i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
---------------------------------------
NGUYỄN THỊ XUÂN THU
ĐỀ TÀI: ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG TRONG ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA TỪ THÔNG RÔT ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thái Nguyên - Năm 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là : Nguyễn Thị Xuân Thu
Sinh ngày: 15 tháng 10 năm 1975
Học viên lớp cao học khóa 14 – Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ Thuật
Công
Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan bản luận văn: Ứơc lƣợng từ thông trong điều khiển
vector từ tựa thông roto động cơ không đồng bộ do tôi tự nghiên cứu hoàn thành
dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS.Nguyễn Văn Liễn. Các số liệu và kết
quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành luận văn này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong
danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào
khác. Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Tác giả luận văn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Nguyễn Thị Xuân Thu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
iii
iv
LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo ở khoa Sau Đại học – Trường Đại học
KTCN Thái Nguyên,Cùng các giáo sư, phó giáo sư, tiến sĩ đã quan tâm tổ chức chỉ
đạo và trực tiếp giảng dạy khóa cao học của chúng tôi. Đặc biệt em xin gửi lời cảm
ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn. Thầy đã gợi mở
hướng nghiên cứu và đã tận tình hướng dẫn với những ý kiến cụ thể , tạo điều kiện
giúp em từng bước hoàn thiện, nâng cao khả năng nghiên cứu trong quá trình thực
hiện luận văn này.
Em cũng xin trân trọng cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp – những
người đã luôn ủng hộ và động viên em nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tuy nhiên do bản thân mới bắt đầu trên con đường nghiên cứu đầy thách thức, chắc
chắn bản luận văn còn nhiều thiếu sót. Rất mong được sự góp ý của các thầy cô giáo
và đồng nghiệp.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Học viên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Nguyễn Thị Xuân Thu
v
MỤC LỤC Trang
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các các chữ viết tắt vi
Danh mục các hình vẽ và bảng biểu vii
Lời nói đầu 1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉC TƠ 3
1.1. Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ 3
1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ 3
1.1.2 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ 3
1.1.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 4
1.1.4 Ứng dụng và ưu, nhược điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba
pha 5
1.2. Mô hình ba pha của động cơ không đồng bộ 6
1. 3. Đại lƣợng véc tơ không gian 12
1.4. Mô hình động cơ không đồng bộ trong các hệ tọa độ trực giao 16
1.4.1. Mô hình trong hệ tọa độ gắ n với stato (0)
16
1.4.2. Mô hình trong hệ tọa độ quay đồng bộ (dq0 )
21
1.4. 3. Mô hình trong hệ tọa độ gắn với roto (D, Q, O) 25
CHƢƠNG 2: NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ TỰA TỪ THÔNG ROTO
29
2.1. Nguyên lý điều khiển 29
2.2. Tổng quan về biến tần 33
2.2.1. Biến tần sử dụng trong công nghiệp 33
2.2.2. Các loại biến tần 35
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
vi
2.3. Các phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu 37
2.3.1. Phương pháp PWM thông thường 38
2.3.2. Phương pháp điều chế vector không gian SPWM 41
Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 50
3.1. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện và 50
3.1.1. Mô hình gần đúng của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ d,q tựa từ
thông roto. 50
3.1.2. Tổng hợp hai bộ điều khiển dòng điện riêng rẽ có bù tách kênh 52
3.2. Thiết kế bộ điều khiển từ thông roto 55
3.3. Ƣớc lƣợng từ thông rô to 57
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM 60
4.1. Tính toán các thông số động cơ 60
4.1.1.Tính từ mô hình thay thế máy điện 61
4.1.2.Tính 62
4.2.Mô phỏng hệ thống điều khiển trên Matlab – Simulink 63
4.2.1.Mô hình mô phỏng 63
4.2.2.Kết quả mô phỏng khi thay đổi mô men động cơ 66
4.2.3.Kết quả mô phỏng khi thay đổi lượng đặt từ thông 68
4.3.Đánh giá kết quả thực nghiệm 71
4.3.1. Cấu hình thực nghiêm về điều khiển véc tơ tựa từ thông rô to động cơ
không đồng bộ 71
4.3.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm 74
4.3.3. Các kết quả thực nghiệm 75
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
4.3.4. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm 76
vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT Ký hiệu Diễn giảng nội dung
1 IM Induction Motor Động cơ không đồng bộ
2 FOC Field Orientated Control Điều khiển tựa từ thông roto
3 FOC-IM FieldOrientated Control Induction Điều khiển tựa từ thông roto cho
Motor động cơ không đồng bộ
4 PWM Pulse Width Modulation Điều chế động rộng xung
5 SVPWM SpaceVectorPulseWidth Điều biến vector không gian
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Modulation
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
viii
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
A, Hình vẽ
Số hiệu Nội dung Trang
Hình 1.1. Sơ đồ dây quấn tập trung của KĐB 7
Hình 1.2. Sơ đồ 3 pha quy đổi về stato của KĐB 9
Hình 1.3. Mô hình giải thích cách tính sức điện động roto 11
Hình 1.4. (a) Mô hình của điều khiển trong hệ tọa độ cực;
(b) các đại lượng véctơ 12
Hình 1.5. Phân bổ mật độ dòng điện khi chỉ có pha a có dòng điện 13
Hình 1.6. Sức từ động toàn phần của stato 14
Hình 1.7. Phân bố mật độ từ thông tổng từ các dòng stato ở hình 1.6
15
Hình 1.8. Biểu diễn vector trên hệ trục αβ
17
Hình 1.9. Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ trong hệ trục (0) 18
Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc của động cơ trong hệ tọa độ (0) 19
Hình 1.11. Mô hình trạng thái của điều khiển trọng hệ tọa độ (0 )
21 Hình 1.12. Biểu diễn véc tơ không gian trong hệ trục d, q
22
Hình 1.13. Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ trục tọa độ dq 24
Hình 1.14. Biểu diễn vector không gian trong hệ trục gắn với roto (DQ ) 25
Hình 1.15. Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ tọa độ gắn với roto 26
Hình 1.16. Sơ đồ cấu trúc của điều khiển trong hệ tọa độ gắn với roto 27
Hình 2-1 Đồ thị véc tơ cho trường hợp tựa hệ trục d,q và véc tơ từ thông roto 29
Hình 2-2 . Sự tương đồng giữa động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ tựa từ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
thông rôto và động cơ một chiều kích từ độc lập 31
x
Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vecto tựa từ thông roto 32
Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp 36
Hình 2.5 Điều chế độ rộng Xung ( a. Hai cực tính; b. Một cực tính) 39
Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển nghịch lưu áp ba pha PWM
thông thường. 40
Hình 2.7. Dạng điện áp ra của sơ đồ nghịch lưu áp ba pha. 41
Hình 2.8. Nghịch lưu áp ba pha (a) và đồ thị điện áp ra sáu bậc (b). 42
Hình 2.9. Các sectơ và vectơ biên chuẩn trong mặt phẳng 43
Hình 2.10. Các vectơ biên chuẩn và các sectơ 45
Hình 2.11. Mẫu xung trong mỗi sector 49
Hình 3.1. Dòng điện động cơ trên trục d, q 50
Hình 3.2. Sơ đồ thay thế gần đúng của động cơ không đồng bộ 51
Hình 3.3. Mô hình gần đúng của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ tựa từ thông roto. 52
Hình 3.4. Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện và 53
Hình 3.5. Cấu trúc điều khiển dòng điện và tách kênh 53
Hình 3.6. Điều khiển dòng riêng rẽ có bù sức điện động esd và esq R11 và R12 được lấy
theo (3.7). 54
Hình 3.7.(a)Mô hình mạch vòng điều khiển,
(b) Sơ đồ khối hàm truyền hệ FOC-IM 54 56
Hình 3.8. Mô hình ước lượng dòng điện stato và
58
Hình 3.9. Mô hình ước lượng từ thông
59
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.10. Mô hình ước lượng momen điện từ 59
xi
Hình 4.1. Mô hình tính toán máy điện xoay chiều 61
Hình 4.2. Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ sử dụng thuật toán
FOC 64
Hình 4.3. Mô hình động cơ không đồng bộ trên trục dq 64
Hình 4.4. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển dòng điện có bù tách kênh 65
Hình 4.5. Bộ ước lượng từ thông roto
65
Hình 4.6 Khối tính toán góc quay của từ thông rô to 66
Hình 4.7. Đáp ứng tốc độ khi thay đổi momen 66
Hình 4.8. Đáp ứng từ thông khi thay đổi momen 67
Hình 4.9. Đáp ứng dòng điện khi thay đổi momen 67
Hình 4.10. Đáp ứng dòng điện khi thay đổi momen 67
Hình 4.11. Dòng điện khi thay đổi momen 68
Hình 4.12. Đáp ứng từ thông 69
Hình 4.13. Đáp ứng bộ điều khiển dòng điện 69
Hình 4.14. Đáp ứng bộ điều khiển dòng điện 70
Hình 4.15. Đáp ứng dòng điện 70
Hình 4.16. Động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc 71
Hình 4.17. Biến tần M440.siemensJPC 71
Hình 4.18.PLC S7-300 thu thập tín hiệu 72
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.19.Hệ thống thí nghiêm JPG 72
xii
Hình 4.20. Hệ thống tải trở 73
Hình 4.21 Máy tính . 73
Hình 4.22. Kết quả thực nghiệm khi thay đổi lượng đặt tốc độ 75
Hình 4.23. Kết quả thực nghiệm đáp ứng tốc độ khi thay đổi mô men 75
B. Bảng biểu
Bảng 2.1: Trạng thái các van , các vectơ biên chuẩn và vectơ 45
Bảng 2.2 : Các ma trận tương ứng trong các secto 48
Bảng 4.1: Thông số động cơ 60
Bảng 4.2: Các thông số động cơ tính toán 62
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Bảng 4.3: Thông số các bộ điều khiển 63
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
xiii
-1-
MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành kỹ thuật điện tử,
công nghiệp, thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển tự động đang phát triển rất mạnh
mẽ. Tự động hóa trong quá trình sản suất đã được phổ biến rộng rãi trong các hệ
thống công nghiệp trên thế giới và đang dần phát triển trong hệ thống công nghiệp ở
nước ta. Vai trò của tự động hóa trong sản xuất công nghiệp không những giảm nhẹ
sức lao động cho con người góp phần rất lớn nâng cao năng lượng sản suất lao động
mà còn góp phần cải thiện chất lượng sản phẩm.
Một trong những vấn đề quan trọng trong các dây truyền tự động hóa sản suất
hiện đại là việc điều chỉnh tốc độ động cơ.Theo thiết kế trung bình các hệ thống
truyền động điện chiếm tỷ lệ 60% đến 65% lượng điện tiêu thụ của công nghiệp. Để
đảm bảo năng suất cũng như chất lượng của một quá trình công nghệ thông thường
các động cơ thường phải được điều chỉnh chính xác về tốc độ. Trước kia, để điều
chỉnh tốc độ động cơ người ta thường sử dụng động cơ một chiều bởi vì ưu điểm
của loại động cơ này rất dễ điều chỉnh tốc độ vì phần cảm và phần ứng của chúng
tách rời nhau. Tuy nhiên, động cơ một chiều có nhược điểm là giá thành cao, phải
bảo dưỡng cơ cấu cổ góp một cách thường xuyên gây khó khăn cho người vận
hành. Hiện nay người ta có xu hướng ứng dụng động cơ không đồng bộ trong các
dây truyền sản suất tự động để điều chỉnh tốc độ. Ưu điểm động cơ không đồng bộ;
cấu tạo đơn giản ,dễ chế tạo, giá thành rẻ, dễ sử dụng, vận hành tin cậy và an toàn.
Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là điều chỉnh tốc độ rất khó khăn. Vì vậy người
ta đã nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện hệ thống điều khiển biến tần – động
cơ không đồng bộ. Phương pháp điều khiển này đã trở thành phổ biến trong công
nghiệp.
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong phương pháp điều khiển bằng tần số người ta dùng hệ điều khiển véc tơ tựa
từ thông, phương pháp điều khiển này nhằm quy đổi máy điện không đồng bộ ( cảm
ứng) về mô hình tương tự như động cơ điện một chiều kích từ độc lập có các dòng
điện kích thích và dòng điện sinh mô men tương đối độc lập nhau [1-2]. Khi có mô Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
-2-
hình tương đương thì việc tổng hợp điều khiển trở nên đơn giản bởi vì các biến
điều khiển là tương đối độc lập. Các biến điều khiển được mô tả trong hệ tọa độ
quay nên chúng là các lượng một chiều [1].
Trong hệ điều khiển véc tơ tựa từ thông (FOC) vấn đề điều khiển đã khóa chặt từ
thông roto có tính quyết định trong nguyên lý điều khiển. Việc sử dụng cảm biến đo
trực tiếp là rất phức tạp, do đó ước lượng từ thông phải thông qua mô hình của
động cơ.
Kết quả đề tài thiết kế xây dựng mô hình hệ thống biến tần điều khiển đông cơ
không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc, sử dụng thuật toán điều khiển véc tơ tựa từ
thông ro to động cơ không đồng bộ. Để làm bộ thí nghiệm giảng dạy trong môn học
truyền động điện tại phòng thí nghiệm Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Hóa Chất.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài nhằm đi sâu vào tìm hiểu phương pháp điều khiển FOC và mô hình
ước lượng từ thông, thực hiện mô phỏng và thực nghiệm để kiểm trứng với kết quả
thiết kế(với đối tượng điều khiển là mô hình hệ thống biến tần điều khiển động cơ
không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc ) tại trung tâm thí nghiệm của Trường Đại Học
Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên.
3. Nội dung của luận văn
Với nội dung đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau
Chương 1: Tổng quan về mô hình điều khiển FOC động cơ không đồng bộ trong
không gian khác nhau.
Chương 2: Nguyên lý điều khiển véc tơ tựa từ thông
Chương 3: Thiết kế điều khiển
Chương 4: Mô phỏng và thí nghiệm tại phòng thí nghiệm của trường Đai học Kỹ
thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Kết luận và kiến nghị
-3-
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉC TƠ
1.1 Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ
1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ
Vào năm 1820, Hans Christian và Oersted đã tiến hành các thí nghiệm nghiên
cứu ảnh hưởng của từ trường dòng điện. Một năm sau đó, Michael Faraday đã
khám phá ra trường điện từ quay và động cơ điện đầu tiên ra đời. Faraday tiếp
tục khám phá ra cảm ứng điện từ vào năm 1831 nhưng phải đến năm 1833 thì
Tesla mới phát minh ra động cơ không đồng bộ xoay chiều. Ngày nay, các động
cơ điện chia làm 2 loại : động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều,
động cơ xoay chiều gồm: động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ. Cho đến
ngày nay, lý thuyết xây dựng động cơ điện vẫn dựa trên các lý thuyết của
Oersted, Faraday và Tesla/.
Cấu trúc của động cơ không đồng bộ gồm 2 phần chính: Stator đứng yên và
phần Rotor quay. Động cơ không đồng bộ gồm 2 loại: Động cơ không đồng bộ
Rotor dây quấn và Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc (ngắn mạch)
1.1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ gồm 2 phần stator (phần tĩnh) và rotor (phần quay) .
1. Stator: Gồm vỏ máy, lõi sắt, dây quấn.
a. Vỏ máy: Thường làm bằng gang. Đối với máy công suất lớn (>1000kW)
thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ. Vỏ máy có tác dụng cố dịnh và không
dùng để dẫn từ .
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
-4-
b. Lõi sắt: Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35mm-0,5mm ghép
lại. Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường qua lõi sắt là từ trường xoay chiều nhằm
giảm tổn hao do dòng xoáy gây nên mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có sơn cách
điện. Mặt trong lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn
c. Dây quấn: Được đật vào các rãnh lõi sắt và cách điện với lõi sắt. Dây quấn stator gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 1200.
2. Rotor
a. Trục: Làm bằng lói thép để đỡ lõi sắt rotor.
b. Lõi sắt: Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như ở stator. Lõi sắt được ép
trực tiếp lên trục. Bên ngoài lõi sắt có xẻ rãnh để đặt dây quấn.
c. Dây quấn: Gồm 2 loại rotor dây quấn và rotor lồng sóc
- Rotor dây quấn: dây quấn giống dây quấn stator. Dây quấn 3 pha rotor
thường đấu sao, 3 đầu kia nối vào 3 vành trượt làm bằng đồng đạt cố định ở 1
đầu trục và qua chổi than có thể đưa điện ra ngoài. Có thể thông qua chổi than
đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch rotor để cải thiện mở máy,
điều chỉnh tốc độ,hệ số công suất. Bình thường làm việc dây quấn rotor nối ngắn
mạch.
- Rotor lồng sóc: Mỗi rãnh của lõi sất được đật 1 thanh dẫn bằng đồng
hoặc bằng nhôm và được nối tát ở 2 đầu bằng 2 vòng ngắn mạch đồng hoặc
nhôm thành 1 cái lồng người ta gọi đó là lồng sóc. Dây quấn rotor lồng sóc
không cần cách điện với lõi sắt.
3. Khe hở: Khe hở trong động cơ không đồng bộ rất nhỏ(0,2mm-1mm).
Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là : Điều chỉnh tốc độ và khống chế các
quá trình khó khăn, đối với động cơ rô to lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu
1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
-5-
Động cơ không đồng bộ làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.
Khi đặt điện áp 3 pha vào ba dây quấn 3 pha đạt đối xứng trong lõi thép stator,
khi đó trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay mà thành phần bậc 1 của
từ truờng này quay với tốc độ góc là:
trong đó: f là tần số dòng điện cáp cho stator
p là số đôi cực của dây quấn stator.
Đồng thời từ trường Stator này làm cảm ứng ra các dòng điện vòng trong
các thanh dẫn Rotor (đối với loại rotor lồng sóc) hoặc các cuộn dây Rotor (đối
với loại Rotor dây quấn). Các dòng điện Rotor này đặt trong từ trường Stator
quay nên sinh ra lực điện từ (lực Lorentz). Tổng các lực này tạo ra mômen quay
Rotor , Rotor quay cùng hướng với từ trường Stator quay.
Lúc đầu khi từ trường Stator đã sinh ra thì Rotor tăng tốc nhanh để cố
gắng bắt kịp từ trường quay đó, đồng thời từ trường quay quét qua Rotor càng
giảm nên sức điện động cảm ứng phía Rotor sẽ giảm dần và dòng điện Rotor
cũng giảm theo.
Nếu tốc độ Rotor bằng tốc độ từ trường quay thí lúc đó sẽ không có lực
điện từ được sinh ra và rotor quay chậm lại. Do đó tốc độ Rotor không thể bằng
tốc độ đông
bộ, tốc độ đông bộ phụ thuộc vào tần số nguồn điện cấp và số đôi cực của động
cơ, sai khác giữa 2 tốc độ gọi là tốc độ trượt.
1.1.4 Ứng dụng, ưu và nhược điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba
pha
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
-6-
Các động cơ không đồng bộ có ưu điểm là: rẻ tiền, thiết kế và sản xuất được dễ
dàng, dễ bảo dưỡng, không cần vành chuyển mạch điện và chổi than, là loại
động cơ được sử dụng rộng rãi. Chúng có Mômen quán tính và trọng lượng nhỏ,
hiệu suất cao, khả năng quá tải lớn và vững chắc. Ngoài ra các động cơ không
đồng bộ có thể làm việc trong các môi trường khắc nghiệt dễ cháy nổ vì chúng
không có khả năng đánh lửa. Do những ưu điểm này mà động cơ không đồng bộ
được ưu tiên quan tâm tìm hiểu như bộ biến đổi năng lượng điện cơ.
Các động cơ không đồng bộ cũng có nhiều nhược điểm, như tốc độ của chúng
phụ thuộc vào tần số và biên độ điện áp nguồn cấp mà trong thực tế nhiều lúc
năng lượng cơ lại yêu cầu các tốc độ có thể thay đổi được. Chúng có thể chạy ở
tốc độ gần bằng hằng số đối với tải và từ không tảI tới đầy tải. Điểu này không
giống như các động cơ điện một chiều, các động cơ không đồng bộ gặp khó khăn
để điều khiển tách bạch các thành phần dòng điện sinh mô men và từ thông. Để
nâng cao hiệu suất sử dụngt hì hệ truyền động động cơ không đồng bộ thay đổi
tốc độ có khả năng cấp cho động cơ điện ba pha có tần số và biên độ có thể thay
đổi được, nên bộ điều khiển phức tạp hơn so với loại một chiều.
hơn so với động cơ điện một chiều.
1.2. Mô hình ba pha của động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ có các dây quấn ba pha ở roto và stato,được nghiên cứu ở
đây với các giả thiết:
- Khe hở không khí là đều
- Mạch từ tuyến tính
- Các dây quấn là đối xứng và được bố trí sao cho từ thông dọc theo chu vi khe hở
không khí có dạng hình sin
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Gọi k là tên dây quấn thì ta có phương trình điện áp như sau:
-7-
Từ thông móc vòng của mỗi dây quấn
Mômen điện trở của động cơ
Mômen điện trở của động cơ
Trong đó: as, bs, cs, ar, br, cr là tên gọi của dây quấn stato và roto
k=as/bs/cs/ar/br/cr
j= as/bs/cs/ar/br/cr
Đặt L: điện cảm chính của các dây quấn pha stato
L: điện cảm tản
Ns: số vòng dây một pha stato
Nr: số vòng dây một pha roto
m: vị trí góc của dây quấn roto
thì có thể viết được 6 phương trình điện áp cho KĐB như sau nếu mạch từ còn chưa
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
bão hòa (điện cảm là hằng)
-8-
Hình 1.1. Sơ đồ dây quấn tập trung của KĐB
(1.1 )
Ta có:
là hệ số từ tản của mạch stato và mạch roto
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Lại đặt:
-9-
Và tất cả các đại lượng điện từ được coi như là các vectơ có ba chiều theo ba
trục của dây quấn :
thì ta có thể viết lại hệ phương trình (1.1) như sau
(1.2)
Mô men điện từ của động cơ có thể được tính như sau:
Các hệ phương trình mô tả ĐK theo các dây quấn ở stato và roto là các phương
trình có hệ số biến thiên theo vị trí góc của dây quấn roto m trong khoảng [0, 2].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Việc giải trực tiếp các phương trình này có nhiều bất tiện, do đó cần tìm các mô tả
-10-
khác cho ĐK, một trong những mô hình đó là sơ đồ ba pha của ĐK trong đó đã quy
đổi các dây quấn roto về mạch stato.
Hình 1.2. Sơ đồ 3 pha quy đổi về stato của KĐB
Trong mô hình quy đổi về stato, dây quấn roto được nối với dây quấn stato, do
đó nó đứng yên và hỗ cảm giữa dây quấn roto và stato cùng pha là hằng và luôn là
Lm (do m=0), các đại lượng điện từ ở mạch roto được quy đổi thông qua hệ số
ke=Ns/Nr và tham số được quy đổi thông qua hệ số kr= , ma trận tham số của mô
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
hình là các ma trận hằng.
-11-
Trong mô hình hình 1.1 dây quấn roto quay với tốc độ , trong mô hình hình
vẫn quay cùng với tốc
1.2 dây quấn roto đứng yên, trong khi đó véc tơ từ thông
độ từ trường quay: s=+sl.
Trong đó: sl là tần số góc của của dòng điện (từ thông) roto nếu điểm mốc quan sát
nằm trên roto, do đó trong dây quấn roto ở hình 1.2 sẽ xuất hiện các sức điện động
quay ek trong phương trình (1.1). Tuy nhiên chỉ có thành phần từ thông vuông góc
với trục dây quấn mới sinh ra sức điện động quay, hình 1.3.
Hình 1.3. Mô hình giải thích cách tính sức điện động roto
Từ phân tích ở trên ta có thể tính được sức điện động roto
(1.3)
Căn cứ vào sơ đồ quy đổi và các ký hiệu quy ước, có thể dễ dàng viết ra được hệ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
các phương trình cơ bản của điều khiển trong không gian 3 pha quy đổi về stato:
-12-
(1.4)
(1.5)
(1.6)
Sơ đồ hình 1.2 và các hệ phương trình kèm theo rất thuận tiện cho việc sử
dụng các phần mềm mô phỏng để tính toán các đại lượng điện từ của động cơ
không đồng bộ, trong trường hợp động cơ roto lồng sóc thì
Từ các phương trình (1. 5) và (1.6) ta có thể dựng được mô hình tương đương
của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ cực như trên hình 1.4, tất cả các đại
lượng điện từ là các véc tơ quay trong mặt phẳng cắt ngang trục động cơ, động cơ
có hai dây quấn: dây quấn stato và dây quấn roto quy đổi về stato với các tham số là
các ma trận hằng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
(Hình a)
-13-
(Hình b)
Hình 1.4. (a) Mô hình của điều khiển trong hệ tọa độ cực; (b) các đại lượng véctơ
Từ đây trở đi, để đơn giản trong cách biểu diễn, tác giả bỏ qua các dấu phảy
(„) viết trên các đại lượng roto quy đổi, tuy nhiên ý nghĩa của chúng vẫn giữ nguyên
1. 3. Đại lƣợng véc tơ không gian
Trong mục này trình bày ý nghĩa vật lý cho các khái niệm véc tơ sử dụng ở
mục trên.
Xét một động cơ không đồng bộ (ĐK) có ba pha dây quấn đối xứng ở stato,
trong đó trục dây quấn pha a đặt trùng với trục thực của mặt phẳng phức, hình 1.1.
Để tạo được phân bố mật độ từ thông là hình sin dọc theo chu vi khe hở không
khí, các dây quấn pha được coi rằng có phân bố với mật độ dây quấn cũng là hình
sin. Như vậy dòng điện mỗi pha tạo một sức từ động (stđ) có dạng hình sin dọc chu
vi khe hở không khí và biên độ của stđ này tỷ lệ với độ lớn của dòng điện tương
ứng, cực tính của sức từ động phụ thuộc vào cực tính dòng điện và bố trí theo
phương là trục của dây quấn pha.
Thí dụ ứng với dòng điện pha a dương isa tại thời điểm 1 tạo ra phân bố mật độ
dòng điện tạo thành góc /2 so với trục dây quấn pha a, và do đó có giá trị cực đại
theo hướng trục ảo, hình 1.5 sức từ động này đập mạch theo chu kỳ dòng điện và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
dọc theo trục ảo.
-14-
( a ) ( b)
Hình 1.5. Phân bổ mật độ dòng điện khi chỉ có pha a có dòng điện
Sức từ động toàn phần của stato được xây dựng bằng cách xếp chồng các
phân bố mật độ dòng điện của cả ba pha, sức từ động toàn phần này cũng có phân
bố hình sin, thể hiện bằng hai hình bán nguyệt trên hình 1.6. Biên độ của sức từ
động toàn phần tỷ lệ với biên độ dòng điện pha và hướng của nó phụ thuộc vào thời
gian , tức là phụ thuộc vào giá trị tức thời của ias(t), ibs(t) và ics(t). Do dòng điện các
pha thay đổi theo thời gian nên stđ toàn phần chính là một sóng mật độ dòng điện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
quay.
-15-
Hình 1.6. Sức từ động toàn phần của stato
Việc xếp chồng các phân bố mật độ dòng điện pha được xác định bằng véc tơ
không gian dòng điện phức stato:
(1.7)
Trong đó:
Bởi vì a là véc tơ đơn vị và có hướng tựa theo trục dây quấn pha b, do đó a.ibs
là véc tơ không gian đại diện cho phân bố mật độ dòng điện hình sin gây ra bởi dòng ibs. Tương tự như vậy a2ics đại diện cho phân bố mật độ dòng điện do dòng điện ics gây ra, với a2 chỉ hướng của của trục dây quấn pha c.
Với véc tơ không gian dòng điện stato đại diện cho phân bố hình sin của sức
tự động tổng được tạo ra “bên trong” động cơ được tạo ra bởi các dòng điện chảy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
“bên ngoài” động cơ. Sóng sức từ động tổng có giá trị cực đại tại vị trí góc vượt
-16-
trước /2 so với véc tơ không gian , hình 1.6, biên độ của nó tỷ lệ với biên độ của
véc tơ không gian dòng điện stato
Hệ số 2/3 trong (1.7) phản ánh phép ánh xạ không tương đương về công suất,
tuy nhiên nó rất tiện lợi trong tính toán, thí dụ từ ta có thể tìm lại được các dòng
điện thành phần bằng cách chiếu lên các trục dây quấn pha tương ứng:
(1.8)
Hình 1.7. Phân bố mật độ từ thông tổng từ các dòng stato ở hình 1.6
Trong chế độ xác lập các dòng điện pha stato tạo được một hệ thống ba pha
hình sin và cân bằng và tạo ra sóng sức từ động stator có biên độ là không đổi và
quay đồng bộ với tấn số góc s của dòng điện stato.
Phân bố mật độ từ thông dọc theo chu vi khe hở không khí cũng sẽ là hình sin
và chậm sau sóng mật độ dòng điện một góc /2, hình 1.7. Sau đây sẽ sử dụng khái
niệm sóng từ thông móc vòng thay vì khái niệm sóng mật độ từ thông, bởi vì từ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
thông móc vòng còn mang theo thông tin về kích thước hình học của dây quấn và số
-17-
vòng của nó, phân bố từ thông móc vòng stato được biểu diễn bởi vec tơ không gian
Có thể mở rộng khái niệm véc tơ không gian dòng điện cho hệ thống điện
áp ba pha stato:
(1.9)
Cũng cần để ý rằng các véc tơ không gian dòng điện được định nghĩa theo
cách khác với các véc tơ từ thông móc vòng. Các véc tơ không gian dòng điện luôn
chậm pha - /2 so với vị trí cực đại của phân bố mật độ dòng điện mà nó đại diện,
hình 1.6. Ngược lại các véc tơ từ thông móc vòng luôn trùng phương với vị trí cực
đại của phân bố từ thông móc vòng tương ứng hình 1.7, điều này là thuận tiện cho
việc biểu diễn một quan hệ đơn giản giữa hai véc tơ này:
(1.10)
Trong đó Lss là điện cảm ba pha của dây quấn stato và có giá trị bằng 3/2 lần
điện cảm của một pha của chính dây quấn đó.
Các phân tích tương tự như trên có thể được áp dụng cho các đại lượng ở roto
và do đó có thể mở rộng khái niệm véc tơ không gian cho tất cả các đại lượng ở
roto, hình 1.4(b).
1.4. Mô hình động cơ không đồng bộ trong các hệ tọa độ trực giao
1.4.1. Mô hình trong hệ tọa độ gắn với stato (0)
Giả thiết dq đối xứng, điện áp , ,
Từ hình 1.4 thấy rằng tất cả các đại lượng điện từ đều có thể biểu diễn bằng
véc tơ không gian trong mặt phẳng cắt ngang trục động cơ, các véc tơ này được xác
định bởi biên độ và vị trí góc, do đó ta có thể biểu diễn các véc tơ này bởi các thành
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
phần của nó trên hệ tọa độ trực giao bất kỳ.
-18-
Hệ trục tọa độ trực giao gắn với stato có tên gọi hệ (0), trong đó trục 0
trùng với trục của dây quấn pha a stato, các đại lượng véc tơ được biểu diễn bởi hai
phần chiếu của nó trên các trục tọa độ, thí dụ véc tơ , hình 1.8.
Hình 1.8. Biểu diễn vector trên hệ trục αβ
Trong chế độ xác lập ta có thể tính được:
Trong đó Um là biên độ điện áp pha stato theo (1.9)
Đế viết được các phương trình mô tả điều khiển trong hệ tọa độ , ta có thể
hoặc chiếu trực tiếp các phương trình (1.5), (1.6) lên các trục , ; hoặc thông qua
sơ đồ thay thế có được bằng cách chiếu sơ đồ hình 1.4(a) lên các trục tọa độ tương
ứng như biểu diễn trên hình 1.9, trong đó LM = 1,5Lm. Các dây quấn của máy điện
trên các trục là vuông góc với nhau, do đó hỗ cảm giữa chúng là bằng không, sức
điện động quay ở mạch roto của dây quấn này do từ thông roto của dây quấn kia
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
cảm ứng sang tương ứng với góc là /2 và 3/2.
-19-
Hình 1.9. Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ trong hệ trục (0)
Từ sơ đồ thay thế dạng hai pha vuông góc của máy điện, hình 1.9, ta dễ dàng
viết được các phương trình mô tả động cơ:
(1.11)
Từ hệ (1.11) có thể dựng được sơ đồ cấu trúc dạng liên tục của động cơ trong
hệ trục tọa độ (0) như hình 1.9.
Các đại lượng véc tơ không gian cảu máy điện là duy nhất, tuy nhiên chúng
có thể được biểu diễn hoặc trong hệ tọa độ ba pha quy đổi về stato as, bs, cs hoặc
trong hệ tọa độ trực giao s, s có thể tìm được mối tương quan giữa hai hệ tọa độ
này, thí dụ cho dòng điện stato
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
;
-20-
Trong đó ma trận ánh xạ C1 là phép biến đổi 3 pha thành 2 pha, nghịch đảo
của nó là phép biến đổi 2 pha thành 3 pha.
;
Hệ phương trình (1.11) cũng có thể được thể hiện bởi sơ đồ cấu trúc dưới đây,
Hình 1.10 sử dụng ánh xạ liên tục p = d/dt, kết hợp với phương trình chuyển động
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
của hệ
-21-
Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc của động cơ trong hệ tọa độ (0)
Nếu đặt véc tơ trạng thái và véc tơ đầu vào của hệ là:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Trong đó :
-22-
Thì hệ phương trình (1.11) ta có thể viết thành dạng phương trình trong không
gian trạng thái ở dạng sau đây cho rô to lồng sóc ( )
(1.12)
Trong đó , tương ứng là ma trận hệ thống và ma trận đầu vào và nếu
đặt.
- hệ số tản từ toàn phần
; - hằng số thời gian điện từ stato, rotor
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Thì các ma trận hệ thống và ma trận đầu vào được xác định như sau:
-23-
Hình 1.11. Mô hình trạng thái của điều khiển trọng hệ tọa độ (0 )
1.4.2. Mô hình trong hệ tọa độ quay đồng bộ (dq0 )
Các đại lượng véc tơ không gian cũng có thể được biểu diễn trong hệ tọa độ
trực giao d, q, quay vơi tốc độ , với hy vọng trong chế độ tự xác lập vị trí góc của
véc tơ này tính từ hệ trực tọa độ d,q sẽ không đổi và do đó các thành phần chiếu của
véc tơ không gian lên các trục sẽ là các đại lượng một chiều. Như hình 1.12 biểu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
diễn vector điện áp
-24-
Hình 1.12. Biểu diễn véc tơ không gian trong hệ trục d, q
Ta có thể nhận thấy rằng hệ trục d,q chính là hệ trục , quay đi một góc
Điều này có nghĩa rằng các thành phần theo các trục 0d, 0q của véc tơ không
gian cùng được quay đi một góc tương ứng, để tiện theo dõi ta thêm chỉ số k vào
các véc tư không gian được biểu diễn trong hệ d,q như vậy thì
Từ phường trình thứ nhất của hệ (1.4) là:
Lúc này ta có :
(1.13)
Lập luận tương tự đối với phương trình điện áp ở mạch rô to với chú ý rằng
bản thân dây quấn rô to cũng đã quay cùng chiều một góc , do đó góc quay thực
chỉ là , hình 1.13 và phương trình thứ hai của hệ (1.4) là:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Trở thành :
-25-
(1.14)
Trong đó là tốc độ trượt
Ta có thể tìm được sơ đồ thay thế của điều khiển trong hệ tọa độ d,q bằng
cách quay sơ đồ trên hình 1.2 với tốc độ và để ý rằng dây quấn rô to đã quay vào
tốc độ . Trong các dây quấn stato (quay với tốc độ ) sẽ suất hiện các sức điện
động quay tỉ lệ với tích số giữa và từ thông của dây quấn stato trên trục đối diện.
Trong các dây quấn rô to (cũng được quay với tốc độ tổng là nhưng có tốc độ
riêng phần là ) cũng sẽ suất hiện các sức điện động quay tỷ lệ với tích số giữa tốc
độ trượt với từ thông của dây quấn roto trên trục đối diện , hình 1.13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 1.13. Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ trục tọa độ dq
-26-
Từ các phân tích và sơ đồ thay thế có thể dẫn ra được hệ phương trình sau với
(1.15)
Có thể tìm được ma trận ánh xạ giữa hai hệ tọa độ d, q chính là phép quay hệ
trục , đi một góc s và hệ trục tọa độ , chính là phép quay hệ trục d, q đi một
góc (-s).
Trong mục này chưa đề cập đến vấn đề là hệ trục tọa độ quay d, q được chọn
cụ thể như thế nào, do đó các mô hình là khá phức tạp. Trong tính toán điều khiển,
hệ trục d, q được chọn gắn (tựa) với một đại lượng vector không gian cụ thể, điều
này một mặt đơn giản hóa được mô hình của động cơ, mặt khác cũng định hướng cụ
thể cho các giải pháp kỹ thuật.
Hệ trục d, q có thể được tựa trên: vector điện áp stato, vector từ thông từ hóa,
vector từ thông stato, vector từ thông roto hay vector dòng điện stato.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
1.4. 3. Mô hình trong hệ tọa độ gắn với roto (D, Q, O)
-27-
Với động cơ roto dây quấn, việc điều khiển thường ứng dụng trong mạch roto, vì vậy cũng
có thể dẫn ra mô hình động cơ gắn với roto
Hình 1.14. Biểu diễn vector không gian trong hệ trục gắn với roto (DQ )
Có nhận xét rằng hệ trục D, Q chính là hệ trục , quay đi một góc m
Dễ dàng áp dụng các phân tích ở mục 1.2 để lập mô hình cho trường hợp này bằng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
cách thay thế s bằng m, s bằng và để ý rằng tốc độ trượt sl bằng không:
-28-
Hình 1.15. Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ tọa độ gắn với roto
(1.16)
Phương trình (1.16) bao gồm các biểu thức tính từ thông trong các trục D, Q
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
giống như trong hệ phương trình (1.6) được biểu diễn bởi sơ đồ như hình 1.16.
-29-
Hình 1.16. Sơ đồ cấu trúc của điều khiển trong hệ tọa độ gắn với roto
Trong trường hợp chung các thông số điện cảm và điện trở dây quấn của
động cơ không phải là hằng. Điện cảm của máy điện nói chung là hàm phi tuyến
của dòng điện, khi dòng điện trong dây quấn tăng lên đến mức nào đó thì mạch từ
bắt đầu bị bão hòa và điện cảm dây quấn bị giảm mạnh. Điện trở của dây quấn, nhất
là dây quấn roto, nơi không được làm mát tốt, thay đổi rất mạnh theo nhiệt độ của
dây quấn. Các yếu tố trên cần được xét đến trong trường hợp cần có mô hình chính
xác của động cơ.
Mô hình của động cơ có tính phi tuyến mạnh, trong nhiều trường hợp có thể
dẫn ra các mô hình tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc xác lập (mô hình tín
hiệu nhỏ) hoặc tuyến tính hóa chính xác dựa trên thuật toán cuốn chiếu “back
stepping”.
Chú ý rằng, trong các phân tích ở trên (và sau này) góc “vuông” giữa các trục
tọa độ trực giao là /2p‟, trong đó p‟ là số đôi cực của dây quấn động cơ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
-30-
CHƢƠNG 2
NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ TỰA TỪ THÔNG ROTO
Phương pháp điều khiển vecto tựa từ thông roto dựa trên mô hình động cơ
trong hệ trục tọa độ quay đồng bộ, trong đó hệ trục được gắn vào vecto từ thông
roto, có thể làm được như vậy là do vecto không gian của từ thông roto quay với tốc
độ đồng bộ, vecto từ thông roto nằm ở roto nên sự biến thiên vị trí góc của nó phụ
thuộc vào tốc độ góc của roto (tốc độ cơ khí), hơn nữa vecto từ thông roto chịu ảnh
hướng của dòng điện mạch roto, trong đó hằng số thời gian điện từ của mạch roto
(Lr/Rr) nói chung là khá lớn hơn hằng số thời gian điện từ của mạch stato (Ls/Rs),
những điều này nói lên rằng vecto từ thông roto biến thiên (cả về biên độ và vị trí
pha) chậm hơn các vecto không gian còn lại. Đó là lý do tại sao lại “tựa” vào từ
thông roto.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.1. Nguyên lý điều khiển
-31-
Để diễn giải phương pháp ta hãy vẽ lại hình 1.12 trong đó hệ trục tọa độ dq
được tựa vào vecto từ thông rô to hình 2.1
Hình 2-1 Đồ thị véc tơ cho trường hợp tựa hệ trục d,q và véc tơ từ thông roto
Ở chế độ tựa xác lập tất cả các vecto không gian đều quay với tốc độ đồng bộ
nên góc i biến thiên rất chậm nên các thành phần chiếu của vecto dòng điện lên các
trục sẽ giống như các đại lượng một chiều, điều này cho phép có thể tổng hợp được
các bộ điều khiển vô hướng cho từng thành phần.
Bời vì trục od trùng với vecto từ thông roto nên :
Thành phần dọc trục của dòng điện stato isd trùng phương với vecto từ thông
nên ta gọi nó là “thành phần dòng điện sinh ra từ thông roto” khi cần giữ từ thông
roto là hằng ta chỉ cần điều chỉnh sao cho đầu mút vecto dòng điện stato di chuyển
trên một đoạn quỹ đạo vuông góc với trục od. Dựa theo biểu thức cuối cùng của hệ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
(1.6), ta viết được momen điện từ :
-32-
Nếu giữ được biên độ vecto từ thông roto là không đổi và luôn tựa vào trục
od (bằng các bộ điều chỉnh tương ứng) thì momen điện từ của động cơ sẽ tỷ lệ thuận
với thành phần dòng điện stato chiếu lên trục oq, và do đó iqs được gọi là “thành
phần dòng điện sinh ra momen”.
Bằng nguyên lý điều khiển trên đây ta đã “biến đổi” động cơ không đồng bộ
roto lồng sóc về mô hình tương ứng động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Hình 2-2 . Sự tương đồng giữa động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ tựa từ thông rôto và động cơ một chiều kích từ độc lập
Trong phương pháp này cần phải xác định được vị trí góc của vecto từ thông
roto để có thể tựa hệ trục dq vào đó. Từ hình 2.1 thấy rằng:
Từ các phương trình từ thông trong hệ (1.17) có thể rút ra được dòng điện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
roto:
-33-
Và do đó có thể viết lại được hai phương trình điện áp roto của (2.1) cho
động cơ không đồng bộ roto lồng sóc:
(2.1)
Bởi vì qr = 0 và do đó dqr/dt = 0 nên ta có được hai biểu thức quan trọng
sau đây được tính từ hệ (2.1).
(2.2)
(2.3)
Tổng hợp các phân tích trên đây, ta có thể dựng được sơ đồ khối của hệ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
thống điều khiển vecto tựa từ thông roto như trên hình 2.2
-34-
Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vecto tựa từ thông roto
Có thể phân sơ đồ khối hình 2.3 ra làm ba phần (bởi các đường nét đứt).
Phần bên trái của sơ đồ là phần các thuật điều khiển, được xây dựng trên hệ tọa độ
dq gắn với từ thông roto, do các đại lượng điện cơ là biến thiên chậm (một chiều)
nên có thể xây dựng các mạch vòng điều khiển đơn biến (SISO), phần góc trên bên
phải chính là đối tượng điều khiển bao gồm nghịch lưu và động cơ không đồng bộ
(NL – ĐK). Phần góc dưới bên trái là phần đo lường và tính toán các giá trị phản
hồi, trong đó SP là thiết bị đo vị trí góc dây quấn roto m.
Mạch lực của sơ đồ bao gồm nghịch lưu nguồn áp có thể điều chế PWM
sq, quan hệ giữa
hoạc SVM cung cấp cho động cơ, nguồn điện áp ba pha được coi là hình sin: Uas, Ubs, Ucs. Mạch vòng điều khiển tốc độ cho đầu ra là giá trị momen đặt M* và thông qua hệ số momen Km ta được giá trị đặt của dòng điện ngang trục i*
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
momen và thành phần dòng điện ngang trục được biểu diễn bởi phương trình (2.2).
-35-
r được biểu diễn bởi phương trình vi
(2.4)
sl được tính toán bởi phương trình (2.3) để thỏa mãn tính
Thành phần dòng điện dọc trục (sinh ra từ thông roto) được xuất ra bởi bộ sd và * điều khiển từ thông R , quan hệ giữa i* phân (2.2) tần số trượt *
chính xác của đồ thị hình ( 2.2).
(2.5)
Giá trị từ thông đặt được xác định bởi đặc tính của khâu dẫn từ thông DTT,
đảm bảo động cơ có thể làm việc với tốc độ trên tốc độ định mức, tức là trong vùng
giảm từ thông. Trong trường hợp từ thông là không đổi và bằng giá trị định mức thì
không cần khâu DTT và do đó cũng có thể không cần bộ điều chỉnh từ thông R.
Trong trường hợp chung, bộ điều chỉnh từ thông là cần thiết bởi vì từ thông tỷ lệ với
thành phần dọc trục của dòng điện qua một khâu quán tính, với hằng số thời gian
quán tính là Tr = Lr/Rr,
2.2. Tổng quan về biến tần
2.2.1. Biến tần sử dụng trong công nghiệp
Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần,
ngày càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ
phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ
động cơ điện.
Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc
độ động cơ điện. Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố
sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống… Ví dụ: máy ép nhựa
làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình
khi đúc… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề
chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
-36-
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các
thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ
thông … Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp
với yêu cầu của phụ tải cơ. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:
Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp
từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.
Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức tạp
của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng
các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều
khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này.
Khảo sát cho thấy:
Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment.
Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt gió,
trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm
45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng.
Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi lên
hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về
Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt
từ việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ.
Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt.
Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van.
Giảm tiếng ồn công nghiệp.
Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ.
Giúp tiết kiệm điện năng tối đa.
Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay
-37-
đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương
thức khác.
không dùng mạch điện tử. Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa
phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp. Ưu điểm
chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và công
suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn chế
như:
- Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn.
- Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu.
- Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu,
bảo trì cũng như thay mới.
- Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp
ngõ ra do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp.
Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sát
như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải …
mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường
hợp này.
2.2.2. Các loại biến tần
Biến tần thường được chia làm hai loại:
- Biến tần trực tiếp
- Biến tần gián tiếp
Biến tần trực tiếp
Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không
thông qua khâu trung gian một chiều. Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ
hơn tần số lưới ( f1 < flưới ). Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Biến tần gián tiếp
-38-
Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:
Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp
Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy
có tên gọi là biến tần gián tiếp. Chức năng của các khối như sau:
a) Chỉnh lưu: Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều
thành điện áp một chiều. Chỉnh lưu có thể là không điều chỉnh hoặc có điều chỉnh.
Ngày nay đa số chỉnh lưu là không điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp một chiều
trong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến
đổi. Nói chung chức năng biến đổi điện áp và tần số được thực hiện bởi nghịch lưu
thông qua luật điều khiển. Trong các bộ biến đổi công suất lớn, người ta thường
dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ
thống khi quá tải. Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà
bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định.
b) Lọc: Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp sau chỉnh lưu.
c) Nghịch lưu: Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng một chiều thành
dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập
Nghịch lưu có thể là một trong ba loại sau:
- Nghịch lưu nguồn áp: trong dạng này, dạng điện áp ra tải được định dạng
trước (thường có dạng xung chữ nhật) còn dạng dòng điện phụ thuộc vào tính chất
tải. Nguồn điện áp cung cấp phải là nguồn sức điện động có nội trở nhỏ. Trong các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ứng dụng điều kiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu nguồn áp.
-39-
- Nghịch lưu nguồn dòng: Ngược với dạng trên, dạng dòng điện ra tải được
định hình trước, còn dạng điện áp phụ thuộc vào tải. Nguồn cung cấp phải là nguồn
dòng để đảm bảo giữ dòng một chiều ổn định, vì vậy nếu nguồn là sức điện động thì
phải có điện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điều
khiển ổn định dòng điện.
- Nghịch lưu cộng hưởng: Loại này dùng nguyên tắc cộng hưởng khi mạch
hoạt động, do đó dạng dòng điện (hoặc điện áp) thường có dạng hình sin. Cả điện
áp và dòng điện ra tải phụ thuộc vào tính chất tải.
2.3. Các phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu
Ở biến tần gián tiếp, chức năng biến đổi tần số và điện áp được thực hiện bởi
nghịch lưu thông qua luật điều khiển. Để điều chỉnh điện áp ra của nghịch lưu (giá
trị hiệu dụng, giá trị trung bình trong một nửa chu kỳ hoặc biên độ của sóng điều
hòa bậc một), ta có thể dùng các phương pháp sau:
Điều chỉnh điện áp một chiều:
Để điều chỉnh điện áp một chiều ở đầu vào của nghịch lưu có thể dùng chỉnh
lưu điều khiển hoặc bộ biến đổi xung áp một chiều. Khi điều chỉnh điện áp chỉnh
lưu trong một dải khá rộng sẽ làm cho hệ số công suất của bộ biến đổi giảm, chất
lượng điện áp một chiều cũng kém đi và kích thước của bộ lọc đòi hỏi sẽ lớn hơn.
Điều chỉnh điện áp phía xoay chiều:
Điều chỉnh điện áp phía xoay chiều có hai cách: dùng biến áp hoặc bộ biến đổi
xung áp xoay chiều. Dùng biến áp sẽ làm tăng kích thước của bộ biến đổi, khó điều
chỉnh vô cấp và không nhanh. Còn nếu dùng bộ biến đổi xung áp xoay chiều sẽ làm
xấu chất lượng ra của điện áp nghịch lưu, từ đó làm giảm hiệu suất và phải có bộ
lọc với kích thước lớn.
Điều chỉnh bằng cách cộng điện áp của nhiều nghịch lưu:
- Trong phương pháp này, các đầu ra của nghịch lưu được mắc nối tiếp thông
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
qua thứ cấp của máy biến áp. Điện áp ra của các nghịch lưu sẽ có thứ tự pha khác
-40-
nhau. Phương pháp này chỉ thích hợp khi tần số của nghịch lưu là cố định vì máy
biến áp thường được tính với tần số cố định. Chất lượng của nó sẽ kém đi nếu tần số
chuyển mạch tăng lên.
Điều chỉnh xung điện áp:
Gía trị tức thời điện áp ra của nghịch lưu là các xung áp. Nếu thay đổi độ rộng các
xung này thì giá trị hiệu dụng của điện áp ra sẽ thay đổi. Đây là phương pháp điều
chế độ rộng xung PWM. Thực tế để điều chỉnh điện áp ra của nghịch lưu người ta
hay dùng phương pháp điều chế độ rộng xung vì phương pháp này cho phép không
những thay đổi được giá trị của điện áp ra mà còn khử được các sóng điều hòa bậc
cao và làm cho điện áp ra là gần sin.
Hiện nay có 2 phương pháp điều chế cơ bản:
- Phương pháp PWM thông thường.
- Phương pháp PWM véctơ không gian (SVPWM).
2.3.1. Phương pháp PWM thông thường
Phương pháp PWM thông thường được gọi là điều chế dựa trên cơ sở sóng
mang. Các sóng mang này thường là sóng sin tam giác (có tần số fx), được so sánh
với điện áp điều khiển (có tần số bằng tần số điện áp mong muốn) để sinh ra các
xung âm và dương có tần số và bề rộng có thể thay đổi được. Tần số của sóng mang
bằng tần số chuyển mạch của nghịch lưu, thường chúng được giữ cố định. Khi tăng
số xung trong một nửa chu kỳ có thể làm giảm tần số của sóng sin đầu ra, tăng bề
rộng xung có thể làm tăng biên độ của sóng sin.
Dựa vào dạng sóng mang có thể có phân thành:
- Điều chế một cực tính.
- Điều chế hai cực tính.
Xung hai cực tính (hình 2.5a) được tạo ra bằng cách so sánh điện áp răng cưa u(t)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
với điện áp chủ đạo e(t) có dạng hình sin. Xung răng cưa là xung có hai cực tính
-41-
trong cả chu kỳ điều biến, do đó điện áp ra của nghịch lưu u(t) sẽ là xung hai cực
tính có độ rộng thay đổi theo quy luật hình sin:
(2.6)
Trong đó:
∆t là độ rộng xung,
K là hệ số;
Ω là tần số của nghịch lưu
Để điều chế xung một cực tính, so sánh điện áp răng cưa một cực tính trong mỗi nửa chu kỳ (hình 2.5b)
Các tham số quan trọng khi thiết kế nghịch lưu điều chế PWM:
- Hệ số điều biến biên độ: ma = udkm/uxm
udkm : Biên độ của tín hiệu điều khiển uxm : Biên độ của tín hiệu xung tam giác - Hệ số điều biến tần số: mf = fx/fdk
fx : Tần số tín hiệu sóng mang fdk : Tần số tín hiệu điều khiển, cũng là tần số điện áp mong muốn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.5 Điều chế độ rộng Xung ( a. Hai cực tính; b. Một cực tính)
-42-
Phương pháp điều chế PWM thông thường trong nghịch lưu áp ba pha
Hình 2.6 là sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển nghịch lưu áp ba pha PWM thông
thường. Mỗi pha có một bộ điều chế riêng biệt và các bộ PWM thông thường cần
phải tạo ra hệ thống điện áp ba pha đối xứng.
Hình 2.7 là dạng điện áp ra của sơ đồ nghịch lưu ba pha
Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển nghịch lưu áp
ba pha PWM thông thường.
Khi hệ số điều biến biên độ ma> 1 thì có thể tăng được biên độ của thành
phần điện áp tần số cơ bản, quan hệ giữa thành phần cơ bản và hệ số điều biến là
phi tuyến, phụ thuộc vào hệ số điều biến tần số mf, đồng thời có nhiều thành phần
sóng hài 3, 5, 7, ... Phương pháp điều biến này gọi là phương pháp quá điều biến.
Để giảm được các thành phần sóng hài có bậc là bội số của mf (bội chẵn và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
bội lẻ) thì mf được chọn là bội số lẻ của 3.
-43-
Hình 2.7. Dạng điện áp ra của sơ đồ nghịch lưu áp ba pha.
2.3.2. Phương pháp điều chế vector không gian SPWM
Do sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị điện tử công suất đã dẫn đến yêu
cầu cần PWM hiệu quả hơn. Các vấn đề như là khử các sóng hài trong các thành
phần dòng điện, để làm giảm các tổn hao đồng trong động cơ không đồng bộ.
Phương pháp PWM thông thường có thể thực hiện được bằng cách tăng tần số sóng
mang hay chính là tần số chuyển mạch. Tuy nhiên điều này lại làm tăng các tổn hao
chuyển mạch. Để vượt qua những hạn chế của chiến lược chuyển mạch, một kỹ
thuật mới được biết là phương pháp điều chế bề rộng xung theo kiểu véctơ không
gian (Space Vector Pulse Width Modulation – SVPWM) đã được sử dụng rộng rãi
trong công nghiệp. SVPWM là một phương pháp hiệu quả cao để tạo ra sáu xung
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
điều khiển nghịch lưu cho một hệ truyền động.
-44-
Hình 2.8. Nghịch lưu áp ba pha (a) và đồ thị điện áp ra sáu bậc (b).
Điện áp trên tải là hệ thống ba pha đối xứng. Hệ thống điện áp ba pha này
được mô tả bởi vector Un ứng với mỗi chu kỳ điện áp ra (n=1,2,…6). Xét trong
khoảng thời gian t0÷t1 có ba van dẫn là 1,6,2 và điện áp ra trên các pha có thể được
mô tả bởi vector U có giá trị tuyệt đối |U| = 2/3E. Nếu chiếu vector U lên trục a thì
Ua = 2/3E, còn đem chiếu vector U lên trục b và c thì ta sẽ nhận được Ub = -1/3E, Uc
= -1/3E.
Trong mỗi chu kỳ điện áp ra có 6 lần chuyển mạch (6 lần đóng cắt các van
động lực). Tương ứng ta có 6 vector U1, U2, U3, U4, U5, U6 mô tả điện áp ba pha đối
xứng (hình 2.8a). Vị trí và giá trị của các vector này xác định giá trị điện áp tức thời
trong các pha và luật đóng mở các van. Do đó các vector này được gọi là các vector
chuyển mạch:
- Vector U1 ứng với tổ hợp van 1,6,2 dẫn điện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Vector U2 ứng với tổ hợp van 1,3,2 dẫn điện
-45-
- Vector U3 ứng với tổ hợp van 3,2,4 dẫn điện
- Vector U4 ứng với tổ hợp van 3,5,4 dẫn điện
- Vector U5 ứng với tổ hợp van 5,6,4 dẫn điện
- Vector U6 ứng với tổ hợp van 1,5,6 dẫn điện
Có hai vector không ứng với các trạng thái:
- Vector U0 ứng với tổ hợp van 2,4,6 dẫn điện - Vector U7 ứng với tổ hợp van 1,3,5 dẫn điện
Mỗi trạng thái dẫn của tổ hợp van cũng cho biết vị trí của mỗi vector.
Chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác (ví dụ từ 1,6,2 sang 1,5,6) bằng cách
đóng mở các tổ hợp van khác nhau thì vector chuyển mạch cũng thay đổi vị trí một
góc bằng π/3. Như vậy các đại lượng U1, U2, U3, U4, U5, U6 cùng có 6 hướng thay
đổi trong không gian. Do đó các vector này còn được gọi là vector trạng thái.
Thuật toán trên sẽ được sử dụng để lập trình cho S_function để điều chế
Véctơ không gian. Theo sơ đồ bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha, do các quy tắc
chuyển mạch quy định, chỉ có 8 trạng thái đóng cắt của van là được phép. Tương
ứng các trạng thái van này là các vectơ không gian điện áp hoặc dòng điện có giá trị
cố định cả về hướng lẫn độ dài,gọi là các vectơ biên chuẩn. Các vectơ này chia mặt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
phẳng tọa độ thành các thành phần nhất định, goi là các sectơ
-46-
Hình 2.9. Các sectơ và vectơ biên chuẩn trong mặt phẳng
Khi vectơ quay ở vị trí bất kỳ trong một sectơ nào đó,có thể biểu diễn như
là tổng của các vectơ thành phần . Trong đó có hướng dọc theo
các vectơ biên chuẩn.Do đó ta có thể tạo ra như là giá trị trung bình của thời
gian tồn tại các vectơ biên thông qua các trạng thái van tương ứng,trong một chu kỳ
cắt mẫu.
Từ đó ta có khả năng tổng hợp nên vectơ quay mong muốn ở vị trí
bất kỳ. Vậy thuật toán điều chế vectơ không gian sẽ gồm các bước:
1. Xác định trạng thái các van cho phép trong sơ đồ bộ nghịch lưu
2. Từ các trạng thái van cho phép,xác định các vectơ biên chuẩn, xác định
các sectơ
3. Xác định vectơ điện áp đặt đang thuộc sectơ nào,sau đó lựa chọn các
vectơ biên chuẩn phù hợp.
4. Tính toán thời gian sử dụng các vectơ biên (hay hệ số biến điệu) để tạo
nên các vectơ thành phần.
5. Tối ưu hóa thứ tự thực hiện các vectơ biên chuẩn để sao cho số lần đóng
cắt các van xảy ra ít nhất
Ta sẽ thực hiện từng bước thiết kế bộ điều chế vectơ không gian cho nghịch
lưu nguồn áp ba pha
Xác định các trạng thái van cho phép và các vectơ biên chuẩn
Trong sơ đồ nghịch lưu áp ba pha,các van điều khiển phải tuân theo những
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
quy luật chuyển mạch sau:
-47-
- Không được ngắn mạch nguồn một chiều đầu vào vì sẽ sinh ra dòng lớn,phá hủy
các van
- Không được hở mạch bất cứ pha nào ở đầu ra do khi đó nếu tải có tính chất trở
cảm dòng có thể vẫn chạy qua các điôt ngược,dẫn đến điện áp ra phụ thuộc
vào tải không còn là nghịch lưu áp như mong muốn.
Do đó,với bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha sẽ chỉ có 8 trạng thái van cho phép
ứng với mỗi trạng thái van này,các điện áp pha có giá trị tương ứng được tính toán
như sơ đồ mạch tải .Vectơ không gian được tính toán trong tọa độ ba pha
(2.7)
Hoặc trong tọa độ :
(2.8)
Từ đó ta tính được các vectơ biên chuẩn: 6 vectơ
tạo thành diễn trên có độ lớn bằng 2/3UDC, góc pha cố định lệch nhau một góc
một lục giác đều chia mặt phẳng thành 6 phần bằng nhau, gọi là các sectơ. 2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
vectơ còn lại có độ dài bằng không ứng với trạng thái van 0 và 7.
-48-
Hình 2.10. Các vectơ biên chuẩn và các sectơ
Bảng 2.1. Trạng thái các van , các vectơ biên chuẩn và vectơ
Vectơ biên Van dẫn uA uB uc chuẩn
(2/3) -(1/3) -(1/3) (2/3) 1,4,6
(1/3) (1/3) -(2/3) 1,3,6 (2/3)
-(1/3) (2/3) -(1/3) (2/3) 2,3,6
-(2/3) (1/3) (1/3) 2,3,5 (2/3)
-(1/3) -(1/3) (2/3) 2,4,5 (2/3
(1/3) -(2/3) (1/3) (2/3) 1,4,5
1,3,5 0 0 0 0 , 2,4,6
Xác định thứ tự tối ưu thực hiện các vectơ biên chuẩn
Để tạo ra một hệ thống điện áp ba pha hình sin ở đầu ra của nghịch lưu,ta
phải tạo được một vectơ không gian với độ dài không đổi, quay với tốc độ
mong muốn. Vectơ là giá trị trung bình của các vectơ biên chuẩn tương ứng với
các trạng thái được phép của van trong quá trình chuyển mạch.
- Nhằm giảm thiểu thành phần sóng hài bậc cao do các quá trình chuyển mạch
gây ra ta cần sử dụng phép điều chế đối xứng, trong đó các trạng thái van được
lặp lại sau mỗi nửa chu kỳ trích mẫu , nhờ đó các sóng hài bậc cao do chuyển
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
mạch van sẽ có tần số là bội .
-49-
- Nhằm giảm tổn hao do các van đóng cắt gây ra, trật tự các van đóng cắt cũng
cần được tối ưu để mỗi lần chỉ một nhánh cầu của nghịch lưu phải chuyển mạch.
Do đó, ta sẽ xét quá trình chuyển mạch của van trong các sectơ của vectơ
Trong sectơ I:
Nếu nằm trong sectơ I, để thỏa mãn 2 điều kiện trên, trật tự đóng cắt tốt
nhất của các van sẽ là:
Trong sectơ II:
Nếu nằm trong sectơ II, trật tự đóng cắt tốt nhất của các van sẽ là:
Tiếp đó, các sectơ thứ tự lẻ sẽ chuyển mạch tương tự sectơ I. Các sectơ thứ tự
chẵn chuyển mạch tương tự sectơ II.
Tổng hợp vectơ không gian từ các vectơ biên chuẩn
Giả thiết tần số trích mẫu (ít nhất 10 lần) có thể coi vecto không
đổi và bằng giá trị trung bình trong mỗi nửa chu kỳ trích mẫu. Xét tại thời điểm cắt
mẫu thứ n, thuộc sectơ I. Ta có giá trị của :
(2.9)
Do , biểu thức (2.9) trở thành :
(2.10)
Trong hệ tọa độ, ta có
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
và
-50-
Suy ra
(2.11)
Biểu thức (2.11) thể hiện khả năng tổng hợp vectơ không gian trong sectơ I
với ma trận T1. Tương ứng với các sectơ khác nhau là các ma trận Ti khác
nhau ta có bảng các ma trận Ti trong các sectơ.
Bảng 2.2. Các ma trận tƣơng ứng trong các secto
Secto
I II III IV V VI
Từ (2.11) ta suy ra được các khoảng thời gian cần thực hiện trên các vectơ
biên chuẩn U1,U2
(2.12)
Mặt khác ta có liện hệ giữa các thành phần thời gian theo biểu thức
(2.13)
Từ (2.12), (2.13) có thể nhận thấy thời gian hoàn toàn xác định. Trong khi đó
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
lại không xác định. Đó là sự khác nhau giữa các chiến lược điều chế.
-51-
Ở đây, ta sẽ chọn phương pháp điều chế để t0=t7 để giới hạn điện áp ra ở mỗi
nhánh hình sin là lớn nhất.Khi đó .
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.11. Mẫu xung trong mỗi sector
-52-
CHƢƠNG 3
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN
3.1. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện và
3.1.1. Mô hình gần đúng của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ d,q tựa từ
thông roto.
Trong không gian d, q tựa từ thông roto, các đại lượng điện từ biến thiên
chậm và có thể coi là các đại lượng một chiều :
(3.1)
(3.2)
Từ đó có thể tính được : .
Từ đó thấy rằng dòng điện roto trên trục oq ngược chiều với dòng điện từ hóa
và do Lr << Lm nên gần đúng có thể coi rằng imq = 0
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.1. Dòng điện động cơ trên trục d, q
-53-
Như vậy ta có thể viết:
(3.3)
Trong đó:
Phương trình điện áp roto trên trục od:
(3.4)
Từ (3.1) và (3.2) suy ra :
Trong đó
Như vậy trong chế độ tựa xác lập có thể coi và ta có mô hình gần đúng
của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ dq quay đồng bộ và tựa vecto từ thông
roto như trên hình 3.2 với các ký hiệu .
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.2. Sơ đồ thay thế gần đúng của động cơ không đồng bộ
-54-
Nếu nhìn từ hai điểm A, B của sơ đồ trên ta có thể thấy sự tương đồng giữa mô hình
động cơ không đồng bộ trong hệ trục d, q tựa từ thông roto với mô hình động cơ
một chiều kích từ độc lập.
Cũng từ đó có thể dễ dàng lập được sơ đồ cấu trúc như trên hình 3.3 với ký
s
hiệu bổ sung
Hình 3.3. Mô hình gần đúng của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ tựa từ thông roto.
Có thể thấy rõ ràng rằng mô hình có hai đặc điểm:
- Sự xen kênh chặt chẽ giữa các thành phần dòng điện trên hai trục od và oq;
các thành phần xen kênh này có thể được coi như sức điện động do phép quay tọa
độ gây ra.
- Sức phản điện động ở roto erq, đại lượng này có thể xem như nhiễu nội của
mô hình.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3.1.2. Tổng hợp hai bộ điều khiển dòng điện riêng rẽ có bù tách kênh
-55-
Từ mô hình, hình 3.3 thấy rằng nếu coi tất cả các sức điện động đều là nhiễu
biến thiên chậm thì có thể thực hiện tổng hợp hai bộ điều khiển dòng điện riêng rẽ
và sau đó tách kênh bằng các mạch bù sức điện động. Sơ đồ khối tổng thể như hình
3.4 và sơ đồ điều khiển dòng điện và tách kênh như hình 3.5.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.4. Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện và
-56-
Hình 3.5. Cấu trúc điều khiển dòng điện và tách kênh
Dễ dàng tính toán được các bộ điều khiển
(3.6)
(3.7)
Các bộ bù tách kênh sẽ là:
(3.8)
(3.9)
Một phương án khác cũng hay được sử dụng cho thiết kế bộ điều khiển dòng
điện có bù tách kênh, được suy ra trực tiếp từ hệ phương trình (2.17), trong đó việc
bù sức điện động quay được thực hiện trực tiếp từ biểu thức của chúng mà không
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
thông qua dòng điện.
-57-
Hình 3.6. Điều khiển dòng riêng rẽ có bù sức điện động esd và esq R11 và R12
được lấy theo (3.7).
Trong các phương án thiết kế điều khiển dòng điện cần phải ước lượng được
tốc độ quay s (tỷ lệ với tần số dòng điện động cơ):
(3.10)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Đạo hàm biểu thức cuối cùng của (3.4) ta được:
-58-
(3.11)
Bản chất mô hình động cơ không đồng bộ là phi tuyến, do đó khi số hóa các
bộ điều khiển cần phải cập nhật các giá trị của s và sl. Bộ điều khiển dòng điện
cũng có thể được tổng hợp theo phương pháp tuyến tính hóa mô hình động cơ
không đồng bộ, hoặc theo các phương pháp áp đặt nhanh dòng điện .
Một hướng giải quyết có tính toàn cục hơn là sử dụng lý luận tuyến tính hóa
chính xác trong điều khiển hệ biến tần – động cơ không đồng bộ.
3.2. Thiết kế bộ điều khiển từ thông roto
Căn cứ biểu thức (2.1) và hình 2.2 có thể dễ dàng lập được mô hình để thiết
kế bộ điều khiển từ thông roto, trong đó coi rằng dòng điện dọc trục có đáp ứng
động học rất nhanh (bởi đã được bù bằng bộ điều khiển dòng).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
(Hình a)
-59-
(Hình b)
Hình 3.7. (a) Mô hình mạch vòng điều khiển từ thông
(b) Sơ đồ khối hàm truyền hệ FOC-IM
Trong trường hợp bộ điều khiển dòng điện được thiết kế theo chuẩn tối ưu
modul thì mạch vòng dòng điện còn dư lại hằng số thời gian nhỏ là 2Ti, mô hình
ước lượng từ thông (MHTT) là khâu tính toán, với thòi gian chậm phụ thuộc vào
chu kỳ lấy mẫu và tốc độ của vi xử lý, tuy nhiên có thể đoán rằng thời gian chậm
này không vượt quá 2Ti, từ các giả thiết này có thể tính được bộ điều khiển.
(3.12)
Trong đó
- Ts - tổng các hằng thời gian nhỏ
- K - hệ số chuyển đổi từ Wb thành V
- Ki - hệ số đo dòng điện trong hình 3.4.
Đế kết thúc phần tính toán cơ bản trong điều khiển vecto tựa từ thông roto cho hệ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
thống (nghịch lưu nguồn áp - đồng cơ không đồng bộ) ta có thể dẫn ra đây sơ đồ
-60-
khối cuối cùng của hệ thống trong chế độ xác lập cũng như chế độ quá độ, với việc
bỏ qua các thời gian trễ nhỏ. Sơ đồ khối này được sử dụng để thiết kế mạch vòng
điều chỉnh tốc độ.
3.3. Ƣớc lƣợng từ thông rô to
Các thành phần của vector dòng điện trong hệ trục trực giao dễ dàng tính
toán được nếu ta đo được giá trị tức thời của dòng điện 3 pha.
(3.13)
Từ thông rotor cũng có thể tính toán được nếu ta cộng vào 2 vế của phương
trình thứ ba và thứ tư của hệ (3.14) tương ứng với và ta được:
(3.14)
Và ta chú ý rằng:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Biến đổi ta được:
-61-
(3.15)
Ta để ý rằng các biểu thức trong dấu ngoặc đơn chính là thành phần dọc trục
và ngang trục của vector từ thông stator. Từ đó ta tính được biên độ của vector từ
Và các phần tử của ma trận quay
thông rotor:
:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.8. Mô hình ước lượng dòng điện stato và
-62-
Hình 3.9. Mô hình ước lượng từ thông
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.10. Mô hình ước lượng momen điện từ
-63-
CHƢƠNG 4
MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM
4.1. Tính toán các thông số động cơ
Chương này sẽ tính toán các thông số mô phỏng để kiểm nghiệm thuật toán
vừa được thành lập ở chương 2 và các bộ điều khiển được thành lập ở chuong 3
Bảng 4.1. Thông số động cơ
Tính toán thông số động cơ bằng cách sau:
- Từ thông số được lấy từ nhãn động cơ
- Dựa vào mô hình thay thế của máy điện xoay chiều.
- Dựa vào công thức tính gần đúng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Các tham số làm việc ở chế độ ổn định như được tính online từ
-64-
mô hình mô phỏng sau khi các thông số cần thiết đã biết
4.1.1.Tính từ mô hình thay thế máy điện
Mô hình thay thế máy điện xoay chiều theo […] như sau
Hình 4.1. Mô hình tính toán máy điện xoay chiều
Ta có
(4.1)
Trong đó và lấy từ nhãn động cơ
Từ mô hình thay thế, ta có khi chạy không tải nhánh roto phía bên phải sẽ bị
hở mạch.
Do đó (4.2)
Trong đó là dòng điện không tải lấy từ nhãn máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
là điện áp pha của động cơ
-65-
Từ (4.1) và (4.2) ta tính được
(4.3)
Các tham số dẫn suất từ được tính như sau
Dựa vào công thức từ (4.1) đến (4.5) và nhãn động cơ ta có bảng 4.2.
Bảng 4.2. Các thông số động cơ tính toán
4.1.2.Tính
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Theo […] công thức tính gần đúng của là:
-66-
Momen định mức của động cơ được tính từ nhãn máy
(5.6)
Từ công thức tính momen
(5.7)
Từ (5.6) và (5.7) ta có
(5.8)
4.2.Mô phỏng hệ thống điều khiển trên Matlab - Simulink
4.2.1.Mô hình mô phỏng
Từ các thông số của động cơ vừa tính toán được ta sử dụng các công thức
tính toán thông số bộ điều khiển tốc độ, bộ điều khiển từ thông và bộ điều khiển
dòng điện dưới dạng các mflie ở phần phụ lục để tính tính toán ta có bộ thông số
như bảng 4.3.
Bảng 4.3. Thông số các bộ điều khiển
Mô hình mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ sử dụng phương pháp
điều khiển tựa vector từ thông – FOC được mô tả ở hình 4.2.
Mô hình mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ sử dụng phương pháp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
điều khiển tựa véc tơ từ thông -FOC
-67-
Hình 4.2. Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ
không đồng bộ sử dụng thuật toán FOC
Trong mô hình mô phỏng ở trên động cơ không đồng bộ ba pha được xây
dựng trên hệ trục tọa độ dq các phương trình được viết trong hàm S – funcion
„‟asmcdq.c‟‟.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.3. Mô hình động cơ không đồng bộ trên trục dq
-68-
Hình 4.4. thể hiện mô hình bộ điều khiển dòng điện có bù tách kênh như đã trình
bày ở hình 3.5.
Hình 4.4. Mô hình mô phỏng bộ điều khiển dòng điện có bù tách kênh
Khối ước lượng từ thông và tính toán góc quay của roto lần lượt được thể hiện như
hình 4.5 và hình 4.6.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.5. Bộ ước lượng từ thông roto
-69-
Hình 4.6 Khối tính toán góc quay của từ thông rô to
4.2.2.Kết quả mô phỏng khi thay đổi mô men động cơ
Tại thời điểm ban đầu đặt giá trị tốc độ , lượng đặt từ thông
. Momen đầu vào tai thời điểm ban đầu là 50(Nm) tại thời điểm 5(s)
momen động cơ bị thay đổi xuống 0(Nm) ứng với trường hợp động cơ chạy không
tải
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.7. Đáp ứng tốc độ khi thay đổi momen
-70-
Hình 4.8. Đáp ứng từ thông khi thay đổi momen
Từ hình 4.7 và hình 4.8 ta thấy đáp ứng của từ thông và tốc độ đã bám theo
được lượng đặt mong muốn. Khi giá trị momen thay đổi giá trị thực của momen và
tư thông có thay đổi một lượng nhỏ, nhưng sau một thời gian ngắn khoảng 0.2(s)
giá trị thực lại bám theo được giá trị đặt.
Hình 4.9. Đáp ứng dòng điện khi thay đổi momen
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.10. Đáp ứng dòng điện khi thay đổi momen
-71-
Hình 4.9 và 4.10 trình bày kết quả mô phỏng đáp ứng dòng điện của hai bộ
điều khiển dòng điện và . Chúng ta có thể thấy lượng đặt bám theo lượng thực
rất nhanh bất kể có các biến động bên ngoài
(Ha) (Hb)
Hình 4.11. Dòng điện khi thay đổi momen
Hình 4.11 (a) là kết quả dòng điện khi thay đổi momen, hình 4.11(b) là hình
phóng to của hình 4.11(b)
4.2.3.Kết quả mô phỏng khi thay đổi lượng đặt từ thông
Tại thời điểm ban đầu lượng đặt từ thông được đặt ở 0.5(Wb) đến thời điểm
2(s) lượng đặt từ thông được tăng lên đến giá trị 1(Wb). Ban đầu lương đặt tốc độ là
20(rad/s) sau 5(s) lượng đặt tốc độ là -20(rad/s). Gía trị momen được giữ không đổi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ở giá trị 50(N.m)
-72-
Hình 4.12. Đáp ứng từ thông
Từ hình 4.12 ta thấy khi lượng đặt từ thông thay đổi thì giá trị thực của từ thông
vẫn bám theo được giá trị mong muốn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.13. Đáp ứng bộ điều khiển dòng điện
-73-
Hình 4.14. Đáp ứng bộ điều khiển dòng điện
Khi các giá trị từ thông và tốc độ thay đổi thì các giá trị đặt của hai bộ điều
khiển dòng điện cũng bi biến động tuy nhiên các giá trị thực của chúng đáp ứng rất
nhanh có thể coi như là tức thời với các biến động
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
( Ha) ( Hb)
-74-
Hình 4.15. Đáp ứng dòng điện
4.3. Đánh giá kết quả bằng thực nghiệm
4.3.1. Cấu hình thực nghiêm về điều khiển véc tơ tựa từ thông rô to động cơ
không đồng bộ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.16. Động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc
-75-
Hình 4.17. Biến tần M440.siemensJPC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.18.PLC S7-300 thu thập tín hiệu
-76-
Hình 4.19.Hệ thống thí nghiêm JPG
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.20. Hệ thống tải trở
-77-
Hình 4.21 Máy tính .
4.3.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm
Hệ thống gồm các thiết bị
STT Tên máy móc, thiết bị
Hãng Xuất xứ Số lƣợng
Máy tính của hãng Hp kiểu
CPU:Intel penti IV 3.0
Trung 1 Hp 01 GHZ/Bus 800MHz/ Ram 1 GB/HDD Quốc
80 GB/ CD-RW 48X/
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Lan 10/100M /Nguồn cấp
-78-
220VAC/50 HZ : Monitr: LCD19‟‟
Động cơ không đồng bộ ba pha roto
lồng sóc
Uđm = 220/ 380 (V)
I đm = 5,4 (A)
Siemens 01 P = 2,4 (KW) 2
Cosφ = 0,8
f = 50 (Hz)
Nđm = 1400 v/ p
3 Biến tần M440 siemensJPC 01
4 PLC S7-300 thu thập tín hiệu SiemensJPC 01
4.3.3. Các kết quả thực nghiệm
- Trường hợp khi thay đổi lượng đặt tốc độ động cơ có đảo chiều
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Ban đầu lượng đặt tốc độ là 550v/p sau 20s lượng đặt tốc độ là -550v/p
-79-
Hình 4.22. Kết quả thực nghiệm khi thay đổi lượng đặt tốc độ
- Trường hợp khi đáp ứng tốc độ khi thay đổi mô men
Tại thời điểm ban đầu giá trị tốc độ đặt 850vg/ph khi có tải vào thì tốc độ sụt suống
là 825vg/ph sau đó bù lai là 850vg/ph
Hình 4.23. Kết quả thực nghiệm đáp ứng tốc độ khi thay đổi mô men
4.3.4. Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm
1. Khi thay đổi giá trị mô men tải hệ thống có đáp ứng tốc độ là vô sai tĩnh (hình
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
4.7 trang 66). Điều này thực hiện được khi từ thông kích thích rô to được khóa chặt
-80-
là hắng số khi có nhiễu tải , hình 4.8 trang 67. Điều này đã chứng minh được những
dự đoán ở phần mở đầu, trang 2, là chính xác.
2. Những kết luận như trên đã được khẳng định từ kết quả mô phỏng ở hình 4.12,
trang 69, khi thay đổi lượng đặt của từ thông rô to.
3. Do điều kiện hạn chế của phòng thí nghiệm, nên các kết quả thực nghiệm chỉ có
dùng đối với đáp ứng tốc độ , hình 4.22, chứng tỏ rằng hệ thay đổi tốc độ là vô sai
tĩnh,ngay cả khi đảo chiều quay, quá trình đảo chiều là tuyến tính có nghĩa rằng hệ
có gia tốc là hằng số trong quá trình quá độ, hình 4.23, chứng tỏ rằng hệ thường là
vô sai ngay cả với sự thay đổi của nhiễu loạn với mô men tải.
Với những đánh giá trên chứng tỏ việc phân tích, tính toán thiết kế là phù hợp và
khá đúng đắn đối với hệ thống thực tế.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
1. Kết luận:
-81-
Nội dung cơ bản trong luận văn tập trung vào nghiên cứu ƣớc lƣợng từ thông
trong điều khiển véc tơ tựa từ thông roto động cơ không đồng bộ
Với mục tiêu đặt ra nội dung luận văn đã hoàn thành các nội dung sau:
- Xây dựng, phân tích mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên các hệ trục tọa
độ abc, hệ trục tọa độ và hệ trục tọa độ dq.
- Mô hình thuật toán điều khiển FOC được nghiên cứu, nó được chia làm ba phần
bao gồm mô hình ước lượng từ thông, thuật toán điều khiển và đối tượng điều khiển
bao gồm bộ biến đổi và động cơ điện.
- Từ thông của động cơ là một đại lượng phản hồi trong thuật toán điều khiển tựa từ
thông FOC. Tuy nhiên việc đo trực tiếp đại lượng từ thông gặp nhiều khó khăn
trong thực tế vì vậy đòi hỏi đại lượng này cần được ước lượng từ các đại lượng
khác. Trong luận văn này tác giả đã đề ra phương pháp ước lượng từ thông từ các
đại lượng dòng điện stato đo được bằng cảm biên dòng .
- Thuật toán điều khiển FOC đã được đề xuất trong nhiều tài liệu. Phần quan trọng
nhất của thuật toán này là hai bộ điều khiển dòng điện và . Thông thường hai
bộ điều khiển này được điều khiển riêng rẽ, điều này không loại bỏ được ảnh hưởng
chéo của hai thành phần dòng điện trên trục d và q làm giảm chất lượng điều khiển.
Chính vì vậy trong luận văn này tác giả đã đi nghiên cứu điều khiển bù tách kênh
cho hai đại lượng này nhằm đảm bảo loại bỏ được sự ảnh hưởng chéo của hai thành
phần dòng điện trên tục d và trục q.
- Các thuật toán và mô hình điều khiển được mô phỏng trên phần mềm
Matlab/Simulink nhằm kiểm chứng tính logic, đứng đắn của các thuật toán và mô
hình đề ra.
- Các kết quả thí nghiệm đã được kiểm trứng tại trung tâm thí nghiệm của Trường
Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2. Kiến nghị:
-82-
Để nâng cao chất lượng của bộ ước lượng từ thông một số mô hình khác có thể
được sử dụng như mô hình điện áp stato, mô hình kết hợp giữa dòng điện và điện áp
stato cần được nghiên cứu. Ngoài ra mô hình cũng chưa được nghiên cứu trong các
trường hơp xảy ra sự cố mất cân bằng, mất pha…Một số mô hình nhận dạng thích
nghi có thể cần được nghiên cứu kỹ trong những trường hợp xảy ra những sự cố này
Ngoài đại lượng phản hồi là từ thông cần được ước lượng trong thuật toán FOC, đại
lượng tốc độ cũng có khả năng ước lượng thông qua các thông số còn lại. Mô hình
ước lượng tốc độ cần được nghiên cứu nhằm thực hiện các hệ điều khiển không cần
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
cảm biến ( sensorless sytem) để mở rộng phạm vi ứng dụng của hệ thống.
-83-
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, 2001.
[2] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật,1999.
[3] Nguyễn Doãn Phước, Lý Thuyết Điều Khiển Tuyến Tính, Nhà Xuất Bản Khoa
Học Kỹ Thuật, 2005.
[4] Nguyễn Phùng Quang, Truyền Động Điện Thông Minh, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, 2004.
[5] Nguyễn Phùng Quang, Điều chỉnh tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà Xuất Bản Giáo Dục, 1998.
[6] Nguyễn Phùng Quang, Matlab-Simulink, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, 2004.
[7] Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu, Máy Điện, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, 2003.
[9]. DTC-based strategies for induction motor drives – Giuseppe Buja – Domenico Casadei and Giovanni Serra.
[10]. A modified direct torque control for induction motor sensorless drive – Cristian Lascu, Ion Boldea.
[11]. A new approach to direct torque control of induction motor drives for constant inverter switching frequency and torque ripple reduction – Yen Shin Lai and Jian Ho Chen.
[12]. Direct torque control of PWM inverter-fed ac motors – a servey – Giuseppe S. Buja, Marian P.Kaxmierkow
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
[8] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện Tử Công Suất, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, 2007.
-84-
PHỤ LỤC
% Machine's parameters Lr = 41.89e-3; % Rotor inductance Ls = 42.13e-3; % Stator inductance Rr = 0.62; % Rotor Resistance Rs = 0.595; % Stator Resistance Lm = 40.35e-3; % Mutual Inductance pc = 2; % Number of pole pair Jr = 0.3; % Inetia Tsample = 1e-2; % Sampled Time Params = [Lr,Ls,Rr,Rs,Lm,pc]; % parameters for s-function of machine model X0 = [0 0 1e-4]; % Initial value of three params for s- fuonction : ids(0), iqs(0), and psi_r(0) % Equipment Params Kbbd = 20; % Amplifying coeficient of Conveter Tbbd = 1e-3; % time constant of conveter Ki = 0.2; % Amplifying co of Current sensor Ti = 1e-3; % Time constant of current sensor Kw = 0.1; % Time constant of speed sensor Tw = 1e-3; % Time constant of speed controller Tpsi = 1e-3; % Time constant of flux estimator % Temp var sigma = 1-(Lm*Lm)/(Lr*Ls); Tr = Lr/Rr; Ts = Ls/Rs; % Controller params Tref_current = 5e-3; % Time constant of current controller Tref_psi = 5e-2; % Time constant of flux controller
A. Thông số máy điện
% Transfer function Gd0 ( From Ud to id ) numGd0 = (1/Rs)*[Tr 1]; denGd0 = [sigma*Ts*Tr (Ts+Tr) 1]; Gd0 = tf(numGd0, denGd0); % Transfer function Gq0 ( From Uq to iq ) numGq0 = 1/Rs; denGq0 = [sigma*Ts 1]; Gq0 = tf(numGq0, denGq0); % Mutual affect % iqs affects to ids numGn1 = sigma*Ts*[Tr 1]; denGn1 = [sigma*Tr*Ts (Tr+Ts) 1]; Gn1 = tf(numGn1, denGn1); % ids affects to iqs numGn2 = -Ts*[sigma*Tr 1]; denGn2 = [sigma*Tr*Ts (Tr+sigma*Ts) 1]; Gn2 = tf(numGn2, denGn2);
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
B. Bộ điều khiển dòng điện
-85-
% Design Current Controller % Transfer function of Current Sensor %Gsi = tf(Ki, [Ti 1]); % Transfer function of converter Gsu = tf(Kbbd, [Tbbd 1]); % Assuming that The time constant of current sensor and conveter in so % small compare to that of machine constant % ===>>> Transfer function is: numGd1 = Kbbd*Ki*(1/Rs)*[Tr 1]; denGd1 = [sigma*Ts*Tr (Ts+Tr) 1]; Gd1 = tf(numGd1, denGd1); numGq1 = Kbbd*Ki*(1/Rs); denGq1 = [sigma*Ts 1]; Gq1 = tf(numGq1, denGq1); % Design the controller based on model reference Gref = tf(1,[Tref_current 1]); GRds = Gref/(Gd1*(1-Gref)); [numdataGRds dendataGRds] = tfdata(GRds); GRqs = Gref/(Gq1*(1-Gref)); [numdataGRqs dendataGRqs] = tfdata(GRqs); % One can use both the controller below % Controller1: Delete signal "%" to use controller1 numGRds = numdataGRds{1}; denGRds = dendataGRds{1}; numGRqs = numdataGRqs{1}; denGRqs = dendataGRqs{1}; % Controller2 : Delete signal "%" to use controller2 %numGRds = [sigma*Ts*Tr (Ts+Tr) 1]; %denGRds = Kbbd*Ki/Rs*[Tr*Tref_current Tref_current 0]; %numGRqs = [sigma*Ts 1]; %denGRqs = Kbbd*Ki/Rs*[Tref_current 0]; % Design the disturbance compensator % Both compensators are the propotional blocks numGdscom = sigma*Ls/(Ki*Kbbd); denGdscom = 1; numGqscom =-(Ls/(Kbbd*Ki))*[sigma*sigma*Tr*Ts sigma*(Tr+Ts) 1]; denGqscom = [sigma*Tr*Ts (Tr+sigma*Ts) 1];
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
C. Bộ điều khiển từ thông % Transfer function of flux % About how to design this controller % One should read the documentation % Tref_current is time constant of current controller % Tpsi is time constant of flux estimator % Tr is rotor time constant numPsi_r = Lm/Ki;
-86-
denPsi_r = [ Tr*(Tpsi+Tref_current) (Tr+Tpsi+Tref_current) 1]; G0Psi_r = tf(numPsi_r, denPsi_r); % Design the controller based on the optimal module critera % numeritor for flux controller numRPsi_r = [ Tr*(Tpsi+Tref_current) (Tr+Tpsi+Tref_current) 1]; % denominator for flux controller denRPsi_r = Lm*2*Tref_psi*[Tref_psi 1 0]; % and Update value to the simulink model
D. Bộ điều khiển tốc độ
% Speed controller % Design the speed controller by approximately continuity % Symetric optimization method % Transfer function of speed controller numG0speed = (3*pc/2)*(Lm/Lr)*(Kw/Ki)/Jr; denG0speed = [Tw+Tref_current 1 0]; Kspeed = (3*pc/2)*(Lm/Lr)*(Kw/Ki)/Jr; Tspeed = Tw + Tref_current; % Params of speed controller TI = 4*Tspeed; Kp = 1/(Kspeed*Tspeed*2);
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
