Bài giảng Điều khiển máy điện - Bài: Giới thiệu về điều khiển vector. Giới thiệu RFOC - Nguyễn Ngọc Tú

Bộ môn Thiết bị điện Điều khiển máy điện -Giới thiệu về điều khiển vector -Giới thiệu RFOC Bộ môn Thiết bị điện Ôn tập (1) Chứng minh các công thức tính moment sau là tương đương: Bộ môn Thiết bị điện )cos(2 tVva  )3 2 cos(2    tVvb Một động cơ không đồng bộ có các tham số sau (đã qui đổi về stator): Rs=10 ohm; Rr=6,3 ohm ; Lγs=Lγr=0,04H ; Lm=0,4H. Máy vận hành ở 1425 vòng/phút và được cung cấp bởi nguồn 380V/50Hz. Máy có 4 cực, nối Y và vận hành ở xác lập. Máy được cấp nguồn, dạng hình sin, điện áp pha quy định bởi: ) 3 4 cos(2    tVvc Viết điện áp pha stator thành phần trục alpha-beta và điện áp pha vector không gian trong hệ quy chiếu tĩnh. Tính dòng điện stator vector không gian và các thành phần alpha-beta trên hệ tọa độ alpha-beta. Ôn tập (2) Bộ môn Thiết bị điện Giới thiệu Điều khiển V/f thích hợp cho các ứng dụng mà không đòi hỏi sự đáp ứng nhanh về moment, từ trường hay tốc độ. Một số ứng dụng đòi hỏi phải có đáp ứng quá độ nhanh, do đó hệ thống điều khiển V/f không thích hợp. Trước đây do sự hạn chế về kỹ thuật và thiết bị, hệ thống dùng động cơ DC được sử dụng Với sự phát triển về thiết bị và lý thuyết điều khiển vector hiện nay, động cơ kđb được sử dụng để thay thế động cơ DC cho các ứng dụng đòi hỏi đáp ứng nhanh. Bộ môn Thiết bị điện Giới thiệu –Mô hình ĐCKĐB ở trạng thái xác lập bỏ qua sự quá độ khi thay đổi tải và thay đổi tần số stator. Những đại lượng này sẽ tăng rất nhanh đối với ứng dụng truyền động có tốc độ thay đổi. –Với những ứng dụng có moment thay đổi nhanh, điều khiển V/f hay nối nguồn trực tiếp sẽ không cho chất lượng tốt. Khi đó cần thiết phải biết tốc độ hay từ thông và bộ điều khiển có chất lượng cao  điều khiển vector Bộ môn Thiết bị điện Điều khiển định hướng trường (FOC) • Điều khiển định hướng trường (FOC) hay điều khiển vector là phương pháp điều khiển dùng cho động cơ kđb 3 pha, trong đó moment tạo ra và các thành phần từ hóa của từ thông stator được điều khiển độc lập • Mô phỏng theo hoạt động của động cơ DC • FOC cần các thông tin về: dòng điện, điện áp, từ thông và tốc độ của động cơ. Bộ môn Thiết bị điện Ứng dụng Thích hợp cho tất cả các ứng dụng trước đây sử dụng động cơ DC -Các hệ thống servo điều khiển tốc độ hay vị trí, các máy công cụ và trục nâng, cần trục, Bộ môn Thiết bị điện Bộ môn Thiết bị điện So sánh điều khiển vector và V/f Điều khiển vector có đáp ứng tốt hơn, chính xác hơn, đặc biệt ở vùng tốc độ thấp Bộ môn Thiết bị điện Nguyên lý điều khiển Vector Các đại lượng vô hướng (u, i, từ thông) được chuyển thành dạng vector không gian tương ứng. Bằng cách điều khiển riêng biệt các thành phần dòng điện d-q sẽ gián tiếp điều khiển được từ thông và moment. Trong bộ điều khiển, hai phép biến đổi ngược được thực hiện: 1) Từ hệ qui chiếu d-q về α-β; 2) Từ d*-q* về a*, b*, c*. Bộ môn Thiết bị điện Vector - Phasor Space vector (vector không gian): chiều dài đặc trưng cho biên độ, hướng chỉ vị trí trong không gian của mmf hay từ trường gây bởi điện áp (dòng điện) trong cuộn dây. Phasor (vector pha) dùng để đặc trưng cho sự sai lệch góc pha của các tín hiệu dạng sin. Bộ môn Thiết bị điện Điều khiển vector hay định hướng trường Động cơ không đồng bộ có thể được điều khiển bằng cách đưa về trạng thái như động cơ DC kích từ độc lập Bộ môn Thiết bị điện Điều khiển vector hay định hướng trường • Với điều khiển vector: – ids (induction motor)  If (dc motor) – iqs (induction motor)  Ia (dc motor) – Momen cho bởi công thức sau: – Trong đó , là giá trị đỉnh của biến vector không gian từ thông. ' e t qs t ds qsrT K i K i i  r r   Bộ môn Thiết bị điện Vector và Moment Vector rotor từ thông rotor ψr: -Tương đương với ψf của động cơ DC -Quay với tốc độ wsl so với rotor -Quay với tốc độ wr + wsl = we so với stator Cả is và ψr đều quay với tốc độ we. Khi xác lập, 2 vector này lệch nhau một góc θ hằng số Bộ môn Thiết bị điện Vector và Moment Vector dòng stator is có thể được phân thành 2 thành phần: -Thành phần isd cùng phương với ψr -Thành phần isq vuông góc với ψr Hệ tọa độ quay dq Moment T = k(is x ψr) = k ψr isq Động cơ DC: T = k(ia x ψf) = k iaψf Bộ môn Thiết bị điện Vector và Moment -Thành phần isd là thành phần tạo ra từ thông -Thành phần isq gọi là dòng moment của động cơ kđb Khi ψr nằm trên trục d, người ta nói hệ thống được định hướng trường => Ψr = Ψrd Hệ tọa độ quay dq Bộ môn Thiết bị điện Qui đổi sang 2 pha Dòng is (màu đen) và từ thông ψr (màu xanh) trong hệ tọa độ tĩnh αβ Dòng is (màu đen) và từ thông ψr (màu xanh) trong hệ tọa độ quay dq Việc qui đổi nhằm làm đơn giản hóa việc phân tích và điều khiển Bộ môn Thiết bị điện Qui đổi sang 2 pha Nếu từ thông ψr trùng với trục d • Từ thông rotor ψr = ψrd • Thành phần ψrq = 0 • Thành phần dòng stator isd cùng phương với từ thông là thành phần tạo ra từ thông rotor • Thành phần dòng stator isq vuông góc với từ thông là thành phần tạo ra moment Bộ môn Thiết bị điện Các pp điều khiển động cơ Điều khiển vô hướng Điều khiển vector Bộ môn Thiết bị điện Sơ đồ điều khiển FOC  PID α, β a,b,c 3- Phase Inverter Space Vector PWM  V α V β Vq Vd ia ib Iα I β Iq Id Iq Id + + + r θr ic † †: ia + ib + ic = 0 PWM1 d,q α, β Park T Clarke T  θr PWM2 PWM3 PWM5 PWM4 PWM6 Field Weakening Controller Speed Calculator Inverse Park d,q α, βPID PID Bộ môn Thiết bị điện Nguyên lý điều khiển vector Bài tập: Viết các phương trình chuyển đổi trong sơ đồ trên. Bộ môn Thiết bị điện Sơ đồ điều khiển FOC: tiếp dòng Bộ môn Thiết bị điện PT động học của IM ( ) 0rdrd rd r e r rq d u i R dt         ( ) 0 rq rq rq r e r rd d u i R dt          0 0 1 rd r rd sd rd rd sd r L i L i i L i L        0 0 1 rq r rq sq rq rq sq r L i L i i L i L        Chú ý: L0=Lm Bộ môn Thiết bị điện PT động học của IM Đặt ψrd=L0imrd với imrd là dòng từ hóa tương đương Định hướng trường Các phương trình điều khiển vector Bộ môn Thiết bị điện Sự tương đồng với ĐC DC  Ở xác lập (từ thông là hằng số), imrd=isd PT từ trường của điều khiển vector Bộ môn Thiết bị điện PT moment của điều khiển vector T = k(is x ψr) = k |is| |ψr| sinθ = kψrisq ψrd=L0imrd  T = kL0isqimrd 03 2 r L k P L  Moment tỉ lệ với dòng isq (dòng moment) Bộ môn Thiết bị điện PT điều khiển vector về tốc độ trượt -Phương trình này chỉ đúng khi từ thông rotor được định hướng -Tốc độ trượt tỉ lệ thuận với dòng moment và hằng số ksl Bộ môn Thiết bị điện Ứng dụng Bộ môn Thiết bị điện Góc từ thông λ Góc từ thông λ là góc giữa trục α và vector từ thông rotor Hệ qui chiếu dq quay với vận tốc ωe Điều khiển vector trực tiếp (feedback): -Từ thông rotor được tính từ giá trị đo của từ thông khe hở không khí và dòng stator đo được -Từ thông rotor được ước lượng từ dòng và áp stator đo được Bộ môn Thiết bị điện Góc từ thông λ Cần điều khiển dòng moment isq và dòng từ thông isd Để tính isq và isd cần biết góc từ thông λ Dùng cảm biến để đo từ thông khe hở không khí ψ0 Bộ môn Thiết bị điện Góc từ thông λ 0 0 0 0 0 (1 )rr lr s r lr s r r L L i L i L L L L               0 0 1 (1 ) (1 ) tan / r r lr s r r lr s r r L i L i                         0(1 )r r lr sL i     Bộ môn Thiết bị điện RFOC trực tiếp Từ thông rotor ước lượng từ dòng stator và từ thông khe hở không khí Bộ môn Thiết bị điện RFOC trực tiếp Từ thông rotor ước lượng từ dòng stator và áp stator Viết các phương trình liên quan ??? Bộ môn Thiết bị điện RFOC gián tiếp (feed-forward) Vị trí từ thông rotor được tính gián tiếp như sau Bộ môn Thiết bị điện RFOC gián tiếp (feed-forward) RFOC gián tiếp và tiếp dòng Bộ môn Thiết bị điện RFOC gián tiếp (feed-forward) RFOC gián tiếp và tiếp áp Bộ môn Thiết bị điện Vòng điều khiển Sai số tốc độ  moment lệnh Sai số moment  isq lệnh Sai lệch imrd  isd lệnh Field weakening (nếu wr > we ) Bộ giới hạn we w Bộ môn Thiết bị điện Bộ điều khiển PWM và Hysteresis Đặc điểm: -Đơn giản, dễ thiết lập -Nhiễu đóng ngắt (switching noise) đáng kể -Điện áp pha thay đổi từ -E/2 tới E/2 trong khi pha khác từ E/2 tới –E/2. Điện áp dây có thể thay đổi tới 2E với dV/dt rất cao (quá điện áp,..) .  Trong thương mại sử dụng PWM tiếp áp thay vì điều khiển Hysteresis. Bộ môn Thiết bị điện Câu hỏi (1/2) Máy dùng pp điều khiển vector trực tiếp, isq được điều khiển thành hằng số, isd được điều khiển thành dạng xung vuông 0- 10A với chu kì 2s Từ thông trong máy sẽ là: a/ hằng số b/ xung vuông c/ tăng giảm theo hàm mũ d/ sóng sine Dạng sóng moment giống dạng sóng từ thông? a/ Có b/ Không Bộ môn Thiết bị điện Câu hỏi (2/2) Máy dùng pp điều khiển vector trực tiếp, isq được điều khiển thành hằng số, isd được điều khiển thành dạng xung vuông 0- 10A với chu kì 2s Nếu isd được điều khiển thành hằng số, isq thành dạng xung vuông, moment sẽ là: a/ hằng số b/ xung vuông c/ tăng giảm theo hàm mũ d/ sóng sine Bộ môn Thiết bị điện Bài tập (1) Một động cơ không đồng bộ, 4 cực, nối Δ có dòng tiêu thụ định mức là 10.4A và dòng không tải (dòng từ hóa) là 6.2A. Biết Lm 2/Lr = 0.34 Tính -Giá trị định mức của isd và isq -Moment định mức