Nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc dùng biến tần dựa trên nguyên tắc tựa từ thông rô to

MỤC LỤCI .TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU CHỈNH TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆNII.VÀI NÉT SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO LỒNG SÓC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ III.MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VÀ PHÉP CHUYỂN VỊ TỌA ĐỘIV.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘV.LUẬT ĐIỀU KHIỂN FOCVI. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BIẾN TẦN DÙNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC

TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ

Đề tài:Nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc dùng biến

tần dựa trên nguyên tắc tựa từ thông rô to

Nhóm 23:

 Nguyễn Xuân Hòa

 Đinh Xuân Linh

Giáo viên hướng dẫn:Nguyễn Đăng Toàn

Lời nói đầuNhư ta đã biết động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc với ưu điểm nổi bật là giá thành hạ,cấu tạo đơn giản ,vận hành tin cậy và rẻ hơn so với động cơ điện một chiều và dung trực tiếp được điện 3 pha mà không cần chỉnh lưu vì vậy động cơ này được sử dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất

Nhược điểm của động cơ này là khó điều chỉnh tốt như và khó khăn về mặt khống chếcác quá trình quá độ và các chỉ tiêu khởi động cũng xấu hơn động cơ điện một chiều.vấn

đề đó hiện nay được hạn chế khá đáng kể từ khi bộ biến tần xuất hiện và đạt chất lượng điều chỉnh tương đương với điều chỉnh động cơ điện một chiều nổi bật trong đó là các hệbiến tần – động cơ không đồng bộ có điều khiển véc tơ được coi là có chất lượng cao nhất và phức tạp nhất.nội dung của bản báo cáo này nghiên cứu những đặc điểm và khái niệm cơ bản của hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc dùng biến tầndựa trên nguyên tắc tựatừ thông rô to và đây cũng là phương pháp được sử dụng phổ biến

ở hệ thống yêu cầu độ chính xác cao về tốc độ và đáp ứng tốt về mô men

Tuy hiện nay các loại biến tần đã được bày bán và sử dụng rộng rãi trên thị trường của các hãng Toshiba, Omron, Siemens với nhiều phương pháp điều khiển khác nhau như : theo luật U/f không đổi, điều khiển vectơ tựa từ thông roto nhưng việc tìm hiểu để chọn ra một phương pháp thích hợp hoặc nghiên cứu tìm ra một phương pháp điều khiển mới sao cho tối ưu về giá thành, độ chính xác, độ tin cậy thì vẫn còn những tranh luận vì mỗi loại đều có ưu nhược khác nhau.Bản đồ án này của chúng em xin được trình bày rỏ hơn

- Xây dựng cơ sở lý thuyết thuật toán FOC

- Mô phỏng bằng Matlab đánh giá đáp ứng hệ thống biến tần dùng thuật toán điều khiển FOC để chứng minh việc đúng đắn của công việc mình đang làm

- Đi đánh giá ưu nhược điểm biến tần sử dụng luật FOC và củng như vị trí ứng dụng của

MỤC LỤC

I TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU CHỈNH TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

II.VÀI NÉT SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO LỒNG SÓC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

III.MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VÀ PHÉP CHUYỂN

• Hoạt động của hệ thống có thể được mô tả như sau:

Tín hiệu điều khiển được lấy ra từ bộ điều chỉnh R các bộ điều chỉnh R nhận tín hiệuthông báo sai lệch về trạng thái làm việc của chuyển động thông qua so sánh tín hiệu đặt

và tín hiệu đo lường các đại lượng truyền động Tín hiệu sai lệch này qua bộ điều chỉnhđược khuyếch đại và tạo hàm chức năng điều khiển sao cho đảm bảo chất lượng động vàtĩnh của hệ thống truyền động

• Phân loại:

-Phân loại theo động cơ có hệ truyền động một chiều, hệ truyền động xoay chiều

Phân loại theo tín hiệu điều chỉnh có bộ điều chỉnh tương tự và bộ điều chỉnh số

-Phân loại theo thuật toán điều chỉnh có hệ truyền động thích nghi, hệ truyền động điềuchỉnh vectơ

1.2 những vấn đề chung khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện

Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cần phải đảm bảo hệ thực hiện đượctất cả các yêu cầu đặt ra, đó là các yêu cầu về công nghệ , các chỉ tiêu chất lượng và yêucầu về kinh tế Chất lượng của hệ thống được thể hiện trong trạng thái động và tĩnh.Trạng thái tĩnh yêu cầu quan trọng nhất là độ chính xác điều chỉnh Đối với trạng tháiđộng có các yêu cầu về ổn định và các chỉ tiêu về chất lượng động là độ quá điều chỉnh ,tốc độ điều chỉnh, thời gian điều chỉnh và số lần dao động

II.TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

2.1.khái niệm cơ bản: Động cơ không đồng bộ hay còn gọi là động cơ dị bộ, được ứngdụng rộng rãi trongcông nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình Động cơ không đồng bộ chiếm tỉ lệ lớn so với động cơ khác, nhờ những ưu điểm Kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn dễ chế tạo vận hành an toàn, tin cậy giảm chi phí vận hành sửa chữa Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha, không cần tốn kém các thiết bị biến đổi Được khai thác hết tiềm năng nhờ sự phát triển của công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử

Hình1 ảnh của một động cơ không đồng bộ

• cấu tạo: động cơ không đồng bộ gồm hai phần chính :

Phần tĩnh(stato) và phần quay(roto)Dây quấn lõi thép Stato

a.lõi thép stato: gồm các lá thép kĩ thuật điện ghép lại thành hình trụ,mặt trong có cácrãnh đặt dây quấn

dây quấn stato:dây quấn stato động cơ không đồng bộ là dây đồng được phủ sơn các điện,gồm ba cuộn dây AX,BY,CZ đặt lệch nhau 1200 trong rãnh stato

b.lõi thép roto: làm bằng các lá thép kĩ thuật điện,mặt ngoài có xẻ rãnh,ở giữa có lỗ để lắptrục,ghép lại thành hình trụ

dây quấn roto: có hai kiểu:

- dây cuốn kiểu roto lồng sóc

- dây cuốn kiểu roto dây cuốn

 Rôto kiểu dây quấn :

Rôto dây quấn có kiểu giống như dây quấn stato và có số cực bằng số cực ở stato Trong động cơ trung bình và lớn dây quấn được quấn theo kiểu sóng hai lớp để bớt được các đầu nối , kết cấu dây quấn chặt chẽ Trong động cơ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp Dây quấn ba pha của động cơ thường đấu hình sao , ba đầu ra của nó nối với ba vòng trượt bằng đồng thau gắn trên trục của rôto Ba vòng trượt này cách điện với nhau và với trục ,tỳ trên ba vòng trượt là ba chổi than Thông qua chổi than có thể đưa điện trở phụ vào mạch rôto,có tác dụng cải thiện tính năng mở máy , điều chỉnh tốc độ ,

hệ số công suất được thay đổi

 rô to lồng sóc:

Kết cấu rô to lồng sóc rất khác với dây quấn stato các dây quấn là các thanh

đồng hay thanh nhôm đặt trên các rãnh lõi thép rôto Hai đầu các thanh dẫn nối với các vòng đồng hay nhôm gọi là vòng ngắn mạch Như vậy dây quấn rôto hình thành một cái lồng quen gọi là lồng sóc

Nhận xét: từ phương trình momen của động cơ :

M=

3 U

12

R '2S

2.2.những phương án thường sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ trongcông nghiệp :

- Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ

- Điều chỉnh điện trở mạch rôto

- Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ không đồng bộ

a.Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ (dùng bộ biến đổi tristo)

Mômen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp stato, do đó có thể điều chỉnh được mômen và tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stato trong khi giữa nguyên tần số

Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ a) sơ đồ khối nguyên lý b)đặc tính cơ điều chỉnh

Để điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ ba pha phải dùng các bộ biến đổi điện

áp xoay chiều Nếu coi điện áp xoay chiều là nguồn áp lý tưởng (Zb = 0) thì căn cứ vào biểu thức mômen tới hạn, có quan hệ sau :

Mth.u/Mth = (Ub/Udm)2 ; hay Mth* = ub*2

Trong đó: Udm: điện áp định mức của động cơ

ub: điện áp đầu ra của điện áp xoay chiều

Mth: mômen tới hạn khi điện áp là định mức

Mu: mômen động cơ ứng với điện áp điều chỉnh

Mth: mômen khi điện áp là định mức , điện trở phụ Rf

tốc độ động cơ được điều chỉnh bằng cách giảm độ cứng đặc tính cơ , trong khi đó tốc độ không tải lý tưởng của mọi đặc tính như nhau và bằng tốc độ từ trường quay Tổn thất khiđiều chỉnh là :

∆P

r=Mc(n1-n)=Pcơ [s/(1-s)]

• Nếu đặc tính cơ của phụ tải có dạng gần đúng

M

c= Mcđm(n/nđm)

x

= Mcđm(n/n1)

x

Thì tổn thất trong mạch rôto khi điều chỉnh điện áp là :

∆ P

r= Mcđm(n/n1)

x n

1 (1-n/n1)Tổn thất cưc đại

:

∆ P

max = Mcđm n = Pđm

Như vậy tổn thất tương đối trong mạch là

:

∆ P

r/n1 = (n/n1)

x (1-n/n

1) ∆P

r* = (n*)

x (1-n*)

• Quan hệ này được mô tả bởi đồ thị dưới ứng với từng loại phụ tải cơ có tính chất khác nhau :

•

Hình 2-2 Sự phụ thuộc giữa rôto và tốc độ điều chỉnh

• Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà mômen tải

là hàm tăng theo tốc độ như: quạt gió , bơm ly tâm Có thể dùng biến áp tự ngẫu, điện kháng hoặc bộ biến đổi bán dẫn làm điện áp xoay chiều Trong đó

vì lý do kỹ thuật và kinh tế mà bộ điều áp kiểu van bán dẫn là phổ biến hơn

cả

b.Điều chỉnh điện trở mạch rôto:

• điều chỉnh điện trở mạch rôto :

Có thể điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng cách điều chỉnh điện trở mạch rôto bằng bộ biến đổi xung tristo, ta sẽ khảo sát việc điều chỉnh trơn điện trở mạch rôto bằng các van bán dẫn

ưu điểm : dễ tự động việc điều chỉnh

• Điện trở trong mạch rôto động cơ không đồng bộ :

f :điện trở ngoài mắc thêm vào mạch rôto

• Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rôto thì mômen tới hạn của động cơ không thay đổi và độ trượt tới hạn tỷ lệ bậc nhất với điện trở Nếu coi đoạn đặc tính làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha , tức là đoạn có độ trượt

i : độ trượt khi điện trở mạch rôto là Rrd

• mặt khác ta có :

M = 3I

r

2R

rd/(n1.Si)

• Nếu giữ dòng điện không đổi thì mômen cũng không đổi và không phụ thuộcvào tốc độ động cơ Vì thế mà có thể ứng dụng phương pháp điều chỉnh điện trở mạch rôto cho truyền động có mômen tải không đổi

Hình 2-3 a) Điều chỉnh xung điện trở rôto sơ đồ nguyên lý

b) phương pháp điều chỉnhc) Các đặc tínhTrên hình vẽ a) trình bày sơ đồ nguyên lý điều chỉnh trơn điện trở mạch rôto bằng phương pháp xung Điện áp ur được chỉnh lưu bởi cầu điôt CL, qua điện kháng lọc L được cấp vào mạch điều chỉnh gồm điện trở R

0 nối song song với khoá bán dẫn T1 Khoá

T1 sẽ được đóng ngắt một cách chu kỳ để điều chỉnh giá trị trung bình của điện trở toàn mạch

Hoạt động của khoá bán dẫn tương tự như trong mạch điều chỉnh xung áp một chiều Khoá T1 đóng , điện trở R0 bị loại ra khỏi mạch, dòng điện rôto tăng lên Khoá T1 ngắt điện trở R

0 lại được đưa vào mạch, dòng điện rôto giảm Với tần số đóng ngắt nhất định, nhờ có điện cảm L mà dòng điện rôto coi như không đổi và ta có giá trị điện trở tương đương Re trong mạch.Thời gian ngắt :

t

n = T – tđ .nếu điều chỉnh trơn tỷ số giữa thời gian đóng tđ và thời gian ngắt tn ta điều chỉnh trơn được giá trị điện trở trong mạch rôto

Re = R0 Td/(tn+td) + R0 td/T = R0p

Nhận xét :

ưu điểm:

- có tốc độ phân cấp

- tốc độ điều chỉnh nhỏ hơn tốc độ cơ bản làm cho

- tự động hóa điều chỉnh được dễ dàng

- hạn chế được dòng mở máy

- làm tăng khả năng mở máy của động cơ khi đưa điện trở phụ vào mạch roto

- các thao tác điều chỉnh đơn giản

- giá thành vận hành,sửa chữa thấp

c.Điều chỉnh tần số nguồn cấp :

- Luật điều chỉnh tần số điện áp theo khả năng quá tải

Khi điều chỉnh tần số thì trở kháng, từ thông, dòng điện…của động cơ thay đổi, để đảmbảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng cần phải điều chỉnh cảđiện áp

Đối với hệ thống biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ cho khả năng quá tải vềmômen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ Mômen cực đại mà động cơ sinh rađược chính là mômen tới hạn M

th ,khả năng quá tải về mômen được quy định bằng hệ sốquá tải mômen γ

M: γ

M = Mth/M

Hình 2-4.Xác định khả năng quá tải về mômen

• Nếu bỏ qua điện trở của dây cuốn stato

2.R

r/nS 1/F

2(s)

M

2/2(Ls

2

L

r) = K (Us/n0)

2 (1)

Điều kiện để giữ hệ số quá tải không đổi là

:

γ

1

2/f

1 = const

- điều chỉnh từ thông:

Trong chế độ định mức,từ thông là định mức và mạch từ là tối đa.luật điều chỉnh tần số - điện áp là giử gần đúng từ thông không đổi trên toàn dải điều chỉnh.tuy từ thông động cơ trên mổi đặc tính cơ còn phụ thuộc rất nhiều vào độ trượt s,tức là phụ thuộc vào momen tải trên trục động cơ.vì vậy trong các hệ điều chỉnh yêu càu chất lượng cao cần tìm cách

bù từ thông Phương pháp này có nhược điểm là mổi đông cơ phải cài đặt một sensor do

từ thông không thích hợp cho sản xuất đại trà và cơ cấu đó gắn liền trong đó bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và nhiễu

Nếu điều chỉnh cả biên độ và pha của dòng điện thì có thể điều chỉnh được từ thông roto

mà không cần cảm biến tốc độ

- Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện:

Phương pháp điều chỉnh này sử dụng biến tần nguồn dòng Biến tần nguồn dòng có ưuđiểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản mà vẫn thực hiện hãm táisinh động cơ Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là nguồn dòng điện, tức làdòng điện không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển Để tạonguồn điện một chiều thường dùng chỉnh lưu điều khiển hoặc băm xung áp một chiều có

bộ điều chỉnh dòng điện có cấu trúc tỷ lệ - tích phân (PI), mạch lọc là điện kháng tuyếntính có trị số điện cảm đủ lớn

Tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp ở hệ thống biến tần nguồn dòng cũng có thểthực hiện điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh vị trí vectơ dòng điện không gian.Điều khác biệt là trong hệ thống biến tần nguồn dòng thì dòng điện là liên tục và việcchuyển mạch của các van phụ thuộc lẫn nhau

 Điều khiển trực tiếp mômen

Ra đời năm 1997, thực hiện được đáp ứng nhanh Vì r có quán tính cơ nên không biếnđổi nhanh được, do đó ta chú trọng thay đổi s không thay đổi r Phương pháp nàykhông điều khiển theo quá trình mà theo điểm làm việc Nó khắc phục nhược điểm củađiều khiển định hướng trường vectơ rôto r cấu trúc phức tạp, đắt tiền, độ tin cậy thấp(hiện nay đã có vi mạch tích hợp cao, độ chính xác cao), việc đo dòng điện qua cảm biếngây chậm trễ, đáp ứng momen của hệ điều khiển vectơ chậm (cỡ 10 ms) và ảnh hưởngcủa bão hoà mạch từ tới Rs lớn

Kết luận :trong hệ thống truyền động điều khiển tần số,phương pháp điều khiển theo từ thông roto có thể cho ta đặc tính tỉnh và động của động cơ tốt

+ Điều chỉnh công suất trượt

Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm mềmđặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt Δ ps= δ pđtđược tiêu tán trên điện trở mạch roto.ở các hệ thống truyền động điện công suấtlớn,tổn hao này là đáng kể.vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động điện,vừatận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ công suất trượt (sơ đồ nốitầng / nối cấp)

P1 = Pcơ + Ps = P1(1 –s) +sP1 = const

Nếu lấy Ps trả lại lưới thì tiết kiệm được năng lượng-khi điều chỉnh với ω <

ω1 :được gọi là điều chỉnh nối cấp dưới đồng bộ (lấy năng lượng P

s ra phát lênlưới)

- khi điều chỉnh với ω > ω1 (s<0):điều chỉnh công suất trượt trên đồng bộ (nhận

năng lượng ps vào ) hay còn gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ hai nguồn cungcấp

- nếu tái sử dụng năng lượng Ps để tạo Pcơ : được gọi là truyền động nối cấp cơ

Phương pháp này không có nghỉa nhiều vì khi ω giảm còn 1/3 ω1 thì P

s =2/3.P1 tức là công suất động cơ 1 chiều dùng để Ps phần gần đúng bằng động cơ chínhxoay chiều.nếu không nên điều chỉnh ω xuống.trong thực tế ta không dùng phương

pháp này

III.MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

3.1 Mô tả động cơ không đồng bộ dưới dạng các đại lượng vectơ

Đối với các hệ truyền động điện đã được số hoá hoàn toàn, để điều khiển biến tầnngười ta sử dụng phương pháp điều chế vectơ không gian Khâu điều khiển biến tần làkhâu nghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển/ điều chỉnh bằng số với khâu chấphành Như vậy cần mô tả động cơ thành các phương trình toán học

Khi điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ thường kéo theo điều chỉnh cả điện áp , dòng điên hoặc từ thông mạch stato, do tính chất phức tạp của các quá trình điên từ trong đông cơ không đồng bộ nên các phương trình , biểu thức đã phân tích không sử dụng trựctiếp được cho trường hợp điều chỉnh tần số Để thuận tiện cho việc khảo sát hệ thống điềuchỉnh tần số, dưới đây nêu phương pháp đánh giá quá trình điện từ dưới dạng các vectơ.Trong động cơ không đồng bộ có 6 cuộn dây quấn trên mạch từ phương trình cân băng điện áp của mỗi quận như sau:

uk = rk.ik+dΨkΨkk dΨkt

trong đó chỉ số k là tên dây quấn.

Nếu coi mạch từ là tuyến tính và bỏ qua tổn hao sắt từ thì moment điện từ của động cơ là:

Để đơn giản trong khi viết coi động cơ có hai cực p’ = 1

Xem hình 5.10, trong đó các chỉ số bằng chữ thường a,b,c chỉ các dây quấn pha stator cácchỉ số bằng chữ in hoa A, B,C chỉ các pha roto, góc lệch giữa dây quấn roto và dây quấn stator là θ thì tốc độ sẽ là đaọ hàm của góc này

Trong đó Ls1, Lr1 điện cảm tự cảm của từng dây quấn stator, roto

Ms ,Mr là điện cảm hỗ cảm giữa các dây quấn stato , giữa các dây quấn roto với nhau

Hỗ cảm giữa dây quấn stato với dây quấn ở roto phụ thuộc vào góc lệch không gian giữa

2 dây quấn này Hỗ cảm giữa 2 dây quấn cùng pha ở stato và roto sẽ đạt giá trị cực đại khi trục 2 dây quấn trùng nhau, tương ứng lúc đó có điện cảm hỗ cảm B:

dtd

Phương trình cân bằng điện áp

Phương trình điện áp được viết ở dạng ma trận

Phương trình từ thông hoàn chỉnh viết dưới dạng ma trận khối:

[Ψk s

Ψk r] = ¿

3.2.Chuyển vị tuyến tính các phương trình :

Việc giải trực tiếp các phương trình (5.34) (5.35) là khó khăn nên thường chuyển vị các phương trình này sang hệ tọa độ khác sao cho sự biến thiên của các hệ số là không còn nữa

Trong m¸y ®iÖn ba pha thêng dïng c¸ch chuyÓn c¸c gi¸ trÞ tøc thêi cña ®iÖn ¸p thµnh c¸c vÐc t¬ kh«ng gian LÊy mét mÆt ph¼ng c¾t m«t¬ theo híng vu«ng gãc víi trôc vµ biÓu diÔn tõ kh«ng gian thµnh mÆt ph¼ng Chän trôc thùc cña mÆt ph¼ng phøc trïng víi trôc pha a

i s

a.

ib

a2 ic

Ia x

y

k k

Ba véc tơ dòng điện stator ia, ib, ic tổng hợp lại và đại diện bởi một véc tơ quay tròn is Véc tơ không gian của dòng điện stator:

Hình 2-2: Cuộn dây 3 pha nhìn trên 

Theo cách thức trên có thể chuyển vị từ 6 phơng trình (3 rôto, 3 stato) thành nghiên cứu

Hìh 2-3: Chuyển sang hệ toạ độ quay bất kỳ

 Nếu k=1, 0 tự chọn bất kỳ (để đơn giản một phơng

trình cho x trùng r để ry=0): phép biến đổi d,q

 Nếu k= 1 -  =r : hệ toạ độ cố định , đối với rôto (ít dùng)

Hình 2-4: Các đại lợng is , r của động cơ trên các hệ toạ độCác phơng trình chuyển đổi hệ toạ độ:

is = isdcos - isqsin

i = i sin + i cos

pha C

S

d q

is

is

is q

is d

pha B

pha A

h ớng trục rôto r

is

3.3 Hệ phơng trình cơ bản của động cơ trong không gian vectơ

Để dễ theo dõi ta ký hiệu :

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

f: trong toạ độ trờng (field) từ thông rôto (toạ độ dq) r: toạ độ gắn với trục rôto

Chỉ số dới s: đại lợng mạch stato

r: đại lợng mạch rôto Phơng trình mômen :

m M=3

2 p.(ψ r∧i s)=3

2 p (ψ r∧i r)

(2-1)Phơng trình chuyển động :

Tơng tự nh vectơ dòng điện ta có vectơ điện áp:

us(t)= 2/3.[usa(t) + usb(t).ej120 + usc(t).ej240]

Sử dụng khái niệm vectơ tổng ta nhận đợc phơng trình vectơ:

Khi quan sát ở hệ toạ độ ,:

Đối với mạch rôto ta cũng có đợc phơng trình nh trên, chỉ khác là do cấu tạo các lồngsóc là ngắn mạch nên ur=0 (quan sát trên toạ độ gắn với trục rôto)

Từ thông stato và rôto đợc tính nh sau:

0=R r i r r+dΨk Ψk r

r dΨkt

r = isLm+irLrTrong đó Ls : điện cảm stato Ls = Ls+ Lm (Lós : điện cảm tiêu tán phía stato)

Lr : điện cảm rôto Lr = Lr+ Lm (Lór : điện cảm tiêu tán phía rôto)

Ls : hỗ cảm giữa rôto và stato (Phơng 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)

3.2.a Phơng trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định 

Phơng trình điện áp stato giữ nguyên, còn phơng trình điện áp rôto có thay đổi do rôtoquay với tốc độ  so với stato nên có thể nói hệ toạ độ  quay tơng đối với rôto tốc độ -

0=R r i r s

+dΨk Ψk r s

us s= Rs.is s+ σLLsdΨk is

sdΨkt +

Lm

Lr

dΨk Ψkr sdΨkt 0=−is sLm

(2-8)Biến đổi (2-8) sang dạng từng phần tử của vectơ :

σLT r L m ωψ rα+1−σL

σLL m ψ rβ+1

σLL s u sα dΨki sβ

dΨkt =−(

1

σLT s +

1−σL σLT r )i sβ−1−σL

σLL m ωψ rα+1−σL

σLT r L m ψ rβ+1

σLL s u sβ dΨkψ rα

dΨkt =

L m

T r i sα−1

T r ψ rα−ωψ rβ dΨkψ rβ

HÖ ph¬ng tr×nh (2-9) khi viÕt l¹i díi d¹ng ma trËn:

Lập mô hình của động cơ theo các ma trận : từ (12) :

dΨkxsdΨkt = A

sxs+ Bsus s

ta có

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

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

3.2.b Phơng trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq:

Tơng tự nh trên, khi chiếu trên hệ toạ độ này thì các phơng trình từ thông vẫn không

đổi, chỉ có các phơng trình điện áp thay đổi nh sau:

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

- Hệ toạ độ chuyển động vợt trớc so với rôto một tốc độ góc r = s -

drsdt

Iss(t)

dIssdt

rs(t)

Bs

As

xs(t) Uss(t)

dxs(t) dt

U s (t)

σLLmTr ψrdΨk+ 1−σL

σLLm ωψrq+ 1

σLLs usdΨkdΨkisq

dΨkt =− ωsisdΨk−( 1

σLTs+

1−σL σLTr ) isq− 1−σL

σLLm ωψrdΨk+ 1−σL

σLLmTr ψrq+ 1

σLLs usqdΨkψrdΨk

Lm

Tr isdΨk− 1

Tr ψrdΨk+ ωrψrqdΨkψrq

Tơng tự nh trên toạ độ  ta cũng có phơng trình mômen cho toạ độ dq:

mM= 3

2 pc Lm

Lr ( ψr f∧ is f)Thay đại lợng vectơ bằng các phần tử của nó : isf = isd+jisq và sf = sd+jrq ta có:

T1+pT

1

1+pTr

PcpJ

Lm

1-TrLm

3pcLm2Lr

usd

mM mC

e-j s

us

Hình 2-7: Mô hình động cơ trên hệ toạ độ quay dq

Sau này, khi đi sâu vào bài toán điều khiển ta sẽ sử dụng mô hình quay dq

Mô hình động cơ biểu diễn dới dạng ma trận: hệ phơng trình (2-16) sau khi tách r = s

- có thể viết lại dới dạng mô hình trạng thái phi tuyến nh sau:

dΨk xfdΨkt = A

f xf+ Bf us f+ N xfωs

(2-19)Trong đó: xf = [isd, isq, rd, rq] T

s đã chứa trong hai thành phần xoay chiều us us

1p

T1+pT

1Ls

usq

isq -

e-j s

:

-s r

s

N

s

Hình 2-8: Mô hình ĐCKĐB trên toạ độ dq theo dạng vectơ

IV.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VẫC TƠ ĐỘNG CƠ KHễNG ĐỒNG BỘ

4.1Nguyên lý điều khiển vectơ:

Dựa trên ý tởng điều khiển động cơ không đồng bộ tơng tự nh 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 đợc mômen tối u theo công thức tính mômen :

M=KI = KIktI

Trong đó : Ikt, I - dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng

 - từ thông động cơ

Hình 1-1: Sự tơng tự giữa điều khiển động cơ một chiều và điều khiển vectơ

Tơng tự ở điều khiển động cơ không đồng bộ, nếu ta sử dụng công thức:

M = KmrIqs = KmIdsIqs (khi chọn trục d trùng với chiều vectơ từ thông rôto)