Thạc Sĩ Nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động sử dụng động cơ điện xoay chiều

LỜI CAM ĐOAN
Trong vài năm gần đây đã và đang có một số nhà khoa học trong nước và trên thế giới, quan tâm nghiên cứu hệ truyền động trực tiếp moment, chủ yếu tập trung vào động cơ không đồng bộ. Đối với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đang là vấn đề được quan tâm nghiên cứu, chưa có công trình khoa học nào công bố một cách đầy đủ và có tính thực nghiệm.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực.
Tác giả luận văn

MỞ ĐẦU
Nguyên tắc truyền động điều chỉnh bằng những động cơ đồng bộ đã được
biết đến từ thập niên 30. Tuy nhiên những ứng dụng của nó bắt đầu từ thập kỷ 60,
nhờ các phát minh mới, cho phép thực hiện những truyền động điều chỉnh tốc độ
ở mức độ khá hoàn chỉnh.tốc độ ở mức độ khá hoàn chỉnh. Trong những năm gần
đây với sự phát triển mạnh mẽ của ngành điện tử công suất, các bộ biến đổi công
suất ngày càng nhanh hơn, mạnh mẽ hơn và mặt khác cùng với sự phát triển các
ngành điện tử học điều khiển, ngành tin học đã tạo điều khiển dễ dàng cho việc
ứng dụng chương trình số vào toàn bộ hệ thống.
Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu rất hợp với loại hình truyền động
này. Loại máy này dần dần được ứng dụng vào hệ thống tự động, đòi hỏi một sự
đồng bộ tuyệt đối, nhất là đối với ứng dụng trong máy công cụ, tàu điện hay là
trong các truyền động trực tiếp trong lĩnh vực tự động hóa. Trong các ứng dụng
như thế, một số động cơ đồng bộ có công suất vài kilo Watts được sử dụng rộng
rãi. Các động cơ quay theo tần số áp đặt, với phương pháp này cho phép tránh
được các trục truyền dẫn cơ học với khớp răng. Một số lợi ích khác của động cơ
đồng bộ nam châm vĩnh cửu cũng được quan tâm.
Đặc tính tương quan giữa moment ngẫu lực - moment quán tính, tương quan
công suất - trọng lượng, của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu tối ưu so các
loại máy điện khác. Điều này không làm ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống
truyền động, có giá thành thấp, bảo quản dễ dàng vì không có bộ phận cổ góp
điện, sử dụng máy điện này thích hợp và thuận lợi ở môi trường có chất ăn mòn
và bụi bẩn. Tuy nhiên loại máy này cũng có những bất tiện, nhất là tính chất phức
tạp của bộ điều khiển với bộ phận biến đổi đòi hỏi mạch điện tử khá phức tạp, giá
thành luôn ở mức cao, điều này sẽ dẫn đến giá thành của toàn bộ hệ thống truyền
động cao. Mặt khác sự tiến bộ kỹ thuật mới đây cho phép thực hiện những bộ
biến đổi càng ngày càng tinh vi và mạch điện ngày càng chắc chắn hơn.
Điều khiển vectơ do Hass đề nghị năm 1969, Blaschke năm 1972, Bose năm
1986, cho phép điều khiển dòng điện xoay chiều cũng gần như điều khiển dòng
liên tục. Yêu cầu chung của điều khiển là điều chỉnh moment và từ thông của máy
điện, do vậy động học của moment rất nhanh, từ đó phương pháp này là cơ sở để
thực hiện các ứng dụng trong kỹ nghệ tay máy, người máy, các máy công cụ, điều
khiển tàu điện, Tuy nhiên trong cấu trúc này đòi hỏi phải biết chính xác, bộ
cảm biến vị trí sẽ rất đất tiền và làm giảm khả năng vận hành hệ thống.
Trong những năm gần đây, những tiến bộ trong lĩnh vực điện tử công suất,
cũng như sử dụng các máy điện xoay chiều, đã cho phép thực hiện sự truyền động
với tốc độ thay đổi ở mức độ cải thiện khá cao và cho phép dễ dàng ứng dụng
máy điện vào hệ thống tự động hóa đòi hỏi sự đồng bộ tuyệt đối với chất lượng
truyền động cao, khả năng vận hành tốt, hệ thống truyền động sử dụng máy điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu đáp ứng được các yêu cầu chuyên biệt. Việc nghiên
cứu các ứng dụng về loại hình truyền động này là vấn đề có tính cấp thiết và là
một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng và có tình thời sự hiện nay.
Bằng cách chọn lựa chiến lược điều khiển trực tiếp moment và xây dựng
quy luật điều khiển tỷ lệ tối ưu giữa moment/dòng điện của động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu, đây được xem như là một phát hiện mới, các kết quả thực hiện
mô phỏng và thực nghiệm chứng minh tính khả thi của đề tài.
Các nghiên cứu về lý thuyết được trình bày và xây dựng quy luật điều khiển
tỷ lệ tối ưu giữa moment/dòng điện được xem là phương pháp mới. Trong điều
khiển trực tiếp moment của máy điện đồng bộ với từ thông và moment được ước
lượng trước. Việc ước lượng từ thông và moment được thực hiện bằng cách đo
điện áp một chiều của biến tần và dòng stator. Một bộ chuyển mạch để lựa chọn
vectơ điện áp mà đầu ra không phụ thuộc vị trí rotor được đề nghị. Như vậy
phương pháp điều khiển trực tiếp moment của máy điện đồng bộ không cần cảm
biến để xác định vị trí rotor, mà các phương pháp trước đây đã thực hiện. Những
mô phỏng và chiến lược điều khiển, áp dụng vào máy điện được hỗ trợ đặc lực
bằng cách mô hình hóa toàn bộ hệ thống, nhờ phần mềm Matlab kết hợp với
Simulink. Các tiến bộ của luật văn có thể nhận thấy ở các bộ biến đổi, cũng như ở
mạch điều khiển nhằm làm cho hệ thống gọn nhẹ và thích nghi dễ dàng với mọi
ứng dụng, luận văn còn đề xuất mới là xét ảnh hưởng điện trở stator và đưa ra
phương pháp bằng R, là tham số duy nhất của động cơ cần đến trong điều hiển
trực tiếp moment.
Đóng góp có ý nghĩa của luận văn đề xuất xây dựng quy luật điều khiển tỷ
lệ tối ưu giữa moment/dòng điện (T/I), các kết quả mô phỏng đã chứng minh một
cách tuyết phục ý nghĩa thực tiễn của đề tài. Điều khiển trực tiếp theo một quy
luật, đáp ứng moment nhanh hơn nhiều so với phương pháp điều vectơ (nhanh
hơn từ 5  7 lần), giảm được tổn thất trong động cơ.
Các chương nội dung chính như sau :
Chương 1 : Tổng quan hệ thống truyền động cơ đồng bộ NCVC
Chương 2 : Điều khiển trực tiếp moment động cơ đồng bộ NCVC
Chương 3 : Điều khiển trực tiếp moment ĐCĐBNCVC tối ưu dòng điện.
Trong quá trình thực hiện luận văn, dưới sự hướng dẫn Tiến sỹ Võ Quang
Vinh, tác giả đã nỗ lực thực hiện để hoàn thành các nội dung đề ra thuộc hướng
nghiên cứu. Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn các thầy trước việc định
hướng rõ nét và góp nhiều ý kiến quý báu cho bản luận văn này.
Do hạn chế về thời gian cũng như về kiến thức của bản thân chắc chắn bản
luận văn này còn nhiều khiếm khuyết, tác giả sẽ rất hạnh nếu được tiếp nhận các
ý kiến phê phán các nội dung đề cập trong luận văn.
MỤC LỤC
trang
Lời cam đoan 1
Mục lục 2
Các chữ viết tắt 4
Danh mục các bảng 4
Danh mục các hình vẽ và đồ thị 5
Mở đầu 7
Chương 1 : Tổng quan hệ thống truyền động ĐCĐBNCVC 10
1.1. Khái quát 10
1.2. Động học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 12
1.2.1. Phương trình của ĐCĐBNCVC trong hệ tọa độ (a, b, c) 14
1.2.2. Phương trình của ĐCĐBNCVC trong hệ tọa độ (d, q) 21
1.2.3. Phương trình của ĐC trong hệ tọa độ từ thông stator (x, y) 22
1.3. Các sơ đồ điều khiển ĐCĐBNCVC 23
1.3.1. Vấn đề chung về điều khiển vectơ 23
1.3.2. Sơ đồ điều khiển vectơ dòng điện. 25
1.4. Kết luận chương 1 26
Chương 2 : Điều khiển trực tiếp moment ĐCĐBNCVC 27
2.1. Điều khiển từ thông stator 27
2.2. Điều khiển moment 29
2.3. Lựa chọn vectơ điện áp 30
3.4. Ước lượng từ tông stator, moment điện từ 32
2.5. Thiết lập bộ hiệu chỉnh từ thông 34
2.6. Thiết lập bảng chuyển mạch 36
2.7. Cấu trúc hệ thống điều khiển trực tiếp moment 37
2.8. Ảnh hưởng của điện trở stator trong DTC 38
2.9. Bù ảnh hưởng của điện trở stator 39
2.9.1. Sử dụng bộ biến đổi PI 39
2.9.2. Ước lượng điện trở stator ở trạng thái nghỉ của động cơ 40
2.10. Mô phỏng và so sánh kết quả 42
2.11. Kết luận chương 2 44
Chương 3 : Điều khiển trực tiếp moment tối ưu dòng điện 46
3.1. Xây dựng quy luật điều khiển tỷ lệ tối ưu T/I (MTPA) 47
3.1.1. Xây dựng quy luật giới hạn dòng điện 48
3.1.2. Xây dựng quy luật giới hạn điện áp 48
3.1.3. Cấu trúc điều khiển tỷ lệ tối ưu giữa moment/ dòng điện (T/I) 51
3.1.4. Xác định Moment hằng số và công suất không đổi 51
3.2. Các phương pháp xây dựng quy luật giới hạn I và U 52
3.2.1. Vận hành từ thông tối ưu 54
3.2.1.1. Xây dựng giới hạn dòng điện và điện áp 54
3.2.1.2. Vận hành để moment đạt giá trị cực đại 54
3.2.1.3. Vận hành từ thông tối ưu 55
3.2.2. Vận hành bằng bộ biến đổi PWM với máy bù áp 55
3.2.2.1. Vận hành khi máy bù áp nghỉ 55
3.2.2.2. Sự vận hành với bù áp 55
3.2.2.3. Đặc tính vận hành bằng bộ biến đổi PWM với máy bù áp 56
* Kết quả mô phỏng 57
3.3. Kết luận chương 3 62
Tài liệu tham khảo 63
Phần phụ lục 66