Báo cáo khoa học: "Ph-ơng pháp tổng hợp và mô phỏng hệ Biến tần điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto Nhận dạng hằng số thời gian rôto của động cơ không đồng bộ trong quá trình quá độ" pptx

Phơng pháp tổng hợp v mô phỏng hệ Biến tần
điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto
Nhận dạng hằng số thời gian rôto của động cơ
không đồng bộ trong quá trình quá độ


ThS. Vũ xuân hùng
Bộ môn Trang bị điện - Điện tử
Khoa Điện - Điện tử - Trờng Đại học GTVT
TS. Trần văn thịnh
Khoa Điện Trờng Đại học Bách khoa H Nội

Tóm tắt: Hiện nay phơng pháp điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto đợc sử dụng
ngy cng nhiều trong hệ truyền động điện chất lợng cao. Bi báo trình by kết quả nghiên
cứu phơng pháp tổng hợp v mô phỏng hệ biến tần điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto.
Trong quá trình lm việc tham số của động cơ không đồng bộ bị biến đổi do ảnh hởng của
hiệu ứng mặt ngoi v bão hòa mạch từ lm giảm chất lợng đặc tính động. Để khắc phục điều
ny, tác giả đề xuất một phơng pháp nhận dạng on-line hằng số thời gian rôto. Kết quả tính
toán v mô phỏng đợc thực hiện trên động cơ không đồng bộ 14kW đợc cấp bởi biến tần
IGBT PWM.
Summary: Today, the field oriented vector control method is used increasingly in high-
performance electric drives. This paper presents the results of research into the syntheses and
simulations method for field - oriented vector control. The variations of induction motor
parameters by skin face effects and magnetic saturation reduce dynamic performance. To
overcome the constraint, the authors propose a method for rotor time constant identification on-
line. The simulation and evaluation are performed using actual parameters of a 14 kW induction
motor fed by an IGBT PWM inverter.

i. đặt vấn đề
Tổng hợp và mô phỏng là bớc quan

trọng khi thiết kế một hệ điều chỉnh tự động
truyền động điện, nó cho phép kiểm tra độ ổn
định và đánh giá chất lợng của hệ truyền
động trớc khi đi vào thiết kế một hệ thống
thực, rút ngắn thời gian thiết kế, giảm thiểu
đợc rủi ro và chi phí khi thiết kế và sản xuất.
Giúp cho việc chỉnh định và lựa chọn thông số
của bộ điều chỉnh trong quá trình vận hành.
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày kết
quả nghiên cứu phơng pháp tổng hợp và mô
phỏng hệ biến tần điều khiển vectơ tựa theo từ
thông rôto và đề xuất một phơng pháp nhận
dạng on-line hằng số thời gian rôto của động
cơ không đồng bộ trong quá trình động do ảnh
hởng của hiệu ứng mặt ngoài và bão hòa
mạch từ.
ii. nguyên lý điều khiển vectơ
Véc tơ dòng điện stato đợc tách ra làm
hai thành phần (hình 1): Thành phần thứ nhất
là i
sd
có chiều trùng với vectơ từ thông rôto,
thành phần này tỷ lệ với từ thông rôto (
r
~ i
sd
),
nhờ có bộ điều chỉnh dòng mà thành phần i
sd

đợc giữ không đổi i
= const do đó từ thông
sd

e
rôto đ
ợ
c
g
iữ khôn
g
đổi, isd đ
ợ
c
gọ
i là dòn
g

tạo từ thông (dòng kích từ).
Hình 1. Đồ thị vectơ
Thành phần thứ hai là i
sq
có chiều vuôn
g

g
óc với vectơ từ thôn
g
rôto. Do mômen qua
y

t
ỷ
lệ với tích của từ thôn
g
và thành phần dòn
g

i
sq
( M ~
r
.i
sq
)
, m
ặ
t khác từ thôn
g
đ
ợ
c
g
i
ữ

không đổi nên thành phần dòng i
sq
t
ỷ

lệ với
mômen, bằng cách điều chỉnh dòng i
sq
ta sẽ
điều chỉnh đợc mômen quay, dòng i
sq
đ
ợ
c
gọ
i là dòn
g
t
ạ
o mômen qua
y
. Nh v
ậy
nếu
thành công trong việc giữ i
sd
= const và áp đ
ặ
t
nhanh dòng i
sq
để điều khiển mômen thì thu
ậ
t
toán điều khiển vectơ (điều khiển trờn

g
đ
ị
nh
hớn
g)
cho đ
ộ
n
g
cơ khôn
g
đồn
g
b
ộ
sẽ tơn
g

t
ự
nh điều khiển đ
ộ
n
g
cơ m
ộ
t chiều kích t
ừ

đ
ộ
c l
ậ
p. Hình 2 là sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển
vectơ tựa theo từ thông rôto.

Hình 2. Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vectơ có khâu nhận dạng Tr
III. Bộ điều chỉnh dòng điện kiểu dự báo
IPC (Intelligent Predictive Controller)
Bộ điều chỉnh dòng điện có nhiệm vụ áp
đặt nhanh chính xác mô men quay trên cơ sở
điều chỉnh dòng điện stato. Hiện nay có rất
nhiều phơng pháp điều chỉnh dòng stato,
trong các phơng pháp đó có phơng pháp
điều chỉnh dòng thông minh kiểu dự báo IPC
hai điểm [2] có độ tác động nhanh, có thể điều
khiển nhanh mômen quay bám sát giá trị
mômen đặt nhờ khả năng dự báo trớc mẫu
xung điều khiển tối u để điều khiển van bán
dẫn trong chu kỳ kế tiếp khi vectơ dòng stato
rời khỏi phạm vi sai số đặt trớc. Hình 3 là sơ
đồ nguyên lý bộ điều chỉnh dòng thực hiện
theo nguyên tắc IPC.
e
Hình 3. Khâu điều chỉnh vectơ dòng stato theo kiểu IPC

a b
Hình 4. a) Vectơ sai số của dòng điện; b) Phạm vi sai số của dòng pha a; c) Phạm vi sai số chung của cả ba pha
Khi một dòng rời khỏi phạm vi sai số cho

phép H (hình 4b, c), tùy theo dấu của sai số
mà pha đó sẽ đợc nối với cực "+" hoặc cực "-
" của nguồn điện áp một chiều cấp cho biến
tần. Đây là một phơng án có u thế lớn do có
đặc điểm đơn giản và có đặc tính động học
cao nên đợc dùng phổ biến trong hệ điều
khiển vectơ đòi hỏi cao về đặc tính động.
iv. Tổng hợp bộ điều chỉnh từ thông
(Flux Controller)
Bộ điều chỉnh từ thông làm nhiệm vụ áp
đặt nhanh, chính xác dòng điện đặt i
sd
, loại bỏ
đợc quan hệ trễ bậc nhất giữa từ thông rôto
với dòng điện i
sd
. Để tổng hợp bộ điều chỉnh từ
thông dựa vào mạch vòng hình 5, trong đó đối
tợng của mạch vòng từ thông đợc mô tả bởi
phơng trình sau [1]:
)k()
T
T
1()k(i
T
T
)1k(
'
rd
r

sd
r
'
rd
+=+ (1)
v. Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ
(Speed Controller)
Bộ điều chỉnh tốc độ làm nhiệm vụ duy
trì, ổn định tốc độ ở giá trị đặt thông qua việc
tạo dòng mômen thích hợp i
*
sq
. Đầu ra của bộ
điều chỉnh tốc độ là dòng đặt mômen i
*
.
sq
Hình 6. Mạch vòng để tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ
Từ phơng trình tính mômen và phơng
trình động học của ĐC KĐB [1]:
sqrdC
r
2
m
dt
i'p
L
L
2
3

M =

(2)
dt
d
p
J
MM
c
Cdt

=
(3)
Ta có mạch vòng tổng
hợp bộ điều chỉnh tốc độ
nh hình 6.
Để xác định thông số
của bộ điều chỉnh tốc độ
chúng tôi sử dụng công cụ Nonlinear Control
Design (NCD) trong Simulink - Matlab. Giả sử
Hình 5. M
ạ
ch vòn
g
điều chỉnh
t
ừ thôn
g

bộ điều chỉnh tốc độ là khâu PI [2], dựa vào

công cụ NCD thu đợc thông số của bộ điều
chỉnh tốc độ của hệ Biến tần - ĐC KĐB 14kW
nh sau: Kp = 25, Ki = 15.
Hình 7. Cấu trúc của bộ điều chỉnh tốc độ
vi. Mô hình quan sát vectơ từ
thông rôto (Flux Estimator, Flux
Observer)
1. Mô hình tính góc vectơ từ thông
Để có thể xây dựng đợc hệ điều khiển
vectơ tựa theo từ thông rôto ta cần phải biết
chính xác hớng của vectơ từ thông rôto, do
đó ta cần phải tính chính xác góc lệch
s
của
từ thông rôto với trục của hệ tọa độ cố định
stato, góc
s
đợc tính nh sau:
()
dt)0(
rss

++=

(4)
với
s
(0) là vị trí đầu của vectơ từ thông rôto.
Tốc độ trợt của rôto đợc tính nh sau [1]:
)k(T

)k(i
)k(
,
rd
r
sq
r

=

(5)
Từ các công thức trên ta xây dựng đợc
mô hình tính góc
s
nh hình 8.
Hình 8. Mô hình tính góc

s
Từ các công thức trên ta thấy rằng giá trị
góc tính đợc
s
phụ thuộc rất lớn vào độ
chính xác của hằng số thời gian rôto T
r
, mà T
r

là tham số biến đổi mạnh do ảnh hởng của
hiệu ứng mặt ngoài, sự bão hòa của mạch từ
và nhiệt độ. Để có thể điều khiển định hớng

trờng rôto một cách chính xác ta cần phải có
phơng pháp nhận dạng chính xác hằng số
thời gian rôto.
2. Mô hình tính modul vectơ từ thông
Từ phơng trình (1) ta xây dựng đợc mô
hình tính modul vectơ từ thông rôto (hình 9).
Chúng ta thấy rằng từ thông rôto
*
rd
phụ thuộc
vào hằng số thời gian rôto, đây là tham số biến
đổi trong quá trình làm việc. Vì vậy, để có thể
tính chính xác từ thông rôto ta cần phải có mô
hình có nhận dạng hằng số thời gian rôto T
r
.
Hình 9. Mô hình tính từ thông rôtô
vii. Mô hình nhận dạng hằng số thời
gian rôto T
r
do ảnh hởng của sự bão
hòa mạch từ v hiệu ứng mặt ngoi
Dựa vào nguyên tắc xác định tham số
của động cơ do ảnh hởng của hiệu ứng mặt
ngoài và sự bão hòa mạch từ, xem [1], chúng
tôi đề xuất một phơng pháp nhận dạng hằng
số thời gian rôto T
r
trong quá trình động nhằm
cải thiện đặc tính động của hệ thống, nội dung

của phơng pháp nh sau:
- Tham số khởi đầu cho khâu nhận dạng
hằng số thời gian rôto T
r
: Đó là các giá trị điện
kháng, điện trở rôto đã cho trớc trong tài liệu
thiết kế máy điện hoặc trên nhãn của máy điện.
- Tín hiệu đầu vào để có thể xét đợc ảnh
hởng của hiệu ứng mặt ngoài và sự bão hòa
mạch từ là: hệ số trợt s (hoặc tốc độ), tần số
góc stato
s
, biên độ dòng điện stato, trong
quá trình khởi động các giá trị đó đều là tham

số biến đổi.
Nhờ bộ điều chỉnh tốc độ, bộ điều chỉnh
từ thông có khâu hạn chế, khâu quan sát
vectơ từ thông rôto có nhận dạng hằng số thời
gian rôto và khả năng áp đặt nhanh, chính xác
của bộ điều chỉnh dòng điện mà dòng điện
khởi động đợc hạn chế trong phạm vi đặt
trớc (hình 11a), dòng điện i
- Hằng số thời gian rôto đợc tính theo
công thức sau:
rs
20
r
r
r

R
(t)x(t)x
R
L
T

+
==

(6)
, i
trong đó: x
0
, x
2
, R
r
lần lợt là điện kháng mạch
từ hóa, điện kháng rôto đã quy đổi về stato,
điện trở rôto - đây là các tham số biến đổi do
ảnh hởng của hiệu ứng mặt ngoài và bão
hòa mạch từ, đợc xác định theo [1].
sd sq
luôn bám
theo giá trị dòng điện đặt i
* *
, i
sd sq
(hình 11c, d).
Đặc tính mômen ít dao động, tốc độ tăng đều

trong quá trình khởi động, sai lệch tốc độ ở
trong chế độ xác lập rất nhỏ (hình 11e), đặc
tính mômen vợt trội so với đặc tính mômen
trong hệ biến tần điều khiển theo luật U/f mà
tác giả đã khảo sát trong [5].
u điểm của phơng pháp là có khả
năng nhận dạng trực tuyến (on line) khi hệ
thống đang làm việc, phơng pháp chỉ sử
dụng tín hiệu thông thờng có thể đo đợc và
tồn tại trong mọi hệ truyền động nh dòng
điện, tốc độ, không sử dụng các tín hiệu kích
thích phụ gây bất lợi cho hệ thống. Mô hình
nhận dạng hằng số thời gian rôto và giao diện
nhập thông số nh trên hình 10.
viii. Kết quả mô phỏng v nhận xét








Hình 10a. Mô hình nhận dạng T
r
Hình 10b. Giao diện nhập thông số cho khối nhận dạng

Hình 11a. Hệ số trợt, biên độ dòng điện

Hình 11b. Hằng số thời gian rôto T
r
v từ thông rôto







Hình 11c. Dòng điện đặt



iX. Kết luận
trình bày kết quả nghiên cứu
phơng pháp tổng hợp và
thôn

khảo
ùng. Luận văn Thạc sĩ khoa học kỹ
trình quá độ của hệ Biến tần -
Bài báo đã
mô phỏng hệ điều
khiển vectơ tựa theo từ thông rôto. Chơng

trình mô phỏng đợc dùng để hỗ trợ cho quá
trình thiết kế, lựa chọn tham số thích hợp để cài
đặt trớc khi vận hành, dùng để phân tích và
đánh giá chất lợng của hệ truyền động điện.
Nhờ mô hình nhận dạng hằng số thời
gian, đã cho phép quan sát chính xác vectơ từ
g rôto, đem lại đặc tính động có chất
lợng cao: đặc tính mô men và tốc độ ít dao
động, gần nh không có độ quá điều chỉnh.
Dòng điện đợc hạn chế trong phạm vi cho
phép do đó giảm đợc tổn thất năng lợng ở
dây quấn trong quá trình động.














Tài liệu tham
[1]. Vũ Xuân H
thuật, Khảo sát quá
Động cơ không đồng bộ, 2003.

[2]. Ng. Phùng Quang, A. Dittrich. Truyền động
điện thông minh. NXB KHKT, 2002.
[3]. M.Jemli, M.Boussak, M.Gossa. Roto time constant
identification in vector controlled induction motor with
model reference adaptive system; OPTIM, 1996.
[4]. P. Srinivas, and Other. Gereralized system
design & Analysis of PWM based Power Electronic
converter; IEEE Transaction on IA, 2000.
[5]. Vũ Xuân Hùng. Tính toán tổn thất năng lợng
trong quá trình động của động cơ không đồng bộ
khi đợc cấp điện từ biến tần PWM. Hội thảo Khoa
học và công nghệ trờng ĐH GTVT. Tạp chí Khoa
học và công nghệ GTVT, 11/2003.
[6]. Trần Văn Thịnh, Vũ Xuân Hùng. ứng dụng biến
tần điều khiển động cơ điện xoay chiều - Giải pháp
nâng cao hiệu suất sử dụng năng lợng của hệ
Biến tần; Hội thảo Khoa học về tối u hóa năng
Hình 11e. Đặc tính mômen v tốc độ
Hình 11 f. Điện áp v dòng điện
Hình 11d. Dòng điện i
sd
v i
sq
Hình 12. Đặc tính trong hệ điều khiển vectơ
có hai cấp tốc độ

l−îng - ViÖn khoa häc vµ c«ng nghÖ NhiÖt - L¹nh.
Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ néi, 11/2003
♦