CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI: Điều khiển tự động Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại chứa đựng những phương pháp mới trong việc mô hình hóa đối tượng động cơ, từ đó xây dựng nên các thuật toán điều khiển phù hợp với các tiến bộ mới của công nghệ vi điện tử, vi xử lý và điện tử công suất. Cơ sở Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại là phương pháp điều khiển tựa theo từ trường quay của Rotor được Haase đưa ra 1968 và Balaschke đưa ra 1970.Haase: Về động học truyền động có điều chỉnh tốc độ quay dùng động cơ không đồng bộ ba pha rotor ngắn mạch nuôi bằng biến tần (Luận văn phó tiến sĩ 1969) F.Balaschke: Phương pháp tựa theo trường trong điều chỉnh động cơ không đồng bộ ba pha. Thông báo kết quả nghiên cứu và phát triển của Siemens 1972.
Nguyễn Phùng Quang đã cho ra đời lý thuyết cơ sở: “Các phương pháp điều chỉnh dòng trong truyền động điện xoay chiều ba pha: nguyên lý và hạn chế của chúng” nhằm giới thiệu phương pháp điều khiển tựa theo từ thông, một phương pháp mạnh dùng mô tả và chế ngự Động cơ xoay chiều ba pha và giới thiệu cách tiếp cận với các thuật toán thích hợp cho việc điều khiển bằng số, cụ thể là điều khiển gián đoạn bằng vi xử lý. Phần ứng dụng của tác giả TS. Nguyễn Phùng Quang dựa trên cơ sở đó đã ra đời và được ứng dụng thành công không chỉ trong phòng thí nghiệm mà còn cả trên thiết bị hiện đang được hai hãng REFU và Siemens chế tạo và lưu hành trên thị trường. Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động đơn lẻ bao gồm: • Phần công suất với động cơ xoay chiều ba pha và biến tần dùng van bán dẫn.
• Phần điều khiển với nhiều vi xử lý khác nhau, trong đó một vi xử lý để giải quyết các bài toán điều khiển thời gian thực, một vi xử lý phụ trách việc đối thoại với hệ thống cấp trên, một vi xử lý phụ dùng để điều khiển ghép nối – đối thoại với thiết bị ngoại vi tại chỗ PLC. Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại 1. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1. Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar) Hiện nay, phần lớn hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ là truyền động đặc tính thấp trong đó cả biên độ lẫn tần số của dòng điện và điện áp của nguồn cung cấp có thể điều chỉnh đồng thời.
Cách điều chỉnh này cho phép điều khiển tốc độ hoặc momen đến trạng thái xác lập trong khi vẫn giữ từ thông của động cơ ổn định. Điều khiển này được gọi là điều khiển vô hướng, khi giả thiết điện áp hoặc dòng điện được điều khiển có dạng hình sin, duy nhất biên độ và tần số được điều chỉnh, không liên quan đến vị trí không gian của những vector tương ứng. Điều khiển vô hướng đơn giản hơn điều khiển vector. Kỹ thuật vô hướng chung Volts nhất thường được dùng trong thực tế là không đổi (Constant Volts/Hertzs - CVH) Hertz nghĩa là biên độ điện áp stator được điều chỉnh tỉ lệ với tần số nhằm duy trì từ thông stator không đổi.
Phương pháp này bao gồm điều khiển tốc độ từ trường quay của stator bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp. Momen được cải tiến phụ thuộc vào sự khác biệt giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor. Hệ thống điều khiển đơn giản chỉ duy nhất yêu cầu hồi tiếp tốc độ. Tín hiệu tốc độ thật ωM sẽ so sánh với tín hiệu tốc độ chuẩn ω M* , sai số đạt được đưa vào bộ điều khiển trượt (slip controller), cho ra tín hiệu tốc độ trượt chuẩn ω sl.
Tín hiệu này cộng với ωM tạo ra tín hiệu đồng bộ, qua khối tỉ lệ * 3 p/2 tạo tần số góc đúng yêu cầu cung cấp cho biến tần. Bộ điều chỉnh điện áp (Voltage Controller) tạo ra tín hiệu điện áp stator cung cấp cho bộ biến tần. VS* ∆ω M ω * S1 ω * Syn ω *M ω* ωM ωM ωM Hình 1. Mô hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng Một phương pháp điều khiển scalar khác sử dụng kỹ thuật điều khiển momen (Torque Control - TC) là điều chỉnh biên độ và tần số của dòng điện stator, vì thế momen xác lập được điều khiển trong khi biên độ từ trường được duy trì không đổi.
Trong trường hợp này, hồi tiếp tốc độ chỉ đóng vai trò phụ vì hồi tiếp dòng điện có phần phức tạp hơn phương pháp Constant Volts/Hertzs (CVH). Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mômen vô hướng 1. Phương pháp điều chế vector không gian Bộ điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM) là một trong những thiết bị điện tử công suất được nghiên cứu rộng rãi nhất trong 3 thập niên qua. Không chỉ đòi hỏi khả năng đóng ngắt nhanh của thiết bị đóng ngắt bán dẫn công suất mà còn yêu cầu kỹ thuật điều chế phải đơn giản và chính xác.
Có nhiều kỹ thuật điều chế như: kỹ thuật dao động phụ, điều chế vectơ không gian. nhưng bổ sung thêm ứng dụng số là điều chế vector không gian ở bộ biến đổi nguồn dòng và nguồn áp. Phương pháp điều chế vector không gian (space vector modulation) xuất phát từ các ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong hệ thống điện ba pha. Phương pháp này là phương pháp phổ cập trong các hệ truyền động đã số hóa toàn phần dùng để điều khiển biến tần dùng van bán dẫn.
Thông thường, các đôi van được vi xử lý điều khiển sao cho điện áp xoay chiều 3 pha với biên độ cho trước, với tần số cũng như góc pha cho trước cung cấp cho động cơ đạt yêu cầu. Biến tần được nuôi bởi điện áp một chiều. Biến tần thường hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cắt cao. Van bán dẫn được dùng ở đây là IGBT, MOSFET.
5 Phương pháp điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục của vector không gian tương đương của vector điện áp nghịch lưu trên quỹ đạo đường tròn. Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quỹ đạo đường tròn, các sóng hài bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ áp ra trở nên tuyến tính. Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp. Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian 1.
Điều khiển định hướng trường Động cơ AC, cụ thể là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có những ưu điểm là đơn giản, tin cậy, giá thành thấp, và ít bảo dưỡng. Tuy nhiên, trong những ứng dụng trong công nghiệp đòi hỏi hiệu suất truyền động cao thì việc điều khiển chúng vẫn gặp phải những thử thách lớn bởi vì chúng là đối tượng phi tuyến và nhiều thông số, chủ yếu là điện trở rotor thay đổi theo những điều kiện vận hành. Điều khiển định hướng trường (Field orientation control - FOC) hoặc điều khiển vector (Vas, 1990) cho động cơ không đồng bộ đạt được việc tách biệt thay đổi động giữa momen và từ thông dẫn đến việc điều khiển độc lập giữa từ thông và momen tương tự như động cơ DC kích từ độc lập. Điều khiển định hướng trường là điều kiện tối ưu hóa momen và tách rời điều khiển momen khỏi điều khiển từ thông trong điều kiện vận hành ổn định và quá độ của động cơ không đồng bộ.
6 Có 2 loại điều khiển định hướng trường điển hình: Phương pháp trực tiếp trong đó sử dụng cảm biến đo từ thông của động cơ, và phương pháp gián tiếp dựa vào đo lường vị trí rotor. Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp Trong hệ thống định hướng trường trực tiếp, vị trí góc và biên độ của vector từ thông chuẩn được đo hoặc ước lượng từ điện áp và dòng điện stator sử dụng bộ quan sát từ thông (flux observer). Đặt cảm biến ở khe hở không khí của động cơ, trục dq nhằm xác định vector từ thông hỗ cảm (từ thông khe hở không khí). λr λsdm λsqm θr e* iDS idss* ias* ias e* ibs* ibs iQS iqss* ics* ics Hình 1.
Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản 1. Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp dựa vào tính toán tốc độ trượt ω r được yêu cầu cho điều khiển định hướng trường chính xác và sự áp đặt tốc * độ này lên động cơ. 7 e* Từ thông iDS DQ idss* dq ias* ias rotor đặt Bộ điều khiển e* ibs* ibs iQS iqss* ics* ics Momen đặt dq abc rotor θR Position Inverter sensor ωr* θ * θo 1/p Hình 1. Hai mô hình hệ thống điều khiển vector đối với động cơ cảm ứng có định hướng từ thông rotor gián tiếp 1.
Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường Để có thể giảm tần số đóng ngắt, đặc biệt trong truyền động công suất lớn, người ta sử dụng đường bao sai số hình vuông gắn với vector từ thông rotor của máy điện. Cách lựa chọn này dĩ nhiên sẽ làm xuất hiện thêm một lượng sóng hài bậc cao theo hướng từ thông rotor. Tuy nhiên, điều này không ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo thành momen động cơ (hằng số thời gian khá lớn của rotor đã loại bỏ tác dụng gián tiếp của từ thông rotor lên momen động cơ). Việc lựa chọn vector đóng ngắt sẽ thực hiện theo phương pháp dự báo sao cho tần số đóng ngắt là nhỏ nhất và việc đóng ngắt theo trục d của dòng điện có thể được hạn chế do khả năng mở rộng đường bao của nó.
Các sóng hài momen giảm xuống nhưng các sóng hài dòng điện sẽ tăng lên (theo trục d). Nhận xét Hiện nay các phương pháp trên đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển động cơ. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, các phương pháp vẫn tồn tại những khuyết điểm: - Điều chế độ rộng xung (PWM) trên cơ sở điều chế vector không gian gây sóng hài bậc cao. - Điều khiển vô hướng chỉ dùng cho truyền động đặc tính thấp.
- Điều khiển định hướng trường vẫn gặp một số hạn chế: nhạy với sự thay đổi thông số của động cơ như hằng số thời gian rotor và đo lường từ thông không chính xác tại tốc độ thấp. Do đó, hiệu suất giảm và bộ điều khiển phổ biến như PID thì không thể duy trì yêu cầu điều khiển dưới những điều kiện thay đổi.