Điều khiển vectơ tựa từ thông stato động cơ không đồng bộ ba pha

1.3.1 Nguyên lý ñiều khiển 26 1.3.2 Mô hình tính toán ước lượng các ñại lượng phản hồi 30 CHƯƠNG II: BIẾN TẦN NGUỒN ÁP VÀ MỘT SỐ NGUYÊN TẮC 2.1.3 Phương pháp PWM ñiều chế véctơ không gia

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-
 -

LÊ THẾ TÂM

ðIỀU KHIỂN VÉCTƠ TỰA TỪ THÔNG STATO ðỘNG CƠ

KHÔNG ðỒNG BỘ BA PHA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ Thuật ðiện

Mã số: 60.52.02.02

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn

HÀ NỘI - 2013

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan bản luận văn tốt nghiệp: “ðiều khiển véctơ tựa từ

thông stato ñộng cơ không ñồng bộ ba pha” do tôi tự thực hiện dưới sự

hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS: Nguyễn Văn Liễn ðể hoàn thành luận

văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu ñược ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2013

Học viên thực hiện

Lê Thế Tâm

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn sâu sắc PGS.TS Nguyễn Văn Liễn người ñã

trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn của mình

Xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Tự ñộng hoá, khoa Cơ ðiện, các thầy giáo, cô giáo Viện ñào tạo sau ñại học trường ðHNN

Hà Nội ñã hướng dẫn và giúp ñỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Xin trân trọng cảm ơn gia ñình, bạn bè, ñồng nghiệp ñã tạo ñiều kiện trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn

Hà nội, ngày….tháng….năm 2013

Lê Thế Tâm

CHƯƠNG I: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ

1.1.3 Nguyên lý hoạt ñộng của ñộng cơ không ñồng bộ xoay chiều ba pha 5 1.1.4 Ứng dụng, ưu và nhược ñiểm của ñộng cơ không ñồng bộ xoay

1.2 Mô hình ñộng cơ không ñồng bộ trong các hệ tọa ñộ trực giao 16 1.2.1 Mô hình trong hệ tọa ñộ gắn với stato (α, β, 0) 16 1.2.2 Mô hình trong hệ tọa ñộ quay ñồng bộ (d, q, 0) 19 1.2.3 Mô hình trong hệ tọa ñộ gắn với roto (D, Q, 0) 23 1.3 ðiều khiển véctơ tựa từ thông roto ñộng cơ không ñồng bộ, nghịch

1.3.1 Nguyên lý ñiều khiển 26 1.3.2 Mô hình tính toán ước lượng các ñại lượng phản hồi 30

CHƯƠNG II: BIẾN TẦN NGUỒN ÁP VÀ MỘT SỐ NGUYÊN TẮC

2.1.3 Phương pháp PWM ñiều chế véctơ không gian 40 2.2 Chiến lược ñiều khiển tần số ñộng cơ không ñồng bộ 44

CHƯƠNG III: THIẾT LẬP HỆ ðIỀU KHIỂN VÉCTƠ TỰA TỪ

3.1 Mô hình gần ñúng của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ d,

3.2 Tổng hợp hai bộ ñiều khiển dòng ñiện riêng rẽ có bù tách kênh 56

3.5 ðiều khiển véctơ tựa từ thông stato ñộng cơ không ñồng bộ ba pha 61 3.6 ðiều khiển trực tiếp vectơ mà không có tín hiệu tốc ñộ 66 3.6.1 Lập trình phân tầng bộ lọc từ thông thấp ước lượng từ thông stato 66 3.6.2 ðiều khiển khởi ñộng truyền ñộng với các phương trình mô hình

4.2 Thiết kế mạch vòng dòng ñiện trục ox 80 4.3 Thiết kế mạch vòng ñiều khiển từ thông trục ox 82

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1.5 Phân bố mật ñộ dòng ñiện khi chỉ có pha a có dòng 13 1.6 Phân bố mật ñộ dòng ñiện tổng từ các dòng ñiện ias(t), ibs(t), ics(t) 13 1.7 Phân bố mật ñộ từ thông tổng từ các dòng stato ở hình.1.6 14

1.9 Sơ ñồ thay thế của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ trục α, β 17 1.10 Sơ ñồ cấu trúc của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ α 19 1.11 Biểu diễn véctơ không gian trong hệ trục d, q 20 1.12 Sơ ñồ thay thế ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ trục tọa ñộ d, q 21 1.13 Sơ ñồ cấu trúc của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ d, q 22 1.14 Biểu diễn véctơ không gian tổng trục gắn với roto (D, Q) 23 1.15 Sơ ñồ thay thế ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ gắn với roto 24 1.16 Sơ ñồ cấu trúc của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ gắn

1.21 Ảnh hưởng của sự thay ñổi ñiện trở roto ñến ñộ chính xác của mô

2.3 Sơ ñồ nghịch lưu ba pha 39

2.7 Thực hiện vectơ diện áp Vref trong sector 1 42 2.8 Biểu ñồ xung của các vectơ ñiện áp thuộc góc phần từ thứ nhất S1 44 2.9 Phân loại các phương pháp ñiều khiển IM (NFO-natural field

2.11 Các dạng ñặc tính cơ ñộng cơ không ñồng bộ khi ta thay ñổi tần

2.12 Sự tương tự giữa ñiều khiển ñộng cơ một chiều và ñiều khiển vectơ 52 2.13 ðiều khiển ñộc lập hai thành phần dòng ñiện: mômen và kích từ 53

3.2 Sơ ñồ thay thế gần ñúng của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa

3.3 Mô hình gần ñúng của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ d,

3.4 Cấu trúc hai bộ ñiều khiển dòng riêng rẽ và hai tách kênh bằng

3.5 ðiều khiển dòng riêng rẽ có bù sức ñiện ñộng esd và esq, R11 và

3.8 Véctơ không gian dòng từ hóa stato và véctơ không gian dòng roto 61 3.9 Biểu ñồ ñiều khiển véctơ tựa theo từ thông stator 63 3.10 Tách tín hiệu truyền thẳng trong ñiều khiển tựa theo vector từ

3.11 Truyền ñộng ñiều khiển véctơ tựa theo từ thông stato 66 3.12 ðại diện của các bộ lọc phân tầng ñể tích phân 68

3.13 Tổng hợp vectơ từ thông stator dựa trên 3 tầng PCLPF 69 3.14 Hằng số thời gian (τ) và hệ số khuếch ñại (G) là hàm của tần số

3.15 Sơ ñồ khối ñể tìm và cho khởi ñộng mà không cần cảm

3.16 Sơ ñồ khối ñiều khiển tựa theo vector từ thông stator kết hợp ước

lượng từ thông bằng PCLPF và phương trình khởi ñộng mà

4.2 Sơ ñồ ñiều khiển từ thông stato ñộng cơ không ñồng bộ ba pha 79 4.3 Sơ ñồ thay thế ñộng cơ không ñồng bộ ba pha 80 4.4 Sơ ñồ khối mạch vòng ñiều khiển dòng ñiện trục ox 81

4.6 Sơ ñồ khối ñể thiết kế bộ ñiều khiển từ thông 83

4.21 Kết quả khi thay ñổi thông số ñộng cơ và tải vào mô hình 92

MỞ ðẦU

1 ðặt vấn ñề

ðộng cơ không ñồng bộ là loại ñộng cơ ñược sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp Ưu ñiểm lớn nhất của ñộng cơ này là không có bộ chuyển mạch cơ khí, kết cấu chắc chắn và có thể sử dụng trực tiếp nguồn ñiện xoay chiều ba pha có sẵn

Tuy nhiên tốc ñộ của ñộng cơ không ñồng bộ khi nối với nguồn ñiện xoay chiều ba pha không thể ñiều chỉnh ñược liên tục nếu thiếu các thiết bị phụ trợ Mặc dầu vậy trong mấy thập kỷ gần ñây, vấn ñề ñiều chỉnh một cách hiệu quả tốc ñộ của ñộng cơ không ñồng bộ ñã ñược nghiên cứu và giải quyết tương ñối triệt ñể, có ñược ñiều ñó chính là nhờ sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ chế tạo bán dẫn công suất và nhờ sự tiến bộ của công nghệ (phần mềm và phần cứng) chế tạo vi xử lý (MP) và xử lý tín hiệu số (DSP)

Trong khi các bộ biến ñiốt ñiện tử công suất có ñược các ñặc tính ñiều khiển tuyệt vời thì ñộng cơ không ñồng bộ lại là một thiết bị tuy cấu tạo ñơn giản nhưng các ñặc tính làm việc lại phức tạp do ñó việc xây dựng mô hình của ñộng cơ không ñồng bộ trong chế ñộ quá ñộ là cần thiết

Bộ biến ñổi ñiện tử công suất (ðTCS) chủ yếu trong truyền ñộng ñiện xoay chiều là bộ nghịch lưu (nghịch lưu ñiện áp và nghịch lưu dòng ñiện) trong ñó sử dụng các kỹ thuật ñiều chế PWM hoặc SVM, hoặc ñiều chỉnh bang bang và thường có tần số ñiều chế rất cao so với tần số của sóng hài cơ bản của ñiện áp và dòng ñiện ñầu ra

Các phương pháp ñiều khiển vectơ cổ ñiển nói chung chưa ñảm bảo bản chất lượng ñiều khiển nhất là trong quá trình khởi ñộng và thay ñổi tốc ñộ thì cả mômen và từ thông ñều ñáp ứng chậm Sai số lớn hay bé của từ thông

và mômen không ñược phân biệt

Vì vậy ñể giải quyết nhược ñiểm của các phương pháp trên nhằm nâng

cao chất lượng truyền ñộng ñiện thì cần phải nghiên cứu ñiều khiển véctơ tựa

từ thông stato ñộng cơ không ñồng bộ

2 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết ñể xây dựng thuật toán, xây dựng mô hình toán cho hệ truyền ñộng, tổng hợp mạch vòng dòng ñiện

- Dùng mô phỏng ñể kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu lý thuyết

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài

Về khoa học: Luận văn góp phần chuẩn hóa và hoàn thiện phương

pháp ñiều khiển véctơ tựa từ thông stato ñộng cơ không ñồng bộ

Về thực tiễn: Với kết quả thu ñược của ñề tài ñã góp phần:

- Giải quyết một phần những khó khăn vấn ñề ñiều chỉnh một cách hiệu quả tốc ñộ của ñộng cơ không ñồng bộ

- Thiết kế ñược mạch vòng ñiều khiển vectơ tựa từ thông stato ñộng cơ

không ñồng bộ và mô phỏng kiểm chứng nâng cao chất lượng hệ truyền ñộng ñiện

4 Phạm vi và nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu chính của luận văn ñề cập ñến những vấn ñề sau:

- Nghiên cứu về ñộng cơ không ñồng bộ, mô hình ñộng cơ không ñồng

bộ trong các hệ tọa ñộ trực giao và ñiều khiển véctơ tựa từ thông stato ñộng

cơ không ñồng bộ

- Nghiên cứu các thông số thiết kế ñiều khiển bộ dòng ñiện trong hệ thống ñiều khiển vectơ tựa từ thông stato của ñộng cơ không ñồng bộ, thiết kế ñiều khiển từ thông Mô hình tính toán từ thông và tổng hợp mạch vòng ñiều chỉnh

CHƯƠNG I: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG

BỘ TRONG TỌA ðỘ KHÔNG GIAN KHÁC NHAU

1.1 Mô tả chung về ñộng cơ không ñồng bộ

1.1.1 Khái niệm chung

ðộng cơ không ñồng bộ là loại ñộng cơ ñược sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp Ưu ñiểm lớn nhất của ñộng cơ này là không có bộ chuyển mạch cơ khí, kết cấu chắc chắn và có thể sử dụng trực tiếp nguồn ñiện xoay chiều ba pha có sẵn Tuy nhiên tốc ñộ của ñộng cơ không ñồng bộ khi nối vào lưới xoay chiều ba pha không thể ñiều chỉnh ñược liên tục nếu thiếu các thiết

bị phụ trợ Mặc dầu vậy trong mấy thập kỷ gần ñây vấn ñề ñiều chỉnh một cách hiệu quả tốc ñộ của ñộng cơ không ñồng bộ ñã ñược nghiên cứu giải quyết một cách triệt ñể, có ñược ñiều này chính là nhờ sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ bán dẫn công suất và nhờ sự tiến bộ của công nghệ (Phần mềm

và phần cứng) chế tạo vi xử lý (MP) và xử lý tín hiệu số (DSP)

Trong khi các bộ biến ñổi ñiện tử công suất có ñược các ñặc tính ñiều khiển tuyệt vời thì ñộng cơ không ñồng bộ lại là một thiết bị tuy cấu tạo ñơn giản nhưng các ñặc tính làm việc lại phức tạp, do ñó việc xây dựng mô hình của ñộng cơ không ñồng bộ trong chế ñộ quá ñộ là cần thiết

1.1.2 Cấu tạo ñộng cơ không ñồng bộ

ðộng cơ không ñồng bộ gồm 2 phần stator (phần tĩnh) và rotor (phần quay)

ðược làm bằng các lá thép kỹ thuật ñiện 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 ñiện xoáy gây nên mỗi lá thép kỹ thuật ñiện ñều có sơn cách ñiện Mặt trong lõi thép có xẻ rãnh ñể ñặt 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 ñấu sao, 3 ñầu kia nối vào 3 vành trượt làm bằng ñồng ñặt cố ñịnh ở 1 ñầu trục và qua chổi than có thể ñưa ñiện ra ngoài Có thể thông qua chổi than ñưa ñiện trở phụ hay suất ñiện ñộng phụ vào mạch rotor ñể cải thiện

mở máy, ñiều chỉnh tốc ñộ, hệ số công suất Bình thường làm việc dây quấn rotor nối ngắn mạch

- Rotor lồng sóc: Mỗi rãnh của lõi sắt ñược ñặt 1 thanh dẫn bằng ñồng hoặc bằng nhôm và ñược nối tắt ở 2 ñầu bằng 2 vòng ngắn mạch ñồng hoặc nhôm thành 1 cái lồng người ta gọi ñó là lồng sóc Dây quấn rotor lồng sóc không cần cách ñiện với lõi sắt

3 Khe hở

Khe hở trong ñộng cơ không ñồng bộ rất nhỏ (0,2mm - 1mm)

1.1.3 Nguyên lý hoạt ñộng của ñộng cơ không ñồng bộ xoay chiều ba pha

ðộng cơ không ñồng bộ làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng ñiện từ Khi ñặt ñiện áp 3 pha vào ba dây quấn 3 pha ñặt ñối xứng trong lõi thép stator, khi ñó trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay mà thành phần bậc 1 của từ truờng này quay với tốc ñộ góc là:

p f

Π

= 2

1

ϖ (1.1)

Trong ñó: f là tần số dòng ñiện cáp cho stator

p là số ñôi cực của dây quấn stator

ðồng thời từ trường stator này làm cảm ứng ra các dòng ñiện vòng trong các thanh dẫn rotor (ñối với loại rotor lồng sóc) hoặc các cuộn dây rotor (ñối với loại rotor dây quấn) Các dòng ñiện rotor này ñặt trong từ trường stator quay nên sinh ra lực ñiện từ (lực Lorentz) Tổng các lực này tạo ra mômen quay rotor, rotor quay cùng hướng với từ trường stator quay

Lúc ñầu khi từ trường stator ñã sinh ra thì rotor tăng tốc nhanh ñể cố gắng bắt kịp từ trường quay ñó, ñồng thời từ trường quay quét qua rotor càng giảm nên sức ñiện ñộng cảm ứng phía rotor sẽ giảm dần và dòng ñiện rotor cũng giảm theo

Nếu tốc ñộ rotor bằng tốc ñộ từ trường quay thí lúc ñó sẽ không có lực ñiện

từ ñược sinh ra và rotor quay chậm lại Do ñó tốc ñộ rotor không thể bằng tốc

ñộ ñồng bộ, tốc ñộ ñồng bộ phụ thuộc vào tần số nguồn ñiện cấp và số ñôi cực của ñộng cơ, sai khác giữa 2 tốc ñộ gọi là tốc ñộ trượt

1.1.4 Ứng dụng, ưu và nhược ñiểm của ñộng cơ không ñồng bộ xoay chiều

ñộng cơ không ñồng bộ có thể làm việc trong các môi trường khắc nghiệt dễ cháy nổ vì chúng không có khả năng ñánh lửa Do những ưu ñiểm này mà ñộng cơ không ñồng bộ ñược ưu tiên quan tâm tìm hiểu như bộ biến ñổi năng lượng ñiện cơ

Các ñộng cơ không ñồng bộ cũng có nhiều nhược ñiểm, như tốc ñộ của chúng phụ thuộc vào tần số và biên ñộ ñiện áp nguồn cấp mà trong thực tế nhiều lúc năng lượng cơ lại yêu cầu các tốc ñộ có thể thay ñổi ñược Chúng có thể chạy ở tốc ñộ gần bằng hằng số ñối với tải và từ không tải tới ñầy tải ðiều này không giống như các ñộng cơ ñiện một chiều, các ñộng cơ không ñồng bộ gặp khó khăn ñể ñiều khiển tách bạch các thành phần dòng ñiện sinh mômen và từ thông ðể nâng cao hiệu suất sử dụng thì hệ truyền ñộng ñộng

cơ không ñồng bộ thay ñổi tốc ñộ có khả năng cấp cho ñộng cơ ñiện ba pha có tần số và biên ñộ có thể thay ñổi ñược, nên bộ ñiều khiển phức tạp hơn so với loại một chiều

1.1.5 Mô hình của ñộng cơ không ñồng bộ ba pha

ðộng cơ không ñồng bộ có các dây quấn ba pha ở roto và stato, các dây quấn là ñối xứng và ñược bố trí sao cho từ thông dọc theo chu vi khe hở không khí có dạng hình sin, gọi k là tên của dây quấn thì ta có phương trình ñiện áp như sau:

k k k k

dt

d i R

Từ thông móc vòng của mỗi dây quấn

∑

= Ψ

k k jk

Momen ñiện trở của ñộng cơ có:

m k k k

i M

δθ

δψ

∑

= 2 1

ðặt as, bs, cs, ar, br, cr là tên gọi của dây quấn stato và roto

k = as/bs/cs/ar/br/cr

j = as/bs/cs/ar/br/cr

ðặt L: ðiện cảm chính của các dây quấn pha stato

Lσ: ðiện cảm tản

Ns: Số vòng dây một pha stato

Nr: Số vòng dây một pha roto

θm: Vị trí góc của dây quấn roto Thì có thể viết ñược 6 phương trình ñiện áp cho ñộng cơ không ñồng

bộ như sau nếu mạch từ còn chưa bão hòa (ñiện cảm là hằng)

−

− +

=

3

2 cos 3

2 cos cos

2

1 2

1

1 1

π θ π

θ θ

−

=

3

2 cos cos

3

2 cos 2

1 2

1

1 1

π θ θ

π θ

bs as

3

2 cos 3

2 cos 2

1 2

m bs m

m as m

1 3

2 cos 3

2 cos

ar cs

m m bs m

m as m

1 cos

3

2 cos 3

2

( s s)br cr

ar cs

m m bs m m as m

1 3

2 cos cos

Trong ñó: 1 ; ; 2 22L;L L1 L ;L L2 L L1

N

N L L N

N L L

s r s

−

−

− +

−

−

− +

=

r r r

r

s s s

L

δ δ δ

δ δ δ

1 2

1 2 1

2

1 1

2 1

2

1 2

1 1

;

1 2

1 2 1

2

1 1

2 1

2

1 2

1 1

2 1

m

m m

m

m m

m

m m m r r

s

R

θ π

θ π

θ

π θ θ

π θ

π θ π

θ θ

θ

cos 3

2 cos

3

2 cos

3

2 cos

cos 3

2 cos

3

2 cos

3

2 cos

cos

;

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )

t t t

t i

t i

t i i t U

t U

t U

U

cr br ar r cs

bs as s cs

bs

as s cs bs

as s

ψ ψ

ψ ψ ψ

s s

s

dt

d i dt

d L R dt

d i R

=

( )

{T m m s} r r r s

s s

dt

d L R i L dt

d dt

d i R

( )m r m s s

( )m s r r T

Lm

Hình 1.2 Sơ ñồ 3 pha quy ñổi về stato của ñộng cơ không ñồng bộ

Trong mô hình quy ñổi về stato, dây quấn roto ñược nối với dây quấn stato do ñó nó ñứng yên và hỗ cảm giữa dây quấn roto và stato cùng pha là hằng và luôn là v

m

L , các ñại lượng ñiện từ ở mạch roto ñược quy ñổi thông qua

hệ số ke = Ns/Nr và tham số ñược quy ñổi thông qua hệ số 2

e

r k

k = , ma trận tham số của mô hình là các ma trận hằng

' '

' '

;

;

−

− +

−

−

− +

=

1 2

1 2 1

2

1 1 2 1

2

1 2

1 1

;

1 2

1 2 1

2

1 1

2 1

2

1 2

1 1

;

1 2

1 2 1

2

1 1

2 1

2

1 2

1 1

' '

'

'

m m

r r r

m r

s s s

m

L

δ δ δ

δ δ δ

Trong hình 1.1 dây quấn roto quay với vận tốc ω, trong hình 1.2 dây quấn roto ñứng yên, trong khi ñó vectơ từ thông ψr vẫn quay cùng với tốc ñộ

từ trường quay: ωs = ω + ωsl

Trong ñó ωsl là tần số góc của dòng ñiện (từ thông) roto nếu ñiểm mốc quan sát nằm trên roto, do ñó trong dây quấn roto ở hình.1.2 sẽ xuất hiện các sức ñiện ñộng quay kk trong phương trình (1.1) Tuy nhiên chỉ có thành phần

từ thông vuông góc với trụ dây quấn mới sinh ra sức ñiện ñộng quay xem hình.1.3

Hình 1.3 Mô hình giải thích cách tính sức ñiện ñộng roto

Từ phân tích ở trên ta có thể tính ñược sức ñiện ñộng roto

r e e e

e' = ' ' '

Căn cứ vào sơ ñồ quy ñổi và các ký hiệu quy ước, có thể dễ dàng viết

ra ñược hệ các phương trình cơ bản của ñộng cơ không ñồng bộ trong không gian 3 pha quy ñổi về stato

s s

s s

e dt

d i R U

dt

d i R U

'

' '

= +

=

+

= + +

= +

=

m s r s m s r r r s m

m s r s m s r r m s s s

i i L i L i L i L

i i L i L i L i L

ψ ψ ψ

ψ ψ ψ

δ δ

δ

δ δ

' ' '

' ' '

'

Từ các phương trình (1.7) và (1.8) ta có thể dựng ñược mô hình tương ñương của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ như trên hình.1.4, tất cả các ñại lượng ñiện từ là các vectơ quy trong mặt phẳng cắt ngang trục ñộng

cơ, ñộng cơ có hai dây quấn, dây quấn stato và dây quấn roto quy ñổi về stato với các tham số là các ma trận hằng

Hình 1.4 Mô hình của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ cực (a) và các

ñại lượng véctơ (b)

1.1.6 ðại lượng véctơ không gian

Xét một ñộng cơ không ñồng bộ có ba pha dây quấn ñối xứng ở stato trong ñó trục dây quấn pha a ñặt trùng với trục thực của mặt phẳng phức, hình.1.5 ðể tạo ñược phân bố mật ñộ từ thông là hình sin, thì sức từ ñộng (ias,

Ns) phải là hàm hình sin dọc theo chu vi khe khở không khí Các dây quấn pha ñược coi rằng có phân bố với mật ñộ quấn dây cũng là hình sin Như vậy dòng ñiện mỗi pha tạo một sức từ ñộng (STð) có dạng hình sin dọc chu vi khe hở không khí và biên ñộ của STð này tỉ lệ với ñộ lớn của dòng ñiện tương ứng, cực tính của STð phụ thuộc vào cực tính dòng ñiện và bố trí theo hướng là trục của dây quấn pha Thí dụ ứng với dòng ñiện pha a dương isa tại thời ñiểm θ1, tạo ra phân bố mật ñộ dòng ñiện tạo thành góc

2

π

so với trục dây quấn pha a, và do ñó có giá trị cực ñại theo hướng trục ảo hình.1.5, stato này

ñập mạch theo chu kỳ dòng ñiện và dọc theo trục ảo

Hình 1.5 Phân bố mật ñộ dòng ñiện khi chỉ có pha a có dòng

Sức từ ñộng toàn phần của stato ñược xây dựng bằng cách xếp chồng các phân bố mật ñộ dòng ñiện của cả ba pha STð toàn phần này cũng có phân

bố hình sin thể hiện bằng hai hình bán nguyệt trên H.1.6 Biên ñộ của STð toàn phần tỷ lệ với biên ñộ dòng ñiện pha và hướng của nó phụ thuộc và thời gian θ, tức là phụ thuộc vào giá trị tức thời của ias(t), ibs(t) và ics(t) Do dòng ñiện các pha thay ñổi theo thời gian nên STð toàn phần chính là một sóng mật ñộ dòng ñiện quay

Việc xếp chồng các phân bố mật ñộ dòng ñiện pha ñược xác ñịnh bằng vectơ không gian dòng ñiện phức stato:

Trong ñó:

2

3 2

1 3

2

j j

Bởi vì a là vectơ ñơn vị và có hướng tựa theo trục dây quấn pha b, do

ñó aibs là vectơ không gian ñại diện cho phân bố mật ñộ dòng ñiện hình sin gây ra bởi dòng ibs Tương tự như vậy a2.ics ñại diện cho phân bố mật ñộ dòng ñiện do dòng ñiện ics gây ra, với a2 chỉ hướng của trục dây quấn pha c

Vectơ không gian dòng ñiện stato i s ñại diện cho phân bố hình sin của STð tổng ñược tạo ra "bên ngoài" ñộng cơ Sóng STð tổng có giá trị cực ñại tại vị trí góc vượt trước

2

π

so với vectơ không gian i s, hình.1.6, biên ñộ của

nó tỉ lệ với biên ñộ của vectơ không gian dòng ñiện stato i s

Hệ số 2/3 trong (1.10) phản ánh phép ánh xạ không tương ñương về công suất, tuy nhiên nó rất tiện lợi trong tính toán, thí dụ từ i s ta có thể tìm lại ñược các dòng ñiện thành phần bằng cách chiếu i s lên các trục dây quấn pha tương ứng

{ }; { }2 ; { } ;

s e cs s e bs s e

Trong chế ñộ xác lập các dòng ñiện stato tạo ñược một hệ thống ba pha hình sin và cân bằng và tạo ra sóng sức từ ñộng stato có biên ñộ là không ñổi

và quay ñồng bộ với tần số góc ωs của dòng ñiện stato

Phân bố mật ñộ từ thông dọc theo chu vi khe hở không khí cũng sẽ là hình sin và chậm sau sóng mật ñộ dòng ñiện một góc

Có thể mở rộng khái niệm vectơ không gian dòng ñiện i s cho hệ thống ñiện áp ba pha stato

2

π

so với vị trí cực ñại của phân bố mật ñộ dòng ñiện mà

nó ñại diện, hình 1.6 Ngược lại các vectơ từ thông móc vòng luôn trùng phương với vị trí cực ñại của phân bố từ thông móc vòng tương ứng hình.1.7 ðiều này là thuận tiện cho việc biểu diễn một quan hệ ñơn giản giữa hai vectơ này:

s ss

ss=L i

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

Các phân tích tương tự như trên có thể ñược áp dụng cho các ñại lượng

ở rôto và do ñó có thể mở rộng các khái niệm vectơ không gian cho tất cả các ñại lượng ở roto, hình 1.4,b

1.2 Mô hình ñộng cơ không ñồng bộ trong các hệ tọa ñộ trực giao

1.2.1 Mô hình trong hệ tọa ñộ gắn với stato (α, β, 0)

Từ hình 1.4 thấy rằng tất cả các ñại lượng ñiện từ ñều có thể biểu diễn bằng các vectơ không gian trong mặt phẳng cắt ngang trục ñộng cơ, các vectơ này ñược xác ñịnh bởi biên dộ và vị trí góc, do ñó ta có thể biểu diễn các vectơ này bởi các thành phần của nó trên hệ tọa ñộ trực giao bất kỳ

Hệ trục tọa ñộ trực giao gắn với stato có tên gọi hệ (α, β, 0) trong ñó trục Oα trùng với trục của dây quấn pha a stator, các ñại lượng vectơ ñược biểu diễn bởi hai phần phần chiếu của nó trên các trục tọa ñộ, thí dụ vectơ U s, hình 1.8

Uα = cos θ

us s

U = ; ω = ' ω

Trong ñó Um là biên ñộ ñiện áp pha stato theo (1.12)

ðể viết ñược các phương trình mô tả ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ α, β ta có thể hoặc chiếu trực tiếp các phương trình (1.7), (1.8) lên các trục α, β, hoặc thông qua sơ ñồ thay thế có ñược bằng cách chiếu sơ ñồ

hình.1.4a lên các trục tọa ñộ tương ứng như biểu diễn trên hình.1.9, trong ñó

LM = 1,5.Lm Các dây quấn của máy ñiện trên các trục là vuông góc với nhau,

do ñó hồi cảm giữa chúng là bằng không, sức ñiện ñộng quay ở mạch roto của dây quấn này do từ thông roto của dây quấn kia cảm ứng sang tương ñương với góc là

β

Hình 1.9 Sơ ñồ thay thế của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ trục α, β

Từ sơ ñồ thay thế dạng hai pha vuông góc của máy ñiện hình.1.9, ta dễ dàng viết ñược các phương trình mô tả ñộng cơ:

r r

r r r s s

s s

dt

d i R U dt

d i R

Uα = α + ψα ; α = α + ψα − ωψβ

r r

r r r s s

s s

dt

d i R U dt

d i R

Uβ = β + ψβ ; β = β + ψβ − ωψα

s M r r r r M s s

s L iα L iα α L iα L iα

s M r r r r M s s

Các ñại lượng véctơ không gian của máy ñiện là duy nhất, tuy nhiên chúng có thể ñược biểu diễn hoặc trong hệ tọa ñộ ba pha quy ñổi vì stato as,

bs, cs, hoặc trong hệ tọa ñộ trực giao αs, βs có thể tìm ñược mối tương quan giữa hai hệ tọa ñộ này, thí dụ cho dòng ñiện stato

( )

( )

( ) ( )

i bs

t i as

t i

C s

cs

i s

t i C

i bs

t i as

t i

β

α

1 1

Trong ñó ma trận ánh xạ C1 là phép biến ñổi 3 pha thành 2 pha nghịch ñảo của nó là phép biến ñổi 2 pha thành 3 pha

1 0

0 0 1

1

2

3 2

1

0 1

1 1

C

Hệ phương trình (1.14) cũng có thể ñược thể hiện bởi sơ ñồ câu trúc dưới ñây, hình.1.10, sử dụng ánh xạ liên tục p = d/dt kết hợp với phương trình chuyển ñộng của hệ

dt

d y M

1 p

1 p

1 p

ψsα i

α s

p' Jp p'ω

Hình 1.10 Sơ ñồ cấu trúc của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ α

1.2.2 Mô hình trong hệ tọa ñộ quay ñồng bộ (d, q, 0)

Các ñại lượng véctơ không gian cùng có thể ñược biểu diễn trong hệ tọa ñộ trực giao d, q quay với tốc ñộ ωs, với hy vọng là trong chế ñộ tựa xác lập vị trí góc của các véctơ này tính từ hệ trục tọa ñộ d, q sẽ không ñổi và do

ñó các thành phần chiếu của véctơ không gian lên các trục sẽ là các ñại lượng một chiều, thí dụ véctơ ñiện áp hình 1.11

s q

Hình 1.11 Biểu diễn véctơ không gian trong hệ trục d, q

qs ds

us s

ds U

U = cos γ

us s

qs U

U = sin γ

Có thể nhận xét rằng hệ trục d, q chính là hệ trục α, β quay ñi một góc θs: (d, q) = ejθs(α, β); ejθs = cosθs + j sinθs

ðiều này có nghĩa rằng các thành phần theo các trục od, oq của véctơ không gian cũng ñược quay ñi một góc tương ứng, ñể tiện theo dõi ta thêm chỉ số k vào các véctơ không gian ñược biểu diễn trong hệ d, q như vậy thì

s s

s

r rk j s sk

j s sk j s

j e dt

d dt

s j sk s j

s

dt

d i R

Lập luận tương tự ñối với phương trình ñiện áp ở mạch roto với chú ý rằng bản thân dây quấn, roto cũng ñã quay cùng chiều một góc θm, do ñó góc quay thực

chỉ là θsl = θs – θm, hình.1.11 và phương trình thứ hai của hệ (1.7) trở thành:

rk s rk rk r

dt

d i R

U = + ψ + ωψ (1.17) Trong ñó ωsl =dθsl/dt là tốc ñộ trượt

Ta có thể tìm ñược sơ ñồ thay thế của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ d, q bằng cách quay các sơ ñồ trên hình.1.9 với tốc ñộ ωsk ñể ý rằng dây quấn roto ñã quay với ñốc ñộ ω Trong các dây quấn stato (quay với tốc

ñộ ωs) sẽ xuất hiện các sức ñiện ñộng quay tỉ lệ với tích số giữa ωs và từ thông của dây quấn stato trên trục ñối tiện Trong các dây quấn roto (cũng ñược quay với tốc ñộ tổng là ωs nhưng có tốc ñộ riêng phần là ω) cũng sẽ xuất hiện các sức ñiện ñộng quay tỉ lệ với tích số giữa tốc ñộ trượt ωsl = ωs – ω với từ

thông của dây quấn roto trên trục tiết diện, hình.1.12

qs s ds ds

s ds

dt

d i R

U = + ψ − ω ψ

ds s qs qs

s qs

dt

d i R

qr s dr dr

s dr

dt

d i R

U = + ψ − ω ψ

dr s qr qr

s qr

dt

d i R

dr r ds M dr dr M ds s

qr qs dr

L

L p i

i i i L

p

2

' 3 2

' 3

Hệ phương trình (1.18) ñượng biểu diễn bởi sơ ñồ cấu trúc hình.1.13

Sơ ñồ này là tiện lợi cho thiết kế ñiều khiển và nhận dạng

LM

x x

1 p

1 p

1 p

p' Jp ω

Có thể thấy rằng hệ phương trình (1.18) và do ñó sơ ñồ cấu trúc hình.1.13 về hình thức chỉ khác hệ phương trình (1.13) và sơ ñồ cấu trúc hình.1.10 ở các sức ñiện ñộng mạch dây quấn stato, do kết quả của sự quay hệ trục tọa ñộ (và cũng như quay cả máy ñiện) gây nên

Có thể tìm ñược ma trận ánh xạ giữa hai hệ trục hệ tọa ñộ d, q chính là phép quay hệ trục α, β ñi một góc θs và hệ trục tọa ñộ α, β chính là phép quay

d

s s

s s

s s

s s

θ θ

θ θ

β

α β

α θ θ

θ θ

cos sin

sin cos

; cos

sin

sin cos

Trong mục này chưa ñề cập ñến vấn ñề là hệ trục tọa ñộ quay d, q ñược chọn cụ thể như thế nào, do ñó các mô hình là khá phức tạp Trong tính toán ñiều khiển, hệ trục d, q ñược chọn gắn (tựa) với một ñại lượng véctơ không gian cụ thể, ñiều này một mặt ñơn giản hóa ñược mô hình của ñộng cơ không ñồng bộ, mặt khác cũng ñịnh hướng cụ thể cho các giải pháp kỹ thuật

Hệ trục d, q có thể ñược tựa trên: véctơ ñiện áp stator, véctơ từ thông từ hóa, véctơ từ thông stato, véctơ từ thông roto hay véctơ dòng ñiện stato

1.2.3 Mô hình trong hệ tọa ñộ gắn với roto (D, Q, 0)

Với ñộng cơ không ñồng bộ ba pha roto dây quấn, việc ñiều khiển thường ứng dụng trong mạch roto, vì vậy cũng có thể dẫn ra mô hình ñộng cơ gắn với roto

QS DS

us S

U = cos γ

us s

j e

sin cos

s SD

dt

d i R

SD s SQ SQ

s SQ

dt

d i R

U = + ψ + ω ψ

dt

d i R

RD s RD

ψ+

=

d i R

1 p

1 p

1 p

M c

3p' 2

x

x

ψMD

ψMQ

Hình 1.16 Sơ ñồ cấu trúc của ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ gắn với roto

Trong trường hợp chung các thông số ñiện cảm và ñiện trở dây quấn của ñộng cơ không ñồng bộ ba pha không phải là hằng ðiện cảm của máy ñiện nói chung là hàm phi tuyến của dòng ñiện, khi dòng ñiện trong dây quấn tăng lên ñến mức nào ñó thì mạch từ bắt ñầu bị bão hòa và ñiện cảm dây quấn

bị giảm mạnh ðiện trở của dây quấn nhất là dây quấn roto, nơi không ñược làm mát tốt, thay ñổi rất mạnh theo nhiệt ñộ của dây quấn Các yếu tố trên cần ñược xét ñến trong trường hợp cần có mô hình chính xác của ñộng cơ

Mô hình của ñộng cơ không ñồng bộ có tính phi tuyến mạnh, trong

nhiều trường hợp có thể dẫn ra các mô hình tuyến tình hóa xung quanh ựiểm làm việc xác lập (mô hình tắn hiệu nhỏ) hoặc tuyến tắnh hóa chắnh xác dựa trên thuật toán "cuốn chiếu" (Back stepping)

1.3 điều khiển véctơ tựa từ thông roto ựộng cơ không ựồng bộ, nghịch lưu nguồn áp (Foc)

Phương pháp ựiều khiển véctơ tựa từ thông roto dựa trên mô hình ựộng

cơ không ựồng bộ trong hệ trục tọa ựộ quay ựồng bộ, trong ựó hệ trục ựược

"gắn vào" véctơ từ thông roto, có thể làm ựược như vậy là do véctơ không gian của từ thông roto quay với tốc ựộ ựồng bộ Véctơ từ thông roto nằm ở roto nên sự biến thiên vị trắ góc của nó phụ thuộc vào tốc ựộ góc của roto (tốc

ựộ cơ khắ), hơn nữa véctơ từ thông roto chịu ảnh hưởng của dòng ựiện mạch roto, trong ựó hằng số thời gian ựiện từ của mạch roto (Lr/Rr) nói chung là khá lớn hơn hằng số thời gian ựiện từ của mạch stato (Ls/Rs) những ựiều này nói lên rằng véctơ từ thông ro to biến thiên (cả về biên ựộ và vị trắ pha) chậm hơn các véctơ không gian còn lại đó là lý do tại sao lại "tựa" vào véctơ từ thông roto

1.3.1 Nguyên lý ựiều khiển

để diễn giải phương pháp, ta hãy vẽ lại hình.1.11, trong ựó hệ trục tọa

ựộ d, q ựược tựa vào vectơ từ thông roto hình.1.17

iqs0

θm

θs

γs

as α=

isquủ ệỰo

Hình 1.17 đồ thị véctơ cho trường hợp hệ trục d, q và véctơ từ thông rôto

i s

sd i

i = cos γ

i s

sq i

i = cos γ

Ở chế ñộ tựa xác lập tất cả các véctơ từ không gian ñều quay với tốc ñộ ñồng bộ nên góc γi biến thiên rất chậm nên các thành phần chiều của véctơ dòng ñiện lên các trục sẽ giống như các ñại lượng một chiều, ñiều này cho phép có thể tổng hợp ñược các bộ ñiều khiển vô hướng cho từng thành phần

Bởi vì trục 0d trùng với véctơ từ thông roto, nên:

Dựa theo biểu thức cuối cùng của hệ (1.18), ta viết ñược mômen ñiện

từ

r

M sd

rq sq rd r

M

i L

L p i

i L

L p

2

' 3 2

tỷ lệ thuận với thành phần dòng ñiện stato chiếu lên trục 0q và iqs ñược gọi là

"thành phần dòng ñiện sinh ra mômen"

Bằng nguyên lý ñiều khiển trên ñây ta ñã "biến ñổi" ñộng cơ không ñồng bộ roto lồng sóc về mô hình tương ñương với ñộng cơ ñiện một chiều kích từ ñộc lập

U

M a)

U

M b)

r

qs

qs

Hình 1.18 Sự tương ñồng giữa ñộng cơ không ñồng bộ trong hệ tọa ñộ tựa từ

thông roto (b) và ñộng cơ một chiều kích từ ñộc lập (a)

Trong phương pháp này cần phải xác ñịnh ñược vị trí góc của véctơ từ thông roto ñể có thể tựa hệ trục d, q vào ñó, từ hình.1.17 thấy rằng:

θs = θm + θsl;

sl

sl m

s s

dt

d dt

d dt

M dr r

L

L L

i i L

L L

=

−

− +

dr sl qs r r

M qr r

r qr

qr sl ds r r

M dr r

r dr

i R L

L L

R dt d

i R L

L L

R dt d

ψ ω ψ

ψ

ψ ω ψ