Luận văn Điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC) động cơ không đồng bộ ba pha (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC) động cơ không đồng bộ ba pha (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC SƠN ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR (RFOC) ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA S K C 0 0 3 9 5 9 NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 0 3 9 3 7 Tp. Hồ Chí Minh, 2012
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC SƠN ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR (RFOC) ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN MINH TÂM TP. Hồ Chí Minh, tháng 11/2012
3. Luận văn tốt nghiệp LÝ LỊCH KHOA HOC̣ I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ và tên: NGUYỄN NGỌC SƠN Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 06/09/1977 Nơi sinh: Quảng Bình Quê quán: Quảng Bình Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: Ấp 2, xã Bàu Cạn, huyện Long Thành, tỉnh Đồng Nai Điêṇ thoaị cơ quan: (061)3558700 Điêṇ thoaị nhà riêng: (061)6286086 Fax: (061)3558711 Email: sonly222@yahoo.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/1996 đến 03/ 2001 Nơi học: Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Ngành học: Điện khí hóa & cung cấp điện ( ĐKC ) Tên đồ án tốt nghiệp: Tài liệu giảng PLC Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 03/2001 – Trƣờng ĐH SPKT TP.HCM Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Nguyễn Minh Tâm III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Cty CP ĐT TM Incomfish – KCN Vĩnh 9/2001 – 06/2003 Nhân viên Lộc, Quận Bình Tân, Tp.HCM Cty Xây dựng Công trình Phúc Khang – 7/2003 – 02/2008 Nhân viên Quận 3, Tp.HCM Trƣờng Cao đẳng nghề Lilama 2 – 3/2008 đến nay Giảng viên, P. Khoa Long Thành, Đồng Nai i
4. Luận văn tốt nghiệp LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng 11 năm 2012 Ngƣời viết Nguyễn Ngọc Sơn ii
5. Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Sau hai năm học tập và nghiên cứu tại Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh, nay tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học của mình. Để có đƣợc thành quả này, tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ Thầy Cô, gia đình, cơ quan và bạn bè. Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy TS. Nguyễn Minh Tâm, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn trực tiếp tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy Cô đã giảng dạy cho tôi trong suốt thời gian qua. Tôi xin gƣ̉ i lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Trƣờng Cao đẳng nghề Lilama 2 đa ̃ taọ moị điều kiêṇ thuận lợi giúp tôi hoàn thành khóa học. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ cho tôi có niềm tin và nỗ lực cố gắng trong suốt quá trình học tập. Xin chân thành cảm ơn ! Học viên thực hiện Nguyễn Ngọc Sơn iii
6. Luận văn tốt nghiệp TÓM TẮT Động cơ không đồng bộ ba pha là thiết bị chủ lực trong truyền động điện x oay chiều vì các ƣu điểm nhƣ : cấu tạo đơn giản , chắc chắn, vận hành tin cậy , ít bảo trì, sữa chữa, giá thành hạ, hiêụ suất cao, so với đôṇ g cơ môṭ chiều . Tuy nhiên, việc điều khiển động cơ không đồng bộ là một vấn đề khó khăn, phức tạp vì động cơ không đồng bộ là một hệ phi tuyến và cần môṭ thuâṭ toán điều khiển hết sƣ́ c chăṭ chẽ. Phƣơng pháp điều khiển điṇ h hƣớng từ thông rotor (Rotor Flux Oriented Control – RFOC) đang đƣơc̣ sƣ̉ duṇ g phổ biến để điều khiển đôṇ g cơ . Phƣơng pháp RFOC có khả năng điều khiển đôc̣ lâp̣ tƣ̀ thông và tốc độ của động cơ . Để việc điều khiển đƣợc chính xác đòi hỏi phải có tín hiệu hồi tiếp của từ thông và tốc độ. Trên hệ thực, việc sử dụng các cảm biến từ thông và cảm biến tốc độ sẽ làm tăng chi phí và làm giảm độ tin cậy của hệ thống. Một phƣơng pháp đƣợc đề xuất là sử dụng ƣớc lƣợng tƣ̀ thông và t ốc độ động cơ kết hợp với phƣơng pháp RFOC để điều khiển động cơ. Với muc̣ đích cải tiến phƣơng pháp RFOC bằng việc ƣớc lƣợng từ thông và tốc độ, nội dung luận văn sẽ tập trung vào xây dựng mô hình điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phƣơng pháp RFOC để ƣớc lƣợng tƣ̀ thông và tốc độ động cơ. Các kết quả mô phỏng (tƣ̀ thông, tốc đô,̣ moment, dòng điện ba pha) bằng Simulink / Matlab của phƣơng pháp này sẽ đƣợc so sánh với với phƣơng pháp FOC truy ền thống. Viêc̣ so sánh cũng đƣơc̣ thƣc̣ hiêṇ khi đ ảo chiều quay động cơ, khi thay đổi tải ở trục động cơ cũng nhƣ thay đ ổi tốc độ. Từ đó đánh giá thấy hiêụ quả của phƣơng pháp đề xuất. iv
7. Luận văn tốt nghiệp ABTRACT Induction motors, are known with their ruggedness and reliability, due to their simple construction, much lower cost, lack of commutating elements, better power to mass ratio compared to the DC motors, which make them an attractive alternative in these applications. However, the advantages above mentioned come with the very complicated, coupled nonlinear dynamics, which requires putting in place sophisticated control algorithms in order to obtain good controlling. Rotor Flux Oriented Control (RFOC) method is being used popularly to control induction motor. The RFOC provides independent control of speed and flux. It is necessary to have feedback signals of speed and flux for the accuracy control. With the real system, the using of encoder and flux sensor will increase cost and decrease reliability of system. A proposed method is to use estimate speed and flux combined with RFOC method for controlling three - phase induction motor. With an aim of improving the Rotor Flux Oriented Control (RFOC), the main content of this thesis will concentrate to establish the model of control induction motor by combining RFOC for estimating speed and flux. Simulation results (flux, speed, torque, three - phase current) by Matlab / Simulink of proposed method are compared with the traditional method. The methods are compared in terms of their ability to handle loads on the motor shaft, their speed tracking capability and their sensitivity to operating condition variations. Since then, we evaluate effectiveness of the proposed method. v
8. Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách các chữ viết tắt ix Danh sách các hình x Danh sách các bảng xvi Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Mục tiêu đề tài 4 1.3 Phạm vi nghiên cứu 4 1.4 Trình tƣ ̣ các bƣớc tiến hành 4 1.5 Ý nghĩa đề tài 5 Chƣơng 2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 6 2.1 Đaị cƣơng về đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba pha 6 2.1.1 Cấu tạo 6 2.1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ ba pha 10 2.2 Vectơ không gian của các đaị lƣơṇ g ba pha 12 2.3 Hệ trục toạ độ quay 15 2.4 Mô hình trạng thái đôṇ g cơ không đồng bô ̣ba pha 17 2.4.1 Lý do xây dựng mô hình 17 2.4.2 Hệ phƣơng trình của động cơ không đồng bộ ba pha 19 vi
9. Luận văn tốt nghiệp 2.4.3 Mô hình trạng thái động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ αβ 20 2.4.4 Mô hình trạng thái động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ dq 22 Chƣơng 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 25 3.1 Các phƣơng pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha 25 3.2 Điều khiển động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn áp (V/f) 25 3.3 Phƣơng pháp điều khiển moment trực tiếp động cơ 28 Chƣơng 4 HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG ĐỊNH HƢỚNG TRƢỜNG 30 4.1 Đại cƣơng về FOC 30 4.2 Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng từ thông rotor trực tiếp (DRFOC) 34 4.3 Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng từ thông rotor gián tiếp (IRFOC) 38 4.4 Thuật toán trong điều khiển RFOC 39 4.5 Thiết kế các bộ PID 40 Chƣơng 5 ƢỚC LƢỢNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TRONG 43 5.1 Đặt vấn đề 43 5.2 Ƣớc lƣợng vecter từ thông rotor 44 5.2.1 Mô hình áp 44 5.2.2 Mô hình dòng 45 5.3 Ƣớc lƣợng tốc độ động cơ 46 5.3.1 Phƣơng pháp tổng hợp trực tiếp từ các phƣơng trình trạng thái 46 5.3.2 Phƣơng pháp tính toán trƣợt (Slip calculation) 48 5.3.3 Phƣơng pháp hệ thống tham khảo thích ứng (MRAC) 48 5.4 Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ theo phƣơng pháp RFOC có sử dụng cảm biến tốc độ 50 5.4.1 Khối chuyển hệ tọa độ: dq −  51 5.4.2 Khối chuyển hệ tọa độ:  - abc 51 vii
10. Luận văn tốt nghiệp 5.4.3 Khối bộ nghịch lƣu 52 5.4.4 Khối mô hình động cơ: Induction motor 53 5.4.5 Khối ƣớc lƣợng tốc độ rotor 55 5.4.6 Khối ƣớc lƣợng từ thông rotor 57 5.4.7 Khối chuyển hệ toạ độ: abc – dq 58 5.5 Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ theo phƣơng pháp RFOC không dùng cảm biến tốc độ 59 Chƣơng 6 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 60 6.1 Mô phỏng phƣơng pháp RFOC có dùng cảm biến tốc độ 60 6.1.1 Chế độ không tải: TL = 0 Nm 61 6.1.2 Động cơ hoạt động có tải 63 6.1.3 Động cơ hoạt động có tải thay đổi 65 6.1.4 Đảo chiều động cơ 67 6.1.5 Thay đổi tốc độ 68 6.2 Mô phỏng phƣơng pháp RFOC không dùng cảm biến tốc độ 70 6.2.1 Chế độ không tải: TL = 0 Nm 71 6.2.2 Động cơ hoạt động có tải 72 6.2.3 Động cơ hoạt động có tải thay đổi 75 6.2.4 Đảo chiều động cơ 77 6.2.5 Thay đổi tốc độ 79 6.3 Kết luận 80 Chƣơng 7 KẾT LUẬN 81 7.1 Kết luâṇ 81 7.2 Hƣớng phát triển của đề tài 81 Tài liệu tham khảo 82 Phụ lục 84 viii
11. Luận văn tốt nghiệp DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT KĐB: không đồng bô ̣ FOC - Field Oriented Control: điều khiển tƣạ trƣờng RFOC - Rotor Flux Oriented Control: điều khiển định hƣớng từ thông rotor DTC - Direct Torque Control: điều khiển trƣc̣ tiếp moment ANN - Artificial Neural Network: mạng nơron MRAS - Model Referencing Adaptive System: hệ thống thích nghi quy chiếu mẫu Lm: hỗ cảm giữa rotor và stator Lσs: điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator Lσr: điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor (đã quy đổi về stator) Ls = Lm + Lσs: điện cảm stator Lr = Lm + Lσr: điện cảm rotor Ls Ts = : hằng số thời gian stator Rs Lr Tr = : hằng số thời gian rotor Rr L2  1 m : hệ số tiêu tán tổng Ls Lr P (Power): công suất của động cơ Pc (Pole couple): số đôi cƣc̣ Rs: điện trở stator Rr: điện trở rotor J: momen quán tính TL (Torque Load): moment tải ψ: tƣ̀ thông ω: tốc đô ̣ Te (Torque electromagnetic): moment điêṇ tƣ̀ I ,V, f: dòng điện, điêṇ áp, tần số ix
12. Luận văn tốt nghiệp DANH SÁ CH CÁ C HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 Các phƣơng pháp điều khiển thay đổi tần số 2 Hình 2.1 Lõi thép stator (a); lá thép (b); rãnh chứa dây quấn (c) 6 Hình 2.2 Rãnh ở mặt trong stator 7 Hình 2.3. Sơ đồ bố trí ba cuộn dây stator, dây quấn ba pha đặt trong rãnh 7 Hình 2.4 Vỏ máy và các phụ kiện 8 Hình 2.5 Lõi thép rotor 8 Hình 2.6 Rotor lồng sóc 9 Hình 2.7 Rotor dây quấn (a), hệ thống vành trƣợt (b) 9 Hình 2.8 Mặt cắt dọc của động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc 10 Hình 2.9 Từ trƣờng quay stator và sự hình thành các cực từ 11 Hình 2.10 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha 12 Hình 2.11 Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ không đồng bộ 3 pha 13 Hình 2.12 Thiết lập vector không gian từ các đại lƣợng ba pha 14 Hình 2.13 Vector không gian điện áp u s trong cả hai hệ trục tọa độ αβ và abc 14 Hình 2.14 Vector không gian điện áp trong cả hai hệ trục tọa độ αβ và dq 16 Hình 2.15 Mô hình của động cơ không đồng bộ ba pha 17 Hình 2.16 Sơ đồ mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ toạ độ αβ 20 Hình 2.17 Sơ đồ mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ toạ độ dq 23 Hình 3.1 Quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số 28 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực tiếp moment DTC 28 Hình 4.1 Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển định hƣớng trƣờng 31 Hình 4.2 Quan hệ giữa các trục 32 Hình 4.3 Hệ toạ độ từ thông rotor dq 34 Hình 4.4 Sơ đồ điều khiển điều khiển định hƣớng từ thông rotor trực tiếp 35 Hình 5.1 Mô hình tổng quát phƣơng pháp FOC không dùng cảm biến 43 x
13. Luận văn tốt nghiệp Hình 5.2 Ƣớc lƣợng từ thông theo mô hình dòng 46 Hình 5.3 Ƣớc lƣợng tốc độ bằng cách tổng hợp trực tiếp từ các phƣơng trình trạng thái 47 Hình 5.4 Ƣớc lƣợng tốc độ bằng MRAC 49 Hình 5.5 Mô hình mô phỏng RFOC sử dụng cảm biến tốc độ 50 Hình 5.6 Sơ đồ chuyển hệ trục toạ độ dq -  51 Hình 5.7 Sơ đồ chuyển hệ trục toạ độ  - abc 51 Hình 5.8 Sơ đồ tổng quát khối nghịch lƣu 52 Hình 5.9 Sơ đồ chuẩn hoá điện áp 52 Hình 5.10 Mô hình mô phỏng bộ nghịch lƣu 52 Hình 5.11 Mô hình mô phỏng động cơ IM 53 Hình 5.12 Sơ đồ chuyển hệ trục toạ độ abc -  54 Hình 5.13 Sơ đồ chuyển hệ trục toạ độ  - abc 54 Hình 5.14 Sơ đồ ƣớc lƣợng từ thông theo mô hình áp 55 Hình 5.15 Sơ đồ chuyển hệ trục toạ độ abc -  55 Hình 5.16 Sơ đồ ƣớc lƣợng tốc độ rotor 56 Hình 5.17 Sơ đồ ƣớc lƣợng từ thông theo mô hình dòng 57 Hình 5.18 Sơ đồ chuyển hệ trục toạ độ abc -  57 Hình 5.19 Sơ đồ chuyển hệ trục toạ độ abc - dq 58 Hình 5.20 Mô hình mô phỏng RFOC không sử dụng cảm biến tốc độ 59 Hình 6.1 Mô hình mô phỏng RFOC không dùng cảm biến tốc độ 61 Hình 6.1 Đáp ứng động cơ không tải 61 Hình 6.2 Đáp ứng tốc độ ở chế độ không tải 61 Hình 6.3 Đáp ứng động cơ khi có tải 63 Hình 6.4 Đáp ứng tốc độ cơ khi có tải 63 Hình 6.5 Đáp ứng động cơ khi thay đổi tải 65 Hình 6. 6 Đáp ứng tốc độ cơ khi thay đổi tải 65 Hình 6.7 Đáp ứng động cơ khi đảo chiều động cơ 67 Hình 6.8 Đáp ứng tốc độ cơ khi đảo chiều động cơ 67 xi
14. Luận văn tốt nghiệp Hình 6.9 Đáp ứng động cơ khi thay đổi tốc độ 68 Hình 6.10 Đáp ứng tốc độ cơ khi thay đổi tốc độ 69 Hình 6.11 Đáp ứng động cơ không tải 71 Hình 6. 12 Đáp ứng tốc độ ở chế độ không tải 71 Hình 6.13 Đáp ứng động cơ khi có tải 73 Hình 6.14 Đáp ứng tốc độ cơ khi có tải 73 Hình 6.15 Đáp ứng động cơ khi thay đổi tải 75 Hình 6.16 Đáp ứng tốc độ cơ khi thay đổi tải 75 Hình 6.17 Đáp ứng động cơ khi đảo chiều động cơ 77 Hình 6.18 Đáp ứng tốc độ cơ khi đảo chiều động cơ 77 Hình 6.19 Đáp ứng động cơ khi thay đổi tốc độ 79 Hình 6.20 Đáp ứng tốc độ cơ khi thay đổi tốc độ 79 xii
15. Chương 1 – Tổng quan về đề tài Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Điều khiển tốc độ và moment động cơ KĐB là một vấn đề được quan tâm từ rất lâu, có rất nhiều phương pháp đề ra nhằm mục đích giải quyết vấn đề này như điều khiển giữ (U/f) không đổi, điều khiển điện áp, các phương pháp này thu lại những kết quả không cao. Ngày nay với sự phát triển rất mạnh mẽ về công nghệ chế tạo bán dẫn, những tiến bộ về vi điều khiển đã tạo điều kiện cho các ứng dụng phương pháp điều khiển RFOC, DTC Điều khiển tốc độ động cơ AC được ứng dụng từ những năm 1990 và ngày càng chiếm vị trí nhiều hơn điều khiển tốc độ động cơ DC. Ngày nay cùng với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất và các bộ vi xử lý thì việc điều khiển động cơ không đồng bộ trở nên dễ dàng hơn. Vì vậy các hệ truyền động hiện nay chủ yếu vẫn sử dụng động cơ không đồng bộ làm cơ cấu chấp hành. Tùy theo các ứng dụng cụ thể, việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể được chia thành hai cấp: 1.1.1. Điều khiển cấp thấp Không cần độ chính xác cao, gồm một số phương pháp như thay đổi cách đấu bộ dây quấn động cơ (để thay đổi số cực từ) hoặc thêm bớt một vài phần tử nào đó (như điện trở, điện kháng) vào mạch rotor để thay đổi đường đặc tính cơ của động cơ hoặc thay đổi nguồn cung cấp (thay đổi áp) ở mức độ đơn giản. 1.1.2. Điều khiển cấp cao Đáp ứng các truyền động cần độ chính xác cao. Trong việc điều khiển động cơ cần độ chính xác cao, ta có ba cách tiếp cận: 1.1.2.1 Điều khiển động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp Người thiết kế, chế tạo sử dụng các phương pháp điều khiển từ cổ điển (phương pháp điều khiển vô hướng V/f = const) đến hiện đại (phương pháp điều 1
16. Chương 1 – Tổng quan về đề tài khiển vector không gian - space vector control) để thay đổi tần số nguồn cấp nhằm đạt mục đích điều khiển mong muốn. Kỹ thuật điều khiển vector không gian được sử dụng để điều khiển động cơ, có hai phương pháp chính: + Điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control) bao gồm: phương pháp điều khiển vector trực tiếp (Direct Vector Control) và phương pháp điều khiển vector gián tiếp (Indirect Vector Control). + Điều khiển trực tiếp moment động cơ: DSC (Direct Self Control) và DTC (Direct Torque Control). Các phương pháp điều khiển động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp được tóm tắt trong Hình 1.1. Hình 1.1 Các phương pháp điều khiển động cơ không động bộ ba pha Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) được tìm hiểu sâu trong luận văn này vì đây là phương pháp điều khiển rất phổ biến hiện nay. 2
17. Chương 1 – Tổng quan về đề tài 1.1.2.2 Điều khiển đôṇ g cơ bằng cách tác động lên mô hình toán học. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ cũng thay đổi nhanh chóng. Trong lý thuyết điều khiển hiện đại, động cơ không đồng bộ ba pha được xem là một đối tượng phi tuyến (vì mô hình toán học của động cơ không đồng bộ được mô tả bằng các phương trình vi phân bậc cao). Để điều khiển động cơ một cách chính xác, ta phải áp dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến như: điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa (Feedback Linearization Control - FLC), điều khiển trượt (sliding mode control - SMC), điều khiển thụ động (passive control), điều khiển thích nghi (adaptive control) để tác động lên mô hình toán học của động cơ. Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor được sử dụng để tiếp cận mô hình toán học của động cơ. Mục đích chính của phương pháp này là tiến hành điều khiển độc lập từ thông và moment động cơ. 1.1.2.3 Điều khiển đôṇ g cơ bằng các phƣơng phá p điều khiển thông minh Đây là cách tiếp cận dựa trên các phương pháp của trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence) như mạng nơron (neural netwotk) hoặc logic mờ (fuzzy logic) để thực hiện một hoặc vài khâu nào đó trong quá trình điều khiển động cơ (được gọi là điều khiển thông minh). Cách tiếp cận này không sử dụng mô hình toán học của động cơ vì người thiết kế sẽ sử dụng kiến thức và kinh nghiệm có sẵn (của chuyên gia) để huấn luyện các khâu điều khiển. Ưu điểm của phương pháp này là không sử dụng mô hình toán học của động cơ mà chỉ cần tri thức và kinh nghiêṃ của chuyên gi a để huấn luyện luật điều khiển, không cần biết cấu trúc bên trong của khâu điều khiển, chỉ cần biết tín hiệu vào - ra (I/O) nên phương pháp này phù hợp với các khâu điều khiển phức tạp, không thể phân tích cấu trúc điều khiển (qui tắc “hộp đen”). 1.1.3. Vai trò của động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ được ứng dụng trong các hệ truyền động trong băng chuyền, băng tải, máy nạp liệu, máy nghiền, máy khử từ, các ứng dụng dân dụng như máy giặt, tủ lạnh, máy điều hòa, quạt điện, 3
18. Chương 1 – Tổng quan về đề tài Những ưu điểm được biết đến của động cơ không đồng bộ 3 pha như: Cấu tạo đơn giản Làm việc tin cậy Khởi động đơn giản Chi phí cho bảo trì bảo dưỡng thấp nhất so với các loại động cơ khác Giá thành thấp. 1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Nghiên cứu phương pháp điều khiển điṇ h hướng trường , là phương pháp điều khiển tốt đã đươc̣ ứ ng duṇ g rôṇ g raĩ trong điều khiển đôṇ g cơ điêṇ . Đề xuất mô hình ước lượng tốc độ trong hê ̣thống điều khiển điṇ h hướng từ thông rotor (RFOC) động cơ không đồng bộ ba pha. 1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đề tài này tâp̣ trung nghiên cứ u phư ơng pháp điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC) động cơ không đồng bộ ba pha và điều khiển RFOC động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng mô hình ước lượng tốc độ. Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ ba pha, các khâu điều khiển RFOC, khâu điều chỉnh PID và mô hình ước lượng tốc độ. Mô phỏng, phân tích kết quả bằng phần mềm Matlab Simulink. Kết luận và đánh giá 1.4 TRÌNH TỰ CÁC BƢỚC THỰC HIỆN Chương 1: Tổng quan về đề tài Chương 2: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha Chương 3: Các phương pháp điều khiển động cơ động cơ KĐB ba pha. Chương 4: Hệ truyền động điều khiển độ động cơ KĐB ba pha bằng định hướng trường FOC. Chương 5: Ước lượng tốc độ động cơ trong RFOC. Chương 6: Kết quả mô phỏng. Chương 7: Kết luận. 4
19. Chương 1 – Tổng quan về đề tài 1.5 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI Đề tài có thể được ứng dụng thực tiễn trong điều khiển công nghiệp đối với động cơ không đồng bộ ba pha. Đề tài có thể dùng như một tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu về điều khiển kỹ thuật định hướng từ thông rotor (RFOC) không dùng cảm biến tốc độ cho học viên cao học và sinh viên trong quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp với những đề tài có liên quan cũng như cách thức thiết kế và mô hình hóa các bộ điều khiển trong Simulink và Control System Toolbox của Matlab . 5
20. Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha Chƣơng 2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1. ĐẠI CƢƠNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1.1. Cấu tạo Động cơ không đồng bộ ba pha có cấu tạo gồm hai phần: phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor). 2.1.1.1. Stator Gồm các bộ phận: lõi thép, dây quấn và vỏ máy. - Lõi thép stator có dạng hình vành khuyên xem Hình 2.1a, được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện có hình dạng như Hình 2.1b. Mặt trong của lõi thép có các rãnh để đặt dây quấn xem Hình 2.1c. a) b) c) Hình 2.1 (a) lõi thép stator; (b) lá thép; (c) rãnh chứa dây quấn Rãnh có các dạng: rãnh kín, là rãnh không có miệng; rãnh hở, là rãnh có miệng và đáy bằng nhau; rãnh nửa hở, là rãnh có miệng bằng ½ đáy; rãnh nửa kín, là rãnh có miệng nhỏ hơn đáy. Có 2 dạng rãnh nửa kín phổ biến là rãnh hình thang và rãnh quả lê xem Hình 2.2. 6
21. Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha Rãnh kín Rãnh hở Rãnh nửa hở Rãnh hình thang Rãnh quả lê Hình 2.2 Rãnh ở mặt trong stator - Dây quấn stator thường là dây đồng có tiết diện tròn hoặc chữ nhật và được bọc cách điện. Dây quấn được đặt trong các rãnh của lõi thép stator. Dây quấn stator của động cơ không đồng bộ ba pha gồm ba cuộn dây giống nhau, có vị trí lệch nhau góc không gian 120o điện như Hình 2.3. Pha U Pha V Pha W a) b) Hình 2.3. (a) sơ đồ bố trí ba cuộn dây stator, (b) dây quấn ba pha đặt trong rãnh - Vỏ máy có chức năng bảo vệ máy và làm giá lắp các bộ phận khác của máy. Vỏ máy có thể làm bẳng thép đúc, hoặc nhôm xem Hình 2.4. Vỏ gồm thân và hai nắp. Thân vỏ để chứa lõi thép. Mặt ngoài thân có các gờ tản nhiệt, có các lỗ để lắp vòng treo, bảng đấu dây và đế máy. Hai nắp của thân dùng để che phần đầu nối của dây quấn và là giá chứa hai ổ trục của rotor. 7