Ứng dụng fuzzy logic trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha

Dây quấn được đặt trong các rãnh của lõi thép stator.. Dây quấn stator của động cơ không đồng bộ ba pha gồm ba cuộn dây giống nhau, có vị trí lệch nhau góc không gian 120ođiện như Hình 2

Ch Chươ ươ ương ng ng 2: 2:

T TỔ Ổ ỔNG NG NG QUAN QUAN QUAN ĐỘ ĐỘ ĐỘNG NG NG C C CƠ Ơ Ơ KH KH KHÔ Ô ÔNG NG NG ĐỒ ĐỒ ĐỒNG NG NG B B BỘ Ộ Ộ BA BA BA PHA PHA

2 2.1 .1 .1 ĐẠ ĐẠ ĐẠIIII C C CƯƠ ƯƠ ƯƠNG NG NG V V VỀ Ề Ề ĐỘ ĐỘ ĐỘNG NG NG C C CƠ Ơ Ơ KH KH KHÔ Ô ÔNG NG NG ĐỒ ĐỒ ĐỒNG NG NG B B BỘ Ộ Ộ BA BA BA PHA PHA

2 2.1.1 .1.1 .1.1 C C Cấ ấ ấu u u ttttạ ạ ạo o

Động cơ không đồng bộ ba pha có cấu tạo gồm hai phần: phần tĩnh (stator)

và phần quay (rotor)

2 2.1.1.1 .1.1.1 .1.1.1 Stator Stator Stator::::

Gồm các bộ phận: lõi thép, dây quấn và vỏ máy

Lõi thép stator có dạng hình vành khuyên xem Hình 2.1a, được ghép bằng các lá

thép kỹ thuật điện có hình dạng như Hình 2.1b Mặt trong của lõi thép có các rãnh

để đặt dây quấn xem Hình 2.1c

H

Hìììình nh nh 2 2 2.1 1 1 (a) lõi thép stator; (b) lá thép; (c) rãnh chứa dây quấn

Rãnh có các dạng: rãnh kín, là rãnh không có miệng; rãnh hở, là rãnh có miệng và đáy bằng nhau; rãnh nửa hở, là rãnh có miệng bằng ½ đáy; rãnh nửa kín,

là rãnh có miệng nhỏ hơn đáy Có 2 dạng rãnh nửa kín phổ biến là rãnh hình thang

và rãnh quả lê xem Hình 2.2

R ãnh kín

Rãnh hình thang

Rãnh nửa hở

Rãnh quả lê

R ãnh hở

H Hìììình nh nh 2 2 2.2 2 2 Rãnh ở mặt trong stator

Dây quấn stator thường là dây đồng có tiết diện tròn hoặc chữ nhật và được

bọc cách điện Dây quấn được đặt trong các rãnh của lõi thép stator Dây quấn stator của động cơ không đồng bộ ba pha gồm ba cuộn dây giống nhau, có vị trí lệch nhau góc không gian 120ođiện như Hình 2.3

P h a U

P h a V

P h a W

H Hìììình nh nh 2 2 2.3 3 3 (a) sơ đồ bố trí ba cuộn dây stator, (b) dây quấn ba pha đặt trong rãnh Vỏ máy có chức năng bảo vệ máy và làm giá lắp các bộ phận khác của máy.

Vỏ máy có thể làm bẳng thép đúc, hoặc nhôm xem Hình 2.4 Vỏ gồm thân và hai nắp Thân vỏ để chứa lõi thép Mặt ngoài thân có các gờ tản nhiệt, có các lỗ để lắp

vịng treo, bảng đấu dây và đế máy Hai nắp của thân dùng để che phần đầu nối của dây quấn và là giá chứa hai ổ trục của rotor

H Hìììình nh nh 2 2 2.4 4 4 (a) vỏ máy; (b) các phụ kiện

2 2.1.1.2 .1.1.2 .1.1.2 Rotor Rotor Rotor Gồm cĩ các bộ phận: lõi thép, trục và dây quấn.

Lõi thép rotor được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện cĩ dạng như Hình

1.5 Mặt ngồi cĩ các rãnh để đặt dây quấn rotor; ở giữa cĩ lỗ để lắp trục rotor

Rãnh đặt dây quấn

Lỗ lắp tru ïc

H Hìììình nh nh 2 2 2.5 5 5 Lõi thép rotor

Trục rotor làm bằng thép, trục thường được cố định với lõi thép theo kiểu

then hoa

Dây quấn của động cơ khơng đồng bộ cĩ 2 kiểu: kiểu rotor lồng sĩc và kiểu

rotor quấn dây

Rotor lồng sĩc (rotor ngắn mạch): trong mỗi rãnh của lõi thép rotor đặt một

thanh dẫn bằng đồng hoặc nhơm, đầu các thanh dẫn nối vào hai vành bằng đồng

hoặc nhôm gọi là hai vành ngắn mạch Hệ thống các thanh dẫn và hai vành ngắn mạch như Hình 2.6 Các thanh dẫn rotor lồng sóc thường được bố trí nghiêng một bước rãnh nhằm giảm ảnh hưởng của moment phụ (hiện diện ở tốc độ dưới tốc độ đồng bộ) cũng như giảm thiểu tiếng ồn và làm rung động khi động cơ làm việc

Hệ thống thanh dẫn – vành ngắn mạch Rotor lồng sóc

H Hìììình nh nh 2 2 2.6 6 6 Rotor lồng sóc Rotor quấn dây: trong các rãnh của lõi thép rotor đặt dây quấn ba pha giống

như dây quấn stator Dây quấn này thường nối sao, ba đầu dây ra của dây quấn nối với ba vành bằng đồng (gọi là vành trượt) gắn cố định trên trục rotor xem Hình 2.7a Các vành trượt được cách điện với trục rotor Tỳ trên ba vành trượt là ba chổi than gắn cố định trên giá như Hình 2.7b Ba chổi than nối với ba biến trở dùng để

mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ xem Hình 2.7c

3 c u ộn dây rotor

R otor 3 vành tr ư ợ t

T r ụ c rotor

C h ổi th a n

B iến tr ở

c)

a)

v à n h tr ư ợ t

H Hìììình nh nh 2 2 2.7 7 7 (a) rotor dây quấn; (b) hệ thống vành trượt, chổi than của động cơ;

(c) điều khiển động cơ rotor dây quấn bằng biến trở

2 2.1.1.3 .1.1.3 .1.1.3 Khe Khe Khe h h hở ở ở kh kh khô ô ông ng ng kh kh khíííí

Là khoảng hở giữa rotor và stator Ở động cơ không đồng bộ, khe hở này rất nhỏ (từ 0,2 đến 1 mm) trong máy công suất nhỏ và vừa Mô hình hoàn chỉnh của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc như Hình 1.8

H Hìììình nh nh 2 2 2.8 8 8 Mặt cắt dọc của động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

So sánh động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc và rotor dây quấn: – Động cơ rotor lồng sóc có cấu tạo bền chắc, nên rất phổ biến

– Động cơ rotor quấn dây có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ nhưng cấu tạo phức tạp, dễ có sự cố, nên chỉ được dùng trong những ứng dụng mà rotor lồng sóc không đáp ứng được

2 2.1.2 .1.2 .1.2 Nguy Nguy Nguyêêêên n n llllý ý ý ho ho hoạ ạ ạtttt độ độ động ng ng ccccủ ủ ủa a a độ độ động ng ng ccccơ ơ ơ kh kh khô ô ông ng ng đồ đồ đồng ng ng b b bộ ộ ộ ba ba ba pha pha

Xét stator động cơ không đồng bộ ba pha đơn giản có 6 rãnh, trên stator được

bố trí ba cuộn dây AX, BY và CZ

Khi nối dây quấn stator vào nguồn điện 3 pha tần số f, trong dây quấn stator

sẽ có hệ thống dòng điện 3 pha (isa, isb, isc), dây quấn stator sẽ sinh ra từ trường quay (như hình 2.9) với tốc độ:

n 1=

p

f

60 (vòng/phút)

Z

C Y

X

B

Z

C Y

X

B

Z

C Y

X

B

i

0

ωt

H Hìììình nh nh 2 2 2.9 9 9 Từ trường quay stator và sự hình thành các cực từ

Từ trường quay quét qua dây quấn rotor cảm ứng trong dây quấn rotor sức điện động cảm ứng e2 Do dây quấn rotor nối ngắn mạch, nên e2tạo ra dòng điện i2 chảy trong các thanh dẫn rotor (chiều của i2 xác định theo qui tắc bàn tay phải như hình 2.9) Dòng điện i2 cũng tạo ra từ trường quay với tốc độ n1 cùng chiều với từ

trường stator Từ trường trong khe hở không khí của máy là tổng từ trường do dòng điện stator và dòng điện rotor tạo ra và cũng là từ trường quay với tốc độ n1

Từ trường khe hở không khí sẽ tác dụng lên dòng điện i 2 lực F (chiều của F xác định theo qui tắc bàn tay trái như hình 2.9) Do tác dụng của F, rotor sẽ quay cùng chiều từ trường với tốc độ n nhỏ hơn tốc độ n1 Hiệu số giữa tốc độ từ trường và tốc độ rotor gọi là tốc độ trượt (n2):

Tỷ số:

s =

1 1 1

2

n

n n n

=

là hệ số trượt của động cơ

stato r

I2

F

F

N2

n1

ro to r

H Hìììình nh nh 2 2 2.10 10 10 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha

2 2.2 .2 .2 VECTOR VECTOR VECTOR KH KH KHÔ Ô ÔNG NG NG GIAN GIAN GIAN C C CỦ Ủ ỦA A A C C CÁ Á ÁC C C ĐẠ ĐẠ ĐẠIIII L L LƯỢ ƯỢ ƯỢNG NG NG BA BA BA PHA PHA

Có nhiều loại mô hình động cơ không đồng bộ Loại mô hình được sử dụng để điều khiển vector có thể đạt được bằng cách vận dụng lý thuyết vector không gian Các thông số của động cơ ba pha (như điện áp, dòng điện, từ thông ) được biểu diễn dưới dạng các vector không gian phức Một mô hình động cơ đúng dành cho bất kỳ sự biến thiên tức thời nào của dòng điện và điện áp đồng thời thỏa mãn việc

mô tả động cơ ở cả hai trạng thái tĩnh và quá độ Vector không gian phức có thể

được mô tả bằng cách sử dụng hệ trục tọa độ trực giao Động cơ ba pha có thể được xem là máy điện hai pha Việc sử dụng mô hình động cơ hai pha giúp giảm bớt số lượng các biểu thức toán học và đơn giản hóa kỹ thuật điều khiển

Động cơ không đồng bộ ba pha đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bố trí không gian tổng quát như hình 2.11

Trong hình trên, ta không quan tâm đến động cơ đấu hình sao hay tam giác Ba dòng điện isa, isb, isc là ba dòng chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ Khi động cơ chạy bằng biến tần thì đó là ba dòng ở đầu ra của biến tần

Động cơ không đồng bộ 3 pha có 3 cuộn dây bố trí trong không gian như sau:

Pha a

Pha b

Pha c

i sa

i sb

i sc

stator

roto

H

Hìììình nh nh 2 2 2.11 .11 .11 Sơ đồ cuộn dây và dòng điện stator của động cơ không đồng bộ

Giả thuyết các điện áp 3 pha cấp cho động cơ cân bằng, ta có:

0 ) t ( u ) t ( u

)

t

(

Với:

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

+ ω

=

− ω

=

ω

=

) 120 t cos(

| u

| )

t

(

u

) 120 t cos(

| u

| )

t

(

u

) t cos(

| u

| )

t

(

u

o s

s sc

o s

s sb

s s

sa

(2.3)

Véctơ không gian của điện áp 3 pha trên được định nghĩa như sau:

= +

+

s 240 j sc 120 j sb sa

3

2

)

t

(

Theo phương trình (2.4) vector u�s(t)

là mô-đun không đổi quay trên mặt phẳng phức (cơ học) với tốc độ ωs= 2πfsvà tạo bởi trực thực (đi qua cuộn dây pha a) một góc pha θ Trong đó fs là tần số mạch stator Việc xây dựng vector u�s(t)

được mô

tả trong hình 2.12

0

120 j

e

0

0 j

e

0

1240 j

e

a b

c

jβ

sa

u 3

2 �

sb

u 3

2 �

sc

u 3

2 �

ωs

s

u�

θ

H

Hìììình nh nh 2 2 2.12 .12 .12 Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha

jβ

α

Cuộn dây pha a

Cuộn dây pha b

Cuộn dây pha c

sa= usα

usb

usc

usβ

s

u

�

H Hìììình nh nh 2 2 2.13 .13 .13 Vector không gian điện áp u�s

trong cả hai hệ trục tọa độ αβ và abc

Vector không gian điện áp stator là một vector có mô-đun xác định (|us|) quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc ωs và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha a) một góc ωst Đặt tên cho trục thực là α và trục ảo là β, vector điện áp stator u�s

có thể được mô tả thông qua hai giá trị thực (usα) và ảo (usβ) là hai thành phần của vector Hệ tọa độ này là hệ tọa độ stator cố định, gọi tắt là hệ tọa độ αβ xem hình 2.13

Chiếu các thành phần của vector không gian điện áp stator (usα, usβ) lên trục pha a và b, ta xác định các thành phần vector điện áp theo phương pháp hình học:

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

−

−

−

=

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

β

α

sc sb sa

s

s

s

s

u u u

2 3 2 1

2 3 2 1

0

1 3

2 u

u

(2.5)

Và ma trận chuyển đổi ngược từ hệ tọa độ tĩnh αβ sang hệ tọa độ abc:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

−

−

−

=

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

β α s s

sc

sb

sa

u

u

2 / 3 2

/ 1

2 / 3 2 / 1

0 1

u

u

u

(2.6)

Thành phần của istrên hệ trục tọa độ hệ tọa độ abc sang αβ:

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

−

−

=

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

β

α

sc sb sa

s

s

i i

i

2 / 3 2

/ 3 0

2 / 1 2

/ 1 1 3

2 i

i

(2.7)

Công thức chuyển đổi ngược αβ sang hệ tọa độ abc:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

−

−

−

=

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

β α s s

sc

sb

sa

i

i

2 / 3 2

/ 1

2 / 3 2 / 1

0 1

i

i

i

(2.8)

2 2.3 3 3 H H HỆ Ệ Ệ TR TR TRỤ Ụ ỤC C C TO TO TOẠ Ạ Ạ ĐỘ ĐỘ ĐỘ QUAY QUAY

Trong mặt phẳng của hệ tọa độ αβ, xét thêm một hệ tọa độ thứ 2 có trục hoành d và trục tung q, hệ tọa độ thứ 2 này có chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc θsso với hệ tọa độ stator (hệ tọa độ αβ) Trong đó, ωa= dθa/dt quay tròn quanh gốc tọa độ chung, góc θa = ωat + ωa0 Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector trong không gian tương ứng với hai hệ tọa độ này Hình 2.14 mô tả mối liên hệ của hai tọa độ này

jβ

α

usd

usβ u�s

usd

d q

θa

ωa

ωs

H Hìììình nh nh 2 2 2.14 .14 .14 Vector không gian điện áp u�s

trong cả hai hệ trục tọa độ αβ và dq

Chiếu các thành phần thực và ảo của vector không gian trong hệ tọa stator lên 2 trục tương ứng của hệ tọa quay dq ta được ma trận chuyển đổi:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

θ θ

−

θ θ

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

β α s s s s

s s

sq

sd

u

u cos sin

sin cos

u

u

(2.9)

Và ma trận chuyển đổi ngược từ hệ tọa độ quay sang hệ tọa độ tĩnh:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

sq sd s s

s s

s

s

u

u u

u

θ θ

θ θ

β

α

cos sin

sin cos

(2.10)

β α αβ

+

Thay phương trình (2.10) vào phương (2.11) được:

s j dq s s s

sq sd

s sq s sd s

sq s sd

s

e u ) sin j )(cos ju

u

(

) cos u sin u ( j ) sin u cos u

(

u

θ αβ

= θ + θ +

=

θ +

θ +

θ

− θ

=

(2.13)

Như vậy ta có mối liên hệ giữa tọa độ tĩnh và xoay

r j f s s

s f

2 2.4 4 4 M M MÔ Ô Ô H H HÌÌÌÌNH NH NH TR TR TRẠ Ạ ẠNG NG NG TH TH THÁ Á ÁIIII ĐỘ ĐỘ ĐỘNG NG NG C C CƠ Ơ Ơ KH KH KHÔ Ô ÔNG NG NG ĐỒ ĐỒ ĐỒNG NG NG B B BỘ Ộ Ộ BA BA BA PHA PHA

2 2.4.1 4.1 4.1 L L Lý ý ý do do do x x xâ â ây y y d d dự ự ựng ng ng m m mô ô ô h h hìììình nh

Để xây dựng, thiết kế bộ điều khiển động cơ, ta cần phải có mô hình toán học

mô tả đối tượng điều khiển Xuất phát điểm để xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc là mô hình vật lí của động cơ trong hình 2.15

usa

usb

usc

Trục chuẩn

θ

ira

stator

rotor

irc

irb

isb

isc

isa

ω

H Hìììình nh nh 2 2 2.15 15 15 Mô hình của động cơ không đồng bộ ba pha

Các phương trình toán học của động cơ cần phải thể hiện các rõ đặc tính thời gian của đối tượng Việc xây dựng mô hình ở đây không nhằm mục đích mô phỏng chính xác về mặt toán học của đối tượng động cơ mà chỉ nhằm mục đích phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh Điều đó cho phép chấp nhận một số điều kiện giả định trong quá trình thiết lập mô hình Các điều kiện đó một mặt đơn giản hóa mô hình có lợi cho việc thiết kế, mặc khác chúng gây nên sai lệch nhất định Các sai lệch này nằm trong phạm vi cho phép giữa đối tượng và mô hình

Về phương diện mô hình động học (dynamic model), động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được mô tả bởi hệ phương trình vi phân bậc cao Vì cấu trúc của các cuộn dây phức tạp về mặt không gian và các mạch từ móc vòng nên một số điều kiện sau được chấp nhận khi mô hình hóa động cơ:

- Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng trong không gian

- Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ của mạch từ

- Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trong khe hở không khí

- Các giá trị điện trở và điện cảm xem như là không đổi

Trục chuẩn của mọi quan sát được quy ước là trục đi qua tâm cuộn dây pha a

Ta sẽ sử dụng các mô hình trong không gian trạng thái để mô tả động cơ

Qui ước các đại lượng của động cơ không đồng bộ ba pha:

s: Đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu stator (hệ tọa độ αβ)

f: Đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu từ thông rotor (hệ tọa độ dq)

r: Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor với trục thực là trục rotor

Ψ: Từ thông (Wb)

Te: Moment điện từ (N.m)

TL: Moment tải (N.m)

ωr: Tốc độ góc của rotor so với stator (rad/s)

ωs: Tốc độ góc của từ thông rotor so với stator (ωs= ω+ ωsl) (rad/s)

ωsl: Tốc độ góc trượt của rotor so với stator (rad/s)

Rs: Điện trở cuộn dây stator (Ω).

Rr: Điện trở cuộn dây rotor (Ω)

Lm: Hỗ cảm giữa stator va rotor (H)

Lσs: Điện kháng tản của cuộn dây stator (H )

Lσr: Điện kháng tản của cuộn dây rotor (H )

p: Số đôi cực của động cơ

J: Moment quán tính (kg.m2)

Ls: Điện cảm stator (H)

Lr: Điện cảm rotor (H)

Ts= Ls/Rs: Hằng số thời gian stator

Tr= Lr/Rr: Hằng số thời gian rotor

σ = 1 - Lm2/(LsLr): Hệ số tiêu tán tổng

2 2.4.2 4.2 4.2 H H Hệệệệ ph ph phươ ươ ương ng ng tr tr trìììình nh nh ccccủ ủ ủa a a độ độ động ng ng ccccơ ơ ơ kh kh khô ô ông ng ng đồ đồ đồng ng ng b b bộ ộ ộ ba ba ba pha pha

Hệ phương trình điện áp trên 3 cuộn dây stator:

dt

t d t i R t

sa s sa

) ( )

( )

+

dt

) t ( d ) t ( i R ) t

(

sb s sb

ψ +

dt

) t ( d ) t ( i R ) t

(

sc s sc

ψ +

Với: Rs: Điện trở cuộn dây pha stator

sc sb

ψ , , : từ thông stator của cuộn dây pha a, b, c

Biểu diễn dưới dạng vector không gian ta có:

] e ) t ( u e

) t ( u ) t ( u [ 3

2 ) t

(

us = sa + sb j120o + sc j240o (2.18)

Do đó vector không gian điện áp stator:

) t ( d ) t ( i R ) t

(

u

s s s

s s s

s

ψ +

Tương tự cho điện áp trên rotor (do rotor ngắn mạch), ta có vector không gian điện áp rotor

dt

) t ( d ) t ( i R 0 ) t

(

u

r r r

r r r

r

ψ +

=

Các vector từ thông rotor và stator quan hệ với các dòng rotor và stator như sau:

r m s s

s =L i +L i

r r s m

Với: Ls: Điện cảm stator

Lm: Hỗ cảm giữa stator và rotor

Lr: Điện cảm rotor

Phương trình moment động cơ:

) i x ( p 2

3 ) i x ( p 2

3

Phương trình chuyển động:

dt

d p

J T

Với: J: Moment quán tính cuả động cơ

p: Số đôi cực cuả động cơ

ω : Tốc độ góc của rotor

TL: Moment tải

Việc xây dựng các mô hình cho động cơ KĐB ba pha phải dựa trên các phương trình cơ bản trên