Điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ ba pha luận văn thạc sĩ ngành kỹ thuật điện

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công nghệ vi điện tử, khoa học máy tính, công nghệ bán dẫn công suất và kỹ thuật điều khiển đư tạo sự chuyển biến cơ bản trong hướng

M C L C

Quyết định giao đề tài

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan ii

Cảm ơn iii

Tóm tắt iv

Mục lục vi

Danh sách các chữ viết tắt ix

Danh sách các hình xi

Chư ng 1 Tổng quan 01

1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 01

1.2.Một số công trình nghiên cứu có liên quan 04

1.3.Mục đích của đề tài 05

1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 05

1.5 Phương pháp nghiên cứu 06

1.6 Các bước tiến hành 06

Chư ng 2 Mô hình động c không đồng bộ 3 pha 07

2.1 Tổng quan về động cơ không đồng bộ 3 pha 07

2.2 Mô tả các đại lượng 3 pha ở dạng vecto không gian 08

2.2.1 Hệ trục tọa độ tĩnh (α, β) 09

2.2.2 Hệ trục tọa độ quay (d, q) 11

2.3 Mô hình tính toán của động cơ không đồng bộ ở chế độ xác lập 12

2.3.1 Mô hình động của động cơ không đồng bộ 12

2.3.2 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ cố định stator 16

2.3.3 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ quay rotor 19

2.4 Xây dựng mô hình toán trong Matlab_Simulink 22

2.4.1 Mô hình chuyển trục tọa độ 22

2.4.2 Mô hình động cơ trong hệ tọa độ (αβ) 24

2.4.3 Mô hình động cơ trên hệ tọa độ (dq) 26

Chư ng 3: Các phư ng pháp điều khiển tốc độ động c không đồng bộ 28

3.1 Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực 29

3.2 Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện áp stator 29

3.3 Điều khiển tốc độ bằng cách sử dụng thay đổi tần số nguồn áp (v/f) 31

3.4 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC (Direct Torque Control) 35

3.4.1 Giới thiệu 35

3.4.2 Nguyên tắc điều khiển của phương pháp DTC 37

3.5 Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) 48

3.5.1 Tổng quan 48

3.5.2 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp (IRFOC) 53

3.5.3 Phương phápđiều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp (DRFOC) 58

Chư ng 4: Phư ng pháp điều khiển khi thông số động c thay đổi (Ts) 59

4.1 Tổng quan 59

4.2 ớc lượng tốc độ dùng mô hình tham chiếu thích nghi (MRAS) 60

4.2.1 Mô hình ước lượng tốc độ dùng mô hình tham chiếu thích nghi (MRAS) cơ bản 60

4.2.2 Mô hình MRAS ước lượng tốc độ khi thay đổi thông số động cơ (Ts) 61

4.2.2.1Phương trình tham chiếu 63

4.2.2.2Bộ quan sát từ thông vòng kín Luenberger 64

4.2.2.3 Phương trình hiệu chỉnh 65

4.2.2.4Luật hiệu chỉnh trên cơ sở lý thuyết ổn định Popov 65

4.3 Cơ sở lý thuyết điều khiển sensorless 68

4.3.1Mộtsố mô hình sensorless 71

4.3.1.1 Tính toán độ trượt 71

4.3.1.2 ớc lượng tốc độ vòng hở và sử dụng mô hình động cơ 72

4.3.1.3 ớc lượng tốc độ dùng mô hình Kalman Filter 73

4.4 Kết luận 74

Chư ng 5: Mô phỏng Matlab simulink 76

5.1 Xây dựng cấu trúc điều khiển DFOC trong Matlab Simulink 76

5.1.1 Mô hình tổng thể DFOC 77

5.1.2 Mô hình điều khiển định hướng trực tiếp DFOC 78

5.1.3 Mô hình ước lượng từ thông rotor từ dòng và áp hồi tiếp 79

5.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển DFOC_sensorless MRAS trong Matlab Simulink 80

5.2.1Mô hình tổng thể DFOC_MRAS thích nghi 81

5.2.2Mô hình MRAS ước lượng song song tốc độ rotor, điện trở stator 82

5.2.3Mô hình tham chiếu và bộ quan sát từ thông vòng kín Luenberger 83

5.2.4Mô hình thích nghi tốc độ rotor 84

5.2.5 Mô hình hiệu chỉnh điện trở stator 85

5.2.6 Mô hình hiệu chỉnh điện trở stator 86

Chư ng6: K t qu mô phỏng 87

6.1 Thông số động cơ 87

6.2 Mô phỏng động cơ đối với phương pháp DFOC truyền thống và DFOC_MRAS thích nghi 88

6.3 Kết luận 105

Chư ng 7: Hướng phát triển của đề tƠi 106

Ts: hằng số thời gian stator

Tr: hằng số thời gian rotor

P- Power: công suất của động cơ(W)

p- Pole couple: số đôi cực của động cơ

 : tốc đô ̣ góc của từ thông rotor so với rotor (tốt độ trượt) (rad/s)

: góc của trục rotor (cuộn dây pha A) trong hệ tọa độ  (rad)

 : góc của từ thông rotor trong hệ tọa độ  (rad)

: góc pha giữa điện áp so với dòng điện (rad)

e

T - Torque electromagnetic: moment điê ̣n tư

 ,dq: hệ tọa độ đứng yên, hệ tọa độ quay

u v : các pha của nguồn điện 3 pha

KĐB: không đông bô ̣

MRAS- Model Reference Adaptive System

FOC - Field Oriented Control: điêu khiển tựa trương

RFOC – Roto Field Oriented Control: điều khiển tựa từ thông roto

DRFOC – Direct Roto Field Oriented Control: điều khiển tựa từ thông roto kiểu trực tiếp

IRFOC – Indirect Roto Field Oriented Control: điều khiển tựa từ thông roto kiểu gián tiếp

DTC-Direct Torque Control: điêu khiển trực tiếp moment

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 : Động cơ không đồng bộ 3 pha 7

Hình 2.2 Sơ đồ cuộn dây stator của động cơ KĐB 3 pha 8

Hình 2.3 Vectơ dòng stator i svà hình chiếu 9

Hình 2.4 Biễu diễn vectơ dòng điện  của stator 9

Hình 2.5 Biễu diễn vectơ điện áp trên tọa độ  và abc 10

Hình 2.6 Biểu diễn vectơ i strong cả hai hệ trục tọa độ (α, β) và (d, q) 11

Hình 2.7 Mạch tương đương động cơ không đồng bộ 13

Hình 2.8 Hệ trục α-β và d-q 18

Hình 2.9 Khối chuyển trục toạ độ (a; b; c) → (α; β) 22

Hình 2.10 Khối chuyển trục toạ độ (α; β) → (a; b; c) 22

Hinh 2.11 Khối chuyển trục toạ độ (α; β) → (d; q) 23

Hình 2.12 Khối chuyển trục toạ độ (d; q) → (α; β) 23

Hình 2.13 Sơ đồ tổng quan các khối trong hệ tọa độ (αβ) 24

Hình 2.14 Sơ đồ động cơ trên hệ tọa độ (αβ) 25

Hình 2.15 Sơ đồ động cơ trên hệ tọa độ (dq) 27

Hình 3.1 Phân loại các phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB 3 pha 28

Hình 3.2 Đặc tính động cơ KĐB khi điều chỉnh điện áp 30

Hình 3.3 Mạch điều khiển điện áp pha 31

Hình 3.4 Quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số 34

Hình 3.5 Sơ đồ khối phương pháp V/f vòng hở 34

Hình 3.6 Sơ đồ khối phương pháp V/f vòng kín 35

Hình 3.7 Bộ nghịch lưu áp 3 pha 37

Hình 3.8 Các vector không gian điện áp 39

Hình 3.9 Mạch tương đương của động cơ KĐB 40

Hình 3.10 Đồ thị tác động của điện áp lên từ thông 41

Hình 3.11 Biểu đồ tác động của vector điện áp lên từ thông 42

Hình 3.12 Đồ thị chia các sector của không gian vector 43

Hình 3.13 Khâu so sánh trễ 2 bậc 44

Hình 3.14 Khâu so sánh trễ 3 bậc 45

Hình 3.15 Quỹ đạo vector từ thông stator: (a) khoảng trễ HB rộng, (b) khoảng trễ HB hẹp 46

Hình 3.16 Mô hình bộ điều khiển DTC đơn giản 47

Hình 3.17: Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển định hướng trường 49

Hình 3.18: Quan hệ giữa các hệ trục 50

Hình 3.19: Hệ tọa độ từ thông rotor 52

Hình 3.20 Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp 53

Hình 3.21Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp 55

Hình 4.1 Sơ đồ khối cấu trúc cơ bản của MRAS 60

Hình 4.2 Mô hình nội ước lượng song song tốc độ rotor và điện trở stator 61

Hình 4.3 Bộ quan sát Luenberger 64

Hình 4.4 Sơ đồ khối MRAS trên cơ sở ước tính tốc độ rotor hiệu chỉnh 67

Hình 4.5 Sơ đồ khối ước lượng tốc độ dùng EKF 74

Hình 5.1 Mô hình mô phỏng tổng thể DFOC 77

Hình 5.2Mô hình điều khiển DFOC 78

Hình 5.3 Khối chuyển tọa độ dq sang αβ 78

Hình 5.4 Khối chuyển tọa độ αβ sang dq 79

Hình 5.5 Mô hình ước lượng từ thông rotor 79

Hình 5.6 Mô hình điều khiển DFOC_MRAS đề xuất 81

Hình 5.7 Mô hình MRAS quan sát tốc độ rotor và điện trở stator 82

Hình 5.8 Mô hình tham chiếu với bộ quan sát từ thông vòng kín Luenberger 83 Hình 5.9 Mô hình thích nghi tốc độ rotor 84

Hình 5.10 Mô hình ước tính điện trở stator 85

Hình 5.11 Mô hình ước tính tốc độ rotor 86

CH NG I: T NG QUAN 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Ngày nay, các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rưi trong các thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải, trong các thiết bị điện dân dụng Động cơ điện cũng là một phần không kém phần quan trọng trong khâu truyền động với nhiệm vụ chuyển hóa điện năng thành cơ năng với những đặc tính cần thiết Việc điều khiển chính xác để tạo nên các chuyển động phức tạp là nhiệm vụ của hệ thống truyền động Do đó truyền động điện là một môn khoa học được ứng dụng các kiến thức mới nhất của lý thuyết điều khiển tự động, các tiến bộ của công nghệ vi xử lý… nhằm gán cho động cơ các đặc tính cao cấp hơn để đáp ứng được các đòi hỏi ngày càng tăng của quá trình tự động hóa đặt ra cho thiết bị truyền động

Điều khiển tốc độ động cơ AC được ứng dụng từ những năm 1990 và ngày càng chiếm vị trí nhiều hơn điều khiển tốc độ động cơ DC Động cơ không đồng bộ được ứng dụng trong các hệ truyền động trong băng chuyền, băng tải, máy nạp liệu, máy nghiền, máy khử từ, các ứng dụng dân dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, máy quay đĩa,

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công nghệ vi điện tử, khoa học máy tính, công nghệ bán dẫn công suất và kỹ thuật điều khiển đư tạo sự chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho giải pháp tự động hoá công nghiệp, nhiều

phương pháp điều khiển hiện đại, hiệu quả đư được đề xuất cho việc điều khiển động cơ không đồng bộ Đặc biệt, phương pháp điều khiển vectơ là một phương pháp tin cậy và hiệu quả để điều khiển các hệ động cơ không đồng bộ nhờ đó có thể thay thế dần động cơ một chiều

Phư ng pháp V/f: là phương pháp điều khiển đơn giản và phổ biến trong

các ứng dụng công nghiệp Cấu trúc của mạch thì đơn giản và thường sử dụng dạng không hồi tiếp tốc độ Điểm đặc biệt của phương pháp đó là mối quan hệ giữa điện áp và tần số là một hằng số Tuy nhiên phương pháp này có độ chính xác không cao trong đáp ứng tốc độ và moment

Phư ng pháp DTC: là phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông stator và

moment, đây cũng là phương pháp có hiệu suất cao Nội dung của phương pháp này là dựa trên sai biệt giữa giá trị đặt và giá trị ước lượng từ các khâu tính toán hồi tiếp về của moment và từ thông Mặt khác ta có thể điều khiển trực tiếp trạng thái của bộ nghịch lưu PWM thông qua các tín hiệu điều khiền đóng cắt các khóa công suất nhằm mục đích giảm sai số moment và từ thông trong phạm vi cho phép

đư được xác định trước

Phư ng pháp FOC: là phương pháp điều khiển dòng stator chủ yếu dựa vào

biên độ và góc pha của các vector FOC là kỹ thuật được sử dụng phổ biến với hiệu suất cao trong việc điều khiển động cơ với đặc tính từ thông và moment có thể được điều khiển độc lập Điều khiển này cơ bản dựa vào sự tham chiếu về thời

gian và tốc độ trên hệ trục dq, đây là hệ trục bất biến Sự tham chiếu này nhằm

mục đích hướng việc khảo sát động cơ không đồng bộ thành việc khảo sát động cơ một chiều

Đối với những hệ thống yêu cầu chính xác cao về tốc độ người ta buộc dùng cảm biến tốc độ (encoder) hồi tiếp tốc độ Vì thế, việc loại bỏ cảm biến tốc độ (sensorless) góp phần giảm chi phí cũng như đơn giản hoá việc lắp đặt, bảo trì cho

hệ thống động cơ không đồng bộ 3 pha Đây là xu hướng phát triển chung của các

bộ điều khiển động cơ cao cấp hiện nay

Một số công trình nghiên cứu trên thế giới đư đề cập ứng dụng điều khiển động

cơ không dùng cảm biến tốc độ, nhưng còn hạn chế thí nghiệm ở trạng thái lý tưởng động cơ hoạt động với thông số không thay đổi theo thời gian Trên thực tế khi làm việc lâu dài nhiệt độ động cơ tăng, điện trở và điện cảm cuộn dây thay đổi đáng kể ảnh hưởng đến bộ ước lượng tốc độ và tính toán từ thông, gây sai lệch đáng kể về tính toán giảm tổn hao cũng như điều khiển tốc độ

Một trong những phương pháp điều khiển hay được sử dụng là phương pháp điều khiển định hướng trường FOC (Field Oriented Control) được phát triển bởi blaschke Phương pháp FOC được đánh giá có khả năng đáp ứng tốt hơn phương

pháp so với phương pháp hay được sử dụng thứ 2 là phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC(Direct Torque Control) được phát triển bởi Takahashi

Phương pháp FOC thường được dùng trong điều khiển sensorless Tuy nhiên, việc điều khiển sensorless phụ thuộc nhiều vào thông số động cơ đặc biệt ở vùng tốc độ thấp Một số bộ quan sát tốc độ vòng hở hay được sử dụng như:

 Current model

 Voltage model

 Full-order observer

Các bộ quan sát vòng hở dựa trên mô hình động cơ Điều này dẫn đến mất

chính xác khi thông số động cơ thay đổi cũng như sai số tín hiệu hồi tiếp

Để cải thiện chính xác người ta dùng một số bộ quan sát vòng kín ước tính tốc

độ như:

Model Reference Adaptive Systems (MRAS)

Kalman filter techniques

Adaptive observers based on both voltage and current model Neural network flux and speed estimators

Sliding mode flux and speed estimators

Vấn đề khó khăn khi thiết kế các bộ quan sát ước tính tốc độ rotor bao gồm 3 yếu tố chính đó là sự nhạy cảm các thông số động cơ, khâu hiệu chỉnh PID đáp

ứng tuyến tính trong vùng có giới hạn và sự trùng lặp các vòng điều khiển

Các bộ quan sát vòng kín có ưu điểm là không phụ thuộc nhiều vào thông số động cơ Người ta dùng các bộ hiệu chỉnh thông minh Neural network, Kalman filter, Sliding mode xây dựng giải thuật điều chỉnh tối ưa dựa trên mô hình động

cơ và mô hình toán, các phương pháp này có ưu điểm là có thể ước lượng chính xác sai số hệ thống từ đó ước tính chính xác tốc độ rotor, nhưng nhược điểm tính toán khá phức tạp, sử dụng chỉ hiệu quả trên các bộ tính toán tốc độ cao

Trong khuôn khổ luận văn trình bày bộ ước tính tốc độ rotor trên mô hình tham chiếu thích nghi (MRAS) trên cơ sở quan sát từ thông hệ thống u điểm, bộ quan

sát MRAS là đơn giản tuy nhiên sai số lớn khi từ thông quan sát đâu vào sai số Để cải thiện chính xác bộ quan sát từ thông, trong đề tài dùng song song thêm mô hình tham chiếu thích nghi ước tính điện trở stator

Để đưa lý thuyết vào thực tế hiệu quả, nhằm giảm được giá thành cũng như đảm bảo an toàn trong thực nghiệm, chúng ta sử dụng các công cụ mô phỏng mạnh để mô phỏng, đặc biệt là Matlab Simulink Quá trình phân tích và mô phỏng không những làm sáng tỏ, tường minh và trực quan các vấn đề của các thuật toán

mà lý thuyết đưa ra, là công cụ tốt để nghiên cứu và học tập mà còn cho phép chúng ta nghiên cứu bản chất vật lý, các quá trình điện từ xảy ra trong các kênh năng lượng và kênh điều khiển của truyền động điện xoay chiều 3 pha; giúp giảm chi phí trong quá trình thực nghiệm và là một công đoạn không thể thiếu được trong quy trình áp dụng các công nghệ mới từ lý thuyết vào thực tế

1.2 Một số công trình nghiên cứu có liên quan

Bài báo : “Adaptive Control of Induction Motors with Unknown Load and

EngineeringSouthern Illinois UniversityCarbondale, IL 62901-6603

Thiết kế một bộ điều khiển thích nghi dựa trên quan sát tốc độ rotor động cơ không đồng bộ 3 pha Bộ điều khiển đồng thời và độc lập giữa tốc độ và từ thông của động cơ và ở đây bỏ qua điện trở và tải động cơ ớc lượng thích nghi từ thông dựa vào tín hiệu đo Các điều khiển thiết kế dựa vào hai thành phần dòng điện trục d và q theo hướng trường của mô hình động cơ

Bài báo : “Rotor Flux and Speed Observers for InductionMotors”-Chunki Kwon, Scott D Sudhoffand Stanislaw H.Zak-School of Electrical and Computer EngineeringPurdue UniversityWest Lafayette, IN 47907, USA

Mục tiêu của bài báo này là nghiên cứu dùng bộ quan sát trong điều khiển sensorless của động cơ không đồng bộ Đầu tiên là đề xuất bộ quan sát từ thông

và tốc độ rotor để phân tích và so sánh thông qua mô phỏng Kết quả có thể thực hiện tốt việc ước lượng tốc độ rotor để thay thế giá trị thu được từ cảm biến

Bài báo: “Speed sensorless vector control of induction motor with model reference adaptive system (MRAS)” Ths Phạm Tâm Thành- Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 15+16 - 11/2008

Điều khiển vector động cơ không đồng bộ được cấp từ biến tần không cần tín hiệu phản hồitốc độ từ cảm biến tốc độ, điều này có thể giảm giá thành của thiết

bị điều khiển và nâng caochất lượng các ứng dụng trong công nghiệp Bài báo này mô tả một phương pháp nhậndạng tốc độ rô to theo phương pháp thích nghi dùng mô hình mẫu(MRAS) Khâu nhận dạngtính toán tốc độ roto để điều khiển vector động cơ không đồng bộ Các biến trạng thái phụ được đưa ra thực hiện việc nhận dạng chính xác và ổn định Khâu nhận dạng được thiết kếsao cho chức năng chuyển đổi của nó co nhiều ưu điểm Các kết quả thực nghiệm thể hiệnrằng khâu nhận dạng tốc độ làm việc rất tôt, đáp ứng được yêu cầu điều khiển

Lý do em đư chọn đề tài: “Điều khiển thích nghi động c không đồng bộ 3

pha” là với mong muốn ước tính được tốc độ rotor (sensorless) của động cơ đạt

hiệu quả cao khi có sự thay tốc độ, thay đổi tải và thông số động cơ thay đổi Ts ( khi động cơ nóng dần lên giá trị Rs thay đổi)

1.3 M c đích của đề tƠi

Đề tài này nhằm giải quyết vấn đề chính là:

+ Tìm hiểu các phương pháp điều khiển động cơ KĐB 3 pha

+Nghiên cứu giải thuật thích nghi(MRAS) đểthực thi khâu ước lượng tốc độ rotor của động cơ KĐB 3 pha

+ Nghiên cứu xây dựng mô hình điều khiển thích nghi động cơ KĐB 3 pha

+ So sánh kết quả mô phỏng bằng Matlab/Simulink của phương pháp điều khiển thích nghi (MRAS) với phương pháp điều khiển định hướng trường (DFOC)

1.4 Nhi m v vƠ giới h n của đề tƠi

Tìm hiểu các phương pháp điều khiển hiện đại trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha, đề xuất phương pháp điều khiển FOC (Field Orientated

Control)

Tìm hiểu về điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ để ứng dụng đều khiển không dùng cảm biến trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha, đề xuất bộ điều khiển sử dụng MRAS trong điều khiển sensorless

1.5 Phư ng pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

- Nghiên cứu mô hình toán học của động cơ không đồng bộ ba pha

- Nghiên cứu xây dựng bộ quan sát tốc độ vòng kín trên cơ sở mô hình tham chiếu thích nghi cho động cơ không đồng bộ 3 pha, ước tính thông số điện trở stator nhằm đảm bảo mô hình chạy ổn định khi điện trở stator thay đổi, đều này

có ý nghĩa thực tế vì khi làm việc động cơ nóng dần lên điện trở stator sẽ thay đổi khá lớn ảnh hưởng đến bộ quan sát tốc độ

- Xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động điều khiển động cơ không đồng

bộ ba pha

1.6 Các bước ti n hƠnh

- Xây dựng mối quan hệ giữa các thông số trong mô hình động cơ không đồng

bộ 3 pha

- Tìm hiểu các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha

- Tìm hiểu giải thuật điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ 3 pha

- Thiết kế và xây dựng mô hình điều khiển thích nghi động cơ không đồng bộ

3 pha

- Mô phỏng 2 phương pháp cơ bản và phương pháp thích nghi, sau đó so sánh

2 phương pháp

- Đưa ra nhận xét đề tài

CH NG II: MÔ HÌNH Đ NG C KHÔNG Đ NG B 3 PHA

2.1Tổng quan về động c không đồng bộ 3 pha

Hiện nay, động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp (chiếm hơn 90%) do nó có những thuận lợi sau: dễ sản xuất, giá thành rẻ, dễ vận hành, có khả năng làm việc ở môi trường độc hại và không cần phải bảo trì

Động cơ không đồng bộ ba pha (động cơ cảm ứng) có dây quấn stator (bố trí lệch nhau 120o) được cấp điện từ lưới, và nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ có được sức điện động cảm ứng và dòng điện bên trong dây quấn rotor Dòng điện ba pha đối xứng chạy trong dây quấn ba pha sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ

)ph/v

s  

Hìn h 2.1 : Động cơ không đồng bộ 3 pha

(2.1)(2.2)

Khi mở máy, rotor đứng yên, s = 1, tần số dòng rotor bằng tần số lưới điện f

Từ trường quay rotor sẽ quay cùng tốc độ với từ trường quay stator, tạo ra moment

mở máy làm quay rotor theo chiều của từ trường stator Khi vận hành bình thường, rotor quay với tốc độ n<n1, tần số của dòng rotor là f2 = s.f và từ trường quay sinh

ra do dòng rotor sẽ quay với tốc độ sn1so với rotor, và quay cùng chiều với từ trường stator

2.2 Mô t các đ i lư ng 3 pha ở d ng vectorr không gian

Khi xây dựng mô hình toán động cơ không đồng bộ 3 pha theo giả thuyết : động cơ ba pha đối xứng và không bão hòa, tác động của khe hở và tổn hao trong lõi thép stator không đáng kể, từ trường cuộn dây hình sin, khe hở không khí điều nhau Ngoài ra, giả thuyết là cuộn dây stator và rotor được kết nối sao cho không cho dòng thứ tự chạy qua chúng và như vậy tổng giá trị điện áp pha và dòng điện pha qua dây quấn stator cân bằng

isa+ isb+ isc= 0

Tổng các biến cung cấp cho vector không gian là:

) (

3

sc sb

Từ đó ta phân tích các dòng điện stator ( isa, isb,isc) chuyển đổi hình sin Chuyển đổi đầu tiên có thể thực hiện ở hệ tọa độ αβ ( chuyển đổi Clark), sau đó chuyển

sang tọa độ quay dq (chuyển đổi park)

Bằng cách hoàn toàn tương tự ta có thể tính vector tổng của điện áp, từ thông theo biểu thức 2.3

2.2 1H tr c tọa độ tĩnh (α, β)

2.2.1.1 Ph́p biến đổi Clark-thuận (Chuyển đổi tọa độ từ (a, b, c )→ (α, β))

Các biến 3 pha hình sin được biễu diễn như vectơ không gian thể hiện trên hệ trục tọa độ (αβ) như hình

Vectơ dòng điện stator được mô tả:

Hình 2.4 Biễu diễn vectơ dòng điện của stator

(2.6)

Dòng điện stator dọc trục và ngang trục là các thành phần dòng ảo (2 pha dọc trục), được triển khai cho vectơ dòng:

Điều này tương đương với:

2.2.1.2 Ph́p biến đổi Clark ngược(Chuyển đổi tọa độ từ (α, β) → (a,b,c) )

Phép biến đổi Clark ngược được sử dụng bằng cách chiếu các thành phần của vectorr không gian điện áp stator lên trục A,B,C như hình, có thể xác định các thành phần theo phương pháp hình họcđể chuyển tọa độ từ (a, b, c) sang (α, β) như sau:

s s i

s s i

2

32

30

2

12

11

3 2

1 2

1

)]

0240sin(

)0240[cos(

)]

0120sin(

)0120[cos(

)]

00sin(

)00[cos(

j sc

i

j sb

i j

sa i

Hình 2.5 Biễu diễn vectơ điện áp trên tọa độvà abc

Hình 2.6 Biểu diễn vectơ i s trong cả hai hệ trục tọa độ (α, β) và (d, q)

Hoặc

2.2 2H tr c tọa độ quay (d, q)

Ta xây dựng một hệ tọa độ mới (d, q) có chung điểm gốc với hệ tọa độ (α, β), nằm lệch đi một góc θsvà quay với tốc độ s Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vectơ không gian tương ứng với hai hệ tọa độ này Mối liên hệ được thể hiện

s s sc

sb sa

i i

i i i





2

32

1

2

32

1

01

s s

i sc

i

s s i

s s

i sb

i

s s

i sa i

1

2

32

1

α

β

dq

s s

s s

sq

sd s

i

i i

i i

cos sin

sin cos

Hay

2.2.2.2 Ph́p biến đổi Park ngược (Chuyển đổi tọa độ từ (d, q)→(α, β))

Hay

2.3 Mô hình tính toán của động c không đồng bộ ở ch độ xác lập

2.3.1 Mô hình động của động c không đồng bộ

Mô hình động của động cơ trong hệ trục tọa độ tĩnh stator và hệ trục tọa độ quay rotor dựa trên khái niệm về các đại lượng vectơ của máy điện xoay chiều

Mô hình cho phép phân tích đặc tính của động cơ ở chế độ quá độ lẫn xác lập và khi động cơ được cấp từ một nguồn áp có dạng bất kỳ

Động cơ không đồng bộ được mô tả bởi hệ phương trình vi phân bậc cao

Về cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian, vì các mạch từ móc vòng nên ta phải chấp nhận một loạt các điều kiện sau đây trong khi mô hình hoá động cơ

s sd

s

s sq

s sd

s

i i

i

i i

.

sin cos

s s

s

s s

i

i i

i i

sin cos

s s

sq

s s

s s

sd

i i

i

i i

.

sin cos

(2.11)

(2.12)

(2.13)

Các cuộn dây quấn stator ở các pha được giả định hoàn toàn giống nhau, được bố trí đối xứng nhau 1200 trong không gian

Bỏ qua tổn hao sắt từ, dòng xoáy và bão hòa từ (nếu mô hình lý tưởng)

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

Các giá trị điện trở và điện kháng xem như không đổi trong suốt quá trình vận hành

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

 Phương trình điện áp stator:

đây ta viết phương trình điện áp cho 3 cuộn dây quấn stator:

Ta biễu diễn phương trình điện áp theo vector không gian ta được:

Từ 2 phương trình (2.12) và (2.13) ta được phương trình điện áp stator dưới dạng

dt

t sc

d t sc i s R t sc

u

dt

t sb

d t sb i s R t sb

u

dt

t sa

d t sa i s R t sa

u

)()

()

(

)()

()

(

)()

()

sc u

j e t sb u t sa u t

vector được quan sát trên hệ stator như sau:

Trong phương trình điện áp stator này thì dòng điện và từ thông stator dưới dạng vector được viết như sau:

Khi đó:

Usa(t), Usb(t), Usc(t): là điện áp trên 3 cuộn dây pha của stator

sa(t), sa(t), sa(t): là từ thông móc vòng trên 3 dây quấn stator

Rs: điện trở của cuộn dây stator

 : vectơ từ thông stator được quan sát trên hệ tọa độ stator

 Phương trình điện áp rotor

Ta thực hiện tương tự đối với cuộn dây stator, ta viết phương trình điện áp rotor khi được quan sát trên hệ rotor (rotor ngắn mạch)

dt

t d t i

R

u

r r r

U : vectơ điện áp rotor

Rr:điện trở rotor đã tính qui đổi về stator

0120)()

(3

2)

(

0240)(

0120)()(3

2)

(

j e t sc

j e t sb

t sa t

s

s

j e t sc i j

e t sb i t sa i t

0 : vectơ không ( vectơ có modun bằng 0)

Chỉ số “r” của phương trình trên được biễu diễn trong tọa độ cố định của rotor

 Phương trình từ thông:

+ Phương trình từ thông stator:

r m s s

s  L i  L i



+ Phương trình từ thông rotor:

r r s m

Lm: hỗ cảm giữa stator và rotor

Lss: điện kháng tản của cuộn dây stator

Lss: điện kháng tản của cuộn dây rotor đã qui về stator

e

L e

i p i

p T

pdt

jd T T

3



(2.21) (2.19)

(2.20)

2.3.2 Mô hình tr ng thái động c trên h tọa độ cố định stator (h tọa độ αβ)

Khi lựa chọn k=0 (chuyển đổi để về trục α,jβ), các đại lượng stator là thực, các đại lượng rotor là các đại lượng qui đổi và thay đổi theo tần số dòng điện stator

Do đó phương trình dùng để mô tả trạng thái động cơ trên hệ stator là:

s r r

s

r

s r m

s s s

s

s

s r e

s r s

r r

s s s

s s

s

s

i L i L

i L i L

j dt

d i R

dt

d i R

u

0

(2.23)

) (

1

m L

s s i

s r r L

s

r

(2.24)

Thế phương trình 2.22 vào phương trình 2.21 ta được:

Thế phương trình 2.22 và 2.24 vào phương trình 2.20 ta được:

d j

r T

s r r T m

L s

s

i

dt

s r d r L m L dt

s s i d s L

s s

i s

)

1(0

s s r

m

r m

s s s

s s s

s

T

i T

L L

L dt

i d L i

R

Sau đó ta rút dt

s r

d

ra ta được:

s s s

s r r

r

m

s

s s r r

m

s s

s s

L

j T L

L L

i T L

L L L

R i

d

s



 s

s s

11

r L m

L p

e

) (

m L

s s i

s r s L m L s L

s s i

s s r m

s

T

i T

L dt

(2.26)

s s r m

s

r

s s s

s r r

m

s s r s

s

s

j T

i T

L dt

d

u L

j T L

i T T

s s

s s

1

1 1

1 1

Hình 2.8Hệ trục α-β và d-q

Phương trình mô tả tra ̣ng thai của động cơ trên hệ dqnhư sau:

r s r

r

r

r r m

r s s

r

s

r r e

r r r

r r

r s s

r s r

s s

r

s

i L i

L

i L i

L

j dt

d i

R

j dt

d i

m L

r s i

r r s L m L s L

r s i

r r r

r s r m

r

r

r s s

r r r

m

r s sl

r s r s

r

s

j T

i T

L dt

d

u L

j T L i

j i T T

s

 s

s s

1

1 1

1 1

1

Hơn nữa, trong hệ tọa độ dq thì rq 0 nên r

Nếu thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng isdđể điều khiển ổn định từ thông rd tại mọi điểm làm việc của động cơ Và thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng isqthì theo phương trình trên thì có thể xem isqlà đại lương điều khiển momen Tecủa động cơ

 Tóm lạiphương pháp mô tả động cơ không đồng bộ 3 pha tương quan giống nhu động cơ một chiều Cho phép xây dựng động cơ không đồng bộ 3 pha tương

tự sử dụng động cơ điện một chiều Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha  thông qua điều khiển 2 phần tử i slà isd và isq

sq rd r

m e

sd r

m rd

i p L

L T

i S T L





23

r sd

i

2.4 Xơy dựng mô hình toán trong Matlab_Simulink

Từ các phương trình của động cơ không đồng bộ lý tưởng và động cơ được bỏ qua tính tổn hao sắt từ, dòng xoáy và bảo hòa từ đã nêu ở mục trên Để phục vụ khảo sát, nghiên cứu các tổn hao ta mô hình hóa động cơ trên phần mềm Matlap-Simulink

Có nhiều phương pháp để mô hình hóa động cơ, dưới dây giới thiệu một số mô

hình động cơ không đồng bộ sử dụng trong mô phỏng, khảo sát của luận văn

2.4.1 Mô hình chuyển tr c tọa độ

Khối chuyển trục toạ độ (a; b; c) → (α; β):

Khối này thể hiện chuyển đổi tọa độ (a,b,c) sang (α; β) sử dụng phép chuyển đổi clark – thuận được dùng trong khối này dựa vào ma trận chuyển đổi (2.7) thể hiện trong chương II

Khối chuyển trục toạ độ (α; β) → (a, b, c):

Hình 2.10 Khối chuyển trục toạ độ (α; β) → (a; b; c) Hình 2.9 Khối chuyển trục toạ độ (a; b; c) → (α; β)

Khối này thể hiện chuyển đổi toạ độ (α; β) → (a, b, c) sử dụng phép chuyển đổi Clark – ngược được dùng trong khối này dựa vào ma trận chuyển đổi (2.8) thuộc chương II

Khối chuyển trục toạ độ (α; β) → (d; q):

Khối này có nhiệm vụ chuyển dòng điện từ tọa độ cố định sang tọa độ quay.Khối này thể hiện phép chuyển đổi Park – thuận được dùng trong khối này dựa vào ma trận chuyển đổi (2.11) thuộc chương II

Khối chuyển trục toạ độ (d; q) → (α; β):

Khối này thể hiện chuyển đổi dòng điện từ toạ độ (d; q) → (α; β) sử dụng phép chuyển đổi Park – thuận được dùng trong khối này dựa vào ma trận chuyển đổi (2.13) thuộc chương II

Hinh 2.11 Khối chuyển trục toạ độ (α; β) → (d; q)

Hình 2.12 Khối chuyển trục toạ độ (d; q) → (α; β)

2.4.2 Mô hình động c trong h tọa độ (αβ)

Khối mô hình động cơ trên hệ tọa độ αβ được xây dựng từ hệ phương trình

m

L

L p

Đối với mô hình này, thông số đầu vào của động cơ là áp (usα, usβ) và moment tải (TL) Đầu ra là dòng điện (isα, isβ), tốc độ ( ) và từ thông ( ) Khối chuyển tọa độ từ (α, β) sang (u, v, w) xác định các dòng điện Iu, Iv, Iw như hình 2.17

Ta thu được giá trị dòng điện 3 pha isu, isv, isw từ isα, isβthông qua biến đổi tọa độ từ (α, β) → (u, v, w)

)

s s r s

m s

s s s

L

L L



) (

1

m

s s

s r r

Khi đó:

Us_alpha, Us_beta: Hình chiếu của điện áp stator trên hệ trục tọa độ αβ

Mc: Moment tải của động cơ

Induction motor alpha beta: Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ

αβ

2.4.3 Mô hình động c trên h tọa độ (dq)

Để xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ trong hê ̣ trục tọa độ (d,q), ta sử dụng khôi chuyển to ̣a đô ̣ từ (α, β)→(d, q) để chuyển đổi điện áp đầu vào Sau đo, ta sử dụng khối chuyển tọa độ từ (d, q)→(u, v, w) để chuyển đổi dòng điện đầu ra

Khối mô hình động cơ trên hệ tọa độ αβ được xây dựng từ hệ phương trình

Khi đó:

Us_d, Us_q: Hình chiếu của điện áp stator trên hệ trục tọa độ dq

Mc: Moment tải của động cơ

Induction motor dq : Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ dq

Hình 2.15 Sơ đồ động cơ trên hệ tọa độ (dq)

CH NG 3: CÁC PH NG PHÁP ĐI U KHI N T C Đ Đ NG C

KHÔNG Đ NG B

Động cơ không đồng bộ ngày nay được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là động cơ KĐB lồng sóc có nhiều ưu điểm hơn động cơ DC, nhưng không đòi hỏi bảo trì thường xuyên ,độ tin cậy cao ,giá thành rẽ và có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc có khả năng cháy nổ Do đó động cơ KĐB được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hơn các động cơ khác

Tuy nhiên phần lớn động cơ không đồng bộ được sử dụng trong các ứng dụng với tốc độ không đổi do các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ trước đây thường đắc tiền và có hiệu suất kém

Với sự phát triển mãnh mẽ của khoa học kỹ thuật bán dẫn công suất cao và kỹ thuật vi xử lý, hiện nay những bộ điều khiển động cơ không đồng bộ đã được chế tạo với đáp ứng cao hơn các bộ điều khiển động cơ DC trong rất nhiều ứng dụng

Do đó trong tương lai gần động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ

Phương pháp điều khiển ĐCKĐB

Điều khiển vector

Điều khiển vô hướng

Có cảm biến tốc độ

Không có cảm biến

Định hướng từ thông stator Định hướng từ

thông rotor

Định hướng từ thông khe hở không khí Trực tiếp Gián tiếp Trực tiếp Gián tiếp Trực tiếp Gián tiếp

Có cảm biến

tốc độ ĐK vòng hở Không có cảm biến

Hình 3.1 Phân loại các phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB 3 pha

Khi đó ngày naychia ra nhiều phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha từ đơn giản đến phức tạp Ta có thể chia ra 2 phương pháp điều khiển chính: phương pháp điều khiển vô hướng và phương pháp điều khiển có hướng

Phương pháp điều khiển vô hướng gồm các phương pháp: điều khiển điện

áp stator, điều khiển hệ số trược, điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi số cặp cực, điều khiển V/f, điều khiển số,…

Phương pháp điều khiển có hướng gồm các phương pháp: phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC ( Direct Torgue Control) và phương pháp điều khiển định hướng từ thông FOC ( Field Oriented Control)

3.1Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực

Với tần số lưới nguồn cho trước, tốc độ động cơ sẽ tỉ lệ nghịch với số đôi cực

Do đó ta có thể thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi số đôi cực

Đối với động cơ KĐB rotor lồng sóc, cấu tạo rotor là một khối đồng nhất, không phụ thuộc vào số đôi cực Do đó, việc thay đổi số đôi cực được thực hiện trên các cuộn dây stator Đối với động cơ KĐB rotor dây quấn thì việc thay đổi số đôi cực đòi hỏi phải thực hiện cả ở cuộn rotor, điều này làm cho việc thực hiện trở nên phức tạp Vì vậy, phương pháp này chỉ thực hiện ở động cơ KĐB rotor lồng sóc

3.2 Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi đi n áp stator

Giả thiết điện áp 3 pha đặt lên động cơ là hình sin, đặc tính cơ của động cơ KĐB

sẽ thay đổi khi ta thay đổi biên độ điện áp stator (giữ nguyên tần số)

Khi thay đổi điện áp stator của động cơ, đặc tính của động cơ bị thay đổi và qua

đó điều khiển được tốc độ của động cơ Việc thay đổi điện áp stator thường được thực hiện bởi bộ biến đổi điện áp xoay chiều

Phương trình đặc tính cơ của động cơ có moment tỉ lệ với bình phương điện áp xem hình 3.16, với tham số biến thiên là điện áp stator V như công thức sau:

db

V M

Tuy nhiên 3.41 cho thấy giá trị của sm tỉ lệ với giá trị điện trở rotor '

r

R và dòng rotor tại điểm moment cực đại không phụ thuộc vào giá trị của điện trở rotor

Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển điện áp stator sử dụng bộ biến đổi điện áp xoay chiều, mỗi cặp SCR song song ngược chiều có thể được thay thế bằng triac hình 3.3 Với góc kích   th, điện áp đặt lên động cơ là không đổi và bằng điện áp lưới (bỏ qua sụt áp trên linh kiện), dòng qua động cơ là liên tục, dòng và áp trên động cơ

Hình 3.2 Đặc tính động cơ KĐB khi điều chỉnh điện áp

(3.41)

lúc này có dạng sin Với   th, dòng qua động cơ là gián đoạn và áp đặt lên động

cơ giảm khi  tăng

Hình 3.3 Mạch điều khiển điện áp pha

Bộ điều khiển dạng này còn thường dùng để khỡi động động cơ, ảnh hưởng sóng hài bậc cao thể hiện rõ nét đến tất cả các quá trình Dòng điện qua stator bị gián đoạn và mức độ sóng hài xuất hiện phụ thuộc vào tham số điều khiển (góc kích) lẫn tham số hoạt động của tải (trở kháng, sức điện động, tốc độ động cơ) Vì lượng sóng hài bậc cao xuất hiện khá lớn và có tần số thay đổi gây ra các hệ quả không tốt nên phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ có công suất vừa và nhỏ Để đạt được phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, phương pháp chỉ áp dụng thích hợp cho một số tải có moment thay đổi theo vận tốc như: quạt, máy bơm

 u điểm của phương pháp này là tính đơn giản

3.3 Điều khiển tốc độ bằng cách sử d ng thay đổi tần số nguồn áp (v/f)

Tốc độ đồng bộ của đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ tỉ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp Do đó, khi ta thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ sẽ làm thay đổi tốc

độ đồng bộ, tương ứng là tốc độ động cơ thay đổi

Sức điện động cảm ứng E trong stator tỉ lệ với tích của tần số nguồn cung cấp và

từ thông trong khe hở không khí Nếu bỏ qua các điện áp rơi trên điện trở stator, có thể xem sức điện động E  điện áp nguồn cung cấp Nếu giảm tần số nguồn nhưng giữ nguyên điện áp sẽ dẫn đến việc gia tăng từ thông trong khe hở không khí Động

cơ thường được thiết kế làm việc tại “điểm cách chỏ” của đặc tuyến từ hóa, nên sự

gia tăng từ thông sẽ dẫn đến bảo hòa mạch từ Điều này khiến cho dòng từ hóa tăng, méo dạng dòng điện và điện áp nguồn cung cấp, gia tăng tổn hao lõi và tổn hao đồng stator và gây ra ồn động cơ ở tần số cao Ngược lại, từ thông khe hở không khí giảm dưới định mức sẽ làm giảm khả năng tải của động cơ Vì vậy, việc giảm tần số động cơ xuống dưới tần số định mức thường đi đôi với việc giảm điện áp pha sao cho từ thông trong khe hở không khí được giữ không đổi

Nguyên lý điều khiển từ thông không đổi

Nếu bỏ qua sụt áp không đáng kể trên stator, điện áp stator ở chế độ xác lập tỉ lệ thuận với từ thông và tốc độ đồng bộ được thể hiện như sau:

.s s

V E j 

Nên khi điều khiển vận tốc động cơ dưới giá trị định mức bằng cách thay đổi tần

số nguồn và giữ nguyên độ lớn điện áp stator, từ thông động cơ sẽ tăng đến giá trị bảo hòa Để tránh hiện tượng bảo hòa và giảm tổn hao, điện áp stator cần được thay

đổi cùng với tần số f sao cho duy trì tác dụng của từ thông bằng định mức

Do đó nguyên lý điều khiển từ thông không đổi trở thành nguyên lý điều khiển

 f : là tần số nguồn cung cấp cho stator

Moment cực đại được xác định theo công thức:

Ta thấy, khi điều khiển động cơ theo nguyên lý V/f không đổi thì đặc tính cơ có

moment max không thay đổi M max = const

Trường hợp tốc độ lớn hơn tốc độ định mức

Điện áp stator sẽ được duy trì không đổi và bằng giá trị định mức, tần số f được

điều khiển tăng lên, động cơ sẽ làm việc ở chế độ non kích từ Khi đó, để tránh động cơ quá tải, moment động cơ sẽ được điều khiển theo nguyên lý công suất không đổi, M max sẽ giảm khi tần số tăng

Đặc tính cơ

(3.46)

(3.47)