đồ án tổng hợp hệ thống điện cơ - NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO LỒNG SÓC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTƠ TỰA TỪ THÔNG ROTO (FOC)

đồ án tổng hợp hệ thống điện cơ - NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO LỒNG SÓC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTƠ TỰA TỪ THÔNG ROTO (FOC)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HN

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập-Tự do-Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN - CƠ

Giảng viên hướng dẫn : ThS.NGUYỄN ĐĂNG KHANG

Nhóm Sinh viên thực hiện :

Lời nói đầu

Ngày nay,động cơ điện được sử dụng rộng rải trong mọi lỉnh vực của đờisống xã hội,đặc biệt là trong các ngành công nghiệp sản xuất hiện đại,và trongnhiều lỉnh vực đời sống không thể thiếu các động cơ điện,vì vậy các loại động

cơ điện được chế tạo ngày càng hoàn thiện hơn,trong đó động cơ điện khôngđồng bộ 3 pha chiếm tỉ lệ lớn trong các ngành công nghiệp do động cơ khôngđồng bộ 3 pha có nhiều ưu điểm như việc khởi động dể dàng,giá thành rẻ,vậnhành êm,kích thước nhỏ gọn,làm việc chắc chắn,đặc tính làm việc tố,bảo quảnđơn giản,chi phí vận hành và bảo trì thấp.tuy vậy nó có nhược điểm đặc tính cơphi tuyến mạnh nên trước đây, với các phương pháp điều khiển còn đơn giản,loại động cơ này phải nhường chỗ cho động cơ điện một chiều và không đượcứng dụng nhiều.tuy nhiên với sự phát triển mạnh của ngành khoa học kỉ thuậtngày nay như ngành kỉ thuật vi xử lý,điện tử công suất cộng các lý thuyết điềukhiển, truyền động thì việc ứng dụng động cơ không đồng bộ 3 pha là được ứngdụng rộng rải trong hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ của các máy sảnxuất, thay thế dần động cơ một chiều

Trước đây thường điều khiển động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp Đây là mộtphương pháp đơn giản nhưng chất lượng điều chỉnh kể cả tĩnh lẫn động đều khôngcao Để điều khiển được chính xác và hiệu quả phải nói đến phương pháp thay đổitần số điện áp nguồn cung cấp Do tốc độ động cơ không đồng bộ xấp xỉ tốc độđồng bộ nên động cơ làm việc với độ trượt nhỏ và tổn hao công suất trượt trongmạch rôto nhỏ Tuy nhiên phương pháp này còn phức tạp và đắt tiền thiết bị dùng

để biến đổi tần số là các bộ nghịch lưu, có thể là nghịch lưu trực tiếp hoặc giántiếp Ta có thể sử dụng bộ biến tần là một thiết bị tích hợp cả chỉnh lưu, nghịch lưulẫn điều khiển Luật điều khiển trong mỗi biến tần tuỳ thuộc vào nhà sản xuất.Hiện nay để điều khiển động cơ đã có nhiều biến tần bán sẵn trên thị trường, ítkhi còn phải thiết kế theo phương pháp kinh điển nữa Các nhà sản xuất lựa chọn

biến tần nhiều hơn bảng điều khiển sao - tam giác hoặc điện trở phụ hoặc các thiết

bị điều khiển khác vì nó gọn nhẹ, điều khiển chính xác, tin cậy, đáp ứng được nhucầu tự động hoá và từng bước hiện đại hoá xí nghiệp của họ Biến tần đơn giảnthường điều khiển tốc độ theo luật U/f để đảm bảo động cơ sinh mômen tốt nhưngcho các hệ truyền động yêu cầu cao hơn thì có biến tần điều khiển theo vectơ tựa từthông roto (foc)

Mục đích của đồ án

Tuy hiện nay các loại biến tần đã được bày bán và sử dụng rộng rãi trên thị trường của các hãng Toshiba, Omron, Siemens với nhiều phương pháp điều khiển khác nhau như : theo luật U/f không đổi, điều khiển vectơ tựa từ thông roto nhưng việc tìm hiểu để chọn ra một phương pháp thích hợp hoặc nghiên cứu tìm ra một

phương pháp điều khiển mới sao cho tối ưu về giá thành, độ chính xác, độ tin cậy thì vẫn còn những tranh luận vì mỗi loại đều có ưu nhược khác nhau.Bản đồ án nàycủa chúng em xin được trình bày rỏ hơn về phương pháp biến tần sử dụng luật FOC (điều khiển vecto tựa từ thông roto) bao gồm các phần chính sau:

- Xây dựng cơ sở lý thuyết thuật toán FOC

- Mô phỏng bằng Matlab đánh giá đáp ứng hệ thống biến tần dùng thuật toán điều khiển FOC để chứng minh việc đúng đắn của công việc mình đang làm

- Đi đánh giá ưu nhược điểm biến tần sử dụng luật FOC và củng như vị trí ứng dụng của nó.

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa điện đặc biệt là thầy giáo NGUYỄN ĐĂNG KHANG,giáo viên khoa điện trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI người đả trực tiếp giảng dạy và cho chúng em kiến thức để hoàn thành đồ án môn học này

Là một kỉ sư điện tương lai chúng em hiểu rỏ tầm quan trọng của động cơ khôngđồng bộ 3 pha roto lồng sóc trong công nghiệp,quá trình sản xuất và củng nhưtầm quan trọng của việc điều khiển tốc độ nó,trong đó có phương pháp điềukhiển theo vectơ tựa từ thông roto (foc)

Do kiến thức có hạn củng như chưa có kinh nghiệm thực tế nên bản đồ án này của chúng em không tránh khỏi nhửng thiếu sót,em kính mong thầy giáo xem xét và góp ý để chúng em hoàn thành đồ án này được tốt hơn sau này

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo!

Hà nội,ngày 23/12/2011.Nhóm sinh viên thực hiện:NGUYỄN KIÊN CƯỜNGHOÀNG NGỌC QUYẾT

LÊ VĂN NOAN

LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

MỤC LỤC

I XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC

I.1. VÀI NÉT SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO LỒNG SÓC

I.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

I.3. XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC

I.3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ FOC

I.3.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC

I.3.2.1 MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

I.3.2.2 PHÉP BIẾN ĐỔI KHÔNG GIAN VECTO

I.3.2.3 HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ TRONG KHÔNG GIAN VECTO

I.3.2.4 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

I.3.2.5 TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH

I.3.2.6 QUAN SÁT TỪ THÔNG

1.3.3 CẤU HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC

II MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BIẾN TẦN DÙNG

THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC

2.1 MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB

2.2 ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BIẾN TẦN DÙNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC

III ĐÁNH GIÁ ƯU NHƯỢC ĐIỂM BIẾN TẦN SỬ DỤNG LUẬT FOC VÀ VỊ TRÍ ỨNG DỤNG

3.1 ƯU ĐIỂM CỦA FOC

3.2 NHƯỢC ĐIỂM CỦA FOC

3.3 VỊ TRÍ ỨNG DỤNG CỦA FOC

I XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC

1.1 VÀI NÉT SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO LỒNG SÓC

Ta đi tổng quan về động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều haidây quấn trong đó chỉ có dây quấn stato (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lướivới tần số fs, dây quấn rôto (dây quấn thứ cấp) được nối ngắn mạch (hoặc đượckhép kín qua điện trở) Dòng điện trong dây quấn rôto được lấy cảm ứng từphía dây quấn stato, có tần số fr và là hàm của tốc độ góc rôto r So với động

cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có ưu điểm về mặt cấu tạo và giáthành,làm việc tin cậy và chắc chắn Khuyết điểm chính cuả động cơ KĐB làđặc tính mở máy xấu và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn so vớiđộng cơ một chiều Trong thời gian gần đây, với sự hỗ trợ của một số nghànhkhoa học khác như: Điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý đã làm tăng khảnăng sử dụng đối với động cơ không đồng bộ ngay cả trong những trường hợp

có yêu cầu điều chỉnh tự động tốc độ trong dải rộng với độ chính xác cao màtrong các hệ truyền động trước đây vẫn thường phải sử dụng động cơ mộtchiều

Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điện xoay chiều,làm việc theo nguyên lýcảm ứng điện từ,có tốc độ của roto khác với tốc độ từ trường quay trong máy.Động cơ không đồng bộ 3 pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vìchế tạo đơn giản,giá rẻ,độ tin cậy cao,vận hành đơn giản,hiệu suất cao,và gầnnhư không bảo trì.dải công suất rất rộng

Động cơ không đồng bộ 3 pha chia thành:

 Động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc

 Động cơ không đồng bộ 3 pha roto dây quấn

ở đây ta tập trung vào nghiên cứu về động cơ 3 pha roto lồng sóc

Hình ảnh về rotor lồng sóc:

Lá thép của rotor và stator:

Các thanh nhôm được gắn trên rotor (thành dạng "cái lồng nhốt con sóc" nêngọi là "lồng sóc"):

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Ta có từ phương trình momen của động cơ :

] )

' [(

' 3

2 2 2 1 1

2 2 1

X S

R R w

S

R U M

Do momen động cơ không đồng bộ tỷ lệ bình phương điện áp stato,do đó

có thể điều chỉnh được momen và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stato trong khi giử nguyên tần số.đây là phương pháp đơn giản nhất.chỉ sử dụng một bộ biến đổi điện năng (biến áp,triristor)để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn stator.phương pháp này kinh tế nhưng đặctính cơ thu được không tốt,thích hợp với phụ tải máy bơm,quạt gió

 Điều khiển điện trở roto

Sử dụng trong cơ cấu dịch chuyển cầu trục,quạt gió,bơm nước;bằng việc điều khiển tiếp điểm hoặc trisistor làm ngắn mạch/hở mạch điện trở phụ của roto ta điều khiển được tốc độ động cơ,phương pháp này có ưu điểm mạch điện an toàn,giá thành rẻ.nhược điểm:đặc tính điều chỉnh không tốt,hiệu suất thấp,vùng điều chỉnh không rộng

 Điều chỉnh công suất trượt

Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt ps=  pđt được tiêu tán trên điện trở mạch roto.ở các hệ thống truyền động điện công suất lớn,tổn hao này là đáng kể.vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động điện,vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ công suất trượt (sơ đồ nối tầng / nốicấp)

P1 = Pcơ + Ps = P1(1 –s) +sP1 = const

Nếu lấy Ps trả lại lưới thì tiết kiệm được năng lượng

-khi điều chỉnh với  < 1:được gọi là điều chỉnh nối cấp dưới đồng bộ(lấy năng lượng Ps ra phát lên lưới)

- khi điều chỉnh với  > 1(s<0):điều chỉnh công suất trượt trên đồng bộ(nhận năng lượng ps vào ) hay còn gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ hai nguồn cung cấp

- nếu tái sử dụng năng lượng Ps để tạo Pcơ : được gọi là truyền động nối cấp cơ.phương pháp này không có nghỉa nhiều vì khi giảm còn 1/3

1

 thì Ps = 2/3.P1 tức là công suất động cơ 1 chiều dùng để Ps phần gần đúng bằng động cơ chính xoay chiều.nếu không nên điều chỉnh 

xuống.trong thực tế ta không dùng phương pháp này

 Điều chỉnh tần số nguồn cấp stator

Khi điều chỉnh tần số động cơ đồng bộ thường phải điều chỉnh cả điện áp,dòng điện,hoặc từ thông trong mạch stator do trở kháng,từ thông,dòngđiện của động cơ bị thay đổi.

-luật điều chỉnh tần số - điện áp

ở hệ thống điều khiển điện áp/tần số,sức điện động stator động cơ được điều chỉnh tỉ lệ với tần số đảm bảo duy trì từ thông khe hở không

đổi.động cơ có khả năng sinh momen như nhau ở mọi tần số định mức.cóthể điều chỉnh tốc độ ở 2 vùng:

vùng dưới tốc độ cơ bản : giử từ thông không đổi qua điều khiển tỷ số sức điện động khe hở/tần số là hằng số

vùng trên tốc độ cơ bản :giử công suất động cơ không đổi,điện áp được duy trì không đổi,từ thông động cơ giảm theo tốc độ

+theo khả năng quá tải :

Để đảmbảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá tải dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện áp.đối với biến tần nguồn áp thường

có yêu cầu giử cho khả năng quá tải về momen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ.luật điều chỉnh là Us = fs(1+x/2) với x phụ thuộc tải.khi

x = 0 (Mc = const,ví dụ cơ cấu nâng hạ )thì luật điều chỉnh us/fs không đổi

+điều chỉnh từ thông:

Trong chế độ định mức,từ thông là định mức và mạch từ là tối đa.luật điều chỉnh tần số - điện áp là giử gần đúng từ thông không đổi trên toàn dải điều chỉnh.tuy từ thông động cơ trên mổi đặc tính cơ còn phụ thuộc rất nhiều vào độ trượt s,tức là phụ thuộc vào momen tải trên trục động cơ.vì vậy trong các hệ điều chỉnh yêu càu chất lượng cao cần tìm cách bù

từ thông Phương pháp này có nhược điểm là mổi đông cơ phải cài đặt một sensor do từ thông không thích hợp cho sản xuất đại trà và cơ cấu đó gắn liền trong đó bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và nhiểu

Nếu điều chỉnh cả biên độ và pha của dòng điện thì có thể điều chỉnh được từ thông roto mà không cần cảm biến tốc độ

+ Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện:

Phương pháp điều chỉnh này sử dụng biến tần nguồn dòng Biến tần nguồndòng có ưu điểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản màvẫn thực hiện hãm tái sinh động cơ Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch

lưu phải là nguồn dòng điện, tức là dòng điện không phụ thuộc vào tải màchỉ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển Để tạo nguồn điện một chiều thườngdùng chỉnh lưu điều khiển hoặc băm xung áp một chiều có bộ điều chỉnhdòng điện có cấu trúc tỷ lệ - tích phân (PI), mạch lọc là điện kháng tuyếntính có trị số điện cảm đủ lớn.

+ Điều chỉnh tần số - dòng điện:

Việc điều chỉnh từ thông trong hệ thống biến tần nguồn dòng được thựchiện tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp

+ Điều chỉnh vectơ dòng điện:

Tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp ở hệ thống biến tần nguồn dòngcũng có thể thực hiện điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh vị trí vectơdòng điện không gian Điều khác biệt là trong hệ thống biến tần nguồndòng thì dòng điện là liên tục và việc chuyển mạch của các van phụ thuộclẫn nhau

Ra đời năm 1997, thực hiện được đáp ứng nhanh Vì r có quán tính cơ nênkhông biến đổi nhanh được, do đó ta chú trọng thay đổi s không thay đổi

r Phương pháp này không điều khiển theo quá trình mà theo điểm làmviệc Nó khắc phục nhược điểm của điều khiển định hướng trường vectơrôto r cấu trúc phức tạp, đắt tiền, độ tin cậy thấp (hiện nay đã có vi mạchtích hợp cao, độ chính xác cao), việc đo dòng điện qua cảm biến gây chậmtrễ, đáp ứng momen của hệ điều khiển vectơ chậm (cỡ 10 ms) và ảnh hưởngcủa bão hoà mạch từ tới Rs lớn

Kết luận :trong hệ thống truyền động điều khiển tần số,phương pháp

điều khiển theo từ thông roto có thể cho ta đặc tính tỉnh và động của động

cơ tốt

1.3.XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN FOC

1.3.1 Tổng quan về FOC

Moment sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dòng trong cuộn ứng và

từ thông sinh ra trong hệ thống kích từ động cơ Từ thông phải được giữ ở mức tối ưu nhằm đảm bảo sinh ra moment tối đa và giảm tối thiểu mức độ bão hòa của mạch từ Với từ thông có giá trị không đổi ,moment sẽ tỷ lệ với dòng phần ứng

Động cơ điện tương tự như 1 nguồn moment điều khiển được Yêu cầu điều khiển chính xác giá trị moment tức thời của động cơ đặt ra trong các hệ truyền động có đặc tính truyền động cao và sử dụng phương pháp điều khiển vị trí trục roto

Việc điều khiển moment ở xác lập có thể mở rộng cho quá độ được thực hiện trong các hệ thống điều khiển vecto dựa theo nguyên lý định hướng từ trường Việc điều khiển động cơ theo nguyên lý định hướng từ trường có nhiều phương pháp khác nhau như : định hướng từ thông roto , định hướng từ thông stator ,

định hướng từ thông khe hở không khí Trong đó việc điều khiển từ thông

roto ( FOC ) đơn giản và được sử dụng rộng rãi

Nguyên lý điều khiển định hướng theo vecto từ thông dựa trên phương pháp phân tách phi tuyến được sử dụng trong điều khiển các hệ thống phi tuyến Bảnchất của phương pháp này là điều khiển các biến đã chọn sao cho chúng luôn bằng 0 Như vậy mô hình toán học sẽ trở nên đơn giản hơn vì có thể loại bỏ 1

số nhánh trong mô hình tổng quát

1.3.2 XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN FOC

1.3.2.1.MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

Đối với các hệ truyền động điện đã được số hoá hoàn toàn, để điều khiển biếntần người ta sử dụng phương pháp điều chế vectơ không gian Khâu điều khiểnbiến tần là khâu nghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển/ điều chỉnh bằng sốvới khâu chấp hành Như vậy cần mô tả động cơ thành các phương trình toán học.Quy ước : A,B,C chỉ thứ tự pha các cuộn dây rotor và a,b,c chỉ thứ tự pha cáccuộn dây stator

Giả thiết : - Cuộn dây stato, roto đối xứng 3 pha, rôto vượt góc 

- Tham số không đổi

- Mạch từ chưa bão hoà

- Khe hở không khí  đồng đều

- Nguồn ba pha cấp hình sin và đối xứng (lệch nhau góc 2/3)

Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn dây k như sau:

Trong đó :k là thứ tự cuộn dây A,B,C rotor và a,b,c stator.

:k là từ thông cuộn dây thứ k k=Lkjij Nếu i=k: tự cảm, jk: hỗ cảm

d Lr R (

L dt d

( L dt

d dt

d L R

r t

m

m S

S



 )

)

Kết luận : nếu mô tả toán học như trên thì rât phức tạp nên cần phải đơn giản bớt

đi Tới năm 1959 Kôvacs(Liên Xô) đề xuất phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ và Park (Mỹ) đưa ra phép biến đổi d, q

1.3.2.2 PHÉP BIẾN ĐỔI TUYẾN TÍNH KHÔNG GIAN VECTO

Trong máy điện ba pha thường dùng cách chuyển các giá trị tức thời của điện ápthành các véc tơ không gian Lấy một mặt phẳng cắt môtơ theo hướng vuông gócvới trục và biểu diễn từ không gian thành mặt phẳng Chọn trục thực của mặt phẳngphức trùng với trục pha a

2

e j a

Hình2-1: Tương quan giữa hệ toạ độ  và toạ độ ba pha a,b,c

Ba véc tơ dòng điện stator ia, ib, ic tổng hợp lại và đại diện bởi một véc tơ quaytròn is Véc tơ không gian của dòng điện stator:

) (

(3

1}Re{

is  i s  i a  i b i c

)(

3

3}Im{

is  i s  i b  i c

Hình 2-2: Cuộn dây 3 pha nhìn trên 

Theo cách thức trên có thể chuyển vị từ 6 phương trình (3 rôto, 3 stato) thànhnghiên cứu 4 phương trình

Phép biến đổi từ 3 pha (a,b,c) thành 2 pha (, ) được gọi là phép biến đổi thuận.Còn phép biến đổi từ 2 pha thành 3 pha được gọi là phép biến đổi ngược

Các hệ toạ độ được mô tả như sau:

Hình 2-4: Các đại lượng i s ,  r của động cơ trên các hệ toạ độ

Các phương trình chuyển đổi hệ toạ độ:

a,b,c  :

) ( 3

1

b a s

a s

i i i

i i

2 1

) 3 (

2 1

c

s s

b

s a

i i

i

i i

i

i i

1.3.2.3.HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ TRONG KHÔNG GIAN VECTO

Để dễ theo dõi ta ký hiệu :

Chỉ số trên s: xét trong hệ toạ độ stato (toạ độ ,)

f: trong toạ độ trường (field) từ thông rôto (toạ độ dq) r: toạ độ gắn với trục rôto

Chỉ số dưới s: đại lượng mạch stato

r: đại lượng mạch rôto Phương trình mômen :

) (

2

3 ) (

.

2

3

r r s

J m

Phương trình điện áp cho ba cuộn dây stato :

t d

t i R

t

u

dt

t d

t i R

t

u

dt

t d

t i R

t

u

sc sc

s sc

sb sb

s sb

sa sa

s sa

) ( )

( )

(

) ( )

( )

(

) ( )

( )

Tương tự như vectơ dòng điện ta có vectơ điện áp:

us(t)= 2/3.[usa(t) + usb(t).ej120 + usc(t).ej240]

Sử dụng khái niệm vectơ tổng ta nhận được phương trình vectơ:

dt d i

R

u

s s s

Trong đó uss, iss, ss là các vectơ điện áp, dòng điện, từ thông stato

Khi quan sát ở hệ toạ độ ,:

Đối với mạch rôto ta cũng có được phương trình như trên, chỉ khác là do cấu tạocác lồng sóc là ngắn mạch nên ur=0 (quan sát trên toạ độ gắn với trục rôto)

Từ thông stato và rôto được tính như sau:

dt d i R

r r r

r r





 0

r = isLm+irLr

Trong đó Ls : điện cảm stato Ls = Ls+ Lm (Lós : điện cảm tiêu tán phía stato)

Lr : điện cảm rôto Lr = Lr+ Lm (Lór : điện cảm tiêu tán phía rôto)

Ls : hỗ cảm giữa rôto và stato (Phương trình từ thông không cần đến chỉ số hệ toạ độ vì các cuộn dây stato và rôto

có cấu tạo đối xứng nên điện cảm không đổi trong mọi hệ toạ độ)

a) Phương trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định 

Phương trình điện áp stato giữ nguyên, còn phương trình điện áp rôto có thay đổi

do rôto quay với tốc độ  so với stato nên có thể nói hệ toạ độ  quay tương đốivới rôto tốc độ -

s r m

s r s

r

r

s s s

i

L i L

i

j dt d i

R

dt d i

)(

1

m

s s

s r r

m s

s r r

s

r

L i L

L L

i

L i L

T T

L

i

dt

d L

L dt

i d L i

R

u

s r r

s r r

m

s

s

s r r m

s s s

r

m r

r r

r

s r

m r

s s

r m r

r m

s r s

s

s s

r m

r m r

s r s

s

T

i T

L dt

d

T

i T

L dt

d

u L L

T L

i T T

dt

di

u L L

L T

i T T

dt

di

11

11

1)11(

11

1)

11(

L.p.)L)Li(.(

p.)

i.(

p

r

m r

m

s s

s r

s r

s r

s r

2

312

32

3

(2-10)

Thay các vectơ trong (2-10) bằng các phần tử tương ứng ta được :

)ii

(L

L.p

Từ hệ phương trình (2-9) và phương trình (2-11) ta có công thức mô tả động cơ

không đồng bộ trên hệ toạ độ , trong đó thay T theo công thức:

r r s m r r

s s

r r m

r m s

s s

r m

r m r s

T i L p

T

T i L p

T

u L T

L L

i T p

u L L

L T

i T p

(

)1

(

11

1)

1(

11

1)

1(

1

Ls

PcpJ

1-

LmTrT

1+pT

Tr

11+pTr

Đầu vào của mô hình là đại lượng điện áp Do vậy mô hình chỉ đúng với biến tầnnguồn áp Còn khi sử dụng biến tần nguồn dòng (cho công suất truyền động rấtlớn) thì phải biến đổi mô hình thành đầu vào là dòng stato is, is

Hệ phương trình (2-9) khi viết lại dưới dạng ma trận:

s s s s

s

u B x A dt

s s

A A

A A

22 21

12 11

, với các phần tử như sau:

.J T

1 T

1

T

-1

A

T L T

L

0

0

1 - T 1 L 1 L

T

1 L

0 T

1 T

1

0

0

T

1

A

r r

r

s

22

r m

r m r

m

s

21

r m r

r m m

r m

m m

J I I

.

) ( σ σ

σ

σ ω

σ

σ

ω σ

σ σ

σ

1

1

σ σ

σ σ

0

0

; .I

0

0

khi trong ;

1

1

2 1

s s

s

s

L L

L B

s

u B x A dt



A

s 12

A s 21

b, Phương trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq:

Tương tự như trên, khi chiếu trên hệ toạ độ này thì các phương trình từ thông vẫnkhông đổi, chỉ có các phương trình điện áp thay đổi như sau:

- Toạ độ từ thông rôto quay tốc độ s so với stato

- Hệ toạ độ chuyển động vượt trước so với rôto một tốc độ góc r = s -

Từ đó ta thu được hệ phương trình :

r

f r m

f s

f

r

m

f r s

f s

f

r

f r r

f r f

r r

f r s

f r f

s s

f

s

L i L i

L i L i

j dt

d i R

j dt

d i R u

)(

f r r

m s

f s

f

s

m

f s

f r r

f

r

L i L

L L i

L i L

rq r rd r sq r

m

rq

rq r rd r

sd r

m

rd

sq s

rq r m

rd m

sq r s

sd s

sq

sd s

rq m

rd r m sq

s sd r s

sd

T

i T

L

dt

d

u L T

L L

i T T

i dt

di

u L L

T L i

i T T

11

1)11(

11

1)

11(

m

r

sd m rd r

sq s

rd m sd

s sq

sd s

rq m

rd r m sq

s sd

i

T

L

i L p

T

u L L

i i

p

T

u L L

T L i

)

1

(

11

1)

Tương tự như trên toạ độ  ta cũng có phương trình mômen cho toạ độ dq:

m c

L

L p

L

L p

Hình 2-7: Mô hình động cơ trên hệ toạ độ quay dq

Sau này, khi đi sâu vào bài toán điều khiển ta sẽ sử dụng mô hình quay dq

Mô hình động cơ biểu diễn dưới dạng ma trận: hệ phương trình (2-16) sau khi tách r

= s -  có thể viết lại dưới dạng mô hình trạng thái phi tuyến như sau:

s f f

s f f f

f

x N u

B x



1

Ls

Lm1+pTr

PcpJ

T

1+pT

r r

m

r m m

m r

m f

T T

L

T T

L

T L L

T

L T

L T

A

1 0

1 0

1 1

1 0

1 1

0 1

0 0

1 0

0 1

s

s f

L

L B

1 0 0 0

0 0 0 1

0 0 1 0

N

Hình minh hoạ cho mô hình (2-19) cho thấy đầu vào stato động cơ gồm thànhphần vectơ điện áp us và tần số nguồn s Như vậy so với mô hình trên hệ toạ độ tĩnhthì mô hình trên hệ toạ độ quay cần thêm tốc độ quay của hệ tọa độ đó Điều đó có thểhiểu được vì vectơ us trên dq chỉ gồm hai thành phần một chiều usd, usq , còn trên toạ

độ tĩnh thì tần số s đã chứa trong hai thành phần xoay chiều us us

Hình 2-8: Mô hình ĐCKĐB trên toạ độ dq theo dạng vectơ

1.3.2.4.CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘTrước đây ta đã đề cập đến vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ theo côngthức (2-18) : m M K mrd i sq để có thể điều khiển được chính xác tương tự như động

(t)

dx f

cơ một chiều (điều khiển độc lập thành phần kích từ r và thành phần dòng phần ứng

is)

Như vậy hệ điều khiển cũng tương tự như hệ điều khiển động cơ một chiều

Hình 2-9: Mô hình điều khển động cơ một chiều.

Ta sẽ xây dựng một hệ điều khiển tương tự cho động cơ không đồng bộ nhưng trêntoạ độ dq Như vậy động cơ cũng phải biểu diễn trên dq (mục 2-3-2), lượng đặt là 

Hình 2-10: Tư tưởng điều khiển ĐCKĐB.

Nhưng trong hệ thống thực, nguồn cung cấp cho động cơ là ba pha abc và các đạilượng dòng phản hồi đo về được cũng là trên toạ độ abc, vậy giữa hai hệ toạ độ đóphải có các bộ chuyển đổi toạ độ, cụ thể là từ bộ điều chỉnh lượng đặt để thành tínhiệu đưa vào biến tần nuôi động cơ phải có một bộ chuyển đổi dq/abc từ các đại lượngdòng đo được đem phản hồi có một bộ chuyển đổi ngược từ abc/dq

Vấn đề nảy sinh là khi chuyển đổi giữa hai toạ độ cần phải có góc lệch giữa chúng(s) Từ đây có hai giải pháp:

- Lấy s bằng cách tích phân tốc độ quay s của dòng, áp stato hoặc của từ thôngrôto

- Vì hệ toạ độ quay dq có trục thực gắn với r nên góc s có thể xác định bằngcách tính góc của r trên hệ toạ độ 

Từ phân tích trên ta có hệ thống điều khiển như hình vẽ:

a,b,c d,q

a,b,c d,q

Nghịch lưu độc lập PWM

iasi

Risd

Hình 2-11: Sơ đồ hệ thống điều chỉnh dòng điện và tốc độ của động cơ trên dq.

Góc s dùng để chuyển toạ độ từ tĩnh sang quay theo chiều thuận hoặc ngược

(dq hoặc dq) s có thể được tính trực tiếp s = arctg(r) hoặc gián tiếp : s

= s.t + 0

Tuỳ theo cách xác định góc quay từ trường s mà ta có hai phương pháp điều khiểnvectơ: phương pháp điều khiển trực tiếp và phương pháp điều khiển gián tiếp:

Điều khiển vectơ gián tiếp

Hình 2-12: Đồ thị góc pha của phương pháp điều khiển vectơ gián tiếp

Ở phương pháp này , góc s được tính toán dựa vào các đại lượng đầu cực củađộng cơ từ đó tính ra các phần tử quay cos, sin

Theo đồ thị trên, góc pha được tính như sau:

f rs f

r

dt

d i

 0Xét trên hai trục d và q tương ứng ta được:

a

+1(

)

+j(

rd r

rq rq

r

rq r

rd rd

r

dt

d i

R

dt

d i

rq

m

sd m rd

rd

L

i L i

L

i L i

m rq r

r

rq

rq r sd r r

m rd r

r

rd

I R L

L L

R

dt

d

I R L

L L

L

m

LmT

r p +1

1 p

Hình 2-13: Sơ đồ tính toán góc quay từ trường theo phương pháp gián tiếp.

Điều khiển vectơ trực tiếp theo từ thông rôto

Phương pháp này xác định trực tiếp góc quay từ trường s từ từ thông rôto r

hoặc từ thông khe hở 0 trên hai trục của hệ toạ độ vuông góc:

r có thể được xác định bằng cảm biến từ thông Hall hoặc bằng tính toán

Việc dùng cảm biến thường tín hiệu thu được dễ bị nhiễu trong quá trình đọng

cơ làm việc nên ta có thể xác định r bằng tính toán:

 Tính toán từ thông theo mô hình quan sát

Mô hình quan sát từ thông đủ bậc trong đó tính toán cả dòng stato và từ thông rôtođược xây dựng theo phương trình ở chương 2-7:

) ( 0

.

) (

^

2

1 1

^

^

22 21

12 11

r

s r

s

s s s

i i G

G u B i

A A

A A i

dt

d

i i G u

) (

^ 2

^ 22

s

r

s s s

r s

s

i i G A

i

A

i i G u B A

Hình 2-18: Tính toán  r theo mô hình quan sát.

Sau khi đã có r , r ta tính góc quay từ trường bằng các công thức:

r

r s r

r s

Từ đó ta có được mô hình toàn bộ hệ thống điều khiển trực tiếp như sau:

Sơ đồ dưới dạng vectơ gồm hai nhánh song song : một là động cơ thực tế vàmột là mô hình quan sát động cơ lấy thông số là dòng điện, điện áp stato, sau khitính toán được vectơ dòng điện stato mẫu is đem so với dòng stato thực tế từ đótính ra vectơ từ thông r

dq 



abc

dq 

Tính toán từ thông rôto

Nghịch lưu PWM