Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số động cơ trong điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ

Những năm gần đây, 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 đã tạo sự chuyển biến cơ b

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Đinh Văn Hai

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ TRONG ĐIỀU

KHIỂN VEC TƠ ĐCKĐB

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện luận văn

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Rr Điện trở dây dẫn rotor

TĐĐXCBP Truyền động điện xoay chiều ba pha

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Các khả năng nối với nguồn của các cuộn dây

Bảng 3.2: Trình tự thực hiện 3 vector U1 , U2 và U0 hoặc U7

Bảng 3.3: Module của vector biên trái và biên phải tính bằng các thành phần điện áp usα, usβ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ 10

Hình 1.2: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha 11

Hình 1.3: Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi giảm điện áp cấp cho động cơ 13

Hình 1.4: Động cơ KĐB với R1f và X1f trong mạch stator 14

Hình 1.5: Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng bộ 15

Hình 1.6: Ảnh hưởng của điện trở mạch rotor đến đặc tính cơ 16

Hình 1.7: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f1 cấp cho động cơ 17

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý biến tần trực tiếp 21

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp 21

Hình 2.3: Sơ đồ nghịch lưu dòng 3 pha 23

Hình 2.4: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp 3 pha 24

Hình 2.5: Phân loại các phương pháp điều khiển ĐCKĐB bằng biến tần 26

Hình 2.6: Các dạng đặc tính cơ động cơ không đồng bộ khi 30

ta thay đổi tần số theo quy luật điều chỉnh 2s s U const f  và 2 s s U const f  30

Hình 2.7: Các dạng đặc tính cơ động cơ không đồng bộ khi ta thay đổi tần số theo quy luật điều chỉnh từ thông không đổi ( hay s s U const f  ) 31

Hình 3.1: Các hệ trục tọa độ 34

Hình 3.2: Mối liên hệ giữa hệ tọa độ  và dq 36

Hình 3.3: Sơ đồ khối của các phép biến đổi tọa độ 38

Hình 3.4: Các dạng mô hình ĐCĐXCBP 38

Hình 3.5: Mô hình không gian trạng thái của ĐCĐKĐB 41

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý của ĐCXCBP nuôi bởi biến tần nguồn áp 46

Hình 3.7: a) Sơ đồ nối ba cuộn dây pha theo khả năng thứ 4 của bảng 3.1 47

b) Vector không gian ứng với khả năng thứ 4 của bảng 3.1 47

Hình 3.8: Tám vector do ba cặp van bán dẫn của biến tần tạo nên 48

Hình 3.9: Vector us được phân tích thành hai vector ut và up 49

Hình 3.10: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần sáu thứ nhất S1 51

Hình 3.11: Các khả năng cho biết trước về vector điện áp stator us 53

Hình 3.12: Vector từ thông Ψs liên quan đến vector từ thông rotor Ψr dưới tác dụng của vector điện áp 57

Hình 3.13: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển DTC 58

Hình 3.14: Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC 60

Hình 3.15: Phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor trực tiếp 61

Hình 3.16: phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor gián tiếp 62

Hình 4.1: Đồ thị điện trở stator thay đổi trong thực tế vận hành 66

Hình 4.2: Đồ thị minh họa ảnh hưởng của Rs 68

Hình 4.3: Cấu trúc bộ bù sự thay đổi điện trở 69

Hình 4.4: Đồ thị điện trở rotor thay đổi trong thực tế vận hành 71

Hình 4.5: Sai số của góc s 72

Hình 4.6: nhận dạng tham số Tr bằng khâu bù san phẳng 75

Hình 4.7: Sơ đồ khối điều khiển tựa từ thông rotor động cơ không đồng bộ 78

Hình 4.8: Sơ đồ mạch khi dòng điện pha A qua vị trí 0 79

Hình 4.9: Kéo dài khoảng thời gian dòng điện pha A qua vị trí 0 80

Hình 4.10: Dòng điện pha B và C sẽ không đổi khi dòng điện pha A có giá trị 0 81

Hình 4.11: Điện áp cảm ứng trên pha A 81

Hình 4.12: Hằng số thời gian rotor ước lượng và thực tế 83

Hình 4.13: Từ thông rotor tính toán và thực tế 83

Hình 4.14: Momen tính toán và momen thực tế 84

Hình 4.15: Ước lượng tốc độ 84

Hình 4.16: Nhận dạng các thông số bằng sơ đồ mạng thông minh 86

Hình 4.17: Sơ đồ mạng thông minh ước lượng Rr. 88

Hình 4.18: Sơ đồ mạng thông minh hai lớp dùng để ước lượng từ thông rotor 88

Hình 4.19: Quan hệ dòng điện stator và điện trở stator Rs 90

Hình 4.20: Ước lượng dòng điện stator trên trục D dựa theo (55) 91

Hình 4.21: Ước lượng dòng điện stator trên trục Q dựa theo (59) 91

Hình 4.22: Ước lượng Rs bằng cách sử dụng ANN 91

Hình 4.23: Sơ đồ khối điều khiển gián tiếp vector động cơ không đồng bộ với ước lượng online điện trở stator và rotor 93

Hình 4.24: Điện trở rotor và điện trở stator được sử dụng trong điều khiển khi không có bù và khi có bù khi có sự thay đổi đột ngột đến 40% 95

Hình 4.25: Điện trở rotor và điện trở stator sử dụng trong điều khiển khi có và không có RRE và SRE khi có sự thay đổi từ từ 96

Mở đầu

Động cơ không đồng bộ có cấu trúc đơn giản, chắc chắn, giá thành hạ, vận hành

và bảo dưỡng dễ dàng Tuy nhiên do cấu trúc phi tuyến đa thông số, nên việc điều khiển đông cơ không đồng bộ gặp nhiều khó khăn

Những năm gần đây, 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 đã 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 đã được đề xuất cho việc điều khiển động cơ không đồng bộ Đặc biệt, phương pháp điều khiển vector là một phương pháp tin cậy và hiệu quả để điều khiển các hệ động cơ không đồng bộ nhờ

đó việc ứng dụng động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi

Tuy nhiên phương pháp điều khiển vector vẫn còn tồn tại những vấn đề cần phải giải quyết để phương pháp này được hoàn thiện hơn như: vấn đề về giải quyết các nhiễu trong hệ thống, xác định các giá trị thực và ước lượng các giá trị cần trong quá trình điều khiển Việc ước lượng phụ thuộc vào một số thông số của động cơ và các thông số này thường thay đổi trong quá trình vận hành của máy Ước lượng giá trị cần càng tiệp cận với giá trị thực của động cơ thì các giá trị cần điều khiển như momen, tốc độ, công suất càng được điều chỉnh một cách chính xác Do vậy, đề tài của em đi vào nghiên cứu vấn đề ảnh hưởng của các thông số động cơ không đồng

bộ đến ước lượng các giá trị cần của phương pháp điều khiển vector Từ đó đưa ra các hướng để loại bỏ hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của các thông số động cơ đến quá trình điều khiển

Cấu trúc của luận văn gồm: phần mở đầu; chương 1, 2, 3 và 4; phần kết luận chung; tài liệu tham khảo; phụ lục

Nội dung chính của luận văn:

Chương 1: giới thiệu về các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

ba pha

Chương 2: giới thiệu về phương pháp điều khiển biến tần động cơ không đồng bộ ba pha

Chương 3: nghiên cứu về phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor động cơ không đồng bộ

Chương 4: nghiên cứu về ảnh hưởng của các tham số đến phương pháp điều khiển vector và đưa ra các hướng để khắc phục ảnh hưởng của các tham số này

Trong quá trình làm luận văn, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn TS Phạm Hùng Phi và các thầy giáo trong bộ môn Thiết Bị Điện – Điện Tử, viện Điện Đến nay, luận văn đã hoàn thành với đầy đủ nội dung, yêu cầu

đề ra Tuy nhiên mặc dù đã rất cố gắng nhưng do khả năng kiến thức của bản thân còn hạn chế, thời gian có hạn nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự giúp đỡ, chỉ bảo của các thầy giáo, sự góp ý chân thành của các bạn đồng nghiệp để bản luận văn được hoàn thiện hơn

Trước hết, tác giả luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới sự giúp đỡ chỉ bảo, hướng dẫn tận tình của Tiến sĩ Phạm Hùng Phi Thầy đã gợi mở hướng nghiên cứu và đã tận tình hướng dẫn với những ý kiến cụ thể, sâu sắc, tạo điều kiện giúp tôi từng bước hoàn thiện, nâng cao khả năng nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận văn này

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo và các cán bộ, nhân viên thuộc bộ môn Thiết Bị Điện – Điện Tử, Viện Điện, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ

và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn một số đồng nghiệp, bạn cùng lớp đã có những đóng góp nhất định đối với công việc học tập, nghiên cứu của tôi trong thời gian qua

Chương 1: Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

1.1 Giới thiệu về động cơ điện không đồng bộ

Ngày nay, động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và chiếm một tỉ lệ lớn so với các động cơ khác Ưu điểm của loại động cơ này là cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, giá thành hạ, vận hành an toàn, chịu được điều kiện làm việc môi trường khắc nhiệt, nối trực tiếp với lưới điện

áp xoay chiều ba pha nên không cần dùng đến bộ biến đổi

tính điều chỉnh (khi mở, khi điều chỉnh tần số, ổn định và khống chế tốc độ) phức tạp nên gặp khó khăn trong quá trình điều chỉnh

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của điện tử công suất, vi xử lý, tin học, đã cho phép giải quyết những bài toán phức tạp trong vấn đề điều khiển động cơ xoay chiều ba pha, đáp ứng thời gian thực với chất lượng điều khiển cao, khắc phục được những hạn chế trước đây (mở rộng dải điều chỉnh, điều chỉnh với độ chính xác cao) và dần dần thay thế hệ truyền động một chiều

1.1.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ ( tài liệu số [5])

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

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

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

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

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

2 Rotor: Gồm trục, lõi sắt và dây quấn

a Trục: Làm bằng thép để đỡ lõi sắt rotor

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

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

- Rotor dây quấn: dây quấn giống dây quấn stator Dây quấn 3 pha rotor thường đấu sao, 3 đầu kia nối vào 3 vành trượt làm bằng đồng đạt cố định ở một đầu trục

Có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch rotor

để cải thiện mở máy, điều chỉnh tốc độ, hệ số công suất Bình thường làm việc dây quấn rotor nối ngắn mạch

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

3 Khe hở

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

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

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

p

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

p là số đôi cực của dây quấn stator

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

Lúc đầu khi từ trường stator đã sinh ra thì rotor tăng tốc nhanh để cố gắng bắt kịp từ trường quay đó, đồng thời từ trường quay quét qua rotor càng giảm nên sức điện động cảm ứng phía rotor sẽ giảm dần và dòng điện rotor cũng giảm theo Nếu tốc độ rotor bằng tốc độ từ trường quay thí lúc đó sẽ không có lực điện từ được sinh ra và rotor quay chậm lại Do đó tốc độ rotor không thể bằng tốc độ đông

bộ, tốc độ đồng bộ phụ thuộc vào tần số nguồn điện cấp và số đôi cực của động cơ, sai khác giữa 2 tốc độ gọi là tốc độ trượt

số [1])

1.2.1 Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha

Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ 1.1

Hình 1.1: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ

Trong đó:

U1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stator (V)

Iµ, I1, I’2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stator và dòng điện rotor đã quy đổi về stator (A)

Xµ, X1, X’2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stator và điện kháng rotor đã quy đổi về stator (Ω)

Rµ, R1, R’2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stator và mạch rotor đã quy đổi về stator (Ω)

Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng:

' '

2

1 2 2 2

3U M

Hình 1.2: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha

Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K Tại điểm đó:

R s

2 1

3U M

2  (R  R  X )

Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 (chế độ động cơ) nên giá trị sth và

Mth của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+)

Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KĐB là một đường cong phức tạp có hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K Đoạn AK gần thẳng và cứng Trên đoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại Do vậy động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn định Đoạn BK cong với độ dốc dương Trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định

Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 (s=1) và momen

2 fp

1.2.2: Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ

Từ phương trình đặc tính cơ 1.1 của động cơ không đồng bộ, ta thấy các thông

số ảnh hưởng đặc tính cơ bao gồm:

- Điện áp lưới U1

- Tần số lưới điện cung cấp cho động cơ f1

- Điện trở, điện kháng mạch stator (nối thêm điện trở phụ R1f và X1f vào stator)

- Điện trở mạch rotor ( nối thêm điện trở phụ R2f vào mạch rotor đối với động cơ rotor quấn dây)

- Ảnh hưởng số đôi cực p của động cơ

Khi các thông số này thay đổi sẽ gây ra biến động các đại lượng:

 

- Độ trượt tới hạn:

2 2 1

' 2

nm

th

X R

R s

2 1

2

3

nm

ph th

X R R

U M

1.2.2.1: Ảnh hưởng của điện áp nguồn cung cấp cho động cơ:

Điện áp lưới U1 thay đổi bằng cách sử dụng bộ điện áp xoay chiều Các tham

số còn lại là hằng số Khi U1 giảm  ( Mth ) Mômen tới hạn sẽ giảm bình phương lần độ suy giảm của điện áp Mth giảm  Uf12 giảm

Và độ trượt không thay đổi Vậy ta có đường đặc tính cơ trong trường hợp này

Hình 1.3: Đặc tính cơ của ĐCKĐB khi giảm điện áp cấp cho động cơ

Vậy khi giảm điện áp cấp cho động cơ làm cho Mth giảm nhanh Tuy nhiên Sth

không đổi vì vậy phương án giảm điện áp thường thích hợp cho dạng phụ tải như: quạt gió, máy bơm ly tâm

1.2.2.2 Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng stator:

Được thực hiện bằng cách mắc thêm điện trở (R1f) hoặc điện kháng (X1f) nối tiếp vào phía stator của động cơ

Tốc độ từ trường không đổi: 1 = const, Sth giảm , Sth giảm

Do đó đặc tính cơ có dạng:

Hình 1 4: Động cơ KĐB với R 1f và X 1f trong mạch stator

a) Sơ đồ với R 1f ; b) Sơ đồ với X 1f ; c) Đặc tính cơ

Ta thấy rằng khi cần tạo ra đặc tính có mômen khởi động là Mmm thì đặc tính

cơ ứng với X1f trong mạch cứng hơn đặc tính cơ với R1f

Dựa vào tam giác tổng trở ngắn mạch có thể xác định được X1f, hoặc R1f trong mạch stator khi khởi động

a) b)

Hình 1.5: Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực của động cơ không đồng bộ

a) Thay đổi số đôi cực với P 2 = P 1/2 và M th = const

b) Thay đổi số đôi cực với P 2 = P 1/2 và P 1 = const

1.2.2.4 Ảnh hưởng của điện trở, điện kháng phụ mạch Rotor:

Chỉ dùng cho động cơ không đồng bộ rotor dây quấn, sử dụng bộ điều chỉnh xung điện trở, người ta thực hiện bằng cách mắc thêm R2f vào mạch rotor

' 2 '

Hình 1.6: Ảnh hưởng của điện trở mạch rotor đến đặc tính cơ

a) Sơ đồ đấu dây ; b) Đặc tính cơ

Vậy R2f càng tăng, dòng điện khởi động càng giảm, Mkđ tăng lên, sau đó mômen sẽ giảm Do đó căn cứ vào điều kiện khởi động và đặc điểm của phụ tải mà chọn điện trở cho thích hợp

Thay đổi bằng cách sử dụng bộ biến tần dùng cho cả động cơ dây quấn và lồng sóc

Khi f1> f1đm ta có :

' 2

'

12

2 1 '

1 2

2 1

8

th

f f

L L P

Khi f1 < f1đm tức là khi f1 giảm ta có:

Khi f1 giảm  1 giảm  Sth tăng  Mth tăng Xnm giảm

Ta có đặc tính cơ trong 2 trường hợp

Hình 1.7: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện f 1 cấp cho động cơ

Trong trường hợp khi tần số nguồn cấp cho động cơ giảm dẫn đến tổng trở của

không đổi thì dòng điện khởi động tăng rất nhanh do vậy khi giảm tần số cần giảm điện áp theo một quy luật nhất định để giữ mômen theo chế độ định mức

Qua đồ thị đặc tính cơ ta thấy rằng:

Khi f1< f1đm với điều kiện

f

U

1

1 = const thì Mth giữ ở không đổi

Khi f1> f1đm thì Mth tỉ lệ nghịch với bình phương tần số

Khi tăng giảm tần số f1 cấp cho động cơ chủ yếu để điều chỉnh tốc độ động cơ trường hợp mở máy rất ít dùng hoặc có dùng thì dùng riêng

1.2.3 Khái quát chung về điều chỉnh tần số động cơ điện không đồng bộ

Để thực hiện điều tần người ta dùng bộ biến tần để làm thay đổi tần số điện áp cấp cho stator theo đúng quy luật của tín hiệu đặt Ta có thể chia các bộ biến tần thành 2 loại: Biến tần dùng máy điện và biến tần dùng van

Nói chung, các bộ biến tần dùng máy điện đều phức tạp, sử dụng nhiều máy điện trong đó có máy điện một chiều, công suất tổng cộng lớn, hiệu suất thấp và khó điều chỉnh Do đó các bộ biến tần dùng máy điện trong thực tế ít được sử dụng Các bộ biến tần dùng van có thể được phân thành ba loại: biến tần trực tiếp, biến tần gián tiếp Các bộ biến tần này đều sử dụng van điều khiển động lực (Thyristors) Khi sử dụng phương pháp điều tần cần chú ý rằng: máy điện được chế tạo để làm việc ở một tần số định mức, nên khi thay đổi tần số thì chế độ làm việc của máy điện sẽ bị thay đổi vì tần số ảnh hưởng trực tiếp đến từ thông máy điện Do

đó dễ gây hiện tượng quá tải về dòng (khi tần số quá lớn) hoặc nóng máy (khi tần số quá nhỏ) Cho nên, khi điều tần người ta phải đồng thời thay đổi biên độ điện áp đặt lên stator

Mặc dù phương pháp điều tần đã khắc phục được nhiều nhược điểm so với phương pháp điều áp, đó là: nâng cao được các chỉ tiêu chất lượng, dễ dàng trong việc đảo chiều động cơ Tuy nhiên việc điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều vẫn còn gặp rất nhiều khó khăn, bởi vì động cơ xoay chiều là phần tử phi tuyến mạnh, phần cảm và phần ứng không tách biệt nên rất khó khăn khi điều chỉnh tốc độ và mômen

Chương 2: Phương pháp điều khiển tần số động cơ không đồng bộ

2.1 Giới thiệu về biến tần

Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngày càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ điện

Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ động cơ điện Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống… Ví dụ: máy ép nhựa làm

đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông

số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông …

Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:

tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất

tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này

Khảo sát cho thấy:

 Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng

 Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu

về từ việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ

Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt

 Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ

 Giúp tiết kiệm điện năng tối đa

Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương thức khác, không dùng mạch điện tử Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp Ưu điểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn chế như:

- Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn

- Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu

- Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo trì cũng như thay mới

- Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp ngõ ra do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp

Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải… mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường hợp này

Biến tần thường được chia làm hai loại:

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý biến tần trực tiếp

Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy:

- Bộ biến tần trực tiếp chức năng chỉnh lưu và nghịch lưu cùng nằm trên một

bộ biến đổi

- Chỉ chuyển mạch một lần nên hiệu suất cao

- Mạch van khá phức tạp, số lượng van lớn

- Biến tần được sử dụng với phạm vi điều chỉnh f2<f1

Vì những nhược điểm trên mà loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng

2.1.2 Biến tần gián tiếp

Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp

Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy

có tên gọi là biến tần gián tiếp Chức năng của các khối như sau:

* Chỉnh lưu: Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều Chỉnh lưu có thể là không điều chỉnh hoặc có điều chỉnh Ngày nay đa số chỉnh lưu là không điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến đổi Nói chung chức năng biến đổi điện áp và tần số được thực hiện bởi nghịch lưu thông qua luật điều khiển Trong các bộ biến đổi công suất lớn, người ta thường dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi quá tải Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà

bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định

* Lọc: Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp sau chỉnh lưu

* Nghịch lưu: Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập, nghịch lưu có thể là một trong hai loại sau:

- Nghịch lưu nguồn dòng: ở dạng này, dòng điện ra tải được định hình trước, còn dạng điện áp phụ thuộc vào tải Nguồn cung cấp phải là nguồn dòng để đảm bảo giữ dòng một chiều ổn định, vì vậy nếu nguồn là sức điện động thì phải có điện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điều khiển ổn định dòng điện

- Nghịch lưu nguồn áp: trong dạng này, dạng điện áp ra tải được định dạng trước (thường có dạng xung chữ nhật) còn dạng dòng điện phụ thuộc vào tính chất tải Nguồn điện áp cung cấp phải là nguồn sức điện động có nội trở nhỏ Trong các ứng dụng điều kiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu nguồn áp

2.1.2.1 Nghịch lưu dòng điện

Nghịch lưu dòng điện là nghịch lưu sử dụng nguồn một chiều là nguồn dòng Trong các biến tần nguồn dòng dùng chỉnh lưu có điều khiển cùng với cuộn cảm tạo nên nguồn dòng cung cấp cho nghịch lưu

Trong thực tế nghịch lưu dòng ba pha được sử dụng phổ biến vì công suất của

nó lớn và đáp ứng được các ứng dụng trong công nghiệp

Nghịch lưu dòng ba pha sử dụng tiristo Do đó có thể khoá được các tiristo cần phải có tụ chuyển mạch Vì mạch nghịch lưu dòng nên nguồn đầu vào phải là nguồn

dòng vì vậy Ld

C1 C3

-Id

E

Hình 2.3: Sơ đồ nghịch lưu dòng 3 pha

Do tải luôn mắc song song với tụ chuyển mạch nên gữa hai tụ luôn luôn có sự trao đổi năng lượng với nhau nên giữa tải và tụ luôn có sự trao đổi năng lượng, ảnh hưởng này làm cho đường đặc tính ngoài khá dốc và hạn chế vùng làm việc của nghịch lưu dòng

Nghịch lưu dòng không chỉ tiêu thụ công suất phản kháng mà còn phát ra công suất tác dụng vì: dòng id không đổi hướng, nhưng dấu điện áp trên hai đầu nguồn

có thể đảo đấu Điều đó có nghĩa, khi nghịch lưu làm việc với tải là động cơ xoay chiều thì động cơ có thể thực hiện hãm tái sinh

2.1.2.2 Nghịch lưu nguồn áp

Nghịch lưu nguồn áp là nghịch lưu với đầu vào một chiều điều khiển được Điện áp một chiều cung cấp dùng chỉnh lưu có điều khiển hoặc chỉnh lưu không điều khiển sau đó điều chỉnh nhờ bộ biến đổi xung áp một chiều

Nghịch lưu nguồn áp có dạng điện áp ra xung chữ nhật, biên độ được điều chỉnh nhờ thay đổi điện áp một chiều Hình dạng và giá trị điện áp ra không phụ thuộc phụ tải Điện áp ra có độ méo phi tuyến lớn, có thể không phù hợp với một số loại phụ tải Hệ số công suất của của sơ đồ không đổi, không phụ thuộc vào tải, tuy nhiên phải qua nhiều khâu và hiệu suất kém do đó chỉ phù hợp với tải nhỏ

D4

Z +

D4 S4

Hình 2.4: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp 3 pha

So sánh hai bộ biến tần gián tiếp nguồn áp và nguồn dòng:

Trong bộ biến tần nguồn dòng, khi hai khóa bán dẫn trong cùng một nhánh của bộ nghịch lưu cùng dẫn (do kích nhầm hoặc do chuyển mạch), dòng ngắn mạch qua hai khoá được hạn chế ở mức cực đại Trong bộ biến tần nguồn áp, việc này có thể gây ra sự cố ngắn mạch làm hỏng khoá bán dẫn Do đó có thể xem biến tần nguồn dòng làm việc tin cậy hơn biến tần nguồn áp

Do mạch chỉnh lưu tạo nguồn dòng có thể hoạt động ở chế độ trả năng lượng

về nguồn, bộ biến tần nguồn dòng có thể làm việc hãm tái sinh Với bộ biến tần

nguồn áp, việc hãm tái sinh muốn thực hiện cần thêm vào hệ thống một cầu chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn

Trong trường hợp mất nguồn lưới khi đang hoạt động, bộ biến tần nguồn áp

có thể hoạt động ở chế độ hãm động năng, nhưng bộ biến tần nguồn dòng không thể hoạt động ở chế độ này khi đó

Bộ biến tần nguồn dòng được sử dụng cuộn kháng L khá lớn trong mạch chỉnh lưu tạo ra nguồn dòng, điều này làm đáp ứng quá độ của hệ thống chậm hơn

so với bộ biến tần nguồn áp

Khi hoạt động với nguồn cấp là DC bộ biến tần nguồn áp nhỏ gọn và rẻ tiền hơn so với biến tần nguồn dòng thường cồng kềnh do phải sử dụng cuộn kháng L lớn và các tụ chuyển mạch có giá trị cao

Dải điều chỉnh biến tần nguồn dòng thấp hơn dải điều chỉnh của biến tần nguồn áp

2.2 Điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ

Cho đến nay, đã có nhiều lý thuyết xoay quanh vấn đề các vấn đề điều khiển tần

số động cơ không đồng bộ, như điều khiển theo luật điện áp/tần số (U/f), điều khiển theo từ trường (FOC – Field Oriented Control) và điều khiển trực tiếp momen (DTC – direct torque control) Đồng thời với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP – Digital Signal Processor) nên đã có nhiều loại bộ điều khiển động cơ không đồng bộ có chất lương cao ra đời

Phương pháp điều chỉnh tần số ĐCKĐB có hiển thị được chia ra điều chỉnh vô hướng và điều khiển vector Sau đây là hình mô tả sự phân chia tổng quát của phương pháp biến tần:

Điều khiển véctơ

Điều khiển vô

hướng

U/f=hằng số Is=f(w) Tựa theo

từ trường

Tuyến tính hoá hồi tiếp

Điều khiển trực tiếp moment

Điều khiển thụ động

Điều khiển biến tần

Trực tiếp (Blasckle)

Gián tiếp (Hasse)

Vòng hở NFO (jonsson)

Điều khiển momen

và từ thông vòng kín

Hình 2.5: Phân loại các phương pháp điều khiển ĐCKĐB bằng biến tần

Với phương pháp điều khiển vô hướng, dựa trên các quan hệ trong trạng thái dừng, ta chỉ có thể điều khiển được rời rạc biên độ của vector điện áp, dòng, và từ thông Do đó, điều khiển vô hướng không đề cầp đến vị trí vector không gian Ngược lại, với phương pháp điều khiển vector, dựa trên mối quan hệ trạng thái động thì không chỉ biên độ và tần số mà cả vị trí tức thời của các tham số trên được kiểm soát Do đó, phương pháp điều khiển vector đề cập đến vị trí của các vector không gian và cho ta biết hướng chính xác của trong cả trạng thái dừng và động Dựa vào định nghĩa ở trên, vector không gian là triết lý điều khiển tổng quát được sử dụng theo rất nhiều cách Phương pháp phổ biến nhất đó là điều khiển theo từ trường (FOC) hay còn gọi là điều khiển vector được đề xuất bởi Hasse và Blasclke và được ứng dụng cho cả ĐCKĐB công suất lớn

Trong điều khiển vector, các phương trình của động cơ được chuyển sang hệ trục toạ độ quay đồng bộ với vector từ thông rotor Hệ trục toạ độ mới này được gọi

là hệ trục toạ độ trường Trong hệ toạ độ trường - khi biên độ từ thông rotor không đổi - ta có quan hệ giữa các biến điều khiển và mômen là tuyến tính Thêm nữa giống như đông cơ một chiều kích từ độc lập, biên độ từ thông được giảm từ thông yếu với mục đích giới hạn điện áp stator khi động cơ đạt tốc độ cao Việc chuyển các phương trình ĐCKĐB trong hệ toạ độ trường có cơ sở vật lý vì nó tương ứng với sự sinh ra momen quay được tách ra trong động cơ một chiều kích từ độc lập Tuy nhiên trên quan điểm lý thuyết, các dạng khác của việc chuyển hệ trục toạ độ được chọn có thể thu đựơc sự tách biệt và tuyến tính hoá các phương trình của ĐCKĐB Nó đặt nền tảng cho phương pháp điều khiển phi tuyến hiện đại Marinoetal đã đề xuất việc chuyển đổi phi tuyến các biến trạng thái của động cơ sao cho trong hệ trục toạ độ mới tốc độ và biên độ từ thông rotor được tách bởi khâu hồi tiếp, phương pháp này được gọi là điều khiển tuyến tính hoá hồi tiếp (FLC) hay tách biệt đầu vào - đầu ra Một cách tiếp cận tương tự, dẫn ra từ mô hình đa vô hướng (multiscale) của ĐCKĐB, được đề xuất bởi Krzeminski Một phương pháp dựa trên

sự lý thuyết biến đổi và định hình năng lượng được khảo sát gần đây và được gọi là điều khiển thụ động (PBC) Trong trường hợp này, động cơ không đồng bộ được miêu tả bằng phương trình Euler-Lagrange trong hệ toạ độ thông thường

Vào những năm giữa thập kỷ 80, có xu hướng tiêu chuẩn hoá các hệ thống điều khiển dựa vào FOC, thì xuất hiện hướng nghiên cứu mới đầy sáng tạo của Depenbrock và của Takahashi và Noguchi, với ý tưởng tách khỏi việc chuyển đổi toạ độ hay việc đưa về tương tự điều khiển động cơ điện một chiều Những ý tưởng này được đế xuất để thay thế phương pháp điều khiên tách biệt bằng phương pháp điều khiển mang tính đột phá dựa vào thao tác tắt bật của thiết bị công suất bán dẫn chuyển đổi

Phương pháp này điều khiển momen trực tiếp (DTC) và từ năm 1985 nó đã liên tục được phát triển và hoàn thiện bởi nhiều nhà nghiên cứu Các bộ điều khiển theo phương pháp FOC dựa trên lý thuyết không gian máy điện và điều khiển bộ biến tần

theo phương pháp PWM điều chế vector không gian (SVPWM – Space Vector Pulse Width Modulation) Cũng dựa trên cơ sở SVPWM mà phương pháp điều khiển theo luật U/f vòng đóng có thể nâng cao được chất lượng với bộ điều chỉnh PI cùng với các chiến lược khác (điều khiển theo độ trượt, điều khiển tối ưu theo hiệu suất) nhằm nâng cao chất lượng hệ truyền động

Với sự hoàn thiện của lý thuyết điều khiển thích nghi theo mô hình trạng thái (MRAS – Model Reference Adaptive System) và sự ra đời của các bộ DSP chuyên dụng đã cho phép điều khiển động cơ không dùng Sensor Các hệ truyền động U/f, FOC, ngày nay đã khá phổ biến và hoàn thiện về chất lượng cũng như ứng dụng Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu vẫn được tiếp tục với DTC nhằm nâng cao hơn nữa cũng như lợi ích mà nó đem lại

2.2.1 Phương pháp điều khiển vô hướng:

2.2.1.1 Điều chỉnh điện áp - tần số với từ thông là hàm của momen tải

Chế độ làm việc của động cơ khi điều khiển điện áp - tần số không đổi được phân tích trên cơ sở giả thiết: điện áp stator có dạng hình sin đối xứng ở ba pha, có trị số biên độ và tần số không đổi Với giả thiết đó có thể bỏ qua hiệu ứng bề mặt, điện trở stator không đổi, điện trở từ hoá có thể bỏ qua Sức điện động stator Es sinh

ra bởi từ thông khe hở sẽ nhỏ hơn điện áp stator Us một lượng sụt áp trên trở kháng tản từ stator Do bỏ qua các thành phần sóng hài của sức từ động nên từ thông khe

hở sẽ có dạng hình sin và từ thông móc vòng mỗi vòng dây cũng là hàm hình sin

Từ thông móc vòng một vòng dây stator có dạng:

Trong đó: s = 2fs – tần số góc của điện áp nguồn cung cấp

Sức điện động ứng với một vòng dây stator là:

s s s s s s s s s

Với: s là tốc độ góc của từ trường quay (còn gọi là tốc độ đồng bộ)

s=2fs (fs là tần số của điện áp nguồn cấp vào stator) Tại tần số fs đủ lớn nào đó, ta có: js L i s s R i s s

Khi đó, một cách gần đúng ta viết lại (2.3) như sau:

u



 do đó khi tải thay đổi

s

u

 theo tỷ lệ

tương ứng Trong điều khiển động cơ KĐB thường áp dụng hai luật điều khiển sau:

Luật điều khiển 2s

s

U const

máy quấn… có phương trình đặc tính cơ của tải như sau:

U const

gió Momen tải tỷ lệ bình phương với tốc độ:

Hình 2.6: Các dạng đặc tính cơ động cơ không đồng bộ khi

ta thay đổi tần số theo quy luật điều chỉnh 2s

s

U const

f 

2.2.1.2 Điều khiển điện áp - tần số giữ từ thông động cơ không đổi

Điều khiển từ thông khe hở không đổi, động cơ không đồng bộ 3 pha có khả năng sinh mômen lớn trong dải điều chỉnh tốc độ rộng, ngay cả ở dải tần số thấp khi ảnh hưởng của điện trở stator lớn Để duy trì được từ thông khe hở không đổi trong dải tốc độ rộng, sức điện động stator sẽ được điều chỉnh tỉ lệ với tần số stator thay cho phương pháp điều chỉnh tỉ lệ điện áp - tần số không đổi

Sức điện động stator Es được tính theo công thức:

Es = j.Xm.Im = j.m.Lm.Im (2.10) Trong đó: Lm - điện cảm từ hoá

Các biểu thức trên cho thấy từ thông khe hở tỉ lệ với tỉ số Es/s và do đó tỉ lệ với tích số Lm.Im Do đó điều khiển từ thông khe hở không đổi sẽ đồng nghĩa với điều chỉnh tỉ số Es/s không đổi Nếu coi điện trở stator không đáng kể so với điện cảm thì Es/s ≈ Us/s Nếu mạch từ động cơ không bão hoà và Lm là hằng số, từ thông khe hở sẽ tỉ lệ với dòng từ hoá Ở chế độ non tải, dòng điện từ hoá sẽ có giá trị lớn tương đối với giá trị ở chế độ làm việc bình thường của động cơ

Phương pháp này áp dụng cho các tải hệ thống nâng hạ, băng tải, ép Momen tải luôn có giá trị không đổi (tải không đổi):

Mc = Mcđm = const

Dạng của đặc tính cơ của động cơ và của tải như hình sau:

Hình 2.7: Các dạng đặc tính cơ động cơ không đồng bộ khi

ta thay đổi tần số theo quy luật điều chỉnh từ thông không đổi ( hay s

s

U const

2.2.2 Phương pháp điều khiển vector

Phương pháp điều khiển vector là một phương pháp hiện đại, hiện nay phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và nó là một xu thế phát triển trong lĩnh vực điều khiển động cơ điện xoay chiều ba pha nói chung cũng như ĐCKĐB nói riêng

Hai hướng phát triển chính của phương pháp này là điều khiển trực tiếp momen DTC và điều khiển tựa từ thông FOC Trong phần dưới đây em xin trình bày rõ hơn về phương pháp điều khiển vector và đi sâu tìm hiểu hai phương pháp này

Chương 3: Phương pháp điều khiển vector ĐCKĐB

3.1 Vector không gian

3.1.1 Khái niệm về vector không gian trong ĐCKĐB

Trong phần này ta tìm cách xây dựng vector không gian trong hệ tọa độ abc của động cơ không đồng bộ, rồi chuyển sang các hệ tọa độ αβ và dq

Trong động cơ KĐB ta không cần quan tâm đến việc động cơ được cấu tạo theo hình sao hay hình tam giác, ở đây ba dòng điện isa, isb, isc là ba dòng chảy từ lưới qua đầu nối với động cơ Khi động cơ chạy bằng biến tần, đó là ba dòng đầu ra của biến tần Ba dòng điện đó thoả mãn phương trình sau:

Một cánh lý tưởng thì ba cuộn dây của động cơ xoay chiều ba pha đặt lệch nhau

1 góc 1200 trên mặt cắt ngang nếu trên mặt phẳng đó ta thiết lập một hệ trục toạ độ phức với trục đi qua cuận dây pha a của động cơ ta có thể dựng vector không gian sau đây:

Đối với các đại lượng khác của động cơ như điện áp, dòng rotor, từ thông stator, từ thông rotor đều có thể xây dựng các vector tương ứng đối với dòng điện

kể trên

3.1.2 Các phép biến đổi tọa độ

3.1.2.1 Các hệ tọa độ

Để thuận tiện trong việc tính toán, mô phỏng điều khiển máy điện không đồng

bộ, người ta thường hay sử dụng các hệ tạo độ abc, αβ và dq

Hệ tọa độ abc là hệ tọa độ có ba trục cố định được đặt lệch nhau một góc 1200

trong không gian và trùng với trục các cuộn dây của máy điện Mô tả hệ trục tọa độ abc như hình vẽ 3.1 sau:

O

b

a

dq

Hình 3.1: Các hệ trục tọa độ

Hệ trục tọa độ αβ là hệ trục tọa độ cố định so với stator, bao gồm hai trục đặt vuông góc với nhau Trục α được gọi là trục thực, còn trục β được gọi là trục ảo Hình 3.1 mô tả hệ trục αβ

Hệ trục tọa độ dq là hệ trục tọa độ bao gồm hai trục đặt vuông góc với nhau và

cố định so với từ trường rotor của động cơ Trục d được gọi là trục thực, còn trục q được gọi là trục ảo Hình 3.1 mô tả hệ trục dq:

Từ công thức (3.3) ta thấy vector dòng điện is(t) được hình thành từ ba dòng điện của ba pha abc của cuộn dây stator động cơ, tức là trong thành phần của dòng

is(t) bao gồm ba biến isa(t), isb(t), isc(t) Vì vậy người ta tìm cách để giảm bớt số biến



β

α

để thuận tiện cho việc tính toán và mô phỏng Sau đây trình bày các phép biến đổi được dùng trong động cơ không đồng bộ

3.1.2.2 Phép biến đổi abc↔αβ

Phép biến đổi abc→αβ được gọi là phép biến đổi thuận Clarke có nhiệm vụ

chuyển đổi hệ tọa độ tĩnh ba pha abc sang hệ tọa độ tĩnh hai pha , hay còn gọi là phép chuyển đổi 3/2

1 11

iii

Bộ biến đổi ngược Clarke

Bộ biến đổi ngược Clarke thực hiện chuyển đổi hệ tọa độ tĩnh hai pha  sang

hệ tọa độ tĩnh ba pha abc, hay còn gọi là phép chuyển đổi ngược 2/3:

A B C

1 0i

2

32

Trong đó:  là góc hợp bởi góc đứng yên  và trục quay d

Hay viết dưới dạng ma trận:

Từ công thức (3.8b) ta biến đổi thu được hệ phương trình chuyển đổi dòng điện

từ hệ tọa độ quay dq sang hệ tọa độ  là:

sin cos

sin q cos d

3.1.2.4 Biến đổi tọa độ a b c, , dq

Theo các phép biến đổi trên ta có :

B

q C

3.1.2.5 Sơ đồ khối của các phép chuyển đổi

Từ các phép biến đổi trình bày, ta có sơ đồ khối của các phép biến đổi như sau:

Biến đổi ngược toạ độ Biến đổi thuận toạ độ

Hình 3.3 : Sơ đồ khối của các phép biến đổi tọa độ

3.2 Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ (tài liệu số [4])

Để hiểu và thiết kế điều khiển một động cơ trước hết ta phải hiểu rõ mô hình động học của nó Một phương pháp điều khiển tốt phải đáp ứng được sự thay đổi của công nghệ, nên ta có thể nói một mô hình động học tốt cho động cơ sẽ đáp ứng được vấn đề đó

Thêm vào nữa, mô hình động học phải đáp ứng đủ các hiệu ứng động học quan trọng xảy ra trong cả quá trình dừng và quá trình quá độ Nó cũng phải đáp ứng được cho bất cứ sự thay đổi nào của nguồn cấp biến tần như là điện áp hay dòng điện

hệ tọa độ (d-q)

Mô hình gián đoạn trên

hệ tọa độ (d- q)

Mô hình gián đoạn trên

hệ tọa độ (d- q)

Mô tả toán học

Mô hình liên tục ĐCKĐB

Mô hình gián đoạn ĐCKĐB

Để cho đơn giản, ta coi động cơ không đông bộ có những đặc điểm sau:

3.2.1 Mô hình liên tục của ĐCĐKĐB

Trước tiên, ta hãy xem xét mô hình của ĐCĐKĐB theo cách thể hiện trong không gian trạng thái trên hệ tọa độ stator Từ các phương trình cơ bản của ĐCKĐB

ta có hệ phương trình trên hệ tọa độ stator như sau :

s m r r r

d

u R i

dt d

s s

d i

dt L dt

d L