Nghiên ứu hệ thống điều khiển vé tơ động ơ không đồng bộ với xét đến bão hòa mạh tử

Trang 1 NGUYỄN XUÂN TRÍBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- NGUYỄN XUÂN TRÍĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HểANGHIấN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VẫCTƠ ĐỘNG CƠ KHễNG ĐỒNG BỘ VỚI XẫT

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ ĐỘNG

CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA

BÃO HÒA MẠCH TỪ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- NGUYỄN XUÂN TRÍ

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA BÃO HÒA MẠCH TỪ

Chuyên ngành : ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này do chính tôi làm dưới sự hướng dẫn của thầy

giáo TS NGUYỄN MẠNH TIẾN Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung

thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguy n Xuân Trí ễ

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HI U, CH ẾỆ ỮVI T T T 3 Ắ

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

M Ở ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN V Ề CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHI N ĐỂ ỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG B .9 Ộ 1.1.T ng quan 9ổ 1.2.Các phương pháp điều khiển ĐCKĐB 10

1.2.1 Điều ch nh t c đ ỉ ố ộ động cơ vớ ầi t n s ố không đổi 10

1.2.1.1 H ệthống điều ch nh và khỉ ở ộng động cơ bằng điệi đ n áp stato : 10

1.2.1.2 H ệthống điều ch nh và khỉ ở ộng động cơ bằng điệi đ n tr ph ở ụroto : 11

1.2.2 Điều ch nh t c đ ỉ ố ộ động cơ vớ ầi t n s ố thay đổi 12

1.2.2.1 Điều khiển vô hướng động cơ không đ ng b (scalar)ộ 12

1.2.2.2.Nguyên lý điều khi n t n s ể ầ ố 13

1.2.2.3 Phương pháp điều khiển véctơ 19

CHƯƠNG 2- MÔ T TOÁN H C ĐẢ Ọ ỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG B .25 Ộ 2.1 Mô hình động cơ không đ ng b khi không xét ộ ảnh hưởng c a bão hòa t .25 ủ ừ 2.1.1.H ệphương trình trong không gian véctơ 27

2.1.1.1.H ệ phương trình cân bằng điện áp dở ạng véctơ 27

2.1.1.2.H t a quay chu nệ ọ độ ẩ 28

2.1.1.3 H ệ phương trình véctơ trạng thái 29

2.2.Mô hình động cơ không đ ng b khi xét ộ ảnh hưởng c a bão hòa t .32 ủ ừ

BÃO HÒA T .34Ừ

3.1 C u trúc h u khiấ ệ điề ển véctơ trực ti p không ế xét đến bão hòa t .34ừ

3.2 Tính toán t ừ thông theo mô hình quan sát đủ ậ b c 35

3.3 Mô hình quan sát t ừthông ới tính đế ảnh hưở v n ng của sự bão hòa t .37ừ 3.4 Mô hình tính toán lượng đặt dòng điện 39

3.5 H ệthống điều khiển véctơ có xét bão hòa từ 40

CHƯƠNG 4 – MÔ PH NG H THỎ Ệ ỐNG ĐIỀU KHI N 42 Ể 4.1 Mô hình mô ph ng 42ỏ 4.1.1 Mô hình động cơ không đ ng b khi xét ộ ảnh hưởng của bão hòa từ 42

4.1.2 Mô hình mô phỏng khâu tính lượng đặt dòng điện I*ds và I*qs 45

4.1.3 Mô hình mô ph ng tính các thành ph n t ỏ ầ ừthông từ hóa và dòng t hóa ừ 45

4.1.4 Mô hình quan sát t ừthông ở chế độ không bão hòa từ 46

4.1.5 Mô hình quan sát t ừthông ở chế độ bão hòa từ 47

4.2 Mô ph ng h ỏ ệthống điều khiển véctơ trực tiếp khi không xét bão hòa t .48ừ 4.2.1.Sơ đ mô ph ngỏ 48

4.2.2 Thông s ố động cơ 49

4.2.3 K t qu mô ph ngế ả ỏ 50

4.2.4 K t lu nế ậ 53

4.3.Mô phỏng h ệthống điều khiển véctơ trực ti p xét ế ảnh hưởng c a bão hòa t .53ủ ừ

4.3.1.Sơ đ mô ph ngỏ 53

4.3.2 K t qu mô phế ả ỏng khi chưa có thuật toán bù ảnh hưởng bão hòa từ 55

4.3.3 K t qu mô ph ng khi có thuế ả ỏ ật toán bù ảnh hưởng bão hòa từ 58

KẾT LUẬN 64

TÀI LIỆ U THAM KH O 65 Ả

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt:

Ký hiệu:

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các phương pháp điề- u ch nh tỉ ốc độ 101

Hình 1.2- Sơ đ và đặc tính điều khiển điện áp stato 11

Hình 1.3 - Sơ đ và đặc tính cơ khi thay đổi điệ ở ụn tr ph .12

Hình 1.4 - Sơ đ khối hệ thống điều khi n tể ốc độ vô hướng 13

Hình 1.5 - Đặc tính động cơ có công su t trung bình và nh v i lu t U/f = const 15ấ ỏ ớ ậ Hình 1.6 - Đặc tính U(f) lý tưởng (1) và thực tế(2) 16

Hình 1.7 - c tính Đặ động cơ khi điều khi n t ể ừthông khe hở không đổi .18

Hình 1.8 - S ự tương tự ữa phương pháp điề gi u khiển động cơ một chi u ề và điều khi n ể vectơ 20

Hình 1.9 - Đ thị pha của phương pháp điều khiển vectơ .20

Hình 1.10 - Sơ đ khối cơ bản c a h u khiủ ệ điề ển vectơ động cơ không đ- ng b 212ộ Hình 1.11 - Đ góc pha c athị ủ phương pháp điều khi n gián ti p 223ể ế Hình 2.1 - u diBiể ễn vectơ không gian 266

Hình 2.2 - H tệ ọa độ chu n 29ẩ Hình 3.1 - H ệthống điề u khiển vectơ kiểu trực tiếp 34

Hình 3.2 - Tính toán r theo mô hình quan sát .37

Hình 3.3 - Sơ đ mô hình quan sát có xét đến bão hòa t .38ừ Hình 3.4 - Sơ đ tính toán lượng đặt dòng điện 39

Hình 3.5 - Sơ đ c u trúc h ấ ệthống điều khiển véctơ trực tiếp 40

Hình 4.1 Quan h - ệ ừ t thông với dòng điệ ừn t hóa 44

Hình 4.2- Sơ đ mô phỏng động cơ khi xét đến bão hòa t .44ừ Hình 4.3 - sơ đ mô phỏng tính lượng đặt dòng điện I*ds và I*qs 45

Hình 4.4 - Sơ đ mô phỏng tính các thành ph n t ầ ừthông từ hóa .45 Hình 4.5 - Sơ đ mô phỏng tính các thành ph n dòng t hóa 46ầ ừ

Hình 4.6 - hình quan sát t Mô ừthông ở chế độ không bão hòa t .47ừ Hình 4.7 - Sơ đ mô ph ng mô hình quan sát t ỏ ừ thông có xét đến bão hòa t .47ừ Hình 4.8 - Sơ đ c u trúc h u khiấ ệ điề ển véctơ trực tiế ĐCKĐB không xét bão hòa p -

t .48 ừ Hình 4.9 - Mô hình động cơ không đ ng b không bão hòa t .49ộ ởchế độ ừ

Hình 4.10 – Mô men động cơ 50

Hình 4.11 – ố ộ động cơ T c đ 51

Hình 4.12 – ừ T thông roto 51

Hình 4.13 – Dòng sinh t ừthông 52

Hình 4.14 – Dòng sinh mômen 52

Hình 4.15- Sơ đ c u trúc h u khiấ ệ điề ển véc tơ trực tiế ĐCKĐB có xét bão hòa từp - 54

Hình 4.16 - c tính t Đặ ừ hóa động cơ 55

Hình 4.17 – Mô men động cơ khi chưa có bù bão hòa 56

Hình 4.18 – ố ộ động cơ khi chưa có bù bão hòa T c đ 56

Hình 4.19 T thông rôto – ừ khi chưa có bù bão hòa 57

Hình 4.20 – Dòng sinh t thông ừ khi chưa có bù bão hòa 57

Hình 4.21 – Dòng sinh mômen khi chưa có bù bão hòa 58

Hình 4.22 – Mômen động cơ khi có bù bão hòa 59

Hình 4.23 – ố ộ động cơ khi có bù bão hòa T c đ 60

Hình 4.24 – ừ T thông rôto khi có bù bão hòa 60

Hình 4.25 – Dòng sinh t ừthông khi có bù bão hòa 61

Hình 4.26 – Dòng sinh mômen khi có bù bão hòa 61

Hình 4.27 - Đ t ng h p v t thông 3 ch thị ổ ợ ề ừ ở ế độmô phỏng 62

MỞ ĐẦUĐộng cơ không đ ng bộ ngày nay được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thay cho các động cơ khác vì nó có nhiều ưu điểm như khởi động đơn giản, vận hành

trước đây, với các phương pháp điều khiển còn đơn giản, loại động cơ này phải nhường chỗ cho động cơ điện một chiều Nhưng với việc phát triển của các lý thuyết điều khiển, truyền động cộng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật như kỹ thuật vi xử

lý, điện tử công suất nên đã hạn chế được nhược điểm trên, đưa động cơ không đ ng

bộ trở thành phổ biến.Trước đây thường điều khiển động cơ bằng cách điều chỉnh điện

áp Đây là một phương pháp đơn giản nhưng chất lượng điều chỉnh kể cả tĩnh lẫn động đều không cao

Để điều khiển được chính xác và hiệu quả phải nói đến phương pháp thay đổi tần

nên động cơ làm việc với độ trượt nhỏ và tổn hao công suất trượt trong mạch rotô 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 gián tiếp Ta có thể sử dụng

bộ biến tần là một thiết bị tích hợp cả chỉnh lưu, nghịch lưu lẫn 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 Biến tần đơn giản thường điều

khiển tốc độ theo luật Uf/ để đảm bảo động cơ sinh momen tốt nhưng cho các hệtruyền động yêu cầu cao hơn thì có biến tần điều khiển theo vectơ.Trong hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi tần số, có 2 phương pháp điều khiển:

➢ Phương pháp điều khiển véctơ trực tiếp: Nguyên lý dựa trên phương pháp

nhiều phương pháp xác định từ thông rôto : Dùng Cảm biến Hall; tính từ

thông từ điện áp và dòng điện stato; từ dòng điện stato và tốc độ rôto và mô hình quan sát

rôto Hệ điều khiển véctơ gián tiếp cần phải có tín hiệu vị trí rôto và chất lượng điều khiển phụ thuộc vào các thông số của động cơ không đ ng bộ Do

chỉnh phù hợp với các tham số động cơ, điều này là một vấn đề không dễ dàng Thông số ảnh hưởng đến các đặc tính của hệ thống và cần phải tính toán trong quá trình làm việc là điện trở dây quấn rôto

Khi nghiên cứu về động cơ không đ ng bộ, để đơn giản cho quá trình thành lập

mô hình toán học, trên cơ sở đó mô hình hóa động cơ, người ta thường đưa ra một số giả thiết, trong đó từ thông động cơ thường được nghiên cứu trong vùng tuyến tính, nhưng thực tế, trong rất nhiều trường hợp ứng dụng có mô men biến đổi, lúc đó động

cơ không đ ng bộ cần phải làm việc ở chế độ bão hòa từ để sinh ra mô men lớn hơn Đơn giản như ở các ứng dụng chuyển động, động cơ không đ ng bộ được tính chọn

để làm việc bình thường, tuy nhiên trong quá trình chuyển động cần tăng tốc hay giảm tốc thì nó cần sinh ra mô men lớn (nhỏ) trong thời gian ngắn Khi tính chọn động cơ,

ta có thể chọn động cơ nhỏ hơn yêu cầu công nghệ nếu hệ thống điều khiển có thể duy trì việc điều khiển ở cả vùng mô men lớn Thông thường, các giá trị điện cảm dùng để điều khiển các giá trị thay đổi được để bù ảnh hưởng của bão hòa từ, tuy nhiên việc bù

này không dễ dàng Do đó, một vấn đề đặt ra là mô phỏng chính xác hiện tượng bão

chất lượng hệ điều khiển

Với mục đích nghiên cứu sự ảnh hưởng của bão hòa từ đến chất lượng điều khiển hệ truyền động điện, luận văn sẽ đi sâu vào nghiên cứu phương pháp điều khiển

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ -

KHÔNG ĐỒNG BỘ: giới thiệu tổng quan về các phương pháp điều khiển tốc

độ động cơ không đ ng bộ, giới thiệu phương pháp mới với nhiều ưu điểm so với các phương pháp kinh điển

Chương 2 – MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ : Đưa ra hệ

phương trình mô tả toán học động cơ không đ ng bộ khi không xét đến ảnh hưởng của bão hòa mạch từ và khi có xét đến ảnh hưởng của bão hòa mạch từ

Chương 3 - XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ CÓ TÍNH

CHẾ ĐỘ BÃO HÒA TỪ : Xây dựng cấu trúc hệ điều khiển véctơ trực tiếp không xét đến bão hòa từ, xây dựng mô hình quan sát từ thông với tính đến ảnh

hệ thống điều khiển vectơ có xét bão hòa từ

Chương 4 - MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN : Tiến hành mô phỏng hệ

thống trong 3 trường hợp: khi không xét ảnh hưởng của bão hòa từ, khi có xét

ảnh hưởng của bão hòa từ và trường hợp có bù ảnh hưởng của bão hòa từ

Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG

CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Trong công nghiệp máy điện không đ ng bộ ba pha là loại động cơchiếm một tỷ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác Do kết cấu đơn giản, làmviệc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, ngu n cung cấp lấy ngay trên lưới

kW Tuy nhiên các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ không

đ ng bộ lại có tỷ lệ nhỏ so với động cơ một chiều Đó là điều chỉnh tốc độ động cơ không đ ng bộ gặp nhiều khó khăn và dải điều chỉnh hẹp…

Ngày nay, điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại chứa đựng những phương pháp mới trong việc mô hình hóa đối tượng động cơ, từ đó xây dựng nên các thuật toán điều khiển phù hợp với các tiến bộ mới của công nghệ vi điện

tử, vi xử lý và điện tử công suất Cơ sở truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại là

Balaschke đưa ra 1970

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ được sử dụng trong thực tế được minh họa trên hình 1.1

Tần số không đổi ( f = hằng số):

+ Điều chỉnh điện áp stato

+ Điều chỉnh điện trở phụ roto

- Tần số thay đổi ( f ≠ hằng số) :

+ Điều khiển véctơ

Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

1.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ với tần số không đổi

1.2.1.1 Hệ thống điều chỉnh và khởi động động cơ bằng điện áp stato :

Nguyên lý điều khiển tốc độ : Thay đổi trị số hiệu dụng điện áp đặt vào stato (nhỏ hơn điện áp định mức), tần số được giữ định mức

Từ biểu thức mô men tới hạn và độ trượt tới hạn nhận thấy rằng : Khi Điện áp giảm (<U1đm) mô men tới hạn giảm tỉ lệ U21đm và độ trượt sth không đổi, đ ng thời mô

Mcf ≡ 1/s

Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

p

độ và đặc tính có độ dốc tăng khi điện áp giảm Do dó phương pháp này thường được

đi Động cơ sẽ khó khởi động hơn đặc biệt với các cơ cấu có mô men cản tĩnh (khi

động cơ không quay) lớn : băng tải có tải khi khởi động, cần trục có tải

1.2.1.2 Hệ thống điều chỉnh và khởi động động cơ bằng điện trở phụ roto :

Nguyên lý điều chỉnh : Thay đổi tốc độ bằng thay đổi điện trở phụ trong roto

băng mô men tới hạn

Đặc tính điều chỉnh của động cơ là :

Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

công nghiệp cho các máy có đặc tính mô men là hằng số như cần trục,… Đ ng thời cũng được ứng dụng để khởi động các động cơ roto dây quấn , đặc biệt các động cơ

1.3

Hình 1.3 - Sơ đồ và đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ

1.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ với tần số thay đổi

Hiện nay, phần lớn hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đ ng bộ là truyền động đặc tính thấp trong đó cả biên độ lẫn tần số của dòng điện và điện áp của ngu n cung cấp có thể điều chỉnh đ ng thời Cách điều chỉnh này cho phép điều khiển

áp hoặc dòng điện được điều khiển có dạng hình sin, iên độ và tần số được điều b

Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

hướng thường được cài đặt trong thực tế là

Hertz

Volts

thông stato không đổi Phương pháp này bao g m điều khiển tốc độ từ trường quay

hiệu tốc độ đặt *M, sai số tốc độ được đưa vào bộ điều khiển tốc độ trượt (slip controller), cho ra tín hiệu tốc độ trượt chuẩn *sl Tín hiệu này cộng với M tạo ra tín

tần

Inverter P/2

Speed sensor

motor

Dc supply Voltage Voltage

controller

* S

V

*



1 S

Hình 1.4- Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ vô hư ng

Tốc độ đ ng bộ động cơ :

pf

21



=

pf60

Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

Như vậy khi thay đổi tần số, tốc độ đ ng bộ động cơ sẽ thay đổi, tốc độ động

cơ : =1(1−s) sẽ thay đổi Khi điều chỉnh tần số, điện áp phả thay đổi theo để đảm i bảo chỉ tiêu năng lượng cao và động cơ không bị bão hòa từ

khiển từ thông khe hở không đổi

a Qui luật điều khiển tần số cơ bản :

đổi với mọi tần số khác nhau :

fconstM

Mc

dm 1 1

M

Mf

Uf

men cản : Mc = hằng số; Mc≡1/ω ; Mc≡ω 2 tương ứng có 3 luật điều khiển tần số :

f

Uf

U

dm

dm 1

21 =

Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

Hình 1.5- Đặc tính động cơ có công suất trung bình và nhỏ v i luật U/f = const

thể hiện thông qua sự giảm của mô men tới hạn khi tần số giảm

2 1 1

th

f

UL

4f

Rf

R4

p

giảm do sụt áp trên điện trở stato ứng với dòng định mức không đổỉ mọi tần số; kết quả là momen tới hạn động cơ sẽ giảm, đặc biệt sẽ giảm nhanh ở vùng tần số thấp , ví

dụ nhỏ hơn 10Hz (hình 1.5 )

Do điện trở stato không thể bỏ qua nên sụt áp trên điện trở stato ứng với dòng điện định mức sẽ không đổi khi giảm tần số , trong khi sụt áp trên điện kháng giảm theo tần số Do đó sụt áp trên điện trở sẽ chiếm tỉ lệ lớn ở tần số nhỏ, sẽ ảnh hưởng lớn đến từ thông khe hở

Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

tần số thấp để bù lại sụt áp trên điện trở stato Trên hình 1.6 là các dạng đặc tính điện

áp - tần số đã hiệu chỉnh ở vùng tần số thấp

làm động cơ quá nhiệt nếu động cơ thường xuyên làm việc ở tốc độ thấp do mức độ làm mát của động cơ tự làm mát giảm đáng kể Với phụ tải quạt gió, momen động cơ

bé nhất Trong các hệ thống truyền động điện khác, mức độ tăng điện áp ở tần số thấp

có thể chỉnh định phù hợp với đặc tính phụ tải

Để khắc phục nhược điểm của luật điều khiển U/f = hằng số, trong thực tế, các

bộ biến tần công nghiệp được cài đặt luật điều khiển từ thông khe hở không đổi Điều khiển từ thông khe hở không đổi , động cơ không đ ng bộ có khả năng sinh momen lớn trong dải điều chỉnh tốc độ rộng , ngay cả ở dải tần số thấp khi ảnh hưởng của điện trở stato lớn Để duy trì được từ thông khe hở không đổi trong dải tốc độ rộng, sức điện động stato sẽ được điều chỉnh tỉ lệ với tần số stato thay cho phương pháp điều chỉnh tỉ lệ điện áp- tần số không đổi :

Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

có thể duy trì ở trị số định mức ( tương ứng với điện áp , tần số định mức và phụ tải định mức) ở chế độ non tải, dòng điện từ hóa sẽ có giá trị lớn tương đối so với giá trị

ở chế độ làm việc bình thường của động cơ Khi điều khiển từ thông khe hở không đổi

không tải và điện áp , tần số định mức Momen tới hạn ở mọi tần số sẽ có giá trị không đổi và động cơ có khả năng sinh momen như nhau ở cả dải điều chỉnh tốc độ

Trong thực tế, luật điều khiển từ thông khe hở không đổi được thực hiện điều khiển

stato , sụt áp trên dây quấn stato phụ thuộc vào tần số stato và dòng điện stato Do đó điện áp stato cần thiết để duy trì từ thông khe hở không đổi sẽ là hàm của tần số và dòng điện phụ tải Is

Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

-150 -100 -50 0 50 100 150 200

Trước đây do sự hạn chế về kỹ thuật và thiết bị, hệ thống dùng động cơ DC được

sử dụng Với sự phát triển về thiết bị và lý thuyết điều khiển véctơ hiện nay, ĐCKĐB được sử dụng để thay thế động cơ DC cho các ứng dụng đòi hỏi đáp ứng nhanh

Mô hình ĐCKĐB ở trạng thái xác lập bỏ qua sự quá độ khi thay đổi tải và thay đổi

Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

Nguyên lý điều khiển vectơ dựa trên ý tưởng điều khiển động cơ không đ ng bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều Sự tương tự của các phương pháp điều khiển đó được trình bày trên hình 1.8 :

'

IdsIqs

a/ Hệ ĐK một chiều b/ Hệ ĐK véctơ

và điều khiển vectơ

Ở động cơ một chiều, bỏ qua phản ứng phần ứng và giả thiết mạch từ không bão hoà , mômen động cơ một chiều được tính như sau:

M = K I u = K'IkIu -6) (1Trong đó: Ik, Iu – Tương ứng là dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng

-  Từ thông động cơ

Dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ hoặc từ thông không phụ thuộc nhau

Do đó có thể điều khiển độc lập dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng để đạt được đặc tính mômen tối ưu Duy trì dòng điện kích từ không đổi, mômen được điều chỉnh bằng điều chỉnh dòng điện phần ứng

Phương pháp điều khiển này có thể áp dụng cho động cơ không đ ng bộ nếu sử dụng khái niệm vectơ không gian Với ý tưởng định nghĩa vectơ không gian dòng

0dq), các đại lượng dòng điện , điện áp , từ thông là các đại lượng một chiều Vectơ

Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

Bằng chọn trục d trùng với từ thông rôto, phương trình mômen động cơ sẽ viết như sau :

M = KM.r.Iqs = K'M.Ids.Iqs -7) (1

Như vậy nếu điều khiển độc lập các thành phần dòng điện trên hai trục vuông góc của hệ toạ độ quay đ ng bộ với vectơ từ thông rôto thì vấn đề điều khiển động

cơ không đ ng bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều ở đây thành phần dòng

a Điều chỉnh thành phần mô men b Điều chỉnh thành phần từ thông

ứng với công suất tác dụng truyền qua khe hở Uqs Iqs

với thành phần công suất phản kháng truyền qua khe hở Uqs Ids

Các thành phần dòng điện trên hai trục có thể thay đổi một cách độc lập nhau

thông rôto được duy trì không đổi, mômen động cơ sẽ thay đổi khi thay đổi thành phần Iqs ( từ Iqs1 đến Iqs2 ) Kết quả là vectơ dòng điện issẽ thay đổi từ is1 đến is2

Rõ ràng là trong trường hợp này cả biên độ và góc của vectơ dòng điện stato được

Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

trình bày trên hình 1.10 Bằng hai phép biến đổi toạ độ ( abc / ) và ( / dq ) với

góc quay từ trường s , các thành phần I*qs và I*ds được biến đổi thành các thành phần

Như vậy để thực hiện điều khiển vectơ cần phải xác định chính xác góc quay của

điều khiển vectơ :

a) Phương pháp xác định trực tiếp :

Nguyên lý ĐKVTTT dựa trên phương pháp xác định trực tiếp góc quay từ

r s

i

* s

i

* ai

* c

i

 s

BBT

ĐKVT

Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

Trong đó  r,  r - Các thành phần từ thông trên các trục của khung toạ độ tĩnh trên stato

Có nhiều phương pháp xác định từ thông rôto : Dùng Cảm biến Hall; tính từ

sát

b) Phương pháp xác định gián tiếp :

toán gián tiếp thông qua dòng điện và tốc độ rôto :

0

t

 = + Với s : tốc độ góc

quay của hệ trục toạ độ dq và cũng là

tốc độ góc quay của vectơ dòng điện

stato , từ thông rôto

q

I qs 

s s

I ds

qr

qr d

0 dt



 = = (1 - 10)

 =  = (1 - 11) dr

dt



= (1 -12) tốc độ trượt slvà từ thông rôto được xác định như sau :

Tổng quan về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

Mô men động cơ sẽ được tính như sau:

32

Mô tả toán học động cơ không đồng bộ

CHƯƠNG 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ -

2.1 Mô hình động cơ không đồng bộ khi không xét ảnh hưởng của bão hòa từ

Trong ĐCKĐB 3 pha có dây quấn 3 pha đối xứng cung cấp từ ngu n điện 3 pha đối xứng, có thể coi các dòng điện trong các pha là các véctơ, với độ lớn là các thành phần dòng điện các pha (ias, ibs, ics ) và hướng trùng với trục của cuộn dây pha tương ứng Trong mặt cắt ngang của máy điện, đặt một hệ tọa độ 2 trục vuông góc (trục thực

α và trục ảo β) với trục ảo trùng với trục pha a ( hình 2.1) Khi đó các véctơ dòng điện

3 pha được viết ở dạng sau:

0 0

2 as

Với giả thiết dòng điện 3 pha đối xứng, tức là thành phần thứ tự không bằng

thành phần dòng điện ở các pha a,b,c:

as

1 10

cs

ii

ii

Mô tả toán học động cơ không đồng bộ

β

Trục pha b

Trục pha c Trục pha a

Và phép biến đổi ngược biểu diễn quan hệ các thành phần dòng điện các pha (a, b, c) và các thành phần dòng điện trên 2 trục của hệ tọa độ cố định:

i

ii

ii

định nghĩa như sau:

23

23

Mô tả toán học động cơ không đồng bộ

định nghĩa như sau:

ar br cr

23r

ar br cr

23r

23

Trong đó : iar , ibr, icr – các thành phần dòng điện của các pha a, b, c rôto

uar , ubr , ucr – các thành phần điện áp của các pha a, b, c rôto

ar

 , br, cr- các thành phần từ thông móc vòng của các pha a, b, c rôto

u R i

dtd

u R i

dtd

Trong đó : Rs , Rr là điện trở stato và rôto

Mô tả toán học động cơ không đồng bộ

-2) và (2-6) -–(2 10), các phương trình điện áp stato và rôto ở dạng véctơ được viết như sau:

quy chiếu điện được sử dụng để thay thế cho hệ quy chiếu cơ khí Một đôi cực hay

s s

k r j k

Mô tả toán học động cơ không đồng bộ

0

t k

α Trục thực hệ ( tọa độ stato)

si

k



k s



r s



Hình 2.2- Hệ tọa độ chuẩn

• k =0: Hệ tọa độ tĩnh với stato (hệ trục tọa độ α,β);

• k =r:Hệ tọa độ cố định với rôto

2.1.1.3 Hệ phương trình véctơ trạng thái

và rôto (2 14) được chuyển về hệ trục tọa độ quay với tốc độ - k với bỏ chỉ số trên k ở các đại lượng véctơ là:

Mô tả toán học động cơ không đồng bộ

phương trình sau:

r m s r

r

L ii

Mô tả toán học động cơ không đồng bộ

Với : is và r - véctơ dòng điện stato và t ừthông rôto

Sau một số phép biến đổi, ta nhận được hệ phương trình trạng thái tổng quát mô tả động cơ không đ ng bộ ở hệ tọa độ quay với tốc độ k là:

m

s r

r k

k s