Nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động cơ cho thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần

Lý do chọn đề tài Trong sản xuất công nghiệp hiện đại, để nâng cao năng suất, hiệu suất sử dụng của máy, nâng cao chất lượng sản phẩm và các phương pháp tự động hóa dây chuyền sản xuất

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Văn Tuyên

Sinh ngày: 14 tháng 10 năm 1974

Học viên lớp cao học khóa K15 - Tự động hóa - Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Đại Học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Việt – Đức Vĩnh phúc

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực Những kết luận khoa học của luận văn chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc

HỌC VIÊN

Phạm Văn Tuyên

Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở Trung tâm Thí nghiệm, phòng thí nghiệm Khoa Điện tử – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Cao đẳng nghề Việt – Đức Vĩnh phúc đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn

Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể luận văn còn những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tế

HỌC VIÊN

Phạm Văn Tuyên

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng nghiên cứu 1

4 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 3

1.1 Tổng quan về động cơ KĐB 3 pha 3

1.1.1 Khái niệm chung về động cơ KĐB 3

1.1.2 Cấu tạo động cơ KĐB 5

1.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB 3 pha 7

1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB 9

1.2.1 Thay đổi tần số nguồn điện cung cấp f1 10

1.2.2 Thay đổi số đôi cực 12

1.2.3 Thay đổi điện áp nguồn cung cấp 14

1.2.4 Thay đỗi điện trở mạch rôto 14

1.2.5 Thay đổi điện áp mạch rôto 15

1.3 Điều khiển véc tơ động cơ KĐB 17

1.4 Lựa chọn phương pháp điều khiển động cơ KĐB cho hệ truyền động thang máy 19

1.5 Kết luận chương 1 19

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA 21

2.1 Mô tả toán học động cơ KĐB ba pha 21

2.2 Phép biến đổi tuyến tính không gian véc tơ 23

2.3 Hệ phương trình cơ bản của động cơ trong không gian véc tơ 25

2.3.1 Phương trình trạng thái tĩnh trên hệ toạ độ cố định 26

2.3.2 Phương trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq : 30

2.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển véc tơ động cơ KĐB 34

2.5 Các phương pháp điều khiển véc tơ 36

2.5.1 Điều khiển véc tơ gián tiếp 36

2.5.2 Điều khiển véc tơ trực tiếp theo từ thông rôto 37

2.6 Tổng hợp các bộ điều chỉnh 43

2.6.1 Tổng hợp hệ theo hàm chuẩn 43

2.6.2 Tuyến tính hoá mô hình động cơ 45

2.6.3 Tổng hợp R i và sq R 46

2.6.4 Tổng hợp Risd 49

2.7 Bộ quan sát từ thông 50

2.8 Kết luận chương 2 57

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTƠ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ - MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB/SIMULINK 58

3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển véc tơ không dùng cảm biến tốc độ 58

3.2 Đánh giá ổn định của khâu tính toán tốc độ 61

3.3 Mô phỏng bộ điều khiển véc tơ trên Matlab/Simulink 63

3.3.1 Tính toán các thông số động cơ 63

3.3.2 Thử nghiệm với bộ điều chỉnh dòng Risd 65

3.3.3 Thử nghiệm với bộ điều chỉnh dòng Ri 66 sq 3.3.4 Thử nghiệm với bộ điều chỉnh tốc độ 67

3.3.5 Mô phỏng mô hình hệ thống trên toạ độ dq 69

3.3.6 Mô hình toàn bộ hệ thống không dùng cảm biến tốc độ 71

3.4 Kết luận chương 3 80

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TRÊN MÔ HÌNH THANG MÁY SỬ DỤNG PLC KẾT NỐI BIẾN TẦN 81

4.1 Cấu tạo mô hình thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần điều khiển động cơ KĐB 81

4.2 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển 82

4.3 Kết quả thực nghiệm 83

4.4 Kết luận chương 4 84

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 85

1 Kết luận 85

2 Hướng phát triển 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

PHỤ LỤC 87

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Động cơ KĐB 3 pha 3

Hình 1-2 Cấu tạo động cơ KĐB 3 pha 5

Hình 1-3 Lá thép stato và rôto: 1- Lá thép stato, 2- Rãnh, 3- Răng, 4- Lá thép rôto 6

Hình 1-4 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB a) Khi mô men cản không đối, b)Khi mô men cản thay đổi 9

Hình 1-5 Đặc tính cơ khi điều chỉnh tần số theo nguyên lý: f1>f2>f3 12

Hình 1-6 Cách đổi nối cuộn dây: a) Mắc nối tiếp, số đôi cực là p b) Mắc song song, số đôi cực là p/2, c) Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi số đôi cực 12

Hình 1-7 Đổi nối cuộn dây a) Y YY, b) ∆ YY 13

Hình 1-8 Đặc tính cơ của động cơ KĐB dây quấn khi thay đổi điện trở rôto 15

Hình 1-9 Sơ đồ tương đương mạch rôto khi đưa thêm sđđ vào: a)mạch thực, b)c) mạch tương đương đưa về tần số f1 17

Hình 1-10 Sự tương tự giữa điều khiển động cơ một chiều và điều khiển véc tơ 18

Hình 1-11 Điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện: mô men và kích từ 18

Hình 1-12 Các đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của quãng đường S, tốc độ v, gia tốc a và độ giật theo thời gian 19

Hình 2-1 Tương quan giữa hệ toạ độ và toạ độ ba pha , ,a b c 23

Hình 2-2 Cuộn dây 3 pha nhìn trên 24

Hình 2-3 Chuyển sang hệ toạ độ quay bất kỳ 24

Hình 2-4 Các đại lượng is , r của động cơ trên các hệ toạ độ 24

Hình 2-5 Mô hình động cơ trên hệ toạ độ cố định 28

Hình 2-6 Mô hình động cơ dạng ma trận 30

Hình 2-7 Mô hình động cơ dạng các phần tử ma trận 30

Hình 2-8 Mô hình động cơ trên hệ toạ độ quay dq 32

Hình 2-9 Mô hình động cơ KĐB trên toạ độ dq theo dạng véc tơ 34

Hình 2-10 Mô hình điều khiển động cơ một chiều 34

Hình 2-11 Tư tưởng điều khiển động cơ KĐB 34

Hình 2-12 Sơ đồ hệ thống điều chỉnh dòng điện và tốc độ của động cơ trên dq 35

Hình 2-13 Đồ thị góc pha của phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp 36

Hình 2-14 Sơ đồ tính toán góc quay từ trường theo phương pháp gián tiếp 37

Hình 2-15 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển véc tơ trực tiếp sử dụng cảm biến Hall đo r 38 Hình 2-16 Hệ thống điều khiển sử dụng cảm biến Hall đo từ thông rôto 40

Hình 2-17 Sơ đồ khối tính toán 40

Hình 2-18 Tính toán từ thông rôto theo mô hình động cơ trên 41

Hình 2-19 Tính toán rtheo mô hình quan sát 42

Hình 2-20 Mô hình điều khiển véc tơ kiểu trực tiếp lấy s từ bộ quan sát 43

Hình 2-21 Cấu trúc tổng quát một hệ điều chỉnh 43

Hình 2-22 Đặc tính quá độ của hệ thống 44

Hình 2-23 Đặc tính tần của hàm truyền kín tối ƣu 44

Hình 2-24 Sơ đồ mô tả động cơ trên hệ toạ độ dq đã tuyến tính hoá quanh điểm làm việc 46

Hình 2-25 Sơ đồ cấu trúc khi r = const 47

Hình 2-26 Mô hình sau khi đã biến đổi 47

Hình 2-27 Tổng hợp các mạch vòng dòng điện và tốc độ 48

Hình 2-28 Nhánh kích từ của mô hình động cơ trên hệ toạ độ dq 50

Hình 2-29 Biến đổi nhánh kích từ 50

Hình 2-30 Mô hình tổng quát bộ quan sát từ thông rôto 53

Hình 2-31 Mô hình dòng điện stato và từ thông rôto trong bộ quan sát 53

Hình 3-1 Hệ thống điều khiển không sử dụng cảm biến tốc độ 58

Hình 3-2 Mô hình hệ thống kông dùng cảm biến tốc độ ở dạng véc tơ 61

Hình 3-3 Cấu trúc khối tính tốc độ 61

Hình 3-4 Sơ đồ mô phỏng trong Simulink kiểm nghiệm bộ điều chỉnh dòng Risd 65

Hình 3-5 Đồ thị dòng i sd với giá trị cuối của hàm Step là 5 66

Hình 3-6 Kiểm nghiệm bộ điều chỉnhRi 66 sq Hình 3-7 Đồ thị dòng i với giá trị cuối của hàm step là 10 67 sq Hình 3-8 Mô hình Simulink kiểm tra bộ điều chỉnh tốc độR 67

Hình 3-9 Dòng i và tốc độ khi không tải 68 sq Hình 3-10 Dòng i và tốc độ sq khi có tải 68

Hình 3-11 Kiểm nghiệm các bộ điều chỉnh trên mô hình động cơ 69

Hình 3-12 Mô hình động cơ trên toạ độ dq 69

Hình 3-13 Đồ thị các dòng điện và tốc độ của động cơ với bộ điều chỉnh đã chọn khi không tải 70

Hình 3-14 Đồ thị khi có tải 70

Hình 3-15 Hệ thống điều khiển động cơ không dùng cảm biến tốc độ 71

Hình 3-16 Sơ đồ tổng quát khối tính các thông số is, r và 72

Hình 3-17 Sơ đồ khối của khâu quan sát 72

Hình 3-18 Cách lập khối tính tích ma trận AX 73

Hình 3-19 Khối tính tích A12 r 74

Hình 3-20 Khối tính tích A22 r 74

Hình 3-21 Khối tính tích Gis 75

Hình 3-22 Tính các phần tử của ma trận G 75

Hình 3-23 Sơ đồ cấu trúc khối tính tốc độ 76

Hình 3-24 Sơ đồ khối tính từ thông rôto 76

Hình 3-25 Mạch chuyển đổi dq và dq 77

Hình 3-26 Đồ thị so sánh tốc độ thực tế và tính toán khi không tải 78

Hình 3-27 Đồ thị so sánh tốc độ thực tế và tính toán khi có tải 78

Hình 3-28 Sai lệch dòng i s 79

Hình 3-29 Sai lệch dòng i s 79

Hình 4-1 Mô hình thang máy thực nghiệm 81

Hình 4-2 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển thang máy sử dụng PLC - Biến tần điều khiển động cơ nâng hạ 82

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong sản xuất công nghiệp hiện đại, để nâng cao năng suất, hiệu suất sử dụng của máy, nâng cao chất lượng sản phẩm và các phương pháp tự động hóa dây chuyền sản xuất thì hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc độ là không thể thiếu Trong đó động cơ điện không đồng bộ (KĐB) chiếm tỉ lệ lớn trong công nghiệp, do nó có nhiều

ưu điểm nổi bật như: giá thành thấp, dễ sử dụng, bảo quản đơn giản, chi phí vận hành thấp…

Mặt khác, những năm gần đây do tốc độ đô thị hóa diễn ra nhanh chóng, đặc biệt

là tại các thành phố lớn với sự xuất hiện ngày càng nhiều các tòa nhà cao tầng để phục

vụ chỗ ở và chỗ làm việc của con người khiến nhu cầu sử dụng thang máy ngày càng trở nên bức thiết, vì nó mang lại sự tiện lợi và vẻ sang trọng cho các tòa nhà cao tầng Điều

đó cũng đặt ra cho các kỹ sư và nhà sản xuất thang máy ngày nay càng phải nâng cao, cải tiến chất lượng hệ thống truyền động thang máy

Với sự phát triển của lý thuyết điều khiển tự động cho phép xây dựng các bộ điều khiển tốc độ động cơ với chất lượng cao Các bộ điều khiển này có thể được thiết kế và lập trình trên các bộ điều khiển như PLC kết nối biến tần điều khiển tốc độ động cơ Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: "Nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động cơ cho thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần"

2 Mục đích nghiên cứu

Đề tài có mục đích nghiên cứu là: Thiết kế bộ điều khiển véc tơ để điều khiển tốc

độ động cơ KĐB 3 pha ứng dụng vào hệ thống thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần

3 Đối tượng nghiên cứu

- Động cơ KĐB 3 pha

- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển động cơ KĐB 3 pha

- Nghiên cứu điều khiển véc tơ không cảm biến tốc độ động cơ KĐB 3 pha

- Thực hiện mô phỏng bộ điều khiển véc tơ không cảm biến tốc độ động cơ KĐB 3 pha trên phần mềm Matlab/Simulink

- Thực nghiệm trên mô hình thang máy tại phòng thí nghiệm trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

4 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Đề tài nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển véc tơ không cảm biến tốc độ động cơ KĐB 3 pha Mô phỏng trên Matlab/Simulink và kiểm chứng trên mô hình thực

Ý nghĩa thực tiễn: Ứng dụng vào hệ thống thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần

để nâng cao chất lƣợng nâng hạ trong hoạt động của thang máy

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Equation Chapter 1 Section 1

1.1 Tổng quan về động cơ KĐB 3 pha

a Mục đích và phạm vi sử dụng

Động cơ điện KĐB là máy điện xoay chiều hai dây quấn và chỉ có cuộn dây phía

sơ cấp nhận điện từ lưới điện với tần số không đổi (w1) còn cuộn dây thứ cấp được nối tắt lại hay được khép kín trên điện trở Dòng điện trong dây quấn thứ cấp được sinh ra nhờ cảm ứng điện từ Tần số w2là một hàm của tốc độ góc của rôto mà tốc độ này phụ thuộc vào mô men quay ở trên trục

Hình 1-1 Động cơ KĐB 3 pha

Người ta thường dùng loại động cơ phổ biến nhất là động cơ KĐB có dây quấn stator là dây quấn 3 pha đối xứng có cực tính xen kẽ, lấy điện từ lưới điện xoay chiều và dây quấn rôto 3 pha hoặc nhiều pha đối xứng có cực tính xen kẽ

b Phân loại

Theo số pha trên dây quấn stator có thể chia làm các loại: Một pha, hai pha và ba pha Phần lớn máy điện KĐB 3 pha có công suất từ một vài W tới vài MW, có điện áp

từ 100 V đến 6000 V

Căn cứ vào cách thực hiện rôto, người ta phân biệt 2 loại: loại có rôto ngắn mạch

và loại rôto dây quấn Cuộn dây rôto dây quấn là cuộn dây cách điện, thực hiện theo nguyên lý của cuộn dây dòng xoay chiều

Cuộn dây rôto ngắn mạch gồm một lồng bằng nhôm đặt trong các rãnh của mạch

từ rôto, cuộn dây ngắn mạch là cuộn dây nhiều pha có số pha bằng số rãnh Động cơ rôto ngắn mạch có cấu tạo đơn giản và rẻ tiền, còn động cơ rôto dây quấn đắt hơn, nặng hơn nhưng có tính năng tốt hơn, do có thể tạo các hệ thống khởi động và điều chỉnh

Động cơ rôto lồng sóc có mô men mở máy khá lớn, tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm trên chúng có những nhược điểm sau:

Khó điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm vi rộng, cần dòng điện mở máy từ lưới lớn (5 đến 7 lần Iđm) và hệ số công suất của loại này thấp Để bổ khuyết cho nhược điểm này, người ta chế tạo động cơ KĐB rôto lồng sóc nhiều tốc độ và dùng rôto rãnh sâu lồng sóc kép để hạ dòng điện khởi động, đồng thời mô men khởi động cũng được tăng lên

Với động cơ rôto dây quấn (hay động cơ vành trượt) thì loại trừ được những nhược điểm trên nhưng làm cho kết cấu rôto phức tạp, nên khó chế tạo và đắt tiền hơn động cơ KĐB rôto lồng sóc (khoảng 1,5 lần) Do đó động cơ KĐB rôto dây quấn chỉ được sử dụng trong điều kiện mở máy nặng nề, cũng như khi cần phải điều chỉnh bằng phẳng tốc độ quay Động cơ loại này đôi khi được dùng để nối cấp với các máy khác Nối cấp máy KĐB cho phép điều chỉnh tốc độ quay một cách bằng phẳng trong phạm vi rộng với hệ số công suất cao Nhưng do giá thành cao nên không thông dụng Trong động cơ KĐB rôto dây quấn các pha dây quấn rôto nối hình sao và các đầu ra của chúng được nối với 3 vành trượt Nhờ các chổi điện tiếp xúc với vành trượt nên có thế đưa điện trở phụ vào trong mạch rôto đế thay đổi đặc tính làm việc của máy

Theo kết cấu của động cơ KĐB có thể chia ra các kiểu: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu phòng nổ

c Thông số kỹ thuật

Công suất do động cơ sinh ra Pđ m = P 2 đ m

Tần số lưới: f 1

Điện áp dây quấn stato: U 1 đ m

Dòng điện dây quấn stato: I 1 đ m

Nếu dây quấn 3 pha stato có đưa ra các đầu ra ở cuối pha để có thể đấu thành hình sao hay tam giác thì điện áp dây và dòng điện dây với mỗi một cách đấu có thể (Y/ ) được ghi dưới dạng phân số (U dY /U d) và (I dY /I d) Các số liệu định mức của động cơ KĐB biến đổi trong phạm vi rất rộng Công suất định mức đến hàng chục nghìn kW

Tốc độ quay đồng bộ định mức n dm 60f / p với tần số lưới 50 Hz thì nđm từ (300 đến

500 vòng/phút) trong những trường hợp đặc biệt còn lớn hơn nữa (tốc độ quay định mức của rôto thường nhỏ thì tốt hơn tốc độ quay đồng bộ 2% - 5% trong các động cơ nhỏ thì tới 5% - 20% Điện áp định mức từ 24 V đến 10 V (trị số lớn ứng với công suất lớn)

Máy điện quay nói riêng và máy điện KĐB nói riêng gồm 2 phần cơ bản: phần quay (rôto) và phần tĩnh (stato) Giữa phần tĩnh và phần quay là khe hở không khí Dưới đây chúng ta nghiên cứu từng phần riêng biệt

Hình 1-2 Cấu tạo động cơ KĐB 3 pha

a Cấu tạo của stato

Stato gồm 2 phần cơ bản là mạch từ và mạch điện

Hình 1-3 Lá thép stato và rôto: 1- Lá thép stato, 2- Rãnh, 3- Răng, 4- Lá thép rôto

- Mạch từ: Mạch từ của stato được ghép bằng các lá thép điện kỹ thuật có chiều dày khoảng 0,3 ÷ 0,5mm, được cách điện 2 mặt để chống dòng Fucô Lá thép stato có

dạng hình vành khăn (hình 1-3), phía trong được đục các rãnh, đế giảm dao động từ

thông, số rãnh stato và rôto không được bằng nhau

Ở những máy có công suất lớn, lõi thép được chia thành từng phần (section) nhằm tăng khả năng làm mát của mạch từ Các lá thép được ghép lại với nhau thành hình trụ Mạch từ được đặt trong vỏ máy vỏ máy được làm bằng gang đúc hay thép Đe tăng diện tích tản nhiệt, trên vỏ máy có đúc các gân tản nhiệt Ngoài vỏ máy còn có nắp máy, trên nắp máy có giá đỡ ổ bi Tuỳ theo yêu cầu mà vỏ máy có đế đế gắn vào bệ máy hay nền nhà hoặc vị trí làm việc Trên đỉnh có móc để giúp di chuyến thuận tiện Trên vỏ máy gắn hộp đấu dây

- Mạch điện của stato: Dây quấn stator thường là cuộn dây phân tán được đặt trong các rãnh nằm rải rác trên chu vi phần tĩnh máy điện, do đó tại một thời điếm nhất định một nhóm cuộn dây sẽ móc vòng với những đường sức từ khác nhau và được cách điện tốt với lõi sắt Cuộn dây có thể là một vòng (gọi là dây quấn kiểu thanh dẫn), cuộn dây thường được chế tạo dạng phần tử và tiết diện dây thường lớn, hay cũng có thể: cuộn dây gồm nhiều vòng dây (tiết diện dây nhỏ gọi là dây quấn kiểu vòng dây), số vòng dây mỗi cuộn, số cuộn dây mỗi pha và cách nối dây là tuỳ thuộc vào công suất, điện áp, tốc

độ, điều kiện làm việc của máy và quá trình tính toán mạch từ

b Cấu tạo của rôto

Mạch từ: Giống như mạch từ stato, mạch từ rôto cũng gồm các lá thép điện kỹ

thuật cách điện đối với nhau như hình 1-3 Rãnh của rôto có thế song song với trục hoặc nghiêng đi một góc nhất định nhằm giảm dao động từ thông và loại trừ một số sóng bậc cao Các lá thép điện kỹ thuật được gắn với nhau thành hình trụ ở tâm lá thép mạch từ

được đục lỗ để xuyên trục, rôto gắn trên trục Ở những máy có công suất lớn, trên rôto còn đục các rãnh thông gió

Mạch điện: Mạch điện rôto được chia làm 2 loại: loại rôto lồng sóc và rôto dây

quấn

Loại rôto lồng sóc: Mạch điện của loại rôto này được làm bằng nhôm hoặc đồng thau Nếu làm bằng nhôm thì được đúc trực tiếp vào rãnh rôto, 2 đầu được đúc 2 vòng ngắn mạch, cuộn dây hoàn toàn ngắn mạch, chính vì vậy gọi là rôto ngắn mạch Nếu làm bằng đồng thì được làm thành các thanh dẫn và đặt vào trong rãnh, hai đầu được gắn với nhau bằng 2 vòng ngắn mạch cùng kim loại Bằng cách đó cho ta một cái lồng chính vì vậy loại rôto này còn có tên là rô to lồng sóc Loại rôto ngắn mạch không phải thực hiện cách điện giữa dây dẫn và lõi thép

Loại rôto dây quấn: Mạch điện của loại rôto này thường làm bằng đồng và phải cách điện với mạch từ Cách thực hiện cuộn dây này giống như thực hiện cuộn dây máy điện xoay chiều đã trình bày ở phần trước Cuộn dây rôto dây quấn có số cặp cực và pha

cố định Với máy điện 3 pha, thì 3 đầu cuối được nối với nhau ở trong, 3 đầu còn lại được dẫn ra ngoài và gắn vào 3 vành trượt đặt trên trục rôto, đó là tiếp điểm nối với mạch ngoài

Để xét nguyên lý làm việc của máy điện KĐB, ta lấy mô hình máy điện gồm 3 cuộn dây đặt cách nhau trên chu vi máy điện một góc 120°, rôto là cuộn dây ngắn mạch Khi cung cấp vào 3 cuộn dây 3 dòng điện của hệ thống điện 3 pha có tần số là f1 thì trong máy điện sinh ra từ trường quay với tốc độ 60f1 / p Từ trường này cắt thanh dẫn của rôto và stato, sinh ra ở cuộn stato suất điện động tự cảm e1 và ở cuộn dây rôto suất điện động cảm ứng e2 có giá trị hiệu dụng như sau:

Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo qui tắc bàn tay phải ta căn cứ vào chuyển động tương đối của thanh dẫn rôto với từ trường Nếu coi từ trường đứng yên thì chiều chuyển động tương đối của thanh ngược với chiều chuyến động của từ trường, từ

đó áp dụng qui tắc bàn tay phải xác định được chiều chuyển động của sức điện động Chiều lực điện từ xác định theo qui tắc bàn tay trái trùng với chiều quay của từ trường

Do cuộn rôto kín mạch, nên sẽ có dòng điện chạy trong các thanh dẫn của cuộn dây này Từ thông do dòng điện này sinh ra hợp với từ thông của stato tạo thành từ thông tổng ở khe hở Sự tác động tương hỗ giữa dòng điện chạy trong dây dẫn rôto và từ trường sinh ra lực, đó là các ngẫu lực (2 thanh dẫn nằm cách nhau đường kính rôto) nên

tạo ra mô men quay Mômen quay có chiều đẩy stato theo chiều chống lại sự tăng từ thông móc vòng với cuộn dây Nhưng vì stato gắn chặt còn rôto lại treo trên ổ bi, do đó rôto phải quay với tốc độ n theo chiều quay của từ trường Tuy nhiên tốc độ này không thể bằng tốc độ quay của từ trường, bởi nếu n n ttthì từ trường không cắt các thanh dẫn nữa, do đó không có suất điện động cảm ứng, E2 0 dẫn đến I2 0 và mô men quay cũng bằng không, rôto quay chậm lại, khi rôto chậm lại thì từ trường lại cắt các thanh dẫn, nên lại có suất điện động, lại có dòng và mô men, rôto lại quay Do tốc độ quay của rôto khác tốc độ quay của từ trường nên xuất hiện độ trượt và được định nghĩa như sau:

Trường hợp rôto quay thuận và nhanh hơn tốc độ đồng bộ (n 1) và (s 0) Đây là chế độ máy phát điện KĐB Trường hợp rôto quay ngược với chiều từ trường quay, đây là chế độ hãm điện từ

0, 1

Do đó tốc độ quay của rôto có dạng:

n n tt(1 s) (1.4) Bây giờ ta hãy xem dòng điện trong rôto biến thiên với tần số nào Do n n tt nên (n tt n) là tốc độ cắt các thanh dẫn rôto của từ trường quay Vậy tần số biến thiên của suất điện động cảm ứng trong rôto biểu diễn bởi:

Như vậy so với stato, từ trường quay của rôto có cùng giá trị với tốc độ quay của

từ trường stato

1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB

Trong thực tế sản xuất và tiêu dùng, các khâu cơ khí sản xuất cần có tốc độ thay đổi Song khi chế tạo, mỗi động cơ điện lại được sản xuất với một tốc độ định mức, vì vậy vấn đề điều chỉnh tốc độ các động cơ điện là rất cần thiết Khi mô men cản trên trục động cơ thay đổi, thì tốc độ động cơ thay đổi, nhưng sự thay đổi tốc độ như thế không gọi là điều chỉnh tốc độ Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB là quá trình thay đổi tốc độ động cơ theo ý chủ quan của con người phục vụ các yêu cầu về công nghệ Phụ thuộc vào đặc tính cơ của cơ khí sản xuất mà quá trình thay đổi tốc độ xảy ra khi mô men cản không đổi (hình 1-4a) hoặc khi mô men cản thay đổi (hình 1-4b)

Khi điều chỉnh tốc độ động cơ cần thoả mãn những yêu cầu sau:

Phạm vi điều chỉnh, sự liên tục trong điều chỉnh và tính kinh tế trong điều chỉnh Với các thiết bị vận chuyển, phải điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng, còn thiết bị dệt hoặc giấy thì lại đòi hỏi tốc độ không đổi với độ chính xác cao

Hình 1-4 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB a) Khi mô men cản không đối, b)Khi mô men cản

f s

Từ các công thức trên ta rút ra các phương pháp điều chỉnh tốc độ kinh điển sau đây:

Thay đổi tần số nguồn cung cấp f 1

Thay đổi số đôi cực p

Thay đổi điện trở R 2 ở mạch rô to

Thay đổi điện áp nguồn cung cấp E 20 hoặc U 1

Thay đổi điện áp mạch rôto E 2

Thay đổi tần số f 2

Trong các phương pháp trên, người ta hay sử dụng phương pháp 1, 2 và còn động

cơ KĐB rôto dây quấn người ta sử dụng phương pháp 3 Dưới đây trình bày ngắn gọn một số phương pháp thường dùng

Phương pháp này chỉ sử dụng được khi nguồn cung cấp có khả năng thay đổi tần

số Ngày nay, do sự phát triển của công nghệ điện tử các bộ biến tần tĩnh được chế tạo

từ các van bán dẫn công suất đã đảm nhiệm được nguồn cung cấp năng lượng điện có tần số thay đổi, do đó phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số đang được áp dụng rộng rãi và cạnh tranh với các hệ thống truyền động điện dòng một chiều

Nếu bỏ qua tổn hao điện áp ở mạch stato ta có:

Mặt khác trong điều chỉnh tốc độ phải đảm bảo khả năng quá tải của động cơ

không đổi trong toàn bộ phạm vi điều chỉnh, điều đó có nghĩa là phải giữ cho M max = const Muốn giữ cho M max = const thì phải giữ cho từ thông không đổi Muốn giữ cho từ thông không đổi thì khi thay đổi tần số ta phải thay đổi điện áp Mô men cực đại có thể biểu diễn bởi biểu thức:

2 1 1 max

để nhận đƣợc các biểu thức trên ta đã bỏ qua độ sụt áp trên các điện trở thuần, điều đó

đúng khi tần số lớn, nhưng khi tần số thấp thì giá trị X giảm, ta không thể bỏ qua độ sụt

áp trên điện trở thuần nữa, do đó từ thông sẽ giảm và mô men cực đại giảm Trên hình 1-5 biểu diễn đặc tính cơ khi điều chỉnh tần số với f 1 >f 2 >f 3

Ưu điếm của phương pháp điều chỉnh tần số là phạm vi điều chỉnh rộng, độ điều chỉnh láng, tổn hao điều chỉnh nhỏ

Hình 1-5 Đặc tính cơ khi điều chỉnh tần số theo nguyên lý: f 1 >f 2 >f 3

1.2.2 Thay đổi số đôi cực

Nếu động cơ KĐB có trang bị thiết bị đổi nối cuộn dây để thay đổi số đôi cực ta có thể điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực

Dùng đổi nối một cuộn dây Giả sử lúc đầu cuộn dây được nối như hình 1-6a, khi

đó số cặp cực là p, nếu bây giờ đổi nối như hình 1-6b ta đuợc số cặp cực p/2 Đặc tính

cơ khi thay đổi số đôi cực biểu diễn trên hình 1-6c

Hình 1-6 Cách đổi nối cuộn dây: a) Mắc nối tiếp, số đôi cực là p b) Mắc song song, số đôi cực

là p/2, c) Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi số đôi cực

Để thay đổi cách nối cuộn dây ta có những phương pháp sau:

Đổi từ nối sao sang sao kép (hình 1.7a)

Giả thiết rằng hiệu suất và hệ số cos không đổi thì công suất trên trục động cơ

1 153

Đặc điểm của phương pháp thay đổi tốc độ bằng thay đổi số đôi cực: rẻ tiền, dễ thực hiện Tuy nhiên do p là một số nguyên nên thay đổi tốc độ có tính nhảy bậc và phạm vi thay đổi tốc độ không rộng

1.2.3 Thay đổi điện áp nguồn cung cấp

Thay đổi điện áp nguồn cung cấp làm thay đổi đặc tính cơ Vì mô men cực đại

M max =cU 12, nên khi giảm điện áp thì mô men cực đại cũng giảm mà không thay đổi độ

trượt tới hạn (vì s th ≈ R2/X2) Neu mô men cản không đổi thì khi giảm điện áp từ Uđ m tới

0,9Uđ m tốc độ sẽ thay đổi, nhưng khi điện áp giảm tới 0,7Uđ m thì mô men của động cơ nhỏ hơn mô men cản, động cơ sẽ bị dừng dưới điện

Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp là phạm vi điều chỉnh hẹp, rất dễ bị dừng máy, chỉ điều chỉnh theo chiều giảm tốc

độ Mặt khác vì P dt CE I20 2cos 2 C U I1 1 2cos 1 const nên khi giảm điện áp U 1, mà

mô men cản không đổi sẽ làm tăng dòng trong mạch stato và rôto làm tăng tổn hao trong các cuộn dây

Để thay đổi điện áp ta có thể dùng bộ biến đổi điện áp không tiếp điểm bán dẫn, biến áp hoặc đưa thêm điện trở hoặc điện kháng vào mạch stato Đưa thêm điện trở thuần sẽ làm tăng tổn hao, nên người ta thường đưa điện kháng vào mạch stato hơn

Để mở rộng phạm vi điều chỉnh và tăng độ cứng của đặc tính cơ, hệ thống điều chỉnh tốc độ bằng điện áp thường làm việc ở hệ thống kín

1.2.4 Thay đỗi điện trở mạch rôto

Phương pháp điều chỉnh này chỉ áp dụng cho động cơ KĐB rôto dây quấn Đặc tính cơ của động cơ KĐB rôto dây quấn khi thay đổi điện trở rôto biếu diễn trên hình 1-

8 Bằng việc tăng điện trở rôto, đặc tính cơ mềm đi nhiều, nếu mô men cản không đổi ta

có thể thay đổi tốc độ động cơ theo chỉều giảm Nếu điện trở phụ thay đổi vô cấp ta thay đổi được tốc độ vô cấp , tuy nhiên việc thay đổi vô vấp tốc độ bằng phương pháp điện trở rất ít dùng mà thay đổi nhảy bậc do đó các điện trở điều chỉnh được chế tạo làm việc

ở chế độ lâu dài và có nhiều đầu ra

Hình 1-8 Đặc tính cơ của động cơ KĐB dây quấn khi thay đổi điện trở rôto

Giá trị điện trở phụ đưa vào rôto có thể tính bằng công thức:

2

2 1

ở trên trục động cơ sẽ tăng khi độ trượt giảm

Vì P P dt P2 M( 1 2) là tốn hao rôto nên khi độ trượt lớn tổn hao sẽ lớn Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh điện trở rôto là điều chỉnh láng, dễ thực hiện, rẻ tiền nhưng không kinh tế do tổn hao ở điện trở điều chỉnh, phạm vi điều chỉnh phụ thuộc vào tải Không thế điều chỉnh ở tốc độ gần tốc độ không tải

1.2.5 Thay đổi điện áp mạch rôto

Trước khi bước vào nghiên cứu phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng đưa thêm sức điện động vào mạch rôto, ta thực hiện việc thống kê công suất ở máy điện KĐB khi có đưa điện trở phụ vào mạch rôto

Công suất nhận vào:

Công suất điện từ được chia ra công suất điện và công suất cơ:

Trong đó: P đ i ệ n = ∆P Cu2 + P 2 Với: P 2 là tổn hao trên điện trở phụ đưa vào mạch rôto

và ∆ P Cu2 là tổn hao đồng cuộn dây rôto Do đó:

Khi thay đổi tốc độ quay bằng thay đổi đện trở mạch rôto, là ta đã làm thay đổi P 2

truyền cho điện trở phụ để công suất cơ khí P c ơ thay đổi vì:

trong đó ∆P Cu2 = const

Bây giờ chúng ta nghiên cứu một phương pháp khác thay đổi công suất P 2 trong

mạch rôto Đó là phương pháp đưa thêm vào mạch rôto một đại lượng: ∆ E 2 (hình 1-9)

có cùng tần số rôto và cũng phải thay đổi theo tốc độ

Giả thiết rằng điều chỉnh tốc độ theo nguyên tắc: M = const, Pđ t= const

Trong điều kiện đó, thống kê công suất như sau (hình 1-9):

Hình 1-9 Sơ đồ tương đương mạch rôto khi đưa thêm sđđ vào: a)mạch thực, b)c) mạch tương

Nếu tăng công suất phát P 2 cho một tải nào đó ở mạch rôto sẽ làm giảm công suất

cơ khí P c ơ vậy khi mô men cản không đổi sẽ làm tốc độ thay đổi (n=cP c ơ), nếu mạch rôto

được cấp vào một công suất tác dụng P 2 thì P c ơ sẽ tăng, đồng nghĩa với tốc độ tăng Nếu mạch rôto được cung cấp một công suất P 2 bằng tổn hao ∆ P Cu2 lúc này

0

Pđ sPđ có nghĩa là s = 0 vậy động cơ quay với tốc độ từ trường

Nếu bây giờ cấp cho mạch rôto một công suất P 2 > ∆P cu2 thì động cơ quay với tốc

độ lớn hơn tốc độ đồng bộ Phương pháp thay đổi tốc độ này cho phép thay đổi tốc độ

trong phạm vi rộng (trên và dưới tốc dộ đồng bộ) Thay đổi pha của ∆ E 2làm thay đổi hệ

số công suất stato và rôto, hệ số công suất có thế đạt giá trị cosφ = l thậm chí có thể

nhận được hệ số công suất âm Nếu ta đưa vào rôto công suất phản kháng thì động cơ không phải lấy công suất kháng từ lưới, lúc này dòng kích từ cần thiết đế tạo từ trường động cơ nhận từ mạch rôto

1.3 Điều khiển véc tơ động cơ KĐB

Một số hệ thống yêu cầu chất lượng điều chỉnh động cao thì các phương pháp điều khiển kinh điển khó đáp ứng được Hệ thống điều khiển định hướng theo từ trường còn gọi là điều khiển véc tơ, có thể đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và động Nguyên lý điều khiển véc tơ dựa trên ý tưởng điều khiển véc tơ động cơ KĐB tương tự như điều khiển động cơ một chiều Phương pháp này đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh của hệ thống trong quá trình quá độ cũng như chất lượng điều khiển tối ưu

mô men Việc điều khiển véc tơ dựa trên định hướng véc tơ từ thông rôto có thể cho phép điều khiển tách rời hai thành phần dòng stator, từ đó có thể điều khiển độc lập từ thông và mô men động cơ Kênh điều khiển mô men thường gồm một mạch vòng điều chỉnh tốc độ và một mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh mô men Kênh điều khiển từ thông thường gồm một mạch vòng điều chỉnh dòng điện sinh từ thông Do

đó hệ thống truyền động điện động cơ KĐB có thể tạo được các đặc tính tĩnh và động cao, có thể so sánh được với động cơ một chiều

Dựa trên ý tưởng điều khiển động cơ KĐB tương tự như điều khiển động cơ một chiều Động cơ một chiều có thể điều khiển độc lập dòng điện kích từ và dòng phần ứng

để đạt được mô men tối ưu theo công thức:

Hình 1-10 Sự tương tự giữa điều khiển động cơ một chiều và điều khiển véc tơ

Tương tự ở điều khiển động cơ KĐB, nếu ta sử dụng công thức:

M K rI K I I (khi chọn trục d trùng với chiều véc tơ từ thông rôto)

Thì có thể điều khiển M bằng cách điều chỉnh độc độc lập các thành phần dòng

điện trên hai trục vuông góc của hệ tọa độ quay đồng bộ với véc tơ từ thông rôto Lúc này vấn đề điều khiển động cơ KĐB tương tự điều khiển động cơ điện một chiều Ở đây thành phần dòng điện I dsđóng vai trò tương tự như dòng điện kích từ động cơ một chiều (I kt) và thành phần dòng I qstương tự như dòng phần ứng động cơ một chiều (I u) Các thành phần có thể tính được nhờ sử dụng khái niệm véc tơ không gian Với ý tưởng định nghĩa véc tơ không gian dòng điện của động cơ được mô tả ở hệ tọa độ quay với tốc độ

s, các đại lượng dòng điện điện áp, từ thông sẽ là các đại lượng một chiều

Hình 1-11 Điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện: mô men và kích từ

Mạch điều khiển và nghịch lưu

I qs2

1.4 Lựa chọn phương phỏp điều khiển động cơ KĐB cho hệ truyền động thang mỏy

Một trong những điều kiện cơ bản đối với hệ truyền động thang mỏy là phải đảm bảo cho buồng thang chuyển động ờm Việc buồng thang chuyển động ờm hay khụng lại phụ thuộc vào gia tốc khi mở mỏy và hóm mỏy Cỏc tham số chớnh đặc trưng cho chế độ làm

việc của thang mỏy là: tốc độ di chuyển v [m/s], gia tốc a [m/s2] và độ giật [m/s3]

Biểu đồ làm việc tối ưu của thang mỏy tốc độ trung bỡnh và tốc độ cao biểu diễn trờn hỡnh 1-12 Biểu đồ này cú thể chia ra 5 giai đoạn theo tớnh chất thay đổi tốc độ của buồng thang: mở mỏy, chế độ ổn định, hóm xuống tốc độ thấp, buồng thang đến tầng và hóm dừng

Đến tầng

Hãm dừng

Hãm xuống tốc độ thấp

a

v S a

S,v, a,

Hỡnh 1-12 Cỏc đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của quóng đường S, tốc độ v, gia tốc a và

độ giật theo thời gian

Như vậy, với yờu cầu điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB sử dụng trong hệ truyền động thang mỏy thỏa món đường đặc tớnh tối ưu tỏc giả lựa chọn phương phỏp điều khiển vộc tơ động cơ KĐB Việc sử dụng phương phỏp điều khiển vộc tơ động cơ KĐB cho phộp cải thiện chất lượng điều khiển động cơ trong cỏc quỏ trỡnh khởi động và dừng

so với cỏc phương phỏp điều khiển kinh điển

1.5 Kết luận chương 1

Chương 1 trỡnh bầy cỏc vấn đề:

- Tổng quan về động cơ KĐB và các phương pháp kinh điển điều khiển tốc độ động cơ KĐB

- Phương pháp điều khiển véc tơ động cơ KĐB

- Yêu cầu điều chỉnh tốc độ động cơ cho hệ truyền động thang máy – Lựa chọn phương pháp điều khiển véc tơ động cơ KĐB cho hệ truyền động thang máy

2 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ PHƯƠNG

PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA

Equation Chapter 2 Section 2

2.1 Mô tả toán học động cơ KĐB ba pha

Đối với các hệ truyền động điện đã được số hoá hoàn toàn, để điều khiển biến tần người ta sử dụng phương pháp điều chế véc tơ không gian Khâu điều khiển biến tần là khâu nghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển/điều chỉnh bằng số với khâu chấp hành Như vậy cần mô tả động cơ dưới dạng các phương trình toán học

Quy ước: A B C, , chỉ thứ tự pha các cuộn dây rôto và a b c, , chỉ thứ tự pha các cuộn dây stator Giả thiết:

- Cuộn dây stato, rôto đối xứng 3 pha, rôto vượt góc

- Tham số không đổi

- Mạch từ chưa bão hòa

- Khe hở không khí đồng đều

- Nguồn ba pha cấp hình sin và đối xứng (lệch nhau góc 2 /3)

Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn dây k như sau:

k là thứ tự cuộn dây A B C, , rôto và a b c, , stator

klà từ thông cuộn dây thứ k k L i k j j Nếu i k: tự cảm, i k j: hỗ cảm

Kết luận : Nếu mô tả toán học như trên thì rất phức tạp nên cần phải đơn giản bớt

Tới năm 1959 Kôvacs (Liên Xô) đề xuất phép biến đổi tuyến tính không gian véc tơ và Park (Mỹ) đưa ra phép biến đổi dq

2.2 Phép biến đổi tuyến tính không gian véc tơ

Trong máy điện ba pha thường dùng cách chuyển các giá trị tức thời của điện áp thành các véc tơ không gian Lấy một mặt phẳng cắt mô tơ theo hướng vuông góc với trục và biểu diễn từ không gian thành mặt phẳng Chọn trục thực của mặt phẳng phức trùng với trục pha a

Ba véc tơ dòng điện stator i a, , i b i c tổng hợp lại và đại diện bởi một véc tơ quay tròn i s Véc tơ không gian của dòng điện stator:

33

i s

Theo cách thức trên có thể chuyển

vị từ 6 phương trình (3 rôto, 3 stato)

thành 4 phương trình

Phép biến đổi từ 3 pha ( , , )a b c thành

2 pha ( , ) được gọi là phép biến đổi

thuận Còn phép biến đổi từ 2 pha thành

3 pha được gọi là phép biến đổi ngược

Đơn giản hơn, khi chiếu i s lên một

định đối với rôto (ít dùng)

Các hệ toạ độ được mô tả như sau:

Các phương trình chuyển đổi hệ toạ độ:

32

2.3 Hệ phương trình cơ bản của động cơ trong không gian véc tơ

Để dễ theo dõi ta ký hiệu:

Chỉ số trên s: xét trong hệ toạ độ stato (toạ độ )

f: trong tọa độ trường (field) từ thông rôto (toạ độ dq)

r: toạ độ gắn với trục rôto

Chỉ số dưới s: đại lượng mạch stato

dt t

Trong đó u s s, i s s,y s s là các véc tơ điện áp, dòng điện, từ thông stato

Khi quan sát ở hệ toạ độ :

Đối với mạch rôto ta cũng có được phương trình như trên, chỉ khác là do cấu tạo

các lồng sóc là ngắn mạch nên u r=0 (quan sát trên toạ độ gắn với trục rôto)

Từ thông stato và rôto được tính như sau:

L s - điện cảm stato L s = L s + L m (L s là điện cảm tiêu tán phía stato)

L r - điện cảm rôto L r = L r + L m (L r là điện cảm tiêu tán phía rôto)

L s - hỗ cảm giữa rôto và stato

Phương trình từ thông không cần đến chỉ số hệ toạ độ vì các cuộn dây stato và rôto

có cấu tạo đối xứng nên điện cảm không đổi trong mọi hệ toạ độ

Phương trình điện áp stato giữ nguyên, còn phương trình điện áp rôto có thay đổi

do rôto quay với tốc độ so với stato nên có thể nói hệ toạ độ quay tương đối với

rôto tốc độ -

Hình 2-5 Mô hình động cơ trên hệ toạ độ cố định

Đầu vào của mô hình là đại lượng điện áp Do vậy mô hình chỉ đúng với biến tần nguồn áp Còn khi sử dụng biến tần nguồn dòng (cho công suất truyền động rất lớn) thì

phải biến đổi mô hình thành đầu vào là dòng stato i s , i s

Hệ phương trình (2.9) khi viết lại dưới dạng ma trận:

1-

LmTr

T 1+pT

1

Ls

Pc pJ

1-

LmTr

T 1+pT

1 1+pTr

s s s

s s

22

00

1

11

-

m r

r

r r

L I

s

s

s s

L B

L

Lập mô hình của động cơ theo các ma trận: từ (2.13) ta có

Hình 2-6 Mô hình động cơ dạng ma trận

Khi mô tả chi tiết bằng các phần tử ma trận:

Hình 2-7 Mô hình động cơ dạng các phần tử ma trận

Tương tự như trên, khi chiếu trên hệ toạ độ này thì các phương trình từ thông vẫn không đổi, chỉ có các phương trình điện áp thay đổi như sau:

- Toạ độ từ thông rôto quay tốc độ s so với stato

- Hệ toạ độ chuyển động vượt trước so với rôto một tốc độ góc r = s -

(t)

dIss

dt

r s

(t)

U s s

(t)

dxs(t)

dt

f r r

m s

f r r

f

r

L i L

L L i

L i L

sq r r

(2.17)