Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển dự báo bộ biến tần 3 pha cấp điện và điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha

Nội dung text: Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển dự báo bộ biến tần 3 pha cấp điện và điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha

1. NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO BỘ BIẾN TẦN 3 PHA CẤP ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA VARIABLE – SPEED CONTROL OF INDUCTION MOTOR FED BY THREE PHASE INVERTERS USING MODEL PREDICTIVE CONTROL Nguyễn Thanh Thuận1, Nguyễn Văn Nhờ2 1 Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 2 Trường đại học Bách Khoa TP.HCM TÓM TẮT Việc sử dụng động cơ AC có tốc độ thay đổi được đang ngày càng phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp. Do yêu cầu phát triển cao nên trong vài thập niên trở lại đây các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ hiệu suất cao liên tục được ra đời. Luận văn này tập trung nghiên cứu kỹ thuật điều khiển dự báo cho bộ biến tần để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha. Phương pháp điều khiển dự báo là kỹ thuật mới được áp dụng vào bộ điều khiển công suất trong những năm gần đây. Hàm mục tiêu được chọn sao cho sai số của các yếu tố điều khiển là nhỏ nhất. Phương pháp này thể hiện được ưu điểm là trực quan, dễ thực hiện. Bằng cách thêm hoặc bớt các yếu tố điều khiển trong hàm mục tiêu, ta có thể đạt được mục tiêu điều khiển như mong muốn. Từ khóa: Kỹ thuật điều khiển dự báo mô hình, kỹ thuật điều khiển, phương pháp điều khiển định hướng tựa trường, động cơ không đồng bộ (KĐB), tốc độ động cơ AC, dòng điện tham chiếu stator, dòng điện ước lượng stator. ABSTRACT Variable-speed induction motor drives are increasingly being used in most of the industrial applications. The development of high performance control strategies for AC drives, driven by the requirement of industry, has resulted in a rapid evolution during the last two decades. The main focus of this thesis is research the method to control the inverter to change three phase asynchronuos induction machine speed. Model Predictive Control is the new techniques, with applied on power inverter in recent year. The cost function is chosen so that the error of the control elements is minimum. The advantages of this method is intuitive and easy to implement. By adding or removing the control elements in the cost function, we can control desired goal. Keywords: Model predictive control (MPC), field orient control (FOC), AC motor speed, reference stator current, estimate stator current. 1. GIỚI THIỆU (Field Oriented Control), DTC (Direct torque control), (MPC) Model Predictive Control. Khâu truyền động động cơ là khâu không thể thiếu được trong các dây chuyền Mỗi phương pháp điều khiển đều có ưu công nghiệp. Việc điều khiển tốc độ chính nhược điểm nhất định, do đó tùy vào nhu cầu xác, tạo nên các chuyển động phức tạp, giảm ứng dụng mà lựa chọn phương pháp điều tổn thất năng lượng là nhiệm vụ ưu tiên hàng khiển phù hợp. đầu của các hệ thống truyền động điện hiện Trong bài báo này sẽ đề cập đến một đại. Trên thực tế, có nhiều phương pháp điều phương pháp điều khiển mới đó là điều khiển khiển tốc độ động cơ KĐB, có thể phân dự báo (Model Predictive Control). Kỹ thuật thành 2 loại: điều khiển vô hướng và điều này đã được áp dụng nhiều trong công khiển có hướng. nghiệp hóa học, và gần đây đã được ứng Điều khiển vô hướng gồm các phương dụng vào điều khiển trong lĩnh vực điện tử pháp: điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi công suất. số cặp cực, điều khiển hệ số truợt, điều khiển điện áp stator, điều khiển tần số, điều khiển 2. MÔ HÌNH VÀ VECTOR KHÔNG V/f GIAN CỦA BỘ NGHỊCH LƢU 3 Điều khiển có hướng gồm có: FOC BẬC NPC
2. 2.1 Mô hình bộ nghịch lƣu NPC Như vậy, trong tọa độ vuông góc  , Bộ nghịch lưu 3 bậc NPC có một mạch vector không gian v có biên độ Vm bắt đầu j0 nguồn DC được phân chia thành một số cấp từ vị trí Vm × e sẽ quay quanh trục tọa độ điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc với tần số góc  . nối tiếp. Giả sử mạch nguồn DC gồm n Quá trình đóng ngắt các linh kiện tạo ra nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp, điện áp ba pha tải. Theo lý thuyết về không điện áp nguồn DC có thể đạt được n+1 giá trị gian vector thì điện áp ba pha đó có thể biểu diễn dưới dạng vector không gian. Và nó sẽ khác nhau và số bậc điện áp nghịch lưu là thay đổi nhảy cấp trên hình lục giác đa bậc. n+1 bậc [1]. Vị trí của mỗi vector điện áp trong không gian sẽ phụ thuộc vào các trạng thái đóng ngắt linh kiện. Tiến hành khảo sát cụ thể cho các bộ nghịch lưu ba bậc để xác định giản đồ vector không gian điện áp. Như đã biết, khả năng điều khiển kích dẫn linh kiện tạo nên 27 trạng thái khác nhau [2]. Ta xét mỗi trạng thái minh họa bởi tổ Hình 1. Bộ nghịch lưu áp 3 bậc NPC hợp (ka kb kc), với: ka 0,1,2 2.2 Vector không gian của bộ nghịch lƣu 3 bậc NPC kb 0,1,2 (6) k 0,1,2 Giả sử đại lượng 3 điện áp pha va, vb, vc c cân bằng, thỏa hệ thức: Và ka, kb, kc là hệ số trạng thái tương ứng v + v + v = 0 (1) của các pha a, b, c. Các hệ số này phụ thuộc a b c vào cách quy ước trước, giả sử quy ước như Thực hiện phép biến hình từ các đại sau: (sự quy ước này dựa vào bảng trạng thái lượng điện áp ba pha va, vb, vc sang đại lượng đóng ngắt). vector v theo hệ thức: '' 0 Saa12 =S =1 2 v = k.(v +a.v +a .v ) (2) k 1 khi S =S' =1 (7) a b c a a12 a 2 j 13 2 Saa12 =S =1 Trong đó: a = e3 = - + j (3) 22 '' 0 Sbb12 =S =1 Hằng số k có thể chọn các giá trị khác k 1 khi S =S' =1 (8) nhau. Với k = 2/3 ta có phép biến đổi không b b12 b bảo toàn công suất. Với k 23phép biến 2 Sbb12 =S =1 '' đổi bảo toàn công suất. 0 Scc12 =S =1 Để minh họa cụ thể cho khái niệm này ta k 1 khi S =S' =1 (9) xét các đại lượng ba pha dạng cosin như sau: c c12 c 2 S =S =1 va = v m .cos( - 0 ) cc12 2 Trong quá trình kích theo qui luật đối v = v .cos( - - ) (4) b m 0 3 nghịch: ' 4 SSxx11 1 (10) vc = v m .cos( - 0 - ) ' 3 SSxx22 1 Vector không gian theo định nghĩa sẽ là: với x = a,b,c. v=V cos( -  )+ j.sin  -  Các vector áp tải tạo ra được định nghĩa m 0 0 j( - ) theo công thức: =V .e 0 (5) m
3. 2 2 Phương trình từ thông stator và từ thông v= (v +av +av ) (11) 3 a0 b0 c0 rotor: Bảng 1. Trạng thái đóng ngắt và giá trị điện  i L i L áp trên 1 pha của bộ nghịch lưu s s s r m (14) Sx Sx1 Sx2 S’x1 S’x2 vx0  r i s L m i r L r 2 1 1 0 0 V /2 dc Phương trình moment điện từ: 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 -V /2 33 dc T p i p i (15) Do đó, dựa vào giản đồ vector điện áp e22 s s r r của bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC ta có thể 3.2 Phƣơng trình trạng thái của động tính được các vector áp tải. cơ KĐB trên hệ tọa độ αβ Theo định nghĩa, phương trình trạng thái của động cơ KĐB trên hệ biểu diễn như sau [4]: d s (t) uss(t) R .i t s s s s dt (16) d s (t) 0 R .iss t r j . . r rdt r Hình 2. Giản đồ vector điện áp của bộ Phương trình từ thông stator và rotor: nghịch lưu 3 pha 3 bậc s s s  s i s L s i r L m 3. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG (17) CƠ KĐB 3 PHA s s s  r i s L m i r L r 3.1 Hệ phƣơng trình cơ bản của động cơ KĐB Phương trình moment điện từ: Hệ phương trình điện áp cho 3 cuộn dây 3 Lm stator [3]: Te p  r i s  r  i s (18) 2 Lr d su (t) usu(t) R s i su (t) Với: dt Lm: hỗ cảm giữa stator và rotor. d (t) Ls: điện cảm stator. u(t) R i (t) sv (12) sv s sv L : điện cảm rotor. dt r 3.3 Phƣơng trình trạng thái của động d sw (t) usww(t) R s i s (t) cơ KĐB trên hệ tọa độ dq dt Phương trình trạng thái của động cơ KĐB trên hệ tọa độ dq biểu diễn như sau: Theo định nghĩa, áp dụng công thức (11) ta thu được phương trình điện áp stator dưới r rrd s (t) dạng vector như sau: us(t) R s .i s t dt (19) d (t) r s rrd r (t) us(t) R s .i s t (13) 0 R .i t j . . dt r rdt r Trong đó: Phương trình từ thông stator và rotor: Rs: điện trở cuộn dây pha stator.  r i r L i r L i : vector dòng điện stator. s s s r m s (20) r r r  r i s L m i r L r  s : vector từ thông stator.
4. Phương trình moment điện từ: 3 Lm Te p  rd i sq rq i sd (21) 2 Lr 4. KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO 4.1 Nguyên lý của kỹ thuật điều khiển dự báo Trong số các kỹ thuật điều khiển tiên tiến, thì kỹ thuật điều khiển dự báo là một Hình 4. Nguyên lý của kỹ thuật điều khiển trong những kỹ thuật tỏ ra có nhiều ưu điểm dự báo hơn và đã được áp dụng thành công trong các Mô hình được sử dụng để dự báo là mô ứng dụng công nghiệp. Mặc dù ý tưởng của hình trong miền rời rạc và được diễn tả trạng kỹ thuật điều khiển dự báo đã được phát triển thái như sau [4-5]: trong những năm 1960 nhưng những ý tưởng áp dụng trong công nghiệp chỉ được bắt đầu x k + 1 = Ax k + Bu k (22) vào cuối năm 1970. Kể từ đó, kỹ thuật điều y k = Cx k + Du k (23) khiển dự báo đã được áp dụng thành công trong ngành công nghiệp xử lý hóa học. Ứng Hàm mục tiêu bao gồm các giá trị tham dụng sớm nhất của kỹ thuật này trong điện tử chiếu, trạng thái đáp ứng của hệ thống trong công suất có thể được tìm thấy từ năm 1980 tương lai và các giá trị điều khiển trong như các hệ thống công suất cao với tần số tương lai: chuyển mạch thấp. Với sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của bộ vi xử lý, các ứng g = f x k ,u k , . . . ,u k + N (24) dụng của kỹ thuật điều khiển dự báo trong Trong đó vấn đề tối ưu hóa được giải điện tử công suất đã tăng lên đáng kể trong quyết lần lượt tại mỗi thời điểm lấy mẫu, thập kỷ qua. bằng cách sử dụng những dữ liệu mới Những yếu tố cơ bản của kỹ thuật điều được đo về và mỗi lần như vậy lại thu khiển dự báo là: được một chuỗi các giá trị điều khiển tối Sử dụng một mô hình để dự đoán các ưu. hành vi tương lai của các biến điều khiển. 4.2 Kỹ thuật điều khiển dự báo cho bộ Thiết lập một hàm mục tiêu tượng trưng nghịch lƣu 3 bậc NPC, điều khiển tốc độ cho hành vi mong muốn điều khiển của hệ động cơ KĐB thống. Bài báo này trình bày phương pháp điều Sự điều khiển tối ưu đạt được bằng cách khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha AC được cực tiểu hóa hàm mục tiêu đã được xây cấp nguồn bởi bộ nghịch lưu 3 bậc NPC. Bộ dựng. nghịch lưu này được áp dụng kỹ thuật điều khiển dự báo với hàm mục tiêu là sai số giữa dòng điện stator tham chiếu và dòng điện stator ước lượng. Sơ đồ biểu diễn kỹ thuật điều khiển dự báo được trình bày như Hình 5. Tốc độ động cơ ban đầu là dữ liệu đầu vào của mô hình. Giá trị từ thông tham chiếu Hình 3. Sơ đồ khối của mô hình điều khiển cũng được đặt trước một cách độc lập làm dự báo ngõ vào của khối ước lượng. Các giá trị ngõ ra của hệ thống như dòng điện stator và tốc độ động cơ được thu thập từ các cảm biến.
5. - Đánh giá mức độ gai nhiễu và so sánh độ méo hài tổng THD của dòng stator. Các thông số thực hiện mô phỏng: Động cơ: Công suất P = 5.4HP, điện áp dây-dây Va-b = 400V, tần số hoạt động f = 50Hz, tốc độ định mức  = 150 rad/s, Rs=1.405 Ohm, Ls=0.005839 mH, Rr = 1.395 Ohm, L =0.005839 mH, L =0.1722 mH. Hình 5. Mô hình kỹ thuật dự báo điều khiển r m tốc độ động cơ KĐB Hàm mục tiêu được chọn cho mô hình điều khiển tốc độ động cơ KĐB trong trường hợp này như sau: * p gopt i s__ abc i s abc (25) Trong đó: * is_ abc : giá trị dòng điện stator tham chiếu Hình 6. Mô hình mô phỏng kỹ thuật điều khiển dự báo p * is_ abc : giá trị dòng điện stator ước lượng A. Mô phỏng với tốc độ đặt  = 50 Để có được các giá trị này, các công (rad/s) ở chế độ tải thay đổi theo thời gian. thức tính toán giá trị các thông số động cơ -Thời gian đạt tới tốc độ đặt và khả năng trong mô hình đều được thực hiện trên hệ tọa bám sát tốc độ đặt: 60 Ref speed Real speed độ dq và αβ [6]. 50 40 Tính toán góc quay và từ thông rotor: 30 tt 20 Speed()rad/s 10 r  rdt  sl  dt (26) 0 00 -10 0 500 1000 1500 2000 2500 Time L 60 m Ref speed  i (27) Real speed rdsT.1 sd r 50 r 40 30 20 Tính toán dòng điện stator: Speed(rad/s) 10 0 * 2 Te Lr -10 isq (28) 0 500 1000 1500 2000 2500 Time 3.pL rd m Hình 7. a) tdự báo=0.2s, b) tFOC=0.4s  * -Đáp ứng tốc độ tương ứng với sự thay i* rd (29) sd L đổi của tải: m 50.2 Ref speed Real speed 5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 50.15 Kết quả mô phỏng của kỹ thuật điều 50.1 khiển dự báo được so sánh với phương pháp Speed()rad/s 50.05 điều khiển FOC (Field Orient Control) với 50 49.95 0 0.5 1 1.5 2 2.5 4 các thông số mô phỏng giống nhau. Mô Time x 10 Ref speed Real speed phỏng được thực hiện với các trường hợp, 50.5 tốc độ động cơ cố định, thay đổi theo thời 50.4 50.3 gian, các chế độ tải khác nhau Các tiêu chí 50.2 Speed(rad/s) so sánh bao gồm: 50.1 50 - Khả năng bám sát tốc độ đặt trước. 49.9 0 0.5 1 1.5 2 2.5 4 - Thời gian đáp ứng của tốc độ ở các Time x 10 Hình 8. a) Kỹ thuật dự báo, b) Kỹ thuật FOC chế độ tải.
6. - Sự thay đổi moment điện từ ở cả hai kỹ - Dòng điện stator đo được ở cả hai kỹ thuật điều khiển: thuật điều khiển: 20 30 Te (load) Te (meas) 15 25 10 20 5 15 0 Te(N.m) 10 Amplitude(A) -5 5 -10 0 -15 -5 -20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 4 4 Time x 10 Time x 10 30 20 Te (load) Te (meas) 25 15 10 20 5 15 0 Te(N.m) 10 Amplitude(A) -5 5 -10 0 -15 -5 -20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 4 Time 4 x 10 Time x 10 Hình 9. a) Kỹ thuật dự báo, b) Kỹ thuật Hình 12. a) Kỹ thuật dự báo, b) Kỹ thuật FOC FOC - Độ méo hài tổng (THD) của dòng điện - Sự thay đổi moment điện từ ở cả hai kỹ stator: thuật điều khiển: Selected signal: 125 cycles. FFT window (in red): 1 cycles 20 50 10 Te (load) 45 Te (meas) 0 -10 40 -20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 35 Time (s) Fundamental (50Hz) = 3.055 , THD= 46.89% 30 3 25 Te(N.m) 2.5 20 2 15 Mag 1.5 10 1 5 0.5 0 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 0.5 1 1.5 2 2.5 4 Frequency (Hz) Time x 10 Selected signal: 125 cycles. FFT window (in red): 1 cycles 20 50 10 Te (load) 45 Te (meas) 0 -10 40 -20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 35 Time (s) 30 Fundamental (50Hz) = 2.936 , THD= 45.75% 100 25 Amplitude(A) 20 80 15 60 10 40 Mag Mag (% of Fundamental) 5 20 0 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Time 4 Frequency (Hz) x 10 Hình 10 a) THDdự báo = 45.75%, b) THDFOC Hình 13. a) Kỹ thuật dự báo, b) Kỹ thuật = 46.89% FOC B. Mô phỏng với tốc độ thay đổi ở chế - Độ méo hài tổng (THD) của dòng điện độ đầy tải Tm = 25 (N.m) stator: Selected signal: 125 cycles. FFT window (in red): 1 cycles 120 20 10 100 Ref speed Real speed 0 80 -10 -20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 60 Time (s) Fundamental (50Hz) = 9.593 , THD= 32.79% 40 20 2 Speed(rad/s) 0 1.5 -20 Mag 1 -40 0.5 -60 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 Time 4 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 x 10 Frequency (Hz) Selected signal: 125 cycles. FFT window (in red): 1 cycles 120 20 10 100 Ref speed Real speed 0 80 -10 -20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 60 Time (s) Fundamental (50Hz) = 9.319 , THD= 30.93% 40 20 25 Speed(rad/s) 0 20 -20 15 10 -40 Mag (% of Fundamental) 5 -60 0 0.5 1 1.5 2 2.5 4 0 Time x 10 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Frequency (Hz) Hình 11. a) Kỹ thuật dự báo, b) Kỹ thuật Hình 14. a) THDdự báo=32.79%, b) FOC THDFOC=30.93%
7. 6. KẾT LUẬN 1, Issue 5 , December 2014. Từ kết quả mô phỏng của các trường [6] Gil-Su Lee, Dong-Hyun Lee, hợp ta có thể đưa ra các nhận xét: Tae-Woong Yoon*, Kyo-Beum Lee, - Với cùng các thông số mô phỏng ban Joong-Ho Song, and Ick Choy, “Speed and đầu được áp dụng cho cả 2 phương pháp điều Flux Estimation for an Induction Motor khiển, thì đáp ứng tốc độ của kỹ thuật điều Using a Parameter Estimation Technique”, khiển dự báo tốt hơn so với kỹ thuật FOC ở International Journal of Control, Automation, các tiêu chí đánh giá. Thời gian đáp ứng từ and Systems, Vol. 3, No. 1, PP. 79-86, March trạng thái khởi động cho đến trạng thái xác 2005. lập để đạt được tốc độ yêu cầu cũng như khả năng bám sát tốc độ đặt (tracking) ở kỹ thuật dự báo tỏ ra tốt hơn kỹ thuật FOC. Điều này cũng đúng khi so sánh khả năng bám tốc độ ở trường hợp moment tải và tốc độ thay đổi theo thời gian. - Kỹ thuật dự báo áp dụng trong trường hợp này là điều khiển tốc độ dựa vào sai số của dòng điện stator tham chiếu với dòng điện stator hồi tiếp từ động cơ. Mô phỏng đã chỉ ra được sai số này là nhỏ, thể hiện khả năng điều khiển tốt của kỹ thuật dự báo. - Độ méo hài tổng (THD) dòng điện stator của 2 kỹ thuật cũng được đánh giá trong mô phỏng. Kết quả phân tích FFT dòng stator cho thấy chất lượng dòng điện stator của kỹ thuật dự báo tốt hơn kỹ thuật FOC ở đa số trường hợp. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Nhờ - Giáo Trình Điện Tử Công Suất 1 – NXB Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh – 2002. [2] Quách Thanh Hải, “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều khiển tối ưu nghịch lưu đa bậc”, luận án Tiến sĩ 15/4/2014. [3] Trương Minh Triệu, “Điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha bằng phương pháp FOC trên cơ sở DSP TMS320F2812”, Luận văn thạc sĩ, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật, Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 10/2012. [4] Jose Rodriguez and Patricio Cortes, “Predictive Control of Power converters and electrical drives”, Universidad Tecnica Federico Santa Maria, Valparaiso, Chile - 2012. [5] B Raviteja , N Madhuri, “Predictive Torque Control Of Induction Motor”, International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology, Vol.
8. Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Nguyễn Thanh Thuận Đơn vị: Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Điện thoại: 0913.686861 Email: thanhthuancamau@gmail.com
9. 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.