Điều khiển trực tiếp Moomen động cơ không đồng bộ

Kết hợp tất cả các phương trình trên ta có ma trận sau: 2 1 cos cos cos 1.2.1 Mô hình ba pha của động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ có các dây quấn ba pha ở rôto và stator, các

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tên học viên : Nguyễn Thị Thu

Sinh ngày : 08 tháng 04 năm 1986

Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên

Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp thạc sĩ: “Điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ” do Tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS NGUYỄN VĂN LIỄN

Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ở cuối luận văn, Tôi đảm bảo không sao chép các công trình khoa học hay thiết kế tốt nghiệp của người khác

Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thu

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo ở khoa Sau Đại học - Trường Đại học KTCN Thái Nguyên, cùng các giáo sư, phó giáo sư, tiến sĩ đã quan tâm

tổ chức chỉ đạo và trực tiếp giảng dạy khóa cao học của chúng tôi Đặc biệt, tôi

xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn PGS.TS.Nguyễn Văn Liễn

người đã tận tình chỉ bảo và góp ý về chuyên môn cho chúng tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn bạn bè, gia đình và đồng nghiệp - những người đã luôn ủng hộ và động viên Tôi nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Tuy nhiên, do bản thân mới bắt đầu trên con đường nghiên cứu đầy thách thức, chắc chắn bản luận văn còn nhiều thiếu sót Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và đồng nghiệp

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Trang 4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ ix

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 3

MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉCTƠ 3

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3

1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ 3

1.1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 4

1.1.4 Ứng dụng, ưu và nhược điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 5

1.1.5 Mô hình toán học động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha 5

1.2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉCTƠ: 10

1.2.1 Mô hình ba pha của động cơ không đồng bộ 10

1.2.2 Đại lượng véctơ không gian 16

1.2.3 Mô hình động cơ không đồng bộ trong các hệ tọa độ trực giao 19

1.3 CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 31

1.3.1 Giới thiệu chung 31

1.3.2 Nguyên lý điều khiển điện áp tần số U/f 34

1.3.3 Điều khiển véctơ 38

1.3.4 Giới thiệu nguyên tắc điều khiển trực tiếp mômem (DTC) 41

CHƯƠNG 2 45

NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔMEN 45

2.1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN 45

2.2 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 49

2.2.1 Sơ đồ DTC 49

2.2.2 Các bộ điều khiển trong sơ đồ 50

2.3 KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN 50

Trang 5

2.4 LẬP BẢNG CHỌN VÉCTƠ 52

CHƯƠNG 3 54

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN 54

3.1 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TỪ THÔNG STATOR 54

3.2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÔMEN 54

3.3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ƯỚC LƯỢNG CÁC ĐẠI LƯỢNG PHẢN HỒI 55

CHƯƠNG 4 57

MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM 57

4.1 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG: 57

4.1.1 Mô hình mô phỏng 57

4.1.2 Cấu trúc các khối chi tiết trong sơ đồ 58

4.2 ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG QUA THÍ NGHIỆM: 69

4.2.1 Các trang thiết bị trong phần thực nghiệm: 69

4.2.2 Kết quả thực nghiệm 72

4.2.3 Đánh giá kết quả: 73

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

Trang 6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Trang 7

( )

'

( )

Trang 8

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

STT Số hiệu Nội dung Trang

1 Bảng 2.1 Bảng chọn chung cho phương pháp điều khiển

53

Trang 9

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

ST

BỘTRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉCTƠ

5 Hình 1.6 Mô hình giải thích cách tính sức điện động rôto 14

6 Hình 1.7 Mô hình của điều khiển trong hệ tọa độ cực (a)

7 Hình 1.8 Phân bố mật độ dòng điện khi chỉ có pha a có

8 Hình 1.9 Phân bố mật độ dòng điện tổng từ các dòng điện

9 Hình 1.10 Phân bố mật độ từ thông tổng từ các dòng stator

11 Hình 1.12 Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ

12 Hình 1.13 Sơ đồ cấu trúc của động cơ trong hệ tọa độ , 22

13 Hình 1.14 Mô hình trạng thái của điều khiển trong hệ tọa

14 Hình 1.15 Biểu diễn véctơ không gian trong hệ trục d, q 24

15 Hình 1.16 Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ trục tọa độ d,

Trang 10

16 Hình 1.17 Sơ đồ cấu trúc của ĐK trong hệ trục tọa độ dq 27

17 Hình 1.18 Biểu diễn véctơ không gian trong hệ trục gắn

23 Hình 1.24 Sự tương tự giữa điều khiển động cơ một chiều

Quỹ đạo véctơ từ thông Stator (a) và véctơ điện

áp sử dụng trong thời gian ∆t và từ thông tương ứng (b)

51

Trang 11

42 Hình 3.3 Mô hình dòng điện ƣớc lƣợng tín hiệu mômen

53 Hình 4.11 Cấu trúc khối tính thành phần từ thông stator 63

66 Hình 4.24 Động cơ không đồng bộ rôto lòng sóc sử dụng

tải máy phát một chiều

71

Trang 12

69 Hình 4.27 Máy tính dùng Win CC vẽ đặc tính đƣợc lấy ra

Trang 13

LỜI NÓI ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Xuất phát từ nhu cầu thực tế trong việc điều khiển thiết bị nâng hạ và cẩu chuyển như hệ thống cầu trục, cổng trục, cẩu chân đế tại Công ty TNHH MTV đóng tàu Thịnh Long-Hai Hậu–Nam Định, hiện tại động cơ không đồng bộ rôto lòng sóc trong hệ thống này được điều khiển bằng cơ cấu cơ cho nên có rất nhiều nhược điểm như tính ổn định, tính chính xác không cao dẫn tới tổn hao máy móc làm ảnh hưởng không nhỏ tới kết cấu cụm di chuyển Điều khiển bằng phương pháp này còn tổn hao năng lượng lớn, độ an toàn cho máy móc và người vận hành thấp Do đó vấn đề đặt ra là phải thay đổi cách điều khiển các động cơ không đồng bộ trong cơ cấu Vì vậy, trong luân văn này học viên sẽ thực hiện việc nghiên cứu điều khiển động cơ không đồng bộ bằng biến tần theo phương pháp điều khiển trực tiếp mômen động cơ (DTC)

Mặc dù phương pháp điều khiển trực tiếp mômen đã được phát hiện từ vài chục năm về trước, song do hạn chế về mặt thiết bị nên các ứng dụng thực tế mới được phát triển ít năm trở lại đây

Lợi thế của DTC là rất thuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống không dùng cảm biến tốc độ (Sensor less System) Tuy nhiên, vấn đề đập mạch mômen điện

từ lại gây ra một số nhược điểm nhất định Hướng nghiên cứu của đề tài nhằm nghiêm cứu, phân tích kỹ về nguyên lý và mô phỏng hệ thống cũng nằm trong

xu hướng nghiên cứu chung, do đó đề tài có tính cấp thiết Kết quả thực hiện đề tài góp phần nâng cao năng lực học viên trong việc làm chủ thiết bị tại công ty TNHH MTV đóng tàu Thịnh Long - Hải Hậu – Nam Định

2 Mục tiêu của đề tài:

Trong luận văn này đề cập đến hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC)

Luận văn sẽ phân tích và giải thích ngắn gọn về nguyên lý DTC Thiết lập các bộ điều khiển chính (Từ thông stator và mômen động cơ) và lập các mô hình ước lượng các biến đầu ra nhằm tạo thành một phần “lõi DTC” (DTC core) Các

Trang 14

mô phỏng và thực nghiệm sẽ được thực hiện để đánh giá tính đúng đắn của luận văn

Trong khuôn khổ thời gian cho phép luận văn đã đề cập đến các vấn đề sau:

Chương 1 : Mô hình động cơ không đồng bộ trong các không gian véctơ

Chương 2: Nguyên lý điều khiển trực tiếp mô men

Chương 3: Thiết kế điều khiển

Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm

Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình nghiên cứu, song không thể tránh khỏi có thiếu sót Vậy kính mong được sự chỉ bảo của các thầy cô và đóng góp ý kiến cuả các đồng nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Liễn, người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn và chỉ bảo cho Em trong suốt quá trình làm đề tài Cảm ơn các thầy cô tại trung tâm thực nghiệm trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ em về tài liệu khoa học và hướng dẫn thực hành thí nghiệm tại Trung tâm thực nghiệm trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng 2 năm2014

Học viên thực hiện

Nguyễn Thị Thu

Trang 15

CHƯƠNG 1

MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN

VÉCTƠ

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ

Vào năm 1820, Hans Christian và Oersted đã tiến hành các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của từ trường dòng điện Một năm sau đó, Michael Faraday đã khám phá ra trường điện từ quay và động cơ điện đầu tiên ra đời Faraday tiếp tục khám phá ra cảm ứng điện từ vào năm 1831 nhưng phải đến năm 1833 thì Tesla mới phát minh ra động cơ không đồng bộ xoay chiều Ngày nay, các động

cơ điện chia làm 2 loại : động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều, động cơ xoay chiều gồm: động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ Cho đến ngày nay, lý thuyết xây dựng động cơ điện vẫn dựa trên các lý thuyết của Oersted, Faraday và Tesla

Cấu trúc của động cơ không đồng bộ gồm 2 phần chính: Stator đứng yên và phần rôto quay Động cơ không đồng bộ gồm 2 loại: Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn và Động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc (ngắn mạch)

1.1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ gồm 2 phần stator (phần tĩnh) và rôto (phần quay)

1 Stator: Gồm vỏ máy, lõi sắt, dây quấn

a Vỏ máy: Thường làm bằng gang Đối với máy công suất lớn (>1000kW) thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ Vỏ máy có tác dụng cố định và không dùng để dẫn từ

b Lõi sắt: Được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,35mm-0,5mm ghép lại Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường qua lõi sắt là từ trường xoay chiều nhằm giảm tổn hao do dòng xoáy gây nên mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có sơn cách điện Mặt trong lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn

c Dây quấn: Dây quấn được đặt vào các rãnh lõi sắt và cách điện với lõi sắt Dây quấn stator gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 1200

Trang 16

2 Rôto: Trục, lõi sắt và dây quấn

a Trục: Làm bằng lói thép để đỡ lõi sắt rôto

b Lõi sắt: Gồm các lá thép kỹ thuật điện giống như ở stator Lõi sắt được ép trực tiếp lên trục Bên ngoài lõi sắt có xẻ rãnh để đặt dây quấn

c Dây quấn: Gồm 2 loại rôto dây quấn và rôto lồng sóc

+Rôto dây quấn: dây quấn giống dây quấn stator Dây quấn 3 pha rotor thường đấu sao, 3 đầu kia nối vào 3 vành trượt làm bằng đồng đạt cố định ở 1 đầu trục

và qua chổi than có thể đưa điện ra ngoài Có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch rôto để cải thiện mở máy, điều chỉnh tốc độ, hệ số công suất Bình thường làm việc dây quấn rôto nối ngắn mạch +Rôto lồng sóc: Mỗi rãnh của lõi sắt được đặt 1 thanh dẫn bằng đồng hoặc bằng nhôm và được nối tắt ở 2 đầu bằng 2 vòng ngắn mạch đồng hoặc nhôm thành 1 cái lồng người ta gọi đó là lồng sóc Dây quấn rôto lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt

3 Khe hở: Khe hở trong động cơ không đồng bộ rất nhỏ(0,2mm-1mm)

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Động cơ không đồng bộ làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Khi đặt điện áp 3 pha vào ba dây quấn 3 pha đặt đối xứng trong lõi thép stator, khi đó trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay mà thành phần bậc 1 của từ trường này quay với tốc độ góc là:

1 2 f

p (1.1) trong đó: f là tần số dòng điện cáp cho stator

p là số đôi cực của dây quấn stator

Đồng thời từ trường Stator này làm cảm ứng ra các dòng điện vòng trong các thanh dẫn Rôto (đối với loại rôto lồng sóc) hoặc các cuộn dây Rôto (đối với loại Rôto dây quấn) Các dòng điện Rôto này đặt trong từ trường Stator quay nên sinh ra lực điện từ (lực Lorentz) Tổng các lực này tạo ra mômen quay Rôto, Rôto quay cùng hướng với từ trường Stator quay

Trang 17

Lúc đầu khi từ trường Stator đã sinh ra thì Rôto tăng tốc nhanh để cố gắng bắt kịp từ trường quay đó, đồng thời từ trường quay quét qua Rôto càng giảm nên sức điện động cảm ứng phía Rôto sẽ giảm dần và dòng điện Rôto cũng giảm theo

Nếu tốc độ Rôto bằng tốc độ từ trường quay thí lúc đó sẽ không có lực điện từ được sinh ra và rôto quay chậm lại Do đó tốc độ Rôto không thể bằng tốc độ đông bộ, tốc độ đông bộ phụ thuộc vào tần số nguồn điện cấp và số đôi cực của động cơ, sai khác giữa 2 tốc độ gọi là tốc độ trượt

1.1.4 Ứng dụng, ưu và nhược điểm của động cơ không đồng bộ xoay chiều

ba pha

Các động cơ không đồng bộ có ưu điểm là: rẻ tiền, thiết kế và sản xuất được

dễ dàng, dễ bảo dưỡng, không cần vành chuyển mạch điện và chổi than, là loại động cơ được sử dụng rộng rãi Chúng có Mômen quán tính và trọng lượng nhỏ, hiệu suất cao, khả năng quá tải lớn và vững chắc Ngoài ra các động cơ không đồng bộ có thể làm việc trong các môi trường khắc nghiệt dễ cháy nổ vì chúng không có khả năng đánh lửa Do những ưu điểm này mà động cơ không đồng bộ được ưu tiên quan tâm tìm hiểu như bộ biến đổi năng lượng điện cơ

Các động cơ không đồng bộ cũng có nhiều nhược điểm, như tốc độ của chúng phụ thuộc vào tần số và biên độ điện áp nguồn cấp mà trong thực tế nhiều lúc năng lượng cơ lại yêu cầu các tốc độ có thể thay đổi được Chúng có thể chạy ở tốc độ gần bằng hằng số đối với tải và từ không tải tới đầy tải Điểu này không giống như các động cơ điện một chiều, các động cơ không đồng bộ gặp khó khăn để điều khiển tách bạch các thành phần dòng điện sinh mômen và từ thông

Để nâng cao hiệu suất sử dụng thì hệ truyền động động cơ không đồng bộ thay đổi tốc độ có khả năng cấp cho động cơ điện ba pha có tần số và biên độ có thể thay đổi được, nên bộ điều khiển phức tạp hơn so với loại một chiều

1.1.5 Mô hình toán học động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Để hiểu và thiết kế điều khiển một động cơ trước hết ta phải hiểu rõ mô hình động học của nó Một phương pháp điều khiển tốt phải đáp ứng được sự thay

Trang 18

đổi của công nghệ, nên ta có thể nói một mô hình động học tốt cho động cơ sẽ

đáp ứng được vấn đề đó Thêm vào nữa, mô hình động học phải đáp ứng đủ các

hiệu ứng động học quan trọng xảy ra trong cả quá trình dừng và quá trình quá

độ Nó cũng phải đáp ứng được cho bất cứ sự thay đổi nào của nguồn cấp biến

tần như là điện áp hay dòng điện

Để cho đơn giản, ta coi động cơ không đông bộ có những đặc điểm sau:

Ba cuộn dây cuốn đối xứng nhau

Bỏ qua ảnh hưởng của khe hơ không khí

hình T hoặc hình Ở trên là sơ đồ thay thế hình của động cơ không đồng bộ

Trong sơ đồ thay thế trên ta có :

U1 là trị số hiện dụng của điện áp pha stator

I0, I1 , I2: là các dòng điện từ hoá, dòng stator, dòng rôto quy đổi về stator

Trang 19

X0, X1, X2: là điện kháng tản mach từ hoá, stator, rôto đã quy đổi về stator

R0, R1 , R2: là điện trở của mạch từ hoá, cuộn dây stator, của rôto đã quy đổi về stator

m là tốc độ góc của động cơ

b, Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Ở đây ta nghiên cứu mô hình động cơ không đồng bộ ở chế độ xác lập

mặt khác ta cũng tính đựoc dòng điện rôto quy đổi về stator như sau:

Từ điều kiện cân bằng công suất của động cơ ta có phương trình mômen động

cơ có dạng như sau:

2 2

1 2 2 3 2

1 2

) ' (

)

' (

'

x x S

r r

U

Trang 20

Hình 1.2 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Ta có độ trượt tới hạn được tính như sau:

' 2

R X (1.6)

từ đó ta có mômen tới hạn:

2 1

3 2

th

nm

U M

Điện áp của stator được viết trên hệ tọa độ gắn với trục động cơ Theo cách này, điện áp rôto được viết trên hệ toạ độ quay gắn với rôto

Ta có thể biểu diễn phương trình trong hệ tọa độ tĩnh như sau:

+s

0 +s

Trang 21

Trang 22

Kết hợp tất cả các phương trình trên ta có ma trận sau:

2 1

cos cos cos

1.2.1 Mô hình ba pha của động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ có các dây quấn ba pha ở rôto và stator, các dây quấn là đối xứng và được bố trí sao cho từ thông dọc theo chu vi khe hở không khí có dạng hình sin, gọi k là tên dây quấn thì ta có phương trình điện áp như sau:

k k k

k

dt

d i R u

Từ thông móc vòng của mỗi dây quấn

2 1Đặt as, bs, cs, ar, br, cr là tên gọi của dây quấn stator và rôto:

k=as/bs/cs/ar/br/cr

j= as/bs/cs/ar/br/cr

Đặt L: điện cảm chính của các dây quấn pha stator

L : điện cảm tản

Ns: số vòng dây một pha stator

Nr: số vòng dây một pha rôto

Trang 23

m: vị trí góc của dây quấn rôto

Thì có thể viết được 6 phương trình điện áp cho ĐK như sau nếu mạch từ còn chưa bão hòa (điện cảm là hằng)

Trang 24

Và tất cả các đại lƣợng điện từ đƣợc coi nhƣ là các véctơ có ba chiều theo

ba trục của dây quấn :

Trang 25

Hình 1.5 Sơ đồ 3 pha quy đổi về stator của ĐK Trong mô hình quy đổi về stator, dây quấn rôto được nối với dây quấn

stator, do đó nó đứng yên và hỗ cảm giữa dây quấn rôto và stator cùng pha là

hằng và luôn là Lm (do m=0), các đại lượng điện từ ở mạch rôto được quy đổi

thông qua hệ số ke=Ns/Nr và tham số được quy đổi thông qua hệ số kr=k2e, ma

trận tham số của mô hình là các ma trận hằng

1 2

1 1 2

1 2

1 1

dây quấn rôto đứng yên, trong khi đó véctơ từ thông Ψr vẫn quay cùng với tốc

độ từ trường quay: s= + sl

Trang 26

Trong đó: sl là tần số góc của của dòng điện (từ thông) rôto nếu điểm mốc quan sát nằm trên rôto, do đó trong dây quấn rôto ở hình 1.5 sẽ xuất hiện các sức điện động quay (ek) Tuy nhiên chỉ có thành phần từ thông vuông góc với trục dây quấn mới sinh ra sức điện động quay, xem hình 1.6

Hình 1.6 Mô hình giải thích cách tính sức điện động rôto

Từ phân tích ở trên ta có thể tính đƣợc sức điện động rôto:

'

ar '

br '

p e

Trang 27

các đại lƣợng véctơ (b)

Từ đây trở đi, để đơn giản trong cách biểu diễn, tác giả bỏ qua các dấu phảy („) viết trên các đại lƣợng rôto quy đổi, tuy nhiên ý nghĩa của chúng vẫn giữ nguyên

Trang 28

1.2.2 Đại lượng véctơ không gian

Trong mục này trình bày ý nghĩa vật lý cho các khái niệm véctơ sử dụng ở mục trên

Xét một động cơ không đồng bộ (ĐK) có ba pha dây quấn đối xứng ở stator, trong đó trục dây quấn pha a đặt trùng với trục thực của mặt phẳng phức, hình 1.4 Để tạo được phân bố mật độ từ thông là hình sin dọc theo chu vi khe

hở không khí, các dây quấn pha được coi rằng có phân bố với mật độ dây quấn cũng là hình sin Như vậy dòng điện mỗi pha tạo một sức từ động (stđ) có dạng hình sin dọc chu vi khe hở không khí và biên độ của stđ này tỷ lệ với độ lớn của dòng điện tương ứng, cực tính của sức từ động phụ thuộc vào cực tính dòng điện

và bố trí theo phương là trục của dây quấn pha

Thí dụ ứng với dòng điện pha a dương isa tại thời điểm 1 tạo ra phân bố mật độ dòng điện tạo thành góc /2 so với trục dây quấn pha a, và do đó có giá trị cực đại theo hướng trục ảo, hình 1.8 sức từ động này đập mạch theo chu kỳ dòng điện và dọc theo trục ảo

(a) (b) Hình 1.8 Phân bố mật độ dòng điện khi chỉ có pha a có dòng điện Sức từ động toàn phần của stator được xây dựng bằng cách xếp chồng các

Trang 29

phân bố hình sin, thể hiện bằng hai hình bán nguyệt trên hình 1.9 Biên độ của sức từ động toàn phần tỷ lệ với biên độ dòng điện pha và hướng của nó phụ thuộc vào thời gian , tức là phụ thuộc vào giá trị tức thời của ias(t), ibs(t) và

ics(t) Do dòng điện các pha thay đổi theo thời gian nên stđ toàn phần chính là một sóng mật độ dòng điện quay

Hình 1.9 Phân bố mật độ dòng điện tổng từ các dòng điện pha ias, ibs, ics

Việc xếp chồng các phân bố mật độ dòng điện pha được xác định bằng véctơ không gian dòng điện phức stator:

1 3

ics đại diện cho phân bố mật độ dòng điện do dòng điện ics gây ra, với a2 chỉ hướng của của trục dây quấn pha c

Với véctơ không gian dòng điện stator is đại diện cho phân bố hình sin của sức tự động tổng được tạo ra “bên trong” động cơ được tạo ra bởi các dòng

Trang 30

điện chảy “bên ngoài” động cơ Sóng sức từ động tổng có giá trị cực đại tại vị trí góc vượt trước /2 so với véctơ không gian is , hình 1.9, biên độ của nó tỷ lệ với biên độ của véctơ không gian dòng điện stator is

Hệ số 2/3 trong (1.26) phản ánh phép ánh xạ không tương đương về công sức, tuy nhiên nó rất tiện lợi trong tính toán, thí dụ từ is ta có thể tìm lại được các dòng điện thành phần bằng cách chiếu is lên các trục dây quấn pha tương ứng: ias= Re{is }; ibs=Re{a2.is }; ics=Re{a is} (1.27)

Hình 1.10 Phân bố mật độ từ thông tổng từ các dòng stator ở hình 1.6 Trong chế độ xác lập các dòng điện pha stator tạo được một hệ thống ba pha hình sin và cân bằng và tạo ra sóng sức từ động stator có biên độ là không đổi và quay đồng bộ với tần số góc s của dòng điện stator

Phân bố mật độ từ thông dọc theo chu vi khe hở không khí cũng sẽ là hình sin và chậm sau sóng mật độ dòng điện một góc /2, hình 1.10 Sau đây sẽ sử dụng khái niệm sóng từ thông móc vòng thay vì khái niệm sóng mật độ từ thông, bởi vì từ thông móc vòng còn mang theo thông tin về kích thước hình học của dây quấn và số vòng của nó, phân bố từ thông móc vòng stator được biểu diễn

Trang 31

bởi véctơ không gian ψss Có thể mở rộng khái niệm véctơ không gian dòng

điện is cho hệ thống điện áp ba pha stator

us=

3

2 (uas + a.ubs + a2.ucs) (1.28) Cũng cần để ý rằng các véctơ không gian dòng điện được định nghĩa theo

cách khác với các véctơ từ thông móc vòng Các véctơ không gian dòng điện

luôn chậm pha - /2 so với vị trí cực đại của phân bố mật độ dòng điện mà nó

đại diện, hình 1.9 Ngược lại các véctơ từ thông móc vòng luôn trùng phương với

vị trí cực đại của phân bố từ thông móc vòng tương ứng hình 1.10, điều này là

thuận tiện cho việc biểu diễn một quan hệ đơn giản giữa hai véctơ này:

ψss= Lss is (1.29)

Trong đó Lss là điện cảm ba pha của dây quấn stator và có giá trị bằng 3/2

lần điện cảm của một pha của chính dây quấn đó

Các phân tích tương tự như trên có thể được áp dụng cho các đại lượng ở

rôto và do đó có thể mở rộng khái niệm véctơ không gian cho tất cả các đại

lượng ở rôto, hình 1.8,b

1.2.3 Mô hình động cơ không đồng bộ trong các hệ tọa độ trực giao:

a, Mô hình trong hệ tọa độ gắn với stator ( , , 0)

Từ hình 1.8 thấy rằng tất cả các đại lượng điện từ đều có thể biểu diễn

bằng véctơ không gian trong mặt phẳng cắt ngang trục động cơ, các véctơ này

được xác định bởi biên độ và vị trí góc, do đó ta có thể biểu diễn các véctơ này

bởi các thành phần của nó trên hệ tọa độ trực giao bất kỳ

Hệ trục tọa độ trực giao gắn với stator có tên gọi hệ ( , , 0), trong đó trục

0 trùng với trục của dây quấn pha a stator, các đại lượng véctơ được biểu diễn

bởi hai phần chiếu của nó trên các trục tọa độ, thí dụ véctơ us, hình 1.11

us = us + jus ;

Trang 32

Trong đó Um là biên độ điện áp pha stator theo (1.28)

Đế viết được các phương trình mô tả điều khiển trong hệ tọa độ , ta có thể hoặc chiếu trực tiếp các phương trình (1.23), (1.24) lên các trục , ; hoặc thông qua sơ đồ thay thế có được bằng cách chiếu sơ đồ hình 1.8,a lên các trục tọa độ tương ứng như biểu diễn trên hình 1.8, trong đó LM = 1,5Lm Các dây quấn của máy điện trên các trục là vuông góc với nhau, do đó hỗ cảm giữa chúng là bằng không, sức điện động quay ở mạch rôto của dây quấn này do từ thông rôto của dây quấn kia cảm ứng sang tương ứng với góc là /2 và 3 /2

Trang 33

Hình 1.12 Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ trong hệ trục ,

Từ sơ đồ thay thế dạng hai pha vuông góc của máy điện, hình 1.12, ta dễ dàng viết được các phương trình mô tả động cơ:

S S S S

dt

d i R

dt

d i R

S S S S

dt

d i R

dt

d i R

cs hoặc trong hệ tọa độ trực giao s, s có thể tìm được mối tương quan giữa hai

hệ tọa độ này, thí dụ cho dòng điện stator

(1.30)

Trang 34

(t) ics

(t) ibs

(t) ias C1 (t)

(t)ibs

(t)ias

dt

d M

1

L rX

Lm

X X

X 3p‟

2

1 s

1

L r

1 s

1

L s

X X

1 s

-

Trang 35

-Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Hình 1.13 Sơ đồ cấu trúc của động cơ trong hệ tọa độ , Nếu đặt véctơ trạng thái và véctơ đầu vào của hệ là:

r r T

s s s

i i

, ,

T

s s

U B X A dt

dX

.Trong đó s

A , s

B tương ứng là ma trận hệ thống và ma trận đầu vào và nếu đặt

r s

r r

s r

s

s s

s

T T

T

T T

T

A

1 1

0

1 0

1

1 1

1 1 0

1 1

0 1

1

và

1 0 1 0

s s

Trang 36

Hình 1.14 Mô hình trạng thái của điều khiển trong hệ tọa độ ,

b, Mô hình trong hệ tọa độ quay đồng bộ (d, q, 0)

Các đại lƣợng véctơ không gian cũng có thể đƣợc biểu diễn trong hệ tọa

độ trực giao d, q quay với tốc độ s, với hy vọng là trong chế độ tựa xác lập vị trí góc của các véctơ này tính từ hệ trục tọa độ d, q sẽ không đổi và do đó các thành phần chiếu của véctơ không gian lên các trục sẽ là các đại lƣợng một chiều, hình 1.15 thí dụ véctơ điện áp

Hình 1.15 Biểu diễn véctơ không gian trong hệ trục d, q

Trang 37

e j

e dt

d dt

d

.

sk s

dt

d I R

U . (1.32) Lập luận tương tự đối với phương trình điện áp ở mạch rôto với chú ý rằng bản

thân dây quấn rôto cũng đã quay cùng chiều một góc m, do đó góc quay thực

chỉ là sl = s- m , hình 1.15, và phương trình thứ hai của hệ (1.22) là :

r r r

r

dt

d I R

rk r

dt

d I R

U . (1.33) trong đó sl = d sl/dt là tốc độ trượt

Ta có thể tìm được sơ đồ thay thế của điều khiển trong hệ tọa độ d, q bằng

cách quay các sơ đồ trên hình 1.12 với tốc độ s và để ý rằng dây quấn rôto đã

quay với tốc độ Trong các dây quấn stator (quay với tốc độ s) sẽ xuất hiện

các sức điện động quay tỉ lệ với tích số giữa s và từ thông của dây quấn stator

trên trục đối diện Trong các dây quấn rôto (cũng được quay với tốc độ tổng là

s nhưng có tốc độ riêng phần là ) cũng sẽ xuất hiện các sức điện động quay tỷ

lệ với tích số giữa tốc độ trượt sl = s - với từ thông của dây quấn rôto trên

trục đối diện, Hình 1.16

Trang 38

d i R

qs s qs

dt

d i R

dr sl qr

dr r rs

dt

d i R

U . (1.34)

qr sl dr

qr r qr

dt

d i R

Trang 39

1

L r

LM

X X

1

L r

1 s

-

Hình 1.17 Sơ đồ cấu trúc của ĐK trong hệ trục tọa độ dq

Có thể thấy rằng hệ phương trình (1.34) và sơ đồ cấu trúc Hình 1.17 về hình thức chỉ khác hệ phương trình (1.17) và sơ đồ cấu trúc Hình 1.13 ở các sức điện động ở mạch dây quấn stato, do kết quả của sự quay hệ trục tọa độ (và cũng như

quay cả máy điện) gây nên

Có thể tìm được ma trận ánh xạ giữa hai hệ tọa độ d, q chính là phép quay hệ trục , đi một góc s và hệ trục tọa độ , chính là phép quay hệ trục d, q đi một góc (- s)

Trang 40

c q

cụ thể, điều này một mặt đơn giản hóa được mô hình của động cơ, mặt khác cũng định hướng cụ thể cho các giải pháp kỹ thuật

Hệ trục d, q có thể được tựa trên: véctơ điện áp stato, véctơ từ thông từ hóa, véctơ từ thông stato, véctơ từ thông rôto hay véctơ dòng điện stato

c, Mô hình trong hệ tọa độ gắn với roto (D, Q, O)

Với động cơ rôto dây quấn, việc điều khiển thường ứng dụng trong mạch rôto, vì vậy cũng có thể dẫn ra mô hình động cơ gắn với rôto

α≡a s

ωsQ

Định dạng
Số trang	90
Dung lượng	2,35 MB