Nghiên cứu điều khiển FOC và DTC động cơ không đồng bộ với biến tần đa bậc

Nội dung text: Nghiên cứu điều khiển FOC và DTC động cơ không đồng bộ với biến tần đa bậc

1. BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN FOC VÀ DTC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI BIẾN TẦN ĐA BẬC RESEARCHING CONTROLLER FOC AND DTC ASYNCHRONOUS MOTOR WITH MULTI-LEVEL INVERTER Lê Khắc Thịnh 1 ; Dương Hoài Nghĩa 2 1 Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long. 2 Đại Học Bách Khoa TP.HCM TÓM TẮT Ngày nay, biến tần sử dụng rộng rãi để điều khiển tốc độ động cơ. Tuy nhiên, việc kết hợp biến tần và các phương pháp điều khiển để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ là một vấn đề khó khăn, phức tạp vì đặc tính cơ là phi tuyến. Nghiên cứu này tiếp cận việc ứng dụng bộ nghịch lưu đa bậc vào phương pháp điều khiển định hướng từ thông và phương pháp điều khiển trực tiếp moment để điều khiển tốc độ động cơ một cách hiệu quả nhất. Việc xây dựng mô hình nghịch lưu ba bậc để kiểm nghiệm các giải thuật mô phỏng. Việc nghiên cứu so sánh các thành phần của động cơ (từ thông, tốc độ, moment) của phương pháp điều khiển trực tiếp moment và phương pháp điều khiển định hướng từ trường với biến tần ba bậc dạng nghịch lưu chứa diode kẹp được tiến hành. Việc so sánh các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của phương pháp đề xuất. Từ khóa: Điều khiển trực tiếp moment, điều khiển định hướng từ thông, mô hình nghịch lưu ba bậc. ABSTRACT Nowadays, Inverter tend to be popular to control the speed motor. Howerver, the induction motors control is a difficult problem, complicated by their curve characterization is curvilinear. So, the control algorithm need an extremely tight. Research to approaching application the multi-step inverter into the Field Oriented Control method and Direct Torque Control method to control the speed motor the most effective way. The building three-step inverter modern test the simulation algorithms. The comparative study of the motors components (flux, speed, torque,) of the Direct Torque Control method and the Field Oriented Control with neutral point clamped three step converter were conducted. The simulation results were compared to reveal the effectiveness of the proposed method. Key words: Direct torque control, Field Oriented Control, three-step inverter Modern. 1. GIỚI THIỆU Điều khiển động cơ bằng phương pháp điều khiển trực tiếp moment và phương pháp điều khiển định hướng từ thông có nhiều ưu điểm, đặc biệt là khả năng bám sát của đáp ứng tốc độ so với tốc độ đặt. Tuy nhiên, hạn chế của hai phương pháp này là khi điều khiển có tải lớn đáp ứng của từ thông và moment dao động đáng kể, đặc biệt là sóng hài bậc cao không mong Trang 1
2. muốn. Một phương pháp thường được sử dụng rộng rãi hạn chế dòng khởi động là dùng biến tần để việc khởi động động cơ được êm ái hơn. Ưu điểm của sử dụng biến tần và các phương pháp điều khiển động cơ được bài báo này đề cặp đến là việc kết hợp các phương pháp điều khiển với biến tần. Phương pháp điều khiển định hướng từ thông với biến tần ba bậc được tác giả trình bày kết quả mô phỏng, mô phỏng phương pháp điều khiển trực tiếp moment và quan trọng hơn là các kết quả thực nghiệm khi kết hợp bộ nghịch lưu với các giải thuật V/F để điều khiển tốc độ động cơ. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Mô hình động cơ không đồng bộ Hình 1: Mô hình đơn giản động cơ Hình 2: Mô hình của ĐCKĐB trên hệ tọa độ stator. Chuyển sang dạng các thành phần của vector trên hai trục tọa độ: disd 1 1 - σ 1 - σ 1 - σ 1 = - + isd - ωi+ s sq ψ rd - ωψ+ rq u sd (1a) dt σTs σT r σTL r m σL m σL s disq 1 1 - σ 1 - σ 1 - σ 1 = - + isq - ωi+ s sd ψ rq - ωψ+ rd u sq (1b) dt σTs σT r σTL r m σL m σL s dψrd Lm 1 = isd - ψ rd + ω s1 ψ rq (1c) dt Trr T dψ rq Lm 1 = isq - ψ rq - ω s1 ψ rd (1d) dt Trr T Trong hệ tọa độ dq, ψ0rq nên: disd 1 1 - σ 1 - σ 1 = - + isd - ω s i sq - ωψ rd + u sd (2a) dt σTs σT r σL m σL s disq 1 1 - σ 1 - σ 1 = - + isq - ω s i sd - ωψ rd + u sq (2b) dt σTs σT r σL m σL s dψ L 1 rd = m i - ψ (2c) sd rd dt Trr T dψ rq =0 (2d) dt Phương trình moment: 2 f ff LLmm 3 ff Thay: ψs L s is ψ r vào Tpe ψiss (3) LLrr 2 Trang 2
3. 3 L Ta có: T = p m ψ i - ψ i (4) e rd sq rq sd 2Lr 22 ψr = ψ rd + ψ rq Đối với động cơ KĐB ba pha, trong hệ tọa độ dq, từ thông và moment quay được biểu diễn theo các phần tử của vector dòng stator: L ψ = m i rd sd 1+Tr s (5) 3L J dω T = m pψ i = T - e rd sq L 2 Lr p dt Trong đó : Lm: hỗ cảm giữa rotor và stator; Lσs: điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator Ls: điện cảm stator; Lσr: điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor Lr: điện cảm rotor; Ts: hằng số thời gian stator Tr: hằng số thời gian rotor; σ : hệ số tiêu tán tổng. P (power): công suất của động cơ; Pc: (pole couple): số đôi cực Rs: điện trở stator; Rr: điện trở rotor J: moment quán tính; TL (Torque Load): moment tải ψ : từ thông; ω : tốc độ Te (Torque electromagnetic): moment điện từ 2.2 Mô phỏng bằng phương pháp FOC điều khiển động cơ với biến tần đa bậc. Phương pháp FOC gồm các loại sau: Điều khiển định hướng theo từ thông stator và điều khiển định hướng theo theo từ thông rotor. Tuy nhiên phương pháp điều khiển định hướng theo từ thông rotor có nhiều ưu điểm vượt trội: ứng dụng phương pháp vector không gian ta có thể dể dàng xây dựng mô hình động cơ và các phương trình trên hệ toạ độ (d-q), triệt tiêu thành phần từ thông rotor trên trục (q), còn từ thông rotor trên trục (d) có thể xem như một đại lượng một chiều, các đại lượng dòng điện, điện áp khi được chiếu lên hai trục toạ độ d và q cũng là các thành phần một chiều. Nguyên tắc điều khiển của FOC dựa trên việc điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập: từ thông rotor được giữ ổn định bởi dòng is-d và sau đó thì moment và tốc độ động cơ được điều khiển bởi dòng tạo moment is-q. Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC với biến tần đa bậc: Trang 3
4. Hình 3: Sơ đồ điều khiển FOC với biến tần ba bậc. Tóm tắt hoạt động của phương pháp FOC với biến tần đa bậc bao gồm các bước sau: Bước 1: Xác định các giá trị đo lường/ ước lượng từ thông. Bước 2: Tính toán tín hiệu điều khiển IGBT. Bước 3: Nghịch lưu điện áp điều khiển, chuyển đổi điện áp VABC sang Vαβ. Bước 4: Tiếp tục với bước 1 ở trên. 2.2 Mô phỏng bằng phương pháp DTC điều khiển động cơ DTC là phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông và moment. Hai đại lượng được đo là điện áp và dòng điện Stator. Điện áp đo là điện áp một chiều sau chỉnh lưu. Tín hiệu điện áp và dòng điện là đầu vào mô hình động cơ, để từ đó tính ra giá trị của từ thông và moment. Hai bộ so sánh mức so sánh các giá trị này với các giá trị đầu ra của hai bộ điều khiển. Dựa vào đầu ra này logic đóng mở xác định vị trí van đóng mở tối ưu. Do đó, mỗi điện áp xung được xác định riêng rẽ ở mức “tế vi”. Vị trí van đóng mở làm thay đổi điện áp và dòng điện, nó lại ảnh hưởng tới moment và từ thông. Hệ thống không sử dụng cảm biến tốc độ. Tốc độ động cơ được tính toán bởi một khâu gọi là mô hình động cơ thích nghi. Sơ đồ mô phỏng điều khiển trực tiếp moment Trang 4
5. Hình 4: Sơ đồ mô phỏng DTC Tóm tắt hoạt động của phương pháp DTC điều khiển động cơ gồm các bước sau: Bước 1: Xác định các giá trị đo lường/ ước lượng từ thông stator và moment. Bước 2: Tính toán tín hiệu điều khiển bộ đóng cắt điện áp trong bộ nghịch lưu. Bước 3: Nghịch lưu điện áp, điều khiển động cơ. Bước 4: Tiếp tục với bước 1 ở trên. 2.3 Xây dựng mô hình thực nghiệm cho mạch nguồn ba pha mạch NPC ba bậc, Xây dựng mô hình thực nghiệm cho bộ nguồn ba pha NPC 3 bậc như sơ đồ tổng thể sau: Diode bridge and filter PWM inverter Sa1 Sb1 Sc1 z Transformer H 0 Sb2 Sc2 5 C1 Sa2 , V A a 0 R L 8 3 A , t u p B b B n i e s C a h c p C Load e S’a1 S’b1 S’c1 e r C2 h T S’a2 S’b2 S’c2 k a b d e e f e g a t IGBT DRIVE l o V TMS320F28335 DSP CONTROLLER BOARD Hình 5: Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm Tổng thể mô hình thực nghiệm đã thi công: Toàn bộ mạch công trình thực hiện cho điều khiển biến tần 5 bậc, mô hình gồm 3 phần chính: - Phần cấp nguồn và tải: bao gồm cấp nguồn DC cho mạch công suất, 4 đồng hồ đo 4 điện áp tụ, 1 đồng hồ đo dòng tải, các CB đóng ngắt hệ thống, cầu chì bảo vệ, cầu dao đảo 3 pha sử dụng nguồn chung hay nguồn riêng, tải R-L vv. - Phần mạch lái và điều khiển: Mạch lái kết nối để đóng ngắt IGBT ở mạch công suất. - Phần cảm biến và điều khiển: Board mạch DSP TMS320F28335 đưa xung kích từ vi xử lý qua các đường bus kết nối với mạch công suất. Cảm biến áp, dòng và các mạch đồng bộ. Trang 5
6. Hình 6: Mặt trước mô hình thực nghiệm Hình 7: Mặt sau mô hình thực nghiệm Bao gồm: - Một biến áp 220/380 với đầu ra ở các mức 78V, 116V, 156V và một variac 220 V. Dùng cấp nguồn cho sử dụng một nguồn DC cho hệ thống. - 4 Tụ điện DC 1800uF, 450V - Điện trở công suất 200W, 2 kΩ dùng để xả điện tích trên tụ. - 2 bộ cầu diode 3 pha công suất - 6 cầu chì được mắc nối tiếp với các bus cấp nguồn nhằm bảo vệ mạch công suất khi xảy ra ngắn mạch hay gai áp. III. KẾT QUẢ - Tham số mô phỏng bằng phương pháp FOC với biến tần 3 bậc điều khiển động cơ được cho trong bảng 1: Bảng 1: Tham số mô phỏng động cơ bằng phương pháp FOC với biến tần 3 bậc. Thông số Tsim Tsamp VDC Wref Firef TL Kp Ki 4 0.0005 1000 1420 1 2 0.009 1 Thông số Rsm Rrm Lsm Lrm Lmm Pm Jm Trang 6
7. 20.13 13 1.05 1.33 0.957 2 0.0005 Hình 8:Đáp ứng từ thông, moment và tốc độ của động cơ bằng phương pháp FOC với biến tần - Tham số mô phỏng bằng phương pháp DTC điều khiển động cơ được cho trong bảng 2: Bảng 2: Tham số mô phỏng động cơ bằng phương pháp DTC. Thông số Tsim Tsamp Tplot Wref Firef TL Kp VDC 3 0.0001 0.001 1395 1 1 0.4 580 Rsm Rrm Lsm Lrm Lmm Pm Jm Thông số 1.177 1.382 0.119 0.118 0.113 2 0.00126 Hình 9: Đáp ứng từ thông, moment và tốc độ của động cơ bằng phương pháp DTC Kết quả mô hình thực nghiệm đã thi công: Kết quả thi công mô hình thực nghiệm Hình 10: Điện áp pha một pha và ba pha Hình 11: Điện áp dây một pha và điện áp trên tải động cơ Trang 7
8. Hình 12: Điện áp trên tải và phân tích sóng hài - Các thông số dòng điện, tốc độ và moment đo được khi chạy thực nghiệm với giải thuật medium PWM. Bảng 3: Kết quả chạy thực nghiệm với giải thuật Medium PWM T(N.M) 0.07 0.11 0.15 0.18 0.2 0.24 0.28 I(A) 0.7 0.75 0.77 0.81 0.81 0.84 0.59 n(V/P) 1220 1170 1150 1120 1100 1070 1000 Vẽ đặc tuyến kết quả thực nghiệm với giải thuật medium PWM. DAC TUYEN TOC DO THEO MO MEN DAC TUYEN DONG DIEN THEO MO MEN 1350 0.9 n = f(T) 1300 I = f(T) 0.85 1250 1200 0.8 1150 Dong dien Idien (A) Dong 0.75 Toc n (V/p)do 1100 1050 0.7 1000 950 0.65 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Mo men T (N.m) Mo men T (N.m) Hình 13: Đặc tuyến tốc độ và dòng điện theo moment bằng giải thuật medium PWM. - Các thông số dòng điện, tốc độ và moment đo được khi chạy thực nghiệm với giải thuật Space Vector PWM. Bảng 4: Kết quả chạy thực nghiệm với giải thuật Space Vector PWM T(N.M) 0.04 0.09 0.14 0.17 0.2 0.22 0.27 I(A) 0.71 0.74 0.77 0.81 0.81 0.85 0.9 n(V/P) 1170 1140 1080 1045 1030 970 870 Vẽ đặc tuyến kết quả thực nghiệm với giải thuật Space Vector PWM. DAC TUYEN TOC DO THEO MO MEN DAC TUYEN DONG DIEN THEO MO MEN 1250 1 n = f(T) I = f(T) 1200 0.95 1150 0.9 1100 0.85 1050 Toc n (V/p)do 0.8 Dong dien Idien (A) Dong 1000 0.75 950 0.7 900 850 0.65 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Mo men T (N.m) Mo men T (N.m) Hình 14: Đặc tuyến tốc độ và dòng điện theo moment bằng giải thuật Space Vector PWM. IV. KẾT LUẬN - So sánh kết quả mô phỏng của hai phương pháp DTC và FOC với biến tần 3 bậc ta thấy rằng cả hai phương pháp đều có đáp ứng tốc rất bám so với tốc độ đặt. Phương Trang 8
9. pháp DTC có đáp ứng từ thông tốt hơn, tuy nhiên đáp ứng moment lại không tốt bằng phương pháp FOC, đặc biệt là khâu đều tốc, khởi động động cơ với biến tần 3 bậc. Vậy, kết quả mô phỏng chỉ ra rằng, thuật toán FOC với biến tần ba bậc cung cấp đáp ứng tốt hơn thuật toán DTC. - Mô hình thực nghiệm chạy được các giải thuật V/F. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phùng Quang, “Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha”, nhà xuất bản giáo dục 1996. [2] Dương Hoài Nghĩa, “Các phương pháp điều khiển phi tuyến điều khiển động cơ không đồng bộ”, Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ 2008. [3] Nguyễn Phùng Quang, “Matlab & Simulink”, NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2008. [4] Erik Etien, Sébastien Cauet, Laurent Rambault, Gérard Champenois “Control of an induction motor using sliding mode linearization”, Int. J. Appl. Math. Comput. Sci., 2002. [5] Oscar Barambones, Patxi Alkorta, Aitor J. Garrido, I. Garrido and F.J. Maseda, “An adaptive sliding mode control scheme for induction motor drives”, Issue 1, Vol. 1, 2007. [6] Rachid Beguenane, Mohand A. Ouhrouche, Andrzej M. Trzynadlowski, “Stator Resistance Tuning in an Adaptive Direct Field-Orientation Induction Motor Drive at Low Speeds”, The 30th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, November 2 - 6, 2004. Học viên Lê Khắc Thịnh đã hoàn thành luận văn thạc sĩ. Các bộ hướng dẫn PGS.TS Dương Hoài Nghĩa đồng ý cho đăng bài báo này Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng . năm 2016 Các bộ hướng dẫn PGS.TS Dương Hoài Nghĩa Trang 9
10. 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 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.