Ước lượng từ thông trong điều khiển vector tựa từ thông rôt động cơ không đồng bộ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN --- NGUYỄN THỊ XUÂN THU ĐỀ TÀI: ƯỚ

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

-

NGUYỄN THỊ XUÂN THU

ĐỀ TÀI: ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG TRONG ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA TỪ THÔNG RÔT ĐỘNG CƠ

KHÔNG ĐỒNG BỘ

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thái Nguyên - Năm 2014

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là : Nguyễn Thị Xuân Thu

Sinh ngày: 15 tháng 10 năm 1975

Học viên lớp cao học khóa 14 – Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ Thuật Công

Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên

Tôi xin cam đoan bản luận văn: Ứơc lƣợng từ thông trong điều khiển vector từ tựa thông roto động cơ không đồng bộ do tôi tự nghiên cứu hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS.Nguyễn Văn Liễn Các số liệu và kết

quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành luận văn này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Xuân Thu

Trang 3

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo ở khoa Sau Đại học – Trường Đại học KTCN Thái Nguyên,Cùng các giáo sư, phó giáo sư, tiến sĩ đã quan tâm tổ chức chỉ đạo và trực tiếp giảng dạy khóa cao học của chúng tôi Đặc biệt em xin gửi lời cảm

ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Liễn Thầy đã gợi mở

hướng nghiên cứu và đã tận tình hướng dẫn với những ý kiến cụ thể , tạo điều kiện giúp em từng bước hoàn thiện, nâng cao khả năng nghiên cứu trong quá trình thực

hiện luận văn này

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

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

và đồng nghiệp

Em xin trân trọng cảm ơn!

Học viên Nguyễn Thị Xuân Thu

Trang 5

MỤC LỤC Trang

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các các chữ viết tắt vi

Danh mục các hình vẽ và bảng biểu vii

Lời nói đầu 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉC TƠ 3

1.1 Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ 3

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

1.1.2 Cấu tạo của động cơ không đồng bộ 3

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

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

1.2 Mô hình ba pha của động cơ không đồng bộ 6

1 3 Đại lượng véc tơ không gian 12

1.4 Mô hình động cơ không đồng bộ trong các hệ tọa độ trực giao 16

1.4.1 Mô hình trong hệ tọa độ gắn với stato (0)

16 1.4.2 Mô hình trong hệ tọa độ quay đồng bộ (dq0 )

21 1.4 3 Mô hình trong hệ tọa độ gắn với roto (D, Q, O) 25

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ TỰA TỪ THÔNG ROTO 29

2.1 Nguyên lý điều khiển 29

2.2 Tổng quan về biến tần 33

2.2.1 Biến tần sử dụng trong công nghiệp 33

2.2.2 Các loại biến tần 35

Trang 6

2.3 Các phương pháp điều khiển nghịch lưu 37

2.3.1 Phương pháp PWM thông thường 38

2.3.2 Phương pháp điều chế vector không gian SPWM 41

Chương 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 50

3.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện i sd và i sq 50

3.1.1 Mô hình gần đúng của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ d,q tựa từ thông roto 50

3.1.2 Tổng hợp hai bộ điều khiển dòng điện riêng rẽ có bù tách kênh 52

3.2 Thiết kế bộ điều khiển từ thông roto 55

3.3 Ước lượng từ thông rô to 57

Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM 60

4.1. Tính toán các thông số động cơ 60

4.1.1.Tính L L L r, s, m từ mô hình thay thế máy điện 61

4.1.2.Tính I sd0,I sq0,rd 0 62

4.2.Mô phỏng hệ thống điều khiển trên Matlab – Simulink 63

4.2.1.Mô hình mô phỏng 63

4.2.2.Kết quả mô phỏng khi thay đổi mô men động cơ 66

4.2.3.Kết quả mô phỏng khi thay đổi lượng đặt từ thông 68

4.3.Đánh giá kết quả thực nghiệm 71

4.3.1 Cấu hình thực nghiêm về điều khiển véc tơ tựa từ thông rô to động cơ không đồng bộ 71

4.3.2 Giới thiệu về mô hình thực nghiệm 74

4.3.3 Các kết quả thực nghiệm 75

4.3.4 Đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm 76

Trang 7

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

2 FOC Field Orientated Control Điều khiển tựa từ thông roto

3 FOC-IM FieldOrientated Control Induction

Trang 8

Trang 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

A, Hình vẽ

Số hiệu Nội dung Trang

Hình 1.1 Sơ đồ dây quấn tập trung của KĐB 7

Hình 1.2 Sơ đồ 3 pha quy đổi về stato của KĐB 9

Hình 1.3 Mô hình giải thích cách tính sức điện động roto 11

Hình 1.4 (a) Mô hình của điều khiển trong hệ tọa độ cực; (b) các đại lượng véctơ 12

Hình 1.5 Phân bổ mật độ dòng điện khi chỉ có pha a có dòng điện 13

Hình 1.6 Sức từ động toàn phần của stato 14

Hình 1.7 Phân bố mật độ từ thông tổng từ các dòng stato ở hình 1.6

15 Hình 1.8 Biểu diễn vector trên hệ trục αβ

17 Hình 1.9 Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ trong hệ trục (0) 18

Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc của động cơ trong hệ tọa độ (0) 19

Hình 1.11 Mô hình trạng thái của điều khiển trọng hệ tọa độ (0)

21 Hình 1.12 Biểu diễn véc tơ không gian trong hệ trục d, q

22 Hình 1.13 Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ trục tọa độ dq 24

Hình 1.14 Biểu diễn vector không gian trong hệ trục gắn với roto (DQ ) 25

Hình 1.15 Sơ đồ thay thế điều khiển trong hệ tọa độ gắn với roto 26

Hình 1.16 Sơ đồ cấu trúc của điều khiển trong hệ tọa độ gắn với roto 27

Hình 2-1 Đồ thị véc tơ cho trường hợp tựa hệ trục d,q và véc tơ từ thông roto 29

Hình 2-2 Sự tương đồng giữa động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ tựa từ thông rôto và động cơ một chiều kích từ độc lập 31

Trang 10

Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vecto tựa từ thông roto 32

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp 36

Hình 2.5 Điều chế độ rộng Xung ( a Hai cực tính; b Một cực tính) 39

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển nghịch lưu áp ba pha PWM thông thường 40

Hình 2.7 Dạng điện áp ra của sơ đồ nghịch lưu áp ba pha 41

Hình 2.8 Nghịch lưu áp ba pha (a) và đồ thị điện áp ra sáu bậc (b) 42

Hình 2.9 Các sectơ và vectơ biên chuẩn trong mặt phẳng  43

Hình 2.10 Các vectơ biên chuẩn và các sectơ 45

Hình 2.11 Mẫu xung trong mỗi sector 49

Hình 3.1 Dòng điện động cơ trên trục d, q 50

Hình 3.2 Sơ đồ thay thế gần đúng của động cơ không đồng bộ 51

Hình 3.3 Mô hình gần đúng của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ tựa từ thông roto

52

Hình 3.4 Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện i sd và i sq 53

Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển dòng điện và tách kênh

53 Hình 3.6 Điều khiển dòng riêng rẽ có bù sức điện động e sd và e sq R 11 và R 12 được lấy theo (3.7) 54

Hình 3.7.(a)Mô hình mạch vòng điều khiển, (b) Sơ đồ khối hàm truyền hệ FOC-IM 54 56

Hình 3.8 Mô hình ước lượng dòng điện stato iˆsd và ˆ sq i

58

Hình 3.9 Mô hình ước lượng từ thông

59

Hình 3.10 Mô hình ước lượng momen điện từ 59

Trang 11

Hình 4.1 Mô hình tính toán máy điện xoay chiều 61

Hình 4.2 Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ sử dụng thuật toán FOC 64

Hình 4.3 Mô hình động cơ không đồng bộ trên trục dq 64

Hình 4.4 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển dòng điện có bù tách kênh 65

Hình 4.5 Bộ ước lượng từ thông roto

65 Hình 4.6 Khối tính toán góc quay của từ thông rô to 66

Hình 4.7 Đáp ứng tốc độ khi thay đổi momen 66

Hình 4.8 Đáp ứng từ thông khi thay đổi momen 67

Hình 4.9 Đáp ứng dòng điện i d khi thay đổi momen 67

Hình 4.10 Đáp ứng dòng điện i q khi thay đổi momen 67

Hình 4.11 Dòng điện i abc khi thay đổi momen 68

Hình 4.12 Đáp ứng từ thông 69

Hình 4.13 Đáp ứng bộ điều khiển dòng điện i d 69

Hình 4.14 Đáp ứng bộ điều khiển dòng điện i q 70

Hình 4.15 Đáp ứng dòng điện i abc 70

Hình 4.16 Động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc 71

Hình 4.17 Biến tần M440.siemensJPC 71

Hình 4.18.PLC S7-300 thu thập tín hiệu 72

Hình 4.19.Hệ thống thí nghiêm JPG 72

Trang 12

Hình 4.20 Hệ thống tải trở 73

Hình 4.21 Máy tính 73

Hình 4.22 Kết quả thực nghiệm khi thay đổi lượng đặt tốc độ 75

Hình 4.23 Kết quả thực nghiệm đáp ứng tốc độ khi thay đổi mô men 75

B Bảng biểu Bảng 2.1: Trạng thái các van , các vectơ biên chuẩn và vectơ u 45

Bảng 2.2 : Các ma trận tương ứng trong các secto 48

Bảng 4.1: Thông số động cơ 60

Bảng 4.2: Các thông số động cơ tính toán 62

Bảng 4.3: Thông số các bộ điều khiển 63

Trang 13

Trang 14

mà còn góp phần cải thiện chất lượng sản phẩm

Một trong những vấn đề quan trọng trong các dây truyền tự động hóa sản suất hiện đại là việc điều chỉnh tốc độ động cơ.Theo thiết kế trung bình các hệ thống truyền động điện chiếm tỷ lệ 60% đến 65% lượng điện tiêu thụ của công nghiệp Để đảm bảo năng suất cũng như chất lượng của một quá trình công nghệ thông thường các động cơ thường phải được điều chỉnh chính xác về tốc độ Trước kia, để điều chỉnh tốc độ động cơ người ta thường sử dụng động cơ một chiều bởi vì ưu điểm của loại động cơ này rất dễ điều chỉnh tốc độ vì phần cảm và phần ứng của chúng tách rời nhau Tuy nhiên, động cơ một chiều có nhược điểm là giá thành cao, phải bảo dưỡng cơ cấu cổ góp một cách thường xuyên gây khó khăn cho người vận hành Hiện nay người ta có xu hướng ứng dụng động cơ không đồng bộ trong các dây truyền sản suất tự động để điều chỉnh tốc độ Ưu điểm động cơ không đồng bộ; cấu tạo đơn giản ,dễ chế tạo, giá thành rẻ, dễ sử dụng, vận hành tin cậy và an toàn Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là điều chỉnh tốc độ rất khó khăn Vì vậy người

ta đã nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện hệ thống điều khiển biến tần – động

cơ không đồng bộ Phương pháp điều khiển này đã trở thành phổ biến trong công nghiệp

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong phương pháp điều khiển bằng tần số người ta dùng hệ điều khiển véc tơ tựa

từ thông, phương pháp điều khiển này nhằm quy đổi máy điện không đồng bộ ( cảm ứng) về mô hình tương tự như động cơ điện một chiều kích từ độc lập có các dòng điện kích thích và dòng điện sinh mô men tương đối độc lập nhau [1-2] Khi có mô

Trang 15

hình tương đương thì việc tổng hợp điều khiển trở nên đơn giản bởi vì các biến điều khiển là tương đối độc lập Các biến điều khiển được mô tả trong hệ tọa độ quay nên chúng là các lượng một chiều [1]

Trong hệ điều khiển véc tơ tựa từ thông (FOC) vấn đề điều khiển đã khóa chặt từ thông roto có tính quyết định trong nguyên lý điều khiển Việc sử dụng cảm biến đo trực tiếp là rất phức tạp, do đó ước lượng từ thông phải thông qua mô hình của động cơ

Kết quả đề tài thiết kế xây dựng mô hình hệ thống biến tần điều khiển đông cơ không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc, sử dụng thuật toán điều khiển véc tơ tựa từ thông ro to động cơ không đồng bộ Để làm bộ thí nghiệm giảng dạy trong môn học truyền động điện tại phòng thí nghiệm Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Hóa Chất

2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài nhằm đi sâu vào tìm hiểu phương pháp điều khiển FOC và mô hình ước lượng từ thông, thực hiện mô phỏng và thực nghiệm để kiểm trứng với kết quả thiết kế(với đối tượng điều khiển là mô hình hệ thống biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc ) tại trung tâm thí nghiệm của Trường Đại Học

Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên

3 Nội dung của luận văn

Với nội dung đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau

Chương 1: Tổng quan về mô hình điều khiển FOC động cơ không đồng bộ trong không gian khác nhau

Chương 2: Nguyên lý điều khiển véc tơ tựa từ thông

Chương 3: Thiết kế điều khiển

Chương 4: Mô phỏng và thí nghiệm tại phòng thí nghiệm của trường Đai học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Kết luận và kiến nghị

Trang 16

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC ĐỘNG CƠ KHÔNG

ĐỒNG BỘ TRONG CÁC KHÔNG GIAN VÉC TƠ

1.1 Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ

1.1.1 Lịch sử ra đời của động cơ không đồng bộ

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

cơ điện chia làm 2 loại : động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều,

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

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

1.1.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ

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

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

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

Trang 17

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

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

2 Rotor

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

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

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

- Rotor dây quấn: dây quấn giống dây quấn stator Dây quấn 3 pha rotor thường đấu sao, 3 đầu kia nối vào 3 vành trượt làm bằng đồng đạt cố định ở 1 đầu trục và qua chổi than có thể đưa điện ra ngoài Có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch rotor để cải thiện mở máy, điều chỉnh tốc độ,hệ số công suất Bình thường làm việc dây quấn rotor nối ngắn mạch

- Rotor lồng sóc: Mỗi rãnh của lõi sất được đật 1 thanh dẫn bằng đồng hoặc bằng nhôm và được nối tát ở 2 đầu bằng 2 vòng ngắn mạch đồng hoặc nhôm thành 1 cái lồng người ta gọi đó là lồng sóc Dây quấn rotor lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt

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

Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là : Điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình khó khăn, đối với động cơ rô to lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu

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

Trang 18

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

từ truờng này quay với tốc độ góc là:

p f



2

1



trong đó: f là tần số dòng điện cáp cho stator

p là số đôi cực của dây quấn stator

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

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

Nếu tốc độ Rotor bằng tốc độ từ trường quay thí lúc đó sẽ không có lực điện từ được sinh ra và rotor quay chậm lại Do đó tốc độ Rotor không thể bằng tốc độ đông

bộ, tốc độ đông bộ phụ thuộc vào tần số nguồn điện cấp và số đôi cực của động

cơ, sai khác giữa 2 tốc độ gọi là tốc độ trượt

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

Trang 19

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

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

để điều khiển tách bạch các thành phần dòng điện sinh mô men và từ thông Để nâng cao hiệu suất sử dụngt hì hệ truyền động động cơ không đồng bộ thay đổi tốc độ có khả năng cấp cho động cơ điện ba pha có tần số và biên độ có thể thay đổi được, nên bộ điều khiển phức tạp hơn so với loại một chiều

hơn so với động cơ điện một chiều

1.2 Mô hình ba pha của động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ có các dây quấn ba pha ở roto và stato,được nghiên cứu ở đây với các giả thiết:

- Khe hở không khí là đều

k

dt

d i R

Trang 20

Từ thông móc vòng của mỗi dây quấn





2

Ns: số vòng dây một pha stato

Nr: số vòng dây một pha roto

m: vị trí góc của dây quấn roto

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

Trang 21

Trang 22

Trang 23

khác cho ĐK, một trong những mô hình đó là sơ đồ ba pha của ĐK trong đó đã quy đổi các dây quấn roto về mạch stato

Hình 1.2 Sơ đồ 3 pha quy đổi về stato của KĐB

Trong mô hình quy đổi về stato, dây quấn roto được nối với dây quấn stato, do

đó nó đứng yên và hỗ cảm giữa dây quấn roto và stato cùng pha là hằng và luôn là

Lm (do m=0), các đại lượng điện từ ở mạch roto được quy đổi thông qua hệ số

ke=Ns/Nr và tham số được quy đổi thông qua hệ số kr=k2e, ma trận tham số của mô hình là các ma trận hằng

121

2

112

12

11

m

m L L

Trang 24

Trong mô hình hình 1.1 dây quấn roto quay với tốc độ , trong mô hình hình 1.2 dây quấn roto đứng yên, trong khi đó véc tơ từ thông Ψr

với trục dây quấn mới sinh ra sức điện động quay, hình 1.3

Hình 1.3 Mô hình giải thích cách tính sức điện động roto

Từ phân tích ở trên ta có thể tính được sức điện động roto

3

p e

Trang 25

có hai dây quấn: dây quấn stato và dây quấn roto quy đổi về stato với các tham số là các ma trận hằng

Trang 26

1 3 Đại lƣợng véc tơ không gian

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

Xét một động cơ không đồng bộ (ĐK) có ba pha dây quấn đối xứng ở stato, trong đó trục dây quấn pha a đặt trùng với trục thực của mặt phẳng phức, hình 1.1

Để tạo được phân bố mật độ từ thông là hình sin dọc theo chu vi khe hở không khí, các dây quấn pha được coi rằng có phân bố với mật độ dây quấn cũng là hình sin Như vậy dòng điện mỗi pha tạo một sức từ động (stđ) có dạng hình sin dọc chu

vi khe hở không khí và biên độ của stđ này tỷ lệ với độ lớn của dòng điện tương ứng, cực tính của sức từ động phụ thuộc vào cực tính dòng điện và bố trí theo phương là trục của dây quấn pha

Thí dụ ứng với dòng điện pha a dương isa tại thời điểm 1 tạo ra phân bố mật độ dòng điện tạo thành góc /2 so với trục dây quấn pha a, và do đó có giá trị cực đại theo hướng trục ảo, hình 1.5 sức từ động này đập mạch theo chu kỳ dòng điện và dọc theo trục ảo

Trang 27

( a ) ( b)

Hình 1.5 Phân bổ mật độ dòng điện khi chỉ có pha a có dòng điện

Sức từ động toàn phần của stato được xây dựng bằng cách xếp chồng các phân bố mật độ dòng điện của cả ba pha, sức từ động toàn phần này cũng có phân

bố hình sin, thể hiện bằng hai hình bán nguyệt trên hình 1.6 Biên độ của sức từ động toàn phần tỷ lệ với biên độ dòng điện pha và hướng của nó phụ thuộc vào thời gian , tức là phụ thuộc vào giá trị tức thời của ias(t), ibs(t) và ics(t) Do dòng điện các pha thay đổi theo thời gian nên stđ toàn phần chính là một sóng mật độ dòng điện quay

Trang 28

Hình 1.6 Sức từ động toàn phần của stato

Việc xếp chồng các phân bố mật độ dòng điện pha được xác định bằng véc tơ không gian dòng điện phức stato:

2 3

13

Bởi vì a là véc tơ đơn vị và có hướng tựa theo trục dây quấn pha b, do đó a.ibs

là véc tơ không gian đại diện cho phân bố mật độ dòng điện hình sin gây ra bởi dòng ibs Tương tự như vậy a2

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

Với véc tơ không gian dòng điện statoi s đại diện cho phân bố hình sin của sức

tự động tổng được tạo ra “bên trong” động cơ được tạo ra bởi các dòng điện chảy

“bên ngoài” động cơ Sóng sức từ động tổng có giá trị cực đại tại vị trí góc vượt

Trang 29

trước /2 so với véc tơ không gian i s , hình 1.6, biên độ của nó tỷ lệ với biên độ của véc tơ không gian dòng điện stato is

Hệ số 2/3 trong (1.7) phản ánh phép ánh xạ không tương đương về công suất, tuy nhiên nó rất tiện lợi trong tính toán, thí dụ từ i s ta có thể tìm lại được các dòng điện thành phần bằng cách chiếu i s lên các trục dây quấn pha tương ứng:

2

as Re{ };s bs Re{ s}; cs Re{ s}

Hình 1.7 Phân bố mật độ từ thông tổng từ các dòng stato ở hình 1.6

Trong chế độ xác lập các dòng điện pha stato tạo được một hệ thống ba pha hình sin và cân bằng và tạo ra sóng sức từ động stator có biên độ là không đổi và quay đồng bộ với tấn số góc s của dòng điện stato

Phân bố mật độ từ thông dọc theo chu vi khe hở không khí cũng sẽ là hình sin

và chậm sau sóng mật độ dòng điện một góc /2, hình 1.7 Sau đây sẽ sử dụng khái niệm sóng từ thông móc vòng thay vì khái niệm sóng mật độ từ thông, bởi vì từ thông móc vòng còn mang theo thông tin về kích thước hình học của dây quấn và số

Trang 30

vòng của nó, phân bố từ thông móc vòng stato được biểu diễn bởi vec tơ không gian

ss L i ss s

Trong đó Lss là điện cảm ba pha của dây quấn stato và có giá trị bằng 3/2 lần điện cảm của một pha của chính dây quấn đó

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

và do đó có thể mở rộng khái niệm véc tơ không gian cho tất cả các đại lượng ở roto, hình 1.4(b)

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

1.4.1 Mô hình trong hệ tọa độ gắn với stato (0)

Giả thiết dq đối xứng, điện áp u as, u bs,u cs

Từ hình 1.4 thấy rằng tất cả các đại lượng điện từ đều có thể biểu diễn bằng véc tơ không gian trong mặt phẳng cắt ngang trục động cơ, các véc tơ này được xác định bởi biên độ và vị trí góc, do đó ta có thể biểu diễn các véc tơ này bởi các thành phần của nó trên hệ tọa độ trực giao bất kỳ

Trang 31

Hệ trục tọa độ trực giao gắn với stato có tên gọi hệ (0), trong đó trục 0trùng với trục của dây quấn pha a stato, các đại lượng véc tơ được biểu diễn bởi hai phần chiếu của nó trên các trục tọa độ, thí dụ véc tơ u s, hình 1.8

Đế viết được các phương trình mô tả điều khiển trong hệ tọa độ ,  ta có thể hoặc chiếu trực tiếp các phương trình (1.5), (1.6) lên các trục , ; hoặc thông qua

sơ đồ thay thế có được bằng cách chiếu sơ đồ hình 1.4(a) lên các trục tọa độ tương ứng như biểu diễn trên hình 1.9, trong đó LM = 1,5Lm Các dây quấn của máy điện trên các trục là vuông góc với nhau, do đó hỗ cảm giữa chúng là bằng không, sức điện động quay ở mạch roto của dây quấn này do từ thông roto của dây quấn kia cảm ứng sang tương ứng với góc là /2 và 3/2

Trang 32

Hình 1.9 Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ trong hệ trục (0)

Từ sơ đồ thay thế dạng hai pha vuông góc của máy điện, hình 1.9, ta dễ dàng viết được các phương trình mô tả động cơ:

.

Các đại lượng véc tơ không gian cảu máy điện là duy nhất, tuy nhiên chúng

có thể được biểu diễn hoặc trong hệ tọa độ ba pha quy đổi về stato as, bs, cs hoặc trong hệ tọa độ trực giao s, s có thể tìm được mối tương quan giữa hai hệ tọa độ này, thí dụ cho dòng điện stato

as 1

( ) ( )

( )

s

bs s

( )

( ) ( )

s bs

s cs

Trang 33

Trong đó ma trận ánh xạ C1 là phép biến đổi 3 pha thành 2 pha, nghịch đảo của nó là phép biến đổi 2 pha thành 3 pha

dt

d M

Trang 34

1

L s

1 s

-

Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc của động cơ trong hệ tọa độ (0)

Nếu đặt véc tơ trạng thái và véc tơ đầu vào của hệ là:

s

s U U

U  , 

Trong đó :   r r /L M   r r /L M

Trang 35

Thì hệ phương trình (1.11) ta có thể viết thành dạng phương trình trong không gian trạng thái ở dạng sau đây cho rô to lồng sóc (U r  0)

T s L s/R s ; T r L s/R s - hằng số thời gian điện từ stato, rotor

Thì các ma trận hệ thống và ma trận đầu vào được xác định như sau:

r r

s r

s

s s

s

T T

T

T T

T

A

1 1

0

1 0

1

1 1

1 1 0

1 1

0 1

s s

Trang 36

Hình 1.11 Mô hình trạng thái của điều khiển trọng hệ tọa độ (0 )

1.4.2 Mô hình trong hệ tọa độ quay đồng bộ (dq0 )

Các đại lượng véc tơ không gian cũng có thể được biểu diễn trong hệ tọa độ trực giao d, q, quay vơi tốc độ s, với hy vọng trong chế độ tự xác lập vị trí góc của véc tơ này tính từ hệ trực tọa độ d,q sẽ không đổi và do đó các thành phần chiếu của véc tơ không gian lên các trục sẽ là các đại lượng một chiều Như hình 1.12 biểu diễn vector điện áp

Trang 37

Hình 1.12 Biểu diễn véc tơ không gian trong hệ trục d, q

.cos sin

Điều này có nghĩa rằng các thành phần theo các trục 0d, 0q của véc tơ không

gian cùng được quay đi một góc tương ứng, để tiện theo dõi ta thêm chỉ số k vào

các véc tư không gian được biểu diễn trong hệ d,q như vậy thì

u    Lúc này ta có :

Lập luận tương tự đối với phương trình điện áp ở mạch rô to với chú ý rằng

bản thân dây quấn rô to cũng đã quay cùng chiều một góc m , do đó góc quay thực

chỉ là sl s m , hình 1.13 và phương trình thứ hai của hệ (1.4) là:

r r r

r

dt

d I

R

Trở thành :

Trang 38

độ trượt sl s với từ thông của dây quấn roto trên trục đối diện , hình 1.13

Trang 39

Từ các phân tích và sơ đồ thay thế có thể dẫn ra được hệ phương trình sau với

dt d

c q

Trong mục này chưa đề cập đến vấn đề là hệ trục tọa độ quay d, q được chọn

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

hệ trục d, q được chọn gắn (tựa) với một đại lượng vector không gian cụ thể, điều này một mặt đơn giản hóa được mô hình của động cơ, mặt khác cũng định hướng cụ thể cho các giải pháp kỹ thuật

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

1.4 3 Mô hình trong hệ tọa độ gắn với roto (D, Q, O)

Trang 40

Với động cơ roto dây quấn, việc điều khiển thường ứng dụng trong mạch roto, vì vậy cũng

có thể dẫn ra mô hình động cơ gắn với roto

Định dạng
Số trang	99
Dung lượng	2,58 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, 2001	Khác
[2] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật,1999	Khác
[3] Nguyễn Doãn Phước, Lý Thuyết Điều Khiển Tuyến Tính, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, 2005	Khác
[4] Nguyễn Phùng Quang, Truyền Động Điện Thông Minh, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, 2004	Khác
[5] Nguyễn Phùng Quang, Điều chỉnh tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà Xuất Bản Giáo Dục, 1998	Khác
[6] Nguyễn Phùng Quang, Matlab-Simulink, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, 2004	Khác
[7] Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu, Máy Điện, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, 2003	Khác
[8] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện Tử Công Suất, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, 2007	Khác
[9]. DTC-based strategies for induction motor drives – Giuseppe Buja – Domenico Casadei and Giovanni Serra	Khác
[10]. A modified direct torque control for induction motor sensorless drive – Cristian Lascu, Ion Boldea	Khác
[11]. A new approach to direct torque control of induction motor drives for constant inverter switching frequency and torque ripple reduction – Yen Shin Lai and Jian Ho Chen	Khác
[12]. Direct torque control of PWM inverter-fed ac motors – a servey – Giuseppe S. Buja, Marian P.Kaxmierkow	Khác

Ước lượng từ thông trong điều khiển vector tựa từ thông rôt động cơ không đồng bộ

Đại lƣợng véctơ không gian

Biến tần sử dụng trong công nghiệp