Nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng biến tần dựa theo nguyên tắc tựu từ thông roto

Chính vì vậy động cơ không đồng bộ đã được sử dụng rộng rãi trong hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần động cơ một chiều, ví dụ như ở các thiết bị c

Lời nói đầu

ộng cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm so với động cơ một chiều : hệ số công suất, trọng lượng cao vận hành tin cậy, giá thành chế tạo và chi phí vận hành thấp Tuy nhiên do cấu trúc phi tuyến với

đa thông thông số,nên điều khiển động cơ không đồng bộ là khó khăn Những năm gần dây, với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn.Vi mạch điện tử và lý thuyết điều khiển, nhiều phương pháp

điều khiển hiệu quả đã được đề suất cho điều khiển động cơ không đồng bộ Chính vì vậy động cơ không đồng bộ đã được sử dụng rộng rãi trong hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần

động cơ một chiều, ví dụ như ở các thiết bị của dây chuyền sản xuất xi măng

Điều khiển điện áp nguồn cumg cấp cho động cơ là môt phương pháp

đơn giản và kinh tế, nhưng chất lượng điều chỉnh tĩnh và động không cao Phương pháp này thích hợp cho cac phụ tải là quạt gió, máy bơm

Phương pháp điều khiển hiệu quả là thay đổi tần số điện áp nguồn cung cấp cho động cơ Do tốc độ động cơ xấp xỉ bằng tốc độ đồng bộ, nên

động cơ làm việc với độ trươt và tổn hao công suất trượt trong mạch rotor nhỏ Tuy nhiên phương pháp này phức tạp và đắt tiền Trong hệ thống chuyền động điện điều khiển tần số phương pháp điều khiển theo từ thông

có thể tạo cho động cơ đặc tính tĩnh và động tốt Với phương pháp điều khiển gián tiếp , các hệ thống điều khiển điện áp/ tần số và dòng điện / tần

số trượt đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

ở hệ thống điều khiển điện áp tần số, sức điện động khe hở động cơ

được điều chỉnh tỷ lệ với tần số Động cơ có khả năng sinh mômen như nhau ở mọi tần số dưới định mức Có khả năng điều khiển hai vùng, vùng dưới tốc độ cơ bản điều chỉnh từ thông không đổi, điều khiển giữ tỉ số sức

điện động khe hở tần số là hằng số, vùng trên tốc độ cơ bản điện áp được duy trì không đổi, từ thông động cơ được dảm theo tốc độ đảm bảo công suất động cơ không đổi

Đ

Phương pháp trên có thể tạo ra đặc tính tĩnh tốt nhưng không đáp ứng được chất lượng điều chỉnh trong thời gian quá trình quá độ Hệ thống

điều chỉnh định hướng theo từ trường còn gọi là điều khiển vector có thể

đáp ứng được các yêu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và động Nó cho phép điều chỉmh chế độ mômen và từ thông động cơ bằng điều chỉnh độc hai thành phần dòng điện stato tương ứng Hệ thống điều chỉnh gồm hai kênh điều khiển độc lập: điều khiển mômen và điều khiển từ thông rotor, kênh điều khiển mômen gồm một mạch vòng điều chỉnh tốc độ và mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh từ thông Như vậy hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ có thể tạo ra được những đặc tính tĩnh và động cao so sánh được với động cơ một chiều

Sau quá trình học tập em đã được nhận đề tài tốt nghiệp: Nghiên cứu

và khảo sát hệ thống cân bằng định lượng của nhà máy xi măng Lưu Xá Trên cơ sở đó thiết kế hệ thống truyền động cho băng tải của hệ thống cân bằng định lượng này Qua một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu và được sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn thạc sĩ: Lê Xuân Quý cùng với các thầy cô giáo trong bộ môn, bạn bè đồng nghiệp, đến nay đồ án của em đã hoàn thành

Với khả năng kiến thức còn có hạn, do đó bản đồ án này của em chắc

sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Bởi vậy em rất mong được sự góp ý, giúp đỡ của các thầy các cô và các bạn đồng nghiệp

Ngày 6 tháng 3 năm 2000

Phần I Tổng quan về động cơ không

đồng bộ và các phương pháp

điều chỉnh tốc độ

I.tổng quan về động cơ không đồng bộ

1- Đặc điểm chung:

Động cơ điện không đồng bộ là động cơ điện xoay chiều hai dây quấn

mà chỉ có một dây (sơ cấp) nhận điện từ lưới với tần số f1 không đổi còn dây thứ hai (thứ cấp) được nối tắt hay ngắn mạch trên điện trở Dòng điện trên dây thứ cấp được sinh ra nhờ hiệu ứng cảm ứng điện từ với tần số f2, tần số f2 này là hàm của tốc độ góc rotor ω mà tốc độ này phụ thuộc vào mômen quay ở trên trục

Phổ biến nhất người ta sử dụng máy điện không đồng bộ dây quấn stator ba pha đối xứng có cực tính xen chẽ lấy điện từ một lưới điện xoay chiều và dây quấn rotor ba pha hoặc dây quấn nhiều pha có cực từ xen chẽ

Những loại máy điện như vậy gọi là động cơ điện không đồng bộ Các máy điện không đồnh bộ kiểu khác được gọi là “Máy điện không đồng

bộ đặc biệt “ các máy không đồng bộ có thể làm động cơ hoặc máy phát

điện nhưng chủ yếu dùng làm động cơ, còn dùng làm máy phát thì rất hãn hữu, động cơ không đồng bộ xoay chiều là thông dụng nhất

Trong phạm vi của đồ án này ta không đi sâu vào máy phát mà chỉ chủ yếu đi sâu về động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB)

2 Tóm tắt quá trình phát triển của ĐCKĐB

Nguyên lý làm việc dụng của động cơ không đồng bộ đã dựa trên hiện tượng”từ tính quay” mà F.Đ.Aragô phát hiện năm 1824 và sau đó được M.Farađây giải thích vào năm 1931 Nhưng trong những thí nghiệm của Aragô đĩa bằng đồng đã được chuyển động nhờ nam châm quay chứ không phải từ trường quay tạo nên bằng thiết bị đứng yên là stator như các máy

điện hiện này Một thời gian dài hiện tượng Aragô không được ứng dụng vào thực tế Chỉ đến năm 1979 U.Bêli ( người Anh ) mới phát hiện ra 1 dụng cụ trong đó việc dịch chuyển trong không gian của từ trường nhờ 1 thiết bị đứng yên gồm 4 nam châm điện được đặt trên khoảng cách như nhau so với trụ quay của đĩa bằnh đồng

Để tạo nên từ trường quay người ta sử dụng một thiết bị chuyển mạch

đặc biệt cung cấp cho nam châm điện những xung điện một chiều có biên

độ và chiều tương ứng Nhà bác học người ý Gfecrarix, nhà bác học người Nam tư Ntecla sống và làm việc chủ yếu ở Mỹ đã phát hiện ra hiện tượng từ

trường quay như nhận thức hiện nay vào năm 1888 một cách độc lập nhau

Họ đã chứng minh thành công hai cuộn dây đặt vuông góc với nhau và được cung cấp các dòng điện hình sin lệch nhau 900 sẽ tạo ra được từ trường quay, vector cảm ứng của từ trường này đặt ở điểm giao nhau của trục các cuộn dây sẽ quay đều không thay đổi biên độ Nhưng động cơ hai pha của Fecrarix có mạch từ hở còn rotor là 1 hình trụ bằng đồng sinh ra công suất tất cả chừng 3w chỉ gần giống với động cơ không đồng bộ hiện nay Mặt khác xuất phát từ các giả thiết không đúng về việc cần thiết phải vận hành

Động cơ với công suất cực đại Fecrarix kết luận sai lầm rằng hiệu suất của

động cơ không đồng bộ không vượt quá 50% điều này làm giảm đi một cách rõ rệt việc quan tâm những công trình của fecrarix và 1 thời gian sự phát triển ý đồ mang tính kỹ thuật của ông đã bị kìm hãm

Các động cơ không đồng bộ do Ntesla thiết kế đã được hãng westing haox nhận chế tạo Nhược điểm của động cơ fteslamaf sau này nó phải chịu thua kém động cơ ba pha là việc dùng dây quấn tập trung ở stator và rôto của máy Điều đó làm cho việc mở máy xấu đi và mômen phụ thuộc rõ rệt vào vị trí ban đầu của rotor

Việc phát minh ra động cơ không đồng bộ 3 pha và những đặc điểm

và kết cấu có tính nguyên lý vẫn được giữ đến ngày nay gắn liền với tên tuổi của M.D.Đalivô Đabrovôlxki sau khi tìm hiểu nhữngkết luận của fecrarix về tính không triển vọng của động cơ không đồng bộ, ông không

đồng ý với quan điểm trên và bắt tay vào nghiên cứu động cơ không đồng

bộ được cung cấp từ hệ 3 pha do ông đề nghị Trong một thời gian ngắn nghiên cứu theo hướng này đã hoàn thành một phát minh rất quan trọng là

động cơ không đồng bộ ba pha có : rotor kiểu lồng sóc (năm 1889), stator

có kiểu dây quấn dải kiểu hình trống, còn loại rotor có dây quấn ba pha

được lấy ra từ các vành trượt, biến trở mở máy được đưa vào rotor khi mở máy động cơ (năm 1890)

Vậy nguyên lý được phát hiện năm 1824 và năm 1890 Động cơ không đồng bộ ngày càng được xây dựng và phát triển về kết cấu, công suất, công nghệ và ngày các càng phát huy được tác dụng, càng hoàn thiện hơn cho tới ngày nay

Động cơ không đồng bộ đã được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế bởi ưu điểm nổi bật của nó là : cấu tạo đơn giản hơn so với động cơ điện một chiều thì giá thành hạ, vận hành tin cậy chắc chắn Ngoài ra các nhà máy điện hiện nay thường sản suất ra lưới điện xoay chiều do vậy không cần trang bị các bộ biến đổi kèm theo

Tuy nhiên hiện nay với sự phát triển như vũ bão của kỹ thuật vi tính

đặc biệt là kỹ thuật vi sử lý tín hiệu (Digital Signal processer ) Đã cho phép giải quyết các thuật toán phức tạp điều khiển động cơ xoay chiều ba pha, trong thời gian thực với chất lượng điều khiển cao Điều đó dẫn đến xu hướng thay thế triệt để truyền động điện một chiều bởi truyền động điện ba pha có mọi ưu điểm của truyền động điện một chiều và ít phải bảo dưỡng dễ chế tạo cùng mọi ưu điểm khác

II các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

không đồng bộ

Bên cạnh các truyền động về thuỷ lực, dùng khí nén, truyền động

điện ngày càng được sử dụng rộng rãi và trở thành khâu không thể thiếu

được trong các dây truyền sản suất, đặc biệt là trong các dây sản suất truyền

tự động hiện đại ở đâu có chuyển động học (các dây truyền, tay máy, người máy ) ở đâu có động cơ điện làm thiết bị trung gian để chuyển hoá

điện năng thành cơ năng với những đặc tính cần thiết Việc điều chỉnh chính xác dòng cơ năng tạo nên các chuyển động phức tạp của dây truyền công nghệ nâng cao chất lượng và giảm giá thành sản phẩm là nhiệm vụ của

hệ thống truyền động Bởi vậy truyền động điện là môn khoa học ứng dụng các kiểu thức mới nhất, của lý thuyết điều khiển các công nghệ mới nhất của vi điện tử vi tính, nhằm gán cho động cơ các tính năng cao đáp ứng

được các đòi hỏi ngày càng cao của tự động hoá đặt ra cho các hệ truyền

động

Khác với động cơ điện một chiều động cơ không đồng bộ được cấu tạo phần cảm ứng không tách biệt từ thông động cũng như mômen động cơ sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham số Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền

động điện động cơ không đồng bộ là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh Để đánh giá chất lượng điều chỉnh tốc độ, độ trơn của điều chỉnh tốc độ, sự hoà hợp giữa đặc tính điều chỉnh với đặc tính tải

Để sử dụng tốt động cơ có điều chỉnh tốc độ ta cần quan tâm đến các chỉ tiêu so với các thông số định mức

Phương trình đặc tính cơ :

] X ) S

R R [(

S

s R f U 3 M

2 nm 2

2 1 1

2 1 2

+ +

ω

=

Ta thấy các thông số ảnh hưởng đến đặc tính cơ của ĐCKĐB là :

- ảnh hưởng điện trở điện kháng stator ( nối thêm điện trở phụ R1

và điện kháng X1 vào mạch stator)

- ảnh hưởng của mạch rotor ( nối thêm điện trở R2 và điện kháng

X2 vào rotor với động cơ rotor dây quấn)

- ảnh hưởng của sự suy giảm điện áp lưới cấp cho động cơ

- ảnh hưởng của độ trượt S

- ảnh hưởng của tần số lưới điện cấp cho động cơ

- Ngoài ra việc thay đổi số đối cực sẽ thay đổi tốc độ động cơ và

ảnh hưởng đến đặc tính cơ(xẩy ra với động cơ nhiều tốc độ)

Hiện nay trong công nghiệp thường sử dụng 4 hệ truyền động điều chỉnh tốc độ đó là :

+ Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ

+ Điều chỉnh điện trở rotor

+ Điều chỉnh công suất trượt

+ Điều chỉnh tần số nguồn

Trong phạm vi của đồ án này chủ yếu ta đi sâu nghiên cứ phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn bằng các

bộ biến tần, còn các phương pháp khác chỉ nêu qua

1 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi

điện áp U 1

Mômen quay của động cơ tỷ lệ với bình phương điện áp stator

(M = U2 ) do đó có thể điều chỉnh được mômen và tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stotor trong khi giữ nguyên tần số Khi thay đổi U1 giữ nguyên đặc tính tải MN = f(S) đặc tính cơ biến đổi dần đến lầm thay đổi hệ số trượt Khi tẩi không đổi nghĩa là khi

M = const hệ số trượt biến đổi coi như tỷ lệ nghịch với bình phương điện áp

S = 1/ U2 cáchệ số trượt khác nhau ứng với cácUđm khác nhau Để điều chỉnh điện áp không đồng bộ ta phải dùng các bộ biến đổi điện áp

Sơ đồ nguyên lý của hệ điều chỉnh như sau:

Nếu coi điện áp xoay chiều là nguồn áp lý tưởng thì theo biểu thức mômen tới hạn ta có quan hệ sau:

thu

U

U M

M

Nếu tốc độ của động cơ là không đổi : ω = const thì MN = MU /Mgh công thức (1) đúng với mọi giá trị điện áp mômen trong đó :

- Uđm là điện áp định mức của động cơ

- Ub là đầu ra của điện áp xoay chiều

- Mth là mômen tới hạn khi điện áp là định mức

- Mu là mômen tới hạn khi điện áp là điện áp điều chỉnh

- Mgh là mômen ứng Uđm và điện trở phụ Rf.

Vì giá trị của độ trượt tới hạn Sth của đặc tính cơ tự nhiên là nhỏ nên không áp dụng cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc Khi thực hiện cho động cơ rotor dây quấn ta cần nối thêm Rf để mở rộng giới hạn điều chỉnh tốc độ và mômen Lúc đó độ cứng đặc tính cơ giảm đi trong đó tốc độ không tải lý tưởng của mọi đặc tính cơ đều như nhau và bằng tốc độ từ trường quay Ta có đường đặc tính cơ như sau:

Nhưng phương pháp này có nhược điểm là giảm khả năng quá tải của

động cơ dải điều chỉnh tốc độ hẹp (từ S = 0 ữ Sđm), tăng tổn hao ở rotor (Pđ2 = Pđtừ .S = S M ω1 , ω1 bằng tốc độ từ trường quay) nên phương pháp

này chủ yếu được áp dụng cho những động cơ công suất vừa và nhỏ có hệ

số trượt tới hạn Sth lớn

2- Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở

mạch dây quấn rotor

Khi đưa thêm điện trở phụ Rf vào mạch dây quấn rotor thì :

Mth = const ; ω1 = const và 2

nm 2

1

f r th

X R

R R S

Từ biểu thức trên ta thấy: khi Rf càng lớn thì S th càng lớn mà mômen

tới hạn không đổi do đó đường đặc tính cơ mềm hơn và có dạng như hình

vẽ:

Khi điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp này tổn hao trong mạch dây

quấn rotor (S Pđt) được phân phối giứa bản thân động cơ và biến trở điều chỉnh tỷ lệ với các hệ số trượt lớn khi đố R2 = Rf và chủ yéu được phát ra

Nếu giữ cho dòng rotor không đổi thì mômen không đổi và không phụ thuộc vào tốc độ động cơ Vì vậy ta có thể áp dụng phương pháp náy cho những truyền động có mômen tải không đổi

3 Điều chỉnh công suất trượt làm thay đổi tốc độ động cơ

Trong trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm mềm đặc tính và giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt ΔPs = S.Pdt được tiêu tán ở trên mạch rotor Các hệ truyền động công suất lớn tổn hao này là đáng kể vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ công suất trượt gọi là sơ đồ nối tầng Có nhiều phương pháp xây dựng hệ nối tầng Hiện nay người ta thường dùng hệ nối tầng thyristor

Với sơ đồ nối tầng dùng thyristor thì sức điện động rotor được qua bộ chỉnh lưu thành một chiều qua cuộn kháng cấp cho nghịch lưu phụ thuộc

Điện áp và tần số xoay chiều của nghịch lưu là không đổi do được xác định bởi tần số và điện áp của lưới điện Góc điều chỉnh của nghịch lưu thay đổi trong khoảng 900 ữ1400 Độ lớn của dòng rotor hoàn toàn phụ thuộc vào mômen tải mà không phụ thuộc vào góc điều khiển của nghịch lưu

ở chế độ không tải lý tưởng khi dòng rotor bằng 0 thì tốc độ không tải ý tưởng sẽ được tính : S0 = Ur0 / Um

Trong đó : Ur0 là suất điện Động chỉnh lưu không tải phía rotor

Um là biên độ điện áp pha stator

Nên nếu ta điều chỉnh được sức điện động chỉnh lưu mạch phía rotor thì có thể điều chỉnh được độ trượt không tải lý tưởng tức là điều chỉnh

được tốc độ không tải lý tưởng mà giá trị của sức điện động chỉnh lưuđược

điều chỉnh bởi góc mở của nghịch lưu phụ thuộc Đặc tính cơ của hệ nối tầng dùng thiristor ứng với các góc mở khác nhau như hình vẽ :

Do điện cảm cuộn lọc trong mạch một chiều có giá trị là hữu hạn nên dòng một chiều có thể bị gián nên đặc tính ở đoạn này có độ dốc lớn Mặt khác do sụt áp gây nên bởi điện trở stator Điện trở mạch một chiều, điện trở điện kháng của máy biến áp cung cấp cho mạch nghịch lưu, sụt áp do chuyển mạch của nghịch lưu và chỉnh lưu cho nên các đặc tính cơ điều chỉnh đều có độ cứng và mômen tới hạn nhỏ hơn đặc tính cơ tự nhiên

Nguyên lý điều công suất trượt thường áp dụng cho các truyền động công suất lớn vì khi đó tiết kiệm năng lượng có ý nghĩa rất lớn Phạm vi

điều chỉnh tốc độ không lớn lắm và mômen động cơ bị giảm khi tốc độ thấp Mặt khác các hệ thống lớn khi khởi động động cơ thường dùng điện trở phụ kiểu chất lỏng sau đố chuyển sang chế độ điều chỉnh công suất trượt do

đó nên áp dụng cho các hệ thống có số lần khởi động và đảo chiều ít

4- điều chỉnh tốc độ động cơ không đòng bộ bằng phương pháp thay đổi tần số

Các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và tính chất động học, chỉ có thể thực hiện được với bộ biến tần Các hệ thống này sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, kết cấu đơn giản, vững chắc giá thành rẻ, có thể hoạt động trong mọi môi trường, kể cả mọi trường có hoạt tính cao như nước

Biểu đồ so sánh kinh tế trên cùng với sự phát triển của và sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, ngày nay cho ta thấy truyền động tần số dần thay thế triệt để truyền động điện một chiều

Yêu cầu chính đối với đặc tính truyền động tần số là : đảm bảo độ

cứng của đặc tính cơ và khả năng quá tải trong toàn bộ trong toà bộ dải

điều chỉnh tần số và phụ tải Ngoài ra còn có vài yêu cầu về điều chỉnh tối

ưu trong chế độ tĩnh, thí dụ như yêu cầu đảm bảo được mômen max ứng với dòng điện đã cho hoặc đảm bảo được mômen đủ lớn khi tốc độ bằng không

Tuỳ theo yêu cầu và nền kinh tế ta có thể xác định được các cấu trúc cơ bản của hệ biến tần, ta có thển chia thành các loai bộ biến đổi là : biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp

4.1 - Xét một số luật biến đổi tần số

4.1.1- Biến tần số-điện áp

Khi điều chỉnh tần số thì trở kháng và từ thông dòng điện, của động cơ thay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm cho động cơ bị quá dòng thì phải điều chỉnh cả điện áp

Với hệ biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ cho khả năng quá tải

về mômen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ Mômen cực đại

mà động cơ sinh ra chính là mômen tới hạn, khả năng quá tải về mômen

được quy định bởi hệ số quá tải mômen Các khoá bán dẫn thường sử dụng các van là tranzitor, còn ở công suất lớn thường sử dụng các van thiristor Việc đóng ngắt các van thường được thực hiện bằng các mạch điện ngắt đặc biệt như tụ điện hay thiristor phụ.thời gian gần đây được sử dụng các van thiristor đặc biệt là các van khoá được bằng các xung điều khiển (GTO)

Giá trị điện áp của động cơ được điều chỉnh hoặc bởi điều chỉnh biên

độ điện áp một chiều bằng chỉnh lưu điều khiển hoặc bởi bộ băm xung áp

Điện áp cũng có thể điều chỉnh bằng điều chỉnh thời gian đóng của các van hoặc điều bằng chế độ rộng các xung áp bằng chính nghịch lưu Phương pháp điều chỉnh điều chỉnh từ thông là phương pháp điều chỉnh được sử dụng rộng rãi nhất trong các truyền động, nhất là ở các truyền động công suất nhỏ Do có ưu điểm nổi bật là vừa điều chỉnh được điện áp, vừa làm sin hóa điện áp đặt vào động cơ Với số lượng các xung có thể làm triệt tiêu các sống hài bậc cao

Chế độ định mức là chế độ làm việc tối ưu của động cơ không đồng

bộ, trong chế độ này từ thông là định mức và mạch từ là tối đa về công suất Luật điều chỉnh điện áp tần số là luật gần đúng giữ từ thông không đổi trong toàn dải điều chỉnh Tuy nhiên từ thông trên động cơ, trên mỗi đặc tính còn phụ thuộc rất nhiều vào độ trượt tức là mômên tải trên trục động cơ vì thế trong các hệ điều chỉnh yêu cầu chất lượng cao ta phải tìm cách

bù từ thông

Ta có mối quan hệ giữa dòng điện stator và từ thông rotor qua công thức sau:

2 2 m

Lm : hỗ cảm giữa stator và rotor

Tr : hắng số thời gian rotor Muốn giữ cho từ thông không đổi thì dòng điện stator phải đ−ợc đều chỉnh theo độ trựơt đó là quy luật điều chỉnh từ thông Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ đ−ợc gián tiếp thông qua điện áp của động cơ

D5 D3

4.1.2- biến đổi tần số-dòng điện

Biến tần nguồn dòng có ưu điểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch động lực đơn giản mà vẫn có thể thực hiện hãm tái sinh động cơ Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là nguồn dòng, tức là dòng

điện không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển Để tạo nguồn dòng một chiều thường dùng chỉnh lưu điều khiển hoặc băm xung áp một chiều có bộ điều chỉnh dòng điện có cấu trúc tỷ lệ tích phân ( PI ) Mạch lọc là điện kháng tuyến tính có trị số điện cảm đủ lớn Do có nguồn dòng 1 chiều nên việc chuyển mạch các van bán dẫn có thể thực hiện bằng các tụ trên van chuyển mạch

ở hệ thống biến dòng nguồng dòng thì mômen cực đại hay mômen tới hạn không phụ thuộc vào tần số mà chỉ phụ thuộc vào bình phương dòng

điện stator khi biến tần nguồn dòng việc với tải là động cơ xoay chiều thì

điện áp ra của tải xuất hiện các xung nhọn tại các thời điểm chuyển mạch giữa các pha Trong thực tế kỹ thuật sử dụng không hoàn toàn như vậy cần

có các mạch khoá cưỡng bức van bán dẫn, bảo đảm chuyển mạch dòng điện giữa các pha một cách chắc chắn trong phạm vi điều chỉnh tần số và dòng

điện đủ rộng

Tương tự như biến tần nguồn áp biến tần nguồn dòng cũng có yêu cầu giữ cho khả năng quá tải về mômen không đổi trong suốt dải điều chỉnh Ta có thể dùng công thức dòng stator: 2 2

Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi tần số-dòng điện được trình bày như hình vẽ sau:

Với cấu trúc và thông số thích hợp của các bộ điều chỉnh thì phương pháp điều chỉnh tần số nguồn áp, ở hệ thống biến tần nguồn dòng cũng có thể điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh vector dòng điện Điều khác biệt là trong hệ thống biến tần thì dòng điện là liên tục và chuyển mạch của các van là phụ thuộc lẫn nhau

4.2.- Các bộ biến đổi tần số

4.2.1- Bộ biến đổi tần số trực tiếp

ở loại biến tần trực tiếp điện áp xoay chiều u1( với tần số f1 ) chỉ cần qua một van chỉng lưu là chuyển ngay ra tải với tần số khác Vì vậy biến tần này có hiệu suất biến đổi năng lượng cao nhưng số lượng van lớn sơ đồ mạch van phức tạp Việc thay đổi tần số ra là phức tạp và phụ thuộc vào tần

số f1

Loại biến tần này làm việc chủ yếu trong phạm vi tần số ra f2 ≤ f1 Tuy nhiên trong lý thuyết hay nguyên tắc có thể thiết lập biến tần với tần số

f2 có thể lớn hơn f1 nhưng độ phức tạp rất cao Trong biến tần trực tiếp thì

đường cong điện áp ra là đường ghép nối các đoạn hình sin của điện áp nguồn bằng cách nối tải vào các pha của nguồn một cách luân phiên nhờ các van bán dẫn Các van bán daaxntrông biến tần được chuyển mạch một

Trong biến tần chuyển mạch tự nhiên mỗi nửa sóng dẫn của các van thyristor ,vì vậy tần số cơ bản của dòng tải được lấy các giá trị gián đoạn

Về nguyên tắc cũng có thể điều chỉnh trơn các tần số điện áp ra, tuy vậy khi

đó thường suất hiện sự mất đối xứng giữa nửa sóng dương và nửa sóng âm của chu kỳ dòng và áp ở các tần số không tải là ước số của tần số nguồn có thể xuất hiện biến điệu tần số thấp Việc điều chỉnh điện áp ra của biến tần trực tiếp được thực hiện bằng cách thay đổi góc pha xung, trong chế chỉnh lưu và nghịch lưu phụ thuộc đồ thị điện áp đầu ra có chứa phổ bíên các sóng hài bậc lẻ, biên độ các sóng hài tỷ lệ nghịch với biên độ của chúng Nếu tải ba pha đối xứng và không dây trung tính thì điện áp ra không chứa thành phần sóng hài bậc hai và bậc ba Dưới đây là sơ đồ ba pha của biến tần trực tiếp 6 đỉnh xung và 3 đỉnh xung

4.2.2- Bộ biến đổi tần số gián tiếp

Trong biến tần loại này điện áp xoay chiều đầu tiên được biến thành

điện áp một chiều nhờ chỉnh lưu sau đó qua bộ lọc và cuối cùng thành điện

áp xoay chiều nhờ nghịch lưu Biến tần loại này cho phép biến đổi về tần số

f2 không phụ thuộc vào tần số trong một dải rộng cả trên và dưới f1 chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển

N

Sơ đồ chỉ số 3

CBA

pha 1

pha 2

pha 3

Tần số và hình dáng điện áp xoay chiều đầu ra cung cấp cho mạch tải

do nghịch lưu quyết định Căn cứ vào tính chất của mạch 1 chiều cung cấp cho nghịch lưu mà ta có 2 loại nghịch lưu: nghịch lưu áp và nghịch lưu dòng

Nghịch lưu áp: là bộ nghịch lưu định hình điện áp trên tải là những xung vuông, còn hình dáng dòng điện và góc pha của tải phụ thuộc vào thông số của tải Nguồn cung cấp cho nghịch lưu áp là nguồng điện áp 1 chiều, ổn định như một bộ chỉnh lưu có các tụ song song với dung lượng lớn

ở đầu ra, sơ đồ nguyên lý của nghịch lưu áp như sau:

Tụ c = ∝ trong sơ đồ để thực hiện việc trả năng lượng phản kháng của tải về nguồn điện 1 chiều khi tải không phải là tải thuần trở và duy trì

điện áp cung cấp cho nghịch lưu là ổn định

Điện áp ra của nghịch lưu áp không có dạng hình sin mà đa số là dạng chữ nhật các van bán dẫn chuyên dùng tranzitor người ta tánh dùng tristor Nghịch lưu áp 3 pha người ta thường dùng sơ đồ cầu, quá trình điện

từ trong nghịch lưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như đặc tính tải, cách đấu tải, kiểu đấu biến áp ra nguồn cung cấp và nguyên tắc điều khiển Nghịch lưu dòng : là là bộ nghịch lưu định hình dòng điện trên tải là những xung vuông còn hình dáng điện áp và góc pha của tải thì do thông số của tải quyết định Trong công nghiệp người ta thường sử dụng chỉnh lưu có mắc cuộn kháng có giá trị dủ lớn ở đầu ra

Dòng điện tải có dạng nhật hình sin và do tính tự đóng ngắt tự quyết

định Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và ứng dụng kỹ thuật số, vi xử lý dùng van tranzitor đã phát huy được những ưu điểm nổi bật của loại biến tần này vì đa số các biến tần là có khâu trung gian là 1 chiều người ta tránh dùng thyritor

Dưới đây là sơ đồ nguyên lý bộ biến đôi tần số gián tiếp nguồn áp ba pha dùng các van dẫn là tranzitor

III kết luận

Như vậy : trong truyền động điện với những chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật có ưu điểm nổi bật của động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha, ngày nay được sử dụng rộng rãi và dần thay thế động cơ điện một chiều trong lĩnh vực điều chỉnh truyền động điện xoay chiều Bởi vì nhược

điểm chính của động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha là điều chỉnh tốc độ và khống chế quá trình quá độ khó khăn Nhưng ngày nay với

sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì đã giải quyết được các thuật toán phức tạp, điều chỉnh tốc độ không còn là khó khăn

Trong các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và tính chất động học chỉ có thể thực hiện với phương pháp điều chỉnh tần số bằng thiết bị biến tần Các hệ thống này sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có kết cấu đơn giản và các ưu

điểm khác Trong các luật, các phương pháp điều chỉnh tần số vì ở đây động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha nên không tồn tại các quan hệ minh bạch giữa dòng xoay chiều và từ thông, giữa dòng xoay chiều và mômen như ở động cơ một chiều Mà ở đây tồn tại một cấu trúc mạch và các đại lượng ba pha phức tập, thì phương pháp điều chỉnh tần số dựa trên phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi tần số dựa trên phương thức thay đổi góc pha của từ thông rotor là tối ưu nhất, bởi

nó có các ưu điểm của phương pháp điều chỉnh tần số khác không có được

Cùng với các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha, phương pháp điều chỉnh theo hướng của từ thông rotor

sẽ là phương pháp chủ chốt của truyền động điện hiện đại trong những năm tới Với đề tài đã cho trong phạm vi đồ án này ta sẽ giới thiệu ứng dụng của phương pháp biến tần vector trong hệ thống cân băng định lượng của nhà máy xi măng Lưu Xá Trong thực tế phương pháp biến tần vector được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Muốn vậy trước hết ta đi xây dựng hệ thống điều khiển biến tần tạo ra tần số mong muốn từ nguồn

điện áp một chiều dựa trên cơ sở của phương pháp điều chế vector không gian

Phần II Mô tả các đại lượng ba pha

của động cơ không đồng bộ

rotor lồng sóc

I Xây dựng vector không gian

Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bố trí trông không gian tổng quát như sau

Ta không cần quan tâm đến việc động cơ được cấu tạo theo hình sao hay hình tam giác, ở đây ba dòng điện isu, isv, isw là ba dòng chảy từ lưới qua

đầu nối vào động cơ Khi động cơ chạy bằng biến tần, đó là ba dòng đầu ra của biến tần Ba dòng điện đó thoả mãn phương trình sau:

isu+ isv + isw = 0 (2.1) Trong đó tường dòng điện thoả mãn các công thức sau:

isu(t) = ⎢is⎪.cos(ωst) (2.2a)

isv(t) = ⎢is⎪.cos(ωst + 1200) (2.2b)

isw(t) = ⎢is⎪.cos(ωst +2400) (2.2c)

Pha WPha V

Một cánh lý tưởng thì ba cuộn dây của động cơ xoay chiều ba pha đặt lệch nhau 1 góc 1200 trên mặt cắt ngang nếu trên mặt phẳng đó ta thiết lập một hệ trục toạ độ phức với trục đi qua cuận dây u của động cơ ta có thể dựng vector không gian sau đây:

is(t) =

3

2[ isu(t) +isv(t)ej120 + isw(t).ej240 ] = ⎢is⎪.ejγ

(2.3) Theo công thức (2-3) vector is(t) là vector có môdul không đổi quay ttrên mặt phẳng phức (cơ học) với tốc độ ωs và tạo với trục thực (đi qua trục cuộn dây pha U) một góc γ = ωs(t) (ts là tần số mạch stator) Việc xây dựng vector không gian is(t) được mô tả như sau:

Qua hình (2-2) ta thấy rằng các dòng điện ba pha chính là hình chiếu của vector mới thu được trên cuộn dây pha đó Đối với các đại lượng khác của động cơ như điện áp, dòng rotor, từ thông stator, từ thông rotor đều có thể xây dựng các vector tương ứng đối với dòng điện kể trên Ta đặt tên cho trục thực của một mặt phẳng là α còn trục ảo là β, ta hãy quan sát hình chiếu của các vector dòng ở trên xuống hai trục đó, hai hình chiếu được đặt tên là isα và isβ, trên hình vẽ sau đây

Hình 2-2 Thiết lập vector không gian từ các đại lượng ba pha

Hai dòng kể trên là hai dòng hình sin, ta có thể hình dung ra một

động cơ điện tương ứng với cuộn dây cố định α, β thay thế cho ba cuộn dây

U, V,W Trên cơ sở công thức (2.1) kèm theo điều kiện điểm trung tính của

ba cuộn dây stator không nối đất, ta chỉ cần đo hai trong ba dòng stator là ta

có đầy đủ thông tin về vector is(t) với các thành phần trong công thức (2.4) Công thức (2.4) chỉ đúng khi trục cuộn dây pha U được chọn làm trục quy chiếu chuẩn như trong hình vẽ (2.3), điều này có ý nghĩa trong toàn bộ quá trình xây dựng hệ thống điều khiển/ điều chỉnh sau này:

isβ=

3

1(isu + isv) (2.4.b) Tương tự với các vector stator các vector điện áp stator, dòng rotor, từ thông stator, từ thông rotor đều được biểu diễn bằng các phần tử thuộc hệ toạ độ cố định(TĐST)

II chuyển hệ toạ độ cho vector không gian

Mục đích ở đây là đ−a ra cách quan sát các đại l−ợng vector trên hệ toạ độ statar về quan sát trên hệ toạ độ quay đồng bộ với từ thông stator

Xét hệ toạ độ tổng quát xy hình dung có một hệ toạ độ khác là x*y*

có chung điểm gốc và lệch đi một góc là V* so với hệ toạ độ xy

Quan sát 1 góc V bất kỳ ta thu đ−ợc :

Trên hệ xy : Vxy = x + j y (2-6) Trên hệ x*y* : v* = x* + j y* (2-7)

Từ hình (2-4) ta có

x* = xcosv* + ysinv* (2-8.a)

y* = -xsinv* + ycosv* (2-8.b) thay (2-8.a) và (2-8.b) vào (2-7) ta đ−ợc:

v* = (xcosv* + ysinv*) + j(-xsinv*+ ycosv* ) (2-9.a) = (x+jy)(cosv* - jsinv*) = vxy e-jv* (2-9.b) Một cách tổng quát ta thu đ−ợc từ (2-9.a) và (2-9.b) công thức chuyển

hệ sau đây

Vxy = V* ejv* ⇔ V* = Vxy e-jv* (2-10) Hai hệ toạ độ xy và x*y* đ−ợc coi là cố định hay góc lệch pha v* đ−ợccoi là không đổi Tuy nhiên trong thực tế v* có thể là 1 góc biến thiên với tốc độ góc

Bây giờ giả sử ta quan sát ĐCXCBP đang quay với tốc độ ω =

dtdv

Trong đó v là góc tạo bởi trục rotor và trục chuẩn (trục đi qua cuộn dây pha

U ) Ta mô tả vector dòng stator is và các vector từ thông rôtor ϕr với môdul

và góc pha ngẫu nhiên Vector từ thông với tốc độ: ωs = 2πfs =

dtdv

Trong đó: fs là tần số mạch điện stator

Ta thấy ở hình vẽ dưới đây với trường hợp ĐCXCBP là động cơ đồng

bộ thì trục của từ thông rotor cũng chính là trục rotor, dù động cơ đó là loại kích thích ngoài hay vĩnh cửu Trong trường hợp ấy ta có ω = ωs nếu

ĐCXCBP là ĐCKĐB thì sự chênh lệch giữa ω và ωs sẽ tạo nên dòng điện với tần số fs dòng điện đó cũng có thể biểu diễn dưới dạng vector ir quay với tốc độ góc ω =2πf

Hình 2-5 Biểu diễn vector không gian trên hệ toạ độ

từ thông rotor còn gọi là hệ toạ độ dq

Cuộn dây pha W

isβ

α

ở hình (2-5) nếu ta xây dựng một hệ toạ độ mới có trục thực có hướng trùng với hướng của véc tơ ψr và gốc toạ độ trùng với gốc toạ độ α, β và đặt tên cho các trục mới là dq Ta thấy rằng hệ trục toạ độ mới này quay xung quanh điểm gốc với tốc độ góc ωs và vector is có các phần tử mới sẽ là isd và

isq Để rễ nhận thấy vector đang được quan sát ở hệ toạ độ nào thì ta quy

ước thêm 2 chỉ số f và s và hệ toạ độ từ thông rotor thí dụ iss : vector dòng quan sát trên hệ toạ độ αβ, isf là vector dòng quan sát trên hệ toạ độ dq

Hoặc một cách chi tiết hơn ta có:

isd = isβsinϑs +isαcosϑs (2.13.a)

isq = isβcosϑs +isαsinϑs (2.13.b) Trong đó iss cũng như các phần tử isα và isβ đã được tính bằng công thức (2.4.a) và (2.4.b) trên cơ sở các dòng đo được isu ,isv

Toàn bộ quá trình diễn giải trên được tổng kết trên hình sau

isα

ĐCXBP

Biến tầnKhiển biến tần

3∼

=

M 3∼

Hình 2.6.thu thập các giá trị dòng stator trên hệ toạ độ từ thông

thực của vector ông rotor

Một ưu điểm rễ nhận thấy của hệ toạ độ mới ở chỗ do các vector is

và ϕr cũng như hệ toạ độ dq quay đồng bộ với nhau với tốc độ ωs quanh

điểm gốc, các phần tử của vector (ví dụ isd, isq) là các đại lượng một chiều Trong chế độ vận hành xác lập, các phần tử thậm chí có thể là không đổi Trong quá trình quá độ chúng có thể biến thiên theo thuật toán đã được định trước Mặt khác trên cơ sở của hình (2.6) ta có thể nhận thấy ngay được khó khăn của việc xác định isd , isq và góc ϑs trong trường hợp động cơ không

đồng bộ góc ϑs được xác định rễ dàng bằng thiết bị đo tốc độ vòng quay(máy phát xung kèm vạch 0, resolver) Trong trường hợp ĐCKĐB, góc

ϑs được tạo nên bởi tốc độ góc ωs = ω + ωr , trong đó chỉ có ω có thể đo

được Ngược lại ωr = 2πfr với fr là tần số của mạch rotor ta chưa biết Vậy phương pháp mô tả trên hệ toạ độ dq đòi hỏi phải xây dựng được phương pháp tính ωr một cách chính xác, đó là cơ sở của hệ thống điều khiển/ điều chỉnh tựa theo từ thông rotor(viết tắt : T4R) Một cách tương tự như đối với vector dòng stator, ta có thể biểu diễn tất cả các vector còn lại trên hệ toạ độ

III Khái quát ưu thế của việc mô tả động cơ xoay chiều ba pha trên hệ toạ độ từ thông rotor Với ĐCXCBP không tồn tại các quan hệ minh bạch ( giữa dòng và từ thông , giữa dòng và mômen) như ở động cơ một chiều mà là cấu trúc mạch

và các đại lượng phức tạp Phương pháp mô tả trên hệ dq cho phép mô tả dẫn tới các tương quan giống như động cơ một chiều nhằm đạt được các tính năng điều chỉnh/ điều khiển giống như động cơ một chiều

Sau khi xây dựng vector không gian cho các đại lượng dòng áp từ thông động cơ và chuyển các vector đó sang quan sát trên hệ toạ độ dq ta thu được các quan hệ đơn giản giưa mômen quay, từ thông và các phần tử của vector dòng stator

ϕr =

r

sd M

PT1

iL

isd , isq : phần tử d và q của vector dòng stator

MM : mômen quay của động cơ

Lr ,Lm : điện cảm rôtor, hỗ cảm giữa stator và rôtor

Nếu bằng dòng isd thành công trong việc điều chỉnh ổn định ϕrd tại mọi thời điểm công tác của động cơ, đồng thời thành công trong việc áp đặt nhanh chính xác dòng isd theo phương trình (2.16.b) sẽ có thể coi isd là đại lượng điều khiển mômen động cơ Do đó isd được gọi là dòng tạo mômen quay, tương tự iM ( dòng phần ứng ) trong công thức tính mômen quay

mM = k ϕM iM của động cơ một chiều Các đặc tính trên cho phép ta xây dựng cấu trúc hệ thống như hình vẽ sau:

Toàn bộ quá trình diễn giải trên được tổng kết trên hình sau

Trên cơ sở các tính năng lý tưởng đến nay ta vẫn luôn giả thiết cho

bộ điều chỉnh dòng (viết tắt ĐCD) ta đã thu được một cấu trúc hệ thống

điều chỉnh hoàn toàn giống như hệ thống truyền động điện một chiều điểm khác biệt là bộ ĐCD Tuy vậy đây là vấn đề giành cho phần sau của đồ án này sẽ đề cập đến

Với cách quan sát mới ta không cần quan tâm đến từng pha riêng lẻ nữa mà quan tâm đến toàn bộ vector: Tại từng điểm làm việc của động cơ vector is phải cấp hai thành phần thích hợp isd để điều khiển từ thông rotor ,

isq để sản sinh mômen quay như bộ điều chỉnh tốc độ quay đòi hỏi

Vậy việc chuyển các vector quan sát lên hệ toạ độ dq hệ toạ độ quay tròn với tốc độ góc ωs = 2πfs (fs là tần số mạch stator) quanh điểm gốc có trục thực đi qua trục từ thông rotor đã đưa tới các quan hệ tỷ lệ giữa mômen quay, từ thông và thành phần của vector dòng stator, cho phép xây dựng hệ thống điều chỉnh truyền động điện tương tự như trường hợp sử dụng động cơ một chiều

Qua cấu trúc hệ thống trên hình (2-8)ta thấy khâu then chốt để đảm bảo cho truyền động xoay chiều ba pha đạt được các tính năng như động cơ

điện một chiều là khâu điều chnhỉ dòng Khâu biến tần có nhiệm vụ tính chuyển các phần tử vector điện áp mà bộ diều chỉnh dòng đòi hỏi thành thời gian đóng ngắt các van bán dẫn của biến tần Phương pháp “ điều chế vector không gian “ và là nội dung chính của đồ án này

Khiển biến tần

M 3∼

=

Hình 2.8.cấu trúc đơn giản hệ thống TĐĐXCBP trên cơ sở của

phương pháp điều chỉnh tựa từ thông rotor

đo tốc độ quay

ψrd∼isd

ϑ

Phần III Mô hình liên tục của động cơ không

đồng bộ ba pha rotor lồng sóc

Để xây dựng thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả chính xác đến mức tối đa đối tượng điều chỉnh Mô để mô tả cần phải thể hiện rõ các đặc tính về thời gian của đối tượng điều chỉnh tuy nhiên không nhằm mục đích mô tả chính xác về mặt toán học đối tượng điều chỉnh mà chỉ phục vụ cho việc xây dựng thuật toán điều chỉnh

Về phương diện động cơ không đồng bộ được mô tả bởi một hệ phương trình vi phân bậc cao, vì cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tập về mặt không gian, vì các mạch từ móc vòng ta phải chấp nhân điều kiện sau trong khi mô hình hoá động cơ

- các cuộn dây stator được bố trí đối xứng về mặt không gian

- Các tổn hao sắt từ, và sự bao hoà từ có thể bỏ qua

- Dòng từ hoá và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe

từ

- Các giá trị điện trở và điện cảm tạm được coi là không đổi

Trục chuẩn của mọi quan sát được quy ước là trục đi qua tâm cuộn dây pha U Ta sẽ sử dụng các mô hình trong không gian trạng thái rễ mô tả

động cơ

I Hệ phương trình cơ bản của động cơ

Quan sát các đại lượng ba pha cách qua sát ba pha kinh điển chứ không phải là quan sát dưới các đại lượng vector ta sẽ thu được ba phương trình điện áp của ba cuộn dây stator như sau:

=

Ψ+

=

Ψ+

=

dt

)t(d)t(iR)t(u

dt

)t(d)t(iR)t(u

dt

)t(d)t(iR)t(u

sw sw

s sw

sv sv

s sv

su su

s SU

Với các ψsu , ψsv , ψsw : từ thông stator của ba cuộn dây s, u,w

Rs : điện trở cuộn pha stator

áp dụng công thức is(t) = ⎪is⎪ejγ cho điện áp ta thu được :

31.a 31.b 31.c

us =

3

2

usu(t) +

Thay các điện áp pha trong(3.1) và (3.2) ta thu được phương trình

điện áp stator dưới dạng vector như sau:

Tương tự với cuộn dây stator ta thu được phương trình điện áp rotor

như sau :

0 = Rrirr + (3.5)

với Rr : điện trở của rotor dã tính quy đổi về stator

0 : vector 0 (vector có môdul = 0 )

Cuộn động cơ có các điện cảm sau đây:

Lm : hỗ cảm rotor và stator

LδS : điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator

Lδr : điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor ( đã quy đổi )

Từ các điện cảm ta có thêm các thông số sau:

Lδ = Lm + LδS : điện cảm stator

Lr = Lm + Lδr : điện cảm rotor

Ts = Ls/Rs : hằng số thời gian stator

Tr = Lr/Rs : hằng số thời gian rotor

Phương trình chuyển động:

mm = mT +

dt.Pc

jdω

(3.8) Với : mT là mômen tải, mômen cản

J là mômen quán tính cơ

ω là tốc độ của góc rotor

Bây giờ ta hình dung một hệ toạ độ vuông góc quay tròn xung quanh gốc toạ độ chung với tốc độ ωk bất kỳ và tìm cách chuyển các phương trình vừa tìm được sang hệ toạ độ k đó

Về cơ bản ta có thể chọn được 1 trong 4 hệ toạ độ sau đây để có lợi

về phương diện vật lý từ đó dẫn đến có lợi cho việc thiết kế hệ thống điều chỉnh/ điều khiển Bốn hệ toạ độ đó là:

1 Hệ toạ độ cố định stator (hệ αβ)

2 Hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor ( hệ dq)

3 Hệ toạ độ tựa theo từ thông stator

4 Hệ toạ độ cố định rotor

Tuy nhiên trong thực tế hai hệ sau cùng không mang lại ý nghĩa thực

tế gì do đó ta xét các phương trình điện áp rotor và stator trên hai hệ toạ độ

αβ và dq

I.1- Phương trình điện áp stator

áp dụng công thức chuyển hệ toạ độ (2.10) và sau một số phép biến

đổi ta thu được phương trình tổng quát cho điện áp stator là :

USK=RS isk+ JωKψSK

(3.9)

Với hệ toạ độ αβ : trường hợp này sảy ra khi ωk = 0 phương trình

điện áp stator giữa nguyên giá trị củan nó như ban đầu và đây là hệ duy nhất đứng cố định trong bốn hệ kể trên

Với hệ toạ độ dq : trường hợp này sảy ra khi ωk =ωs thay chỉ số k = f trong phương trình (3.9) ta được:

I.2- Phương trình điện áp rotor

Tương tự như điện áp stator ta áp dụng công thức chuyển hệ toạ độ cho (2.10) và sau một số phép biến đổi ta được:

0=RR irk+ JωKψRK

(3.11)

Với hệ toạ độ αβ : vì hệ toạ độ αβ nằm cố định trên stator chuyển

động tương đối so với rotor bởi tốc độ góc ω vậy để thu được phương trình

điện áp rotor trên hệ αβ ta thay ωk = - ω vào phương trình (3.11) ta được:

0=RR irs+ JωψRS

Với hệ toạ độ dq : Ta xét trường hợp ωk =ωs - ω = ωr hệ toạ độ chuyển trạng động vượt trước rotor bởi tốc độ góc ωr = 2πf1 (f1 là tần số mạch rotor chính là hệ có trục trùng với trục từ thông rotor hệ dq

Thay isr và ψss vào 2 phương trình đầu trong hệ sử dụng các tham số

δ, Ts, Tr sau vài phép biến đổi ta thu được hệ sau:

dxs

Phương trình trên được gọi là phương trình trạng thái của động cơ không đồng bộ

Các mô hình trạng thái đ−ợc minh hoạ bằng các sơ đồ sau:

dis

s(t)dt

Hình 3.2 cho ta nhìn rõ hơn tương quan bên trong của động cơ không

đồng Nửa mô hình trên là mô hình điều chỉnh dòng với 2 đại lượng đầu vào: Điện áp stator trong đó vector từ thông rotor có thể coi là đại lượng ngẫu nhiên có môdul biến thiên chậm

Nửa dưới có đại đầu vào là dòng stator còn đầu ra không thể đo được

đó là từ thông rotor

Mô hình cho thấy rõ là đại lượng từ thông rotor là đại lượng ra không thể đo được song ( theo nửa mô hình dưới ) có thể ước lượng được nếu biết dòng stator

1- Mô hình trạng thái của động cơ không đồng bộ trên hệ trục toạ

độ dq

Ta tập hợp các phương trình (3.10); (3.12); (3.6a); (3.6b) thành một hệ phương trình mô tả động cơ không đồng bộ trên hệ dq

ư ψ’

rq + δ1ưδωψrq

′

δ

ư

isq δ

-δ

ư1

ωψrq′ +

r

T

1δ

mM = (3/ 2 ) ( Lm2/ Lr)Pc(ψrd′ iSq ) (3.26)

Hệ phương trình (3.25) và kết hợp với phương trình (3.26) ta thu được mô hình mô tả đầy đủ của động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ dq(trong trường hợp động cơ được nuôi bởi biến tần nguồn áp)

Hệ phương trình (3.25) có thể viết lại được dưới dạng “ Mô hình trạng thái phi tuyến yếu “ như sau:

ωs : Đại l−ợng vào thứ 3 ngoài 2 phần tử của usf (= 2πf )

Các vector mới định nghĩa có dạng nh− sau :

1-δ

δ ω 1-δ

1

0

00

0

0

0 -1

0

0

1

0 (3.30)

Trên cơ sở của động cơ đã xây dụng ta đi xây dựng cấu trúc cơ bản

động cơ dựa trên nguyên lý tựa theo từ thông rotor ( T4R ) Để xây dựng sơ

đồ cấu trúc ta xuất phát từ các quan sau:

1- Động cơ được nuôi bằng biến tần nguồn áp Điều đó có nghĩa :

Là đại lượng điều khiển phải là nguồn áp, điện áp đó sẽ thông qua khâu điều chế vector không gian ( ĐcVTKG ) và biến tần để đặt lên stator

động cơ Khâu điều chế vector không gian được coi là khâu truyền đạt trung thành về pha, về biên độ và lúc này ta tậm thời chưa quan tâm đến Nếu

điện áp được cho trước dưới dạng usd và usq ta cần sử dụng khâu chuyển hệ toạ độ điện áp (CTĐu) để tính chuyển sang usα và usβ trước khi đưa tới khâu điều chế vector không gian Nếu là dạng usα và usβ thì không cần phải chuyển hệ toạ độ điện áp

usf(t)

(t)

dxf (t)dt

Hình 3.3 Mô hình tổng quan của động cơ không đồng bộ trong không

gian trạng thái trên hệ toạ độ dq

2- Ta sử dụng một khâu điều chỉnh nào đó nhằm áp đặt nhanh 2 dòng

isd và isq thực sự biến chúng thành 2 đại l−ợng điều khiển tự thông rotor và mômen Đ là đ−ợc việc này ta sử dụng riêng rẽ 2 bộ điều chỉnh dòng riêng

rẽ ĐCid, ĐCiq kiểu PI để giải quyết vấn đề đặt ra Nh−ng ta ch−a đ−ợc biết nếu nh− các đại l−ợng đầu ra ĐCid và ĐCiq là yd và yq thì kích cỡ và đơn

vị nh− các đại l−ợng đầu vào, nh− dòng điện và ghép chúng vào chuyển tạo

độ điện áp nh− thế nào? và ở đầu vào ngoài giá trị phản hồi còn một giá trị cần nhận biết isd* và isq* đ−ợc cung cấp từ đâu

Để giải quyết vấn đề trên thì ta phải :

- Dùng một mạng tính các giá trị usd và usq từ yd và yq Mạng đó gọi là mạng tính áp (MTu)

- Dùng một mạng tính dòng(MTi) để tính isd* và isq* từ từ thông rotor ψrd* và mômen quay mM*

Xuất phát từ quan điểm xây dựng hệ thống cấu trúc nh− vậy ta có thể ghép các khâu lẻ tẻ thành một khối hoàn chỉnh nh− sau:

máy đo tốc độ quay

wvu

3∼

Hình 3.4 Cấu trúc kinh điển của một hệ thống truyền dộng dùng

ĐCKĐB nguồn nuôi bởi biến tần nguồn áp điềuchỉnh theo T 4 R

Trong thực tế cấu trúc kinh diển trên chỉ làm việc tốt trong chế độ tĩnh, chế độ xác lập, ở chế độ động như quá trình quá độ còn bộc lộ nhiều nhược điểm Hiện nay người ta sử dụng cấu trúc khác với : ” Hai đại lượng

isd , isq là 2 đại lượng không độc lập mà là phụ thuộc lẫn nhau thông qua phần phi tuyến Vì vậy khâu điều chỉnh dòng phải được thiết kế dưới giác

độ coi ĐCKĐB là đối tượng điều chỉnh đa thông số- số lượng điều chỉnh lớn hơn 1, lúc đó khâu điều chỉnh dòng sẽ là khâu điều chỉnh đa thông số Khâu điều chỉnh đa thông số làm nhiệm vụ áp cho từng thành phần dòng các đặc tính truyền đạt cho trước - thông qua 2 cụm điều chỉnh nhánh dọc-

đồng thời có nhiệm vụ cách ly thông qua 2 cụm điều chỉnh nội tại nhánh ngang- hai đại lượng khỏi tác động nội tại lẫn nhau

Ngoài việc thể hiện khâu điều chỉnh dòng cấu trúc này còn sử dụng trong hệ thống ba khâu là : khâu mô hình từ thông(MHTT), khâu điều chỉnh dòng từ thông(ĐCTT) và khâu dẫn từ thông (DTT)

wvu

3∼

Phần IV Mô hình gián đoạn của động cơ

xoay chiều ba pha

Chúng ta biết rằng vi xử lý cũng như máy tính là các phần tử không liên tục mà gián đoạn Có nghĩa là các thiết bị điều chỉnh/ điều khiển trên cơ sở vi xử lý chỉ có khả năng xử lý các giá trị thực/ giá trị cần thu được ở các thời điểm gián đoạn tương ứng Ngay từ những ngay đầu của kỹ thuật

điều khiển trên cơ sở vi xử luý / máy tính đã tồn tại và vẫn còn tồn tại: Xu hướng coi cả đối tượng điều chỉnh/ điều khiển lẫn thiết bị điều khiển/ điều chỉnh là các khâu gần như liên tục Điều đó cho phép ta tận dụng các kinh nghiệm, các phương pháp thu được trên cơ sở của các phương pháp trên các

hệ thống tương tự Tuy nhiên các phương pháp trên đã trở lên lạc hậu, phương thức hợp lý là ta phải xây dụng các thuật toán điều khiển/ điều chỉnh tại các thời điểm gián đoạn cách đều đối tượng được quan sát Vấn đề

là ta phải đi tìm các phương pháp thu thập các mô hình gián đoạn cần thiếta

kế từ các mô hình liên tục đã xây dựng

Mục đích của việc xây dựng các mô hình gián đoạn là để thiết kế các khâu điều chỉnh Điều cho phép ta đơn giản hoá mô hình ở một chừng mực nào đó trnhs vượt khả năng của vi xử lý / vi tính Các sai số của mô hình sẽ

được triệt tiêu bằng phương pháp bù hiệu chỉnh

I Mô hình gián đoạn của động cơ không đồng bộ

= Asxs+ Bsus

s

dt

dxs