1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
THUYẾT MINH
ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH
THÍCH NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN
SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB
Chủ nhiệm đề tài: TS. PHẠM TÂM THÀNH
Hải Phòng, tháng 5/2016
2
MỤC LỤC Trang
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 3
1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu ............................................................................. 3
2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu ................................................................................ 3
3. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 3
4. Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của công trình nghiên cứu ..................................... 3
5. Kết quả đạt được của đề tài ............................................................................................. 3
Chương 1. Khảo sát mô hình động học của động cơ đồng bộ ............................................. 4
1.1. Khái quát về động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) .............................. 4
1.2. Mô hình động học của PMSM ...................................................................................... 4
1.2.1. Nguồn tương đương ................................................................................................ 4
1.2.2. Momen điện từ ........................................................................................................ 5
1.2.3. Từ thông móc vòng ................................................................................................. 5
1.2.4. Mạch tương đương ................................................................................................. 6
1.2.5. Mô phỏng động học ................................................................................................ 8
1.2.6. Phương trình tín hiệu nhỏ của PMSM ............................................................... 10
1.2.7. Đánh giá đặc tính điều khiển của PMSM ........................................................... 12
Chương 2. Cấu trúc và chiến lược điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu ...... 13
2.1. Cấu trúc hệ truyền động điều khiển động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh
cửu ........................................................................................................................................ 13
2.1.1. Hệ truyền động điều khiển mô-men .................................................................... 13
2.1.2. Mô phỏng và kết quả của hệ truyền động điều khiển mômen .......................... 16
2.1.3. Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ ....................................................................... 17
2.1.4. Mô phỏng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ ...................................................... 20
2.2. Một số chiến lược điều khiển ...................................................................................... 21
2.2.1. Điều khiển giữ góc mômen bằng hằng số
0
90
.............................................. 21
2.2.2. Điều khiển hệ số công suất ................................................................................... 23
2.2.3. Điều khiển từ thông là hằng................................................................................. 24
2.2.4. Điều khiển góc giữa từ thông tổng và dòng phức ............................................. 25
2.2.5. Điều khiển tối ưu mômen/dòng điện ................................................................... 27
2.2.6. Điều khiển hệ số tổn hao công suất là hằng ........................................................ 27
2.2.7. Điều khiển hiệu suất tối đa .................................................................................. 31
Chương 3. Mô phỏng cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ sử dụng phần mềm Matlab 32
3.1. Cấu trúc hệ truyền động động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu ........... 32
3.2. Cấu trúc mô phỏng ...................................................................................................... 32
3.2.1. Thông số động cơ .................................................................................................. 32
3.2.2. Mô hình Simulink của động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu ........ 33
3.2.3. Mô phỏng cấu trúc điều khiển ............................................................................. 34
KẾT LUẬN ............................................................................................................................. 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 41
PHỤ LỤC ................................................................................................................................ 42
3
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu
Để có thể phục vụ tốt hơn trong công tác giảng dạy, nghiên cứu về máy điện,
truyền động điện, tổng hợp hệ điện cơ… cần tiến hành khảo sát, mô phỏng động học
của máy điện, mô phỏng các cấu trúc điều khiển máy điện nói chung hay động cơ
đồng bộ kích thích nam châm…giúp sinh viên, học viên có thể tiếp cận dễ dàng khi
học tập các học phần đó
2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
Ở Việt Nam cũng như ở nước ngoài đề tài nghiên cứu về máy điện nói chung và
động cơ điện đồng bộ xoay chiều ba pha nói riêng đã được nhiều nhà khoa học quan
tâm. Máy điện rất đa dạng, lý thuyết về máy điện rất phức tạp, việc phân tích các quá
trình quá độ, trạng thái làm việc của máy điện là điều không dễ dàng thực hiện được.
Cấu trúc điều khiển máy điện xoay chiều ba pha và cấu trúc điều khiển động cơ
đồng bộ xoay chiều ba pha được các nhà khoa học trong nước và quốc tế đặc biệt quan
tâm.
3. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
a. Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng tài liệu nghiên cứu động cơ điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh
cửu sử dụng công cụ Matlab và Simulink, phục vụ học tập trực quan cho sinh viên
chuyên ngành. Đó cũng là mục đích nghiên cứu của đề tài. Đề tài có sản phẩm đó là
tập hợp tài liệu và các chương trình viết trên Matlab phục vụ nghiên cứu đối tượng
động cơ điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu và cấu trúc điều khiển.
b. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, nghiên cứu về mô hình toán
của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, các cấu trúc điều khiển và khảo sát mô
phỏng sử dụng phần mềm Matlab
4. Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của công trình nghiên cứu
Trong quá trình nghiên cứu tác giả kết hợp các phương pháp: Lý thuyết và mô phỏng
máy tính.
Kết cấu của công trình nghiên cứu gồm 3 chương và phụ lục
- Chương 1: Khảo sát mô hình động học động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
- Chương 2: Cấu trúc và chiến lược điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu
- Chương 3: Mô phỏng cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ sử dụng phần mềm
Matlab
5. Kết quả đạt được của đề tài
Đề tài là tài liệu nghiên cứu về đối tượng động cơ điện đồng bộ kích thích nam
châm vĩnh cửu gồm: mô hình toán và các cấu trúc điều khiển, mô hình động cơ và cấu
trúc điều khiển được mô phỏng kiểm chứng bởi phần mềm Matlab&Simulink.
Kết quả nghiên cứu sẽ làm phong phú thêm nội dung bài giảng các môn học
chuyên ngành: Kỹ thuật điện, máy điện… và phục vụ công tác đào tạo nhân lực của
Nhà trường.. Như vậy đề tài “Nghiên cứu khảo sát động cơ đồng bộ kích thích nam
châm vĩnh cửu và cấu trúc điều khiển sử dụng phần mềm Matlab” được đưa ra vừa có
ý nghĩa khoa học, vừa có giá trị thực tiễn và đào tạo.
4
Chương 1. Khảo sát mô hình động học của động cơ đồng bộ
1.1. Khái quát về động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC)
Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có cấu tạo gồm các cuộn dây 3 pha phân bố
đối xứng và rotor gắn nam châm vĩnh cửu để tạo từ trường khe hở. Việc loại bỏ được
mạch điện kích từ ở phía rotor đem lại một số ưu điểm cho động cơ ĐB-KTVC như
giảm tổn hao đồng, mật độ công suất cao hơn, giảm mô-men quán tính của động cơ,
cấu tạo rotor bền vững về mặt cơ khí hơn..Hiện nay, giá thành của loại động cơ ĐB-
KTVC vẫn cao hơn so với loại động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc (KĐB-RLS) ở
cùng dải công suất, nhưng động cơ ĐB-KTVC thường có hiệu suất cao hơn, nên trong
thời gian lâu dài thì giá thành sử dụng của động cơ ĐB-KTVC vẫn nhỏ hơn so với
động cơ KĐB-RLS. Động cơ ĐB-KTVC đang được sử dụng rất rộng rãi và ngày càng
nhiều hơn trong công nghiệp, đặc biệt ở dải công suất thấp và trung bình (công suất tới
vài trăm hp-horse power)
1.2. Mô hình động học của PMSM
1.2.1. Nguồn tương đương
Các đầu vào công suất cho máy ba pha có được bằng năng lượng đầu vào cho các
máy hai pha có ý nghĩa giải thích trong phép đo, phân tích và mô phỏng. Công suất
đầu vào tức thời của 3 pha là:
t
i abc abc as as bs bs cs cs
p v i v i v i v i
(1.1)
pi : công suất đầu vào tức thời
t
abc
v
: vector điện áp pha abc tức thời
,,
as bs cs
v v v
: điện áp đầu vào pha a, b, c
iabc : vector điện áp pha abc
,,
as bs cs
i i i
: dòng điện stator tức thời 3 pha
Các dòng pha abc và điện áp được chuyển thành tương đương:
1
0
r
abc abc qd
i T i
(1.2)
1
0
r
abc abc qd
v T v
(1.3)
Từ (1.1), (1.2), (1.3) ta có công suất đầu vào:
(1.4)
Khai triển phía bên phải của phương trình (1.4), công suất đầu vào trong các
biến dq0 là:
00
32
2
r r r r
i qs qs ds ds
p v i v i v i


(1.5)
Đối với máy 3 pha không có thứ tự dòng điện, công suất đầu vào có thể được
thu gọn:
00
32
2
r r r r
i qs qs ds ds
p v i v i v i


(1.6)
5
1.2.2. Momen điện từ
Mô-men điện từ là các biến đầu ra quan trọng nhất để xác định các động lực cơ
khí của máy chẳng hạn như vị trí rotor và tốc độ. Nó có nguồn gốc từ phương trình ma
trận máy bằng cách nhìn vào công suất đầu vào và các thành phần khác của nó như tổn
thất điện trở, công suất cơ học, và mức độ thay đổi của năng lượng từ trường tích lũy
trong cuộn dây stator. Mức độ thay đổi của năng lượng từ trường được lưu trữ chỉ có
thể bằng không trong trạng thái ổn định. Do đó, trong một trạng thái ổn định có tổn
thất điện trở và công suất đầu ra chênh lệch với công suất đầu vào. Mức độ thay đổi
của năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây stator không cần phải bằng không.
Và nguồn gốc của các momen xoắn điện từ được thực hiện như sau.
Các phương trình động học của PMSM có thể được viết như sau:
[ ] [ ] [ ]
r
V R i L pi G iw= + +
(1.7)
Công suất đầu vào tức thời là:
[ ] [ ] [ ]
t t t t
ir
p i V i R i i L pi i G iw= = + +
(1.8)
Với:
[R] : ma trận các thành phần điện trở
[L] : ma trận các hệ số của hàm điều hành p
[G] : ma trận các hệ số của tốc độ rotor (ωr)
it[R]i : điện trở tổn thất ở rotor và stator
it[L]pi : biểu thị mức độ thay đổi trường lưu trữ
it[G]ωri : các thành phần còn lại bao gồm cả khe hở không khí
Mối liên hệ giữa khe hở không khí và momen xoắn:
[ ] [ ]
.2
tt
m e a r m
P
T P i G i i G iw w w= = =
(1.9)
Trong đó P là số cực. Bỏ qua tốc độ trên cả hai vế phương trình ta có momen
điện từ:
[ ]
2
t
e
P
T i G i=
(1.10)
Thay thế [G] trong phương trình (1.10) ta có momen xoắn điện từ thu được
dưới dạng:
( )
3( . )
22
rr
e af d q ds qs
P
T L L i i N ml
éù
= + -
êú
ëû
(1.11)
1.2.3. Từ thông móc vòng
Các phương trình động lực của PMSM trong hệ tọa độ rotor có thể được thể hiện
bằng cách sử dụng các mối liên kết thông như các biến. Ngay cả khi điện áp và dòng là
không liên tục thì các từ thông móc vòng vẫn liên tục. Điều này tạo thuận lợi phân biệt
các biến số có sự ổn định. Các từ thông móc vòng stator và rotor trong hệ tọa độ rotor
được định nghĩa là:
rr
qs s qs
Lil=
(1.12)