Điện, điện tử - Chương 5: Điều khiển vector động cơ không đồng bộ

1Chương 5 ĐiỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 2Vector không gian – Hệ tọa độ abc và  Trục pha A Trục pha C Trục pha B A A’ B B’ C C’ Hệ trục tọa độ abc và hệ trục tọa độ  3Vector không gian – Hệ tọa độ abc và  0 50 100 150 200 250 300 350 Sức từ động 3 pha 4Vector không gian – Hệ tọa độ abc và  Trục pha A Trục pha C Trục pha B Fas Fbs Fcs Trục pha A Trục pha C Trục pha B Fas Fbs Fcs Các vector sức từ động trong trường hợp: 0ot   Các vector sức từ động trong trường hợp: 60ot   5Vector không gian – Hệ tọa độ abc và  S SF S sF S sF s t  Vector sức từ động tổng Vector sức từ động tổng ssF được định nghĩa là: 0 120 240o o oj j j as bs csF e F e F e   s sF 6Vector không gian – Hệ tọa độ abc và  0 50 100 150 200 250 300 350 Sức từ động 3 pha hình sin và cân bằng Tín hiệu trong hệ trục tọa độ abc 7Vector không gian – Hệ tọa độ abc và  S SF s t  Trong trường hợp dòng xoay chiều ba pha cân bằng và hình sin, vector ssF có biên độ không đổi và quay với vận tốc  tương ứng với tần số nguồn cung cấp. 8Vector không gian – Hệ tọa độ abc và  0 50 100 150 200 250 300 350 S sF S sF Sức từ động trong hệ trục  Tín hiệu trong hệ trục  9Vector không gian – Hệ tọa độ abc và  Sức từ động 3 pha hình sin + sóng hài bậc 5 (5%) Tín hiệu trong hệ trục tọa độ abc 0 50 100 150 200 250 300 350 Fas Fbs Fcs 10 Vector không gian – Hệ tọa độ abc và  Trong trường hợp khác, ví dụ khi có hài bậc 5 (cỡ 5%) trong sóng dòng điện, vector ssF có biên độ và vận tốc quay thay đổi. S SF s t  11 Vector không gian – Hệ tọa độ abc và  Sức từ động trong hệ trục  Tín hiệu trong hệ trục  0 50 100 150 200 250 300 350 400 S sF S sF 12 Vector không gian – Hệ tọa độ abc và  Khái niệm vector không gian có thể mở rộng cho các đại lượng khác. Vector dòng stator: 0 120 240 o o os j s j s j as bs csi e i e i e   s si Vector dòng stator: 0 120 240 o o os j s j s j as bs csv e v e v e   s sv Vector từ thông stator: 0 120 240 o o os j s j s j as bs cse e e   s sΦ 13 Phép chuyển đổi hệ tọa độ abc và  Một vector, ví dụ vector dòng ssi có thể triển khai trong hệ tọa độ abc hay hệ tọa độ . Trong hệ tọa độ abc: , ,s s sas bs csi i i Trong hệ tọa độ : ,s ss si i  Vậy: 0 120 240o o os j s j s j s s as bs cs s si e i e i e i ji      s si 0 120 240o o os j s j s j s s as bs cs s sv e v e v e v jv      s si 0 120 240o o os j s j s j s s as bs cs s se e e j        s sΦ 14 Phép chuyển đổi hệ tọa độ abc và  Các thành phần trong hệ trục tọa độ abc và hệ tọa độ  có thể quy đổi qua lại với ma trận chuyển đổi tương ứng. Ví dụ: chuyển các thành phần của ssi từ hệ tọa độ abc  : 1 1 1 2 2 3 3 0 2 2 s ass s s bss s s cs i i i i i                           Và chuyển các thành phần của ssi từ hệ tọa độ   abc: 2 0 3 1 1 3 3 1 1 3 3 s as s ss bs s ss cs i i i i i                                      15 Phương trình dòng áp trong hệ tọa độ  Phương trình điện áp stator: s s s s s s s d R dt   Φ v i Phương trình điện áp rotor: r r r r r r r r d R dt   Φ v i d dt  Φ e 16 Phương trình dòng áp trong hệ tọa độ  Lưu ý là phương trình điện áp stator thành lập trong hệ tọa độ gắn với stator (đứng yên trong không gian), còn phương trình điện áp rotor thành lập trong hệ tọa độ gắn với rotor (quay trong không gian với tốc độ của rotor). r rv  17 Phương trình dòng áp trong hệ tọa độ  Các đại lượng rotor có thể quy đổi về stator như sau: T1 T1 T1 2 T1 a a a a j s r r r s j r r r s j r r r r r r e e e R R        i i v v Φ Φ Với:  T1a s r N N  : tỉ số vòng dây quấn stator/rotor,  t  :  là tốc độ quay của rotor Phương trình điện áp rotor quy đổi về stator: s s s sr r r r r d R j dt    Φ v i Φ 18 Phương trình dòng áp trong hệ tọa độ  Phương trình điện áp mô tả động cơ: s s s s s s sR p v i Φ ( )s s sr r r rR p j  v i Φ Vector từ thông: s s s ms s s s m rr r L L L L                Φ i Φ i 19 Phương trình dòng áp trong hệ tọa độ  Phuơng trình điện áp cho động cơ được viết lại: ( ) ( ) s s s s ms s s s m r rr r R pL pL p j L R p j L                  v i v i Trong đó: Lm: điện cảm hỗ tuơng, Ls: điện cảm stator = Lls + Lm, Lr: điện cảm rotor = Llr + Lm, Lls: điện cảm tản stator, Llr: điện cảm tản rotor, Lưu ý: s ss sv jv   s sv ; s s s si ji   s si 20 Phương trình dòng áp trong hệ tọa độ  Viết lại duới dạng các thành phần theo trục  : 0 0 0 s s s s ms s s s s s ms s s s m m r r rr r s s m m r r rr r R pL pLv i R pL o pLv i pL L R pL Lv i L pL L R pLv i                                               Lưu ý là với động cơ không đồng bộ, thông thuờng rotor đuợc ngắn mạch nên: 0 0; 0s s sr r rv v    v 21 Phương trình momen động cơ Momen động cơ tính theo công thức:  2 3 s s s s m s r s rM PL i i i i     Hay:  *2 Im 3 s s m s rM PL i i 22 Mô hình động của động cơ KĐB Phương trình biểu diễn điện áp động cơ trong hệ tọa độ  : ( ) ( ) s s s s ms s s s m r rr r R pL pL p j L R p j L                  v i v i Phương trình biểu diễn từ thông động cơ trong hệ tọa độ  : s s s ms s s s m rr r L L L L                Φ i Φ i 23 Mô hình động của động cơ KĐB Các phương trình này có thể mô tả bằng sơ đồ mạch điện như hình: S Sv S Si S SpΦ S rpΦ S ri S rjΦ 24 Mô hình động của động cơ KĐB Lưu ý đây là mạch tương đương mô hình động của động cơ không đồng bộ (có thể áp dụng để phân tích trạng thái quá độ hoặc xác lập của động cơ). Mạch tương đương của động cơ ở trạng thái xác lập có thể suy ra từ mô hình này với giả thiết là dòng, áp 3 pha trong động cơ ở chế độ xác lập, có dạng hình sin và cân bằng. 25 Mạch tương đương xác lập của động cơ KĐB suy ra từ mô hình động Khi dòng/áp 3 pha trong động cơ có dạng hình sin và cân bằng, vector dòng/áp có thể biểu diễn bằng vector quay như sau: ˆ1.5 2 Sj tss sV e v ˆ1.5 2 Sj tss sI e i ˆ1.5 2 Sj tsr rI e i 26 Mạch tương đương xác lập của động cơ KĐB suy ra từ mô hình động Thay các đại lượng vector trên vào phương trình điện áp mô tả động cơ, lưu ý là:  ˆ ˆ1.5 2 1.5 2S Sj t j tss s S sd d I e j I e dt dt   i  ˆ ˆ1.5 2 1.5 2S Sj t j tsr r S rd d I e j I e dt dt   i Và: 0sr v 27 Mạch tương đương xác lập của động cơ KĐB suy ra từ mô hình động Ta suy ra hệ phương trình mô tả động cơ ở trạng thái xác lập: ˆˆ ˆ0 s S s S m sS r S m S r r R j L j L IV R j L j L I s                       Và: ˆˆ ˆ ˆ s s ms s s m rr r L L I L L I                     28 Mạch tương đương xác lập của động cơ KĐB suy ra từ mô hình động Hệ phương trình trên có thể biểu diễn bởi mạch tương đương như hình dưới đây. Momen động cơ ở trạng thái xác lập:  *ˆ ˆ3 Imm s rM PL I I ˆ SV ˆ S Sj  ˆ rI ˆ S rj  ˆ SI 29 Phương trình động cơ trong hệ tọa độ xoay dq  Trong điều kiện vận hành xác lập, các thành phần của vector dòng/áp biểu thị trong hệ tọa độ  có dạng xoay chiều với tần số s.  Các hệ thống điều khiển thường dùng các tín hiệu đặt có dạng một chiều thay đổi theo thời gian.  Vì vậy, các đại lượng dòng/áp xoay chiều này không thích hợp khi điều khiển.  Tuy nhiên, nếu biểu diễn các vector dòng/áp này trong hệ trục tọa độ quay đồng bộ với vector (vận tốc quay s), ở chế độ xác lập, các thành phần của vector dòng/áp trong hệ trục tọa độ mới sẽ có giá trị không đổi theo thời gian. 30 Phương trình động cơ trong hệ tọa độ xoay dq Gọi vector điện áp trong hệ trục tọa độ xoay dq là esv , ta có: Sj ts e s se v v Và: Sj te s s se v v Lưu ý: e dse s e qs v v         v d q S Sv  Hệ trục tọa độ S Hệ trục tọa độ dq 31 Phương trình động cơ trong hệ tọa độ xoay dq Ma trận chuyển đổi   dq:         cos sin sin cos e S s sds s e S s sqs s t tv v t tv v                          Ma trận chuyển đổi dq  :         cos sin sin cos eS s s dss eS s s qss t t vv t t vv                          32 Phương trình động cơ trong hệ tọa độ xoay dq Phương trình biểu diễn điện áp động cơ trong hệ tọa độ dq:     ( ) ( ) e e s s s s ms s e e sl m r sl rr r R p j L p j L p j L R p j L                         v i v i Lưu ý: s: tốc độ đồng bộ, : tốc độ quay của rotor sl: tốc độ trượt = s-. Phương trình momen:    *2 2 Im 3 3 e e e e e e m qs dr ds qr m s rM PL i i i i PL   i i 33 Nguyên lý điều khiển vector ĐC KĐB Với động cơ DC:  Phương trình momen động cơ DC: uM K i   Momen sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dòng phần ứng và từ trường sinh ra trong phần kích từ của động cơ.  Cấu tạo của động cơ DC cho phép điều khiển độc lập từ trường và dòng phần ứng của động cơ  Có thể điều khiển độc lập từ thông và momen động cơ. Vì vậy, động cơ DC có chất lượng đáp ứng rất cao. 34 Nguyên lý điều khiển vector ĐC KĐB Tương tự động cơ DC, động cơ KĐB cũng có:  Rotor tương đương với mạch phần ứng của động cơ DC  Stator tương đương với mạch kích từ của động cơ DC Tuy vậy, do cấu trúc của động cơ KĐB, dòng rotor thường không thể điều khiển trực tiếp. Hơn nữa, phương trình momen của động cơ là phi tuyến. Điều khiển vector nhằm điều khiển động cơ KĐB như một động cơ DC, nghĩa là từ thông và momen động cơ có thể điều khiển độc lập với nhau. 35 Nguyên lý điều khiển vector ĐC KĐB Phương trình momen động cơ KĐB (biểu thị qua dòng stator và từ thông rotor):  2 3 e e e em qs dr ds qr r r LP M i i R      1 1e e e em dr ds dr sl qr r r L i p               1 1e e e em qr qs qr sl dr r r L i p               Trong đó: mr r L R   36 Nguyên lý điều khiển vector ĐC KĐB  Phương trình momen động cơ KĐB cho thấy sự phức tạp khi điều khiển động cơ vì mô hình động cơ là phi tuyến và các biến có quan hệ lẫn nhau (cross coupling).  Nếu có thể điều khiển một số biến sao cho chúng luôn bằng zero, mô hình động cơ có thể trở nên tuyến tính và dễ điều khiển hơn. 37 Nguyên lý điều khiển vector ĐC KĐB Nếu có thể điều khiển sao cho: 0eqr  Mô hình động cơ có thể đơn giản hóa: 2 3 e e e em dr qs dr qs r r LP M i k i R      Khi đó: e er dr   d q rΦ r S Điều kiện 0eqr  có thể thỏa khi hệ trục tọa độ xoay dq quay đồng bộ với vector từ thông rotor erΦ , và vector này nằm trên trục d của hệ tọa độ dq. 38 Nguyên lý điều khiển vector ĐC KĐB m r L  1 r 1 p 3 m r PL L e dsi e dr e qsi Sơ đồ khối ĐC KĐB khi 0eqr  39 Nguyên lý điều khiển vector ĐC KĐB Hơn nữa, nếu có thể điều khiển sao cho: e dr const   Động cơ KĐB có thể điều khiển tương tự như động cơ DC với chế độ từ thông không đổi. 40 Nguyên lý điều khiển vector ĐC KĐB Từ thông rotor e er dr   có thể điều khiển thông qua thành phần dòng stator edsi . Ta có: ( ) 1 e dr m e ds r L G p i p     x e qsi M e dsi G(p) e dr 3 m r PL L 41 Nguyên lý điều khiển vector ĐC KĐB Tóm lại, nếu có thể điều khiển sao cho: edr const  , động cơ KĐB có thể được điều khiển như một động cơ DC với phương trình momen: e e dr qsM k i  Trong đó:  Từ thông edr điều khiển thông qua thành phần dòng stator e dsi ,  Momen động cơ điều khiển thông qua thành phần dòng stator eqsi . 42 Nguyên lý điều khiển vector ĐC KĐB Hai phương pháp kinh điển thường dùng trong điều khiển vector (điều khiển định hướng trường) động cơ KĐB:  Điều khiển trực tiếp: dùng cảm biến đo trực tiếp từ thông động cơ,  Điều khiển gián tiếp: suy ra từ thông động cơ qua cảm biến đo vị trí rotor. 43 Điều khiển vector ĐC KĐB kiểu trực tiếp Nguyên lý:  Đo từ thông khe hở không khí của động cơ (dùng cảm biến),  Tính ra vector từ thông rotor er r r  Φ  Góc r dùng trong công thức chuyển đổi hệ trục tọa độ   dq và ngược lại. Như vậy, hệ trục tọa độ xoay dq quay đồng bộ với vector từ thông rotor erΦ , và vector này nằm trên trục d của hệ tọa độ dq. d q rΦ r S 44 Điều khiển vector ĐC KĐB kiểu trực tiếp Tính vector từ thông rotor erΦ từ vector từ thông khe hở không khí S mΦ :  Tính SrΦ từ S mΦ và vector dòng stator s si (tính toán trong hệ trục tọa độ tĩnh  ): S S sr r m lr s m L L L  Φ Φ i S Sv S Si S SpΦ S rpΦ S ri S rjΦS mpΦ 45 Điều khiển vector ĐC KĐB kiểu trực tiếp  Từ đây, suy ra các thành phần của SrΦ trong hệ trục tọa độ tĩnh : S S S r r rj    Φ S S sr r m lr s m S S sr r m lr s m L L i L L L i L                Từ vector SrΦ tính được, bằng phép chuyển hệ tọa độ vuông góc sang hệ tọa độ cực, có thể tính được các thành phần r và r của e rΦ . 46 Điều khiển vector ĐC KĐB kiểu trực tiếp r s s r r  *e qsi *e dsi *e si *e si * asi * bsi * csi Hệ thống điều khiển vector căn bản 47 Điều khiển vector ĐC KĐB kiểu trực tiếp r s s r r   *e qsi *e dsi *e si *e si * asi * bsi * csi r r * r Điều khiển vector động cơ KĐB với phương pháp điều khiển trực tiếp 48 Điều khiển vector ĐC KĐB kiểu gián tiếp Nguyên lý:  Trong phương pháp này, góc r được tính toán dựa trên vận tốc trượt * sl cần thiết .  Nếu gọi *S vận tốc đồng bộ cần thiết để duy trì hệ trục tọa độ xoay dq quay đồng bộ với vector từ thông rotor erΦ , góc r được tính toán như sau: * * 0 0 0 t t t r sl sldt dt dt           Trong đó  là góc quay của rotor và có thể đo được bằng cảm biến gắn trên rotor.  Giá trị *sl cần thiết có thể tính ra từ dòng stator và thông số động cơ. 49 Điều khiển vector ĐC KĐB kiểu gián tiếp Do e er dr Φ , ta có:  1e e er dr m S r L L   i i Từ đây , có thể suy ra:  1e edr r m dS e e sl r dr m qS p L i L i         50 Điều khiển vector ĐC KĐB kiểu gián tiếp Từ hệ phương trình trên, có thể chứng minh được giá trị *sl tính như sau: * * * 1 , e qS m sl re r dS r i L i R      Các tín hiệu *edSi và *e qSi có thể tính ra từ giá trị từ thông đặt * r và momen đặt M* như sau: * *1e r dS r m p i L     * * * e qS r M i k   51 Điều khiển vector ĐC KĐB kiểu gián tiếp   *e qsi *e dsi *e si *e si * asi * bsi * csi *sl r 1 r p  r mL  * 1 rk * r  1p * sl Điều khiển vector động cơ KĐB với phương pháp điều khiển gián tiếp 52 Điều khiển vector ĐC KĐB kiểu gián tiếp So sánh với phương pháp điều khiển trực tiếp:  Phương pháp điều khiển gián tiếp đơn giản hơn vì vị trí rotor có thể đo bằng cảm biến gắn ngoài.  Tuy nhiên, độ trượt cần thiết *sl phụ thuộc vào thông số động cơ m r r L R   . Thông số này biến thiên đáng kể trong quá trình vận hành động cơ.