Bài giảng điều khiển máy điện nâng cao bài giảng 2 TS nguyễn quang nam

Bài giảng
Điều Khiển Máy Điện Nâng Cao
Mô hình và điều khiển máy điện DC
TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK 2

/>
Bài giảng 2

1

Máy DC kích từ độc lập
Sơ đồ bao gồm dây quấn kích từ, dây quấn phần ứng,
dây quấn bù, và bộ đổi chiều.

Bài giảng 2

2


Máy DC kích từ độc lập (tt)
Vì có mặt dây quấn bù, có thể coi phản ứng phần ứng bị
triệt tiêu, nghĩa là từ thông kích từ (phần cảm) chỉ hướng
dọc trục α.
Điện kháng tản của dây quấn phần ứng sẽ tạo ra một
thành phần từ thông dọc trục β, và không thể bị khử bởi dây
quấn bù.
Quan hệ giữa từ thông và dòng kích từ thường là phi
tuyến.
Máy dùng NCVC có kích thước nhỏ hơn, nhưng mất khả
năng điều chỉnh từ thông kích từ.

Bài giảng 2

3

Mô hình ký hiệu của máy DC
Giả sử bộ đổi chiều lý tưởng (giữ cho dòng điện phần
ứng luôn luôn dọc theo trục β):

r xy
I a = jI a e − jθ

Quan hệ điện áp có thể được xác định từ

{

}

r xy r xy
ua ia + Re ua (ia ) * = 0

Số hạng thứ nhất và thứ hai lần lượt là công suất tức thời đi
vào bộ đổi chiều từ phía stato và từ phía rôto.
Kết hợp hai phương trình trên dẫn đến

{

r
ua = − Im uaxy e jθ
Bài giảng 2

}

4


Mô hình IRTF của máy DC (tt)
Ta có mô hình IRTF của máy DC thể hiện các quá trình
chuyển đổi như dưới đây.

Với mô hình này, công suất điện ở phía stato và rôto
được quy ước là dương khi hướng đến và đi khỏi mô hình,
một cách tương ứng.
Bài giảng 2

5

Mô hình ký hiệu của máy DC (tt)
Hệ phương trình mô tả mô hình ký hiệu này của máy DC
cho bởi

r
r xy
r xy dψ axy
ua =
− Ra ia
dt
r xy
r xy r xy
ψ a = ψ m − La ia

ψ mα = Lmα (i fα − iaα ) = Lmα i f = ψ f
ψ mβ = Lmβ (i fβ − iaβ ) = 0

Bài giảng 2

6


Mô hình ký hiệu của máy DC (tt)
Hệ phương trình kết quả

r xy

r xy
r xy dψ a
− Ra ia
ua =
dt
r xy
r xy
− jθ
ψ a = ψ f e − La ia
với số hạng ψfe-jθ chính là từ thông từ hóa trong hệ quy
chiếu quay.
Chú ý: ở trạng thái xác lập, tất cả các biến trong hệ quy
chiếu quay xy đều là hàm hình sin.

Bài giảng 2

7

Mô hình tổng quát của máy DC
Từ 2 pt trên, ta rút ra được mô hình tổng quát dưới đây

Bài giảng 2

8


Mô hình định hướng trường
Trong mô hình vừa rồi, các vectơ không gian dòng điện,
điện áp, và từ thông móc vòng ở phía phần ứng được xác
định dựa vào một hệ quy chiếu gắn vào trục máy.
Trong phần này, phép biến đổi định hướng từ trường sẽ
được giới thiệu (và là phép biến đổi quan trọng trong các bộ
truyền động AC ba pha).
Trọng tâm của khái niệm là việc đặt một mặt phẳng phức
gồm một trục dọc Rdq và một trục ngang Idq thẳng hàng

ψ m , như trong slide tiếp theo.
r
r
ψ mdq = ψ f
= ψ mxy e jθ

vectơ từ thông

r

ψ mdq

r xy

Bài giảng 2

9

Mô hình định hướng trường (tt)

r
r dq
r dq
r dq dψ adq
ua =
− Ra ia − jωmψ a
dt
r dq
r dq
ψ a = ψ f − La ia
r
r dq
Te = ψ f × ia
Bài giảng 2

10


Mô hình định hướng trường (tt)
Áp dụng quy tắc tính ua ở slide 4, và

ua = Ra ia + La
Te = ψ f ia

r dq
ia = jia

dia
+ ωmψ f
dt

Thành phần dọc trục của ua có thể xác định là bằng 0, do
đó mô hình có thể xây dựng dựa trên trục ngang.

Bài giảng 2

11

Mô hình định hướng trường (tt)
Mô hình vừa được xây dựng cho thấy có thể điều khiển
mômen bằng cách thay đổi dòng điện phần ứng và/hoặc từ
thông kích từ.
Tuy nhiên, do hằng số thời gian của mạch kích từ thường
lớn hơn nhiều so với mạch phần ứng, nên phương pháp
điều chỉnh mômen bằng dòng phần ứng thường được dùng.
Phương pháp điều khiển dòng điện cũng có hiệu suất cao
hơn so với một máy điện được điều khiển bằng điện áp.

Bài giảng 2

12

Điều khiển động cơ DC kích từ độc lập
Thuật ngữ “điều khiển” thường liên quan đến việc đạt
được một đáp ứng động được đặt ra đối với mômen và kích
từ.
Cách tiếp cận cơ bản là nghịch đảo mô hình động định
hướng từ trường của nguồn dòng với mục đích tạo ra dòng
tham chiếu đối với một giá trị mômen cho trước.
Mục tiêu thứ hai là tích hợp khái niệm điều khiển dòng
với một máy được cấp nguồn áp.
Ngoài ra, cũng cần xem xét hoạt động tối ưu của mạch
trong điều kiện ràng buộc về nguồn, khả năng tải dòng của
máy và linh kiện công suất.
Bài giảng 2

13

Khái niệm bộ điều khiển
Việc điều khiển bộ truyền động điện DC có thể được thực
hiện bằng cách xem mômen yêu cầu là một ngõ vào, và tính
ra dòng điện phần ứng yêu cầu đối với bộ điều khiển dòng.
Với các máy DC dùng NCVC, từ thông kích từ ψf là hằng
số, do đó dòng điện phần ứng là biến điều khiển duy nhất
để điều khiển mômen.

Bài giảng 2

14

Khái niệm bộ điều khiển (tt)
Tuy nhiên, dòng điện phần ứng cần được giới hạn, để
đảm bảo không vượt quá khả năng chịu đựng của máy hay
của bộ biến đổi.
Nếu mạch được kích từ bằng một nguồn điện, bộ điều
khiển sẽ có thêm một bậc tự do, và có thể được khai thác
tốt khi cần vận hành máy ở tốc độ cao.
Ở điều kiện bình thường, từ thông được đặt bằng giá trị
cực đại (cho phép), để cực tiểu hóa dòng điện phần ứng. Ở
tốc độ cao, có thể cần giảm từ thông để cho phép đạt được
tốc độ đó, trong điều kiện điện áp nguồn bị giới hạn.
Bài giảng 2

15

Khái niệm bộ điều khiển (tt)
Từ đó, dẫn đến cấu trúc điều khiển dưới đây, nhằm tối ưu
hóa sự vận hành của máy DC trong các giới hạn vận hành
xác lập của nó.
Các biến điều khiển

iac và ψ cf có thể bị chặn dựa vào các

giới hạn vận hành của máy.

Bài giảng 2

16

Các giới hạn vận hành

Bài giảng 2

17

Các giới hạn vận hành (tt)
Tồn tại giới hạn dòng điện phần ứng (MA), thể hiện bởi
vòng tròn màu đỏ.
Cũng tồn tại giới hạn từ thông cực đại (MF), thể hiện bởi
vòng tròn màu xanh (có bán kính tỷ lệ nghịch với tốc độ và
điện cảm phần ứng, và tỷ lệ thuận với điện áp phần ứng).
Ngoài ra, với quan điểm tận dụng khả năng tạo mômen
đối với dòng phần ứng đã cho, có thể rút ra luật điều khiển
sau:

iad = 0

iaq = 0 → ±iamax
Bài giảng 2

18


Các giới hạn vận hành (tt)
Ở chế độ làm yếu từ trường (tốc độ cao hơn tốc độ nền)

Bài giảng 2

19

Các giới hạn vận hành (tt)
Các vùng làm việc khi có sử dụng làm yếu từ trường. Ở
vùng C, từ thông ở giá trị cực tiểu để tránh phóng điện bộ
đổi chiều quá mức.

Bài giảng 2

20


Hệ truyền động mô hình IRTF với nguồn dòng

Bài giảng 2

21

Hệ truyền động mô hình IRTF với nguồn áp
Tham khảo tài liệu.

Bài giảng 2

22