Vấn đề ước lượng từ thông trong điều khiển trực tiếp momen và điều khiển tựa vector từ thông stator động cơ không đồng bộ

Vector từ thông stator chỉ có thành phần thực 45 Hình 3-3 Cấu trúc hệ điều khiển theo phương pháp tựa theo từ thông Hình 3-4 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC – S

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản luận văn: Vấn đề ƣớc lƣợng từ thông trong điều khiển trực tiếp momen và điều khiển tựa vector từ thông stator động

cơ không đồng bộ” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo

PGS.TS Nguyễn Văn Liễn Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực

tế

Để hoàn thành luận văn này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác

Hà Nội, ngày 13 tháng 5 năm 2015

Học viên thực hiện

Nguyễn Tuấn Thành

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

LỜI NÓI ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG KHÔNG GIAN VECTOR 9

1.1 Tổng quan về động cơ không đồng bộ 9

1.1.1 Phân loại 9

1.1.2 Kết cấu 9

1.1.3 Nguyên lý làm việc 11

1.1.4 Ưu, nhược điểm và ứng dụng 12

1.2 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha 12

1.2.1 Khái niệm về các đại lượng vector không gian 12

1.2.2 Chuyển vị tuyến tính - vector không gian trong hệ trục tọa độ quay 21

1.2.3 Hệ tọa độ d,q 24

CHƯƠNG 2: ĐIỂU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN 27

2.1 Nguyên lý sinh momen 27

2.2 Điều chế vector điện áp không gian 30

2.3 Nguyên lý của phương pháp điều chế vector không gian 33

2.4 Điều khiển trực tiếp momen 35

2.5 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC - SVM 43

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TỰA VECTOR TỪ THÔNG STATOR 45

3.1 Nguyên lý điều khiển 45

3.2 Điều khiển định hướng từ thông stator 47

3.3 Điều khiển trực tiếp momen DTC - SVM và điều khiển tựa vector từ thông stator 51

CHƯƠNG 4: VẤN ĐỀ ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG 53

4.1 Đặt vấn đề 53

4.2 Ước lượng từ thông bằng phương pháp tích phân trực tiếp 54

4.3 Ước lượng từ thông sử dụng bộ lọc thông thấp 55

4.4 Mô phỏng hệ thống và một số kết quả 58

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Sơ đồ dây quấn và vector điện áp không gian 15 Hình 1-2 Mô hình vector động cơ và hình ảnh vector tại thời điểm t0 16 Hình 1-3 Mô hình máy điện trong hệ toạ độ cực 16 Hình 1-4 Sơ đồ thay thế của mô hình trong tọa độ cực 17

Hình 1-6 Sơ đồ thay thế của động cơ KĐB trong hệ trục hai pha αβ 20 Hình 1-7 Khái niệm về hệ trục tọa độ quay 21 Hình 1-8 Sơ đồ thay thế quy đổi trong hệ tọa độ quay 22

Hình 1-10 Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ trong hệ trực giao,

Hình 1-11 Đồ thị vector cho phương pháp điều khiển vector tựa từ thông

Hình 2-1 Sơ đồ nguyên lý của động cơ xoay chiều ba pha nuôi bởi biến

Hình 2-2 Sơ đồ nối 3 cuộn dây ứng với khả năng thứ 4 31

Hình 2-3 Tám vector điện áp chuẩn do ba cặp van bán dẫn của biến tần

Hình 2-4 Thực hiện vector u s bất kỳ bằng 2 vector điện áp chuẩn 33 Hình 2-5 Điều khiển momen bằng cách quay từ thông stator 36 Hình 2-6 Mô tả hàm đóng cắt mạch lực biến tần 37 Hình 2-7a Thay đổi vị trí vector s ở S1 khi d  = 0 39 Hình 2-7b Thay đổi vị trí vector s ở S1 khi d  = 1 40 Hình 2-8 Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp momen động cơ KĐB 41 Hình 2-9 Sơ đồ cấu trúc phương pháp điều khiển DTC-SVM 43

Hình 3-1

Vector dòng stator trong hệ tọa độ quay đồng bộ với trục d trùng với vector từ thông stator Vector từ thông stator chỉ có thành phần thực

45

Hình 3-3 Cấu trúc hệ điều khiển theo phương pháp tựa theo từ thông

Hình 3-4 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC –

SVM và điều khiển tựa vector từ thông stator 51 Hình 3-5 Vector từ thông stator trong hệ tọa độ quay đồng bộ dq 52

Hình 4-1 Mô hình ước lượng từ thông bằng phương pháp tích phân

Hình 4-2 Mô hình ước lượng từ thông sử dụng LPF 56

Hình 4-3 Mô hình ước lượng từ thông sử dụng LPF với khâu hạn chế

Hình 4-10 Sơ đồ mô phỏng khối ước lượng từ thông, momen và các bộ

Hình 4-11 Mô hình mô phỏng khối ước lượng từ thông và momen 62 Hình 4-12 Mô hình khối chuyển tọa độ từ ABC sang hệ tọa độ α  62 Hình 4-13 Mô hình tính toán biên độ và góc lệch e khi ước lượng

từ thông theo phương pháp tích phân trực tiếp 62

Hình 4-14 Mô hình ước lượng từ thông bằng phương pháp tích phân

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 KĐB Không đồng bộ

2 FOC Field Oriented Control

3 DTC Direct Torque Control

4 IM Induction Motor ( Machine)

5 SVM Space Vector Modulation

6 PI Proportional Integral

7 LPF Low-Pass Filter

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ không đồng bộ là loại máy điện quay được dùng phổ biến nhất trong kỹ thuật truyền động điện do có các ưu điểm là: Khả năng quá tải về momen lớn, có thể làm việc ở tốc độ rất thấp hoặc rất cao Hiện nay, với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật cũng như sự phát triển của lý thuyết điều khiển

tự động, điện tử công suất, kĩ thuật vi xử lí đã khắc phục được những nhược điểm của động cơ không đồng bộ

Các hệ truyền động điện tự động ngày nay thường sử dụng nguyên tắc điều khiển theo các mạch điều khiển thích nghi, điều khiển vector cho các động cơ xoay chiều Để điều khiển động cơ xoay chiều cũng có rất nhiều phương pháp được đề xuất nhưng phương pháp điều khiển vector (Điều khiển tựa theo vector từ thông rotor và phương pháp điều khiển trực tiếp momen) đã tạo nên những thành công trong các sản phẩm thương mại Hai phương pháp trên đều có chung nguyên lý là áp đặt nhanh momen và từ thông và có cùng chung một đối tượng điều khiển đó là động cơ xoay chiều ba pha Về cách thức xây dựng hai phương pháp này thì khác nhau Có thể nói rằng mô hình điều khiển và thuật toán theo phương pháp tựa theo từ thông rotor là khá phức tạp, ngược lại với nó phương pháp điều khiển trực tiếp momen có thuật toán khá đơn giản nhưng cho hiệu quả điều khiển hệ thống cao cụ thể là đáp ứng momen nhanh Tuy nhiên phương pháp điều khiển trực tiếp momen lại yêu cầu phải tính toán từ thông một cách chính xác Xuất phát từ điều đó trong bài báo cáo này, tác giả đã lựa chọn đề tài: “Vấn đề ước lượng từ thông trong điều khiển trực tiếp momen và điều khiển tựa vector từ thông stator động cơ không đồng bộ”

Nội dung cơ bản của luận văn của em gồm 4 chương:

Chương 1: Mô hình động cơ không đồng bộ trong không gian vector Chương 2: Điều khiển trực tiếp momen

Chương 3: Điều khiển tựa vector từ thông stator

Chương 4: Vấn đề ước lượng từ thông

Sau một thời gian nghiên cứu, với sự nỗ lực của bản thân và cùng với

sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của thầy PGS.TS Nguyễn Văn Liễn em đã thu được một số kết quả cụ thể trong việc phân tích đánh giá vấn đề ước lượng từ thông trong điều khiển trực tiếp momen và điều khiển tựa vector từ thông stator Tuy nhiên, do thời gian có hạn, kiến thức còn hạn chế nên bản luận văn của em còn nhiều điều thiếu sót Em rất mong nhận được nhiều sự đóng góp của quý thầy, cô giáo cùng các bạn để bản luận văn của em được hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày 14 tháng 05 năm 2015

Học viên thực hiện

Nguyễn Tuấn Thành

CHƯƠNG 1:

MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG KHÔNG GIAN

VECTOR 1.1 Tổng quan về động cơ không đồng bộ

1.1.1.Phân loại

- Theo kết cấu của vỏ máy: Kiểu kín, kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu phòng

nổ

- Theo kết cấu của rotor: Loại rotor kiểu lồng sóc và loại rotor dây quấn

- Theo số pha trên dây quấn stator: Loại một pha, hai pha và ba pha

- Lõi sắt

Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường xoay chiều nên để giảm tổn hao, lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm ép lại Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 990mm thì dùng cả tấm tròn ép lại Khi đường kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại thành khối tròn

Mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Nếu lõi sắt ngắn thì có thể ghép thành một khối, nếu lõi sắt quá dài thì có thể ghép thành từng thếp ngắn, mỗi thếp dài 6 đến 8cm, đặt cách nhau 1cm để thông gió cho tốt Mặt trong của lá thép

có xẻ rãnh để đặt dây quấn

- Dây quấn

Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt Dây quấn có nhiệm vụ cảm ứng được sức điện động nhất định đồng thời cũng tham gia vào việc tạo nên từ trường cần thiết cho sự biến đổi năng lượng cơ điện trong máy Kết cấu của dây quấn phải đảm bảo được những yêu cầu như tiết kiệm dây đồng, bền về cơ, điện, nhiệt đồng thời chế tạo đơn giản, lắp ráp sửa chữa dễ dàng

Một số kiểu dây quấn: Dây quấn có q là số nguyên (dây quấn một lớp và dây quấn hai lớp), dây quấn có q là phân số

b.Phần quay hay rotor: Có hai bộ phận chính là lõi sắt và dây quấn

- Lõi sắt

Thường dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở stator Lõi sắt được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rotor của máy Phía ngoài của lá thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn

- Dây quấn rotor: Có hai loại chính là loại rotor kiểu dây quấn và loại rotor kiểu lồng sóc

+ Loại rotor kiểu dây quấn

Rotor có dây quấn như dây quấn stator Trong máy điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp vì bớt được những đầu dây nối, kết cấu dây quấn trên rotor chặt chẽ Trong máy điện cỡ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp Dây quấn ba pha của rotor thường đấu hình sao, còn ba đầu kia được nối vào ba vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định

ở một đầu trục và thông qua chổi than có đấu với mạch điện bên ngoài Đặc điểm của loại động cơ điện rotor kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay sức điện động phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch

+ Loại rotor kiểu lồng sóc

Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là cái lồng sóc Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt Để cải thiện tính năng mở máy, trong máy công suất tương đối lớn, rãnh rotor có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc hay còn gọi là lồng sóc kép Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh rotor thường được làm chéo đi một góc so với tâm trục

c Khe hở

Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ (từ 0.2 đến 1mm trong máy điện cỡ nhỏ và vừa) để hạn chế dòng điện từ hoá lấy từ lưới vào và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn

nghĩa là máy điện làm việc trong chế độ động cơ điện Do tốc độ quay của rotor luôn khác với tốc độ của từ trường quay (n < n1) nên động cơ đó còn được gọi là động cơ không đồng bộ

+ Điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn

+ Hệ số cos của máy thường không cao lắm

- Ứng dụng:

+ Do có các ưu điểm như trên nên động cơ không đồng bộ là một loại máy được dùng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất

từ vài chục đến hàng nghìn kilôoat và chiếm tỉ lệ rất lớn so với động cơ khác

+ Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ, trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió…

+ Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm

+ Trong đời sống hàng ngày, dùng làm quạt gió, máy quay đĩa, động cơ trong tủ lạnh, máy giặt …

1.2 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

1.2.1 Khái niệm về các đại lƣợng vector không gian

a, Mô hình vector

Động cơ không đồng bộ 3 pha nói chung bao gồm sáu dây quấn, trong

đó 3 dây quấn pha stator được cố định và cách nhau một phần ba vòng tròn,

ba dây quấn pha rotor cũng được đặt lệch nhau một phần ba vòng tròn, dây quấn pha stator và pha rotor được liên hệ với nhau bởi cảm ứng điện từ qua khe hở không khí

Với cách bố trí trên ba trục như trên hình 1-1, về mặt hình thức có thể định nghĩa được một vector điện áp stator có ba thành phần lệch nhau 2/3 trong không gian:

3

sin( )( )

3( )

4

3

phm as

p cs

Ở chế độ xác lập, khoảng cách pha giữa hai vector này là một phần sáu chu kỳ và biên độ các vector là như nhau và bằng:

3

32

trong đó: U phm là biên độ điện áp pha

Sau một chu kỳ điện áp nguồn, nếu số đôi cực của dây quấn P p = 1 thì đầu mút vector sẽ vẽ nên một đường tròn Trong tính toán, để cho đơn giản trong cách viết, thường định nghĩa vector U mới, có biên độ đúng bằng biên s

độ điện áp pha:

3

23

trong đó: a = exp{j2/3}

Các đại lượng điện từ khác như dòng điện stator, từ thông stator, dòng điện từ hoá dòng điện rotor, từ thông khe hở không khí, cũng có thể được định nghĩa dưới dạng vector tương tự như trên Hình 1-2, mô tả một ví dụ về vector điện áp và vector dòng điện Có thể dễ dàng nhận ra rằng tất cả các

Hình 1-1: Sơ đồ dây quấn và vector điện áp không gian

vector điện từ đều quay rong mặt phẳng với tốc độ quay bằng tốc độ 2

  , tốc độ này gọi là tốc độ từ trường quay

Hình 1-2: Mô hình vector động cơ KĐB và hình ảnh vector tại thời điểm t 0

Về mặt năng lượng có thể coi các vector không gian là hoàn toàn đại diện cho các đại lượng ba pha trong thời gian và như thế có thể thấy rằng một máy điện có hai dây quấn s và r, nếu trên đó đặt vector điện áp U s3 tương ứng thì sẽ sinh ra các vector điện từ không gian còn lại tương tự như chúng được sinh ra bởi các đại lượng ba pha trong thời gian, mô hình máy điện như vậy được gọi là mô hình máy điện trong hệ toạ độ cực

Hình 1-3: Mô hình máy điện trong hệ toạ độ cực

Có thể lập được sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ ba pha khi quy đổi các đại lượng từ rotor về stator như trên hình 1-4

Hình 1-4: Sơ đồ thay thế của mô hình trong tọa độ cực

Trong sơ đồ thay thế trên đây, ngoài các các đại lượng vector được kí hiệu có dấu gạch ngang (-) trên đầu, các đại lượng còn lại là các ma trận thông số, ví dụ:

Các phương trình của từ thông:

b Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ toạ độ trực giao

Mô hình trong hệ toạ độ cực của động cơ không đồng bộ không thuận tiện cho các tính toán điều khiển, mặt khác ta thấy rằng tất cả các đại lượng vector đều quay trong mặt phẳng cắt ngang của động cơ, do đó nó có thể quy đổi sang hệ toạ độ Đề các, gọi hệ toạ độ này là αβ, trong đó trục 0α được chọn trùng với trục dây quấn pha a stator

Hình 1-5: Mô tả hệ toạ độ αβ

( )( )

s s

s cs

dt d

dt d

1.2.2 Chuyển vị tuyến tính - vector không gian trong hệ trục tọa độ quay

a Mô hình vector trong hệ tọa độ quay

Nhìn lại mô hình máy điện trong hệ tọa độ cực, đại lượng vector được

xác định bởi độ dài (mô đun) của vector và vị trí góc pha (υ s) tính từ trục cực đứng yên đến vector Trong chế độ xác lập, độ dài vector là hằng số còn góc pha lấy các giá trị từ 0 đến 2π, đầu mút vector vẽ nên một đường tròn có bán kính đúng bằng mô đun

Nếu ta cho trục cực quay với một tốc độ đúng bằng tốc độ đồng bộ

s = 2πf /P p thì mô tả các phương trình điện áp sẽ như trên hình 1-7

Các đại lượng vector stator được biểu diễn trong hệ tọa độ quay với tốc

độ đồng bộ, tức là chúng được quay đi một góc đúng bằng υ s, lúc này để phân biệt với mô tả trong hệ tọa độ cực (đứng yên) ta thêm vào kí hiệu chỉ số "k"

Trong đó do bản thân rotor dây quấn đã quay với góc υ m nên góc quay "thực"

của các đại lượng vector rotor là υ s – υ m Phương trình bây giờ trở thành:

Hình 1-7: Khái niệm về hệ trục tọa độ quay

Vế phải của (1-11) có ba số hạng: Số hạng thứ nhất là sụt áp trên điện trở thuần dây quấn stator, số hạng thứ hai là sức điện động cảm ứng và số hạng thứ ba là sức điện động quay do kết quả của việc quay giả tưởng dây quấn stator với tốc độ s

Để ý rằng các biểu thức trong dấu ngoặc đơn chính là từ thông stator, do

b Mô hình trong hệ tọa độ trực giao, quay đồng bộ

Lập luận tương tự như mục 1.2.1a, đặt vector u s trong hệ tọa độ trực giao

(x,y) quay với tốc độ đồng bộ s= 2πf / P p:

dt d

dt d

trong đó: (sl = s - P p ) là tốc độ trượt của động cơ

Các phương trình từ thông, momen tương tự như trong (1-9), (1-10)

Hình 1-9 : Các hệ thống tọa độ trực giao

Hình 1-10: Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ trong hệ trực giao, quay đồng bộ

với từ trường quay

rotor quay đồng bộ với từ trường quay stator, nếu ta đặt vector r' trong hệ toạ độ dq quay đồng bộ thì ta có hình ảnh như trên hình 1-8

Hình 1-11: Đồ thị vector cho phương pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor

Ở chế độ xác lập thì vì tất cả các vector đều quay đồng bộ với hệ trục tọa

độ nên góc quay γ = const và do đó các thành phần của dòng điện chiếu lên hệ trục sẽ là một chiều (biến thiên rất chậm) Vì vậy, rất dễ dàng tổng hợp các bộ điều chỉnh kiểu vô hướng, theo từng chiều (thành phần) của vector dòng điện

Vì trục 0d trùng với vector từ thông rotor nên:

Nếu ta giữ được biên độ của vector từ thông rotor không đổi (r' const) thì momen của động cơ tỷ lệ với thành phần dòng điện stator chiếu lên trục 0q là i sq và do đó, người ta gọi thành phần dòng điện này là

“thành phần dòng điện sinh ra momen" Phương pháp điều khiển như vậy gọi

là "điều khiển tựa từ thông rotor" (Field Oriented Control- FOC)

Và ta có các dòng điện và điện áp mô tả trong hệ tọa độ dq là:

CHƯƠNG 2:

ĐIỂU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN 2.1 Nguyên lý sinh momen

Xuất phát từ nguyên lý làm việc cơ bản của động cơ xoay chiều ba pha,

ta thấy mối quan hệ điện - từ giữa dây quấn stator và rotor của động cơ khá

phức tạp Khi ở động cơ KĐB ba pha có 3 cuộn dây được đặt lệch nhau trong

không gian một gốc 120° và được cấp 3 dòng điện lệch pha nhau một góc 120° về thời gian thì trong từ trường khe hở của động cơ sẽ tạo nên một từ trường quay được tính theo công thức sau:

2 ' 2 2 '

2 2

3

nm

U R M

Qua (2.1) ta thấy rằng momen động cơ phụ thuộc vào nhiều biến (điện

áp, tần số, tốc độ) Hay có thể nói momen động cơ KĐB là hàm phi tuyến cùa nhiều biến, và có quan hệ tác động dính cặp với nhau

Như thế để điều chỉnh được momen của động cơ KĐB thì ta có thể thực hiện:

- Điểu khiển vector thông qua dòng điện stator

- Điều khiển trực tiếp qua vector điện áp stator Hay chính là tính toán, tạo ra các chùm xung kích thích điều khiển các cặp van của mạch nghịch lưu sao cho điện áp ba pha (ở dạng xung băm) có biên độ, tần số, góc pha đúng như yêu cầu được đặt lên ba cuộn dây stator động cơ

Mặt khác, ta có công thức tính momen như sau:

3

sin2

m

s r

s r

L M

Với chế độ xác lập của động cơ KĐB thì biên độ vector từ thông stator thường được giữ không đổi, do đó momen được điểu chỉnh bởi góc  là góc giữa các vector từ thông stator và rotor, được gọi là góc momen Các động cơ bình thường có hằng số thời gian điện từ của mạch rotor cỡ hàng trăm miligiây, như vậy có thể coi từ thông rotor là ổn định và biến đổi chậm hơn từ thông stator Vì thế có thể đạt được momen yêu cầu bằng cách quay vector từ thông stator theo hướng nào đó càng nhanh càng có hiệu quả Do vậy ta cần tìm hiểu phương pháp điều chế vector điện áp không gian, bởi tại một vị trí

bất kỳ của vector u s thì sẽ có một giá trị momen của động cơ

Hay ta có thể biết được momen điện từ là tích vector của từ thông móc vòng và dòng điện rotor, tuy nhiên khi này sẽ phải thể hiện các vector không gian chuyển đổi để tính momen điện từ Trong máy điện xoay chiều rất khó thực hiện được nguyên lý này, vì các đại lượng này có quan hệ phụ thuộc và

là cố định với stator và rotor, chúng cũng phụ thuộc vào biên độ, tần số và góc pha của dòng điện stator Mặt khác có thể tìm được cách biểu diễn momen

điện từ thông qua sự cân bằng giữa biến thiên của cơ năng đầu ra dco/dt với công suất cơ học, P co bằng tích số giữa momen quay và tốc độ quay:

zero Hơn nữa, trong cùng hệ tọa độ, vector không gian điện áp rotor u r cũng phải cân bằng với tổng sụt áp trên điện trở rotor (Rr, i ’ r) và tốc độ biến thiên của từ thông rotor dr/dt và sức từ động quay (jr’

r) Do đó ta có công suất

cơ được tính như sau:

và ir là các vector không gian của từ thông móc vòng và dòng điện rotor, nhưng được biểu diễn trọng hệ tọa độ gắn với rotor

Mặt khác ta lại có thể đặt (2-5) ở các dạng khác nhau và được tính như sau Ta đã biết vector từ thông móc vòng rotor biểu diễn trong hệ tọa độ tĩnh cần phải chứa hai thành phần từ thông móc vòng, thành phần thứ nhất trong

đó có Lmi r ’

được sinh ra bởi dòng điện rotor và thành phần thứ hai Lmi s là từ

thông hỗ cảm sinh ra bởi dòng điện stator, trong đó Lm, Lr là điện cảm dây

quấn rotor và điện cảm từ hóa, i r ’ , i s là vector không gian dòng điện rotor và stator biểu diễn trong hệ tọa độ tĩnh Như vậy có thể viết (2.5) dưới dạng sau:

m

m r s s r s

L

L

Trong đó Ls là điện cảm tự cảm dây quấn stator và thành phần trong ngoặc đơn chính là vector không gian của từ thông móc vòng stator biểu diễn trong hệ tọa độ tĩnh, chứa thành phần tự cảm (Lsi s) và thành phần hỗ cảm (Lmi r ’) Do vậy momen điện từ do máy điện hai cực sinh ra có thể là:

'

32

m

s r s

L

Nếu bỏ qua bão hòa mạch từ chính và móc vòng thì điện cảm từ hóa Lm

và điện cảm tự cảm toàn phần stator Ls là hằng số thì biểu thức (2-8) có dạng như (2-2) Vậy các biểu diễn tổng quát cho giá trị tức thời của momen điện từ

là đúng với các máy điện ba pha đối xứng hoặc vuông pha và không có hạn chế nào được áp dụng cho các biến thiên của các vector không gian rotor và stator theo thời gian và có thể tồn tại thành phần thứ tự không

2.2 Điều chế vector điện áp không gian

Hình 2-1 là sơ đồ nguyên lý của động cơ KĐB nuôi bởi biến tần nguồn

áp dùng van bán dẫn, thông thường các đôi van được vi xử lý điều khiển sao cho điện áp xoay chiều ba pha với biên độ, tần số và góc pha cho trước được đặt lên 3 cực của động cơ theo đúng yêu cầu Biến tần được nuôi bởi điện áp một chiều

Chùm xung kích thích do vi xử lý gửi đến

ĐCXCBP

Hình 2-1: Sơ đồ nguyên lý của động cơ xoay chiều ba pha nuôi bởi biến tần nguồn áp

ĐC XCBP

Đối tượng biến tần được đề cập dưới đây hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cắt cao Các van bán dẫn ở đây dùng chủ yếu là transistor (IGBT, MOSFET) Mỗi pha của động cơ trong quá trình làm việc có thể nhận một trong hai trạng thái:

- Trạng thái 1 khi đầu dây pha được nối với +UDC

- Trạng thái 0 khi đầu dây pha được nối với –UDC

Do đó trong 3 cặp van bán dẫn sẽ tồn tại 23 = 8 khả năng nối các pha động cơ với UDC ứng với 8 vector điện áp chuẩn như trong bảng:

Bảng 2-1: Các khả năng nối pha của động cơ với U DC

Ta xét kỹ 1 trong 8 khả năng đó, ta xét khả năng thứ 4 trong bảng 2-1 Khi đó ta có sơ đồ nối các pha của động cơ với nguồn UDC như hình sau:

Vì tổng trở các pha của động cơ là như nhau nên ta dễ dàng có được điện

áp rơi trên các pha như sau:

Hình 2-2: Sơ đồ nối 3 cuộn dây ứng với khả năng thứ 4

2 1

Dễ thấy rằng tổ hợp thứ 4 đó tương đương với trường hợp ta áp lên ba cuộn

dây vector điện áp u s với modul 2UDC/3 và hình chiếu của vector u s trên các trục cuộn dây pha cho ta các giá trị điện áp tức thời đặt lên các cuộn dây pha như trên hình 2-2

Tương tự như đối với khả năng thứ 4 ta có thể xây dựng được vector không gian điện áp tương ứng cho tất cả các khả năng còn lại như hình 2-3 sau:

Trong đó Q1, Q2, Q3, Q4 là các góc phần tư, S1, S2, S3, …, S6 là các góc phần sáu

Các vector chuẩn được đánh u0, u1, u2 … u7 tương ứng với các khả năng trong bảng 2-1 Ta cần lưu ý đến 2 khả năng đặc biệt:

- u0 tương ứng với 3 cuộn dây pha cùng nối với –UDC

- u7 tương ứng với 3 cuộn dây pha cùng nối với +UDC

Hình 2-3: Tám vector điện áp chuẩn do ba cặp van bán dẫn của biến tần nguồn

Hai vector này có modul bằng 0 và giữ một ý nghĩa quan trọng Khi gắn

hệ trục tọa độ α vào thì ta có thể xác định được tọa độ của các vector chuẩn một cách dễ dàng, modul của các vector chuẩn luôn có giá trị bằng 2UDC/3 Như vậy chỉ bằng 6 vector chuẩn ta có thể xây dựng được các vector điện áp bất kỳ với biên độ và góc pha yêu cầu

2.3 Nguyên lý của phương pháp điều chế vector không gian

Để tìm hiểu việc thực hiện được một vector điện áp u s, ta xét một ví dụ

Ta biết rằng điện áp sẽ phải được tính đổi thành thời gian đóng ngắt van trong một chu kỳ cắt xung nào đó Giả thiết toàn bộ chu kỳ đó là chu kỳ có ích, được phép dùng để thực hiện vector có modul là 2UDC/3 Do đó ta có công thức sau:

2

Nếu thời gian tối đa (ví dụ chu kỳ trích mẫu) là T ta có thể rút ra được các nhận xét sau:

1 Vector us là tổng vector của 2 vector điện áp up và ut

2 Hai vector trên có thể được thực hiện bằng cách thực hiện vector u1(cho vector up) và vector u2 (cho vector ut) trong 2 khoảng thời gian sau:

- Sự làm việc của biến tần trong khoảng thời gian còn lại [T – (Tp + Tt)] Và

ta thấy ngay rằng trong khoảng thời gian [T – (Tp + Tt)] biến tần thực hiện một trong 2 vector có modul bằng 0 là u0 và u7 Nên thực ra ta đã thực hiện phép cộng vector sau:

- Trình tự thực hiện của các vector

Để làm sáng tỏ vấn đề này ta lập riêng mẫu xung của 4 vector u1, u2, u0,