Luận văn thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: Điều khiển động cơ không đồng bộ có kể đến tổn hao sắt và bão hòa từ dùng phương pháp định hướng từ thông và Fuzzy Logic

So với máy điện DC, việc điều khiến máy điện xoay chiều gặp rất nhiềukhó khăn vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theothời gian cũng như bản chất phức tạp về

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HOANG DANG KHOA

DE TAI:

MO PHONG

DIEU KHIEN DONG CO KHONG DONG BO CO KE DENTON HAO SAT VA BAO H A TỪ DUNG PHƯƠNG PHAP

DINH HUONG TU THONG VA FUZZY LOGIC

CHUYEN NGANH: THIET BI MANG VA NHA MAY DIEN

TP HO CHi MINH — THANG 12 NAM 2011

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠITRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAĐẠI HOC QUOC GIA TP HO CHÍ MINHCán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRINH HOANG HONCán bộ chấm nhận xét Ì: - -G- E2 2k8 95655 E1 5195191 11 E12 vsCán bộ chấm nhận Xét 2: G- E222 E18 95655 91 5195191 11 E1 5113 11 121kLuận văn thạc sĩ được bảo vệ/nhận xét tại HỘI DONG CHAM BAO VỆ LUẬNVĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 08 tháng 12 năm

c—=-=========r

-oQO -TP HCM, ngày 22 thang 11 năm 2011NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Hoàng Đăng Khoa Giới tính : Nam

Ngày, thang, năm sinh : 25/06/1984 Nơi sinh : Bình Đại — Bến TreChuyên ngành : Thiết bị mạng và Nhà máy điện

Khoá (Năm trúng tuyển) : 20101 Tên đề tài: Mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ có kế đến ton hao

sat và bão hòa từ dùng phương pháp định hướng từ thong va Fuzzy Logic.2 Nhiệm vụ luận văn:

- Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ ba pha.- Xây dựng mô hình toán học cho điều khiển dùng fuzzy logic.- Mô phỏng thuật toán động cơ, kiểm tra tính thích nghi, tính bền vững, 6n

định của mô hình.3 Ngày giao nhiệm vụ: 4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

5 Họ và tên cán bộ hướng dẫn: TS Trịnh Hoàng HơnNội dung và dé cương Luan văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thôngqua.

CÁN BỘ HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN(Họ tên và chữ ký) QUAN LÝ CHUYEN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

Cảm ơn Thây Trần Trung Tính và Quí Thây Bộ môn Kỹ Thuật Điện, KhoaCông Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ đã tạo điều kiện cho tôi được đi học.

Cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân đã động viên tôi về tỉnh thần và lo langcho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

TP HCM, ngày 22 tháng 11 năm 2011

Học viên

Hoàng Đăng Khoa

1 Đặt vẫn đềNgày nay, điện năng là phần tất yếu trong sản xuất công nghiệp cũng nhưtrong đời sống của con người Đồng hành với sự phát triển mạnh mẽ của cácngành công nghiệp, động cơ không đồng bộ ngày cảng được ứng dụng rộng rãivà đóng vai trò rất quan trọng trong ngành năng lượng điện, công nghiệp, sinhhoạt, Động cơ không đồng bộ với nhiều ưu điểm gon nhẹ, kết cầu đơn giản,làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môitrường độc hại, nơi có khả năng cháy né cao, chi phí vận hành bảo dưỡng thấp đãđược sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau [6] Trong công nghiệp,động cơ không đồng bộ được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép

vừa va nhỏ, cho các máy công cụ, cho các nhà máy công nghiệp nhẹ Trong nông

nghiệp, động cơ không đồng bộ được dùng làm máy bơm, máy gia công nông sảnphẩm Trong đời sống hăng ngày, động cơ không đồng bộ chiếm vị trí quan trọngvới nhiều ứng dụng: quạt gió, máy bơm nước Với những ưu điểm này, nênđộng cơ không đồng bộ được ứng dụng rất rộng rãi trong rất nhiều ngành, rấtnhiều lĩnh vực khác nhau

So với máy điện DC, việc điều khiến máy điện xoay chiều gặp rất nhiềukhó khăn vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theothời gian cũng như bản chất phức tạp về mặt cau trúc máy của động cơ xoaychiều so với máy điện một chiều [24] nên việc tách riêng giữa điều khiểnmoment và từ thông dé có thé điều khiến độc lập đòi hỏi một hệ thống có thé tínhtoán cực nhanh và chính xác trong việc quy đôi các giá trị xoay chiều về các biếnđơn giản Vì vậy, phần lớn động cơ xoay chiều làm việc với các ứng dụng có tốcđộ không đổi do các phương pháp điều khiến trước đây dùng cho máy điện có giáthành đắt và hiệu suất kém

Vấn đề khó khăn trong việc ứng dụng động cơ xoay chiều là làm thế nào đểcó thé dé dàng điều khiển được tốc độ như điều khiến ở động cơ một chiều (DC).Do đó một ý tưởng biến đổi một máy điện xoay chiều thành một máy điện mộtchiều trên phương diện điều khiến ra đời, đó chính là điều khiển vector Điềukhiển vector cho phép điều khiến từ thông và moment hoàn toàn độc lập với nhauthông qua điều khiến giá trị tức thời của dòng điện (động cơ tiếp dòng) hoặc giátrị tức thời của điện áp (động cơ tiếp áp) Điều khiển vector cho phép tao ra

những phan ứng nhanh và chính xác của từ thông và moment trong cả quá trình

quá độ cũng như trong quá trình xác lập của máy điện xoay chiều giỗng như máyđiện một chiều

Với sự phát triển nhanh chóng, ngành công nghiệp tự động luôn đòi hỏi sựcải tiến thường xuyên các loại truyền động khác nhau Yêu cầu chủ yếu là làm

tăng độ tin cậy, giảm kha năng tiêu thụ điện năng, giảm chi phí bao dưỡng, tăng

độ chính xác và tăng khả năng điều khiến phức tạp Vì vậy, những hệ truyềnđộng động cơ một chiều trước kia được sử dụng pho bién vi dé dang diéu khiénđộc lập từ thông, moment va cau trúc của hệ truyền động khá đơn giản nhưng chiphí mua, bảo trì động cơ cao Vì vậy, với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bándẫn công suất cao cũng như vi xử lý, các bộ điều khiến động cơ không đồng bộđã được chế tạo với đáp ứng tốt hơn, giá thành rẻ hơn, và còn nhiều khả năngphát triển hơn so với việc điều khiển động cơ một chiều Do đó động cơ khôngđồng bộ có thể thay thế động cơ một chiều trong hầu hết các ứng dụng

Với yêu cau hoạt động ngày càng cao, đòi hỏi đặc tính hoạt động của độngcơ ngày càng phức tạp Vì vậy, yêu cầu đặt ra là phải có một phương pháp điềukhiển động cơ đáp ứng được về yêu cầu kỹ thuật và tính năng hoạt động Ngoàinhững phát triển trong điều khiển vector, những sự phát triển khác của ứng dụnglý thuyết điều khiến logic mờ (Fuzzy Logic) [1-4, 7-9], giải thuật di truyền

(Genetic Algorithm - GA) [19], cũng như ứng dung mạng noron (Neutral

Network - NN) [15], cũng đã tạo ra những tién bộ vượt bậc trong việc tối ưuhóa cho hệ truyền động của máy điện xoay chiều

Trên cơ sở nên tảng lý thuyết tập mờ, một kỹ thuật điều khién hiện đại đã

được phát triển mạnh mẽ và mang lại nhiều thành công bất ngờ đó là điều khiển

mờ Những van dé khó khăn gặp phải trong việc tong hợp các bộ điều khiến phứctạp khi sử dụng phương pháp kinh điển như: độ phức tạp của hệ thống cao, độphi tuyến lớn, sự thường xuyên thay đổi trạng thái va cau trúc của đối tượng sẽ được giải quyết khá hoan hảo khi sử dụng các bộ điều khiển mờ Đặc điểmchung cơ bản của các bộ điều khiển mờ là chúng làm việc theo nguyên tắc, saochép lại kinh nghiệm, tri thức của con người trong điều khiển, vận hành máymóc, thiết bi, Fuzzy logic đã đáp ứng yêu cầu nâng cao hệ số công suất củađộng cơ trong quá trình vận hành và điều khiến [6, 12, 17]

Các phương pháp điều khiến thông thường đều cần đến mô hình đối tượngtuyến tính hay phi tuyến [25-27] Đối với điều khiển mờ thì nhờ vào quan hệ vàora của đối tượng phi tuyến được nhận biết thông qua quan sát và dùng làm cơ sởđể xây dựng hàm liên thuộc cũng như luật suy diễn Thông qua phép thử và hiệuchỉnh ta sẽ tỉnh chỉnh bộ điều khiển mờ dé đạt kết quả tốt hơn

2 Mục đích luận văn

Thanh lập mô hình mô phỏng nghiên cứu điều khiển động cơ không đồngbộ ba pha Điều khiển động cơ dùng phương pháp định hướng từ thong rotor theophương pháp điều khiến trực tiếp, điều khiển dòng băng phương pháp vòng trễ

Kết hợp điều khiến động cơ sử dung Fuzzy Logic với định hướng từ thongđể điều khiến động cơ không đồng bộ bap ha lý tưởng, động cơ không đồng bộbap ha có tôn hao sắt và bão hòa từ So sánh các đáp ứng về tốc độ, moment vàtừ thông giữa hai loại động cơ với các phương pháp điều khiến khác nhau

iil

khiên mờ.

- Dùng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng động cơ không đồng bộ

ba pha dùng Fuzzy Logic, ghi nhận kêt quả mô phỏng, kiêm tra tính thích nghị,tính bên vững và ôn định của mô hình.

4 Kết quả đạt đượcXây dựng mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha lý tưởng và

động cơ có ton hao sat va bao hoa tu, xay dựng phương pháp điêu khiên FuzzyLogic dé điêu khién So sanh uu nhuge diém của từng phương pháp đôi với độngcơ lý tưởng và động cơ có tôn hao sat va bão hòa từ.

5 Thuyết minh luận vănNội dung luận văn gồm 6 chương:

~ Chuong 1: Tổng quan động co không đồng bộ ba pha và các phương

KY HIỆU VÀ VIET TAT DUNG TRONG LUẬN VĂN* VỊ trí các chỉ so:

- Chỉ số nhỏ góc phải trên:

* ref (reference): Gia trị đặt, lệnh.

- Chi số nhỏ góc phải dưới:

+ Chữ cdi đấu tiên:s: Đại lượng của mach stator.r: Đại lượng của mach rotor.

+ Chữ cai thứ hai:

a, b, c: Dai lượng ba pha cua stator.

d,q: Phan tử thuộc hệ tọa độ dq.a, B: Phan tử thuộc hệ tọa độ af.* Các đại lượng của động cơ không đồng bộ ba pha:

: Tần số (Hz).: Vector không gian dòng điện tốn hao mạch từ

: Vector không gian dòng điện mạch từ.: Vector không gian điện áp stator.: Vector không gian điện áp rotor.: Vector không gian dòng điện stator.: Vector không gian dòng điện rotor.

: Vector không gian từ thông stator.: Vector không gian từ thông rotor.: Góc giữa vector từ thông stator va rotor.

: Tốc độ góc của hệ quy chiếu bất kỳ (rad/s)

: Góc giữa vector từ thông stator với trục a.: Góc giữa vector từ thông rotor với trục a.

: Tốc độ góc của rotor so với stator (rad/s).: Tốc độ quay của từ thông rotor (rad/s).: Dòng điện stator trong hệ quy chiếu đứng yên stator (af) trên trục a.: Dòng điện stator trong hệ quy chiếu đứng yên stator (œ/) trên trục Pf

¡,.: Dòng điện rotor trong hệ quy chiếu quay (đa) trên trục g.qr

/,„: Thành phan dòng điện stator trong hệ quy chiếu quay (dq) trên trục đ.i_: Thanh phan dòng điện stator trong hệ quy chiếu quay (dg) trên trục g.gs

u,,: Điện ap stator trong hệ toa độ đứng yên stator (z/) trên trục a.u,,: Điện ap stator trong hệ tọa độ đứng yên stator (af) trên trục Ø

u,, Thành phân điện áp rotor trong hệ quy chiếu quay (dq) trên trục đ.u_.: Thành phân điện áp rotor trong hệ quy chiếu quay (đa) trên trục g.L_: Điện cam tổng rotor (1)

L _: Điện cảm tổng stator (1).R,,: Điện trở tốn hao sắt từ (Q)

T,: Moment điện từ động cơ (N.m).T,: Moment tải (N.m).

V„.: Điện áp một chiều của bộ nghịch lưu (V).* Các thông số của động cơ không đồng bộ ba pha:

Điện trở dây quan stator (Q).Điện trở dây quan rotor (Ó).Hỗ cảm tổng của động cơ (điện cảm từ hóa) (H).: Hễ cảm dây quan stator (H)

‘os *RRTàLL : Hỗ cam dây quan rotor (1)

s?r°

orc

P: Số đôi cực

J: Moment quán tính (kg.m’)

* Cac thông số định nghĩa thêm:

L =L„+L„: Điện cam stator (H).L =L„+L„: Điện cam rotor (A).

T.= =a Hang số thời gian stator.

MỤC LỤC

Chương 1

TONG QUAN DONG CƠ KHONG DONG BỘVA CAC PHUONG PHAP DIEU KHIEN1.1 Động co không đồng bộ . +: cecscscsesscscscsesssscecsessssessscseeseeeeeeees l1.2 Cau tạo của động cơ không đồng bộ - + 5-2 2 22 2322 22££zEcecee, |1.2.1 Phan tĩnh (SŠtatOr): -¿ ¿E56 S222 21212321 1 5111111111111 11010 1 cx l1.2.2 Phần quay (ÑOfOr): - ¿SE 2222 2 1112325 1 11111111 1111101010 1g l

1.2.3 Khe hở không khí: - Ă E1 1 3 9099 2 9 11 9 1v vớ 21.3 Nguyên lý hoạt động của động CO ng 2

1.4 Ung dụng của động cơ không đồng bộ . - 5 S2 x23 EE£E£zEsErxrersed 21.5 Các yêu cau đặt ra đối với việc điều khiến động CƠ c2 41.6 Các phương pháp điều khiến động cơ không đồng bO - 51.6.1 Phương pháp điều khiến V/# = const (điều khiển vô hướng) 51.6.2 Phương pháp điều khiến trực tiếp moment (DTC — Direct Torque Control)

¬— 44 51.6.3 Phương pháp định hướng từ trường (FOC — Field Oriented Control) 6

KKẾT luận: i- G12 91 9190021 11 H12 H1 HH TH TT nh TH Hàng cho 7

Chương 2

MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐÔNG BỘ BA PHA2.1 Các hệ tọa độ trong phương trình toán học của động cơ không đồng bộ 8

2.1.1 Hệ tọa độ vector không gian abe oo eeccccccccceceneeeeeceeceeneaeneeeceseeeaeeees 8

2.1.2 Hệ trục tọa độ cô định stator (OB) cccccecccceecscecscsesscscscsesssssssscsesesseees 92.1.3 Hệ trục tọa độ quay rotor (dq) - -c SH S HS HS SH 2021111111111 kku 102.2 Phương trình toán học của động co không đồng bộ - -5- 102.2.1 Mô hình động cơ không đồng bộ lý tưởng - 2 - 555555: 1]2.2.2 Mô hình động cơ không đồng bộ có tốn hao sắt từ và bão hòa từ 132.3 Các phương trình chuyển đổi trong hệ quy chiếu quay - 162.3.1 Các phương trình chuyển đổi từ hệ toa độ dq sang hệ tọa độ of oo l62.3.2 Các phương trình chuyền đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ ơj 172.3.3 Các phương trình chuyền đổi từ hệ tọa độ abe sang hệ tọa độ dq 17

Vil

3.1 Mô phỏng các khối chuyên đối ding Matlab Simulink 193.1.1 Khối chuyên đổi từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ OB wo 193.1.2 Khối chuyển đối từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ OB 193.1.3 Khối chuyển đối từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ dq 203.2 Mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha lý tưởng - 213.2.1 Mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha lý tưởng — nguồn lý tưởng 213.2.1.1 Phương trình toán học động cơ không đồng bộ 3 pha lý tưởng 213.2.1.2 Dùng Matlab Simulink mô phỏng động cơ không đồng bộ lý tưởng 223.2.1.3 Kết quả mô phỏng ¿5 52 S2 S2 S2 SE 22£EEESE£EEEEEEzvrkrkrsree 253.2.2 Điều khiến động cơ không đồng bộ ba pha lý tưởng bằng phương

pháp định hướng từ thong rotor gián tiép (RFOC) -Ă +2 3l

3.2.2.1 Lý thuyết bộ nghịch lưu áp ba pha . 2-2 2 5s c+E+x+scczee: 31

pha có tôn hao sat từ và bão hòa từÙ: Ăccc S11 HH vn rhg 45

3.3.1.3 Kết quả mô phỏng động cơ có tôn hao sắt từ và bão hòa từ 503.3.2 Mô phỏng điều khiến động cơ không đồng bộ ba có ton hao sắt từ và

bão hòa từ băng phương pháp định hướng từ thông rotor gián tiêp (RFOC) 533.3.2.1 Mô hình mô phỏng - - - c5 - cv vớ 53

3.3.2.2 Kết quả mô phỏng - - + 2+ 2 2E S222 2E E221 E5 SE EErvrkrees 54KẾT luận SG 112 TT HH TT ng HT HH ng ng crệp 56

Chương 4

LOGIC MỜ

4.1 Khái niệm chung - - - - -ĂĂ S1 01 0099 91 91 9n nh 57

4.1.1 Lịch sử phát triển và khái niệm mở đầu - 5-5-2 2 2 55c: 574.1.2 Logic rõ va sự xuất hiện của logic mò: ¿ ¿55s sc+c+s+s+scscs2 574.2 Các van dé cơ sở toán học của logic MO - ¿52 + +s+s£e£s£zsze+ezzcez 58

“SNEU›¿iviìccaaadidđiiiiidddadầắdẠŸẼŸ£Ê 65

4.3.1 Đặt vấn đỀ c-cL c SH HH1 TT HT TT HT HT TT HH ướt 654.3.2 Mệnh đề kéo theo và mệnh dé tương đương - 5-2 2 2 5<: 654.3.2.1 Mệnh dé kéo theo ¿- - 6 2 E223 E21 SE E1 1 111 E511 5 krkred 654.3.2.2 Mệnh dé tương đương, +: + + 2 22222 2E E321 1 E11 EEEkrreo 65

4.3.3 Suy luận mờ và luật hợp thành + 55+ c1 111 sssss G74.3.3.1 Suy luận mờ_ -G <1 TS 111 1S 1511121111 1111111511111 T1 T111 cxC 674.3.3.2 Suy luận mo dựa trên luật hop thành Max — Min 68

4.4 Bộ điều khiỂn MO woe ceccccesescecescecscescecscescecsecevscsssesseeesecsesstscssessaeeaees 704.4.1 Sơ đồ chức năng bộ điều khiển MO 22 2 + +£sE+Eccseescez 70

4.4.2 MO hóa (ÍUZZIÍI€TS) HH TH và 71

4.4.3 Khối luật MO cscecescsceccecscescecscsscscsssssevsussacsuessscsssevseeseesees 724.4.4 Khối hợp thành +: ¿5c E222 SE 5121 1E 11511151 1 5111111111 xe 73

4.4.4.1 Ma trận hợp thành - - ch nhe 734.4.5 Giải mờ (defuzzifiers) TH vớ 77

4.5 Thiết kế bộ điều khiển mờ -¿- +22 2E +EESE*k£EEEEEEEEzkrkEsrrkrered 794.5.1 Các bước thiết kế bộ điều khiển MO ¿2 2 + +s+s+s£z£zszxzxe: 794.5.2 Yêu cầu khi thiết kế hệ điều khiển MO ¿- - 5+ sc2<2 c2 <5: 804.5.3 Các bộ điều khiển mờ - ¿E2 2 SE 1 1E SE vn ng rkt 804.5.3.1 Bộ điều khiến mờ theo luật P ¿- + + 2 £+E+z£zEzEce£srrkrereed 804.5.3.2 Bộ điều khiến mờ PL - 2 ¿S24 EE SE E123 EExcEkxrrkrxrreở 814.5.3.3 Bộ điều khiến mờ P - c SE 1x E111 1x 1x rrrưệu 814.5.3.4 Bộ điều khiến mờ PID :-G- < 2E 1S E xe 81

Chương Š

DIEU KHIEN DONG CƠ SỬ DUNG FUZZY LOGIC5.1 Điều khiển động co với Fuzzy logic - ¿252 2c 2< 2 s£+Ezkrersreerei 32

1X

5.2 Xây dựng khối Fuzzy ÍOgiC - ©5522 E232 E1 E121 E5 EEErrrred 885.2 Mô phỏng điều khiến động cơ không đồng bộ 3 pha — Bộ điều khiển

Fuzzy Logic va không có Fuzzy Logic của động cơ không đồng bộ ba

PHU LUC 5-5-2 E522 SE E51 5111511111111 1151111111512 1 1011101111111 gk 0 108

MỤC LỤC HÌNH

TrangHình 1.1 Động cơ không đồng bộ -:- 2 E 2E 2E£2E2E2EE 2E rErsree 2

Hình 2.1 Cuộn dây stator của động cơ không đồng bộ - 8

Hình 2.2 Vector không gian điện áp sfafOr ĂĂĂS S2 9Hình 2.3 Vector không gian điện áp stator trong hệ tọa độ cô định gÿ 9

Hình 2.4 Vector không gian điện áp stator trong hệ tọa độ dq và gÿ 10

Hình 2.5 Sơ dé tương đương động cơ không đồng bộ lý tưởng 11

Hình 2.6 So đồ tương đương động cơ có ton hao sắt và bão hòa từ 13

Hình 2.7 Chuyển đôi từ hệ tọa độ aB sang hệ toa độ dq và ngược lai 16

Hình 2.8 Hệ quy chiếu quay -. - - 525222 2 E22 ESESEEErErvekrerees 17Hình 3.1 Khối chuyển đổi từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ øƒ 19

Hình 3.2 Khối chuyển đối từ hệ toa độ aB sang hệ tọa độ dq_ 19

Hình 3.3 Khối chuyển đối từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ OB 19

Hình 3.4 Khối chuyển đồi từ hệ toa độ aB sang hệ tọa độ abc 20

Hình 3.5 Khối chuyển đối từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ dq 20

Hình 3.6 Khối chuyển đối từ hệ toa độ dq sang hệ tọa độ abe 20

Hình 3.7 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha lý tưởng với nguồn ba 22

Hình 3.8 Mô hình nguồn ba pha lý tưởng - 2 255552 2 cczecsc: 23Hình 3 9 Khối động cơ không đồng bộ bap ha lý tưởng - 23

Hình 3.10 Khối động cơ - 55+ 2 12122 2 51511121 1 511111 1 111 cx 23Hình 3.11 Khối dòng điện i¿ - - 522222 E332 E1 EErrkrrre 24Hình 3.12 Khối dòng điện i;s - 7-5 5+2 csterrrrrrerirrrrirrrrid 24Hình 3.13 Khối từ thông rotor trong hệ tọa độ œ - c2 24Hình 3.14 Khối từ thong rotor trong hệ tọa độ ƒ1 - 2 - 5555: 24Hình 3.15 Khối moment điện từ của động CƠ -ĂcccSS Ăn eg 25Hình 3.16 Khối tốc độ của động cơ - - E22 E3 1E SE E2 tr 26Hình 3.17 Các thông số cho khối tải Ty = Ö 5252 52525 c2££zEzecee 27Hình 3.18 Dang sóng ngu6n điện áp ba pha lý tưởng _ 27

Hình 3.19 Dòng điện ba pha của động cơ theo thời gian 27

Hình 3.20 Tốc độ, moment va từ thông của động cơ khi không tải 28

Hình 3.21 Các thông số cho khối tải Ty = 4,1 N.m 5-5 5552 5255525: 28Hình 3.22 Tốc độ, moment và từ thông của động cơ khi có tải 29

Hình 3.23 Tốc độ của động cơ trong trường hop tải định mức 29

XI

Hình 3.26 Mô hình mạch nghịch lưu áp ba pha _ - << <2 32Hình 3.27 Vi trí các trạng thai cua vector không gian - 33

Hình 3.28 Bộ nghịch lưu áp ba pha dạng mach cau, giản đồ xung kích và

GISN AD huiiiiầiầẳiầẳầđẳầđẳầđầđdđdẳđdđááiiđiaiiid.aaaaỎỐỞ 34

Hình 3.29 Mach điều khiến vòng tré o cceccccccccscscesescecsessssscsssesessesseeseees 35Hình 3.30 Nguyên lý điều khiến vòng trễ -. - 5555: 35Hình 3.31 Mô hình điều khiến động cơ băng phương pháp định hướng từ

thông rotor QIAN TIẾP - - c9 HH nh 36Hình 3.32 Mô hình mô phỏng bộ Ïnverfer -ĂĂSSS S332 £<*2 36

Hình 3.33 Mô hình khối điều khiến định hướng từ thông rotor gián tiếp có

bộ PÏHD - E5 E2 S233 E5 5515111111111 2111 1115151511111 1111111110101 0t 37Hình 3.34 Bộ hiệu chỉnh PID với hai khâu Setpoint-Weighting va Anti-WIndUP _ QQ TH nh 38

Hình 3.35 Mô hình khối Current Regulator -¿ 2 + 2+ 5s+2£z£z£zzzse: 38Hình 3.36 Điện áp 3 pha qua bộ biến đổi Inverter khi không tải 39

Hình 3.37 Dòng điện 3 pha của động cơ khi không tải - 39

Hình 3.38 Tốc độ, moment và từ thông của động cơ ở chế độ không tải 40Hình 3.39 Điện áp ba pha qua bộ biến đổi Inverter khi tải định mức AlHình 3.40 Điện áp pha A qua bộ bién đổi Inverter khi tải định mức Al

Hình 3.41 Dòng điện 3 pha của động cơ khi tải định mức 41

Hình 3.42 Tốc độ, moment va từ thông khi hoạt động ở tải định mức 42Hình 3.43 Tốc độ tại thời điểm đặt tải - ¿5 S2 cctx server 42Hình 3.44 Moment điện từ va moment tải cua động cơ tại thời điểm đặt tai 43Hình 3.45 Từ thông của động cơ tại thời điểm đặt tải -.-¿ 43Hình 3.46 Mô hình động cơ không đồng bộ có ton hao sắt từ và bão hòa từ 46Hình 3.47 Khối động cơ không đồng bộ có ton hao sắt từ và bão hòa tir 46Hình 3.48 Khối iy, (Phương trình 3.23) - 2 5252 cE+E2EcEczcrevrrree, 46Hình 3.49 Khối iy, (Phương trình 3.24 )_ - c5 5< <cccccecee ATHình 3.50 Khối ig, (Phương trình 3.25) c.escecesessessssesesesesseseseeseesesesneneeesneeeens ATHình 3.51 Khối ig, (Phương trình 3.26) ccccccccsceseseeseesesseseseseeeesesesteeseeseneaes ATHình 3.52 Khối từ thong Figm (Phương trình 3.27) 5 2 2 5555: 48Hình 3.53 Khối Fign (Phương trình 3.28) - 525225 cccxsrvrvcee2 48Hình 3.54 Khối Ly, (Phương trình 3.34)) - ¿2252 + cecscsezerecees 48

Hình 3.55 Khối từ thông rotor (Phương trình (3.35), (3.36)) 46Hình 3.56 Khối từ thong stator (Phương trình (3.38), (3.39)) 49Hình 3.57 Khối từ thông động co (Phương trình (3.37), (3.40)) - 49Hình 3.58 Khối tần số f (Phương trình 3.45)_ -2c- 5555: 49Hình 3.58 Các thông số cho khối tải Ty = 4,1 N.m 5-5 555552 5525: 49Hình 3.59 Khối Te (Phương trình 3.29) ¿ ¿22+ cv E2 rrree, 49Hình 3.60 Khối tốc độ œ (Phương trình 3.30) - 55555 5 ccecsc: 49Hình 3.61 Điện áp của nguồn điện ba pha lý tưởng - 55: 50

Hình 3.62 Dòng điện 3 pha của động CO ST 50

Hình 3.63 Tốc độ, moment va từ thông của động cơ có tốn hao sắt va

Hình 3.64 Điện áp của nguồn điện ba pha lý tưởng - 55c: 52

Hình 3.65 Dòng điện 3 pha của động CO Ăn se, 52

Hình 3.66 Tốc độ, moment và từ thông của động cơ có tốn hao sắt và bão

j/Tà-Nn)4H:ađdđiđiđađaíadẦỔÝŸẢÕ 52

Hình 3.67 Mô phỏng điều khiển động co không đồng bộ ba có xét đến tốnhao sắt từ và bão hòa từ băng phương pháp định hướng từ thong rotor gián¡0/7992 ằẰằẰ 53Hình 3.68 Dòng điện pha A của động cơ có ton hao sắt và bão hòa từ 54Hình 3.69 Tốc độ, moment va từ thông của động cơ có tốn hao sắt va bão

HOA CU G ằaa 54

Hinh 3.70 Dong dién pha A, tốc độ, moment va từ thông của động cơ 55Hình 3.71 Dòng điện pha A của động cơ có tốn hao sắt và bão hòa từ khiHình 3.72 Tốc độ của động cơ có tốn hao sắt và bão hòa từ điều khiển FOC 55Hình 3.73 Moment tải và moment điện từ cua động cơ có tốn hao điều371210090002 56Hình 3./4 Từ thông của động cơ của động cơ có tốn hao sắt và bão hòa từ

điêu khiên FOC hoạt động ở tải định MUC 7c SSSSScS+sssss 56Hình 4.1 Các phép toán trên tập hop - ng eg 59

Hình 4.2 Tập mờ được biểu thị bang các giá tri gián đoạn - 60Hình 4.3 Tập mờ thé hiện tuổi thọ của người - 55552 2 c+ecsc: 60Hình 4.4 Các hàm liên thuộc kiểu tam giác và kiểu hình thang 62

Hình 4.5 Các hàm liên thuộc Gausse và hình chuông 62Hình 4.6 Hàm liên thuộc của 2 tap mờ - c3 111 vs 63Hình 4.7 Hàm liên thuộc của bù mờ - - << << s2 63

Hình 4.10 Suy luận mờ một quy tắc với hai điều kiện Hình 4.11 Hàm liên thuộc trường hợp nhiều quy tắc với nhiều điều kiện Hình 4.12 Sơ đồ các khối chức năng của bộ điều khiển mò Hình 4.13 Hệ mờ có bốn đầu vào và một đầu ra . - 5c:Hình 4.14 Giải mờ băng phương pháp trung bình - 55:Hình 4.15 Giải mờ băng phương pháp cực đại -¿-5-5 5 2 5555:

Hình 4.16 Giải mờ trọng fÂm - - G ch.Hình 4.17 Giải mờ trọng tÂm - - cv ngHình 4.18 Tập mờ có hàm liên thuộc hình thang - << << <2

Hình 4.19 Bộ điều khiến mờ tỷ 16 :-¿ 2 2222 2 £+E+E+E£E££zEzvreree,Hình 4.20 Bộ điều khiến mờ PI_ - +22 2 2 E222 £££+E+EzErEezrrerereesHình 4.21 Bộ điều khiến mờ PD - - 22 2 2 E22 £££+E+EErEEzrrvrereeiHình 4.22 Bộ điều khiến mờ PITD 22 2 2 2E £*2E£EESESEEErEEzrrerereesHình 5.1 Mối quan hệ giữa ton hao của động co với dòng điện iy, với các

moment tải khác nhau [[IÏ| -c << 5< {2221311111 3333111158531 xx2

Hình 5.2 Mối quan hệ giữa ty số kịp và tần số làm việc của động co [11] Hình 5.3 Nguyên tac điều khiến tối ưu hiệu suất theo dòng điện stator [11] Hình 5.4 Khối Fuzzy Logic điều khiến động CO - 5-5552 2 s25:Hình 5.5 Các thành phan chính của giao diện đồ họa của Fuzzy Logic Hình 5.6 Cửa số thiết kế chính “FIS Editor” -cccscccxersrrrrerrererrrreeHình 5.7 Hàm thành viên của tín hiệu đầu vào thứ nhất Ai, Hình 5.8 Hàm thành viên của tín hiệu đầu vào thứ hai Ai,¿ -.- -.- s55:Hình 5.9 Hàm thành viên của tín hiệu đầu ra Ai, ;er -5-55-5555:

Hình 5.10 Hàm thành viên ngõ vào và n8Õ Ta ĂĂẶẶ S322 s52Hình 5.11 Hàm thành viên của ngõ vào Aig - ẶẶẶS Ăn Si.Hình 5.12 Hàm thành viên của ngõ vào Aigg ccSS S2

Hình 5.13 Các luật điều khiến .- 65c Scrtcrskirterrrirrrrrrrrrrrrrred

Hình 5.14 Hàm thành viên của ngõ ra Alqs ;ạr 7757555555555 <<<<<<<<*2

Hình 5.15 Mô hình điều khién động cơ bằng bang Fuzzy logic Hình 5.16 Khối RFOC FUZZY LOGIC ¿-5-5c+ccscsecrrsrtsrrrrsredHình 5.17 Điện áp ba pha qua bộ biến đối Inverter điều khiến FOC và

IAyzA8I10i1 3.Hình 5.18 Dòng điện pha A của động cơ khi không tải

Hình 5.19 Tốc độ, moment va từ thông của động cơ điều khiến có FuzzyLogic ở chế độ không tải - 5: c5 E222 2 1512121 1 525121 1 1E xe, 94Hình 5.20 Tốc độ của động cơ điều khiến FOC va Fuzzy Logic ở chế độ

Hình 5.21 Moment điện từ va moment tải điều khiến FOC và Fuzzy Logickhi động cơ ở chế độ không tải - - 5252 252 2222222 £+E+E£E£E£zEzerereei 95Hình 5.22 Từ thông của động cơ điều khiển FOC va Fuzzy Logic ở chế độ

S010 D Ẽ.Ẽ ố d4 97

Hinh 5.28 Moment dién tir va moment tai diéu khién FOC Fuzzy Logic tai

Gir MUC ou eee ad 97

Hình 5.29 Từ thông của động cơ điều khiển FOC va Fuzzy Logic khi tai

S010 D Ẽ.Ẽ ố d4 98

Hình 5.30 Khối điều khiến động co có tốn hao sắt từ và bão hòa từ 98Hình 5.31 Khoi điều khiển RFOC FUZZY LOGIC 99Hình 5.32 Khối tính dòng điện iạ¿, 7c 25s 99Hình 5.33 Dong điện pha A, tốc độ, moment va từ thông của động cơ cótôn hao sắt và bão hòa từ khi hoạt động ở tải định mức ‹«‹- 99Hình 5.34 Dòng điện pha A của động cơ có tốn hao sắt va bão hòa từ khi

Chương |

TONG QUAN ĐỘNG CO KHONG DONG BỘ

VA CAC PHUONG PHAP DIEU KHIEN

1.1 Động co không đồng bộĐộng cơ không đồng bộ đặc biệt là động cơ rotor lồng sóc được sử dụngpho biến trong công nghiệp do có nhiều ưu điểm hơn động cơ một chiều (DC),

không đòi hỏi bảo trì thường xuyên, có độ tin cậy cao, khôi lượng và quán tínhnhỏ hơn, giá thành rẻ hơn và có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc

môi trường có kha năng cháy nỗ Do đó, động cơ không đồng bộ được sử dungrộng rãi trong công nghiệp hơn so với tất cả các loại động cơ khác Tuy nhiêngần đây, phần lớn động cơ không đồng bộ được sử dụng trong các ứng dụng đòihỏi với tốc độ không đổi, do phương pháp điều khiến tốc độ động cơ không đồngbộ trước đây có giá thành cao hoặc có hiệu suất kém

Việc điều khiến tốc độ động cơ không đồng bộ rotor lỗng sóc rất phức tạpdo phương trình động không tuyến tính Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuậtbán dẫn công suất cao và kỹ thuật vi xử lý, hiện nay những bộ phận điều khiếnđộng cơ không đồng bộ đã được chế tạo đáp ứng cao hơn và giá thành rẻ hơn các

bộ điêu khiên DC trong nhiêu ứng dụng Dự kiên trong tương lai gân, động cơ

không đồng bộ sẽ được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các hệ truyền động điềuchỉnh tốc độ

1.2 Cau tạo của động cơ không đồng bộ1.2.1 Phan tĩnh (Stator):

Stator có cau tao gồm vỏ may, lõi sắt và dây quan.- V6 máy: Vỏ máy có tác dụng cô định lõi sắt và dây quấn, không dùng délàm mạch dẫn từ Thường vỏ máy được làm bang gang Đối với vỏ máy có côngsuất tương đối lớn thường dùng thép tam hàn lại thành vỏ máy Tùy theo cách

làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau.

- Lõi sắt: Lõi sắt là phần dẫn từ Từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay,nên lỗi sắt được làm bang nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại để giảm tôn hao lỗisắt Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 90 mm thi dùng cả tam tròn ép lại Khi

đường kính ngoài lớn hơn thì dùng những tâm hình rẽ quạt ép lại.

- Dây quan: Dây quan stator được đặt vào các rãnh của lỗi sắt và được cáchđiện tốt với lõi sắt

1.2.2 Phần quay (Rotor):Rotor có hai loại chính là: rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc.- Rotor dây quấn: Rotor dây quan giỗng như dây quấn của stator Dây quanba pha cua rotor thường đấu hình sao còn ba dau còn lại được dau vào vành trượt

Chương 1: Tổng quan động cơ không dong bộ và các phương pháp diéu khiển

làm bằng đồng đặt có định ở một đầu trục va thông qua chối than có thé dau vớimạch điện bên ngoài Đặc điểm là có thé thông qua chổi than đưa điện trở phụhay sức điện động phụ vào mạch điện rotor dé cải thiện tính năng mở máy, điềuchỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi máy làm việc bìnhthường, dây quấn rotor được nối ngắn mạch Nhược điểm so với động cơ rotorlồng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt, dễ cháy nỗ

- Rotor long sóc: Kết cau loại dây quan này rất khác với dây quan stator.Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay thanh nhômdài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu băng hai vành ngăn mạch băngđồng hay nhôm làm thành một cái long mà người ta quen gọi là lồng sóc

Hình 1.1 Động cơ không dong bộ1.2.3 Khe hở không khí: Vì rotor là một khối đều nên khe hở giữa stator vàrotor đều Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ để hạn chế dòng điện từhóa lẫy từ lưới làm cho hệ số công suất của máy cao hơn

1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ

Động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc dựa vao hiệntượng cảm ứng điện từ, có tốc độ quay của rotor khác với vận tốc quay của từtrường Máy điện không đồng bộ có thé làm việc ở 2 chế độ: chế độ động cơ vachế độ máy phát [23] Máy phát điện không đồng bộ ít được sử dụng vì đặc tínhlàm việc không tốt

Mặc dù động cơ điện ngày nay được thiết kế với kết cầu đa dạng gồm nhiềuchỉ tiết và chất lượng tốt hơn so với động cơ không đồng bộ trước đây, nhưngvẫn hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và lực điện từ Khi bộ dâyquan stator được cung cấp nguén điện xoay chiều, dựa trên hiện tượng cảm ứngđiện từ, trong động cơ sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng và tạo ra dòng điệntrên dây quấn rotor Dòng điện ba pha đối xứng chạy trong bộ dây quan ba phastator sẽ tao ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ n = ó0 f/P Sự tương tác giữa

từ trường stator và dòng điện rotor tạo ra moment Đó là nguyên lý hoạt động củađộng cơ cảm ứng.

1.4 Ứng dụng của động cơ không đồng bộMáy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, chủ yếu dùng làmđộng cơ điện Do kết cầu đơn giản, làm việc chắc chăn, hiệu suất cao, giá thànhhạ nên động cơ không đồng bộ là loại máy điện được dùng rộng rãi Trong đời

sống, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều

ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp,

Ngày nay, các hệ thống truyền động được sử dụng rất rộng rãi trong cácthiết bị hoặc dây chuyển sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải, trongcác thiết bị điện dân dụng, Có khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụbởi các hệ truyền động điện Hệ truyền động điện có thể hoạt động với tốc độkhông đôi hoặc với tốc độ thay đôi được Hiện nay, khoảng 75 — 80% các hệtruyền động là loại hoạt động với tốc độ không đôi Với các hệ thống này, ngoàicác quá trình khởi động và hãm thì tốc độ của động cơ hầu như không cần điềukhiển Phan còn lại là các hệ thông có thé điều chỉnh được tốc độ dé phối hợp đặctính động cơ và đặc tính tải theo yêu cầu Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuậtbán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý, các hệ điều tốc sử dụng kỹ thuật điệntử ngày càng được sử dụng rộng rãi và là công cụ không thể thiếu trong quá trình

tự động hóa.

Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như: kết cấu đơn giản, làm việcchắc chăn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trườngđộc hại hoặc nơi có khả năng cháy nỗ cao Vì có những ưu điểm này nên động cơkhông đồng bộ được ứng dụng rat rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân vớicông suất từ vài chục đến hàng nghìn kW Trong công nghiệp, động cơ khôngđồng bộ thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa va

nhỏ, các máy công cụ ở các nha máy công nghiệp nhẹ, Trong nông nghiệp,

động cơ không đồng bộ được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sảnphẩm Trong đời sống hang ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiém mộtvị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, máy nén trong tủ lạnh, máygiặt, Cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa,phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi

So với máy điện một chiêu (DC), việc điều khiển máy điện xoay chiều gặpnhiều khó khăn bởi vì các thông số của máy điện xoay chiều có các thông số biếnđối theo thời gian, cũng như ban chat phức tạp về mặt cau trúc máy của động cơđiện xoay chiều so với máy điện một chiều Cho nên, việc tách riêng giữa điềukhiển moment và từ thông để có thể điều khiến độc lập đòi hỏi một hệ thông cóthé tính toán cực nhanh và chính xác trong việc qui đôi các giá trị xoay chiều vềbiến đơn giản Vì vậy, phần lớn động cơ điện xoay chiều làm việc với các ứngdụng có tốc độ không đổi do các phương pháp điều khiển trước đây dùng chomáy điện thường đắt và có hiệu suất kém

* Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc là loại máy điện quay được dùngpho biến nhất trong kỹ thuật truyền động điện do các ưu điểm sau [26, 28]:

- Có khả năng quá tải và moment lớn.

- Có thể làm việc ở tốc độ rất thấp hoặc rất cao

- Đặc biệt rotor long sóc có kêt cau đơn giản chac chăn.

Chương 1: Tổng quan động cơ không dong bộ và các phương pháp diéu khiển

- Ở phan quay không có yêu cau về cách điện và có thé làm việc ở cả môitrường có hoạt tính cao do không có tia lửa điện như ở động cơ một chiều

1.5 Các yêu cầu đặt ra đối với việc điều khiến động cơNhững động cơ trước đây thường được chế tạo để làm việc với tải khôngđôi trong suốt quá trình vận hành Điều này làm cho hiệu suất làm việc của hệthống thấp, công suất đầu vào không được sử dụng hiệu quả Khi động cơ khởiđộng trực tiếp từ lưới nguồn thì dòng khởi động rất lớn Điều này làm tốn thấtcông suất lớn trên đường truyền và trong rotor, làm nóng động cơ, thậm chí cóthé làm hỏng lớp cách điện Dòng khởi động lớn có thé làm sụt giảm điện ápnguôn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ

Khi chạy không tải, dòng điện chạy trong động cơ chủ yếu là dòng từ hóa,tai hầu như chỉ có tính cảm Kết qua là hệ số công suất (PF: Power Factor) ratthấp Khi tải tăng lên, dòng điện làm việc cũng bắt đầu tăng theo Dòng điện từhóa duy trì hầu như không đổi trong suốt quá trình hoạt động từ không tải đếnday tải Vì vậy, khi tải tăng hệ số công suất cũng lên Khi động cơ làm việc vớihệ số công suất nhỏ hơn 1, dòng điện trong động cơ không hoàn toàn sin Điềunày cũng làm giảm chất lượng công suất nguồn

Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khân cấp hoặc đảo chiều độngcơ, độ chính xác của tốc độ, khả năng dừng chính xác, dao chiều tốt làm tăngnăng suất lao động cũng như chất lượng sản phẩm Trong các ứng dụng trướcđây được sử dụng là các phương pháp hãm co Lực ma sát giữa phan cơ và máphanh có tác dụng hãm Tuy nhiên, việc hãm này rất kém hiệu qua và ton hao

nhiệt lớn.

Trong nhiều ứng dụng, công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độnhư quạt, máy bơm Ở những tải loại này, moment cản tỷ lệ với bình phương tốcđộ, công suất ty lệ với lập phương của tốc độ Do đó, việc điều chỉnh tốc độ phụthuộc vào tải, có thé tiết kiệm điện năng Tính toán cho thấy việc giảm 20% tốcđộ động cơ có thé tiết kiệm được 50% công suất đầu vào Mà điều nay là khôngthể thực hiện được đối với những động cơ sử dụng trực tiếp điện áp lưới Khilưới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ, dòng điện trong động cơ chứanhiều thành phan điều hòa bậc cao Điều này làm tăng tốn thất trong động cơ dẫnđến giảm tuổi thọ của động cơ Moment sinh ra bởi động co bi gon sóng Cácthành phan điều hòa bậc cao có thé loại bỏ khi hoạt động ở tần số cao bởi tínhcảm của động cơ Nhưng ở tần số thấp động cơ chạy sẽ bị rung, làm ảnh hưởngđến kết cấu của động co Động cơ làm việc ở lưới nguồn không ổn định nếukhông được bảo vệ sẽ làm giảm tuôi thọ của động cơ

Từ những phân tích trên, thấy răng cần phải có một phương pháp điều khiểnthông minh Sự phát triển của các van công suất, công nghệ sản xuất IC tích hợpcao cho ra đời những bộ vi xử lý có tốc độ xử lý ngày càng nhanh và sự pháttriển của kỹ thuật tính toán đã dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ cóthể đạt được chất lượng cao

1.6 Các phương pháp điều khiến động cơ không đồng bộ1.6.1 Phương pháp điều khiến V/f = const (điều khiến vô hướng)

Tốc độ của động CƠ phụ thuộc vào tân số nguồn cung cấp (tan số đồng bộ)

khi thay đôi tân sô sẽ thay đôi tôc độ quay Tuy nhiên, khi giảm tân sô mà điệnáp được giữ sẽ làm tăng từ thông trong máy gây ra hiện tượng bão hòa mạch từlàm dòng điện và điện áp trong máy bị méo dạng, làm gia tăng tôn hao do xuâthiện các hài bậc cao Ngược lại, nêu từ thông giảm thâp sẽ làm giảm khả năngtải Do đó, việc giảm tân sô dưới tân sô định mức thường kèm theo việc giảmđiện áp stator sao cho từ thông trong máy luôn ở giá tri định mức [21].

* Các đặc trưng của điều khiển vô hướng:- Biến điều khiến là điện áp và tan số.- Sử dụng bộ điều chế độ rộng xung- Thường điều khiển ở dạng vòng hở,- Từ thông giữ không đổi bang cách giữ Vf = const.* Ưu điểm của điều khiến vô hướng:

- Thiết kế đơn giản, không cần tín hiệu hồi tiếp.- Rẻ tiền, dé sử dụng

* Nhược điểm của điều khiển vô hướng:- Không điều khiến tối ưu được moment.- Không điều khiến trực tiếp, điều khiến độc lập giữa moment và từ thông

- Độ chính xác không cao.- Đáp ứng chậm.

1.6.2 Phương pháp điều khiến trực tiếp moment (DTC — Direct Torque

Control)

Dựa vào sai số giữa các giá trị đặt và giá trị ước lượng từ các khâu tính toán

hoi tiêp về của moment va từ thong, có thê dieu khiên trực tiép trạng thái của bộnghịch lưu PWM thông qua tín hiệu điêu khiên đóng cat khóa công suât nhămmục đích giảm sai sô moment và từ thông trong phạm vi cho phép được xác địnhtrước [21].

Chương 1: Tổng quan động cơ không dong bộ và các phương pháp diéu khiển

- Không cần bộ điều khiển dòng điện, các bộ điều chế độ rộng xung, khâu

chuyên hệ tọa độ (biên đôi Park).

- Tính động cao.- Thời gian tính toán nhanh.

-Ïf phụ thuộc vào tham số động cơ.* Nhược điểm:

- Khởi động không tốt.- Sự suy giảm kích từ và dao động từ thông ở vùng vận tốc thấp vàmoment ở vùng có vận tốc cao

- Tần số đóng cắt của bộ nghịch lưu biến thiên theo điểm làm việc của

động cơ.1.6.3 Phương pháp định hướng từ trường (FOC — Field Oriented Control)

Động cơ điện được xem như một nguồn moment điều khiển được, yêu cầuđiều khién moment chính xác được đặt ra trong các hệ truyền động có đặc tínhđộng cao Moment sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dòng điệntrong cuộn ứng và từ thông sinh ra trong hệ thống kích từ động cơ Từ thông phảiđược 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 không đôi, moment ty lệ thuận với

dòng điện phan ứng Điều khiển độc lập từ thông và dòng phần ứng thực hiện dễdang đối với động co DC kích từ độc lập Đối với động cơ điện không đồng bộ,

cuộn ứng là rotor và từ thông sinh ra bởi dòng trong cuộn stator Tuy nhiên, dòng

rotor không điều khiến trực tiếp bởi nguồn ngoài được mà do sức điện động cảmứng sinh ra tạo sự chuyển động của rotor so với từ trường stator

Trong động cơ điện không đồng bộ rotor lồng sóc, chỉ có dòng stator đượcđiều khiến trực tiếp Do đó, việc điều khiển moment tối ưu là khó thực hiện vikhông thé bồ trí có định về mặt vật lý giữa từ thông stator va rotor được, phươngtrình moment là phi tuyến Việc điều khiển moment ở xác lập có thé mở rộng choquá độ, được thực hiện trong hệ thống điều khiển vector, dựa theo nguyên lý điềukhiển định hướng từ thông rotor, nguyên lý này xác định điều kiện dé điều khiển

độc lập từ thông với moment.

FOC là phương pháp điều khiến dòng stator chủ yếu dựa vào biên độ, gócpha và đặc trưng là các vector Điều khiển cơ bản dựa vào sự tham chiếu về thời

gian va toc độ trong hệ trục d — q, đây là hệ trục bat biên Xét ở tham chiêu này

nhăm mục đích hướng việc khảo sát động cơ không đồng bộ thành việc khảo sátcủa động cơ DC FOC là lĩnh vực điều khiển dựa vào những đại lượng tức thời,tạo ra sự chính xác trong các chế độ làm việc (chế độ làm việc 6n định và chế độ

quá độ).* Các đặc trưng:

- Định hướng được từ thông nên tối ưu được moment

- Điều khiến vòng kín.- Moment được điều khiến gián tiếp.* Ưu điểm:

- Đáp ứng moment nhanh.

- Điều khiển chính xác vận tốc.- Đảm bao moment ở vận tốc zero.- Tương tự như điều khiến DC.* Nhược điểm:

- Phải có hỏi tiếp tốc độ trong giải thuật điều khiến.- Chuyên đổi hệ quy chiếu liên tục

- Cần phải có bộ điều khiến độ rộng xung, phụ thuộc vào bộ điều khiển

dòng và tham sô động cơ.

Kết luận:Với sự phát triển không ngừng của các ngành công nghiệp hiện đại, đòi hỏi

cân có những phương pháp điêu khiên đáp ứng nhu câu vận hành thực tê Vì vậy,đã cho ra đời nhiêu phương pháp điêu khiên, trong đó phương pháp điêu khiênđịnh hướng trường được áp dụng rộng rãi và ngày càng hoàn thiện hơn nhờ sựphát triên của kỹ thuật vi tính và kỹ thuật vi xử lý Nhưng phương pháp địnhhướng trường (FOC) có khuyêt điêm chính là nhạy cảm đôi với su thay đôi thongSO cua dong co Dé khăc phục nhược điêm nay đòi hoi phải can sự ho tro của bộđiêu khiên mờ (FLC — Fuzzy Logic Control).

Chương 2: Mô hình toán học động cơ không dong bộ ba pha

Chương 2

MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỎNG BỘ BA PHA

2.1 Các hệ tọa độ trong phương trình toán học của động cơ không đồng bộ

2.1.1 Hệ toa độ vector không gian abe

Động cơ không đồng bộ ba pha có ba cuộn dây stator được bố trí trên ba

trục abc trong không gian và lệch pha nhau một góc 120°.

> Wie ở

Hình 2.1 Cuộn dây stator của động co không động bộ [27]

Trong hệ tọa độ abc, các đại lượng điện áp, dòng điện, từ thong, cua động

cơ không đồng bộ được biểu diễn dưới dạng vector Điện áp ba pha cấp cho bađầu dây của động cơ thỏa mãn phương trình:

Hộ (t)+ Hy (t)+ Hà (t) =0Trong dé: —u,,(t)=|u,|cos(a,t)

u,,(t) = lu,|cos(w,t — 120°)u,.(t)= lu, | cos(a,t + 120° )Với ø = 2af,; f, là tan so của mach stator; | là biên độ cua điện ap pha Vectorkhông gian của điện áp stator được định nghĩa như sau:

trị này là hai thành phan của vector [27] Hệ toa độ nay là hệ tọa độ stator cố định

hay hệ tọa độ af.

B

Cuộn dây > Uspha B

Cuộn dâyha A

pha :>

=

rad Usa = Ugg

Cuộn dâypha C

Hình 2.3 Vector không gian điện ap stator trong hệ tọa độ cố định ap

Chiếu các thành phan của vector không gian điện áp stator Wu, U5) lén truc

abc, xac dinh duoc ma tran chuyén đôi các thành phan dién ap tu hé truc toa do

abc sang hệ trục tọa độ af (abc — af):

| _f _f Hy

Us, | 2 2 2| „

up| 3| V3 43”oO SM -* lu,

L 2 2 ]-`

Đối với các đại lượng dòng điện stator, dòng điện rotor, từ thông stator va

từ thông rotor có thê xây dựng các vector không gian tương ứng.

Chương 2: Mô hình toán học động cơ không dong bộ ba pha

2.1.3 Hệ trục tọa độ quay rotor (dq)

Hệ trục tọa độ dq gồm hai trục d-g vuông góc với nhau va quay trong khônggian với tốc độ băng với tốc độ của từ thông rotor Hệ trục tọa độ này được xem

như đứng yên so với rotor.

Hình 2.4 Vector không gian điện áp stator trong hệ tọa độ dq và af [27

Giả sử tại thời điểm bất ky, trục đ của hệ tọa độ dq lệch với trục a của hệtọa độ af một góc đ, ta có ma tran chuyển đôi giữa hai hệ tọa độ này:

- Chuyén đôi từ hệ tọa độ ap sang hệ tọa độ dq:

Usa |— cosở_ sin@ || u,,

U,, _|-sin0 cosØ| Hạ

- Chuyén đôi từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ af:

Us | cos@ —sin8 || U,,

Hạ _ | sind cos 0 | U,,

Đối với các đại lượng dòng điện stator, dòng điện rotor, từ thông stator va

từ thông rotor có thê xây dựng các vector không gian tương ứng [27|.

2.2 Phương trình toán học của động cơ không đồng bộĐiều khiển động cơ xoay chiều là điều khiến tức thời độc lập hai đại lượngtừ thông va moment Dé dễ dàng thực hiện điều khiến hai đại lượng này, mô hìnhđộng cơ điện xoay chiều không thể được biểu diễn bằng những mạch tương

đương với các đại lượng ở dạng pha mà thay vào đó là mô hình tính toán của

động cơ điện được biểu diễn trong hệ quy chiếu quay mà ở đó có thé tính toánđược gia tri các đại lượng ở gia tri tức thời [21] Vì vậy, máy điện không đồng bộ

được m6 tả bởi hệ phương trình vi phân.

Do các cuộn dây của máy điện có cấu trúc phân bố phức tạp trong khônggian nên cần các giả thuyết về điều kiện lý tưởng cho việc mô hình toán học hóacủa động cơ điện xoay chiều:

- Các cuộn dây quấn stator ở các pha của động cơ hoàn toàn giống nhau và

được đặt lệch nhau một góc 120° trong không gian.

- Bỏ qua ton hao sat từ, dòng xoáy và bão hòa từ (néu là mô hình lý tưởng)

- Dòng từ hóa và từ trường phân bồ hình sin trong khe hở không khí.- Giá tri điện trở, điện kháng xem không đôi trong suốt quá trình vận hành.2.2.1 Mô hình động cơ không đồng bộ lý tưởng

Sơ đồ thay thế tương đương của động cơ không đồng bộ ba pha lý tưởng

như sau [27]:

R Lo 1@akcl, R, Lo J Okt

==—C)—

Hình 2.5 Sơ đồ rơng đương động cơ không dong bộ lý trởng

* Trén hệ tọa độ có định stator (hệ tọa độ af)

- Phương trình điện áp stator va rotor:

dy,

u,= Ri, + ; + JOY,

0= Ri, +“ = + jlo, —ø)ÿ,- Phương trình từ thông:

(23)(24)

(2.5)(2.6)

(2.7)(2.8)Chiếu phương trình (2.7), (2.8) lên hệ toa độ af được các phương trình điện áp:

- Phương trình điện áp stator:

u, = Ri, +1, He +1, be

Chương 2: Mô hình toán học động cơ không dong bộ ba pha

mor

dt

* Trên hệ toa độ quay rotor (hệ tọa độ dq)

- Phương trình tong quát điện áp stator:

a, =Ñi + dự, + j@ 1,

dt- Phuong trinh ne quat dién ap rotor:

0= Ri +i at ihe ~ @}7,

do _ 3 Alli, L, Las TT Tựi )- Las (Lin + Enki )-7, fF

(2.10)

(2.11)(2.12)

(2.13)(2.14)(2.15)(2.16)

(2.17)

(2.18)

(2.19)

(2.20)

Chiéu hai Chương t trinh tong quát điện áp stator va rotor lên hệ trục tọa độ

dạ và thực hiện các phép biến đổi ta được:

- Phương trình điện áp stator:

Us, = Rigg +L, t+L „“==@ (Li, + Lyi.)

0=Ri,,+L, i —“ 4p —# 7 +(@, —@XL,i,, + L,i,,)

(2.21)(2.22)

(2.23)

(2.24)

- Phương trình từ thông:

¿ = Li, + Lyi, (2.25)Woy = Lying + Li, (2.26)

Woy = Lyin, + bu, (2.28)

- Phuong trình moment điện từ:

T, =5 PL, (i,,i,, ints) (2.29)- Phương trình chuyén động của động co:

J do_p -L 2.30e L P dt ( )- Phương trình vận tốc rotor:

do |3 ¬ P

—= E PL, i jig, —indas)— 7, | (2.31)

2.2.2 Mô hình động co không đồng bộ có tốn hao sắt từ va bão hoa từSơ đỗ thay thế tương đương của động cơ không đồng bộ có xét đến ton haosắt từ và bão hòa từ [27]:

Hình 2.6 Sơ đồ tương đương động cơ không đông bộ có ton hao sắt từ và bão hòa từ

* Trén hệ tọa độ có định stator (hệ tọa độ af)Phương trình tổng quát điện áp stator va rotor:

- Phương trình tong quát điện áp stator:

_ = di, dự, >wu =Ñ¡ + —~*+———+J@ i+ 2.32- Phương trình tổng quát điện áp rotor:

0=Ri.+L, tin + j(o, -o\L, i +7,) (2.33)

t t

Phuong trình tong quát mach tôn hao sat từ và bão hòa từ:

Chương 2: Mô hình toán học động cơ không dong bộ ba pha

0= St

dt

+l, =1, +1,

128,92 + 8,242 f +0,0788 f?(Q); f < 50HzR=

trình mô tả động cơ:

- Phương trình điện áp stator:

di dUns = Ri, +L, fas + Yom

dt dtdi dUy, = Ryig, +L fo, OF Am

dt dt

- Phuong trình điện áp rotor:

di dy O=Ri,4+L_—“*41+——“-+alL_i, +r”ar or dt dt (Li Vin)

di d0=Ri, + L„ “+ Hm

- Phương trình mạch tốn hao sắt từ va bão hòa từ:

(241)

(2.42)

(2.43)(2.44)

(2.45)

(2.46)

W = Ling nh (2.47)Woy = uy + Tuy (2.48)

* Trên hệ toa độ quay rotor (hệ tọa độ dq)

Chiếu các phương trình (2.32), (2.33) và (2.40) lên trục dq được các

phương trình mô tả động cơ:

- Phương trình điện áp stator:

- Phương trình mạch tốn hao sắt từ va bão hòa từ:

Chương 2: Mô hình toán học động cơ không dong bộ ba pha

Thế (2.60) vào (2.61) ta được:

do (3 „ứ P2.3 Các phương trình chuyền đổi trong hệ quy chiếu quay

2.3.1 Các phương trình chuyển đổi từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ afTrong mặt phăng của hệ tọa độ af, xét thêm một hệ tọa độ thứ hai có trục

hoành d và trục tung g, hệ tọa độ nay có chung điêm gôc và năm lệch đi một gócØ so với hệ tọa độ stator (hệ tọa độ af) Khi đó sẽ ton tại hai tọa độ cho mộtvector trong không gian tương ứng với hai hệ tọa độ nay [27].

iq IB +

fo

Hinh 2.7 Chuyến đổi từ hệ tọa độ ap sang hệ tọa độ dq và ngược lạiCông thức chuyền đổi từ hệ tọa độ dg sang hệ tọa độ af:

tra = Soa OS O, — ƒ „s0, (2.67a)

cos@ —sim8

Hay | : h 0 cos 0 ll (2.68)

Công thức chuyển đôi từ hệ tọa độ af sang hệ toa độ dq:

đạ = #„ COS Ø, + fey sứ 6, (2.69a)

iva =-ƒ „sim + tip cos 0.Toa cosở si0, || fw

2-Sa = Sea

1 V31 V3

Hình 2.8 Hé quy chiếu quay

(2.69b)(2.70)

(2.71a)(2.71b)

(2.72)

(2.73a)(2.73b)(2:73c)

(2.74)

Chương 2: Mô hình toán học động cơ không dong bộ ba pha

Công thức chuyền đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ dq:

sin@.

sisi

(2:77)

(2.78)

Chương 3

MO PHONG ĐỘNG CƠ KHONG DONG BỘ BA PHA

3.1 Mô phỏng các khối chuyển đổi ding Matlab Simulink

Dùng Matlab Simulink mô phỏng các khối chuyển hệ trục tọa độ với các

phương trình chuyển đổi hệ quy chiếu trong mục 2.3 chương 2.3.1.1 Khối chuyền đổi từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ af

Khối chuyển đôi từ hệ tọa độ đa sang hệ tọa độ af:

Hình 3.2 Khối chuyển đổi từ hệ toa độ a sang hệ toa độ dq (hệ phương trình 2.70)

3.1.2 Khối chuyền đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ af

Khối chuyển đôi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ af:

Chương 3: Mô phỏng động cơ không dong bộ ba phaKhối chuyển đôi từ hệ tọa độ ap sang hệ toa độ abc:

ý

AlfaBeta-abc LJ

Hình 3.4 Khối chuyển đổi từ hệ toa độ af sang hệ tọa độ abc (hệ phương trình 2.74)

3.1.3 Khối chuyền đổi từ hệ tọa độ abe sang hệ tọa độ dq

Khối chuyển đôi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ dq

3.2 Mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha lý tưởng3.2.1 Mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha lý tưởng — nguồn lý tưởng

3.2.1.1 Phương trình toán học động cơ không đồng bộ 3 pha lý tưởngTừ các phương trình tong quát điện áp, từ thong stator, từ thông rotor (2.1)đến (2.16) của động cơ viết trong hệ tọa độ af, ta biến đối về dạng:

(3.6)0=-——i„+| ——JØ +———

đụ _— — 1 cơ i + 4? oy + ——ự (3.8)dt of of Os oT L,, ar oL,, Br oL, Os

A = —4+—— |i, + —— y,, + — dt of of Bs of, L, Mm oL,, War ơL, Bs ( )ow, +—u 3.9

dự Tà I“form; (yw _@ 3.10

r r

Chương 3: Mô phỏng động cơ không dong bộ ba pha

dự, L„ 1

= ls Wp T— @ 3.11

x Il I-o 1l-o | l-o | 1 1

Đặt a, = + h đ¿ => đ; —————; đị ———T ;› as — ——ƠI of, of L, oL OL, 1,

Khi đó phương trình (3.8) đến (3.11) trở thành:

— —A jhiys + QW oy, + A;:0VW p, + au, (3 12)

di, Th + đa pr + OV ay + Al (3.13)

I = = Py is)= -= Ply, i.) (3.17)

Chuyển về hệ toa độ a, thay các giá tri i ¡„ từ phương trình (3.1) vào

(3.17) ta được phương trình moment của động cơ:

1, — 2 wT, (Wri 7 V pin) (3 ` 18)

- Phương trình chuyển động của động co:

dO _(p „yP10 =ự, ~1,)” 3.19)

do 3 0 (, ¬ : (7; P

¬ = 2 Pll is (Li, + Ti) LÊN (Li ps tT Links, )- dị (3.20)

3.2.1.2 Dùng Matlab Simulink mô phỏng động cơ không đồng bộ lý tưởngTừ các phương trình toán học trên, mô hình của động cơ không đồng bộ bapha lý tưởng được mô phỏng băng phần mềm Matlab Simulink được thể hiện

Ỳ

Hình 3.7 A⁄ô hình động cơ không dong bộ ba pha lý tưởng với nguồn ba