›

Đề tài Nghiên cứu khảo sát động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu và cấu trúc điều khiển sử dụng phần mềm Matlab

pdf 49 trang thiennha21 12/04/2022 6810
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đề tài Nghiên cứu khảo sát động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu và cấu trúc điều khiển sử dụng phần mềm Matlab", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfde_tai_nghien_cuu_khao_sat_dong_co_dong_bo_kich_thich_nam_ch.pdf

Nội dung text: Đề tài Nghiên cứu khảo sát động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu và cấu trúc điều khiển sử dụng phần mềm Matlab

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB Chủ nhiệm đề tài: TS. PHẠM TÂM THÀNH Hải Phòng, tháng 5/2016 1
  2. MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 3 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu 3 2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu 3 3. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 3 4. Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của công trình nghiên cứu 3 5. Kết quả đạt được của đề tài 3 Chương 1. Khảo sát mô hình động học của động cơ đồng bộ 4 1.1. Khái quát về động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) 4 1.2. Mô hình động học của PMSM 4 1.2.1. Nguồn tương đương 4 1.2.2. Momen điện từ 5 1.2.3. Từ thông móc vòng 5 1.2.4. Mạch tương đương 6 1.2.5. Mô phỏng động học 8 1.2.6. Phương trình tín hiệu nhỏ của PMSM 10 1.2.7. Đánh giá đặc tính điều khiển của PMSM 12 Chương 2. Cấu trúc và chiến lược điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu 13 2.1. Cấu trúc hệ truyền động điều khiển động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu 13 2.1.1. Hệ truyền động điều khiển mô-men 13 2.1.2. Mô phỏng và kết quả của hệ truyền động điều khiển mômen 16 2.1.3. Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ 17 2.1.4. Mô phỏng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ 20 2.2. Một số chiến lược điều khiển 21 0 2.2.1. Điều khiển giữ góc mômen bằng hằng số  90 21 2.2.2. Điều khiển hệ số công suất 23 2.2.3. Điều khiển từ thông là hằng 24 2.2.4. Điều khiển góc giữa từ thông tổng và dòng phức 25 2.2.5. Điều khiển tối ưu mômen/dòng điện 27 2.2.6. Điều khiển hệ số tổn hao công suất là hằng 27 2.2.7. Điều khiển hiệu suất tối đa 31 Chương 3. Mô phỏng cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ sử dụng phần mềm Matlab 32 3.1. Cấu trúc hệ truyền động động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu 32 3.2. Cấu trúc mô phỏng 32 3.2.1. Thông số động cơ 32 3.2.2. Mô hình Simulink của động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu 33 3.2.3. Mô phỏng cấu trúc điều khiển 34 KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 PHỤ LỤC 42 2
  3. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Để có thể phục vụ tốt hơn trong công tác giảng dạy, nghiên cứu về máy điện, truyền động điện, tổng hợp hệ điện cơ cần tiến hành khảo sát, mô phỏng động học của máy điện, mô phỏng các cấu trúc điều khiển máy điện nói chung hay động cơ đồng bộ kích thích nam châm giúp sinh viên, học viên có thể tiếp cận dễ dàng khi học tập các học phần đó 2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu Ở Việt Nam cũng như ở nước ngoài đề tài nghiên cứu về máy điện nói chung và động cơ điện đồng bộ xoay chiều ba pha nói riêng đã được nhiều nhà khoa học quan tâm. Máy điện rất đa dạng, lý thuyết về máy điện rất phức tạp, việc phân tích các quá trình quá độ, trạng thái làm việc của máy điện là điều không dễ dàng thực hiện được. Cấu trúc điều khiển máy điện xoay chiều ba pha và cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha được các nhà khoa học trong nước và quốc tế đặc biệt quan tâm. 3. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu a. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng tài liệu nghiên cứu động cơ điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu sử dụng công cụ Matlab và Simulink, phục vụ học tập trực quan cho sinh viên chuyên ngành. Đó cũng là mục đích nghiên cứu của đề tài. Đề tài có sản phẩm đó là tập hợp tài liệu và các chương trình viết trên Matlab phục vụ nghiên cứu đối tượng động cơ điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu và cấu trúc điều khiển. b. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, nghiên cứu về mô hình toán của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, các cấu trúc điều khiển và khảo sát mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab 4. Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của công trình nghiên cứu Trong quá trình nghiên cứu tác giả kết hợp các phương pháp: Lý thuyết và mô phỏng máy tính. Kết cấu của công trình nghiên cứu gồm 3 chương và phụ lục - Chương 1: Khảo sát mô hình động học động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu - Chương 2: Cấu trúc và chiến lược điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu - Chương 3: Mô phỏng cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ sử dụng phần mềm Matlab 5. Kết quả đạt được của đề tài Đề tài là tài liệu nghiên cứu về đối tượng động cơ điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu gồm: mô hình toán và các cấu trúc điều khiển, mô hình động cơ và cấu trúc điều khiển được mô phỏng kiểm chứng bởi phần mềm Matlab&Simulink. Kết quả nghiên cứu sẽ làm phong phú thêm nội dung bài giảng các môn học chuyên ngành: Kỹ thuật điện, máy điện và phục vụ công tác đào tạo nhân lực của Nhà trường Như vậy đề tài “Nghiên cứu khảo sát động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu và cấu trúc điều khiển sử dụng phần mềm Matlab” được đưa ra vừa có ý nghĩa khoa học, vừa có giá trị thực tiễn và đào tạo. 3
  4. Chương 1. Khảo sát mô hình động học của động cơ đồng bộ 1.1. Khái quát về động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có cấu tạo gồm các cuộn dây 3 pha phân bố đối xứng và rotor gắn nam châm vĩnh cửu để tạo từ trường khe hở. Việc loại bỏ được mạch điện kích từ ở phía rotor đem lại một số ưu điểm cho động cơ ĐB-KTVC như giảm tổn hao đồng, mật độ công suất cao hơn, giảm mô-men quán tính của động cơ, cấu tạo rotor bền vững về mặt cơ khí hơn Hiện nay, giá thành của loại động cơ ĐB- KTVC vẫn cao hơn so với loại động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc (KĐB-RLS) ở cùng dải công suất, nhưng động cơ ĐB-KTVC thường có hiệu suất cao hơn, nên trong thời gian lâu dài thì giá thành sử dụng của động cơ ĐB-KTVC vẫn nhỏ hơn so với động cơ KĐB-RLS. Động cơ ĐB-KTVC đang được sử dụng rất rộng rãi và ngày càng nhiều hơn trong công nghiệp, đặc biệt ở dải công suất thấp và trung bình (công suất tới vài trăm hp-horse power) 1.2. Mô hình động học của PMSM 1.2.1. Nguồn tương đương Các đầu vào công suất cho máy ba pha có được bằng năng lượng đầu vào cho các máy hai pha có ý nghĩa giải thích trong phép đo, phân tích và mô phỏng. Công suất đầu vào tức thời của 3 pha là: t pi v abc i abc v as i as v bs i bs v cs i cs (1.1) pi : công suất đầu vào tức thời t vabc : vector điện áp pha abc tức thời vas,, v bs v cs : điện áp đầu vào pha a, b, c iabc : vector điện áp pha abc : dòng điện stator tức thời 3 pha ias,, i bs i cs Các dòng pha abc và điện áp được chuyển thành tương đương: 1 r iabc  T abc i qd 0 (1.2) 1 r vabc  T abc v qd 0 (1.3) Từ (1.1), (1.2), (1.3) ta có công suất đầu vào: t t p vrr T 11 T i i qd00  abc  abc qd (1.4) Khai triển phía bên phải của phương trình (1.4), công suất đầu vào trong các biến dq0 là: 3 r r r r pi v qs i qs v ds i ds 2 v00 i (1.5) 2 Đối với máy 3 pha không có thứ tự dòng điện, công suất đầu vào có thể được thu gọn: 3 r r r r pi v qs i qs v ds i ds 2 v00 i (1.6) 2 4
  5. 1.2.2. Momen điện từ Mô-men điện từ là các biến đầu ra quan trọng nhất để xác định các động lực cơ khí của máy chẳng hạn như vị trí rotor và tốc độ. Nó có nguồn gốc từ phương trình ma trận máy bằng cách nhìn vào công suất đầu vào và các thành phần khác của nó như tổn thất điện trở, công suất cơ học, và mức độ thay đổi của năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây stator. Mức độ thay đổi của năng lượng từ trường được lưu trữ chỉ có thể bằng không trong trạng thái ổn định. Do đó, trong một trạng thái ổn định có tổn thất điện trở và công suất đầu ra chênh lệch với công suất đầu vào. Mức độ thay đổi của năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây stator không cần phải bằng không. Và nguồn gốc của các momen xoắn điện từ được thực hiện như sau. Các phương trình động học của PMSM có thể được viết như sau: V=[ R] i +[ L] pi + [ G]wr i (1.7) Công suất đầu vào tức thời là: t t t t pir= iV = iRi[ ] + iLpi[ ] + iG[ ]w i (1.8) Với: [R] : ma trận các thành phần điện trở [L] : ma trận các hệ số của hàm điều hành p [G] : ma trận các hệ số của tốc độ rotor (ωr) it[R]i : điện trở tổn thất ở rotor và stator it[L]pi : biểu thị mức độ thay đổi trường lưu trữ t i [G]ωri : các thành phần còn lại bao gồm cả khe hở không khí Mối liên hệ giữa khe hở không khí và momen xoắn: P wT= P = itt[ G] i. w = i[ G] i w (1.9) m e a r2 m Trong đó P là số cực. Bỏ qua tốc độ trên cả hai vế phương trình ta có momen điện từ: P T= it [ G] i (1.10) e 2 Thay thế [G] trong phương trình (1.10) ta có momen xoắn điện từ thu được dưới dạng: 3 P éùrr Te=l af +( L d - L q) i ds i qs (.) N m (1.11) 22ëûêú 1.2.3. Từ thông móc vòng Các phương trình động lực của PMSM trong hệ tọa độ rotor có thể được thể hiện bằng cách sử dụng các mối liên kết thông như các biến. Ngay cả khi điện áp và dòng là không liên tục thì các từ thông móc vòng vẫn liên tục. Điều này tạo thuận lợi phân biệt các biến số có sự ổn định. Các từ thông móc vòng stator và rotor trong hệ tọa độ rotor được định nghĩa là: rr l qs= Li s qs (1.12) 5
  6. rr llds=+Li s ds af (1.13) Từ những phương trình này, dòng điện stator trong hệ tọa độ rotor có thể được biểu diễn với các từ thông móc vòng và cuộn cảm. Điện áp theo hệ dq stator về các từ thông móc vòng trong hệ tọa độ rotor như sau: rRs r r r vpqs=l qs + l qs + w r l ds (1.14) Lq rRs r r r vpds=(l ds + l af) + l ds - w r l ds (1.15) Ld Những phương trình này có thể được biểu diễn dưới dạng các mạch tương đương và cũng có thể ở dạng một sơ đồ khối. Momen điện từ như là một hàm của các từ thông móc vòng thu được bằng cách thay thế dòng điện stator về các từ thông móc vòng và được tính toán như: 3PP 1 3 T=é pl +1 - r lr ù l r = é l r i r + l r i r ù (1.16) eë af( ) ds û qs ë ds ds qs qs û 2 2Lq 2 2 L Với : r = q (1.17) Ld Phần thứ hai của biểu thức thể hiện rõ hơn momen là kết quả của sự tương tác giữa từ thông móc vòng và dòng điện trục d-q ở các cuộn dây và ngược lại. Các dấu trừ liên quan đến các từ thông móc vòng trục q và trục d dòng điện là bởi vì nó tạo ra một momen cản ngược lại với các thành phần momen khác. 1.2.4. Mạch tương đương Các mạch tương đương của PMSM có thể bắt nguồn từ các phương trình stator và được thể hiện ở hình 1.1. Hình 1.1. Mạch tương đương của PMSM bỏ qua tổn thất lõi. (a) mạch tương đương stator theo trục q (b) mạch tương đương stator theo trục d 6
  7. (c) mạch tương đương không theo trình tự Các mạch tương đương rất hữu ích trong việc nghiên cứu hệ thống. Các mạch tương đương có thể được sửa đổi để giải thích cho những tổn thất lõi. Tổn thất lõi sinh ra bởi từ trễ và các tổn thất dòng xoáy trong các lá thép kỹ thuật điện. Trong khi những tổn thất thường bị chi phối bởi mật độ từ trường, tần số kích thích, và đặc tính của lá thép, và độ dày của lá thép trong trường hợp tổn thất dòng xoáy là duy nhất, cần lưu ý rằng mỗi biến ảnh hưởng đến sự tổn thất lõi rất khác nhau. Hơn nữa, có tổn thất trên mặt cực và tổn thất sóng hài do cuộn dây và các lá thép stator và rotor. Như vậy một mô hình tổn thất cho tất cả mọi các thành phần có thể không được dễ dàng tích hợp vào các mạch tương đương đơn giản. Tuy nhiên, một mô hình đơn giản để giải thích cho những tổn thất cốt lõi do kích thích cơ bản là có thể bởi một trở kháng tương đương, mặc dù vẫn có tổn thất khác như tổn thất trên mặt cực và tổn thất sóng hài được loại trừ trong một mô hình này. Mô hình này rất hữu ích trong các nghiên cứu tính hiệu quả tối ưu momen cho hoạt động của máy, và quan trọng nhất để xác định momen đối với tốc độ giới hạn để việc sử dụng tối ưu và an toàn nhất trong vận hành máy. Hình 1.2. Mạch trạng tương đương thái ổn định với tổn thất lõi của PMSM. (a) mạch tương đương trạng thái ổn định theo trục q (b) mạch tương đương trạng thái ổn định theo trục d Việc thêm vào điện trở tổn hao tương đương trong các mạch theo trục q và d chứng minh rằng dòng điện tiêu thụ của chúng bị mất cho hệ momen trong máy. Hơn thế nữa, những tổn thất làm giảm khả năng tản nhiệt của máy. Các sơ đồ khối của PMSM được thể hiện trong hình 1.3. Các momen điện từ có được từ các từ thông móc vòng. Các dòng điện được rút ra từ các từ thông móc vòng và chúng không được hiển thị ở đây để đơn giản hóa. 7
  8. Hình 1.3. Sơ đồ khối của PMSM. 1.2.5. Mô phỏng động học Các mô phỏng động năng của PMSM được giải thích trong phần này. Các phương trình của PMSM trong hệ tọa độ rotor: æö rRL r rl afn 1 r ÷ pi=wç -sn i - dn w i - w + v ÷ (1.18) qsn bç qsn rn dsn rn qsn ÷ èøç LLLLqn qn qn qn ÷ æöL R 1 pir=wwç -qn i r -sn i r + v r ÷ 1.19) dsn bç rn qsn dsn dsn ÷ èøLLLdn dn dn 1 r r r pwrn=( l afn i qsn -( L dn - L qn) i dsn i qsn - B n w rn - T l n ) (1.20) 2H Các phương trình cuối cùng được thêm vào để tìm vị trí rotor vì nó rất quan trọng trong việc xác định điện áp và dòng điện trong từng pha của máy. Các vị trí rotor đơn vị là radian. Nó được xem là những phương trình phi tuyến, kết quả của các biến có liên quan. Các giải pháp của hệ thống sau đó thu được bằng cách tích hợp các phương trình vi phân. Phương pháp Runge Kutta Gill có thể được sử dụng cho tích phân số hoặc minh họa trong chương trình MATLAB, một giải pháp đơn giản bằng cách rời rạc hóa có thể thu được điện áp đầu vào. Các dòng pha abc có thể được lấy từ dòng dq trong hệ tọa độ rotor bằng cách sử dụng các ma trận biến đổi nghịch đảo. Từ các dòng dq stator, thu được momen điện từ. Việc thực hiện trong điều kiện mô phỏng được thể hiện trong hình 1.4. Không có sự điều khiển đối với các PMSM dựa trên vị trí rotor của nó trong mô phỏng này. Bởi vì các dòng stator đạt được giá trị cao với các dao động trong khe hở không khí momen, dẫn đến sự rung lắc đáng kể của rotor. Sự rung lắc như vậy là điều không mong muốn. Đối với mô phỏng này, momen tải được coi là bằng không và điện áp pha áp dụng là bằng với điện áp cơ sở về độ lớn và một bộ cân bằng điện áp ba pha với tần số 60 Hz. Các trục q và d điện áp stator trong hệ tọa độ rotor không phải là hằng số. 8
  9. Start Đọc thông số của động cơ Khởi tạo thời gian và đọc các điện áp và thời gian cuối Tính các điện áp dq0 trong hệ tọa độ rotor Giải các phương trình vi phân của động cơ sử dụng phương pháp tích phân số Runge- Kutta Tính mô-men, từ thông và dòng abc Lưu giữ giá trị của các biến Sai Time time t Đã đạt thời gian cuối? Đúng In/hiển thị thời gian đáp ứng End Hình 1.4. Lưu đồ mô phỏng động lực của PMSM 9
  10. Hình 1.5. Kết quả mô phỏng động lực Để vận hành PMSM tốt hơn, hãy xem xét điều khiển vòng kín đơn giản mà vị trí rotor được sử dụng để thiết lập một pha điện áp như một hình sin của vị trí rotor và góc α cố định. Các điện áp pha b và c có nguồn gốc tương tự. Góc α được gọi là góc pha điện áp stator. Độ lớn của điện áp pha được đưa ra như là một chức năng của tốc độ rotor cộng với một điện áp bù đắp như: VKVm=+ bw r 1( ) (1.21) Với: K b : Hằng số EMF wr : Tốc độ quay rotor Điện áp bù vượt quá điện áp rơi trên trở để làm cho nó có khả năng tạo ra một dòng điện tại thời điểm bắt đầu từ điểm dừng. Đối với biến tần điều khiển tốc độ động cơ cảm ứng có thể nhận ra rằng điện áp bù phục vụ cùng một mục đích trong việc điều khiển U/f. Giả sử điện áp cơ sở là Vb, điện áp pha bình thường được viết là: Vm Vasn=+sin(wa t t) ( p . u) (1.22) Vb Điện áp tăng lên tương ứng với tốc độ. Góc giữa các từ thông móc vòng rotor và điện áp được duy trì ở 90 °, nghĩa là α = 90 °. Các momen khe hở không khí giảm khi dòng điện giảm trong biên độ do sức điện động gây ra và tăng khi tốc độ tăng. Điện áp và tần số của điện áp và pha có thể được lập trình từ các tín hiệu điều khiển. 1.2.6. Phương trình tín hiệu nhỏ của PMSM Các phương trình điện của PMSM và các hệ thống con điện cơ được đưa ra trong phương trình (1.18) qua (1.21) kết hợp để cung cấp cho các phương trình động học của hệ thống tải của động cơ. Những phương trình động học phi tuyến là sản phẩm của hai biến dòng điện hoặc một biến dòng điện và tốc độ rotor. Đối với thiết kế bộ điều khiển với kỹ thuật thiết kế hệ thống điều khiển tuyến tính, các phương trình phi tuyến động 10
  11. lực không thể được sử dụng trực tiếp. Chúng phải được tuyến tính xung quanh một điểm làm việc sử dụng kỹ thuật nhiễu loạn. Đối với đầu vào tín hiệu nhỏ hoặc rối loạn, các phương trình tuyến tính là hợp lệ. Các phương trình tuyến tính thu được như sau. Các biến trong các đơn vị SI là sau khi nhiễu loạn: r r r r dvqs=( R s + L q p) d i qs + w r00 L d d i ds +( L d I ds + l af) dw r (1.23) r r r r dvds= - w rqqs00 L d i +( R s + L d p) d i ds - L qqs I dw r (1.24) P Jpdw+ B dw =( d T - d T ) 1.25) r r2 l pdqrr= dw (1.26) 3 P r r r r r dTe=( l af d i qs +( L d - L q)( I ds00 d i qs + I qs d i ds )) (1.27) 22 Kết hợp phương trình thông qua (1.23) và (1.27) đưa về mô hình không gian trạng thái ta có: pX=+ AX BU (1.28) Với: t X= éùd irr d i dw dq (1.29) ëûqs ds r r t U= éùddd vrr v T (1.30) ëûqs ds l RLsd r r00 af LI d ds 0 LL qq LLR qq s I r 0 A r00 qs (1.31) LLLd d d rrB k1 af L d L q I ds 0 k 1 L d L q I ds 0 0 J 0 0 1 0 1 00 Lq 1 B 00 (1.32) Ld P 00 2J 00 0 æö2 31çP÷ k1 = ç ÷ (1.33) 22èøç ÷ J Đầu ra có thể là hàm của các biến trạng thái: y=+ CX DU (1.34) Trong đó C và D tại là vector kích thước thích hợp. Những hệ thống và đầu ra được mô tả bởi phương trình (1.28) và (1.34). Với mục đích nhỏ gọn trong việc xây dựng, momen tải đã được coi như một đầu vào. 11
  12. 1.2.7. Đánh giá đặc tính điều khiển của PMSM Biến đổi Laplace phương trình (1.28) và (1.34) với các giả thiết điều kiện ban đầu bằng không: sX( s)=+ AX( s) Bu1 ( s) (1.35) y( s)=+ CX( s) Du( s) (1.36) Với s là biến Laplace. Áp dụng phương trình (1.31) và (1.32), đầu ra như sau: y( s)=éù C( sI - A)- 1 B + D u( s) (1.37) ëûêú1 Với I là ma trận đơn vị. Ma trận đầu vào được viết: Bu1 ( s)= buii( s) (1.38) Với bi là vector cột thứ i của ma trận B và i tương ứng với số phần tử trong vector đầu vào, tương tự: Du( s)= dii u( s) (1.39) và kết quả là các phương trình: sX( s)=+ AX( s) buii( s) (1.40) y( s)=+ CX( s) dii u( s) (1.41) Việc đánh giá các hàm truyền được thực hiện đơn giản nếu dạng biến chính tắc hay pha của phương trình trạng thái được đưa ra trong phương trình (1.28) được tìm thấy. Giả định rằng nó được thực hiện bằng việc chuyển đổi sau đây: XTX= pp (1.42) Các phương trình trạng thái và đầu ra được chuyển thành: pXp=+ A p X p B p u i (1.43) y=+ Cp X p d i u i (1.44) Với: - 1 Ap= T p AT p (1.45) - 1 Bp= T p b i (1.46) Cpp= CT (1.47) Các ma trận và vector có dạng: éù0 1 0 êú A = êú0 0 1 (1.48) p êú êú ëû m1 m 2 m 3 t Bp = [0 0 1] (1.49) Cp = [ n1 n 2 n 3 ] (1.50) Và hàm chuyển đổi được viết: 2 ys( ) n1++ n 2 s n 3 s =+2 di (1.51) u( s) m1++ m 2 s m 3 s Vấn đề nằm ở chỗ tìm các ma trận biến đổi, Tp. Một thuật toán để xây dựng Tp được đưa ra dưới đây: 12
  13. T t t t p 123 (1.52) tb i 3 t At m b; k 1,2 3-k 3- k 3- k 1 i Với t1, t2, t3 là các vector cột. Các phương trình cuối cùng cần các hệ số của phương trình đặc trưng và được tính toán trước đó bằng cách sử dụng thuật toán Leverrier. Các thuật toán Leverrier được đưa ra sau đây: m3 trace( A ); H 3 A m 3 I 1 m2 trace( AH 3 ); H 2 A H 5 m 4 I (1.53) 2 m 1 trace() AH 125 Với các vết một ma trận là tổng các phần tử đường chéo của nó. Tần số đáp ứng được đánh giá từ phương trình (1.37) bằng cách thay thế, s = j ω. Mức độ và đồ thị pha có thể được vẽ trên phạm vi tần số mong muốn cho việc đánh giá các đặc tính điều khiển. Chương 2. Cấu trúc và chiến lược điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu 2.1. Cấu trúc hệ truyền động điều khiển động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu 2.1.1. Hệ truyền động điều khiển mô-men Coi hệ truyền động động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu với đầu vào bên ngoài là mômen và từ thông tổng yêu cầu (giá trị đặt). Chúng có thể là các đầu vào độc lập trong trường hợp mômen điều khiển truyền động động cơ trong ứng dụng điều khiển chuyển động hoặc có thể là trong hệ truyền động điều chỉnh tốc độ phụ thuộc vào các * * * biến nội bộ. Cung cấp mômen đặt mM , giá trị đặt dòng stator is và góc mômen đặt  13
  14. được tính toán từ các phương trình đã biết của mômen, từ thông tổng, các biến đặt được đưa ra thay cho biến thực và chúng là: 31z p 2 mM  p i ssin  L sd L sq i s sin 2  N . m (2.1) 2 2 2 2 m  p L sd i scos  L sq i s sin  Wb (2.2) Cung cấp đầu vào bên ngoài là mômen và từ thông đặt, biên độ dòng stator và góc từ thông đặt có thể được tính toán từ phương trình (2.1), (2.2) với giả thiết rằng tham số của động cơ là hằng. Có sự phức tạp và khó khăn khi giải các phương trình này là đặc biệt là đối với PMSM cực lồi. Cần yêu cầu một số phép tính lặp với tính toán off-line và bảng trong quá trình thực hiện. PMSM với điện cảm dọc trục và ngang trục bằng nhau, khi đó giá trị đặt mômen và từ thông được giảm 3 z m p  isin N . m ) (2.3) M22 p s * * *2 * * 2 2 * 2 * * m  psds L icos  L sqs i sin   p L sds i 2  psds L i cos  Wb (2.4) Giải pháp cho giá trị đặt mômen được phân tích theo các bước sau: ▪Bước 1: Thành phần dòng stator sinh từ thông is cos được tính từ (2.4) bằng cách thay is sin từ (2.3) 2 m* *22 M m L sd p 3 z p  p 22 is cos (2.5) Lsd ▪Bước 2: Dòng đặt stator được tính từ (2.4) bằng cách thay thế từ (2.5) *  22 i * cos  * * m p p s is (2.6) Lsd Giá trị đặt góc mômen có thể được tính từ (2.5) và (2.6). Từ giá trị đặt dòng và giá trị đặt góc mômen, thành phần dòng sản sinh từ thông và mômen có thể được tính từ để thay thế thực bằng biến đặt: * iT sin i* (2.7) * s cos i f Sử dụng chuyển hệ tọa độ từ hệ tọa độ rotor sang hệ tọa độ dòng ba pha, dòng pha đặt được tính: * * cos sin sin s i ss su * 2 2 iT 2 iisv cos  s sin  s s sin  s  (2.8) 3 3i* 3 * f isw 2 2 * 2 cos s sin  s sin  s  3 3 3 Dòng pha đặt có thể tính trực tiếp từ dòng stator chiếu lên các trục u,v,w như hình 2.1. Khi đó thực hiện điều khiển vector trong hệ truyền động điều khiển mômen động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu. Sơ đồ cấu trúc cơ bản như hình 2.2. Cấu trúc 14
  15. điều khiển không thay đổi đối với máy điện đồng bộ cực lồi ngoại trừ các công thức dẫn xuất từ (2.1) và (2.2) điều này tương tự như cách cài đặt giá trị đặt của biên độ dòng stator và góc mômen. Các quá trình tính toán có thể được thực hiện on-line hoặc lưu giữ trong các bảng tính off-line để giảm bớt thời gian tính toán. Khi các thông số thay đổi, các bảng khác nhau cho sự biến đổi được lưu giữ và được gọi ra trong quá trình vận hành Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc điều khiển vector hệ truyền động điều khiển mômen động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu Góc pha của dòng stator trong hệ tọa độ gắn với stator được tính bởi tổng vị trí góc từ thông rotor và góc mômen: s  s   st  (2.9) Sử dụng (2.8) và (2.9), giá trị đặt dòng stator được tổng hợp trong khối thứ hai của bộ điều khiển vector. Quá trình tính dòng pha yêu cầu từ giá trị đặt mômen và từ thông là trái tim của bộ điều khiển vector và nằm trong phần nét đứt. Hệ thống là bộ điều khiển dòng với mômen và từ thông được điều khiển trực tiếp bởi dòng. Do đó, dòng điều khiển bao gồm cả dòng phản hồi và các chi tiết này không được đề cập. Chỉ có 2 dòng được đo về, và tổng ba dòng pha trong hệ thống ba pha ba dây bằng 0 và do đó dòng 3 pha có thể được tính từ hai dòng pha. Sai lệch giữa các dòng pha và giá trị đặt của chúng được xử lý, bộ điều khiển PI đưa ra giá trị đặt cho điện áp pha. Chúng có thể dẫn dắt trong biến tần thông qua bộ điều khiển có trễ hoặc bộ điều chế độ rộng xung (PWM) hoặc điều khiển điều chế không gian vector. Cụ thể của bộ điều chỉnh dòng không được thể hiện trong sơ đồ cấu trúc, sự thực hiện bộ điều chỉnh này thông qua biến tần. Thuật toán bộ điều khiển có trễ được xem xét ở phần này Bộ điều khiển dòng có trễ (Hysteresis Current Controller) Dòng hay trễ i được chọn trước trong khi thực hiện và hai biến được đưa ra bởi phép cộng và trừ từ dòng pha đặt để có phạm vi điều khiển với dòng pha được giữ nguyên. Trên cơ sở đó, giá trị của dòng pha, bộ chuyển mạch lôgic cho bộ điều khiển dòng pha được thể hiện: V Nếu i i* i thì u dc su su u0 2 V Nếu i i* i thì u dc su su u0 2 Có thể gọi ua0 là điện áp tại điểm giữa của nhánh biến tần pha a. Các pha khác được thực hiện tương tự. Từ điện áp điểm giữa (midpoint voltages), điện áp dây và điện áp pha có thể được tính và có thể chuyển sang điện áp trục d, trục q trong hệ tọa độ tựa từ thông. Lời giải của các phương trình máy điện cho dòng stator trong hệ toạ độ rotor bằng cách chuyển đổi ngược các dòng điện pha. Mômen và từ thông được tính toán từ dòng trên hệ tọa độ rotor 15
  16. 2.1.2. Mô phỏng và kết quả của hệ truyền động điều khiển mômen Tốc độ của máy điện được giữ không đổi, mômen đặt là đầu vào của hệ truyền động. Điều này dễ dàng để kiểm tra trong phòng thí nghiệm nhưng không biết điều chỉnh mômen được thực tiễn như thế nào. Thường thì tốc độ điều khiển theo một cách thức nhất định hoặc trong thực tiễn, chẳng hạn con người sử dụng mạch vòng tốc độ trong hệ truyền động của phương tiện giao thông sử dụng điều chỉnh mômen. Một hệ truyền động đơn giản với góc mômen 900 với kết quả dòng đầu vào dòng stator sinh ra mômen điện từ và không có thành phần dòng tạo từ thông với kết quả đó không có suy giảm từ thông dọc theo trục từ. Điều đó không có nghĩa là không có sự biến đổi của từ thông, bởi vì từ thông stator trục q phụ thuộc vào thành phần dòng stator trục q liên kết với từ thông rotor vĩnh cửu. Với sự gia tăng của biên độ dòng stator, từ thông tăng lên được thấy rõ. Để tăng tốc độ tính toán, phương pháp số để giải phương trình vi phân cho máy điện được sử dụng là phương pháp Euler và cho thấy nhiều ưu điểm hơn sử dụng phương pháp Runger-Kutta bậc 4 Kết quả mô phỏng cho hệ truyền động điều chỉnh mômen khi giữ tốc độ 0.5pu (đơn vị tương đối), được thể hiện như hình 2.2 với bộ điều khiển dòng có trễ trong mạch vòng dòng. Sai lệch dòng được đặt là 0.1pu, giá trị lớn nhưng thuận tiện để theo dõi sự đập mạch của mômen. Bởi vì độ gợn cao của dòng trục q, độ nhấp nhô của mômen cũng tương đối lớn. Bộ điều khiển dòng dẫn dắt dòng theo các giá trị đặt với thời gian trễ nhỏ, một lợi thế riêng của bộ điều khiển dòng có trễ. Có thể thấy rằng từ thông tổng hay từ thông khe hở không khí tăng trưởng cùng với dòng stator. Góc mômen được điều khiển là giá trị trung bình để được giá trị mong muốn nhưng sai lệch của nó so với giá trị đặt phụ thuộc chủ yếu vào sai lệch dòng so với giá trị đặt được xác định bởi chất lượng của bộ điều khiển dòng trong biến tần và tham số của máy điện Thành phần dòng stator tạo từ thông cũng như vậy, giữ bằng 0 tương tự như góc mômen. Các biến trên đồ thị đều ở đơn vị tương đối trừ góc mômen, đây là góc điện và thời gian. Sau khi viết chương trình mô phỏng trên phần mềm Matlab ta có kết quả mô phỏng dưới đây, ứng với thông số của động cơ: ▪Số đôi cực zp=6 ▪Điện trở stator: Rs=1,4 (  ) ▪Điện cảm trục d: Lsd=0.0056 (H) ▪Điện cảm trục q: Lsq=0.009(H) ▪Từ thông cực  p 0.1546(Wb ) ▪Hệ số ma sát: B=0.01 ▪Mômen quán tính J=0.006 (kg/m2) ▪Điện áp một chiều Vdc=285V ▪Tốc độ góc định mức s 314.3(rad / s ) 16
  17. 1 0 isd*,isd mM*,mM -1 1 1 0.5 0 ws 0 isu*,isv*,isw* -1 1 100 0 isu,isv,isw delta*,delta 0 -1 1 2 0.5 1 Phim isq*,isq 0 0 0 0.005 0.01 0 0.005 0.01 Hình 2.2. Điều khiển mômen với bộ điều khiển dòng có trễ Truyền động điều chỉnh mômen trên cơ sở điều chế PWM sine được thể hiện như hình 2.2 với điều kiện vận hành tương tự như bộ điều khiển dòng có trễ. Thực hiện bộ điều khiển dòng PWM được thể hiện trong hệ điều chỉnh tốc độ động cơ. Tần số sóng mang PWM là 20kHz. Dòng điện nhấp nhô và mômen dao động là rất nhỏ với tần số đóng cắt cao khi so sánh với bộ điều khiển có trễ với sai lệch lớn. Nhưng khi tính trung bình, các biến của hệ truyền động, chẳng hạn, mômen và từ thông khe hở được nhận dạng trong cả hai cấu trúc. Sự khác nhau về chất lượng là biên độ của dòng nhấp nhô và mômen đập mạch 2.1.3. Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ được xây dựng bằng cách dùng hệ truyền động điều chỉnh mômen như cấu trúc hình 2.1 làm cốt lõi và thêm vào mạch vòng điều khiển tốc độ để điều chỉnh tốc độ rotor của hệ truyền động và được thể hiện như hình 2.3. Sai lệch tốc độ giữa tốc độ thực và tốc độ đặt * được xử lý thông qua bộ điều khiển PI (bộ điều khiển tốc độ) để vô hiệu hóa trạng thái sai lệch tốc độ. * Đầu ra của bộ điều chỉnh tốc độ thiết lập giá trị đặt cho mômen mM bởi vì sai lệch tốc độ có thể bằng không và cực tiểu hóa chỉ bằng cách tăng hoặc giảm mômen điện từ của máy điện, phụ thuộc vào sai lệch tốc độ là dương hay âm. Để đáp ứng nhanh tốc độ, một bộ điều chỉnh tỷ lệ-tích phân-đạo hàm PID được sử dụng. Từ thông đặt được đưa ra phụ thuộc vào tốc độ rotor. Biên độ của sức điện động cảm ứng không vượt quá điện áp một chiều cấp cho nghịch lưu, tỷ số giữa sức điện động cảm ứng và tần số stator được giữ là hằng, kết quả là từ thông không đổi và tần số lớn nhất (tần số cơ bản), với sự giới hạn này, tốc độ ở đây là tốc độ cơ bản. Ngay khi tần số vượt quá giá trị cơ bản, tốc độ được điều khiển vượt quá tốc độ cơ bản và hệ quả là sức điện động cảm ứng ban đầu vượt quá biên độ của điện áp một chiều cung cấp. 17
  18. Hình 2.3. Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu Điều này dẫn đến điều khiển dòng stator rất khó và dẫn đến điều khiển mômen cũng khó khăn. Điều khiển hệ truyền động trở nên chậm trong vùng này. Để duy trì dòng điều khiển cần duy trì điều khiển qua độ lớn sức điện động cảm ứng, từ thông có thể được tính toán để giảm tỷ lệ nghịch với tốc độ, sức điện động cảm ứng được giới hạn ở một mức mà có thể đáp ứng tốc độ cơ bản thậm chí tốc độ được đẩy vượt quá giá trị đó. Chế độ vận hành này được hiểu là vùng suy giảm từ thông, chế độ vận hành này gọi là điều khiển suy giảm từ thông. Nhưng mômen không thể hy vọng giữ ở giá trị cơ bản đáp ứng tốc độ cơ bản cung cấp công suất tổng và nó không bao giờ có thể được vượt quá trong máy điện trong trạng thái ổn định, khi đó tổn hao lớn, bảo vệ nhiệt tác động, dẫn đến máy điện bị lỗi. Dòng stator yêu cầu vượt quá giá trị cơ bản của máy điện. Tất cả các vấn đề này xảy ra khi mômen giảm, khi tốc độ vượt quá tốc độ cơ bản, bằng cách lập trình để giảm dưới giá trị cơ bản, do đó, công suất khe hở không khí sinh ra cân bằng với công suất cơ bản. Điều khiển phức tạp được thực hiện đơn giản theo hai bước sau đây: ▪Lập trình tính toán từ thông Một bộ điều khiển cung cấp 1 p.u để tăng đến tốc độ cơ bản và quá tốc độ, điều này sẽ cho đầu ra tỷ lệ nghịch với tốc độ định mức, được tạo ra khi sử dụng chức năng tạo hàm để mô tả mômen hằng và chế độ vận hành trong vùng suy giảm từ thông của hệ truyền động. Đầu ra được định nghĩa bởi thành phần f ()bn và tỷ lệ với từ thông đặt. Hệ số tỷ lệ Kf được đưa ra ở đây nhằm mục đích đó. Hàm chức năng sẽ đặt giá trị đặt cho từ thông tổng đòi hỏi hằng số Kf. Đầu ra của hàm chức năng cũng là đơn vị tương đối p.u, giá trị của Kf là duy nhất ▪ Lập trình tính toán mômen trong vùng suy giảm từ thông Điều này kéo theo quá trình tính toán của bộ điều khiển tốc độ tạo ra giá trị mômen đặt m* như một hàm của tốcđộ. Từ thông được tính toán tỷ lệ với tốc độ 18
  19. 1 1 0 0 if*,isd ws*,ws -1 -1 2 1 0 0 mM*,mM -1 -2 2 1 1 0 is*,is -1 0 isu,isv,isw 2 2 0 m 1 Phi iT*,isq -2 0 0 0.02 0.04 0 0.02 0.04 Hình 2.4. Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ với 04 góc phần tư và sử dụng bộ điều chỉnh dòng PWM của rotor, đầu ra của bộ điều khiển tính từ thông có thể dùng để điều chỉnh mômen đặt * * m để có thể tạo ra mômen đặt mM trong bộ điều khiển vector bằng cách nhân và f ()bn như hình 2.4. Lý do cho khối này được điều chỉnh thành phần dòng stator tạo từ thông trong chế độ mà cả mômen và công suất đều giữ không đổi. Điều này được chứng minh sau đây: Hàm chức năng vận hành dựa vào tốc độ có đặc điểm: b f bn ;  b  max r (2.10) f bn 1;0   b Trong đó b là tốc độ cơ bản. Công suất tổng được tính  Pa  m m M f() bn m (2.11) z p /2 Thay hàm từ (2.10) vào (2.11) công suất tổng với vùng mômen hằng số được tính: * T * Pmam  (2.12) zp /2 Công thức này thể hiện rõ rằng công suất tổng tỷ lệ với tốc độ khi mômen là hằng số cho đến khi tốc độ đạt giá trị cơ bản. Lưu ý mômen đặt lấy từ bộ điều khiển tốc độ là hằng số khi tốc độ ở trạng thái xác lập. Điều này không được bổ sung để đưa ra mômen điện từ đặt cuối cùng cho bộ điều khiển vector.Trong vùng công suất không đổi, công suất tổng được tính như sau: * bm Pa (2.13) zp /2 19
  20. * Tốc độ cơ bản b và m là hằng và do đó công suất đầu ra trong chế độ suy giảm từ thông được giữ là hằng tại công suất cơ bản. Chế độ vận hành giữ mômen không đổi và công suất không đổi được thực hiện với khối tạo hàm, như (2.12) và (2.13). Lưu ý rằng trừ bớt tổn hao trên trục động cơ từ công suất tổng được công suất đầu ra trên trục động cơ Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ là phần cơ bản của hệ truyền động điều chỉnh vị trí. Mạch vòng phản hồi vị trí rotor biến đổi tốc độ hệ truyền động sang vị trí . Khi đó hệ truyền động điều chỉnh vị trí có thể được xây dựng, chẳng hạn với động cơ servo. Ở đây ta quan tâm có thể mô phỏng hệ truyền động với các hiểu biết về hệ thống 2.1.4. Mô phỏng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ Mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm Matlab, kết hợp giá trị đặt của thành phần dòng tạo mômen đặt. Với từ thông, giá trị đặt không giữ lâu như từ thông tổng, một cách dễ dàng để thực hiện là giữ giá trị đặt trục d của hệ tọa độ gắn với rotor. Điều này có nghĩa từ thông rotor là tổng của từ thông cực từ và từ thông dọc trục tạo bởi thành phần dòng stator. Mặc dù có sự thay đổi, đặc tính động của hệ truyền động vẫn được đảm bảo như kết quả mô phỏng. Lưu ý rằng từ thông đặt không được thực hiện theo cách này trong thực tiễn Mạch vòng tốc độ của hệ truyền động điều chỉnh mômen là mạch vòng kín và làm việc ở bốn góc phần tư, khi mô phỏng với mômen tải 0.3pu. Kết quả được thể hiện như hình 2.4. Bộ điều khiển tốc độ PI được sử dụng trong hệ truyền động này. Bộ điều khiển dòng PWM được thiết lập trong mô phỏng này. Máy điện đứng yên tại thời điểm ban đầu và với tốc độ dương, mômen đặt được điều khiển là giá trị dương lớn nhất và được duy trì cho đến khi tốc độ rotor đạt giá trị yêu cầu. Khi tốc độ rotor bằng với tốc độ yêu cầu, mômen đặt sẽ giảm để phù hợp với mômen tải và mômen ma sát. Mômen đặt là âm khi tốc độ đặt thay đổi từ 0.5pu đến -0.5pu. Tốc độ rotor giảm dần tới 0. Giữ mômen âm, rotor đảo chiều quay và bám theo tốc độ đặt -0.5pu. Khi gần giá trị -0.5pu, mômen điện từ giảm nhẹ thấp hơn giá trị mômen tải +0.3pu, bởi vì mômen ma sát là âm và do đó tổng của mômen ma sát và mômen tải được mômen tổng. Quan trọng là chất lượng của mạch vòng dòng là minh chứng cần thiết của sự đảo dòng pha trong khi đổi chiều quay. Sự phản ứng chậm của mạch vòng dòng sẽ tác động tiêu cực đến đáp ứng tốc độ . Chế độ vận hành suy giảm từ thông: Khi lớn hơn 0.5pu, từ thông suy giảm được khởi tạo sử dụng thuật toán đã biết ở phần trước. Dòng đặt trục d được giảm khi suy giảm từ thông, kết quả là giảm từ thông tổng. Chất lượng của hệ truyền động dưới điều kiện này được nhận dạng để đạt hiệu quả trong cả 4 góc phần tư. Lưu ý rằng trong miền suy giảm từ thông, mômen yêu cầu giảm để giữ công suất tổng không đổi. Mã chương trình Matlab có thể được thêm vào mạch vòng mô phỏng sau khi tính toán mômen đặt: if w wb/2, fw=(wb/2)/w; end mM_refnew=mM_ref*fw; if_ref=(fw-1)*Phi_p/Lsd; it_ref=mM_refnew*(2/3)*(2/zp)/((Lsd-Lsq)*if_ref+Phi_p); 20
  21. Hình 2.5. Cấu trúc điều khiển tốc độ đơn giản của hệ truyền động động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu Bộ điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ được thể hiện như hình 2.5. Không có ảnh hưởng giữa 2 trục. Kết quả là mômen phản kháng không tồn tại trong hệ truyền động, dẫn đến biểu diễn đơn giản của mômen. Dòng đặt sinh mômen được tính bằng cách chia mômen đặt cho tích giữa từ thông rotor và hằng số K1. Mômen được điều chỉnh cho vùng suy giảm từ thông bằng cách nhân hàm tốc độ đầu ra với đầu ra của bộ điều khiển tốc độ. Từ thông suy giảm là đơn giản khi tính toán trước dòng tạo từ thông và lập trình được lưu giữ trong ROM. Chú ý rằng chỉ từ thông dọc trục được điều khiển chứ không phải từ thông tổng là kết quả tương hỗ giữa mạch từ stator và mạch từ rotor. 2.2. Một số chiến lược điều khiển Điều khiển vector được chứng minh và đạt được tách kênh giữa từ thông và mômen trong máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu. Tách kênh rất cần thiết cho một hệ truyền động chất lượng cao, yêu cầu phương pháp điều khiển đơn giản điều khiển từ thông, điều khiển tối ưu mômen, điều khiển tối đa hiệu suất và điều khiển mômen, tốc độ cực đại. Chất lượng cũng thể hiện là có thể điều khiển dòng pha stator và trong một số trường hợp phải đảm bảo tách kênh mômen và từ thông. Chất lượng truyền động điện là yêu cầu quan trọng trong các ứng dụng trong công nghiệp. Chẳng hạn, điều khiển từ thông tổng cung cấp tín hiệu điều khiển trơn trên toàn bộ vùng tốc độ mômen với sự chuyển đổi liền mạch sang vùng suy giảm từ thông trên tốc độ cơ bả. Điều khiển tối ưu hiệu suất là quan trọng nhất trong các ứng dụng khi yêu cầu tiết kiệm năng lượng và giá thành điện năng với các ứng dụng quạt, bơm, xe điện. Tiêu chí đặc biệt này càng trở lên cấp thiết trong công nghiệp và gia dụng. Các chiến lược điều khiển được xem xét một cách chi tiết trong các hệ truyền động động cơ đồng bộ: 1. Điều khiển góc mômen là hằng hoặc dòng trục d bằng 0 2. Điều khiển hệ số công suất 3. Điều khiển từ thông tổng là hằng 4. Điều khiển góc của từ thông tổng và vector phức dòng 5. Điều khiển tối ưu mômen 6. Điều khiển giảm tổn hao trên cơ sở điều khiển trong phạm vi tốc độ-mômen lớn nhất 7. Điều khiển tối thiểu tổn hao hoặc tối đa hiệu suất Các chiến lược điều khiển này được phân tích từng bước 0 2.2.1. Điều khiển giữ góc mômen bằng hằng số  90 Góc mômen δ được giữ không đổi bằng 900 và từ thông hay dòng dọc trục bằng 0, chỉ có mômen hay thành phần dòng ngang trục. Chế độ vận hành này nhỏ hơn tốc 21
  22. độ cơ bản đáp ứng từ thông tổng dọc trục và chiến lược điều khiển này là phổ biến trong một số hệ truyền động điện. Phương trình đưa ra trong chế độ vận hành này là: 33zz m pp i I N. m (2.14) M2 2 p sq 2 2 p s Trong đó Is là biên độ của vector dòng stator. Mômen/ dòng stator là hằng theo công mM 3 z p thức:  p N./ m A (2.15) Is 22 Và mômen điện từ được chuẩn hóa theo công thức: 3 z p  I m ps m M 22 I( p . u .) (2.16) Mnm 3 z sn b p  I 22 pb Thể hiện rằng mômen bằng với dòng stator trong đơn vị tương đối điều này làm cho việc thực thi điều khiển một cách đơn giản nhất trong hệ truyền động điện động cơ đồng bộ. Chú ý rằng Isn là biên độ dòng phức stator được chuẩn hóa. Phương trình đó xác định trạng thái ổn định của hệ truyền động động cơ PMSM với chiến lược điều khiển được đưa ra sau đây. Điện áp stator dọc trục và ngang trục trong hệ tọa độ gắn với rotor: usq R s L sq p I s  p R s I s  p () V (2.17) usd  L sq I s (V) (2.18) Biên độ của điện áp stator 22 Us u sd u sq () V (2.19) Và Us được chuẩn hóa bởi công thức: UUss 2 Usn  n R sn I sn L sqn I sn n (.) p u (2.20) Ub b p Từ biểu đồ phức hình 2.6, điện áp stator dọc trục và ngang trục trong hệ tọa độ gắn với rotor, hệ số công suất được tính Hình 2.6-2.7.Điều khiển góc mômen không đổi 22
  23. u u 1 cos sd sq (2.21) U 22 s uusq sd LIsqn sn 1 2 RI 1 sn sn sn Công thức này thể hiện hệ số công suất giảm khi tốc độ rotor tăng. Tốc độ lớn nhất của rotor, với chiến lược điều khiển này với dòng stator xác định và bỏ qua điện áp rơi trên điện trở, được tính từ biên độ điện áp: U (max)  (max)  sn (2.22) n 22 1 LIsqn sn Với Usn(max) được tính từ điện áp Udc 2 0.45Udc Usn (max) (2.23) Ub Giả thiết rằng sử dụng nghịch lưu 6 van công suất, bỏ qua điện áp rơi trên thiết bị và cable. Thực tế coi biến tần PWM, trong trường hợp đó, điện áp được giảm bởi hệ số Kdr thường trong dải từ 0.85 đến 0.95 và điện áp được tính: 0.636KUdr dc Usn (max)  (2.24) Ub Suy giảm từ thông tổng không thể dùng cho chiến lược điều khiển này, thể hiện từ công thức chuẩn hóa từ thông: 22  mn 1 LI sqn sn (2.25) Sự biến thiên của từ thông tổng có thể thay đổi từ 1p.u cho điểm làm việc lớn hơn. Nhưng không có cách nào để giảm nó xuống dưới 1p.u khi góc mômen được giữ 900, để dòng tạo từ thông bằng 0. Bởi vì thực tế, chiến lược điều khiển này là giới hạn cho các ứng dụng truyền động servo yêu cầu không vận hành ở vùng suy giảm từ thông. Mômen khe hở không khí càng cao, dòng stator ngang trục càng lớn, dẫn đến từ thông tổng tăng và yêu cầu điện áp stator lớn hơn 2.2.2. Điều khiển hệ số công suất Điều khiển hệ số công suất có nghĩa là với công suất định mức VA của biến tần được tận dụng một cách triệt để công suất đầu vào động cơ đồng bộ. Điều khiển u/f được điều khiển bằng cách điều khiển góc mômen như là một hàm của các tham số động cơ. Phương trình trong chế độ này được cho dưới đây: Dòng điện dọc trục và ngang trục: IIsq s sin (2.26) IIsd s cos (2.27) và mômen được chuẩn hóa theo công thức: LLsdn sqn mMn I sn  I sn sin 2 sin p . u (2.28) 2 Điện áp stator theo trục d và trục q như sau: RI sn sn usqn  n 1 L sdn I sn cos  .sin  ( p . u ) (2.29)  23
  24. Rsn usdn  n I sn cos  L sqn sin  ( p . u ) (2.30) n Từ đó điện áp stator có biên độ được tính: 22 Usn u sqn u sdn (.) p u (2.31) Và góc giữa điện áp trục d và điện áp tổng được tính: u tan  sqn (2.32) usdn Góc hệ số công suất bằng 0 trong quá trình điều khiển này: 0 (2.33) Mối quan hệ với góc mômen: u tan sqn (2.34) usdn Thay phương trình (2.28) và (2.30) vào phương trình (2.34) được kết quả: RI 1 LI cossn sn sin sin sdn sn  n (2.35) cos RIsn sn cos LIsqn sn sin n 22 Với ILLsn sqnsin sdn cos  cos  (2.36) Từ đó góc mômen được tính: 2 1 1 4LILLsqn sn sdn sqn  cos 1  rad (2.37) 2ILLsn sdn sqn  0 Lưu ý rằng LLsdn sqn là âm đối với động cơ đồng bộ và góc mômen lớn hơn 90 . Nếu góc mômen nhỏ hơn 900, thì mômen tổng tăng và dẫn đến bão hoà từ thông trong máy điện, điều này không được chấp nhận nếu xét theo quan điểm tổn hao. Do vậy, chỉ dấu dương trong công thức (2.37) sẽ thoả mãn yêu cầu góc  900 . Công thức này đưa ra luật điều khiển hệ số công suất và sự thi hành yêu cầu biên độ dòng pha động cơ và thông số của động cơ Lsq và Lsd. Chú ý rằng góc mômen cưỡng bức độc lập với tốc độ rotor 2.2.3. Điều khiển từ thông là hằng Trong chiến lược điều khiển này, từ thông tổng của stator dọc trục và ngang trục được giữ không đổi và thường bằng với giá trị của từ thông rotor  p . Ưu điểm chính là với giá trị giới hạn của từ thông tương hỗ, điện áp stator yêu cầu thấp hơn. Thêm vào đó, sự thay đổi của từ thông tương hỗ đơn giản và không phức tạp ở vùng suy giảm từ thông vận hành ở tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản. Điều khiển từ thông hỗ cảm là một trong những kỹ thuật hiệu quả với dải tốc độ đầu vào, điều này được giới hạn cho chế độ vận hành dưới tốc độ cơ bản. Từ thông hỗ cảm được biểu diễn theo công thức sau: 22 m p LILI sd sd sq sq (2.38) Với mp (2.39) Và dòng phức stator và góc mômen được tính: 24
  25. 2 p cos Is 2 2 2 (2.40) Lsd cos sin  L Tỷ số lồi được tính: sq (2.41) Lsd Hai trường hợp rõ ràng có thể nhận thấy phụ thuộc vào tỷ số . Với bề mặt cực từ gần như đồng nhất và với máy điện đồng bộ cực chìm, hệ số này có giá trị cao khoảng bằng 3. Giá trị càng cao được thấy ở trong các thiết bị đặc biệt. Hai trường hợp đó được phân tích một cách riêng dưới đây. ▪ Trường hợp 1: 1, điều này gắn với giá trị của góc mômen  , từ công thức (2.38) và (2.39) ta có:  LI  cos 1 sd s (rad) (2.42)  2 p Chú ý rằng điện áp cơ sở được xác định là: UVb  b p () (2.43) Ub Và tổng trở cơ bản: ZLb  b b  (2.44) Ib Sử dụng các chuẩn hóa này cho dòng động cơ cho bởi phương trình (2.40), góc mômen được xác định: LIIIIL./   cos 11 sd b s b  cos sn sdn  (rad) (2.45)  22 p  ▪ Trường hợp 2: 1 Trong trường hợp này góc mômen 2 1  1 1  cos 1   (rad) (2.46) LI 11 22LI(1 2 )  sdn sn sdn sn Hai giá trị tối thiểu của  được chọn sao cho dòng tạo từ thông là nhỏ. Cũng lưu ý rằng, có thể lớn hơn 900. 2.2.4. Điều khiển góc giữa từ thông tổng và dòng phức Mômen tổng có thể tính theo: 3 z mi p sin (2.47) M22 m s ms Với ms là góc giữa dòng và từ thông hỗ cảm. Mối quan hệ giữa dòng và từ thông hỗ cảm dọc trục và ngang trục được thể hiện như hình 2.7. Chiến lược điều khiển có thể được tổng hợp để giữ góc giữa dòng và từ thông là 900. Trong trường hợp đó, điều khiển của máy điện đưa về điều khiển tương tự như máy điện một chiều kích từ độc lập, mômen là tích của từ thông và dòng phần ứng. Trong máy điện một chiều kích từ độc lập, từ thông có thể được giữ không đổi bởi vì dòng kích từ được điều khiển độc lập. Nhưng trong động cơ đồng bộ, từ thông tổng, kết quả của từ thông rotor và từ thông stator, không thể giữ là hằng đối với tất cả các dòng khi góc giữa từ thông và dòng được giữ 900. Do đó, hằng số mômen thay đổi như là hàm của dòng phần ứng khi so sánh với máy điện một chiều kích thích độc lập, khi hằng số mômen được giữ không đổi bằng dòng kích từ 25
  26. Sức điện động cảm ứng vượt trước từ thông góc 900. Dòng điều khiển vượt trước từ thông bởi một góc giống như góc giữa sức điện động cảm ứng và dòng pha. Nếu bỏ qua điện trở stator chú ý rằng điện áp đầu cực stator bằng với sức điện động cảm ứng và góc pha giữa chúng bằng 0, kết quả như trường hợp điều khiển hệ số công suất Hình 2.7. Giản đồ phức của máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu thể hiện từ thông tương hỗ Ưu điểm của chiến lược điều khiển này đơn giản như trường hợp điều khiển máy điện một chiều với sự lưu ý kích từ của nó, khi dòng kích từ và dòng phần ứng trực giao về pha. Điều này cho phép phát triển chiến lược điều khiển thậm chí không cần cảm biến vị trí. Sức điện động cảm ứng vượt trước từ thông một góc 900, bơm vào dòng phức stator sao cho góc giữa từ thông và dòng stator vượt trước 900. Khi thay thế vector dòng không yêu cầu phản hồi vị trí góc nếu sức điện động cảm ứng có thể có được. Chú ý rằng tín hiệu sức điện động cảm ứng không có khi tốc độ động cơ bằng 0 và thấy rằng tốc độ đó rất khó để đo lường. Nhưng sự ước lượng là có thể điều này cho phép chiến lược điều khiển này sử dụng có hiệu quả cho những ứng dụng không yêu cầu cảm biến vị trí không yêu cầu làm việc ở vùng tốc độ thấp. Để hiểu được chiến lược điều khiển này, cần thiết xuất phát từ mômen tổng trong thành phần góc từ thông giữa dòng và từ thông tương hỗ. Từ hình 2.7 dòng stator dọc trục và ngang trục trong hệ tọa độ gắn với rotor có thể được tính bằng phép chiếu hình học: ms   sq  msin  ms sd  mcos  ms (2.48) iisq s sin iisd s sin Trong đó  là góc giữa từ thông tương hỗ và từ thông cực từ rotor. Thay các quan hệ này vào công thức mômen, ta được: 33zz m pp  i L L i i  i  i M p sq sd sq sq sd sd sq sq sd 2 2 2 2 (2.49) 3 z p i sin 22 m s ms 26
  27. Góc từ thông và góc mômen có quan hệ với góc dòng từ thông:     (2.50) ms 2 Từ đó ta có: sin cos  (2.51) Góc mômen và góc từ thông có thể được thay thế trong thành phần dọc trục và ngang trục từ công thức (2.61) khi đó dòng trục d được chuẩn hoá có chuỗi sau: 4 3 2 aisdn bi sdn ci sdn d 0 (2.52) 2 2 2 2 2 4 Trong đó aLLb sqn sdn; 2 Lc sdn ; 1 2 LidLi sqn sn ; sqn sn (2.53) Giải phương trình trên, tìm được nghiệm, dòng stator được chuẩn hóa trên trục d, từ đó dòng stator trên trục q được tìm từ dòng phức stator. Khi đó, tất cả các biến khác như mômen, từ thông, góc mômen, biên độ điện áp stator để có tốc độ yêu cầu và công suất VA được tính toán. 2.2.5. Điều khiển tối ưu mômen/dòng điện Chiến lược điều khiển này đạt mômen điện từ lớn nhất với dòng stator xuất phát từ tối ưu máy điện, chiến lược điều khiển này điều khiển cưỡng ép góc mômen. Góc mômen, với biên độ dòng stator, trong chiến lược điều khiển này được xác định. Mômen điện từ được tính: 31z p 2 mM  p i ssin  L sd L sq i s sin 2  N . m (2.54) 2 2 2 1 mMn i snsin L sdn L sqn i sn sin 2 p.u (2.55) 2 Với mômen cơ bản được tính: 3 p m  I N. m (2.56) b22 p b Tỷ số mômen trên dòng stator được tính: mMn 1 sin Lsdn L sqn i sn sin 2 (2.57) isn 2 Giá trị lớn nhất của nó có được bằng cách đạo hàm với  và cho nó bằng 0 và khi đó góc mômen cho bởi: 2 1 1 1 1  cos  rad (2.58) 4a i 4 a i 2  11sn sn a1 Lsdn L sqn L sdn 1 (2.59)  phải lớn hơn 900 để giảm từ thông khe hở không khí. 2.2.6. Điều khiển hệ số tổn hao công suất là hằng Mômen/tốc độ lớn nhất trong chiến lược điều khiển này nhỏ hơn vùng tốc độ cơ bản được thực hiện bằng cách giới hạn biên độ dòng stator là giá trị định mức. Ở vùng tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản, công suất trên trục thường giới hạn ở giá trị định mức. Dòng giới hạn hạn chế tổn hao đồng nhưng không hạn chế tổn hao lõi thép. Giới hạn công suất trên trục động cơ không trực tiếp hạn chế tổn hao công suất. Giới hạn dòng và công suất ở giá trị định mức, bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt độ tới máy điện, tổng tổn hao là một giá trị có thể chấp nhận được. Dòng và công suất định mức đảm bảo công suất tổn hao có thể chấp nhận được chỉ ở tốc độ định mức. Do đó, sự giới hạn đơn giản này chỉ phù hợp với các ứng dụng điều khiển chuyển động. Hệ truyền động điều khiển 27
  28. tốc độ đơn giản ngày càng được thay thế bởi hệ truyền động điều chỉnh tốc độ để gia tăng hiệu quả và chế độ vận hành linh hoạt. Do yêu cầu tối ưu giá thành sản xuất, các máy điện được thiết kế để tận dụng các điều kiện môi trường làm việc khác nhau, phương pháp điều khiển cần được duy trì là ổn định về nhiệt của máy điện khi mômen tối đa và tốc độ vượt dải tốc độ giới hạn. Chế độ vận hành với tổn hao công suất không đổi cung cấp mômen tối đa. Một tiêu chuẩn để vận hành tối đa trong các ứng dụng mở rọng dải tốc độ là cơ sở tiền đề cho phạm vi vận hành của bất kỳ máy điện nào được xác định bởi công suất tổn hao cho phép cho máy điện đó. So sánh giữa phạm vi giới hạn tổn hao công suất và dòng, công suất giới hạn cho thấy tổn hao là phương pháp quan trọng trong trường hợp mômen cho phép tại dải tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản. Do đó, đáp ứng động học được đề cao khi tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản. Cũng cần giải thích rằng phương pháp cổ điển là giới hạn công suất hay dòng có thể dẫn đến tổn hao công suất quá mức trong vùng suy giảm từ thông. Thực hiện chiến lược điều khiển này trên cơ sở mạch vòng phản hồi công suất tổn hao. Đầu vào của hệ thống là tổn hao công suất lớn nhất yêu cầu của máy điện. Mạch vòng phản hồi giới hạn mômen yêu cầu, công suất tổn hao không được vượt quá giá trị đặt lớn nhất tại mọi điểm làm việc.Hệ thống này được ứng dụng trong tất cả các hệ truyền động với toàn dải làm việc và độc lâp với chiến lược điều khiển động học của mômen. Chiến lược điều khiển này có thể được tích hợp trong hệ truyền động điện chất lượng cao với sự cải tiến nhỏ về thuật toán điều khiển. Yêu cầu về tải có thể được tích hợp trong hệ thống điều khiển để giữ tổng hiệu suất tổn hao bằng cách thay đổi công suất tổn hao đặt trong mạch vòng điều khiển như là một hàm của tải. Cần chú ý rằng, với thuật toán điều khiển này sẽ thực hiện các ứng dụng thời gian thực. Công suất tổn hao tối đa cho phép của máy điện phải được chọn dựa trên sự gia tăng nhiệt độ biết đặt trước của máy điện. Do đó, cho phép tổn hao công suất là hằng và có thể xác định phụ thuộc vào môi trường vận hành, nhiệt độ xung quanh và kỹ thuật làm mát cho máy điện. Các giả thiết dưới đây được đưa ra một cách rõ ràng: 1. Tất cả các tham số của hệ truyền động được giả thiết là hằng 2. Độ dơ, ma sát và tổn hao nghịch lưu được bỏ qua mặc dù chúng có thể tham gia và ảnh hưởng 3. Bộ điều khiển vector băng thông rộng được sử dụng trong hệ truyền động, dẫn đến sai lệch dòng stator là không đáng kể 4. Dòng định mức được xác định là dòng mà tạo ra mômen định mức sử dụng dòng dọc trục bằng 0 5. Giá trị cơ sở sử dụng để chuẩn hóa chọn là các giá trị định mức ▪Mô hình máy điện với tổn hao: Mô hình dq cho máy điện PMSM trong hệ tọa độ gắn với rotor ở trạng thái xác lập với tổn hao đơn giản được đưa ra theo công thức (2.7) như hình 2.8 Với IIsd, sq là dòng stator dọc trục và ngang trục, UUsd, sq là điện áp stator dọc trục và ngang trục, Iq và Id là dòng sinh mômen theo trục q và trục d. Iqc và Idc là dòng tổn hao trục q và trục d. Rs và Rc là điện trở stator và điện trở tổn hao lõi thép, Lsd và Lsq là điện cảm trục d và trục q. Đầu vào dòng và áp stator được tính từ mô hình tương đương có tổn hao: 28
  29. L  1 sd IRI sq c q (2.60) L  IIsd sq d 1 Rc Hình 2.8. Mô hình động cơ PMSM trong hệ tọa độ rotor bao gồm stator và điện trở lõi thép Rs RLs sd 1 R R s UIsq c q  p 1 R (2.61) c UI R sd s d LRsq 1 s 0 Rc Mômen mM là hàm của Iq và Id theo công thức sau: mM 0.75 z p  p I q L sd L sq I d I q (2.62) Tổn hao lõi thép Pc trong máy điện được tính: 22 1.522LLLI 1.5   sd sq p sd d 1.5 2 Pcm  (2.63) RRRc c c Tổng công suất tổn hao P1 bao gồm tổn hao đồng và tổn hao lõi thép: 1.5 22 PRIILLLI 1.5 2 2  2 (2.64) 1 s sq sd sq sd p sd d Rc ▪Điều khiển tổn hao công suất không đổi và so sánh: Tổn hao công suất lớn nhất cho phép , Plm phụ thuộc vào nhiệt độ của máy điện, Plm có thể được chọn bằng với tổn hao thực khi mômen và tốc độ là định mức, giả thiết rằng máy điện đang chạy dưới điều kiện vận hành chính xác được đưa ra trong catalog của nhà máy. Ở bất kỳ tốc độ nào, dòng phức, là tổng của Id và Iq, đường cong của tổn hao lớn nhất được cho bởi (2.64) với Pl thay cho Plm. Đường cong này là vòng trong tại tốc độ bằng 0 và là nửa hình trong khi tốc độ khác 0. Điểm vận hành của PMSM thường nằm trên hoặc nằm cạnh đường cong xác định bởi (2.64) cho tốc độ đó, do đó tổn hao công suất 29
  30. thực không vượt quá Plm. Tại bất kỳ tốc độ nào, điểm vận hành trên quỹ đạo tổn hao công suất không đổi, sẽ cho mômen lớn nhất , xác định phạm vi vận hành ở tốc độ đó. Tại điểm làm việc , mômen tối đa được sinh ra để có tổn hao công suất Plm. Trong miền suy giảm từ thông, cả điện áp và công suất tổn hao bị giới hạn mômen lớn nhất tại tốc độ làm việc nào đó. Mối liên hệ các dòng phức tại điểm làm việc trong vùng suy giảm từ thông, giả thiết rằng điện áp rơi trên điện trở pha được bỏ qua 220.5 ULLLI    (2.65) sm sq sd p sd d m Với Usm là sức phản điện động lớn nhất hoặc là thành phần cơ bản của điện áp lớn nhất. Ứng dụng sau đó co điều khiển điện áp 6 bước. Điểm làm việc này đáp ứng mômen tối đa cho phép tại tốc độ đã cho trong vùng suy giảm từ thông ▪Thực hiện điều khiển tổn hao công suất không đổi: Hình 2.9 thể hiện cấu trúc thực hiện điều khiển tổn hao công suất không đổi. Bộ điều khiển mômen được giả thiết rằng cung cấp mômen tuyến tính trong toàn bộ dải tốc độ gồm cả dải suy giảm từ thông. Bất kỳ chiến lược điều khiển nào cũng có thể ứng dụng trong khối bộ điều khiển mômen. Bộ điều khiển dòng đưa ra dòng stator dọc trục và ngang trục yêu cầu iisd, sq , vị trí góc rotor s là đầu vào. Tổn hao đồng và tổn hao lõi thép của máy điện được ước lượng dựa vào dòng và tốc độ. Tất cả các biến yêu cầu cho tính toán tổn hao công suất được cung cấp đối với hệ truyền động chất lượng cao * Tổn hao công suất ước lượng được so sánh với công suất tổn hao đặt, Plm . Sự khác nhau được xử lý bởi bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân PI. Đầu ra của bộ điều khiển công suất tổn hao xác định mômen tối đa cho phép, mlim. Nếu mômen yêu cầu lớn hơn giá trị giới hạn tối đa, hệ thống tự động điều chỉnh mômen về giá trị tối đa cho phép, mlim. Tuy nhiên, nếu mômen yêu cầu nhỏ hơn giá trị mômen tối đa cho phép tại tốc độ yêu cầu , mômen tổng yêu cầu vẫn giữ nguyên Hình 2.9. Thực hiện điều khiển giữ tổn hao công suất không đổi Giá trị tuyệt đối của mômen tới hạn được sử dụng trong cả hai trường hợp mômen âm và dương. Đặc tính nổi bật của chiến lược điều khiển này như sau: 1. Tính toán off-line mômen tối đa là không cần thiết 2. Công suất tổn hao tối đa có thể được điều chỉnh bởi vận hành hoặc bởi yêu cầu xử lý 3. Hệ thống được điều khiển độc lập bởi khối mômen 30
  31. 4.Tất cả các thông số yêu cầu để thực hiện chiến lược điều khiển này đều sẵn sàng trong các bộ điều khiển hiệu năng cao 5. Dễ dàng thực hiện điều khiển thời gian thực Phương pháp điều khiển tác động đến nghịch lưu phụ thuộc vào dòng cho phép cao hơn ở tốc độ thấp hơn tốc độ cơ bản và ảnh hưởng của độ nhạy tham số 2.2.7. Điều khiển hiệu suất tối đa Chiến lược điều khiển, tổng tổn hao điện là nhỏ nhất ở tất cả các điểm làm việc, đây là điều quan trọng trong một số ứng dụng khi hiệu suất vận hành là lớn nhất được yêu cầu. Các ứng dụng có thể thấy trong phần lớn trong quạt tản nhiệt và trong máy điều hoà không khí và các ứng dụng trong gia đình chẳng hạn máy rửa, máy sấy, tủ lạnh và các thiết bị cầm tay sử dụng acquy, công cụ làm vườn, máy hút bụi. Các ứng dụng hiệu năng cao, yêu cầu tối đa hiệu suất có thể bền đối với nhiệt độ cao, tuổi thọ cao với cách điện của máy, đây là yêu cầu thực tế của các hệ truyền động Tỷ số mômen/dòng lớn nhất chỉ tối thiểu tổn hao trên điện trở stator không cần tối ưu tổn hao sắt từ và do đó cần kết hợp tổn hao về điện. Điều này được giải thích trong phần điều khiển hệ số tổn hao công suất. Chiến lược điều khiển hiệu suất tối đa đạt được từ mômen tối đa với tốc độ vận hành toàn dải với tổn hao công suất điện là cố định. Nếu công suất đầu vào là nhỏ nhất ở mọi điểm làm việc khi đó cần điều khiển tổn hao công suất là nhỏ nhất và đạt được hiệu suất lớn nhất. Đó là lý do tại sao giảm tổn hao khi tăng dòng stator và góc mômen vì đó là tổn hao lõi thép giảm khi từ thông tương hỗ giảm dù tổn hao trên điện trở stator tăng chậm. Với sự tăng góc mômen, dòng stator dọc trục tăng và dẫn đến từ thông dọc trục giảm. Thậm chí nếu dòng ngang trục vẫn giữ nguyên hoặc tăng, giữ nguyên hoặc tăng tương ứng từ thông ngang trục, từ thông hỗ cảm dọc trục giảm phụ thuộc vào dòng stator dọc trục. Điều này tích tụ ảnh hưởng đến giảm từ thông hỗ cảm. Khi tổn hao lõi thép tỷ lệ với từ thông, sự giảm của nó dẫn đến giảm toàn bộ tổn hao công suất điện. Trong máy điện cực lồi, dòng stator ngang trục không tăng mà giữ không đổi như mômen trước và sau khi góc mômen thay đổi. Một trong những ưu điểm của chiến lược điều khiển này là được ứng dụng trong máy điện với máy điện cực lồi, máy điện cực lồi thậm chí đối với máy điện cực lồi có tỷ số bằng 1 Mặc dù phương pháp điều khiển đơn giản nhưng không dễ để thực hiện các thuật toán đơn giản online. Tối thiểu tổn hao cho tất cả các điểm làm việc được tính off-line và có thể đưa vào các bảng để sử dụng tối ưu trong khi thực hiện. Phương pháp này dường như được thực hiện phổ biến. Tương tự như kỹ thuật điều khiển mờ được ứng dụng cho động cơ không đồng bộ nhằm tối thiểu tổn hao. Cấu trúc điều khiển tối đa hiệu suất được thể hiện trong hình sau: Hình 2.10. Cấu trúc hệ truyền động điều khiển tối thiểu tổn hao 31
  32. Chương 3. Mô phỏng cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ sử dụng phần mềm Matlab 3.1. Cấu trúc hệ truyền động động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu Cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu như hình 3.1. uDC RI i* 3 2 sd usd usα tu j tv s usβ NL usq e tw 7 1 4 ĐCVTKG Rω * s * isq (-) 8 i i isu sd sα 3 js isv isq e isβ 2 isw 6 5 s Khâu tích MĐĐB_KTVC 3~ 9 phân Đo tốc độ IE Hình 3.1. Cấu trúc hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ Khối nghịch lưu nguồn áp (1) (VSI – Voltage Source Inverter): Hệ thống các van bán dẫn công suất đóng ngắt theo các tín hiệu điều khiển là thời gian đóng ngắt tu; tv; tw được đưa ra từ khối 2. Nhiệm vụ của khối 1 là chuyển điện áp một chiều thành xoay chiều ba pha. Khâu điều chế vector không gian (2) (SVM – Space Vector Modulation): tính toán thời gian đóng cắt các van bán dẫn. Khâu (3) và (6) là các khâu chuyển trục tọa độ, chuyển các đại lượng điện áp, dòng điện từ hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq và ngược lại. Thông tin cần có là góc quay s của từ thông rotor. Khâu (4) : Khâu ĐC dòng hai chiều có khả năng điều chỉnh cách ly hai thành phần dòng isd và isq với động học cao. Khâu (7): khâu điều chỉnh dòng ( isd ) Khâu (8): khâu điều chỉnh tốc độ quay Khâu (9): khâu tích phân Khâu (5): khâu chuyển trục tọa độ, từ (uvw) chuyển sang αβ. Cũng cần có thông tin của s . 3.2. Cấu trúc mô phỏng 3.2.1. Thông số động cơ Động cơ đồng bộ sử dụng ở đây có các thông số cho trong bảng 3.1 Bảng 3.1. Thông số động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu 32
  33. Thông số Giá trị Công suất định mức Pđm 3HP Điện áp định mức Udm 380V Dòng stator định mức 10.5A Mômen định mức 11N.m Số đôi cực pp 4 Tốc độ 1800 vg/ph Từ thông cực 0.175Wb Điện trở stato Rs 0.2  Mômen quán tính J 0.01kgm2 Điện cảm phía stator Lsd 8.5mH Điện cảm tản phía stator Lsq 8.5mH 3.2.2. Mô hình Simulink của động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu Ta sử dụng các khối cơ bản của Simulink để xây dựng mô hình động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu trên hệ tọa độ dq Lsq d axis 3 1 2 1/Lsd mM s id Lsd-Lsq w mM Rs 1.5*p 1 1 w 1 1/J p vdq s s poles/2 Lsd B Flux PM Flux q axis 2 1 mW 1/Lsq s iq dq Rs abc 4 theta iabc dq2abc 1 idq Hình 3.1. Mô hình Simulink của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu 33
  34. 3.2.3. Mô phỏng cấu trúc điều khiển Re |u| Voltages (Usd,Usq) Im u Voltage vector module(Us) -K- -K- wref rad2rpm Speed(w) rpm2rad Reference speed w idq CONTROLLER vdq vdq Currents(Isd,Isq) idq PM w SYNCHRONOUS MOTOR mW mM mW mM iabc mW Current(Isa) Load torque Hình 3.2. Sơ đồ mô phỏng cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu Ta tiến hành các trường hợp mô phỏng sau: a. Trường hợp 1: Mô phỏng quá trình khởi động không tải với tốc độ danh định, sau đó cấp mô-men tải bằng danh định. Kết quả mô phỏng như các hình vẽ từ 3.3. đến 3.7 Speed response 1800 1600 data1 data2 1400 1200 1000 Speed(rpm) 800 600 400 200 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 time(s) Hình 3.3. Đáp ứng tốc độ 34
  35. Current response Isd,Isq 25 Isd Isq 20 Isq 15 10 Currents(A) 5 Isd 0 -5 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 time(s) Hình 3.4. Dòng isd, isq Isu 20 15 10 5 0 Current(A) -5 -10 -15 -20 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 time(s) Hình 3.5. Dòng pha, Isu 35
  36. Electromagnetic Torque 25 20 15 Torque(Nm) 10 5 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 time(s) Hình 3.6. Mô-men điện từ Voltage vector's module 350 300 250 200 150 Voltage(V) 100 50 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 time(s) Hình 3.7. Module của vector điện áp Nhận xét: Quá trình khởi động không tải tới tốc độ danh định hoàn tất dưới 0,1 giây. Trong khoảng thời gian tăng tốc, thành phần dòng isq có giá trị lớn nhất là 20A, do đó tạo ra mô-men lớn nhất để tăng tốc nhanh. Trong khi đó thành phần dòng isd vẫn được duy trì ở 0A. Điều đó cho thấy khả năng cách lý tốt của hai thành phần dòng Ở 0.15 giây, mô-men tải danh định (11Nm) được đưa vào hệ thống. Quan sát đáp ứng tốc độ trên hình 3.3 ta thấy tốc độ có bị suy gaimr nhẹ (khoảng 3 vòng/phút), nhưng nhanh chóng bám trở lại theo tốc độ đặt (sau khoảng thời gian ngắn hơn 0.006 giây). Như vậy, chất lượng ổn định tốc độ là khá tốt Quan sát tất cả các hình vẽ từ 3.3 đến 3.7 ta thấy rằng, trong thí nghiệm 1, hệ thống đã hoạt động ổn định, với chất lượng động học rất tốt. b. Trường hợp 2: Mô phỏng quá trình khởi động đầy tải tới tốc độ danh định, sau đó đảo chiều quay. Kết quả mô phỏng như sau. 36
  37. Speed response 2000 1500 1000 500 0 Speed(rpm) -500 -1000 -1500 -2000 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 time(s) Hình 3.8. Đáp ứng tốc độ Current response, Isd, isq 25 isd 20 isq 15 isq 10 isd 5 0 Current(A) -5 -10 -15 -20 -25 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 time(s) Hình 3.9. Dòng isd, isq isu 25 20 15 10 5 0 Current(A) -5 -10 -15 -20 -25 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 time(s) Hình 3.10. Dòng pha isu 37
  38. Electromagnetic torque 25 20 15 10 5 0 Torque(Nm) -5 -10 -15 -20 -25 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 time(s) Hình 3.11. Mô-men điện từ Nhận xét: Vì khởi động đầy tải, nên thời gian tăng tốc tới tốc độ danh định dài hơn so với trường hợp 1, nhưng quá trình tăng tốc vẫn kết thúc trước 0.2 giây. Sau khi đạt được tốc độ danh định, ở thời điểm 0.25 giây, tốc độ đặt đảo chiều về -1800 vòng/phút. Ta thấy quá trình đảo chiều diễn ra rất tốt và đảo chiều xong dưới 0.15 giây. Trong các khoảng thời gian tăng tốc và giảm tốc, ta thấy thành phần dòng isq có độ lớn xấp xỉ 20A, là giá trị giới hạn về dòng điện mà ta đặt ra trong thí nghiệm này. Cũng như vậy, thành phần dòng isd được duy trì ở 0A trong suốt khoảng thời gian của thí nghiệm. Ngoài ra, ta có thêm nhận xét rằng, khoảng thời gian hoàn tất quá trình đảo chiều (từ 1800 vòng/phút về -1800 vòng/phút) ngắn hơn khoảng thời gina tăng tốc đầu tiên (từ 0 vòng/phút tới 1800 vòng /phút). Điều đó được lý giải là do trong lúc đảo chiều thì dấu của mô-men tải không thay đổi và mô-men tải đã góp phần vào việc tạo ra gia tốc lớn cho quá trình đảo chiều. c. Trường hợp 3: Trong thí nghiệm này ta kiểm chứng khả năng hoạt động ổn định trong chế độ nóng lên của động cơ. Giả sử khi động cơ nóng lên là điện trở stator tăng gấp đôi. Ta xem xét quá trình khởi động đầy tải và tăng tốc từ 0 tới 500 vòng/phút. Kết quả mô phỏng quá trình tăng tốc như sau: Speed response 600 500 400 300 Speed(rpm) 200 100 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 time(s) Hình 3.12. Đáp ứng tốc độ 38
  39. Nhận xét: Mặc dù điện trở stator Rs tăng gấp đôi nhưng đáp ứng tốc độ vẫn rất tốt. Điều đó cho thấy luật điều khiển ít nhạy cảm với sự thay đổi của tham số điện trở stator Rs. Đây là một đặc điểm tốt, vì điện trở Rs vừa khó thu thập được giá trị chính xác, vừa thường xuyên thay đổi trong quá trình hoạt động của động cơ d. Trường hợp 4: Trong thí nghiệm này ta muốn kiểm chứng hoạt động của luật điều khiển khi thông tin về mô-men tải không chính xác. Ta xem xét quá trình tăng tốc từ 0 tới 500 vòng/phút, với mô-men tải thực tế là 10Nm, còn giá trị mô-men tải được khai báo với bộ điều khiển là 5Nm. Kết quả mô phỏng quá trình tăng tốc như sau: Speed response 600 500 400 300 Speed(rpm) 200 100 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 time(s) Hình 3.13. Đáp ứng tốc độ Nhận xét: Quan sát kết quả mô phỏng trên hình 3.13 ta rút ra nhận xét: khi thông tin về mô-men tải không chính xác thì tồn tại sai lệch tĩnh khá lớn. 39
  40. KẾT LUẬN Đề tài đã giải quyết được các vấn đề sau: - Phân tích mô hình toán (phương trình toán) của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu trên miền liên tục. - Phân tích cấu trúc điều khiển và chiến lược điều khiển - Mô phỏng hệ truyền động động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu và các kết quả mô phỏng thu được từ Matlab&Simulink. Hướng phát triển: Tổng hợp phần cơ sở lý thuyết, hoàn thiện chương trình phần mềm trên Matlab để có thể cung cấp cho sinh viên dưới dạng tài liệu tham khảo, sách , phục vụ công tác giảng dạy. 40
  41. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Bính (2000), Điện tử công suất, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [2] Phạm Văn Bình (2011), Máy điện tổng quát, Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam. [3] Trần Khánh Hà, (1997), Máy điện I, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [4] Thân Ngọc Hoàn, Nguyễn Tiến Ban (2007), Điều khiển tự động các hệ thống truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật [5] Thân Ngọc Hoàn, Máy điện, Nhà xuất bản xây dựng [6] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi (2004), Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [7] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền (2006), Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật. [8] Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến, Đoàn Quang Vinh (2005), Điều khiển động cơ xoay chiều ba pha cấp từ biến tần bán dẫn, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [9] Nguyễn Thương Ngô (2005), Lý thuyết điều khiển tự động thông thường và hiện đại, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [10] Nguyễn Doãn Phước (2006), Lý thuyết điều khiển nâng cao, Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật. [11] Nguyễn Phùng Quang (1998), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, NXB Giáo dục, Hà Nội. [12] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2004), Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [13] Nguyễn Phùng Quang (2004), MATLAB và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [14] Phạm Tâm Thành, Nguyễn Phùng Quang (2011), “Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu”. CD tuyển tập hội nghị điều khiển và tự động hóa toàn quốc lần thứ nhất, VCCA-2011, tr.318-323, Hà Nội [15] Phạm Tâm Thành, Nguyễn Phùng Quang (2013) Mô hình trạng thái gián đoạn bilinear của máy điện xoay chiều ba pha theo phương pháp Taylor. Chuyên san Kỹ thuật Điều khiển&Tự động hóa, số 7/2013, tr.2-7 [16] Pham Tam Thanh, N.P. Quang (2013), “Quasi-continous Implementation of Structural Nonlinear Controller Based pn Direct-decoupling for Permanent Magnet Synchronous Motor”. IEEE International Conference on Control, Automation and Information Sciences (ICCAIS2013), Nha Trang, Vietnam,pp.254-259 [17] Pham Tam Thanh, Nguyen D.That (2014) “Nonlinear Flatness-Based Controller for Permanent Magnet-Excited Synchronous Motor”. The 31st International Symposium on Automation and Robotics in Construction and Mining (ISARC 2014), Sydney, Australia, pp.120-125. [18] Stephen J. Chapman: Electric Machinery Fundamentals. 4th Edition. Mc Graw Hill, 2005. 41
  42. PHỤ LỤC MỘT SỐ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG %Điều khiển tốc độ một góc phần tư của hệ truyền động điều khiển dòng điện theo PWM% clear P=6; Rs=1.4; Ld=0.0056; Lq=0.009; lamaf=.1546; B=0.01; J=0.0012; vdc=285; wr_ref=314.3; fc=20000; Kpi=10; Kp=2; Ki=1; fc=20000; Kpi=10; Kp=2; Ki=1; Tb=5.5631; Ib=12; wb=628.6; Vb=97.138; Lb=0.0129; ias=0;ibs=0;ics=0;t1=0; vax1=0;vbx1=0;vcx1=0; y=0; theta_r=0; wr=0; t=0; dt=1e-6; tfinal=.05; if_ref=-1e-16; iqs=0;ids=0; vqs=0;vds=0; Tl=0.3*Tb; n=1; x=1; signe=1; ramp=-1; ias=0;ibs=0;ics=0; t1=0; vax1=0;vbx1=0;vcx1=0; zia=0;zib=0;zic=0; while (t 0.02, wr_ref=-314.3; end wr_err=wr_ref-wr; y=y+wr_err*dt; Te_ref=Kp*wr_err+Ki*y; 42
  43. if Te_ref>2*Tb, Te_ref=2*Tb; end if Te_ref =0, delta_ref=pi/2; elseif it_ref 1, vax=1; elseif vax 1, vbx=1; elseif vbx 1, vcx=1; elseif vcx 1/fc, vax1=vax; vbx1=vbx; vcx1=vcx; t1=0; end if vax1>=ramp, vao=vdc/2; elseif vax1 =ramp, vbo=vdc/2; elseif vbx1 =ramp, vco=vdc/2; elseif vcx1<ramp, vco=-vdc/2; end vab=vao-vbo; vbc=vbo-vco; 43
  44. vca=vco-vao; vas=(vab-vca)/3; vbs=(vbc-vab)/3; vcs=(vca-vbc)/3; vqs=(2/3)*(cos(theta_r)*vas+cos(theta_r-2*pi/3)*vbs+cos(theta_r+2*pi/3)*vcs); vds=(2/3)*(sin(theta_r)*vas+sin(theta_r-2*pi/3)*vbs+sin(theta_r+2*pi/3)*vcs); d_iqs=(vqs-Rs*iqs-wr*Ld*iqs-wr*lamaf)*dt/Lq; iqs=iqs+d_iqs; d_ids=(vds+wr*Lq*iqs-Rs*ids)*dt/Ld; ids=ids+d_ids; is=sqrt(iqs^2+ids^2); delta=atan(iqs/ids); Te=(3/2)*(P/2)*iqs*((Ld-Lq)*ids+lamaf); d_wr=((P/2)*(Te-Tl)-B*wr)*dt/J; wr=wr+d_wr; d_theta_r=wr*dt; theta_r=theta_r+d_theta_r; ias=iqs*cos(theta_r)+ids*sin(theta_r); ibs=iqs*cos(theta_r-2*pi/3)+ids*sin(theta_r-2*pi/3); ics=-(ias+ibs); ramp=signe*(2/(1/(2*fc)))*dt+ramp; if ramp>1, signe=-1; end if ramp 16, t tn(n)=t; Terefn(n)=Te_ref/Tb; it_refn(n)=it_ref/Ib; if_refn(n)=if_ref/Ib; is_refn(n)=is_ref/Ib; ias_refn(n)=ias_ref/Ib; ibs_refn(n)=ibs_ref/Ib; ics_refn(n)=ics_ref/Ib; iasn(n)=ias/Ib; ibsn(n)=ibs/Ib; icsn(n)=ics/Ib; vasn(n)=vas/Vb; vbsn(n)=vbs/Vb; vcsn(n)=vcs/Vb; iqsn(n)=iqs/Ib; idsn(n)=ids/Ib; isn(n)=is/Ib; Ten(n)=Te/Tb; wrn(n)=wr/wb; wrrefn(n)=wr_ref/wb; lammn(n)=sqrt((1+Ld*ids/(Ib*Lb))^2+(Lq*iqs/(Ib*Lb))^2); n=n+1; x=1; end x=x+1; end 44
  45. figure(1);orient tall; subplot(4,2,3) plot(tn,Terefn,'k ',tn,Ten,'k');axis([0 .05 -2.1 2.1]); set(gca,'xticklabel',[]); subplot(4,2,5) plot(tn,is_refn,'k ',tn,isn,'k');axis([0 .05 0 2]); set(gca,'xticklabel',[]); subplot(4,2,1) plot(tn,wrrefn,'k ',tn,wrn,'k');axis([0 .05 -1 1]); set(gca,'xticklabel',[]); subplot(4,2,7) plot(tn,it_refn,'k ',tn,iqsn,'k');axis([0 .05 -2 2]); subplot(4,2,2) plot(tn,if_refn,'k ',tn,idsn,'k');axis([0 .05 -1 1]); set(gca,'xticklabel',[]); subplot(4,2,4) plot(tn,ias_refn,'k',tn,ibs_refn,'k:',tn,ics_refn,'k '); axis([0 .05 -1.5 1.5]);set(gca,'xticklabel',[]); subplot(4,2,6) plot(tn,iasn,'k',tn,ibsn,'k:',tn,icsn,'k ') axis([0 .05 -1.5 1.5]);set(gca,'xticklabel',[]); subplot(4,2,8) plot(tn,lammn,'k') axis([0 .05 0 2]); %Hệ truyền động có điều khiển dòng trễ% clear P=6; Rs=1.4; Ld=0.0056; Lq=0.009; lamaf=.1546; B=0.01; J=0.006; vdc=285; wr_ref=314.3; Tb=5.5631; Ib=12; wb=628.6; Vb=97.138; Lb=0.0129; deli=0.1*Ib; theta_r=0; wr=wr_ref; t=0; dt=1e-6; tfinal=.01; if_ref=-1e-16; iqs=0;ids=0; vqs=0;vds=0; n=1; x=1; signe=1; ramp=-1; ias=0;ibs=0;ics=0;t1=0; 45
  46. vax1=0;vbx1=0;vcx1=0; zia=0;zib=0;zic=0; while (t =deli,vao=vdc/2; end if (ias_ref-ias) =deli,vbo=vdc/2; end if (ibs_ref-ibs) =deli,vco=vdc/2; end if (ics_ref-ics) 16, t tn(n)=t; Terefn(n)=Te_ref/Tb; it_refn(n)=it_ref/Ib; is_refn(n)=is_ref/Ib; ias_refn(n)=ias_ref/Ib; ibs_refn(n)=ibs_ref/Ib; 46
  47. ics_refn(n)=ics_ref/Ib; iasn(n)=ias/Ib; ibsn(n)=ibs/Ib; icsn(n)=ics/Ib; iqsn(n)=iqs/Ib; idsn(n)=ids/Ib; isn(n)=is/Ib; ifrefn(n)=if_ref/Ib; delta_refn(n)=delta_ref; deltan(n)=delta; Ten(n)=Te/Tb; wrn(n)=wr/wb; lammn(n)=sqrt((1+Ld*ids/(Ib*Lb) )^2+(Lq*iqs/(Ib*Lb))^2); n=n+1; x=1; end x=x+1; end figure(1);orient tall; subplot(4,2,1) plot(tn,Terefn,'k ',tn,Ten,'k') axis([0 .01 0 2]); set(gca,'xticklabel',[]); subplot(4,2,3) plot(tn,wrn,'k'); axis([0 .01 0 1]); set(gca,'xticklabel',[]); subplot(4,2,5) plot(tn,delta_refn*180/pi,'k ',tn,deltan*180/pi,'k'); axis([0 .01 0 180]); set(gca,'xticklabel',[]); subplot(4,2,7) plot(tn,it_refn,'k ',tn,iqsn,'k');axis([0 .01 0 1]); subplot(4,2,2) plot(tn,ifrefn,'k ',tn,idsn,'k');axis([0 .01 -1 1]);set(gca,'xticklabel',[]) subplot(4,2,4) plot(tn,ias_refn,'k',tn,ibs_refn,'k ',tn,ics_refn,'k:'); axis([0 .01 -1 1]);set(gca,'xticklabel',[]) subplot(4,2,6) plot(tn,iasn,'k',tn,ibsn,'k ',tn,icsn,'k:') axis([0 .01 -1 1]);set(gca,'xticklabel',[]) subplot(4,2,8) plot(tn,lammn,'k') axis([0 .01 0 2]); % Mô phỏng động lực % clear m=0 lq=0.0125 ld=0.0057 ro=lq/ld Rc=416 lamaf=0.123 Rs=1.2 Pb=890 47
  48. Tb=2.43 Ib=4.65 P=4 ws=(2*pi*1800/60)*P/2 B=0.0005 J=0.0002 tln=0 Vb=Pb/(3*Ib) zb=Vb/Ib lamb=lamaf lb=lamb/Ib wb=Vb/lamb rsn=Rs/zb lqn=lq/lb ldn=ld/lb Bn=B*wb^2/(Pb*(P/2)^2) H=J*wb^2/(2*Pb*(P/2)^2) lamafn=lamaf/lamb x1=0 x2=0 x3=0 x4=0 tp=2*pi/3 n=1 dt=0.0001 for t=0:0.0001:0.1 wst=ws*t vabc= [sin(wst); sin(wst-tp); sin(wst+tp)] T=2/3*[cos(x4) cos(x4-tp) cos(x4+tp); sin(x4) sin(x4-tp) sin(x4+tp); 0.5 0.5 0.5 ]; vqdo=T*vabc x1=x1+dt*wb*(-rsn/lqn*x1-x3*ldn/lqn*x2+1/lqn*(vqdo(1)-x3*lamafn) ) x2=x2+dt*wb*(x3*lqn/ldn*x1-rsn/ldn*x2+vqdo(2)/ldn) Ten=(lamafn-(ldn-lqn)*x2)*x1 x3=x3+dt*(Ten-Bn*x3-tln)/(2*H) x4=x4+dt*x3*wb iqd=[x1;x2] T1=[cos(x4) sin(x4); cos(x4-tp) sin(x4-tp); cos(x4+tp) sin(x4+tp)] iabc=T1*iqd vas(n)=vabc(1) vqs(n)=vqdo(1) vds(n)=vqdo(2) ias(n)=iabc(1) ibs(n)=iabc(2) Te(n)=Ten speed(n)=x3 time(n)=t n=n+1 end subplot(5,1,1) plot(time,vas,'k') axis([0 0.1 -1.2 1.2]) set(gca,'xticklabel',[]) subplot(5,1,2) 48
  49. plot(time,vqs,'k',time,vds,'k') axis([0 0.1 -1.2 1.2]);set(gca,'xticklabel',[]) subplot(5,1,2) plot(time,vqs,'k',time,vds,'k') axis([0 0.1 -1.2 1.2]);set(gca,'xticklabel',[]) subplot(5,1,3) plot(time,ias,'k',time,ibs,'k') axis([0 0.1 -6 6]);set(gca,'xticklabel',[]) subplot(5,1,4) plot(time,Te,'k') axis([0 0.1 -5 5]);set(gca,'xticklabel',[]) subplot(5,1,5) axis([0 0.1 0 1.2]);plot(time,speed,'k') 49