Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ppsx

Mặt khác, tại mỗi điểm công tác của động cơ, do từ thông đã đợc điều chỉnh ổn định ở một giá trị không đổi nên mômen quay của động cơ sẽ tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng iM.. Hai dòng

Chơng 1 tổng quan về động cơ KHÔNG ĐồNG Bộ

1.1 ứng dụng lý thuyết vectơ để mô tả động cơ không đồng bộ

Nh ta đã biết, đối với động cơ một chiều(ĐCMC) kích từ độc lập thì có

hệ phơng trình sau:

2 1











k i



 Trong đó:

M

m - mômen quay của động cơ

M

 - từ thông động cơ

M

i - dòng phần ứng

k

i - dòng kích từ

k 1 , k 2 - các hằng số động cơ

Dễ thấy từ thông động cơ M chỉ phụ thuộc vào dòng kích thích i k Nói cách khác ta có thể điều chỉnh và khống chế đợc M một cách dễ dàng, chắc chắn Thông thờng, trong phạm vi giải tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức, M

đ-ợc giữ ổn định ở giá trị định mức ở giải tốc độ lớn hơn tốc độ định mức, tuỳ thuộc vào tốc độ quay cụ thể ta phải giảm bớt M bằng cách giảm i k để giữ cho sức từ động cảm ứng khỏi quá lớn Mặt khác, tại mỗi điểm công tác của

động cơ, do từ thông đã đợc điều chỉnh ổn định ở một giá trị không đổi nên mômen quay của động cơ sẽ tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng iM

Tóm lại đối với ĐCMC kích từ độc lập có quan hệ: M ~i kvà m M ~i M

Hai dòng i k và i M có thể đợc sử dụng trực tiếp làm đại lợng điều khiển cho từ thông và mômen quay của động cơ nếu nh ta thành công trong việc áp

đặt nhanh hai dòng điện đó Hơn nữa do cấu trúc đơn giản của mạch kích từ

và mạch phần ứng nên việc áp đặt nhanh dòng điện (điều chỉnh không trễ) là vấn đề dễ dàng và đã đợc giải quyết từ lâu

Tuy nhiên đối với động cơ điện xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) không còn các quan hệ rõ ràng giữa dòng với từ thông và dòng với mômen nh động cơ một chiều mà ở đây tồn tại một cấu trúc mạch và các đại l ợng điện ba pha phức tạp Phơng pháp mô tả ĐCXCBP trên hệ toạ độ từ thông rotor dựa trên nguyên lý tựa từ thông rotor (T4R) là phép mô tả dẫn tới các tơng quan

dòng-từ thông và dòng-mômen giống nh đối với động cơ một chiều (ĐCMC) nhằm

đạt đợc các tính năng điều khiển tơng tự với ĐCMC Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu

cụ thể phơng pháp trên

1.1.1 Vector không gian và hệ toạ độ từ thông rotor.

ĐCXCBP dù là động cơ đồng bộ (ĐCĐB) hay động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) đều có ba cuộn dây bố trí không gian tổng quát nh hình 1.1:

Hình 1.1: Sơ đồ cuộn dây và dòng của ĐCXCBP

Ba dòng pha phía stator isu, isv, isw của ĐCXCBP không nối điểm trung tính thỏa mãn phơng trình:

i su (t) + i sv (t) + i sw (t) = 0 (1.1)

Trong đó dòng điện các pha thỏa mãn:

( ) cos( ) ( ) cos( 120 ) ( ) cos( 240 )



















(1.2 a,b,c)

Về phơng diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt đứng), động cơ xoay chiều ba pha(ĐCXCBP) có ba cuộn dây lệch nhau một góc 120° Nếu trên mặt cắt đó ta

thiết lập một hệ toạ độ phức với trục thực đi qua cuộn dây u của động cơ, ta có

thể xây dựng vectơ không gian sau đây :

i s (t) =

3

2

[ i su (t) + i sv (t)e j120 + i sw (t)e j240 ]

(1.3)

= i s e j.

Trong đó:

f s - tần số mạch stator

ω s = 2 f s

 = ω s t

5

su

Stator Roto

Vectơ is là một vectơ có môđun không đổi quay trên mặt phẳng phức(cơ

học) với tốc độ góc ω s và tạo với trục thực (đi qua trục cuộn dây pha u) một

góc 

Hệ toạ độ stator ( hệ toạ độ cố định):

Lấy trục thực của mặt phẳng phức nói trên đi qua trục cuộn dây pha u

và đặt tên là trục  và trục ảo của nó là trục  Chiếu vectơ i s lên hai trục  và

 ta đợc 2 hình chiếu là i svà i s Nh vậy ta có thể coi động cơ điện xoay chiều

nh động cơ điện 1 chiều với 2 cuộn cố định  và  thay thế cho 3 cuộn u,v,w.

Tóm lại:

i s = i s+ j i s

Giữa hệ toạ độ stator với hệ toạ độ phức ban đầu có quan hệ:

1

( 2 ) 3

s su

















(1.4a,b)

Tơng tự ta có thể biểu diễn tất cả các đại lợng của ĐCXCBP theo hệ toạ

độ stator cố định:

r

s

j j















(1.5 a,b,c,d,e)

Trong đó chỉ số r và s phía dới lần lợt cho mạch rotor và stator.

Hệ toạ độ từ thông rotor ( hệ toạ độ quay):

Giả sử ta quan sát một ĐCXCBP đang quay với tốc độ góc d

dt



  (hình 1.2) trong đó  là góc tạo bởi trục rotor và trục chuẩn (quy ớc là trục đi qua tâm cuộn dây pha u) Trong hình 1.2 còn biểu diễn cả hai vector dòng stator i svà từ thông rotor rvới môđun và góc pha ngẫu nhiên nào đó Vector

từ thông rotor r quay với tốc độ góc 2 s

d f dt



   

Hình 1.2: Biểu diễn vector không gian trên hệ toạ độ từ thông rotor (hệ tọa

độ dq)

7

Trục từ thông roto

Trục roto Cuộn dây pha v



s

i

j

s







s



d

sd

i

sq

i

q

s

i 

s

i 

f r



Cuộn dây pha u

Cuộn dây pha w

rotor

Đối với ĐCĐB thì trục của từ thông rotor cũng chính là trục rotor và do

đó  s Đối với ĐCKĐB (đối tợng mà ta cần quan tâm) thì sự chênh lệch giữa  và ssẽ tạo nên dòng điện rotor với tần số f rvà vận tốc góc r  2 f r

Hệ toạ độ từ thông rotor là hệ toạ độ có 2 trục d và q trong đó trục d

(trục thực) có hớng trùng với hớng của vector r và gốc toạ độ trùng gốc toạ

độ của hệ  Để phân biệt các vector đợc biểu diễn trong hệ toạ độ nào ký

hiệu phía trên bên phải của vector: chỉ số f cho hệ toạ độ dq và chỉ số s cho hệ

toạ độ 

Khi đó vector dòng điện stator đợc biểu diễn trong hệ toạ độ dq:

.

f

Giữa hệ toạ độ dq và hệ toạ độ  có quan hệ:

.

. j s

hay:







(1.8 a,b)

Tơng tự các vector khác có thể đợc biểu diễn trên hệ toạ độ dq theo

công thức (2.9):

f

f

f

r f

s

j j













(1.9 a,b,c,d)

Trong công thức (1.9) ta chú ý rằng rq =0 do trục q vuông góc với

vector r Tuy nhiên trong thực tế rất khó tính tuyệt đối chính xác góc sdo

đó ta vẫn giữ rqđể bảo đảm tính khách quan trong khi quan sát

1.1.2 Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ ( ĐCKĐB) rotor lồng sóc

Ngoài ĐCKĐB rotor lồng sóc còn có ĐCKĐB rotor dây quấn Tuy nhiên, loại rotor lồng sóc đã chiếm u thế tuyệt đối trên thị trờng vì các lý do:

dễ chế tạo, không cần bảo dỡng, kích thớc nhỏ hơn Mặt khác, các u thế trớc kia của loại rotor dây quấn về khả năng dễ điều chỉnh không còn nữa vì sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý đã cho phép thực hiện thành công các kỹ thuật

điều chỉnh phức tạp đối với loại rotor lồng sóc Do đó trong đồ án này ta chỉ

đề cập đến ĐCKĐB rotor lồng sóc

1.1.2.1 Hệ phơng trình cơ bản của động cơ.

Ta có hệ phơng trình cơ bản của động cơ không đồng bộ biểu diễn dới dạng vectơ trong hệ toạ độ cố định stator nh sau:

0

s

r

r r

s

r

d

dt d

R i

dt

























(1.10 a,b,c,d)

Trong đó: chỉ số r là vectơ quan sát trên hệ thống rotor lồng sóc

R r điện trở rotor đã tính quy đổi về stator

0 vector 0 ( vector có môđun bằng 0)

L L L điện cảm stator

L L L điện cảm rotor

m

L hỗ cảm giữa rotor và stator

s

L điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator

r

L điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor Ngoài ra còn có phơng trình mômen :

Phơng trình chuyển động:

c

J d

p dt



Trong đó:

m T : mômen cản, mômen tải

J : mômen quán tính cơ

 : tốc độ góc của rotor

1.1.2.2 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ toạ độ từ thông rotor

Quan hệ giữa các vector trong hệ toạ độ  và các vector trong hệ toạ

độ dq nh sau:

9

s

s

e







 













(1.13 a,b,c,d)

Mặt khác các vector trong hệ toạ độ rotor có quan hệ với các vector

trong hệ toạ độ dq nh sau:

r

r

e





 

 









(1.14 a,b)

Từ các quan hệ trên ta có thể thu đợc hệ phơng trình vectơ của ĐCKĐB

trên hệ toạ độ dq nh sau:

0

f

f

r

s

r

d

dt d

dt



 



 





















(1.15 a,b,c,d)

Ttừ hệ trên ta suy ra mô hình trạng thái của ĐCKĐB:

'

'

-sd

sd

rd

rq

di

di

d

i

d

i



   



   

























(1.16 a,b,c,d) Trong đó:

rd rd L m

 

rq rq L m

 

/

T L R hằng số thời gian stator

/

T L R hằng số thời gian rotor

2

1 L m/(L L s r)

   hệ số tiêu tán tổng

Ta có đợc 2 công thức quan trọng của từ thông và mômen là:

1 3 2

m

r m

r

L i pT L

L















(1.17 a,b)

Hệ phơng trình trên cho thấy u điểm của phơng pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor là đa tới các tơng quan dòng-từ thông và dòng-mômen giống nh động cơ một chiều do đó ta có thể sử dụng các thành phần dòng i sdvà

sq

i trực tiếp làm đại lợng điều khiển cho từ thông và mômen quay của động cơ nếu nh ta thành công trong việc áp đặt nhanh hai thành phần dòng điện đó

11

1.2 Hệ thống điều khiển vectơ ĐCKĐB

1.2.1 Tổng quan về phơng pháp điều khiển véctơ

Nguyên lý điều khiển véctơ dựa trên ý tởng điều khiển động cơ không

đồng bộ tơng tự nh điều khiển động cơ một chiều

Hình 1.4 mô tả sự tơng tự này: ở động cơ điện một chiều nếu ta bỏ qua phản ứng phần ứng, coi mạch từ cha bão hoà khi đó mômen của động cơ một chiều đợc tính bởi công thức sau:

trong đó:

Ikt , I : là dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng của động cơ

 : là từ thông của động cơ

ở đây dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ không phụ thuộc vào nhau, do đó ta có thể điều khiển độc lập dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ để đạt đợc mômen mong muốn Nếu ta duy trì dòng điện kích từ không đổi thì mômen đợc điều khiển bởi dòng điện phần ứng

Cách điều khiển này có thể áp dụng cho động cơ không đồng bộ nếu ta

sử dụng lý thuyết vectơ không gian để mô tả các trạng thái của động cơ không

đồng bộ Với ý tởng định nghĩa vectơ không gian dòng điện của động cơ và mô tả động cơ trên hệ tọa độ quay với tốc độ đồng bộ với từ tr ờng stator (s) Véctơ dòng điện stator Is đợc phân tích thành hai thành phần trên hai trục dq vuông góc với nhau: Isq , Isd Nếu chọn trục d trùng với trục của từ thông rôto thì phơng trình mômen của động cơ đợc biểu diễn nh sau:

M = K rIsq = K’IsdIsq (1.19)

Nh vậy nếu ta điều khiển độc lập các thành phần của dòng điện Stator trên hai trục vuông góc của hệ tọa độ quay đồng bộ với từ trờng quay (hệ dq) thì việc điều khiển động cơ không đồng bộ tơng đơng với việc điều khiển

động cơ một chiều Trong trờng hợp này thành phần Isd đóng vai trò tơng tự

13

Đ

kt

+

kt I

Hệ điều khiển một chiều

Đk và NL

M = K 

r I

sq = K’I

sd I

sq

Hệ điều khiển vectơ

ĐK

Hình 1.4: Sự t ơng tự giữa ph ơng pháp điều khiển động cơ một chiều và

điều khiển vectơ ĐCKĐB.

nh thành phần dòng kích từ, còn thành phần Isq đóng vai trò nh dòng điện phần ứng I

Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng

bộ đợc mô ta ở hình 1.6 Trên hình 1.6 ta không vẽ bộ nghịch lu và coi thành phần dòng điện ba pha chuẩn nhận đợc từ hệ thống điều khiển Bằng hai phép biến đổi tọa độ (abc/) và (/dq) cộng với việc xác định đợc góc quay của

từ trờng s ta nhận đợc hai thành phần: Isd, Isq, hai thành phần này đợc đặt vào mô hình của động cơ nh hình 1.6

Dựa vào nguyên tắc xác định góc s của từ trờng quay ta có thể chia ra

thành 2 phơng pháp điều khiển vectơ

1.2.2 Phơng pháp điều khiển vectơ trực tiếp.

Coi góc s là góc pha của vectơ từ thông roto, do đó tính góc s từ các thành phần vectơ từ thông roto

R



- s

*

s

RM

- M

M *

s

dq



dq



I * sd

I * sq

i * s

i * s

Biến tần

ĐK

Tính : cos

s , sin

s

sq



i * sa

i * sb

i * sc

dq





abc



dq

Mô hình

động cơ trong hệ tọa độ dq Phần điều khiển Phần chấp hành

Biến đổi ng ợc tọa độ Biến đổi thuận tọa độ

I *

sd

I *

sq

Isd

Isq

i * s

i * s

i * sa

i * sb

i * sc

isa

isb

isc

is

is



d q



s



r



r



r

Hình 1.5: Biểu đồ pha trong điều khiển vectơ.



s

Phơng pháp này đợc đề xuất bởi F Blashke, nó dựa trên nguyên lý xác

định trực tiếp góc quay của từ trờng s từ các thành phần từ thông khe hở hoặc

từ thông rôto trên hai trục d và q của hệ tọa độ dq Sơ đồ khối của hệ thống

điều khiển vectơ trực tiếp sử dụng cảm biến từ thông đợc trình bày ở hình 1.7

Các thành phần coss và sins đợc tính từ các thành phần từ thông khe

hở không khí trên hai trục tọa độ tĩnh đo đợc bằng cảm biến từ thông:





2 d

(1.20)







0

d s







0

d s

(1.21)

Với 0d, 0q là các thành phần từ thông khe hở dọc trục và ngang trục

1.2.3 Phơng pháp điều khiển véc tơ gián tiếp

Coi s là góc quay cùng trục d Nguyên lý của phơng pháp điều khiển vectơ gián tiếp có thể đợc trình bày thông qua đồ thị góc pha sau:

Trục của hệ tọa độ quay đồng bộ (dq) lệch với trục  của hệ trục tọa độ tĩnh  một góc là s Ta có:

s =  0 t

0

s dt 

trong đó: 0: vị trí ban đầu của  r thờng ta chọn bằng không

15



s

q





d

rd = |r|

Isq

Isd

is

Hình 1.8: Biểu đồ pha trong điều khiển vector gián tiếp.

s: tốc độ quay của hệ trục tọa độ dq nó cũng chính là tốc độ quay của dòng điện stator, từ thông rôto với s = r + sl

Tốc độ trợt đợc xác định nh sau:





r r

sq m sl

T

i

L

Mômen của động cơ sẽ đợc tính nh sau:

i L

L

sq r r

m

p 2

3

(1.24)

Hình 1.9 sau biểu diễn sơ đồ cấu trúc tính toán : s

Hệ truyền động dùng phơng pháp điều khiển vectơ gián tiếp có thể làm việc ở 4 góc phần t và tốc độ có thể điều chỉnh từ 0 đến định mức Trong hệ thống này cần thiết phải có tín hiệu về vị trí của rôto và chất lợng điều khiển phụ thuộc vào các thông số của máy điện Do đó để quá trình điều khiển là

độc lập thì các tham số cần phải điều chỉnh cho phù hợp với các tham số của

động cơ, đây là một vấn đề khó khăn Thông số ảnh hởng đến đặc tính của hệ thống và cần phải tính toán trong quá trình làm việc của hệ thống chính là

điện trở của rôto Rr

L / R p 1

L

r r

m



r

r m

L

R

L

Isd

Isq



p

1



sl

Hình 1.9: Sơ đồ cấu trúc tính toán góc quay từ tr ờng.

r



r MS