Điều khiển tốc độ động cơ dị bộ

Phần này tập trung vào việc xây dựng mô hình toán học cho hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ không đồng bộ. Mô tả toán học chi tiết về động cơ được đề cập, bao gồm các phương trình mô tả đặc tính điện và cơ của động cơ. Vì hệ phương trình mô tả động cơ rất phức tạp và phi tuyến, nên việc tuyến tính hóa hệ thống quanh điểm hoạt động được thực hiện để đơn giản hóa quá trình tính toán và thiết kế bộ điều khiển. Quá trình này bao gồm việc chuyển hệ phương trình về miền Laplace và bỏ qua các thành phần bậc cao để thu được hàm truyền đơn giản hơn. Việc sử dụng hệ tọa độ cố định và hệ tọa độ quay (d,q) để mô tả trạng thái của động cơ cũng được đề cập, cho phép phân tích chi tiết hơn về hoạt động của động cơ trong các điều kiện khác nhau. Các phép biến đổi tuyến tính trong không gian vector, như phép biến đổi Park, được sử dụng để chuyển đổi các giá trị tức thời của điện áp thành các vector không gian, giúp đơn giản hóa việc phân tích và điều khiển động cơ. Tóm lại, phần này cung cấp nền tảng toán học cần thiết để mô hình hóa và phân tích hệ thống truyền động điện.

Phần này tập trung vào việc phân tích đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ, bao gồm các đặc tính cơ động (quỹ tích các điểm (Mi, ωi) trong quá trình quá độ) và đặc tính cơ điện (mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và dòng điện). Đặc biệt, ảnh hưởng của mô men cản (Mc) lên hoạt động của động cơ được xem xét kỹ lưỡng. Mô men cản được phân tích trong các trường hợp khác nhau, bao gồm trường hợp mô men cản không đổi (Mc = const), tỷ lệ tuyến tính với tốc độ (Mc tỷ lệ với bậc nhất tốc độ), và tỷ lệ bình phương với tốc độ (Mc tỷ lệ với bình phương tốc độ). Mỗi trường hợp mô men cản đều được phân tích ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ và cách thức tính toán mô men cản quy đổi về trục động cơ. Việc sử dụng hệ đơn vị tương đối giúp thuận tiện cho việc tính toán, thiết kế và so sánh các hệ truyền động điện khác nhau. Bên cạnh đó, ảnh hưởng của việc thay đổi điện áp và tần số nguồn vào lên đặc tính cơ của động cơ cũng được đề cập, cùng với việc phân tích để duy trì chế độ làm việc tối ưu của động cơ. Cuối cùng, việc bỏ qua điện trở R1 trong tính toán ở các miền tần số thấp dẫn đến sai khác đáng kể so với giá trị tính toán thực tế cũng được đề cập.

Phần này tập trung vào phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp nguồn cung cấp. Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp được trình bày, trong đó sử dụng các bộ điều chỉnh điện áp bán dẫn. Đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh điện áp được phân tích, nhấn mạnh vào đặc điểm xuất phát từ giá trị tốc độ không tải lý tưởng và phạm vi điều chỉnh hẹp. Để hệ thống hoạt động tốt, cần phải làm việc trong hệ thống kín. Việc tổng hợp mạch vòng dòng điện stator được mô tả, bao gồm việc tuyến tính hóa hệ thống và chuyển đổi hệ phương trình về miền Laplace để đơn giản hóa quá trình thiết kế bộ điều khiển. Việc sử dụng tiêu chuẩn tối ưu modul đối xứng để thiết kế mạch điều khiển tốc độ cũng được đề cập, cùng với việc thêm bộ lọc để giảm độ quá điều chỉnh. Cuối cùng, việc lựa chọn các thông số cho bộ lọc được thảo luận dựa trên kinh nghiệm thực tiễn. Nhìn chung, phần này cung cấp một cái nhìn tổng quan về phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng thay đổi điện áp và các yếu tố cần thiết để thiết kế một hệ thống điều khiển hiệu quả.

Phần này tập trung vào việc thiết kế và tổng hợp mạch điều khiển vòng dòng điện stator cho động cơ không đồng bộ. Do hệ phương trình mô tả động cơ có độ phi tuyến cao và phức tạp, việc tổng hợp mạch điều khiển trực tiếp gặp nhiều khó khăn. Vì vậy, phương pháp tuyến tính hóa hệ thống quanh điểm hoạt động được áp dụng để đơn giản hóa quá trình thiết kế. Hệ phương trình được chuyển đổi về miền Laplace, và các thành phần bậc cao được bỏ qua để thu được hàm truyền đơn giản hơn. Từ sơ đồ cấu trúc, hàm truyền đối tượng của mạch vòng điều khiển tốc độ được xác định. Để mạch điều khiển tốc độ có vô sai cấp 2, tiêu chuẩn tối ưu modul đối xứng được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển. Tuy nhiên, việc tổng hợp theo tiêu chuẩn này có thể gây ra độ quá điều chỉnh không mong muốn, nên một bộ lọc được thêm vào trước mạch vòng điều khiển tốc độ để khắc phục vấn đề này. Các thông số của bộ lọc, bao gồm điện trở (Rf) và điện cảm (Lf), được lựa chọn dựa trên kinh nghiệm thực tiễn để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Mục tiêu của việc tổng hợp mạch vòng dòng điện stator là để điều khiển dòng điện động cơ chính xác và ổn định, đáp ứng được yêu cầu vận hành của động cơ.

Phần này tập trung vào việc thiết kế bộ điều khiển tốc độ cho hệ thống truyền động điện. Để đạt được vô sai cấp 2, tiêu chuẩn tối ưu modul đối xứng được áp dụng. Hàm truyền kín của hệ thống được xác định dựa trên tiêu chuẩn này. Tuy nhiên, như đã đề cập, việc sử dụng tiêu chuẩn này có thể dẫn đến độ quá điều chỉnh, vì vậy một bộ lọc được thêm vào để cải thiện hiệu suất. Việc lựa chọn các giá trị cho điện trở và điện cảm của mạch lọc được thảo luận, dựa trên kinh nghiệm và nhằm mục đích lọc điện áp sau bộ biến đổi để tạo ra dạng điện áp gần hình sin, giúp động cơ hoạt động tốt hơn trong dải điện áp đã định. Phần mềm MATLAB được sử dụng rộng rãi trong việc mô phỏng và phân tích hệ thống. Kết quả mô phỏng dòng điện stator cho thấy đáp ứng tốt, độ quá điều chỉnh nhỏ và đáp ứng được yêu cầu của động cơ. Ngoài ra, sơ đồ mạch vòng tốc độ cũng được trình bày, cho thấy sự kết hợp giữa các khối điều khiển để tạo nên một hệ thống điều khiển tốc độ hoàn chỉnh. Cuối cùng, kết quả mô phỏng khi có tác động của mô men cản (Mc ≠ 0) cho thấy quá trình quá độ diễn ra nhanh chóng, động cơ đạt được tốc độ mong muốn trong thời gian ngắn và tốc độ ổn định sau quá trình quá độ.