Điều khiển véctơ tựa từ thông rôto động cơ không đồng bộ

Phạm vi và nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu chính của luận văn ñề cập ñến những vấn ñề sau: - Nghiên cứu về ñộng cơ không ñồng bộ, mô hình ñộng cơ không ñồng bộ trong các hệ tọa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-





 -

NGUYỄN QUỐC TÂM

ðIỀU KHIỂN VÉCTƠ TỰA TỪ THÔNG RÔTO

ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: ðiện khí hóa sản xuất nông nghiệp và nông thôn

Mã số: 60 52 54

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS: NGUYỄN VĂN LIỄN

Hà Nội – 2012

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan bản ñồ luận văn tốt nghiệp: “ðiều khiển véctơ tựa từ thông rôto ñộng cơ không ñồng bộ” do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy

giáo PGS.TS: Nguyễn Văn Liễn ðể hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng

những tài liệu ñược ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2012

Học viên thực hiện

Nguyễn Quốc Tâm

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn sâu sắc PGS.TS Nguyễn Văn Liễn người ñã trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn của mình

Xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Tự ñộng hoá, khoa Cơ ðiện, các thầy giáo, cô giáo Viện ñào tạo sau ñại học trường ðHNN

Hà Nội ñã hướng dẫn và giúp ñỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Xin trân trọng cảm ơn gia ñình, bạn bè, ñồng nghiệp ñã tạo ñiều kiện trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn

Hà nội, ngày….tháng….năm 2012

MỤC LỤC

LỜI CAM ðOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

MỞ ðẦU 1

CHƯƠNG 1: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ TRONG TỌA ðỘ KHÔNG GIAN KHÁC NHAU 4

1.1 Mô tả chung về ñộng cơ không ñồng bộ (ðK) 4

1.1.1 Mô hình ba pha của ñộng cơ không ñồng bộ 4

1.1.2 ðại lượng véc tơ không gian 10

1.2 Mô hình ñộng cơ không ñồng bộ trong các hệ tọa ñộ trực giao 13

1.2.1 Mô hình trong hệ tọa ñộ gắn với stato (α, β, 0) 13

1.2.2 Mô hình trong hệ tọa ñộ quay ñồng bộ (d, q, 0) 16

1.2.3 Mô hình trong hệ tọa ñộ gắn với rôto (D, Q, 0) 21

1.3 ðiều khiển véc tơ tựa từ thông rôto ðK, nghịch lưu nguồn áp (FOC) 24

1.3.1 Nguyên lý ñiều khiển 24

1.3.2 Mô hình tính toán ước lượng các ñại lượng phản hồi 30

1.3.3 Hiệu chỉnh tốc ñộ trượt 32

CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP HỆ ðIỀU KHIỂN VÉCTƠ TỰA TỪ THÔNG RÔTO ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ 34

2.1 Thiết kế ñiều khiển dòng ñiện trong hệ thống ñiều khiển véc tơ tựa từ thông rôto của ñộng cơ không ñồng bộ 34

2.1.1 Mô hình gần ñúng của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ d, q tựa từ thông rôto trong hệ tọa ñộ d, q tựa từ thông rôto 35

2.1.2 Tổng hợp bộ ñiều khiển dòng ñiện tích kênh trực tiếp 36

2.1.3 Tổng hợp hai bộ ñiều khiển dòng ñiện riêng sẽ có bù tách kênh 38

2.2 Thiết kế ñiều khiển từ thông 41

2.3 ðiều khiển trực tiếp từ thông stator và mô men ñiện từ (DTC) 42

2.3.1 Nguyên lý ñiều khiển 42

2.3.2 Kỹ thuật ñiều khiển 44

2.3.3 Mô hình tính toán các ñại lượng phản hồi 48

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH VÒNG ðIỀU KHIỂN VÉCTƠ TỰA TỪ THÔNG RÔTO ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ 52

3.1 ðiều khiển tựa từ thông rôtor 52

3.1.1 Tinh thần của phương pháp 52

3.1.2 Cấu trúc tổng thể của phương pháp FOC 54

3.1.3 Mô hình tính toán từ thông 55

3.2 ổng hợp các bộ ñiều chỉnh 55

3.2.1 Mô hình gần ñúng trong hệ tọa ñộ dq 55

3.2.2 Bộ ñiều chỉnh dòng ñiện 57

3.2.3 Bộ ñiều chỉnh từ thông 59

3.2.4 Bộ ñiều chỉnh tốc ñộ 60

3.2.5 Mô hình tổng thể 61

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH ðÁNH GIÁ HỆ THỐNG 62

4.1 Các chỉ tiêu chất lượng của hệ truyền ñộng ñiện 62

4.2 Nâng cao chất lượng ñiều chỉnh truyền ñộng ñiện nối cấp 2 mạch vòng 4.3 Mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện 4.3.1 Mạch vòng ñiều chỉnh dòng ñiện 64

4.3.2 Bộ ñiều chỉnh từ thông 67

4.3.3 Mạch vòng ñiều chỉnh tốc ñộ 67

4.3.4 Mô hình mô phỏng tổng quát 68

4.4 Kết quả mô phỏng 69

KẾT LUẬN 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH MỤC VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Ý nghĩa

ðK ðộng cơ không ñồng bộ DSP Xử lý tín hiệu số

DTT Dẫn từ thông FOC Nghịch lưu nguồn áp

STð Sức từ ñộng STð Sức từ ñộng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Bảng chọn véc tơ ñiện áp của nghịch lưu 48

Bảng 2.2 Biến thiên từ thông và mô men ứng với các véc tơ ñiện áp

sử dụng khi véc tơ từ thông ở vị trí như H.2.9,b 48

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sơ ñồ dây quấn tập trung của ðK m

dt

d θ

ω= 5

Hình 1.2 Sơ ñồ 3 pha quy ñổi về stato của ðK 7

Hình 1.3 Mô hình giải thích cách tính sññ rôto 8

Hình 1.4 (a) Mô hình của ðK trong hệ tọa ñộ cực 9

(b) Các ñại lượng véc tơ 9

Hình 1.5 Phân bố mật ñộ dòng ñiện khi chỉ có pha a có dòng 10

Hình 1.6 Phân bố mật ñộ dòng ñiện tổng từ các dòng ñiện 11

Hình 1.7 Phân bố mật ñộ từ thông tổng từ các dòng stato ở H.1.6 12

Hình 1.8 Biểu diễn véc tơ trên hệ trục α, β 14

Hình 1.9 Sơ ñồ thay thế của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ trục α, β 14

Hình 1.10 Sơ ñồ cấu trục của ðK trong hệ tọa ñộ α, β 16

Hình 1.11 Biểu diễn véc tơ không gian trong hệ trục d, q 17

Hình 1.12 Sơ ñồ thay thế ðK trong hệ trục tọa ñộ d, q 18

Hình 1.13 Sơ ñồ cấu trúc của ðK trong hệ tọa ñộ d, q 20

Hình 1.14 Biểu diễn véc tơ không gian tổng trục gắn với rôto (D, Q) 21

Hình 1.15 Sơ ñồ thay thế ðK trong hệ tọa ñộ gắn với rôto 22

Hình 1.16 Sơ ñồ cấu trúc của ðK trong hệ tọa ñộ gắn với rôto 23

Hình 1.17 ðồ thị véc tơ cho trường hợp hệ trục d, q và véc tơ từ thông rô to 24

Hình 1.18 Sự tương ñồng giữa ðK trong hệ tọa ñộ tựa từ thông rôto (b) và ñộng cơ một chiều kích từ ñộc lập (a) 26

Hình 1.19 Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển véc tơ tựa từ thông rôto 28

Hình 1.20 Mô hình dòng ñiện ước lượng tín hiệu 31

Hình 1.21 Ảnh hưởng của sự thay ñổi ñiện trở rôto ñến ñộ chính xác của mô hình ñiều khiển 32

Hình 2.1 Dòng ñiện ñộng cơ trên trục d, q 34

Hình 2.2 Sơ ñồ thay thế gần ñúng của ñộng cơ không ñồng bộ 35

Hình 2.3 Mô hình gần ñúng của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ d, q tựa từ thông rôto 35

Hình 2.4 Cấu trúc ñiều khiển tách kênh 37

Hình 2.5 Cấu trúc hai bộ ñiều khiển dòng riêng rẽ và hai tách kênh bằng dòng ñiện 39

Hình 2.6 ðiều khiển dòng riêng rẽ có bù sức ñiện ñộng esd và esq, R11 và R12 ñược lấy theo (2.3) 40

Hình 2.7 Mô hình mạch vòng ñiều khiển từ thông 41

Hình 2.8 Sơ ñồ khố hàm tuyến hệ FOC-1M 42

Hình 2.9 Biểu diễn các ñại lượng hệ trục αβ gắn với stato 43

Hình 2.10 Sơ ñồ khối của DTC 45

Hình 2.11 Quỹ ñạo véc tơ từ thông stato (a) và véc tơ ñiện áp sử dụng trong thời gian ∆t và từ thông tương ứng (b) 47

Hình 2.12 Mô hình tính toán từ thông stato và vị trí góc phần sáu S(x) 50

Hình 3.1 ðồ thị vector 52

Hình 3.2 Cấu trúc tổng quát của phương pháp ñiều chỉnh FOC 54

Hình 3.3 Mô hình tính toán từ thông trên hệ tọa ñộ α, β 55

Hình 3.4 Sơ ñồ thay thế ñộng cơ trong hệ tọa ñộ d-q 56

Hình 3.5 Mô hình ñiều khiển ñộng cơ dưới dạng hàm truyền 56

Hình 3.6 Mô hình hàm truyền ñạt của vòng ñiều chỉnh dòng ñiện theo trục d 57

Hình 3.7 Mô hình hàm truyền ñạt của vòng ñiều chỉnh dòng ñiện theo trục q 57

Hình 3.8 Mô hình ñiều chỉnh dòng ñiện có bù sức ñiện ñộng 58

Hình 3.9 Mô hình hàm truyền của mạch vòng ñiều chỉnh từ thông 59

Hình 3.10 Mô hình hàm truyền của mạch vòng ựiều chỉnh tốc ựộ 60

Hình 3.11 Mô hình hàm truyền của mạch vòng ựiều chỉnh tốc ựộ

ựã thêm khâu lọc 60

Hình 3.12 Mô hình tổng thể ựiều khiển ựộng cơ không ựồng bộ 3 pha 61

Hình 4.1 Bộ ựiều chỉnh dòng ựiện có bù sức ựiện ựộng 65

Hình 4.2 Bộ ựiều chỉnh dòng ựiện Isd 66

Hình 4.3 Bộ ựiều chỉnh dòng ựiện Isq 66

Hình 4.4 Bộ ựiều chỉnh từ thông 67

Hình 4.5 Bộ ựiều chỉnh tốc ựộẦẦẦ.ẦẦẦẦ67

Hình 4.6 đáp ứng của mạch vòng dòng ựiện Isd 70

Hình 4.7 đáp ứng của mạch vòng từ thông 71

MỞ ðẦU

1 Cơ sở lựa chọn ủề tài

ðộng cơ khụng ủồng bộ (ðK) là loại ủộng cơ ủược sử dụng rộng rói nhất trong cụng nghiệp Ưu ủiểm lớn nhất của ủộng cơ này là khụng cú bộ chuyển mạch cơ khớ, kết cấu chắc chắn và cú thể sử dụng trực tiếp nguồn ủiện xoay chiều ba pha cú sẵn

Tuy nhiờn tốc ủộ của ủộng cơ ðK khi nối với nguồn ủiện xoay chiều ba pha khụng thể ủiều chỉnh ủược liờn tục nếu thiếu cỏc thiết bị phụ trợ Mặc dầu vậy trong mấy thập kỷ gần ủõy, vấn ủề ủiều chỉnh một cỏch hiệu quả tốc ủộ của ðK ủó ủược nghiờn cứu và giải quyết tương ủối triệt ủể, cú ủược ủiều ủú chớnh là nhờ sự tiến bộ nhanh chúng của cụng nghệ chế tạo bỏn dẫn cụng suất và nhờ sự tiến bộ của cụng nghệ (phần mềm và phần cứng) chế tạo vi xử lý (MP) và xử lý tớn hiệu số (DSP) Trong khi cỏc bộ biến ủiốt ủiện tử cụng suất cú ủược cỏc ủặc tớnh ủiều khiển tuyệt vời thỡ ðK lại là một thiết bị tuy cấu tạo ủơn giản nhưng cỏc ủặc tớnh làm việc lại phức tạp do ủú việc xõy dựng mụ hỡnh của ðK trong chế ủộ quỏ ủộ là cần thiết

Bộ biến ủổi ủiện tử cụng suất (ðTCS) chủ yếu trong truyền ủộng ủiện xoay chiều là bộ nghịch lưu (nghịch lưu ủiện ỏp và nghịch lưu dũng ủiện) trong ủú sử dụng cỏc kỹ thuật ủiều chế PWM hoặc SVM, hoặc ủiều chỉnh bang bang và thường

cú tần số ủiều chế rất cao so với tần số của súng hài cơ bản của ủiện ỏp và dũng ủiện ủầu ra

Cỏc phương phỏp ủiều khiển vector cổ ủiển núi chung chưa ủảm bảo bản chất lượng ủiều khiển là trong quá trình khởi động và thay đổi thì cả momen và từ thông

đều đáp ứng chậm Sai số lớn hay bé của từ thông và momen không đ−ợc phân biệt

Vỡ vậy ủể giải quyết nhược ủiểm của cỏc phương phỏp trờn nhằm nõng cao chất lượng truyền ủộng ủiện thỡ cần phải nghiờn cứu ủiều khiển vộctơ tựa từ thụng rụto ủộng cơ khụng ủồng bộ

2 Phương phỏp nghiờn cứu

- Nghiờn cứu lý thuyết ủể xõy dựng thuật toỏn, xõy dựng mụ hỡnh toỏn cho

hệ truyền ủộng, tổng hợp mạch vũng dũng ủiện

- Dùng mô phỏng ñể kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu lý thuyết

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài

Về khoa học: Luận văn góp phần chuẩn hóa và hoàn thiện phương pháp

ðiều khiển véctơ tựa từ thông rôto ñộng cơ không ñồng bộ

Về thực tiễn: Với kết quả thu ñược của ñề tài ñã góp phần:

- Giải quyết một phần những khó khăn vấn ñề ñiều chỉnh một cách hiệu quả tốc ñộ của ðK

- Thiết kế ñược mạch vòng ñiều khiển vectơ tựa từ thông rôto ñộng cơ không

ñồng bộ và mô phỏng kiểm chứng nâng cao chất lượng hệ truyền ñộng ñiện

4 Phạm vi và nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu chính của luận văn ñề cập ñến những vấn ñề sau:

- Nghiên cứu về ñộng cơ không ñồng bộ, mô hình ñộng cơ không ñồng bộ trong các hệ tọa ñộ trực giao và ñiều khiển véc tơ tựa từ thông roto ðK

- Nghiên cứu các thông số thiết kế ñiều khiển bộ dòng ñiện trong hệ thống ñiều khiển véc tơ tựa từ thông rôto của ñộng cơ không ñồng bộ, Thiết kế ñiều khiển

từ thông và ðiều khiển trực tiếp từ thông stator và mô men ñiện từ (DTC)

- Nghiên cứu ñến ðiều khiển tựa từ thông rôtor với cấu trúc tổng thể của phương pháp FOC, mô hình tính toán từ thông và tổng hợp mạch vòng ñiều chỉnh

5 Tóm tắt nội dung luận văn

Chương 1: Có tiêu ñề “Xây dựng mô hình ñộng cơ không ñồng bộ trong tọa ñô không gian khác nhau”

Chương này trình bày một số vấn ñề cơ bản về ñộng cơ không ñồng bộ, mô hình ñộng cơ không ñồng bộ trong các hệ tọa ñộ trực giao và ñiều khiển véc tơ tựa

từ thông rôto ðK, nghịch lưu nguồn áp (FOC) ðây là cơ sở ñể tạo tiền ñề cho các nghiên cứu ở chương 2 của luận văn

Chương 2: Có tiêu ñề “Thiết lập hệ ñiều khiển véctơ tựa từ thông rôto ñộng cơ không ñồng bộ”

Từ các kết quả nghiên cứu ở chương 1 chương này tác giả ñề cập ñến các thông số thiết kế bộ ñiều khiển dòng ñiện trong hệ thống ñiều khiển véc tơ tựa từ

thông rôto của ñộng cơ không ñồng bộ, Thiết kế ñiều khiển từ thông và ðiều khiển trực tiếp từ thông stator và mô men ñiện từ (DTC)

Chương 3: Có tiêu ñề “Thiết kế mạch vòng ñiều khiển véctơ tựa từ thông rôto ñộng cơ không ñồng bộ”

Từ các kết quả nghiên cứu ở chương 2, chương này tác giả ñề cập ñến ðiều khiển tựa từ thông rôtor với cấu trúc tổng thể của phương pháp FOC, mô hình tính toán từ thông và tổng hợp các bộ ñiều chỉnh

Chương 4: Có tiêu ñề “Mô phỏng và phân tích ñánh giá hệ thống”

Phần kết luận và những ñề xuất: Tóm tắt nội dung chính luận văn ñã giải

quyết

CHƯƠNG 1: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ

TRONG TỌA ðỘ KHÔNG GIAN KHÁC NHAU 1.1 Mô tả chung về ñộng cơ không ñồng bộ (ðK)

1.1.1 Mô hình ba pha của ñộng cơ không ñồng bộ

ðộng cơ không ñồng bộ có các dây quấn ba pha ở rôto và stato, các dây quấn

là ñối xứng và ñược bố trí sao cho từ thông dọc theo chu vui khe hở không khí có dạng hình sin, gọi k là tên của dây quấn thì ta có phương trình ñiện áp như sau:

k k k k

dt

d i R

Từ thông móc vòng của mỗi dây quấn

∑

= Ψ

k k jk

Momen ñiện trở của ñộng cơ có:

m k k k

i M

δθ

δψ

∑

= 2 1

ðặt as, bs, cs, ar, br, cr là tên gọi của dây quấn stato và rôto

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

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

ðặt L: ðiện cảm chính của các dây quấn pha stato

L6: ðiện cảm tản

Ns: Số vòng dây một pha stato

Nr: Số vòng dây một pha rôto

θm: Vị trí góc của dây quấn rôto

Thì có thể viết ñược 6 phương trình ñiện áp cho ðK như sau nên mạch từ còn chưa bão hòa (ñiện cảm là hằng)

−

− +

=

3

2 cos 3

2 cos cos

2

1 2

1

1 1

π θ π

θ θ

( s s)bs cs m m ar m m br m m cr as

− +

−

=

3

2 cos cos

3

2 cos 2

1 2

1

1 1

π θ θ

π θ

( s s)cs m m ar m m br m m cr bs

2 cos 2

1 2

+ +

m bs m

m as m

1 3

2 cos 3

2 cos

θ π

θ θ

( s s)br cr ar

cs m

m bs m m as m

1 3

2 cos cos

π θ

( s s)cr

br ar

cs m m bs m

m as m

1 cos

3

2 cos 3

N

N L L N

N L L

s r s

−

− +

−

−

− +

=

r r r

r

s s s

L

δδδ

δδδ

1 2

1 2 1

2

1 1

2 1

2

1 2

1 1

;

1 2

1 2 1

2

1 1

2 1

2

1 2

1 1

2 1

m

m m

m

m m

m

m m m r r s

R

θ

πθ

πθ

πθθ

πθ

πθ

πθθ

θ

cos 3

2 cos 3

2 cos

3

2 cos

cos 3

2 cos

3

2 cos

3

2 cos

cos

;

;

Và tất cả các ñại lượng ñiện từ ñược coi như là các vectơ có ba chiều theo ba trục của dây quấn

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

t t t

t i

t i

t i i t U

t U

t U U

cr br ar r cs

bs as s cs

bs

as s cs bs

as s

ψψ

ψψψ

s s

s

dt

d i dt

d L R dt

d i R

=

( )

s s

s

dt

d L R i L dt

d dt

d i R

( )m r m s s

( )m s r r T

θ

Các phương trình mô tả ðK theo các dây quấn ở stato và rôto là các phương trình có hệ số biến thiên theo vị trí góc của dây quấn rôto θm trong khoảng [0, 2π]

Việc giải trực tiếp các phương trình này có nhiều bất tiện, do ñó các mô tả khác cho ðK, một trong những mô hình ñó là sơ ñồ 3 pha của ðK trong ñó ñã quy ñổi các dây quấn rôto về mạch stato

Hình 1.2 Sơ ñồ 3 pha quy ñổi về stato của ðK

Trong mô hình quy ñổi về stato, dây quấn rôto ñược nối với dây quấn stato

do ñó nó ñứng yên và hỗ cảm giữa dây quấn rôto và stato cùng pha là hằng và luôn

' '

;

;

−

−

− +

−

−

− +

=

1 2

1 2 1

2

1 1 2 1

2

1 2

1 1

;

1 2

1 2 1

2

1 1

2 1

2

1 2

1 1

;

1 2

1 2

1

2

1 1

2

1

2

1 2

1 1

' '

'

'

m m

r r r

m r

s s s

m

L

δδδ

δδδ

Trong mô hình H.1.1 dây quấn rôto quay với vận tốc ω, trong mô hình H.1.2 dây quấn rôto ñứng yên, trong khi ñó vec tơ từ thông ψr vẫn quay cùng với tốc ñộ

từ trường quay: ωs = ω + ωsl

Trong ñó ωsl là tần số góc của dòng ñiện (từ thông) rôto nếu ñiểm mốc quan sát nằm trên rôto, do ñó trong dây quấn rôto ở mô hình H.1.2 sẽ xuất hiện các sức ñiện ñộng quay kk trong phương trình (1.1) Tuy nhiên chỉ có thành phần từ thông vuông góc với trụ dây quấn mới sinh ra sức ñiện ñộng quay xem H.1.3

b'r

a'r c'r

Hình 1.3 Mô hình giải thích cách tính sññ rôto

Từ phân tích ở trên ta có thể tính ñược sức ñiện ñộng rôto

rc rb ra

s s

s s

e dt

d i R U

dt

d i R U

'

' '

ψ

(1.7)

( )

+

= + +

= +

=

+

= + +

= +

=

m s r s m s r r r s m

m s r s m s r r m s s s

i i L i L i L i L

i i L i L i L i L

ψψψ

ψψψ

δ δ

δ

δ δ

' ' '

' ' '

'

Từ các phương trình (1.7) và (1.8) ta có thể dựng ñược mô hình tương ñương của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ như trên H.1.4, tất cả các ñại lượng ñiện

từ là các vec tơ quy trong mặt phẳng cắt ngang trục ñộng cơ, ñộng cơ có hai dây quấn, dây quấn stato và dây quấn rôto quy ñổi về stato với các tham số là các ma trận hằng

U s

is

R s L δ s L' δ r R' s

~ U're'r

Hình 1.4 (a) Mô hình của ðK trong hệ tọa ñộ cực

(b) Các ñại lượng véc tơ

Từ ñây trở ñi, ñể ñơn giả trong cách biểu diễn, tác giả bỏ qua các dấu phảy ( ’ ) viết trên các ñại lượng rôto quy ñổi, tuy nhiên ý nghĩa của chúng vẫn giữ nguyên

1.1.2 ðại lượng véc tơ không gian

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

Xét một ñộng cơ không ñồng bộ (ðK) có ba pha dây quấn ñối xứng ở stato trong ñó trục dây quấn pha a ñặt trùng với trục thực của mặt phẳng phức, H.1.5 ðể tạo ñược phân bố mật ñộ từ thông là hình sin, thì sức từ ñộng (ias, Ns) phải là hàm hình sin dọc theo chu vi khe khở không khí Các dây quấn pha ñược coi rằng có phân bố với mật ñộ quấn dây cũng là hình sin Như vậy dòng ñiện mỗi pha tạo một sức từ ñộng (STð) có dạng hình sin dọc chu vi khe hở không khí và biên ñộ của STð này tỉ lệ với ñộ lớn của dòng ñiện tương ứng, cực tính của STð phụ thuộc vào cực tính dòng ñiện và bố trí theo hướng là trục của dây quấn pha Thí dụ ứng với dòng ñiện pha a dương isa tại thời ñiểm θ1, tạo ra phân bố mật ñộ dòng ñiện tạo thành góc

2

π

so với trục dây quấn pha a, và do ñó có giá trị cực ñại theo hướng trục

ảo, H.1.5, stato này ñập mạch theo chu kỳ dòng ñiện và dọc theo trục ảo

Sức từ ñộng toàn phần của stato ñược xây dựng bằng cách xếp chồng các phân bố mật ñộ dòng ñiện của cả ba pha STð toàn phần này cũng có phân bố hình sin thể hiện bằng hai hình bán nguyệt trên H.1.6 Biên ñộ của STð toàn phần tỷ lệ với biên ñộ dòng ñiện pha và hướng của nó phụ thuộc và thời gian θ, tức là phụ thuộc vào giá trị tức thời của ias(t), ibs(t) và ics(t) Do dòng ñiện các pha thay ñổi theo thời gian nên STð toàn phần chính là một sóng mật ñộ dòng ñiện quay

Việc xếp chồng các phân bố mật ñộ dòng ñiện pha ñược xác ñịnh bằng véc

tơ không gian dòng ñiện phức stato:

1 3

2

j j

Bởi vì a là véc tơ ñơn vị và có hướng tựa theo trục dây quấn pha b, do ñó aibs

là véc tơ không gian ñại diện cho phân bố mật ñộ dòng ñiện hình sin gây ra bởi dòng ibs Tương tự như vậy a2.ics ñại diện cho phân bố mật ñộ dòng ñiện do dòng ñiện ics gây ra, với a2 chỉ hướng của trục dây quấn pha c

Véc tơ không gia dòng ñiện stato i s ñại diện cho phân bố hình sin của STD tổng ñược tạo ra "bên ngoài" ñộng cơ Sóng STð tổng có giá trị cực ñại tại vị trí góc

vượt trước

2

π

so với véc tơ không gian i s, H.1.6, biên ñộ của nó tỉ lệ với biên ñộ

của véc tơ không gian dòng ñiện stato i s

Hệ số 2/3 trong (1.10) phản ánh phép ánh xạ không tương ñương về công suất, tuy nhiên nó rất tiện nợi trong tính toán, thí tụ từ i s ta có thể tìm lại ñược các dòng ñiện thành phần bằng cách chiếu i s lên các trục dây quấn pha tương ứng

s e cs s e bs s e

jIm

ψsS

Re

Hình 1.7 Phân bố mật ñộ từ thông tổng từ các dòng stato ở H.1.6

Trong chế ñộ xác lập các dòng ñiện stato tạo ñược một hệ thống ba pha hình sin và cân bằng và tạo ra sóng STð stator có biên ñộ là không ñổi và quay ñồng bộ với tần số góc ωs của dòng ñiện stato

Phân bố mật ñộ từ thông dọc theo chu vi khe hở không khí cũng sẽ là hình sin và chậm sau sóng mật ñộ dòng ñiện một góc

Có thể mở rộng khái niệm véc tơ không gian dòng ñiện i s cho hệ thống ñiện

áp ba pha stato

π

so với vị trí cực ñại của phân bố mật ñộ dòng ñiện mà nó ñại diện,

H.1.6 Ngược lại các véc tơ từ thông móc vòng luôn trùng phương với vị trí cực ñại của phân bố từ thông móc vòng tương ứng H.1.7 ðiều này là thuận tiện cho việc biểu diễn một quan hệ ñơn giản giữa hai véc tơ này:

s ss

1.2 Mô hình ñộng cơ không ñồng bộ trong các hệ tọa ñộ trực giao

1.2.1 Mô hình trong hệ tọa ñộ gắn với stato (α, β, 0)

Từ H.1.4 thấy rằng tất cả các ñại lượng ñiện từ ñều có thể biểu diễn bằng các véc tơ không gian trong mặt phẳng cắt ngang trục ñộng cơ, các véc tơ này ñược xác ñịnh bởi biên ñộ và vị trí góc, do ñó ta có thể biểu diễn các véc tơ này bởi các thành phần của nó trên hệ tọa ñộ trực giao bất kỳ

Hệ trục tọa ñộ trực giao gắn với stato có tên gọi hệ (α, β, 0) trong ñó trục Oα trùng với trục của dây quấn pha a stator, các ñại lượng véc tơ ñược biểu diễn bởi hai phần phần chiếu của nó trên các trục tọa ñộ, thí dụ véc tơ U s , H.1.8

U α = cosθ

us s

Uβ = sinθ

Trong ñó Um là biên ñộ ñiện áp pha stato – theo (1.12)

ðể viết ñược các phương trình mô tả ðK trong hệ tọa ñộ α, β ta có thể hoặc chiếu trực tiếp các phương trình (1.7), (1.8) lên các trục α, β, hoặc thông qua sơ ñồ thay thế có ñược bằng cách chiếu sơ ñồ H.1.4,a lên các trục tọa ñộ tương ứng như biểu diễn trên H.1.9, trong ñó LM = 1,5.Lm Các dây quấn của máy ñiện trên các trục

là vuông góc với nhau, do ñó hỗ cảm giữa chúng là bằng không, sức ñiện ñộng quay

ở mạch roto của dây quấn này do từ thông rôto của dây quấn kia cảm ứng sang tương ñương với góc là

2

π

và 2

β

Hình 1.9 Sơ ñồ thay thế của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ trục α, β

Từ sơ ñồ thay thế dạng hai pha vuông góc của máy ñiện H.1.9, ta dễ dàng viết ñược các phương trình mô tả ñộng cơ:

r r

r r r s s

s s

dt

d i R U dt

d i R

r r

r r r s s

s s

dt

d i R U dt

d i R

s M r r r r M s s

s L iα L iα α L iα L iα

s M r r r r M s s

2

' 3

Các ñại lượng véc tơ không gian của máy ñiện là duy nhất, tuy nhiên chúng

có thể ñược biểu diễn hoặc trong hệ tọa ñộ ba pha quy ñổi vì stato as, bs, cs, hoặc trong hệ tọa ñộ trực giao αs, βs có thể tìm ñược mối tương quan giữa hai hệ tọa ñộ này, thí dụ cho dòng ñiện stator

( ) ( )

( ) ( )

i bs

t i as

t i

C s

t i s

t i

cs

i s

t i C

i bs

t i as

t i

β

α

1 1

Trong ñó ma trận ánh xạ C1 là phép biến ñổi 3 pha thành 2 pha nghịch ñảo của nó là phép biến ñổi 2 pha thành 3 pha

1 0

0 0 1 1

1

2

3 2

1

0 1

1 1

C

Hệ phương trình (1.14) cũng có thể ñược thể hiện bởi sơ ñồ cấu trúc dưới ñây, H.1.10, sử dụng ánh xạ liên tục p = d/dt kết hợp với phương trình chuyển ñộng của hệ

dt

d y M

1 p

1 p

1 p

α s 1

p' Jp p'ω

Hình 1.10 Sơ ñồ cấu trục của ðK trong hệ tọa ñộ α, β

1.2.2 Mô hình trong hệ tọa ñộ quay ñồng bộ (d, q, 0)

Các ñại lượng véc tơ không gian cùng có thể ñược biểu diễn trong hệ tọa ñộ trực giao d, q quay với tốc ñộ ωs, với hy vọng là trong chế ñộ tựa xác lập vị trí góc của các véc tơ này tính từ hệ trục tọa ñộ d, q sẽ không ñổi và do ñó các thành phần chiếu của véc tơ không gian lên các trục sẽ là các ñại lượng một chiều thí dụ véc tơ ñiện áp hình 1.11

s q

Hình 1.11 Biểu diễn véc tơ không gian trong hệ trục d, q

as ds

us s

ds U

us s

qs U

Có thể nhận xét rằng hệ trục d, q chính là hệ trục α, β quay ñi một góc θs: (d, q) = ejθs(α, β); ejθs = cosθs + j sinθs

ðiều này có nghĩa rằng các thành phần theo các trục 0d, 0q của véc tơ không gian cũng ñược quay ñi một góc tương ứng, ñể tiện theo dõi ta thêm chỉ số k vào các véc tơ không gian ñược biểu diễn trong hệ d, q như vậy thì:

s s

s

r rk j s sk

j s sk j s

j e dt

d dt

s j sk s j

sk

ωψ

ωψ

= +

Phương trình thứ nhất của hệ (3.7) trở thành:

sk s sk sk

s

dt

d i R

Lập luận tương tự ñối với phương trình ñiện áp ở mạch rôto với chú ý rằng bản thân dây quấn, rôto cũng ñã quay cùng chiều một góc θm, do ñó góc quay thực chỉ là θsl = θs – θm, H.1.11 và phương trình thứ hai của hệ (1.7) trở thành:

rk s rk rk

r

dt

d i R

của dây quấn rôto trên trục tiết diện, H.1.12

dt

d i R

ds s qs qs

s qs

dt

d i R

qr s dr dr

s dr

dt

d i R

dr s qr qr

s qr

dt

d i R

dr r ds M dr dr M ds s

qr r qs M qr qr M qs s

qr qs dr

L

L p i

i i i L

p

2

'32

'3

Hệ phương trình (1.18) ñượng biểu diễn bởi sơ ñồ cấu trúc H.1.13 Sơ ñồ này

là tiện lợi cho thiết kế ñiều khiển và nhận dạng

Hình 1.13 Sơ ñồ cấu trúc của ðK trong hệ tọa ñộ d, q

Có thể thấy rằng hệ phương trình (1.18) và do ñó sơ ñồ cấu trúc H.1.13 về hình thức chỉ khác hệ phương trình (1.14) và sơ ñồ cấu trúc H.1.10 ở các sức ñiện ñộng mạch dây quấn stato, do kết quả của sự quay hệ trục tọa ñộ (và cũng như quay

cả máy ñiện) gây nên

Có thể tìm ñược ma trận ánh xạ giữa hai hệ trục hệ tọa ñộ d, q chính là phép quay hệ trục α, β ñi một góc θs và hệ trục tọa ñộ α, β chính là phép quay hệ trục d, q

d

s s

s s

s s

s s

θθ

θθ

β

αβ

αθθ

θθ

cos sin

sin cos

; cos

sin

sin cos

Trong mục này chưa ñề cập ñến vấn ñề là hệ trục tọa ñộ quay d, q ñược chọn

cụ thể như thế nào, do ñó các mô hình là khá phức tạp Trong tính toán ñiều khiển,

hệ trục d, q ñược chọn gắn (tựa) với một ñại lượng véc tơ không gian cụ thể, ñiều này một mặt ñơn giản hóa ñược mô hình của ðK, mặt khác cũng ñịnh hướng cụ thể cho các giải pháp kỹ thuật

Hệ trục d, q có thể ñược tựa trên: véc tơ ñiện áp stator, véc tơ từ thông từ hóa, véc tơ từ thông stato, véc tơ từ thông rôto hay véc tơ dòng ñiện stato

1.2.3 Mô hình trong hệ tọa ñộ gắn với rôto (D, Q, 0)

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

QS DS

us S

DS U

us s

sin cos

s SD

dt

d i R

SD s SQ SQ

s SQ

dt

d i R

dt

d i R

RD s RD

ψ

+

=

d i R

1 p

Mc

3p' 2

x

x

ψMD

ψMQ

Hình 1.16 Sơ ñồ cấu trúc của ðK trong hệ tọa ñộ gắn với rôto

Trong trường hợp chung các thông số ñiện cảm và ñiện trở dây quấn của ðK không phải là hằng ðiện cảm của máy ñiện nói chung là hàm phi tuyến của dòng ñiện, khi dòng ñiện trong dây quấn tăng lên ñến mức nào ñó thì mạch từ bắt ñầu bị bão hòa và ñiện cảm dây quấn bị giảm mạnh ðiện trở của dây quấn nhất là dây quấn roto, nơi không ñược làm mát tốt, thay ñổi rất mạnh theo nhiệt ñộ của dây quấn Các yếu tố trên cần ñược xét ñến trong trường hợp cần có mô hình chính xác của ñộng cơ

Mô hình của ðK có tính phi tuyến mạnh, trong nhiều trường hợp có thể dẫn

ra các mô hình tuyến tình hóa xung quanh ñiểm làm việc xác lập (mô hình tín hiệu

nhỏ) hoặc tuyến tắnh hóa chắnh xác dựa trên thuật toán "cuốn chiếu" (Back stepping)

1.3 điều khiển véc tơ tựa từ thông rôto đK, nghịch lưu nguồn áp (FOC)

Phương pháp ựiều khiển véc tơ tựa từ thông rôto dựa trên mô hình đK trong

hệ trục tọa ựộ quay ựồng bộ, trong ựó hệ trục ựược "gắn vào" véc tơ từ thông rôto,

có thể làm ựược như vậy là do véc tơ không gian của từ thông rôto quay với tốc ựộ ựồng bộ Véc tơ từ thông rôto nằm ở rôto nên sự biến thiên vị trắ góc của nó phụ thuộc vào tốc ựộ góc của rôto (tốc ựộ cơ khắ), hơn nữa véc tơ từ thông rôto chịu ảnh hưởng của dòng ựiện mạch rôto, trong ựó hằng số thời gian ựiện từ của mạch rôto (Lr/Rr) nói chung là khá lớn hơn hằng số thời gian ựiện từ của mạch stato (Ls/Rs) những ựiều này nói lên rằng véc tơ từ thông rôto biến thiên (Cả về biên ựộ và vị trắ pha) chậm hơn các véc tơ không gian còn lại đó là lý do tại sao lại "tựa" vào véc tơ

từ thông rôto

1.3.1 Nguyên lý ựiều khiển

để diễn giải phương pháp, ta hãy vẽ lại H.1.12, trong ựó hệ trục tọa ựộ d, q ựược tựa vào vectơ từ thông rôto H.1.17

iqs0

θm

θs

γs

as α=

isquủ ệỰo

Hình 1.17 đồ thị véc tơ cho trường hợp hệ trục d, q và véc tơ từ thông rô to

i s

sd i

i = cosγ

i s

sq i

i = cosγ

Ở chế ñộ tựa xác lập tất cả các véc tơ từ không gian ñều quay với tốc ñộ ñồng bộ nên góc γi biến thiên rất chậm nên các thành phần chiều của véc tơ dòng ñiện lên các trục sẽ giống như các ñại lượng một chiều, ñiều này cho phép có thể tổng hợp ñược các bộ ñiều khiển vô hướng cho từng thành phần

Bởi vì trục 0d trùng với véc tơ từ thông rôto, nên

Dựa theo biểu thức cuối cùng của hệ (3.18), ta viết ñược mô men ñiện từ

r

M sd

rq sq rd r

L

L p i

i L

L p

2

' 3 2

Bằng nguyên lý ñiều khiển trên ñây ta ñã "biến ñổi" ñộng cơ không ñồng bộ rôto lồng sóc về mô hình tương ñương với ñộng cơ ñiện một chiều kích từ ñộc lập

U

M a)

ids

U

M b)

r

qs

qs

Hình 1.18 Sự tương ñồng giữa ðK trong hệ tọa ñộ tựa từ thông rôto (b) và

ñộng cơ một chiều kích từ ñộc lập (a)

Trong phương pháp này cần phải xác ñịnh ñược vị trí góc của véc tơ từ thông rôto ñể có thể tựa hệ trục d, q vào ñó; từ H.1.17 thấy rằng:

θs = θm + θsl;

sl sl m

s s

dt

d dt

d dt

d

ω

θω

θω

M ar r qr ds r

M dr r

L

L L

i i L

L L

=

−

− +

dr sl qs r r

M qr r

r qr

qr sl ds r r

M dr r

r dr

i R L

L L

R dt d

i R L

L L

R dt d

ψωψ

ψ

ψωψ

ψ

(1.22)

L

R L

Hình 1.19 Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển véc tơ tựa từ thông rôto

Có thể phân chia sơ ñồ khối H.1.19 ra làm ba phần (bởi các ñường nét ñứt) Phần bên trái của sơ ñồ là phần các thuật ñiều khiển, ñược xây dựng trên hệ tọa ñộ

dq gắn với từ thông rôto, do các ñại lượng ñiện cơ là biến thiên chậm (một chiều) nên có thể xây dựng các mạch vòng ñiều khiển ñơn biến (siso) phần góc trên bên phải chính là ñối tượng ñiềug khiển bao gồm nghịch lưu và ñộng cơ không ñồng bộ (NL – ðK) Phần góc dưới bên trái là phần ño lường và tính toán các giá trị phản hồi, trong ñó SP là thiết bị ño vị trí góc dây quấn rôto θm

Mạch lực của sơ ñồ bao gồm nghịch lưu nguồn áp có ñiều chế PWM hoặc SVM cung cấp cho ñộng cơ ðK nguồn ñiện áp ba pha ñược coi là hình sin: Uas, Ubs,

Ucs Mạch vòng ñiều khiển tốc ñộ cho ñầu ra là giá trị mô men ñặt M* và thông qua

hệ số mô men km ta ñược giá trị ñặt của thành phần dòng ñiện ngang trục i*sq, quan

hệ giữa mô men và thành phần dòng ñiện ngang trục ñược biểu diễn bởi phương trình (1.21)

r M

r sq

m

L p

L M

i

K

ψ

'.

sl

ω ñược tính toán bởi phương trình (1.24) ñể thỏa mãn tính chính xác của ñồ thị H.1.17

r r

r M sq

sl s

L

R L i

1.3.2 Mô hình tính toán ước lượng các ñại lượng phản hồi

Các thành phần của véc tơ dòng ñiện trong hệ trực giao dễ dàng tính toán ñược nếu ta ño ñược giá trị tức thời gian của dòng ñiện 3 pha

( )t i ( )t i ( )t i ( )t i ( )t

3

1 3

1 3

s s

i i

i C i

i

1

β α

sd

e C i

i C i

r

L

R L

r M r r

s M r

r

L

R L i

L i L L

R dt

r M r r

s M r

r r

i L

R L i

L i L L

R dt

d

=

− +

+

ðể ý rằng các biểu thức trong dấu ngoặc ñơn chính là thành phần dọc trục và ngang trục của véc tơ từ thông stato và ñặt Tr = Lr/Rr từ các thành phần này có thể tính ñược biên ñộ của véc tơ từ thông rôto

2 2

r s

ψ

ψθψ

ψ

θ = α ; sin = β

cos