Phơng pháp tổng hợp v mô phỏng hệ Biến tần điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto Nhận dạng hằng số thời gian rôto của động cơ không đồng bộ trong quá trình quá độ ThS. Vũ xuân hùng Bộ môn Trang bị điện - Điện tử Khoa Điện - Điện tử - Trờng Đại học GTVT TS. Trần văn thịnh Khoa Điện Trờng Đại học Bách khoa H Nội Tóm tắt: Hiện nay phơng pháp điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto đợc sử dụng ngy cng nhiều trong hệ truyền động điện chất lợng cao. Bi báo trình by kết quả nghiên cứu phơng pháp tổng hợp v mô phỏng hệ biến tần điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto. Trong quá trình lm việc tham số của động cơ không đồng bộ bị biến đổi do ảnh hởng của hiệu ứng mặt ngoi v bão hòa mạch từ lm giảm chất lợng đặc tính động. Để khắc phục điều ny, tác giả đề xuất một phơng pháp nhận dạng on-line hằng số thời gian rôto. Kết quả tính toán v mô phỏng đợc thực hiện trên động cơ không đồng bộ 14kW đợc cấp bởi biến tần IGBT PWM. Summary: Today, the field oriented vector control method is used increasingly in high- performance electric drives. This paper presents the results of research into the syntheses and simulations method for field - oriented vector control. The variations of induction motor parameters by skin face effects and magnetic saturation reduce dynamic performance. To overcome the constraint, the authors propose a method for rotor time constant identification on- line. The simulation and evaluation are performed using actual parameters of a 14 kW induction motor fed by an IGBT PWM inverter. i. đặt vấn đề Tổng hợp và mô phỏng là bớc quan trọng khi thiết kế một hệ điều chỉnh tự động truyền động điện, nó cho phép kiểm tra độ ổn định và đánh giá chất lợng của hệ truyền động trớc khi đi vào thiết kế một hệ thống thực, rút ngắn thời gian thiết kế, giảm thiểu đợc rủi ro và chi phí khi thiết kế và sản xuất. Giúp cho việc chỉnh định và lựa chọn thông số của bộ điều chỉnh trong quá trình vận hành. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu phơng pháp tổng hợp và mô phỏng hệ biến tần điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto và đề xuất một phơng pháp nhận dạng on-line hằng số thời gian rôto của động cơ không đồng bộ trong quá trình động do ảnh hởng của hiệu ứng mặt ngoài và bão hòa mạch từ. ii. nguyên lý điều khiển vectơ Véc tơ dòng điện stato đợc tách ra làm hai thành phần (hình 1): Thành phần thứ nhất là i sd có chiều trùng với vectơ từ thông rôto, thành phần này tỷ lệ với từ thông rôto ( r ~ i sd ), nhờ có bộ điều chỉnh dòng mà thành phần i sd đợc giữ không đổi i = const do đó từ thông sd e rôto đ ợ c g iữ khôn g đổi, isd đ ợ c gọ i là dòn g tạo từ thông (dòng kích từ). Hình 1. Đồ thị vectơ Thành phần thứ hai là i sq có chiều vuôn g g óc với vectơ từ thôn g rôto. Do mômen qua y t ỷ lệ với tích của từ thôn g và thành phần dòn g i sq ( M ~ r .i sq ) , m ặ t khác từ thôn g đ ợ c g i ữ không đổi nên thành phần dòng i sq t ỷ lệ với mômen, bằng cách điều chỉnh dòng i sq ta sẽ điều chỉnh đợc mômen quay, dòng i sq đ ợ c gọ i là dòn g t ạ o mômen qua y . Nh v ậy nếu thành công trong việc giữ i sd = const và áp đ ặ t nhanh dòng i sq để điều khiển mômen thì thu ậ t toán điều khiển vectơ (điều khiển trờn g đ ị nh hớn g) cho đ ộ n g cơ khôn g đồn g b ộ sẽ tơn g t ự nh điều khiển đ ộ n g cơ m ộ t chiều kích t ừ đ ộ c l ậ p. Hình 2 là sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto. Hình 2. Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vectơ có khâu nhận dạng Tr III. Bộ điều chỉnh dòng điện kiểu dự báo IPC (Intelligent Predictive Controller) Bộ điều chỉnh dòng điện có nhiệm vụ áp đặt nhanh chính xác mô men quay trên cơ sở điều chỉnh dòng điện stato. Hiện nay có rất nhiều phơng pháp điều chỉnh dòng stato, trong các phơng pháp đó có phơng pháp điều chỉnh dòng thông minh kiểu dự báo IPC hai điểm [2] có độ tác động nhanh, có thể điều khiển nhanh mômen quay bám sát giá trị mômen đặt nhờ khả năng dự báo trớc mẫu xung điều khiển tối u để điều khiển van bán dẫn trong chu kỳ kế tiếp khi vectơ dòng stato rời khỏi phạm vi sai số đặt trớc. Hình 3 là sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh dòng thực hiện theo nguyên tắc IPC. e Hình 3. Khâu điều chỉnh vectơ dòng stato theo kiểu IPC a b Hình 4. a) Vectơ sai số của dòng điện; b) Phạm vi sai số của dòng pha a; c) Phạm vi sai số chung của cả ba pha Khi một dòng rời khỏi phạm vi sai số cho phép H (hình 4b, c), tùy theo dấu của sai số mà pha đó sẽ đợc nối với cực "+" hoặc cực "- " của nguồn điện áp một chiều cấp cho biến tần. Đây là một phơng án có u thế lớn do có đặc điểm đơn giản và có đặc tính động học cao nên đợc dùng phổ biến trong hệ điều khiển vectơ đòi hỏi cao về đặc tính động. iv. Tổng hợp bộ điều chỉnh từ thông (Flux Controller) Bộ điều chỉnh từ thông làm nhiệm vụ áp đặt nhanh, chính xác dòng điện đặt i sd , loại bỏ đợc quan hệ trễ bậc nhất giữa từ thông rôto với dòng điện i sd . Để tổng hợp bộ điều chỉnh từ thông dựa vào mạch vòng hình 5, trong đó đối tợng của mạch vòng từ thông đợc mô tả bởi phơng trình sau [1]: )k() T T 1()k(i T T )1k( ' rd r sd r ' rd +=+ (1) v. Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ (Speed Controller) Bộ điều chỉnh tốc độ làm nhiệm vụ duy trì, ổn định tốc độ ở giá trị đặt thông qua việc tạo dòng mômen thích hợp i * sq . Đầu ra của bộ điều chỉnh tốc độ là dòng đặt mômen i * . sq Hình 6. Mạch vòng để tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ Từ phơng trình tính mômen và phơng trình động học của ĐC KĐB [1]: sqrdC r 2 m dt i'p L L 2 3 M = (2) dt d p J MM c Cdt = (3) Ta có mạch vòng tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ nh hình 6. Để xác định thông số của bộ điều chỉnh tốc độ chúng tôi sử dụng công cụ Nonlinear Control Design (NCD) trong Simulink - Matlab. Giả sử Hình 5. M ạ ch vòn g điều chỉnh t ừ thôn g bộ điều chỉnh tốc độ là khâu PI [2], dựa vào công cụ NCD thu đợc thông số của bộ điều chỉnh tốc độ của hệ Biến tần - ĐC KĐB 14kW nh sau: Kp = 25, Ki = 15. Hình 7. Cấu trúc của bộ điều chỉnh tốc độ vi. Mô hình quan sát vectơ từ thông rôto (Flux Estimator, Flux Observer) 1. Mô hình tính góc vectơ từ thông Để có thể xây dựng đợc hệ điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto ta cần phải biết chính xác hớng của vectơ từ thông rôto, do đó ta cần phải tính chính xác góc lệch s của từ thông rôto với trục của hệ tọa độ cố định stato, góc s đợc tính nh sau: () dt)0( rss ++= (4) với s (0) là vị trí đầu của vectơ từ thông rôto. Tốc độ trợt của rôto đợc tính nh sau [1]: )k(T )k(i )k( , rd r sq r = (5) Từ các công thức trên ta xây dựng đợc mô hình tính góc s nh hình 8. Hình 8. Mô hình tính góc s Từ các công thức trên ta thấy rằng giá trị góc tính đợc s phụ thuộc rất lớn vào độ chính xác của hằng số thời gian rôto T r , mà T r là tham số biến đổi mạnh do ảnh hởng của hiệu ứng mặt ngoài, sự bão hòa của mạch từ và nhiệt độ. Để có thể điều khiển định hớng trờng rôto một cách chính xác ta cần phải có phơng pháp nhận dạng chính xác hằng số thời gian rôto. 2. Mô hình tính modul vectơ từ thông Từ phơng trình (1) ta xây dựng đợc mô hình tính modul vectơ từ thông rôto (hình 9). Chúng ta thấy rằng từ thông rôto * rd phụ thuộc vào hằng số thời gian rôto, đây là tham số biến đổi trong quá trình làm việc. Vì vậy, để có thể tính chính xác từ thông rôto ta cần phải có mô hình có nhận dạng hằng số thời gian rôto T r . Hình 9. Mô hình tính từ thông rôtô vii. Mô hình nhận dạng hằng số thời gian rôto T r do ảnh hởng của sự bão hòa mạch từ v hiệu ứng mặt ngoi Dựa vào nguyên tắc xác định tham số của động cơ do ảnh hởng của hiệu ứng mặt ngoài và sự bão hòa mạch từ, xem [1], chúng tôi đề xuất một phơng pháp nhận dạng hằng số thời gian rôto T r trong quá trình động nhằm cải thiện đặc tính động của hệ thống, nội dung của phơng pháp nh sau: - Tham số khởi đầu cho khâu nhận dạng hằng số thời gian rôto T r : Đó là các giá trị điện kháng, điện trở rôto đã cho trớc trong tài liệu thiết kế máy điện hoặc trên nhãn của máy điện. - Tín hiệu đầu vào để có thể xét đợc ảnh hởng của hiệu ứng mặt ngoài và sự bão hòa mạch từ là: hệ số trợt s (hoặc tốc độ), tần số góc stato s , biên độ dòng điện stato, trong quá trình khởi động các giá trị đó đều là tham số biến đổi. Nhờ bộ điều chỉnh tốc độ, bộ điều chỉnh từ thông có khâu hạn chế, khâu quan sát vectơ từ thông rôto có nhận dạng hằng số thời gian rôto và khả năng áp đặt nhanh, chính xác của bộ điều chỉnh dòng điện mà dòng điện khởi động đợc hạn chế trong phạm vi đặt trớc (hình 11a), dòng điện i - Hằng số thời gian rôto đợc tính theo công thức sau: rs 20 r r r R (t)x(t)x R L T + == (6) , i trong đó: x 0 , x 2 , R r lần lợt là điện kháng mạch từ hóa, điện kháng rôto đã quy đổi về stato, điện trở rôto - đây là các tham số biến đổi do ảnh hởng của hiệu ứng mặt ngoài và bão hòa mạch từ, đợc xác định theo [1]. sd sq luôn bám theo giá trị dòng điện đặt i * * , i sd sq (hình 11c, d). Đặc tính mômen ít dao động, tốc độ tăng đều trong quá trình khởi động, sai lệch tốc độ ở trong chế độ xác lập rất nhỏ (hình 11e), đặc tính mômen vợt trội so với đặc tính mômen trong hệ biến tần điều khiển theo luật U/f mà tác giả đã khảo sát trong [5]. u điểm của phơng pháp là có khả năng nhận dạng trực tuyến (on line) khi hệ thống đang làm việc, phơng pháp chỉ sử dụng tín hiệu thông thờng có thể đo đợc và tồn tại trong mọi hệ truyền động nh dòng điện, tốc độ, không sử dụng các tín hiệu kích thích phụ gây bất lợi cho hệ thống. Mô hình nhận dạng hằng số thời gian rôto và giao diện nhập thông số nh trên hình 10. viii. Kết quả mô phỏng v nhận xét Hình 10a. Mô hình nhận dạng T r Hình 10b. Giao diện nhập thông số cho khối nhận dạng Hình 11a. Hệ số trợt, biên độ dòng điện Hình 11b. Hằng số thời gian rôto T r v từ thông rôto Hình 11c. Dòng điện đặt iX. Kết luận trình bày kết quả nghiên cứu phơng pháp tổng hợp và thôn khảo ùng. Luận văn Thạc sĩ khoa học kỹ trình quá độ của hệ Biến tần - Bài báo đã mô phỏng hệ điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto. Chơng trình mô phỏng đợc dùng để hỗ trợ cho quá trình thiết kế, lựa chọn tham số thích hợp để cài đặt trớc khi vận hành, dùng để phân tích và đánh giá chất lợng của hệ truyền động điện. Nhờ mô hình nhận dạng hằng số thời gian, đã cho phép quan sát chính xác vectơ từ g rôto, đem lại đặc tính động có chất lợng cao: đặc tính mô men và tốc độ ít dao động, gần nh không có độ quá điều chỉnh. Dòng điện đợc hạn chế trong phạm vi cho phép do đó giảm đợc tổn thất năng lợng ở dây quấn trong quá trình động. Tài liệu tham [1]. Vũ Xuân H thuật, Khảo sát quá Động cơ không đồng bộ, 2003. [2]. Ng. Phùng Quang, A. Dittrich. Truyền động điện thông minh. NXB KHKT, 2002. [3]. M.Jemli, M.Boussak, M.Gossa. Roto time constant identification in vector controlled induction motor with model reference adaptive system; OPTIM, 1996. [4]. P. Srinivas, and Other. Gereralized system design & Analysis of PWM based Power Electronic converter; IEEE Transaction on IA, 2000. [5]. Vũ Xuân Hùng. Tính toán tổn thất năng lợng trong quá trình động của động cơ không đồng bộ khi đợc cấp điện từ biến tần PWM. Hội thảo Khoa học và công nghệ trờng ĐH GTVT. Tạp chí Khoa học và công nghệ GTVT, 11/2003. [6]. Trần Văn Thịnh, Vũ Xuân Hùng. ứng dụng biến tần điều khiển động cơ điện xoay chiều - Giải pháp nâng cao hiệu suất sử dụng năng lợng của hệ Biến tần; Hội thảo Khoa học về tối u hóa năng Hình 11e. Đặc tính mômen v tốc độ Hình 11 f. Điện áp v dòng điện Hình 11d. Dòng điện i sd v i sq Hình 12. Đặc tính trong hệ điều khiển vectơ có hai cấp tốc độ l−îng - ViÖn khoa häc vµ c«ng nghÖ NhiÖt - L¹nh. Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ néi, 11/2003 ♦ . Phơng pháp tổng hợp v mô phỏng hệ Biến tần điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto Nhận dạng hằng số thời gian rôto của động cơ không đồng bộ trong quá trình quá độ ThS. Vũ xuân hùng Bộ môn. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu phơng pháp tổng hợp và mô phỏng hệ biến tần điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto và đề xuất một phơng pháp nhận dạng on-line hằng. cng nhiều trong hệ truyền động điện chất lợng cao. Bi báo trình by kết quả nghiên cứu phơng pháp tổng hợp v mô phỏng hệ biến tần điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto. Trong quá trình lm việc