc đổi theo thời gian. Bài báo nghiên cứu tập dùng cảm biến tốc độ (encoder) hồi tiếp tốc trung ứng dụng điều khiển sensorless với độ. Vì thế, việc loại bỏ cảm biến tốc độ thông số điện trở stator được quan sát theo thời gian. 1
2. II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Thực hiện biến đổi Laplace từ phương trình trên ta được 2.1 Phƣơng pháp điều khiển định L hƣớng từ thông rotor (Field Orientated  m .i (3.49) rdsT.1 sd r Control -FOC). r Từ công thức 3.48 và 3.49 cho thấy Phương pháp điều khiển FOC dựa trên được, việc điều khiển từ thông và moment việc điều khiển động cơ một chiều kích từ của động cơ KĐB 3 pha thông qua 2 thành độc lập: từ thông rotor được giử ổn định bởi dòng isd, momen và tốc độ được điều khiển phần isd và isq .Do đó điều khiển động cơ bởi dòng isq. không đồng bộ (phi tuyến) trở thành điều Từ phương trình động cơ trên hệ tọa độ khiển tuyến tính và độc lập. quay rotor (hệ tọa độ dq). Trong phần này tác giả sẽ tiến hành thực d r hiện các giải thuật dựa trên phương pháp điều u r R i r s j  r s s s dt s s khiển định hướng từ thông rotor trực d r tiếp(DRFOC) như trong hình 2 0 R i r r j  r r r e r dt r r r  s Lsis Lmir r r r  r Lris Lmir Hình 2 Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp Hình 1 Quan hệ giữa các hệ trục. Trong phương pháp điều khiển định Ta chiếu hệ phương trình trên lên các hướng từ thông rotor trực tiếp, biên độ hệ trục dq sao cho từ thông rotor nằm và vị trí góc của từ thông rotor được đo hoàn toàn trên trục d (rd=r) và như hoặc ước lượng. Ở đây ta thực hiện phương pháp ước lượng từ thông rotor vậy thành phần rq=0. Ta có phương từ dòng và áp hồi tiếp cho kết quả tốt ở trình moment tốc độ cao nhưng tại tốc độ thấp thì độ 3 L T pm  i chính xác thấp. Phương pháp(3.48) này được e2 L rd sq r xây dựng từ hai phương trình điện áp 2
3. stator và từ thông stator của ĐCKĐB. ước lượng chính là tốc độ rotor cần quan d s sát. s s s u R i s s s dt s s s s Lm s s  L i s L i s L i s  L i s s s m s r m Lr s L L L2 di s L d u s R i s s r m s m r s s s L dt L dt r r d s 2 s r Lr s s Ls Lr Lm di s Hình 3 Sơ đồ khối cấu trúc cơ bản u s R i s dt L s L dt của MRAS m m t 2 s L s s L L L s Đối với sơ đồ cấu trúc MRAS ở  r u R i dt s r m i r(I ,U ) s s s s hình 3 này thì các kết quả của mô hình Lm 0 Lm tham chiếu và mô hình điều chỉnh L t L L L2  r u R i dt s r m i r s s s s r(1), r(2) là 2 giá trị ước lượng của Lm 0 Lm từ thông rotor. t 2 Lr Ls Lr Lm  u R i dt i So sánh sự khác biệt giữa 2 r s s s s Lm 0 Lm vector ước lượng được sử dụng để cung cấp điều khiển bộ PI. Đầu ra của bộ Uớc lượng từ thông rotor từ dòng và áp điều khiển được sử dụng để điều chỉnh hồi tiếp là: các mô hình có thể điều chỉnh. Tín hiệu t L L L L2 thực tế của tốc độ rotor làm cho các tín  r u R i dt s r m i r s s s s Lm 0 Lm hiệu lỗi zero. Cơ cấu thích nghi MRAS t L L L L2 là khuyếch đại đơn giản hoặc theo thuật  r u R i dt s r m i r s s s s toán điều khiển PI như sau: Lm 0 Lm est K  K dt p i 2.2 Phƣơng pháp điều khiển khi thông Khi đó tín hiệu đầu vào của bộ điều số động cơ thay đổi (Ts). khiển PI là: 2.2.1 Phƣơng pháp ƣớc lƣợng tốc độ (1) (2) (1) (2) dùng mô hình tham chiếu thích nghi   r r  r  r (MRAS) cơ bản. Khi đó Kp và Ki là các thông số của Trong mô hình điều khiển sensorless, tốc bộ điều khiển PI. độ ước tính được đưa ngược lại mô hình 2.2.2 Mô hình MRAS ƣớc lƣợng tốc độ điều chỉnh, khi tốc độ được ước tính chính khi thay đổi thông số động cơ (Ts). xác, sai số 2 mô hình tiến về zero. Tốc độ 3
4. Để đảm bảo ước lượng chính xác tốc Cả 2 mô hình được hình thành bằng cách độ rotor. Ở đây ta dùng 2 mô hình MRAS sử dụng phương trình sau: song song. Mô hình MRAS ước lượng tốc Cho tốc độ trên hệ qui chiếu a=0, độ và mô hình MRAS điện trở Rs’khi thay phương trình cơ bản của động cơ là: đổi thông số động cơ. Cả hai mô hình đều Từ phương trình điện áp stator ta có: sử dụng bộ quan sát từ thông để làm mô d hình tham chiếu, cũng như mô hình hiệu u R i s s s s dt chỉnh. Trong đó, mô hình tham chiếu d s MRAS tốc độ là bộ quan sát từ thông us Rsis dt vòng kín xây dựng theo mô hình d 1 i u s Luenberger trên cơ sở mô hình áp, nhằm s s dt Rs giảm sai số từ thông rotor. Và  s Lsis Lmir  L i L i s m s r r s 1 s s ir  s Lsis Lm L  L i s r  s L i s r m s L s s s m L L2 L L r s m s r s  s 1 is Lm Ls Lr Lm L L L  s r  s  s r is r L s L s Hình 4 Mô hình nội ước lượng song song Do m m tốc độ rotor và điện trở stator d s 1 is us Như đã đề cập ở trên, ước lượng từ dt R s thông ở vùng tốc độ động cơ thấp theo mô Ta thế vào suy ra được : hình áp chịu ảnh hưởng chính bởi điện trở stator. Trong thực tế khi động cơ hoạt L L d L L L s r s  r  s r u động nhiệt độ cuộn dây tăng cao dẫn đến r s s Rs Lm dt Lm Rs Lm điện trở stator thay đổi. Để khắc phục vấn d R L s s  m  u đề này, trong luận văn dùng thêm 1 bộ s r s dt Ls Lr quan sát điện trở stator thời gian thực. Hệ thống thích nghi mô hình mẫu Với Ts=Ls/Rs , Kr=Lm/Lr. bao gồm 2 mô hình gồm một là mô hình Ta được: hệ qui chiếu và một là mô hình điều chỉnh. 4
5. ˆ ˆ ˆ s Lsis r Lr (4.9) d s 1 Lm L m  s  r us dt Ts Lr ˆ L iˆ ˆ L s s s r r Từ phương trình trên dùng để tính Lm toán vector từ thông rotor trên cơ sở đo 2.2.2.2 Bộ quan sát từ thông vòng kín dòng điện stator và điện áp( tính toán từ Luenberger . sử dụng các vector PWM). Phương trình đầu tiên này không phụ thuộc tốc độ rotor, Bộ quan sát Luenberger là quan sát do đó nó được miêu tả mô hình tham vòng kín. chiếu được thể hiện ở hình 4 Phương trình bộ quan sát từ thông stator có thể viết: 2.2.2.1 Phƣơng trình tham chiếu. d Xˆ AXˆ Bu K(Y Yˆ) s (4.10) Từ thông stator được ước lượng từ quan sát dt ˆ ˆ vòng kín Luenberger Y CX Khi đó: ˆ   s : từ thông stator ước lượng trên trục alpha ˆ   s : từ thông stator ước lượng trên trục beta Hình 5: Bộ quan sát Luenberger  ˆ : từ thông rotor ước lượng trên r Từ đó ta suy ra được bộ quan sát vòng kín trục alpha từ thông stator là:  ˆ : từ thông rotor ước lượng trên r d 1 L (4.11) s  m  u k i iˆ trục beta s r s s s dt Ts Lr  iˆ : dòng điện stator ước lượng s Ta viết trên hệ tọa độ αβ là: trên trục alpha ˆ d s 1 Lm ˆ ˆ ˆ s ˆ r us k is is  is : dòng điện stator ước lượng dt Ts Lr trên trục alpha dˆ 1 L s ˆ m ˆ u k i iˆ Ta suy ra: s r s s s dt Ts Lr ˆ Lr ˆ Ls Lr ˆ r s is Lm Lm 2.2.2.3 Phƣơng trình hiệu chỉnh. Từ chương 3 ta có phương trình : Ta có thể viết trên hệ tọa độ αβ là: 5
6. d L 1 Ta đặt: r m i j  s r TTT dt Tr Tr   IIVVIV        Ta viết phương trình lên hệ tọa độ αβ là: T    ˆ ,,RRR ˆ   ˆs ˆ s  ˆ s s s s rI  rI rI d r Lm 1 is j  r dt T T 0 1 1 0 r r s is i  s i s ,, J I d L 1 1 0 0 1 r m i j  s r Chọn ma trận hiệu chỉnh phi tuyến dt Tr Tr W [26]: 1 jr 0 1 0 0 ˆ  T  L i rI r r r m s  1 0 0 0 ˆ  r 1  r T is   r W. rI r T r 0 0L 1 0 i r s Rs 2.2.2.4 Luật hiệu chỉnh trên cơ sở lý 0 0L 0 1 m is thuyết ổn định Popov. Định nghĩa các hàm sai số: ssˆ Kiểm tra ổn định hệ thống theo tiêu V  rV  rV chuẩn ổn định Popov: L  r ()R Rˆ is t1 V s s s S T .W. dt 2 ,  t Lm 1 0 ss   ˆ I rI rI T Tˆ sLr T s .W  I .J .  rI R s  V . i s L 1 m   jj   ()  ˆ ˆ s I I rI t1 t 1L t 1 Tr S T.W. dt  T . J . ˆ s . dt r  R T . i s . dt I rI s V s 0 0Lm 0 s    rV : là giá trị thực của từ thông rotor . SS12 s Lr 2  rI : là giá trị thực của từ thông rotor . S S ., S   t 1L 2 1 m Viết lại dƣới dạng ma trận trên hệ tọa Ta tách thành 2 phƣơng trình: độ t1 1 S  Ts J ˆ dt 2  00 11 I rI  T 0 IIr t1  d II 1 Ts 2  00.WW A  S22 Rs  V i s dt  dt  T VV r 0 VV 0 0 0 0 Tốc độ rotor và điện trở stator ƣớc 0 0 0 0 lƣợng qua khâu hiệu chỉnh PI: 6
7. Do Các thông số của động cơ dùng khi mô   s ˆ s ˆ s ˆ s phỏng công suất động cơ. I rI rI rV rI Từ - Công suất định mức của đc: Pđm =4KW  s ˆ s rI rV - Dòng điện định mức: I = 16,5A - Điện áp định mức: V = 380V Từ 4.16 ta được : - Số đôi cực: p = 2 Ts ˆ KKJ  ˆ p I I rI - Điện cảm cuộn stator: Ls = 0.156 H - Điện cảm cuộn rotor: Lr = 0.156 H ˆ s ˆs  ˆ s  ˆ s  ˆ s . rI - Điện trở rotor: Rr = 1.44Ω rV rI  rV  rI ˆ s  rI - Điện trở stator: Rs = 1.15Ω Rˆ K K Ts. i - Tốc độ định mức 1470 vòng/phút s pRss IR V s i s ˆs  ˆ s  ˆ s  ˆ s . 3.1 Trường hợp 1: Mô phỏng động cơ rV rI  rV  rI i s khi Khi đó: + Tốc độ động cơ 1000 vòng/phút. + Đặt tải TL =5Nm tại thời điểm 2s. Kp, KI, KpRS, KIrs : là thông số điều khiển + Hệ số Ts=Tsđm =Ls/Rs=0.156/1.15= PI tương ứng điều khiển thích nghi cho 0.136s tốc độ rotor và điện trở stator. 3. KẾT QUẢ. Mô phỏng trên thư viện simulink của phần mềm MATLAB 2013a. Hình 6 : Mô hình điều khiển DFOC_MRAS thích nghi 7
8. Hình 6.2 Đáp ứng ngõ ra ĐCKĐB 3 pha điều khiển bằng phương pháp DFOC truyền thống và DFOC_MRAS thích nghi khi tải bằng 5Nm và tốc độ là 1000 vòng /phút. 6.2.2 Trường hợp 2: Mô phỏng động cơ khi + Tốc độ động cơ thay đổi theo thời gian n=[500 1000 1470]vòng/phút + Đặt tải TL=5Nm thay đổi theo thời gian . + Hệ số Ts=Tsđm=0.136s 8
9. 6.2.3 Trường hợp 3: Mô phỏng trường hợp khi làm việc động cơ nóng dần lên thì điện trở stator sẻ thay đổi dẫn đến hằng số stator thay đổi theo. + Mô phỏng động cơ ở tốc độ thay đổi n=[500 1000 1470]vòng/phút +Đặt tải TL thay đổi theo thời gian. +Hệ số T =T /1.1=Ls/(1.1*Rs)=0.12 s sđm Hình 6.4 Đáp ứng ngõ ra ĐCKĐB 3 pha điều khiển bằng phương pháp DFOC truyền thống và DFOC_MRAS thích nghi khi tải khiển khi tải thay đổi theo thời gian và tốc độ thay đổi theo thời gian. và hằng số stator =hằng số stator định mức . 9
10. 6.2.4 Trường hợp 4: Mô phỏng trường hợp khi làm việc động cơ nóng dần lên thì điện trở stator sẻ thay đổi dẫn đến hằng số stator thay đổi theo. + Mô phỏng động cơ ở tốc độ thay đổi n=[500 1000 1470]vòng/phút. +Đặt tải TL thay đổi theo thời gian. +Hệ số T =T /1.2=Ls/(1.2*Rs)=0.113 s sđm Hình 6.6 Đáp ứng ngõ ra ĐCKĐB 3 pha điều khiển bằng phương pháp DFOC truyền thống và DFOC_MRAS thích nghi khi tải khiển khi tải thay đổi theo thời gian và tốc độ thay đổi theo thời gian. và hằng số stator =hằng số stator định mức/1.1 . 10
11. III. KẾT LUẬN. Hệ truyền động điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha phương pháp điều khiển hiện đại DFOC sử dụng ước lượng tốc độ thích nghi (MRAS) được mô phỏng với nhiều trường hợp khác nhau có tính đến sự thay đổi tải và sự thay đổi thông số động cơ (thông số thay đổi do nhiệt độ động cơ thay đổi), điều khiển với nhiều mức tốc độ khác nhau. Các kết quả thu được đều được so sánh với hệ truyền động điều khiển DFOC truyền thống. Với các nhận xét trong từng trường hợp kể trên cho thấy DFOC_MRAS thích nghi có đáp ứng động tốt hơn khi có sự thay đổi do nhiệt độ đối với phương pháp DFOC. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lê Minh Phương (chủ biên), Phan Quốc Dũng (2011), Mô phỏng điện tử công suất trong Matlab-Simulink, Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP.Hồ Chí Hình 6.8 Đáp ứng ngõ ra ĐCKĐB 3 pha Minh. điều khiển bằng phương pháp DFOC [2]. Trần Công Binh (2008) Bài giảng truyền thống và DFOC_MRAS thích nghi Hệ thống điều khiển số (động cơ không khi tải thay đổi theo thời gian, tốc độ thay đồng bộ 3 pha). đổi và hằng số stator =hằng số stator định [3].Veran Vasic, Slobodan N. Vukosavic, mức/1.2 . Emil Levi “A Stator Resistance Estimation Scheme for Speed Sensorless Rotor Flux Oriented Induction Motor Drives”. 11
12. [4 ] E. D. Mitronikas, A. N. induction motor” Volume 2 Issue 5 May, Safacas, and E. C. Tatakis, “A new 2013 Page No. 1578-1583. statorresistance tuning method for [6] Mohammad Jannati, Ali Monadi, stator-flux-oriented vector-controlled Nik Rumzi Nik Idris, Mohd Junaidi induction motor drive,” IEEE Trans. on Abdul Aziz “Speed Sensorless Vector Industrial Electronics, vol. 48, no. 6, pp. Control of Unbalanced Three-Phase 1148-1157, 2001. Induction Motor with Adaptive Sliding [5]. T. Ravi kumar, Ch. Shankar Rao, Mode Control” International Journal of Ravi Shankar “Model reference adaptive Power Electronics and Drive System technique for sensorless speed control of (IJPEDS) Vol. 4, No. 3, pp, 406-418, September 2014. Thông tin liên hệ tác giả chính (ngƣời chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Nguyễn Đại Lợi Đơn vị: Trƣờng Cao Đẳng Nghề Tây Ninh Điện thoại: 0986655948 Email: ndloitn@gmail.com 12
13. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.