Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền động Servo dùng động cơ không đồng bộ

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:104

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền động Servo dùng động cơ không đồng bộ" tập trung vào hệ truyền động điều khiển trực tiếp mô men cho chất lượng servo; xây dựng, mô phỏng, so sánh và đánh giá một số phương pháp điều khiển trực tiếp mô men với nhau và với các hệ truyền động tiên tiến khác. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền động Servo dùng động cơ không đồng bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Vò V¡N TRäNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------------------- Vò V¨n Träng N GÀNH ĐIỆN NGHI£N CøU THIÕT KÕ HÖ THèNG TRUYÒN §éng servo dïng ®éng c¬ kh«ng ®ång bé KHãa: 2002-2004 LUẬN VĂN THẠ C SĨ NGÀNH Đ IỆN Hà Nội -2004
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------------------- Vò V¨n Träng NGHI£N CøU THIÕT KÕ HÖ THèNG TRUYÒN §éng servo dïng ®éng c¬ kh«ng ®ång bé Chuyªn ngành: Tù ®éng ho¸ LUẬN VĂN TH ẠC SĨ NGÀNH ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NguyÔn v¨n LiÔn Hà Nội, 2004
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được Luận văn này, ngoµi sự nỗ lực của bản th©n, t«i còng nhận được sự gióp đỡ rất qóy b ¸u c ủa c¸c thầy c« gi¸o trong Bộ m«n Tù ®éng hãa XNCN - Trường ĐHBK Hà Nội. T«i xin ch© n thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt t×nh của thầy gi¸o hướng dẫn khoa học: TS. NguyÔn V¨n LiÔn - Bộ m«n Tù ®éng hãa XNCN. Xin ch©n thành cảm ơn Trung t©m Đào tạo & Bồi dưỡng sau Đại học - Trường ĐHBK Hà Nội, ban l·nh ®¹o C«ng ty vµ c¸c c¸n bé phßng Dù ¸n - C«ng ty Kü thuËt ®iÖn V¹n ViÖt ®· t¹o ®iÒu kiÖn cho t«i hoµn thµnh b¶n luËn v¨n nµy. T¸c giả Lu ận văn Vò v¨n träng
1 Môc lôc Trang Trang phô b×a Môc lôc Danh môc c¸c ký hiÖu vµ c¸c ch÷ viÕt t¾t .............................................................. 4 T 12 T 12 Lêi më ®Çu ............................................................................................................. 6 T 12 T 12 Ch¬ng 1: tæng quan vÒ ®ck®b trong kh«ng gian vÐc t¬ .. 8 T 12 T 12 1.1. M« t¶ ®éng c¬ kh«ng ®ång bé ................................................................... 8 T 12 T 12 1.1.1. LÞch sö ra ®êi cña ®éng c¬ kh«ng ®ång bé ........................................ 8 T 12 T 12 1.1.2. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña §CK§B xoay chiÒu ba pha ...................... 8 T 12 T 12 1.1.3. øng dông, u ®iÓm vµ nhîc ®iÓm cña §CK§B xoay chiÒu ba pha . 9 T 12 T 12 1.2. M« h×nh to¸n häc ®éng c¬ kh«ng ®ång bé xoay chiÒu ba pha ................ 10 T 12 T 12 1.2.1. C¸c biÓu thøc ®iÖn ¸p ....................................................................... 10 T 12 T 12 1.2.2. PhÐp chuyÓn ®æi tuyÕn tÝnh Park ..................................................... 11 T 12 T 12 1.2.3. C¸c ph¬ng tr×nh ma trËn ®iÖn ¸p .................................................... 12 T 12 T 12 1.3. Kh«ng gian vÐc t¬ vµ m« h×nh to¸n häc cña §CK§B trong kh«ng gian T 12 vÐc t¬ ............................................................................................................ 13 T 12 1.3.1. VÐc t¬ kh«ng gian dßng ®iÖn ........................................................... 14 T 12 T 12 1.3.2. VÐc t¬ kh«ng gian tõ th«ng mãc vßng ............................................. 16 T 12 T 12 1.3.3. VÐc t¬ kh«ng gian cña c¸c ®iÖn ¸p stator vµ rotor ........................... 18 T 12 T 12 1.3.4. D¹ng vÐc t¬ kh«ng gian cña c¸c biÓu thøc to¸n häc m« t¶ ®éng c¬ 19 T 12 T 12 1.4. C¸c biÓu thøc tÝnh m« men ®iÖn tõ .......................................................... 22 T 12 T 12 1.4.1. BiÓu thøc tÝnh m« ®iÖn tõ dùa trªn c¬ së c©n b»ng n¨ng lîng ....... 23 T 12 T 12 1.4.2. H»ng sè m« men .............................................................................. 23 T 12 T 12 Ch¬ng 2 : ®iÒu khiÓn tÇn sè vµ ®iÒu khiÓn vÐc t¬ kh«ng T 12 gian ®éng c¬ kh«ng ®ång bé ........................................................... 24 T 12 2.1. C¸c hÖ truyÒn ®éng biÕn tÇn b¸n dÉn ®éng c¬ kh«ng ®ång bé................ 24 T 12 T 12 Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi
2 2.1.1. HÖ truyÒn ®éng ®iÖn tèc ®é thay ®æi................................................ 24 T 12 T 12 2.1.2. HÖ truyÒn ®éng - ®éng c¬ kh«ng ®ång bé xoay chiÒu ba pha ......... 26 T 12 T 12 2.1.3. Cuéc c¸ch m¹ng cña c¸c hÖ truyÒn ®éng chÊt lîng cao ................ 26 T 12 T 12 2.2. BiÕn tÇn b¸n dÉn ...................................................................................... 28 T 12 T 12 2.2.1. CÊu tróc biÕn tÇn b¸n dÉn ................................................................ 28 T 12 T 12 2.2.2. Ph¬ng ph¸p PWM th«ng thêng .................................................... 30 T 12 T 12 2.2.3. Ph¬ng ph¸p PWM ®iÒu chÕ vÐc t¬ kh«ng gian .............................. 32 T 12 T 12 2.2.4. So s¸nh hai ph¬ng ph¸p ®iÒu chÕ ................................................... 35 T 12 T 12 2.3. ChiÕn lîc ®iÒu khiÓn ®éng c¬ kh«ng ®ång bé ....................................... 35 T 12 T 12 2.3.1. §iÒu khiÓn theo luËt ®iÖn ¸p/tÇn sè (U/f) ........................................ 35 T 12 T 12 2.3.2. §iÒu khiÓn tùa theo tõ trêng .......................................................... 38 T 12 T 12 2.3.3. NhËn xÐt chung ................................................................................ 42 T 12 T 12 Ch¬ng 3 : ph¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn trùc tiÕp m« men .......... 45 T 12 T 12 3.1. §iÒu khiÓn khiÓn trùc tiÕp m« men ......................................................... 45 T 12 T 12 3.1.1. Kh¸i niÖm ®iÒu khiÓn trùc tiÕp m« men .......................................... 45 T 12 T 12 3.1.2. S¬ ®å nguyªn lý ®iÒu khiÓn trùc tiÕp m« men ................................. 45 T 12 T 12 3.2.§iÒu khiÓn trùc tiÕp m« men theo b¶ng chän ........................................... 48 T 12 T 12 3.2.1. S¬ ®å nguyªn lý ............................................................................... 48 T 12 T 12 3.2.2. ¦íc lîng tõ th«ng stator vµ m« men ............................................. 49 T 12 T 12 3.2.3. Ph¬ng ph¸p DTC c¬ së (Classical DTC – c_DTC) ...................... 52 T 12 T 12 3.2.4. Ph¬ng ph¸p DTC c¶i tiÕn (modified DTC – m_DTC) ................. 54 T 12 T 12 3.2.4. Ph¬ng ph¸p DTC víi b¶ng chän 12 sector (12_DTC) ................... 55 T 12 T 12 3.2.5. Ph¬ng ph¸p DTC víi b¶ng chän theo ®iÓm lµm viÖc..................... 57 T 12 T 12 3.2.6. Ph¬ng ph¸p DTC c¶i tiÕn sè 2 (m2_DTC) ..................................... 58 T 12 T 12 3.3. N©ng cao chÊt lîng ®iÒu khiÓn trùc tiÕp m« men .................................. 59 T 12 T 12 3.3.1. Ph¬ng ph¸p dù b¸o ......................................................................... 59 T 12 T 12 3.3.2. Ph¬ng ph¸p ¸p dông logic mê........................................................ 60 T 12 T 12 3.3.3. §iÒu chØnh tõ th«ng tèi u ............................................................... 62 T 12 T 12 Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi
3 3.4. M« pháng hÖ truyÒn ®éng ®iÒu khiÓn trùc tiÕp m« men ......................... 64 T 12 T 12 3.4.1. ChuÈn bÞ m« pháng .......................................................................... 64 T 12 T 12 3.4.2. ¦íc lîng tõ th«ng vµ m« men ...................................................... 65 T 12 T 12 3.4.3. §iÒu khiÓn trùc tiÕp m« men dïng c¶m biÕn tèc ®é ........................ 68 T 12 T 12 3.4.4. §¸nh gi¸ chung vÒ hÖ truyÒn ®éng ®iÒu khiÓn trùc tiÕp m« men .... 74 T 12 T 12 Ch¬ng 4 : hÖ truyÒn ®éng vÞ trÝ ®ck®b ........................................ 76 T 12 T 12 4.1. Bé ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng - HÖ truyÒn ®éng servo ............................... 76 T 12 T 12 4.1.1. Giíi thiÖu vÒ bé ®iÒu khiÓn servo .................................................... 76 T 12 T 12 4.1.2. Ramp vÞ trÝ ....................................................................................... 77 T 12 T 12 4.1.3. Bé ®iÒu chØnh PID ............................................................................ 79 T 12 T 12 4.1.4. Bé ®iÒu khiÓn servo.......................................................................... 81 T 12 T 12 4.2. HÖ truyÒn ®éng vÞ trÝ øng dông ®iÒu khiÓn trùc tiÕp m« men ................. 83 T 12 T 12 4.2.1. HÖ truyÒn ®éng vÞ trÝ ®éng c¬ kh«ng ®ång bé ................................. 83 T 12 T 12 4.2.2. S¬ ®å nguyªn lý hÖ truyÒn ®éng vÞ trÝ ®iÒu khiÓn trùc tiÕp m« men T 12 dïng ®éng c¬ kh«ng ®ång bé .................................................................... 84 T 12 4.3. øng dông bé ®iÒu khiÓn vi xö lý tÝn hiÖu sè TMS230F240 ®iÒu khiÓn T 12 ®éng c¬ xoay chiÒu ba pha ........................................................................... 85 T 12 4.3.1. Gi¶i ph¸p dïng bé ®iÒu khiÓn DSP ®iÒu khiÓn ®éng c¬ .................. 85 T 12 T 12 4.3.2. Bé ®iÒu khiÓn DSP - TMS320F240 .................................................. 86 T 12 T 12 4.3.3. KiÕn tróc cña bé ®iÒu khiÓn DSP - TMS320F240............................ 87 T 12 T 12 4.3.4. S¬ ®å nguyªn lý hÖ truyÒn ®éng vÞ trÝ ®iÒu khiÓn m« men trùc tiÕp T 12 dïng DSP ................................................................................................... 89 T 12 4.4. M« pháng hÖ thèng truyÒn ®éng vÞ trÝ ..................................................... 91 T 12 T 12 4.4.1. ChuÈn bÞ m« pháng .......................................................................... 91 T 12 T 12 4.4.2. KÕt qña ®iÒu khiÓn vÞ trÝ sö dông ramp tuyÕn tÝnh .......................... 93 T 12 T 12 4.4.3. NhËn xÐt .......................................................................................... 97 T 12 T 12 KÕt luËn ................................................................................................................ 98 T 12 T 12 Tµi liÖu tham kh¶o ................................................................................................ 99 T 12 T 12 Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi
4 Danh môc c¸c ký hiÖu vµ c¸c ch÷ viÕt t¾t a : To¸n tö 1200. P P iri (t) : R R Dßng ®iÖn pha rotor. ir : VÐc t¬ dßng ®iÖn rotor biÓu diÔn trong hÖ täa ®é rotor. i 'r : VÐc t¬ dßng ®iÖn rotor biÓu diÔn trong hÖ täa ®é stator. isi (t) : R R Dßng ®iÖn pha stator. is : VÐc t¬ dßng ®iÖn stator biÓu diÔn trong hÖ täa ®é stator. i 's : VÐc t¬ dßng ®iÖn stator biÓu diÔn trong hÖ täa ®é rotor. Lm R R : §iÖn c¶m tõ hãa ba pha. Lr R R : §iÖn c¶m ba pha rotor tæng. Lr : §iÖn c¶m tù c¶m rotor. Lr1 R R : §iÖn c¶m mãc vßng rotor. Ls : §iÖn c¶m tù c¶m stator. Lrm R R : §iÖn c¶m tõ hãa rotor. Ls R R : §iÖn c¶m ba pha stator tæng. Ls : §iÖn c¶m tù c¶m stator. Lsm R R : §iÖn c¶m tõ hãa stator. Ls1 R R : §iÖn c¶m mãc vßng stator. Mr : §iÖn c¶m hç c¶m gi÷a c¸c d©y quÊn rotor. Ms : §iÖn c¶m hç c¶m gi÷a gi÷a c¸c d©y quÊn stator. M sr : Gi¸ trÞ ®iÖn c¶m hç c¶m cùc ®¹i gi÷a stator vµ rotor. p : To¸n tö vi ph©n. P : Sè ®«i cùc. Rr R R : §iÖn trë rotor. Rs R R : §iÖn trë stator. s : §é trît. 1/s : To¸n tö tÝch ph©n. te R R : M« men ®iÖn tõ tøc thêi. tpc R R : PhÇn tr¨m cña m« men tøc thêi so víi m« men danh ®Þnh. Ts = T z R R R R : Thêi gian lÊy mÉu. uri (t) : R R §iÖn ¸p pha rotor. ur : VÐc t¬ kh«ng gian ®iÖn ¸p rotor biÓu diÔn trªn hÖ täa ®é rotor. u 'r : VÐc t¬ kh«ng gian ®iÖn ¸p rotor biÓu diÔn trªn hÖ täa ®é stator. usi(t) : R R §iÖn ¸p pha stator. us : VÐc t¬ kh«ng gian ®iÖn ¸p stator biÓu diÔn trªn hÖ täa ®é stator. u 's : VÐc t¬ kh«ng gian ®iÖn ¸p stator biÓu diÔn trªn hÖ täa ®é rotor. Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi
5 ωm R : Tèc ®é gãc rotor. R ωpc :R PhÇn tr¨m tèc ®é tøc thêi so víi tèc ®é danh ®Þnh. R ωr R : TÇn sè gãc ®iÖn rotor. R ωs R : TÇn sè gãc ®iÖn stator. R ρr R R: Gãc pha cña vÐc t¬ kh«ng gian tõ th«ng mãc vßng rotor so víi trôc thùc (n»m ngang) cña hÖ täa ®é g¾n víi stator. ρs R R: Gãc pha cña vÐc t¬ kh«ng gian tõ th«ng mãc vßng stator so víi trôc thùc (n»m ngang) cña hÖ täa ®é g¾n víi stator. θm R : Gãc gi÷a rotor so víi stator. R θr R R: Gãc ®iÖn rotor. θs R R: Gãc ®iÖn stator. ψri (t) : R Tõ th«ng mãc vßng trªn d©y quÊn rotor. R ψr : VÐc t¬ kh«ng gian tõ th«ng mãc vßng rotor biÓu diÔn trªn hÖ täa ®é rotor. ψ 'r : VÐc t¬ kh«ng gian mãc vßng tõ th«ng rotor biÓu diÔn trªn hÖ täa ®é stator. ψsi (t) : R Tõ th«ng mãc vßng trªn d©y quÊn stator. R ψs : VÐc t¬ kh«ng gian tõ th«ng mãc vßng stator biÓu diÔn trªn hÖ täa ®é stator. ψ's : VÐc t¬ kh«ng gian mãc vßng tõ th«ng stator biÓu diÔn trªn hÖ täa ®é rotor. α/β : C¸c trôc täa ®é cña hÖ täa ®é g¾n víi rotor. D/Q : C¸c trôc täa ®é cña hÖ täa ®é g¾n víi stator. g : HÖ täa ®é tæng qu¸t. x/y : C¸c trôc täa ®é cña hÖ täa ®é tæng qu¸t. m : Tõ hãa. r : Rotor. s : Stator. ra, rb, rc : C¸c pha rotor. sA, sB, sC : C¸c pha stator. §CK§B : §éng c¬ kh«ng ®ång bé xoay chiÒu ba pha. Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi
6 Lêi më ®Çu Do nh÷ng u ®iÓm cña hÖ truyÒn ®éng servo nh kh¶ n¨ng gia tèc t¨ng tèc, gi¶m tèc nhanh, tèc ®é lín, ®iÒu khiÓn chÝnh x¸c vÞ trÝ. C¸c hÖ truyÒn ®éng servo ®· ®îc sö dông rÊt nhiÒu trong thùc tÕ nh trong ngµnh s¶n xuÊt thiÕt bÞ ®iÖn tö; trong c¸c d©y chuyÒn l¾p r¸p, s¶n xuÊt c¸c s¶n phÈm cÇn tèi u vÒ thêi gian vµ chuyÓn ®éng chÝnh x¸c vÞ trÝ; trong c¸c robot, tay m¸y c«ng nghiÖp; trong c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö d©n dông, v.v… C¸c ®éng c¬ ®iÖn ®îc sö dông trong c¸c hÖ truyÒn ®éng ®ã thêng lµ c¸c ®éng c¬ servo c«ng suÊt nhá, bao gåm c¶ lo¹i ®éng c¬ servo mét chiÒu vµ lo¹i ®éng c¬ servo xoay chiÒu. Trong ®ã lo¹i ®éng c¬ servo mét chiÒu ®îc sö dông nhiÒu trong c¸c ngµnh c«ng nghiÖp do nh÷ng u ®iÓm vÒ c«ng suÊt vµ kh¶ n¨ng ®iÒu khiÓn. Cßn c¸c ®éng c¬ servo xoay chiÒu ®îc sö dông nhiÒu trong c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö d©n dông do c¸c u ®iÓm vÒ kÝch thíc, kh«ng g©y nhiÔu ®iÖn tö vµ kh¶ n¨ng tèc ®é cao. Tuy nhiªn do nh÷ng yªu cÇu trong s¶n xuÊt c«ng nghiÖp vµ ®êi sèng mµ c¸c hÖ truyÒn ®éng servo vÉn tiÕp tôc ®îc nghiªn cøu ®Ó n©ng cao h¬n n÷a chÊt lîng, kh¶ n¨ng øng dông víi c¸c ®éng c¬ servo cã c«ng suÊt lín h¬n vµ hÖ truyÒn ®éng ®¬n gi¶n h¬n. C¸c hÖ truyÒn ®éng xoay chiÒu ®· vµ ®ang hoµn thiÖn, cïng víi sù trî gióp vµ ph¸t triÓn cña c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö, vi xö lý m¹nh vµ nh÷ng u ®iÓm cña c¸c ®éng c¬ xoay chiÒu. Nªn híng nghiªn cøu x©y dùng hÖ truyÒn ®éng servo cho c¸c ®éng c¬ xoay chiÒu kh«ng ph¶i lµ c¸c ®éng c¬ servo truyÒn thèng còng ®îc quan t©m nh»m tháa m·n c¸c yªu cÇu trªn, trong ®ã cã ®éng c¬ kh«ng ®ång bé xoay chiÒu ba pha. ChÝnh v× lý do nµy mµ luËn v¨n tèt nghiÖp ®· chän ®Ò tµi cã tªn “Nghiªn cøu, thiÕt kÕ hÖ truyÒn ®éng servo dïng ®éng c¬ kh«ng ®ång bé” ®Ó nghiªn cøu. Néi dung cña luËn v¨n nh»m ®¹t ®îc vÊn ®Ò hÖ thèng l¹i vµ so s¸nh c¸c hÖ truyÒn ®éng ®iÒu khiÓn tÇn sè vµ vÐc t¬ ®éng c¬ kh«ng ®ång bé nh hÖ thèng truyÒn ®éng ®iÒu khiÓn theo luËt ®iÖn ¸p/tÇn sè, ®iÒu khiÓn tùa theo tõ th«ng rotor vµ ®iÒu khiÓn trùc tiÕp m« men. §Ò tµi tËp trung vµo hÖ truyÒn ®éng ®iÒu khiÓn trùc tiÕp m« men cho chÊt lîng servo; x©y dùng, m« pháng, so s¸nh vµ Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi
7 ®¸nh gi¸ mét sè ph¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn trùc tiÕp m« men víi nhau vµ víi c¸c hÖ truyÒn ®éng tiªn tiÕn kh¸c. §Ò tµi còng tËp trung vµo viÖc x©y dùng c¸c bé ®iÒu khiÓn servo cho hÖ truyÒn ®éng ®iÒu khiÓn vÞ trÝ, x©y dùng hÖ truyÒn ®éng vÞ trÝ cho ®éng c¬ kh«ng ®ång bé øng dông ph¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn trùc tiÕp m« men vµ gi¶i ph¸p øng dông bé ®iÒu khiÓn xö lý tÝn hiÖu sè. Do n¨ng lùc cña ngêi lµm ®Ò tµi vµ thêi gian cã h¹n nªn mong muèn cña ®Ò tµi lµ c¸c kÕt qña nghiªn cøu lý thuyÕt. C¸c kÕt qña ®ã, cïng víi nh÷ng ®Çu t vÒ thêi gian, ph¬ng tiÖn kü thuËt vµ c¸c hç trî kh¸c sÏ lµ c¬ së ®Ó ph¸t triÓn tiÕp ®Ò tµi; ®a ®Ò tµi vµo thö nghiÖm vµ øng dông trong thùc tÕ sau nµy. T¸c gi¶ luËn v¨n Vò V¨n Träng Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi
8 Ch¬ng 1 Tæng quan vÒ ®éng c¬ kh«ng ®ång bé trong kh«ng gian vÐc t¬ 1.1. M« t¶ ®éng c¬ kh«ng ®ång bé 1.1.1. LÞch sö ra ®êi cña ®éng c¬ kh«ng ®ång bé C¸c ®éng c¬ ®iÖn ®îc ph¸t minh vµo n¨m 1820 khi mµ Hans Christian Oersted ®· kh¸m kh¸ ra sù ¶nh hëng cña tõ trêng dßng ®iÖn. Mét n¨m sau ®ã, Michael Faraday ®· kh¸m ph¸ ra trêng ®iÖn tõ quay vµ ®éng c¬ mét chiÒu ®Çu tiªn ®· ra ®êi. Faraday tiÕp tôc kh¸m ph¸ ra c¶m øng ®iÖn tõ vµo n¨m 1831 nhng m·i tíi n¨m 1883 th× Tesla míi ph¸t minh ra ®éng c¬ kh«ng ®ång bé xoay chiÒu. Ngµy nay c¸c ®éng c¬ ®iÖn gåm hai lo¹i chÝnh ®éng c¬ mét chiÒu vµ ®éng c¬ xoay chiÒu, ®éng c¬ ®iÖn xoay chiÒu l¹i gåm ®éng c¬ ®ång bé vµ ®éng c¬ kh«ng ®ång bé. Cho ®Õn tËn ngµy nay tÊt c¶ chóng ®îc sinh ra ®Òu dùa trªn c¸c lý thuyÕt cña Oersted, Faraday vµ Tesla, mÆc dï c¸c lý thuyÕt nµy ®· ®îc kh¸m ph¸ vµ ph¸t minh tõ l©u. CÊu tróc cña c¸c ®éng c¬ kh«ng ®ång bé gåm hai phÇn chÝnh, phÇn stator ®øng yªn vµ phÇn rotor quay. §éng c¬ kh«ng ®ång bé cã thÓ ph©n ra thµnh lo¹i ®éng c¬ mét pha, lo¹i ®éng c¬ ba pha. HoÆc cã thÓ ph©n thµnh hai lo¹i c¬ b¶n kh¸c lµ lo¹i ®éng c¬ kh«ng ®ång bé rotor lång sãc vµ lo¹i ®éng c¬ kh«ng ®ång bé rotor d©y quÊn. 1.1.2. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña ®éng c¬ kh«ng ®ång bé xoay chiÒu ba pha Khi cÊp nguån ®iÖn xoay chiÒu ba pha cho c¸c cuén d©y stator, sÏ sinh ra c¸c dßng ®iÖn xoay chiÒu; c¸c dßng ®iÖn nµy sinh ra tõ trêng quay cã tõ th«ng stator quay b»ng tèc ®é gãc ®iÖn cña nguån cÊp. §ång thêi tõ trêng stator nµy lµm c¶m øng ra c¸c dßng ®iÖn vßng trong c¸c thanh dÉn rotor (®èi víi lo¹i rotor Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi
9 långs sãc) hoÆc c¸c cuén d©y rotor (®èi víi lo¹i rotor d©y quÊn). C¸c dßng ®iÖn rotor nµy ®Æt trong tõ trêng stator quay nªn sinh ra lùc ®iÖn tõ (lùc Lorentz), tæng c¸c lùc t¹o m« men lµm quay rotor, rotor quay cïng híng víi tõ trêng stator quay. Lóc ®Çu khi tõ trêng stator ®· ®îc sinh ra th× rotor t¨ng tèc nhanh ®Ó cè g¾ng b¾t kÞp tõ trêng quay ®ã, ®ång thêi tõ trêng quay quÐt qua rotor cµng gi¶m nªn søc ®iÖn ®éng c¶m øng phÝa rotor sÏ gi¶m dÇn vµ dßng ®iÖn rotor còng gi¶m theo. NÕu tèc ®é rotor b»ng tèc ®é tõ trêng quay th× lóc ®ã sÏ kh«ng cã lùc ®iÖn tõ ®îc sinh ra vµ rotor l¹i quay chËm l¹i. Do ®ã tèc ®é rotor kh«ng thÓ b»ng tèc ®é ®ång bé, tèc ®é ®ång bé phô thuéc vµo tÇn sè nguån ®iÖn cÊp vµ sè ®«i cùc cña ®éng c¬, sai kh¸c gi÷a hai tèc ®é ®ã gäi lµ tèc ®é trît. 1.1.3. øng dông, u ®iÓm vµ nhîc ®iÓm cña ®éng c¬ kh«ng ®ång bé xoay chiÒu ba pha C¸c ®éng c¬ kh«ng ®ång bé hay ®éng c¬ c¶m øng lµ rÎ tiÒn, dÔ dµng s¶n xuÊt, dÔ b¶o dìng, kh«ng cÇn vµnh chuyÓn m¹ch ®iÖn vµ chæi than, lµ lo¹i ®éng c¬ ®îc sö dông réng r·i nhÊt. Chóng cã m« men qu¸n tÝnh vµ träng lîng nhá, hiÖu suÊt cao, kh¶ n¨ng qóa t¶i lín vµ v÷ng ch¾c. Ngoµi ra c¸c ®éng c¬ kh«ng ®ång bé cã thÓ lµm viÖc trong c¸c m«i trêng dÔ ch¸y næ v× chóng kh«ng cã kh¶ n¨ng ®¸nh löa. Do c¸c u ®iÓm nµy mµ c¸c ®éng c¬ kh«ng ®ång bé ®· ®îc u tiªn quan t©m t×m hiÓu nh lµ bé biÕn ®æi n¨ng lîng ®iÖn c¬. C¸c ®éng c¬ kh«ng ®ång bé còng cã nhiÒu nhîc ®iÓm, nh tèc ®é cña chóng phô thuéc vµo tÇn sè vµ biªn ®é ®iÖn ¸p cña nguån cÊp mµ trong thùc tÕ nhiÒu lóc n¨ng lîng c¬ l¹i yªu cÇu víi c¸c tèc ®é cã thÓ thay ®æi ®îc. Chóng cã thÓ ch¹y ë tèc ®é gÇn h»ng sè ®èi víi t¶i tõ kh«ng t¶i tíi ®Çy t¶i. §iÒu nµy kh«ng gièng nh c¸c ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu, c¸c ®éng c¬ kh«ng ®ång bé gÆp khã kh¨n ®Ó ®iÒu khiÓn t¸ch b¹ch c¸c thµnh phÇn dßng ®iÖn sinh m« men vµ tõ th«ng. §Ó n©ng cao hiÖu qña sö dông th× hÖ truyÒn ®éng ®éng c¬ kh«ng ®ång bé thay ®æi tèc ®é cã kh¶ n¨ng cÊp cho ®éng c¬ ®iÖn ¸p ba pha cã tÇn sè vµ biªn ®é cã thÓ thay ®æi ®îc, nªn bé ®iÒu khiÓn phøc t¹p h¬n so víi lo¹i mét chiÒu. Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi
10 1.2. M« h×nh to¸n häc ®éng c¬ kh«ng ®ång bé xoay chiÒu ba pha C¸c gi¶ thiÕt khi x©y dùng m« h×nh to¸n häc cña ®éng c¬ kh«ng ®ång bé: - §éng c¬ kh«ng ®ång bé lµ lo¹i m¸y ®iÖn hai cùc ®èi xøng vµ cã ba cuén d©y cho ba pha. - C¸c tæn hao do khe hë kh«ng khÝ ®îc bá qua. - §é tõ thÈm cña lâi s¾t lµ v« h¹n. - MËt ®é tõ th«ng ®îc ph©n bè, táa ra trong khe hë kh«ng khÝ. - C¸c tæn hao s¾t tõ ®îc bá qua. - Mçi cuén d©y stator vµ rotor ®îc coi nh lµ mét cuén d©y ®¬n bíc ®ñ nhiÒu vßng d©y. sA’ sC sB ra’ rb rc rb ra sB’ sC’ sA H×nh 1.1 - MÆt c¾t ngang cña m¸y ®iÖn ba pha ®èi xøng 1.2.1. C¸c biÓu thøc ®iÖn ¸p dψ sA ( t ) - §iÖn ¸p pha stator: sA = S sA + (1.1a) u R i (t) dt u sB = R S isB ( t ) + dψ ( t ) sB (1.1b) dt dψ sC ( t ) u sC = R S isC ( t ) + (1.1c) dt dψ ra ( t ) - §iÖn ¸p pha rotor: u ra = R r i ra ( t ) + (1.2a) dt Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi
11 dψ rb ( t ) u rb = R r i rb ( t ) + (1.2b) dt dψrc ( t ) u rc = R r i rc ( t ) + (1.2c) dt - C¸c gi¸ trÞ tõ th«ng mãc vßng cña tõng pha stator: ψ sA = L si sA + M si sB + M s i sC + M sr cos θ mi ra + M sr cos(θ m + 2π / 3)i rb + M sr cos(θm + 4π / 3)i rc ψ sB = M si sA + L sisB + Ms i sC + Msr cos(θm + 4π / 3)ira + Msr cos θ mi rb + M sr cos(θm + 2π / 3)i rc ψ sC = M si sA + M si sC + Ls i sC + M sr cos(θm + 2π / 3)i ra + M sr cos(θ m + 4π / 4)i rb + M sr cos θm i rc (1.3 a, b,c) - C¸c gi¸ trÞ tõ th«ng mãc vßng cña tõng pha rotor: ψ ra = M sr cos(−θ m )i sA + M sr cos(−θ m + 2π / 3)i sB + M sr cos( −θ m + 4π / 3)i sC + L ri ra + M r i rb + M r i rc ψrb = M sr cos( −θm + 4π / 3)i sA + M sr cos(−θm )isB + M sr cos(−θ m + 2π / 3) i sC + M r i ra + Lr irb + Mr i rc ψrc = Msr cos( −θm + 2π / 3)isA + Msr cos(−θm + 4π / 3)i sB + Msr cos(−θm )isC + M r ira + M r irb + Lr irc (1.4a,b,c) - BiÓu diÔn díi d¹ng ma trËn ta cã: R s + p L s pM s pM s p M sr cos θm p Msr cos θm1 p M sr cos θ m 2  i   usA    sA   p M s R s + pLs pM s p M sr cos θm 2 p Msr cos θ m p M sr cos θ m1  i sB   usB      usC  p M s pM s R s + p Ls p M sr cos θm1 p Msr cos θm 2 pMsr cos θ m  i sC   = .   u ra  p M sr cos θ p M sr cos θm1 p M sr cos θm 2 R r + pLr pM r pM r  i ra   m   u  p M sr cos θ m 2  i rb  rb  p M sr cos θ m p M sr cos θm1 pM r R r + pLr pM r   i   u rc  p M sr cos θ m1 p M sr cos θ m 2 p M sr cos θm pM r pM r R r + pL r   rc  (1.5) 1.2.2. PhÐp chuyÓn ®æi tuyÕn tÝnh Park s sB rβ ra ωm rα m sA sD sC rc H×nh 1.2 - S¬ ®å phÐp chuyÓn ®æi t¬ng ®¬ng vÒ mÆt vËt lý Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi
12 u s 0  1 / 2 1 / 2 1/ 2  u sA       u sD  = c.cos θ cos(θ − 2π / 3) cos(θ + 2π / 3) .u sB  (1.6) u sQ  − sin θ − sin(θ − 2π / 3) − sin(θ + 2π / 3)  u       sC  u sA  1 / 2 cos θ − sin θ  u  s0 u  c. 1 / 2 cos( 2 / 3) sin( 2 / 3).u    sB  =  θ − π − θ − π   sD  (1.7) u sC   cos(θ + 2π / 3) − sin( θ + 2 π / 3) u  1 / 2   sQ  Trong ®ã c lµ h»ng sè, c=2/3 hoÆc c=1 cho trêng hîp kh«ng cã sù c©n b»ng c«ng suÊt; c= 2 / 3 cho trêng hîp ®¶m b¶o c©n b»ng c«ng suÊt. Cã thÓ biÓu diÔn c¸c gi¸ trÞ ®iÖn ¸p trªn hÖ täa ®é (D, Q) vµ hÖ täa ®é (α, β) nh sau:  usD  R s + pL s − Ls pθ s pL m − L m (P.ωm + p θr )   isD  u    i   sQ  = L s pθs R s + pLs Lm ( P.ωm + p θr ) pL m . sQ  (1.8)  u r α  pL m − L m (pθs − P.ωm ) R r + pLr − L r pθ r   is α        u r β  L m (pθs − P.ωm ) pLm L R p θr R r + pL r   isβ  3 Trong ®ã: L s = L s - M s ; L r = L r − M r ; L m = M sr 2 1.2.3. C¸c ph¬ng tr×nh ma trËn ®iÖn ¸p 1.2.3.1. HÖ täa ®é g¾n vµo stator Khi ®ã ωs = 0 vµ ωr = - ω m . R R R R R R  usD   Rs + pLs 0 pL m 0  i sD  u    i   sQ  =  0 R s + pLs 0 pLm . sQ  (1.9)  u rd   pL m P.ω m L m R r + pL r P. mL r  i sd  ω       u rq   − P.ωm L m pL m − P.ωmL r R r + pL r  i sq  1.2.3.2. HÖ täa ®é g¾n vµo rotor: ω r = 0 vµ ω s = ω m . R R R R R R  usD   R s + pLs − L s Pω m pL m − Lm Pωm  i sD  u    i   sQ  = L sP ωm R s + pLs L m P ωm pL m . sQ  (1.10)  u rd   pL m 0 R r + pL r 0  i sd        u rq   0 pL m 0 R r + pLr  i sq  Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi
13 1.2.3.3. HÖ täa ®é g¾n vµo tõ trêng ®ång bé: ω r = s.ωs R R R  usD   Rs + pLs − L s ωs pL m − Lm ωs  i sD  u    i   sQ  =  L s ωs R s + pL s L mω s pL m  . sQ  (1.11)  u rd   pL m − Ls sωs R r + pL r − L r sωs  i sd        u rq   L s sωs pL m L r sω s R r + pLr  i sq  1.3. Kh«ng gian vÐc t¬ vµ m« h×nh to¸n häc cña ®éng c¬ kh«ng ®ång bé trong kh«ng gian vÐc t¬ Kh«ng gian vÐc t¬ cho phÐp chuyÓn ®æi c¸c gi¸ trÞ tù nhiªn cña hÖ thèng ba pha trªn mÆt ph¼ng phøc ®Æt song song víi mÆt c¾t ngang cña ®éng c¬. Trong mÆt ph¼ng phøc nµy, tèc gãc quay cña vÐc t¬ kh«ng gian b»ng tÇn sè gãc cña hÖ thèng nguån ba pha. sB ωs s rb ra ωm ωr r sA sC rc H×nh 1.3 - MÆt c¾t ®éng c¬ chØ cßn hai cuén d©y quay cña m¹ch stator vµ rotor t¬ng ®¬ng §Ó chuyÓn m« h×nh ®éng c¬ kh«ng ®ång bé tõ hÖ täa ®é tù nhiªn ra d¹ng vÐc t¬ trong kh«ng gian ngêi ta dïng to¸n tö: j2 π j4 π a =e 3 ;a2 = e 3 ; VÝ dô vÐc t¬ kh«ng gian dßng ®iÖn stator: [ is = c. 1.i sA (t ) + a.isB (t ) + a2 .isC ( t ) ] (1.12) Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi
14 Trong ®ã: + c=2/3 ®îc sö dông trong trêng hîp biªn ®é vÐc t¬ kh«ng gian c©n b»ng víi c¸c biªn ®é cña c¸c pha cña hÖ thèng ba pha. + c= 2 / 3 ®îc sö dông trong trêng hîp c©n b»ng c«ng suÊt gi÷a mét hÖ thèng ba pha so víi mét hÖ thèng hai pha t¬ng ®¬ng. 1.3.1. VÐc t¬ kh«ng gian dßng ®iÖn - C¸c trôc D vµ Q thuéc hÖ täa ®é tÜnh g¾n vµo stator; D lµ trôc thùc vµ Q lµ trôc ¶o. - C¸c trôc α vµ β thuéc hÖ täa ®é quay g¾n vµo rotor; α lµ trôc thùc vµ β lµ trôc ¶o. sQ θ ωm sA’ α rα sC sB θm ra’ rc rc’ sD rb ra sB’ sC’ sA H×nh 1.4 - MÆt c¾t ngang cña ®éng c¬ K§B, víi c¸c hÖ trôc täa ®é g¾n trªn stator vµ rotor - VÐc t¬ dßng ®iÖn stator khi c=2/3: 2 [ ] is = . 1.isA ( t ) + a.isB ( t ) + a 2 .isC ( t ) = is .ejθ 3 (1.13) Trªn hÖ täa ®é D - Q: i s = i sD ( t ) + j.i sQ ( t ) (1.14 a) Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi
15 2  Re(i s ) = Re (i sA + aisB + a 2i sC ) = i sD  3  (1.14 b,c)  2  Im(i s ) = Im (i sA + aisB + a 2isC ) = isQ 3  2  Re(is ) = Re ( isA + aisB + a2 isC ) = isA  3   2  Re(a 2 is ) = Re (a 2i sA + isB + aisC )  = i sB (1.15 a,b,c) 3  2  Re(ai s ) = Re ( aisA + a 2 i sB + i sC)  = i sC 3  - VÐc t¬ dßng ®iÖn rotor khi c=2/3: 2 [ ] i r = . i ra ( t ) + a.i rb (t ) + a 2.i rc ( t ) = i r .e jα 3 (1.16) Trªn hÖ täa ®é D - Q: i 'r = i r .e j( α+θm ) (1.17) Trªn hÖ täa ®é α-β: ir = irα ( t ) + j.irβ ( t ) (1.18 a) 2  Re(i r ) = Re (ira + airb + a 2 i rc ) = i rα 3  (1.18 b,c) 2  Im(i r ) = Im (i ra + ai rb + a 2i rc )  = i rβ  3  2  Re(ir ) = Re (ira + airb + a 2 i rc ) = i ra 3  2  Re(a 2 ir ) = Re (a 2i ra + i rb + ai rc )  = i rb (1.19 a,b,c)  3  2  Re(a i r ) Re (ai ra a 2i i ) = i =  3 + rb + rc  rc - VÐc t¬ dßng ®iÖn tõ hãa trªn hÖ täa ®é D - Q: N i m = i s +  re .i ' (1.20)  N se  r Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi
16 1.3.2. VÐc t¬ kh«ng gian tõ th«ng mãc vßng 1.3.2.1. VÐc t¬ kh«ng gian tõ th«ng mãc vßng stator 2 ψs = 3 ( ψsA + aψ sB + a 2 ψsC ) (1.21) i sA (L s + a .M s + a 2 .Ms ) + isB ( Ms + a.Ls + a 2 .Ms ) + isC ( Ms + a.Ms + a 2 .Ls ) +   2 ( + i ra M sr cos θm + a Msr cos(θm + 4 π ) + a 2 M sr cos(θ m + 2π ) + 3 3 )  ψs =  (1.22)  ( 3 + i rb M sr cos(θ m + 2π ) + a M sr cos θm + a 2 M sr cos(θ m + 4π ) + 3 3 )    rc sr ( + i M cos( θ + 4π ) + a M cos(θ + 2π ) + a 2 M cos θ m 3 sr m 3 sr m )   BiÕn ®æi ta cã: isA (Ls + a.M s + a 2 .M s ) + a.i sB (a 2.M s + L s + a.M s ) + a 2 .i sC (a.M s + a 2 .M s + L s ) +   2 ( + i ra M sr cos θ m + a Msr cos(θm + 4 π ) + a 2 M sr cos(θ m + 2π ) + 3 3 )  ψs =    ( 3 + a.i rb a 2 .M sr cos(θ m + 2π ) + M sr cos θ m + a.M sr cos( θ m + 4 π ) + 3 3 )    rc sr( + a 2 .i a.M cos(θ + 4π ) + a 2 .M cos( θ + 2π ) + M cos θ m 3 sr m 3 sr m )   (1.23) BiÕn ®æi tiÕp cã: ( ψ s = (L s + a.M s + a 2.M s ).i s + M sr cos θ m + a .M sr cos(θ m + 4π ) + a 2 .M sr cos(θ m + 2 π ) .i r 3 3 ) = ( Ls − M s ).is + 1.5 cos θm M sr .i r = (L s − M s ).is + 1.5M sr i r e jθm = ( Ls − M s ).i s + 1.5M sr .i 'r = Ls .is + Lm i'r (1.24) Ls lµ ®iÖn c¶m tæng ba pha stator. R R Lm lµ ®iÖn c¶m tõ hãa tæng ba pha. R R ' lµ dßng ®iÖn rotor trªn hÖ trôc täa ®é cè ®Þnh D - Q. 1.3.2.2. VÐc t¬ kh«ng gian tõ th«ng mãc vßng rotor biÓu diÔn trªn hÖ täa ®é D-Q ψ s = ψ sD + j.ψ sQ ψ sD = L si sD + L mi rD (1.25 a,b,c) Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi
17 ψ sQ = L si sQ + L mi rQ Trong ®ã dßng ®iÖn rotor ®îc biÓu diÔn trªn hÖ täa ®é D - Q: i 'r = i rD + j.i rQ = i r .ejθ m (1.26) 1.3.2.3. VÐc t¬ kh«ng gian tõ th«ng mãc vßng rotor 2 ψr = 3 ( ψ ra + aψrb + a 2 ψ rc ) (1.27) ira ( L r + a.M r + a 2 .M r ) + irb ( Mr + a.Lr + a 2 .M r ) + irc (Mr + a.M r + a 2 .Lr ) +    2 ( + i sA Msr cos θm + a Msr cos(θm + 2 π ) + a 2 Msr cos(θ m + 4 π ) + 3 3 )  ψr =   (1.28)  ( 3 + i sB Msr cos( θm + 4 π ) + a M sr cos θm + a 2 M sr cos( θm + 2π ) + 3 3 )    sC sr ( + i M cos(θ + 2 π ) + a M cos(θ + 4π ) + a 2 M cos θ m 3 sr m 3 sr m )   ira ( L r + a.M r + a 2 .M r ) + a.i rb (a 2 .M r + Lr + a.M r ) + a 2 .i rc (a.M r + a 2 .Mr + Lr ) +    2 ( + i sA M sr cos θ m + a M sr cos(θ m + 2 π ) + a 2 M sr cos(θ m + 4 π ) + 3 3 )  ψr =   ( 3 + a.i sB a 2.M sr cos(θ m + 4π ) + M sr cosθ m + a.M sr cos(θ m + 2π ) + 3 3 )    sC ( + a 2.i a.M cos(θ + 2π ) + a 2 .M cos(θ + 4π ) + M cos θ sr m 3 sr m 3 sr m )   (1.29) ( ψ r = ( L r + a.M r + a 2.M r ).i r + M sr cos θ m + a.M sr cos(θ m + 2π ) + a 2 .M sr cos(θ m + 4 π ) .i s 3 3 ) = (L r − M r ).i r + 1.5 cos θ m M sr .is = ( Lr − M r ).ir + 1.5M sr is e− jθm = (L r − M r ).i r + 1.5M sr .i 's = L r .i r + L m i 's (1.30) Lr lµ ®iÖn c¶m tæng ba pha rotor. R R Lm lµ ®iÖn c¶m tõ hãa tæng ba pha. R R i 's lµ dßng ®iÖn stator trªn hÖ trôc täa ®é α-β . - BiÓu diÔn trªn hÖ täa ®é α-β: ψ r = ψ rα + j.ψ rβ (1.31) ψ r α = Lr ir α + Lm is α (1.32 a,b) ψ r β = L r i r β + L m is β Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi