99
CHƯƠNG 6: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
§1. SỰ LÀM VIỆC CỦA Đ.C.K.Đ.B KHI TỪ THÔNG TRONG KHE HỞ KHÔNG KHÍ KHÔNG ĐỔI
Từ thông hỗ cảm hay từ thông trong khe hở không khí của máy điện không
đồng bộ được xác định bằng biểu thức:
m
ar
m
e
E = + = Y & I¢ & L I m as (1) w
E
m =
const
Như vậy giữ cho từ thông hỗ cảm hay từ thông trong khe hở không khí không đổi
e
E
mdm
w=
E
m
e
tương đương với việc giữ cho . Như vậy: w
b
(2) w
e
Trong đó Emdm là giá trị của Em ở tốc độ định mức hay tốc độ cơ sở. Giá trị liên tục của Em phải cao hơn Emdm khi lõi thép không bị bão hoà. Sơ đồ thay thế của m.đ.k.đ.b như sau: w w w ¢ ¢ s
j
s
j
s
j
r
r r
e x b
e x b
e
r
rr¢
r
arI¢&
asI&
s
w w w - w
asU&
m
mE&
w
j w
e x b
¢& arU s
Mạch tương đương của m.đ.k.đ.b
Khi máy chỉ có một nguồn cung cấp, nghĩa là điện áp roto bằng không thì theo sơ đồ thay thể của m.đ.k.đ.b ta có dòng điện roto là:
ar
e
r
m +
e
r
b
& E ¢ = - & I ¢ ¢ w w s x r e r (3) j w - w w
E
2 m
Thay (2) vào phương trình trên và lấy bình phương dòng điện ta có:
=
=
I
2 ar
2
2 mdm 2
E 2
x
r re
r re
e
r
+
¢ ¢ ¢ ¢ (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) w w w (4) s ¢ (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231)
(
) 2
+
x
r
e
r
e
r
b
s (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) w - w w w - w ł Ł ł Ł ł Ł
p3
E
r r
=
M
em
2 mdm 2
Mô men sẽ là: ¢
(2
)
e
r
r re
+
w - w ¢ (cid:246) (cid:230) w (5) ¢ (cid:247) (cid:231)
(
) 2
x
r
e
r
s (cid:247) (cid:231) w - w ł Ł
100
e - w
e. Điều này, về mặt đồ thị tương đương với việc tịnh tiến đường cong w
e
e
x
=¢ r r
r
r
max
e
b
Biểu thức trên cho thấy là mô men sẽ có cùng giá trị ở tốc độ (w r) đã cho đối với mọi w (Mem) ở điều kiện định mức theo trục w khi tần số thay đổi. Như vậy dạng của đường cong mô men khi từ thông trong khe hở không khí không đổi không thay đổi khi tần số thay đổi. Khi Em = const, công suất cực đại đối với một tần số đã cho sẽ được truyền qua khe hở không khí khi: w w ¢ s (6) w w - w
–=
r
max
e
b
r w x
r
Nói cách khác, tốc độ tại mô men max là: ¢ w - w (7) ¢ s
=
M
max em
Dấu “+” tương ứng với chế độ động cơ và dấu “–“ tương ứng với chế độ máy phát.
2 E mdm 2 rx
b
(8) ¢ w s Mô men cực đại là: p3 4
Từ (5) ta thấy có thể điều chỉnh mô men khi điều chỉnh từ thông stato, tốc độ trượt hay cả hai bằng cách điều chỉnh điện áp đưa vào stato hay tần số
§2. ĐIỀU KHIỂN TỰA THEO TỪ TRƯỜNG 1. Các vấn đề chung: Trong m.đ.m.c trục của từ trường phần ứng và từ trường cực từ thường vuông góc với nhau. Do đó s.t.đ tạo bởi dòng điện trong các dây quấn này cũng vuông góc với nhau. Nếu ta bỏ qua sự bão hoà của lõi thép thì các từ trường vuông góc không ảnh hưởng đến nhau. Mô men của máy là: F Mem = ka (Ikt)Ia (9)
Do hằng số thời gian của mạch phần ứng nhỏ hơn mạch kích thích nên việc điều chỉnh mô men bằng cách thay đổi dòng điện phần ứng nhanh hơn là thay đổi dòng điện kích thích.
e r qr
e qr
¢ ¢ ¢ = + = l L i 0 (10)
-=
i
i
e qs
e qr
r
¢ (11) ¢ Nói chung điều chỉnh mô men của máy điện không đồng bộ 3 pha không dễ dàng như m.đ.m.c vì sự tác động tương hỗ giữa từ trường stato và từ trường roto. Từ trường roto này không tạo một góc 90(cid:176) so với từ trường stato mà thay đổi tuỳ theo điều kiện làm việc. Từ trường của dây quấn roto của m.đ.k.đ.b có thể so sánh với từ trường của dây quấn kích thích của máy điện một chiều, ngoại trừ là nó không điều chỉnh độc lập được. Với kích thích hình sin, từ trường của roto quay ở tốc độ đồng bộ. Nếu ta chọn hệ toạ độ qd0 sao cho trục gắn với từ trường roto thì thành phần q của từ trường roto sẽ bằng 0, nghĩa là: e L i m qs L m L
=
0
e qr
¢ Y Do nên mô men là:
em
e e i dr qs
¢ = - l M (12) p3 2 2
101
e
Khi thay trong (11) vào (12) ta có:
qri¢ =
e e i dr qs
em
r
¢ l M ¢ p3 L m 2 2 L
e dr
Y
e
e qr
qrp ¢
e qsi
(13) ¢ không bị nhiễu loạn thì mô men có thể Như vậy nếu từ thông móc vòng của roto điều chỉnh một cách độc lập bằng cách điều chỉnh thành phần theo trục q của dòng ¢ l l điện stato . Khi được giữ không đổi bằng 0 thì cũng bằng 0. Khi đó
e r i r qr
e dr
e qr
e
r
¢ ¢ ¢ ¢ ¢ = + + = l w - w l u p 0 ( ) phương trình điện áp theo trục q có dạng: e qr (14)
e
r
e dr
e drp
¢ ¢ = - w - w ( ) (15) ¢ l Nói cách khác, tốc độ trượt phải thoả mãn: e r i r qr e dr ¢ ¢ = l l 0 không thay đổi thì . Phương trình cân bằng điện áp
e r i r dr
e dr
e dr
r
e qr
¢ ¢ ¢ ¢ ¢ + + = l w - w l Tương tự, nếu giữ theo trục d có dạng: = p u ( ) 0 (16)
=
e =
i e
dr
e dr
e m ds
=
)
(
r
e
0 thì e ir qs r iL r
e ds
¢ ¢ l L i Như vậy khi . Thay vào phương trình (15) ta có: ¢ w - w (17) ¢
Trong thực tế, độ lớn của từ thông roto có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi e định hướng của trục d của từ trường roto có thể giữ bằng giữ tốc độ trượt hay
dsi và sự e qsi theo e dr
¢ l
e
e dr
e m ds
dri¢ được thay bằng
r
e dr
e ds
r
e
i
¢ l - phương trình (17). Với sự định hướng từ trường roto thích hợp, hướng của sẽ được giữ theo trục d và được xác định bằng hằng số thời gian của roto. Điều này ( ) có thể thấy từ (16) với , nghĩa là: ¢ L i L ¢ ¢ = l i (18) ¢ ¢ r L r m + pL r r w w r
e dsi
s
Trục q từ trường roto
e qsi
r
w
2
r
s qr
p /2-r
s dr
Từ trường stato d Trục pha a roto q r q ¢ l Trục pha a stato ¢ l
¢ ¢
= l
s r
e dr
l Trục d từ trường roto
Điều khiển tựa theo từ trường dùng cho m.đ.k.đ.b được xem như là điều khiển trực tiếp khi góc r trong hình vẽ trên được xác định trực tiếp như trong trường hợp đo
102
=
trực tiếp từ thông trong khe hở không khí hay kiểu gián tiếp khi góc roto được xác định từ việc đo gián tiếp như tốc độ trượt. 2. Điều khiển trực tiếp dòng điện tựa theo từ trường: Phương pháp điều khiển trực tiếp dựa vào việc nắm bắt từ thông của khe hở không khí khi dùng các cảm biến. Từ thông được đo là từ thông tổng hay từ thông hỗ cảm. Nó không giống như từ thông móc vòng với dây quấn roto mà góc r của nó là góc cần để định hướng từ trường. Dòng điện điện các pha abc trước hết sẽ được biến đổi thành dòng điện dây quấn cố định:
i
i
i
i
s qs
as
cs
bs
1 3
1 3
- -
=
i
i(
i
)
cs
s ds
bs
2 3 1 3
(19) -
riLs
s qs
¢ Cộng và trừ vế phải của phương trình với số hạng ta có từ thông móc vòng trên
s qs
m
s qr
m
r
s
¢ ¢ ¢ ¢ ¢ trục q trong hệ toạ độ cố định: + + = + l - s s s (L (L L (20) L )i r L )i r
s qs =
s mq
s qr
s qr
r
s qr
s mq
s r qs
m qs L L
m
¢ ¢ + l Y L (i i ) Do , ta có thể xác định từ các đại lượng đo: ¢ ¢ ¢ = l l - s L i (21)
r
s dr
s md
s r ds
m
Tương tự: ¢ ¢ ¢ = l l - s L i (22) L L
và cosr theo công
s dr s r
Sử dụng các từ thông tính từ (21) và (22) ta xác định được sinr thức: ¢ p l (cid:230) (cid:246) = = - r r (cid:231) (cid:247) sin cos ¢ l Ł ł 2
s qr s r
2
(23) ¢ l p (cid:230) (cid:246) = = - r r (cid:231) (cid:247) cos sin ¢ l Ł ł 2
s dr
s 2 ) qr
¢ ¢ ¢ = + l l l ( ) ( (24) Trong đó: s r
e r
¢ l Việc tính toán được thực hiện bên trong bộ điều khiển. Giá trị tính được sẽ
*e qsi
hở không khí. Đầu ra của bộ điều khiển mô men và từ thông là các giá trị và
=
+
i
cos
sin
s qs
e qs
e ds
được đưa lại đầu vào của bộ điều khiển từ thông để điều chỉnh từ thông trong khe *e dsi trong hệ toạ độ roto tựa theo từ trường. Bên trong khối biến đổi qd thành abc là các biến đổi từ qde thành qds và từ qds thành abc đối xứng: * * * r r
i -=
i +
i
i
sin
i
cos
e qs
s ds
e ds
(25) * * * r r
103
s qs
as
bs
s qs
s ds
cs
s qs
s ds
=
* * = i i * * * = - - i 0.5i 3 2 i (26) * * * = - + i 0.5i 3 2 i
cos
sin
i
i
s qs
s ds
=
+
i
i
sin
i
cos
s qs
e ds
s ds
r - r 3. Điều khiển trực tiếp điện áp tựa theo từ trường: Dòng điện stato qd tựa theo từ trường được xác định bằng cách biến đổi các dòng điện abc đo được thành các dòng điện trong hệ toạ độ qd cố định bằng cách dùng các biểu thức (19) và giá trị r xác định theo (23): e i qs (27) r r
Từ thông móc vòng của stato được biểu diễn theo dòng điện stato và từ thông móc vòng của roto:
e qs
e s qs
e qr
r
¢ ¢ = + l l L i ¢
e ds
e s ds
e dr
r
(28) ¢ ¢ = + l l L i ¢ L m L L m L
s
e qs
e r i s qs
qs
e s ds
e
e qr dt
s
e ds
e r i s ds
ds
e s qs
e
e qs dt e di ds dt
r L d m L
e dr dt
r
Ta có: ¢ l di ¢ ¢ ¢ + = - - - w L u E L i ¢ dL m L (29) ¢ l ¢ ¢ ¢ + = + w - - L u E L i ¢
di
Đặt số hạng đạo hàm của từ thông móc vòng của roto bằng 0 và chuyển vế ta có:
=
+
+
E
u
L
ir s
e qs
qs
e qs
iL s
e
s
e ds
¢ ¢ ¢ w -
(30)
=
w+
+
+
E
u
L
ir s
iL s
e
e qs
s
e ds
ds
e ds
e qs dt e di ds dt
¢ ¢ ¢
=
+
cos
sin
u
u
e qs
s qs
u +
-=
sin
u
cos
u
e qs
e ds
s ds
* r r Các giá trị đối với điện áp abc có thể tính như sau: e ds (31) * r r
=
u
u
as
u s qs
* *
-=
u
u
u
s qs
bs
s ds
* * * - (32)
-=
+
u
u
u
cs
s qs
s ds
1 2 1 2
3 2 3 2
* * *
§3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG TỪ TRƯỜNG GIÁN TIẾP Khi máy điện không đồng bộ làm việc với tốc độ thấp và điều khiển vị trí, các sensor đo từ thông trong các bộ tích phân là không khả thi. Vì vậy phương pháp chung là định hướng từ trường gián tiếp không dựa vào việc đo từ thông trong khe
104
e
e - w
r). Từ thông roto có thể
qsi và tốc độ trượt (w
hở không khí mà dựa vào các phương trình (15), (17) và (18). Mô men có thể điều
r
* ¢ l . Khi cho một số giá trị mong muốn của từ thông roto , giá trị chỉnh bằng cách điều chỉnh dòng điện e qsi
dr
e ds
r
emM tại các giá trị từ thông roto đã cho, giá trị mong muốn
mong muốn có thể xác định theo: điều chỉnh bằng *e dsi ¢ * * ¢ = l i (33) ¢ ¢ r L r m + pL * r r Với mô men mong muốn
*e qsi
của theo (13) là:
em
e e i dr qs
* * * ¢ = l M (34) ¢ p3 L m 2 2 L
=
i e
0
e dr
e m ds
dr
r Ta thấy rằng khi định hướng đúng, phương trình (17) có thể viết thành:
¢ ¢ = l L i và . Như vậy tốc độ trượt trong
=
=
(
)
2
e
r
e ir r qs iL r
e ds
r từ sensor vị trí và góc q
* ¢ * w - w w * (35) ¢
, là tổng của góc roto q
Điều kiện trên, nếu thoả mãn, sẽ bảo đảm tách riêng phương trình điện áp roto. Góc định hướng trường r 2 từ tích phân tốc độ trượt.
