Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Chương 2. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA

Chương 2. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA

Tải bản đầy đủ - 0trang

-Trang 4-



với hệ thống cấp trên, một vi xử lý phụ dùng để điều khiển ghép nối – đối thoại với

thiết bị ngoại vi tại chỗ PLC.



Hình 2.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại

2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

2.2.1. Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar)

Hiện nay, phần lớn hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ là truyền

động đặc tính thấp trong đó cả biên độ lẫn tần số của dòng điện và điện áp của

nguồn cung cấp có thể điều chỉnh đồng thời. Cách điều chỉnh này cho phép điều

khiển tốc độ hoặc momen đến trạng thái xác lập trong khi vẫn giữ từ thông của

động cơ ổn định. Điều khiển này được gọi là điều khiển vô hướng, khi giả thiết điện

áp hoặc dòng điện được điều khiển có dạng hình sin, duy nhất biên độ và tần số

được điều chỉnh, không liên quan đến vị trí không gian của những vector tương

ứng.

Điều khiển vô hướng đơn giản hơn điều khiển vector. Kỹ thuật vô hướng chung

nhất thường được dùng trong thực tế là không đổi (Constant Volts/Hertzs - CVH)

nghĩa là biên độ điện áp stator được điều chỉnh tỉ lệ với tần số nhằm duy trì từ thông

stator không đổi. Phương pháp này bao gồm điều khiển tốc độ từ trường quay của

stator bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp. Momen được cải tiến phụ

thuộc vào sự khác biệt giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor. Hệ thống điều

khiển đơn giản chỉ duy nhất yêu cầu hồi tiếp tốc độ. Tín hiệu tốc độ thật sẽ so sánh

với tín hiệu tốc độ chuẩn , sai số đạt được đưa vào bộ điều khiển trượt (slip



Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha



-Trang 5-



controller), cho ra tín hiệu tốc độ trượt chuẩn . Tín hiệu này cộng với tạo ra tín hiệu

đồng bộ, qua khối tỉ lệ p/2 tạo tần số góc đúng yêu cầu cung cấp cho biến tần. Bộ

điều chỉnh điện áp (Voltage Controller) tạo ra tín hiệu điện áp stator cung cấp cho

bộ biến tần.



Hình 2.2. Mơ hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng

Một phương pháp điều khiển scalar khác sử dụng kỹ thuật điều khiển momen

(Torque Control - TC) là điều chỉnh biên độ và tần số của dòng điện stator, vì thế

momen xác lập được điều khiển trong khi biên độ từ trường được duy trì không đổi.

Trong trường hợp này, hồi tiếp tốc độ chỉ đóng vai trò phụ vì hồi tiếp dòng điện có

phần phức tạp hơn phương pháp Constant Volts/Hertzs (CVH).



Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha



-Trang 6-



Hình

2.3. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mômen vô hướng

2.2.2. Phương pháp điều chế vector không gian

Bộ điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM) là một trong

những thiết bị điện tử công suất được nghiên cứu rộng rãi nhất trong 3 thập niên

qua. Không chỉ đòi hỏi khả năng đóng ngắt nhanh của thiết bị đóng ngắt bán dẫn

công suất mà còn yêu cầu kỹ thuật điều chế phải đơn giản và chính xác. Có nhiều

kỹ thuật điều chế như: kỹ thuật dao động phụ, điều chế vectơ không gian... nhưng

bổ sung thêm ứng dụng số là điều chế vector không gian ở bộ biến đổi nguồn dòng

và nguồn áp. Phương pháp điều chế vector không gian (space vector modulation)

xuất phát từ các ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó

được mở rộng triển khai trong hệ thống điện ba pha. Phương pháp này là phương

pháp phổ cập trong các hệ truyền động đã số hóa toàn phần dùng để điều khiển biến

tần dùng van bán dẫn. Thông thường, các đôi van được vi xử lý điều khiển sao cho

điện áp xoay chiều 3 pha với biên độ cho trước, với tần số cũng như góc pha cho

trước cung cấp cho động cơ đạt yêu cầu. Biến tần được nuôi bởi điện áp một chiều.

Biến tần thường hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cắt cao. Van bán dẫn được

dùng ở đây là IGBT, MOSFET.



Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha



-Trang 7-



Phương pháp điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục của

vector không gian tương đương của vector điện áp nghịch lưu trên quỹ đạo đường

tròn. Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quỹ đạo đường tròn,

các sóng hài bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ áp

ra trở nên tuyến tính. Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trong

thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bợ nghịch lưu áp.



Hình 2.4. Tám trạng thái đóng ngắt của bợ điều khiển vector khơng gian

2.2.4. Điều khiển định hướng trường

Động cơ AC, cụ thể là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có những ưu điểm là

đơn giản, tin cậy, giá thành thấp, và ít bảo dưỡng. Tuy nhiên, trong những ứng dụng

trong công nghiệp đòi hỏi hiệu suất truyền động cao thì việc điều khiển chúng vẫn

gặp phải những thử thách lớn bởi vì chúng là đối tượng phi tuyến và nhiều thông số,

chủ yếu là điện trở rotor thay đổi theo những điều kiện vận hành.

Điều khiển định hướng trường (Field orientation control - FOC) hoặc điều khiển

vector (Vas, 1990) cho động cơ không đồng bộ đạt được việc tách biệt thay đổi

động giữa momen và từ thông dẫn đến việc điều khiển độc lập giữa từ thông và

momen tương tự như động cơ DC kích từ độc lập.

Điều khiển định hướng trường là điều kiện tối ưu hóa momen và tách rời điều khiển

momen khỏi điều khiển từ thông trong điều kiện vận hành ổn định và quá độ của

động cơ không đồng bộ.



Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha



-Trang 8-



Có 2 loại điều khiển định hướng trường điển hình: Phương pháp trực tiếp

trong đó sử dụng cảm biến đo từ thông của động cơ, và phương pháp gián tiếp dựa

vào đo lường vị trí rotor.

2.2.5. Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp

Trong hệ thống định hướng trường trực tiếp, vị trí góc và biên độ của vector từ

thông chuẩn được đo hoặc ước lượng từ điện áp và dòng điện stator sử dụng bộ

quan sát từ thông (flux observer). Đặt cảm biến ở khe hở không khí của động cơ,

trục dq nhằm xác định vector từ thông hỗ cảm (từ thơng khe hở khơng khí).



Hình 2.5. Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản

2.2.6. Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp

Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp dựa vào tính toán tốc

độ trượt được yêu cầu cho điều khiển định hướng trường chính xác và sự áp đặt tốc

độ này lên động cơ.



Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển trùn đợng điện xoay chiều ba pha



-Trang 9-



Hình 2.6. Hai mơ hình hệ thống điều khiển vector đối với đợng cơ cảm ứng có định

hướng từ thơng rotor gián tiếp

2.2.7. Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường

Để có thể giảm tần số đóng ngắt, đặc biệt trong truyền động công suất lớn,

người ta sử dụng đường bao sai số hình vuông gắn với vector từ thông rotor của

máy điện. Cách lựa chọn này dĩ nhiên sẽ làm xuất hiện thêm một lượng sóng hài

bậc cao theo hướng từ thông rotor. Tuy nhiên, điều này không ảnh hưởng trực tiếp

đến việc tạo thành momen động cơ (hằng số thời gian khá lớn của rotor đã loại bỏ

tác dụng gián tiếp của từ thông rotor lên momen động cơ). Việc lựa chọn vector

đóng ngắt sẽ thực hiện theo phương pháp dự báo sao cho tần số đóng ngắt là nhỏ

nhất và việc đóng ngắt theo trục d của dòng điện có thể được hạn chế do khả năng

mở rộng đường bao của nó. Các sóng hài momen giảm xuống nhưng các sóng hài

dòng điện sẽ tăng lên (theo trục d).



Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha



-Trang 10-



2.2.8. Nhận xét

Hiện nay các phương pháp trên đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực

điều khiển động cơ. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, các phương pháp vẫn tồn

tại những khuyết điểm:

-



Điều chế độ rộng xung (PWM) trên cơ sở điều chế vector không gian gây



sóng hài bậc cao.

-



Điều khiển vô hướng chỉ dùng cho truyền động đặc tính thấp.



-



Điều khiển định hướng trường vẫn gặp một số hạn chế: nhạy với sự thay đổi



thông số của động cơ như hằng số thời gian rotor và đo lường từ thông không chính

xác tại tốc độ thấp. Do đó, hiệu suất giảm và bộ điều khiển phổ biến như PID thì

không thể duy trì yêu cầu điều khiển dưới những điều kiện thay đổi.

Do đó, để khắc phục những nhược điểm trên, việc kết hợp điều khiển trí tuệ nhân

tạo với kỹ thuật điều khiển kinh điển đã ra đời góp phần không nhỏ trong việc phát

triển lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều 3 pha.

2.3. NHỮNG KỸ THUẬT TIÊN TIẾN HIỆN NAY

2.3.1. Điều khiển thông minh

Truyền động động cơ bao gồm 3 phần chính: động cơ, bộ điều khiển và bộ điện tử

công suất. Nếu yếu tố thông minh được thêm vào một trong những phần chính kia

thì truyền động đó gọi là truyền động thông minh.

Điều khiển thông minh là bộ điều khiển trong đó bộ điều khiển là bộ não và trung

tâm ra quyết định bao gồm 2 phần: phần mềm và phần cứng. Phần cứng của đơn vị

điều khiển đã phát triển trong hai thập kỷ gần đây. Còn phần mềm chứa những kỹ

thuật điều khiển khác nhau được lập trình vào phần cứng.

Điều khiển dựa vào trí tuệ nhân tạo được gọi là điều khiển thông minh: điều khiển

thích nghi hay điều khiển tự tổ chức. Mỗi hệ thống có trí tuệ nhân tạo gọi là hệ

thống tự tổ chức hoặc tự xử lý. Trong thập niên 80 với sự phát triển nhanh của thiết

kế và sản xuất mạch điện tử, vi xử lý đã đạt tốc độ và khả năng tính toán cao đưa

điều khiển thông minh vào sử dụng rộng rãi trong truyền động điện.



Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha



-Trang 11-



Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo chia thành 2 nhóm: tính toán cứng và tính toán mềm. Hệ

chuyên gia thuộc về tính toán cứng cũng là kỹ thuật nhân tạo đầu tiên. Trong 2 thập

kỷ gần đây, tính toán mềm đã được sử dụng nhiều trong truyền động điện như sự cải

tiến cấu trúc vi xử lý. Thành phần chính của chúng là mạng neural nhân tạo, tập

logic mờ, mạng neural – mờ, hệ thống dựa vào thuật toán gen.

Bộ điều khiển logic mờ cơ bản (Fuzzy logic controller - FLC) được quan tâm đến

như một kiểu bộ điều khiển cấu trúc biến đổi (Hung et al., 1993) nhằm ổn định và

tăng độ bền cơ học. Ngôn ngữ diễn tả cho bộ điều khiển này là luật If- then (Kawaji

and Matsunaga, 1994).

Ngoài ra cũng có những bộ điều khiển dùng ANN được ứng dụng rộng rãi vì những

đặc tính đặc biệt sau:

-



Tất cả tín hiệu ANN được truyền theo một hướng, giống như hệ thống điều



khiển tự động.

-



Khả năng của ANN có thể học mẫu.



-



Khả năng tạo ra tín hiệu song song trong hệ thống tương tự và rời rạc.



-



Khả năng thích nghi.



Từ những ưu điểm đó, người ta đã ứng dụng mạng neural phục vụ trong lĩnh vực

điều khiển động cơ như: bộ ước lượng neural dùng để ước lượng tốc độ động cơ; bộ

điều khiển neural được dùng để tạo ra tín hiệu điều khiển bộ biến tần…

Kết quả mô phỏng sẽ được giới thiệu nhằm chứng minh hiệu quả của mạng neural

trong lĩnh vực điều khiển động cơ khi so sánh với hệ thống thông thường ( như bộ

điều khiển PI) không có ANNs.

2.3.2. Những kỹ thuật khác

Trở ngại chính trong việc sử dụng động cơ không đồng bộ là giá thành cao của

những thiết bị biến đổi, sự phức tạp của xử lý tín hiệu và độ chính xác kém. Trong

những năm gần đây, lý thuyết điều khiển vector đã trở nên linh hoạt vì sự tiến bộ

của kỹ thuật điện tử và bộ vi xử lý tốc độ cao. Trong hầu hết những ứng dụng, cảm

biến tốc độ là cần thiết và thích hợp trong vòng kín điều khiển tốc độ. Tuy nhiên,

cảm biến tốc độ có một vài nhược điểm ở giá cả, độ tin cậy và khả năng loại trừ



Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha



-Trang 12-



nhiễu. Những phương pháp khác nhau được đề xuất nhằm ước lượng tốc độ sử dụng

một vài thông số điện như dòng điện, điện áp, tần số và từ thông. Chúng dựa vào sự

kết hợp của lý thuyết ước lượng trạng thái và thuyết điều khiển vector (điều khiển

động cơ không có cảm biến tốc độ).

Tuy nhiên, các giá trị của thông số điện bị lệch do các giá trị thiết kế vì sự thay đổi

của môi trường làm việc, nhiệt độ, tốc độ, tải và tiếng ồn.

Những phương trình chuyển động của động cơ cảm ứng không phù hợp vì một vài

lý do như trên…Vì vậy, một vài mô hình thể hiện mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ

ra mà không cần biết đến phương trình chuyển động. Nhiệm vụ chính là tập trung

vào việc nhận dạng bao gồm bộ lọc tuyến tính để ước lượng hàm chuyển tuyến tính

(Schouken, 1990), để ước lượng thông số vật lý (Moons và Moor, 1995) và ước

lượng hệ số hàm chuyển tuyến tính dựa vào đo lường lực từ và tốc độ (Gahler và

Herzog, 1994), kỹ thuật NARMAR (Leontaritis và Billing, 1985) nhằm mô hình

hóa mối quan hệ giữa tốc độ và điện áp của động cơ không đồng bộ.

Tương tự, khi ước lượng từ thông, người ta cũng áp dụng những nguyên tắc giống

như điều khiển và ước lượng tốc độ. Thật sự, cảm biến từ thông khó chế tạo và lắp

đặt. Vì vậy, việc chế tạo ra một bộ ước lượng từ thông từ những thông số điện có

sẵn, hoặc những kỹ thuật tiên tiến là mối quan tâm thiết yếu cho những ai quan tâm

đến lĩnh vực điều khiển động cơ.

2.4. TRÌNH TỰ MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ

Thơng thường, để điều khiển động cơ không đồng bộ, người ta thường tiến hành

theo những bước chính sau:

2.4.1. Xây dựng mơ hình tốn học của động cơ khơng đờng bộ cho cấu trúc

điều khiển

Thông thường, mô hình toán học của động cơ không đồng bộ là: phương trình

vector tổng quát, mô hình mạch điện dưới dạng 2 pha, phương trình trạng thái.

Thông số của động cơ được xác định theo phương pháp thực nghiệm. Điện trở

stator đo được từ kiểm tra DC; điện trở rotor và điện cảm tiêu tán đo được khi rotor



Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha



-Trang 13-



bị ghìm; đo điện cảm từ hóa khi kiểm tra không tải. Việc điều chỉnh thông số khi

mô phỏng động cơ trong điều kiện nguồn cung cấp ở chế độ định mức lúc tải định

mức.

2.4.2. Bộ biến tần điều khiển

Bộ biến tần có tụ DC được dùng trong truyền động động cơ không đồng bộ gồm bộ

biến tần nguồn áp (VSI) và bộ biến tần nguồn dòng (CSI), dựa theo phương pháp

điều chế độ rộng xung (PWM) nhằm điều khiển điện áp và dòng điện. Ngoài ra còn

có bộ biến tần kết hợp bộ CSI công suất cao và bộ VSI công suất thấp làm việc song

song.

2.4.3. Kiểm tra thiết bị truyền động AC

Một phòng thí nghiệm được xây dựng bao gồm: động cơ không đồng bộ cần kiểm

tra làm việc như tải cơ được kéo bởi máy phát điện đồng bộ. Mỗi máy điện được

cấp nguồn từ bộ biến tần, và được điều khiển bởi bộ điều khiển card ở PC.



Hình 2.7. Phòng thí nghiệm kiểm tra

2.4.4. Phương pháp điều khiển, xây dựng và thiết kế bộ điều khiển đi kèm

Tùy theo tính chất, mục đích sử dụng, tài nguyên hiện có mà ta lựa chọn phương

pháp điều khiển thích hợp như điều khiển vô hướng, điều chế vector không gian,

định hướng trường...



Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha



-Trang 14-



Chương 3. MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA



3.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Máy điện không đồng bộ ba pha có dây quấn stator được cung cấp điện từ lưới điện,

và nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ có được sức điện động cảm ứng và dòng điện

bên trong dây quấn rotor. Dòng điện ba pha đối xứng trong dây quấn ba pha sẽ tạo

ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ (rad/s). Rotor máy không đồng bộ gồm 2 loại:

Rotor dây quấn với dây quấn nhiều pha (thường là ba pha) quấn trong các rãnh

rotor, có cùng số cực với dây quấn stator với các đầu dây ra nối với các vành trượt

được cách điện với trục rotor. Việc tiếp điện được thông qua các chổi than đặt trong

các bộ giá đỡ chổi than.

Rotor lồng sóc có dây quấn rotor là các thanh dẫn (nhôm, đồng) trong rãnh rotor,

chúng được nối tắt ở hai đầu nhờ hai vành ngắn mạch. Do kết cấu rất đơn giản và

chắc chắn, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được sử dụng làm nguồn động lực

rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp cũng như trong sinh hoạt.

Trong hai loại động cơ trên, loại có rotor lồng sóc đã chiếm ưu thế tuyệt đối trên thị

trường vì dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ hơn. Sự phát triển như

vũ bão của kỹ thuật vi điện tử với giá thành ngày càng hạ đã cho phép thực hiện

thành công các kỹ thuật điều chỉnh phức tạp đối với loại rotor lồng sóc.

3.2. VECTOR KHÔNG GIAN CỦA CÁC ĐẠI LƯỢNG BA PHA

3.2.1. Xây dựng vector không gian

Động cơ không đồng bộ ba pha đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bố

trí không gian tổng quát như hình 3.1.

Trong hình trên không quan tâm đến động cơ đấu hình sao hay tam giác. Ba dòng

điện isu, isv, isw là ba dòng chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ. Khi động cơ chạy

bằng biến tần thì đó là ba dòng ở đầu ra của biến tần.



Chương 3. Mơ hình đợng cơ không đồng bộ ba pha



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Chương 2. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×