Nghiên cứu hệ thống điều chỉnh động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu

Luận văn, thạc sỹ, tiến sĩ, cao học, kinh tế, nông nghiệp

* Phân loại theo cấu tạo

- Động cơ đồng bộ cực lồi

- Động cơ đồng bộ cực ẩn

* Phân loại theo nguồn kích thích

- Động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm điện (viết tắt: ĐCĐBNCĐ)

- Động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu (viết tắt:

ĐCĐBNCVC) đây là đối tượng nghiên cứu chính của đề tài

1.2 NGuyên lý cấu tạo ĐCĐBNCVC

Theo TL [3], [6], [16] thì động cơ đồng bộ nói chung, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng là những máy điện xoay chiều có phần cảm đặt ở rotor

và phần ứng là một hệ dây quấn ba pha đặt ở stator Với ĐCĐBNCVC thì phần cảm được kích thích bằng những phiến nam châm bố trí trên bề mặt hoặc dưới bề

mặt rotor Các thanh nam châm thường được làm bằng đất hiếm ví dụ như Samariu- cobalt (SmCO5, SmCO17 ) hoặc Neodymium-ion-boron (NdFeB), là các nam châm có suất năng lượng cao và tránh được hiệu ứng khử từ, thường được gắn trên bề mặt hoặc bên trong của lõi thép rotor để đạt được độ bền cơ khí cao, nhất là khi tốc độ làm việc cao thì khe hở giữa các thanh nam châm có thể đắp bằng vật liệu dẫn từ sau đó bọc bằng vật liệu có độ bền cao, ví dụ như sợi thuỷ tinh hoặc bắt bulon vít lên các thanh nam châm Ngoài ra còn có nam châm gốm

độ bền cao

Theo kết cấu của động cơ ta có thể chia ĐCĐBNCVC ra thành hai loại :

Động cơ cực ẩn và động cơ cực lồi mà ta xét dưới đây để thấy rõ đặc điểm cấu tạo của từng loại máy điện này

Cấu tạo động cơ gồm hai phần chính đó là Startor và rotor

* Startor của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy

- Lõi thép startor gồm các lá thép kỹ thuật điện (tôn silic dầy 0,5mm) hai mặt được phủ lớp sơn cách điện được dập rãnh bên trong sau đó được ghép lại với nhau tạo thành hình trụ rỗng, bên mặt trong tạo thành các rãnh theo hướng trục

để đặt dây quấn sau này (hình 1.1) Dọc chiều dài của lõi thép startor cứ cách khoảng 3 – 6 cm lại có một rãnh thông gió ngang trục rộng 10mm Lõi thép startor được đặt cố định trong thân máy Thân máy phải được thiết kế sao cho hình thành một hệ thống thông gió để làm mát máy tốt nhất Nắp máy thường

được chế tạo từ gang đúc, thép tấm hoặc nhôm đúc

- Dây quấn startor thường được chế tạo bằng đồng có tiết diện hình tròn hoặc chữ nhật (tuỳ thuộc vào công suất máy), bề mặt được phủ một lớp cách điện,

được quấn thành từng bối và lồng vào các rãnh của lõi thép startor, được đấu nối

theo các qui luật nhất định tạo thành các sơ đồ hình sao hoặc tam giác

* Rotor máy điện cực lồi thường có tốc độ quay thấp nên đường kính rotor có thể lớn, trong khi chiều dài lại nhỏ Tỷ số “chiều dài/ đường kính” nhỏ Rotor thường là đĩa nhôm haynhựa trọng lượng nhẹ có độ bền cao Các nam châm được gắn chìm trong đĩa này Các loại máy này thường được gọi là máy từ trường hướng trục (rotor đĩa) Loại này thường được sử dụng trong kỹ thuật robot

1

2

3

Hình 1.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi

1 - lõi thép stator; 2 - rotor; 3 - nam châm vĩnh cửu

1.2.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn

* Startor của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn có cấu tạo tương tự như động cơ cực lồi

* Rotor của máy điện cựu ẩn thường làm bằng thép hợp kim chất lượng cao,

được rèn thành khối trụ sau đó gia công phay rãnh để đặt các thanh nam châm Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor thì có thể đạt được cấu trúc cơ học bền

vững hơn, kiểu này thường được sử dụng trong các động cơ cao tốc Tốc độ loại này thường cao nên để hạn chế lực li tâm rotor thường có dạng hình trống với tỷ

số “chiều dài/đường kính” lớn Máy này được gọi là máy từ trường hướng kính (rotor trụ dài), nó thường được sử dụng trong các máy công cụ

Tuy nhiên với cấu trúc nam châm vĩnh cửu chìm, máy không thể được coi là khe hở không khí đều Trong trường hợp này các thanh nam châm được lắp bên trong lõi thép rotor về mặt vật lý coi là không có sự thay đổi nào của bề mặt hình học các nam châm Mỗi nam châm được bọc bởi một mảng cực thép nên nó làm mạch từ của máy thay đổi khá mạnh, vì do các mảng cực thép này tạo ra các

đường dẫn từ sao cho từ thông cắt ngang các cực này và cả trong không gian vuông góc với từ thông nam châm Do đó hiệu ứng cực lồi là rõ ràng và nó làm thay đổi cơ chế sản sinh mô men của máy điện

1

2

3

Hình1.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn

1 - lõi thép stator; 2 - rotor; 3 - nam châm vĩnh cửu

Với yêu cầu của truyền động secvô là vận hành phải êm, do đó cần phải hạn chế mô men răng (rãnh) và mô men đập mạch do các sóng hài không gian và thời

gian sinh ra Để đạt được điều này người ta thường tạo hình cho các nam châm, uốn các nam châm lượn chéo theo trục rotor, uốn rãnh và dây quấn startor kết hợp với tính toán số răng và kích thước của nam châm Kỹ thuật tạo ra các rôtor xiên là khá đắt tiền và phức tạp Trong điều kiện bình thường của truyền động secvô, nếu mô men điều hoà răng cỡ 2% mô men định mức thì có thể coi là chấp nhận được Tuy nhiên có thể hạn chế được đa số các mô men điều hoà răng (rãnh) trong truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cấp từ bộ biến đổi bằng cách sử dụng bộ biến đổi chất lượng cao và các bộ điều khiển có chứa các phần tử đo chính xác các thông số hoạt động như tốc độ, vị trí của động cơ

Trong các máy điện nam châm vĩnh cửu kinh điển, trên startor có các răng, ngày nay ta có thể chế tạo startor không răng Trong trường hợp này dây quấn startor được chế tạo từ bên ngoài sau đó được lồng vào và định vị trong startor Máy điện như vậy sẽ không đập mạch ở tốc độ thấp và tổn thất sẽ giảm, tăng

được không gian hơn cho dây quấn startor, nên có thể sử dụng dây quấn tiết diện lớn hơn và tăng dòng điện định mức của máy điện do đó tăng được công suất của máy Nhưng khe hở không khí lớn gây bất lợi cho từ thông khe hở nên phải chế tạo rotor có đường kính lớn hơn và có bề mặt nam châm lớn hơn

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn có nhiều kiểu rotor khác nhau Dưới đây là ba kiểu rotor thường gặp trong thực tế

1.3 Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ

Để nghiên cứu, phân tích các quá trình điện từ xảy ra bên trong động cơ và xây dựng các đặc tính cơ của chúng, người ta thường sử dụng sơ đồ thay thế một pha với các giả thiết sau:

- Ba pha của động cơ là đối xứng, điện áp nguồn hoàn toàn hình sin đối xứng

- Các thông số của động cơ là không đổi (nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt

độ, điện trở là hằng số, mạch từ không bão hoà nên điện kháng cũng không đổi)

- Dòng điện một chiều kích thích không thay đổi (Ikt = const)

- Bỏ qua các hao tổn cơ và hao tổn phụ

- Bỏ qua ảnh hưởng của từ trường bậc cao trong máy

Khi mô tả các đại lượng điện áp và dòng điện ở dạng các véc tơ phức, theo TL[6], ta có phương trình điện áp cho mỗi pha của động cơ đồng bộ như sau:

U = E + I ( R +JX ) (1.1) Trong đó: U điện áp pha

E = 2.Π.f.kw.N.φ sức điện động trong dây quấn phần ứng

I dòng điện chạy trong mạch phần ứng

1.4 Các đặc tính của động cơ đồng bộ

Khi ta đóng stator động cơ đồng bộ vào nguồn điện xoay chiều có tần số f1không đổi, động cơ sẽ quay với tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ:

ω1 =2 Πf1/p (1.2) Trong phạm vi mô men cho phép M ≤ Mmax, đặc tính cơ là cứng tuyệt đối (độ cứng của đặc tính cơ β = ∞) Theo TL [2], [8] đặc tính cơ của động cơ đồng bộ như hình 1.5

Khi mô men vượt quá trị số Mmax thì tốc độ động cơ sẽ mất đồng bộ Trong

hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ người ta còn sử dụng đặc tính góc:M = f(θ) Đặc tính góc biểu diễn mối quan hệ giữa mô men của động cơ với góc lệch của véc tơ điện áp pha lưới điện và véc tơ sức điện động cảm ứng trong dây quấn stator do từ trường 1 chiều sinh ra

Từ phương trình (1.1) nếu bỏ qua điện trở R của stator ta có đồ thị véc tơ như hình 1.6

Từ đồ thị véc tơ (hình 1.6) ta có:

U.cosϕ = E cos(ϕ - θ ) (1.3) mà cos(ϕ - θ ) =

X.I

si n

Hình 1.6 Đồ thị véc tơ của mạch stator động cơ đồng bộ

sin

M = P = 3EUsinθ

ω

ω1 1X (1.6) Đây là phương trình đặc tính góc của động cơ đồng bộ (hình 1.7) Trên

đường đặc tính góc ta thấy, khi θ = Π/2 thì mô men đạt cực đại:

Mmăx = 3

X

ω

EU (1.7) Mô men M đặc trư ng quá tải của động cơ Khi tải tăng, góc

lệch θ tăng, nếu θ > Π/2 thì mô men lại giảm Động cơ đồng bộ thường làm việc

ϕ

θ 0

định mức với θđm = 200 ữ 300 Hệ số quá tải về mô men:

λ

dm

max =

11U

3 2⎜⎛ ⎟⎞

2

Trên đồ thị đặc tính góc biểu diễn M1, M2 bằng các đường nét đ

máy cực ẩn Xd = Xq nên M2 = 0 và M = M1 Nhưng thường M2 rất nhỏ nê

bỏ qua Khi đó đăc tính góc của động cơ cực lồi và

o các hệ truyền động công suất lớn Sơ đồ khối của bộ biến tần trực tiếp đ−ợc

n trên hình 1.8

Trong đó: fs là tần số của nguồn cung cấp

p là số đôi cực từ của động cơ

Từ công thức (1.12) ta thấy điều chỉnh tần số nguồn cung cấp sẽ điều chỉnh

đ−ợc tốc độ quay của động Do vậy trong cấu trúc của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ ĐCĐB bao giờ cũng có bộ biến đổi tần số (gọi tắt là bộ biến tần)

* Bộ biến tần là thiết bị điện tử dùng để biến đổi năng l−ợng điện xoay chiều

từ tần số này sang tần số khác, nó đ−ợc chia làm hai loại:

Hình 1.8 Sơ đồ khối bộ biến tần trực tiếp

- Bộ biến tần gián tiếp là bộ biến tần dùng để biến đổi điện áp xoay chiều U1

ó tần số f1 thành điện áp xoay chiều U2 có tần số f2 cung cấp cho tải thông qua

gián tiếp được mô trên hình 1.9

ồm nhiều loại nó được chia ra thành hai

hiều U1 với tần số f1 được chuyển thành nguồn một chiều nhờ

U1∼

f1

Hình 1.9 Cấu trúc bộ biến tần gián tiếp

Trong bộ biến tần gián tiếp có hai khâu:

- Nguồn một chiều thường là bộ chỉnh lưu kết hợp với bộ lọc điện

- Bộ nghịch lưu là bộ phận chính g

nhóm chính là nghịch lưu nguồn áp và nghịch lưu nguồn dòng

Điện áp xoay c

bộ chỉnh lưu và bộ lọc Sau đó qua bộ nghịch lưu để chuyển thàn

chiều U2 có tần số f2 Việc chuyển đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệu suất của biến tần song bù lại biến tần này cho phép thay đổi dễ dàng tần số f2 không phụ thuộc vào tần số đầu vào f1 mà chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển Nó cho phép

ta điều chỉnh tần số và điện áp liên tục

Việc sử dụng các bộ biến tần để điều chỉnh tốc độ ĐCĐB sẽ được phân tích

kỹ ở các phần sau

Động cơ đồng bộ ba pha t

không cần điều chỉnh tốc độ

nghìn MW (ví dụ dùng cho các máy nén khí, máy bơm nước, quạt gió ) Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và công nghệ điện tử,

ĐCĐB được ứng dụng nhiều trong công nghiệp với các dải công suất khác nhau:

- Rất nhỏ: từ vài trăm W đến vài KW

lồng sóc đặt trong các rãnh của mặt cực hai đầu được nối với hai vòng ngắn mạch

độ chính xác cao và có tải không đổi Trong trường hợp này bộ biến tần thường dùng là biến tần nguồn áp điều biến độ rộng xung

Các động cơ điện đồng bộ phần lớn đều mở máy theo ph

đồng bộ Để mở máy được bằng phương pháp không đồng bộ thì rotor của các

động cơ này phải được đặt dây quấn mở máy Dây quấn mở máy có cấu tạo kiểu

(hình1.10) và được tính toán để mở máy trực tiếp với lưới điện ở một số động cơ các mặt cực được chế tạo bằng thép nguyên khối và được nối với nhau bằng hai vòng ngắn mạch đặt ở hai đầu rotor cũng có thể thay thế cho dây quấn ngắn mạch dùng trong việc khởi động

Trong các lưới điện lớn có thể cho phép mở máy trực tiếp với điện áp của

ưới điện, các động cơ có công suất vài trăm tới hàng ngàn kilôoat Đối với các

động cơ đồng bộ cực ẩn việc mở máy theo phương pháp không đồng bộ gặp khó

ện cảm ứng ở lớp mỏng ở mặt ngoài của rotor nguyên khối sẽ

ường hợp này muốn mở máy được dễ dàng ta

ưới điện bằng cách dùng máy biến áp tự ngẫu hoặc dùng cuộn kháng điện

l

khăn hơn vì dòng đi

gây nóng cục bộ đáng kể Trong tr

cần hạ thấp điện áp của l

Dây quấn mở máy

Hình 1.10 Dây quấn mở máy của động cơ điện đồng bộ

máy nối cùng trục với nó ( thí dụ trong bộ động cơ đồng bộ - máy phát điện một chiều) Máy phát điện một chiều lúc mở máy làm việc như động cơ điện để quay

động cơ đồng bộ đến tốc độ đồng bộ

1.6.2.2 Khởi động bằng phương pháp thay đổi tần số

Trong một số trường hợp có thể mở máy động cơ điện đồng bộ bằng nguồn iện có tần số thay đổi Muốn vậy động cơ phải lấy điện từ một máy phát điện êng (hoặc qua một thiết bị) điều chỉnh được tần số từ 0 đến tần số định mức ong quá trình mở máy Như vậy động cơ được quay đồng bộ với máy phát ngay lúc tốc độ còn thấp Cần chú ý rằng dòng điện kích từ của động cơ và máy phát ong trường hợp này phải do nguồn điện một chiều riêng cung cấp

Phần 2

véc tơ không gian của các đại l−ợng xoay chiều ba pha

và mô tả toán học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

2.1 Véc tơ không gian của các đại l−ợng xoay chiều ba pha

Dòng điện ba pha từ lưới điện chảy vào ba cuộn dây startor của động cơ là

isa(t); i sb(t) và i sc(t) Khi dùng biến tần nó chính là ba dòng chảy từ biến tần vào

Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang) trên startor của động cơ

xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) có ba cuộn dây đặt lệch nhau một góc 1200 Nếu

trên mặt cắt đó thiết lập một hệ toạ độ phức có trục thực trùng với trục cuộn dây

pha A Theo TL [ 13 ]; [14] ta có thể xây dựng véc tơ không gian sau:

e j2400

Hình 2.2 Thiết lập véc tơ không gian từ các đại lượng ba pha

is

A

( ) j 120 o

sb t e i 3 2

Véc tơ i s(t) là một véc tơ có mô đun không đổi và quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc ωs = 2Πfs và tạo với trục thực (trục đi qua trục cuộn dây pha A) một góc γ = ωst, trong đó fs là tần số mạch startor Việc xây dựng véc tơ

i s(t) được mô tả trên hình 2.2

Qua hình 2.2 ta dễ dàng nhận thấy rằng các dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của véc tơ mới thu được i s(t) lên các trục của các cuộn dây pha tương ứng

Đối với các đại lượng khác như điện áp, dòng điện, từ thông v.v ta đều có thể xây dựng các véc tơ không gian tương ứng như với dòng điện nêu trên Trong

hệ trục toạ độ trên trục thực (Re) được gọi là trục α, trục ảo (Im) gọi là trục β và

hệ toạ độ nói trên được gọi là hệ toạ độ cố định startor Chiếu véc tơ i s(t) lên hai trục (αβ) ta được hai dòng điện i sα và i sβ (hình 2.3) là hai dòng điện hình sin Ta

có thể hình dung ra một động cơ tương ứng với hai cuộn dây cố định α và β có thể thay thế cho ba cuộn dây A, B, C và dòng chảy qua hai cuộn dây mới là i sα

và i sβ

Trên cơ sở công thức (2.1) kèm theo điều kiện điểm trung tính không nối đất

ta chỉ cần đo hai trong số ba dòng điện startor là đã có đủ thông tin về véc tơ

( i + 2i ) sa sb (2.4b)

Hình 2.3 Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng véc tơ không gian

Bằng cách tương tự như đối với dòng điện startor các véc tơ điện áp startor (Us), dòng điện rotor (ir), từ thông startor (ψs) và từ thông ro

biểu diễn được bởi các phần tử thuộc hệ toạ độ (αβ) như sau:

Xét một hệ toạ độ tổng quát xy và một hệ toạ độ thứ hai x*y* có chung điểm

i s

i sa = i sα

i sβ

Cuộn dây pha B

Cuộn dây pha C

gốc toạ độ 0 và nằm lệch đi một góc θ so với hệ toạ độ xy Quan sát một véc tơ

Vbất kỳ ta có:

j y

x*

hình 2.4 Chuyển hệ toạ độ cho véc tơ không gian bất kỳ V

Xét trong hệ toạ độ xy: V = x + jy (2.6) Xét trong hệ toạ độ x* y*: V* = x* + jy* (2.7)

Từ hình 2 4 ta nhận được kết quả sau:

x* = xcosθ + y sinθ (2.8a)

y* = -x sinθ + y cosθ (2.8b) Thay (2.8a) và (2.8b) vào (2.7) ta thu được:

V * = (x cosθ + y sinθ ) + j( y cosθ – x sinθ ) (2.9a) = ( x + jy)( cosθ – jsinθ ) = V.e-j θ (2.9b)

Như vậy iệc chu ển đổi một véc tơ V bất kì giữa hai trục toạ độ xy và x*y* lệch nhau một góc θ được thực hiện bằng công thức tổng quát sau:

V = V*.ej θ ⇔ V* = V.e-j θ (2.10) Hai hệ toạ độ xy và x*y* ở trên được coi là hai trục toạ độ cố định nằm lệch nhau một góc θ là không đổi Nhưng trong thực tế góc θ có thể biến thiên với vận tốc góc ωk = dθ/dt, trong trường hợp này hệ toạ độ x*y* trở thành hệ toạ độ quay tròn với vận tóc góc ω xung quanh điểm gốc toạ độ của hệ trục xy Quay trở lại

j y*

V y

ω* = x

0

*

X

với véc tơ dòng startor đã xét ở trên (hình 2.3), trong đó hệ toạ độ (αβ) trùng với

hệ toạ độ (xy) trong (hình 2.4) Giả thiết rằng ta đang quan sát một động cơ xoay

thì trục của từ thông rotor cũng chính là trục của rotor dù ộng cơ đó là loại kích từ ngoài hay là kích từ nam châm vĩnh cửu Trong trường

hệ toạ độ dq như vậy hệ toạ độ mới dq là một hệ toạ độ quay xung quanh điểm gốc chung, với tốc độ góc ω s và véc tơ i s có các thành phần mới theo hệ toạ độ

i ss véc tơ dòng điện startor quan sát trên hệ toạ độ (αβ)

i sf véc tơ dòng điện starto quan sát trên hệ toạ độ (dq)

Tương tự với các đại lượng khác ta cũng qui ước như vậy Từ đó ta có:

i ss = i sα+ ji sβ

i sf = i sdf + ji sqf (2.11 b) Nếu bi θs ta có thể dễ dàng tính được bằng công thức (2.10)

i sf = i s e-j (2.12)

Isq= i sβ cosθs - i sαsinθs (2.13b) Trong đó i ss c

thức (2.4a) và (2.4b) trên cơ sở dòng điện các pha i sa và i sb được tổng kết lại đầy

UDC

Điều khiển biến tần

Biến tần

ĐC 3∼

ĐCXCBP

3 2

i

Hình 2.6 Tính toán các đại lượng i sd và i sq từ các đại lượng stator

Tóm lại: Việc xây dựng véc tơ không gian cho các đại lượng ba pha của

ĐCĐXCBP và chuyển các véc tơ đó quan sát trên hệ trục toạ độ từ thông rotor đã

đưa tới các quan hệ tỷ lệ giữa mô men quay, từ thông với các thành phần của véc tơ dòng điện stator cho phép ta xây dựng hệ thống truyền động cho các động cơ

điện xoay chiều ba pha tương tự như trường hợp sử dụng động c

Đặc biệt là với ĐCĐBNCVC bởi vì:

- Đối với động cơ điện một chiều theo TL[2], [1

sq p

c ip2

i sq dòng điện startor dọc theo trục q

2.2 Mô tả toán học đông cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

2.2.1 Đặt vấn đề

Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả chính xác

đến mức tối đa đối tượng cần điều chỉnh Mô hình toán học thu được cần phải thể

hiện rõ đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh Tuy nhiên mô hình được xây

dựng ở đây chủ yếu là để

Để đơn giản hoá mô hình có lợi cho việc thiết kế sau này, trong phạm

cho phép ta giả thiết rằng:

- Các cuộn dây của stator được bố trí đối xứng về

- Bỏ qua hao tổn sắt từ và sự bão hoà từ

- Các giá trị điện trở, điện cảm coi là không đổi

2.2.2 Hệ phương trình cơ bản của động cơ đ

Với cách quan sát ba pha kinh điển theo TL[13], [18] ta có ba phương trình

dt

)t(

dψsb

(2.15b)

u (t) = R i (t) + sc s sc

dt

)t(

dψsc

(2.15c) Trong đó : Rs điện trở cuộn dây pha stator

ψ sa, ψ sb, ψ từ thông cuộn dây pha A, B, C

áp dụng công thức (2.3) cho điện áp ta có:

(2.20)

o gồm hai thành phần: một thành phần do dòng

fsang:

Ψf

s = Lsif

s + Ψf

p (2.21) Phương trình mô men của động cơ:

Véc tơ từ thông rotor Ψf

p chỉ có thtrục của chính véc tơ Ψf

p, ta có: Ψf

p = Ψp Véc tơ từ thông stator Ψf

s bastator tự cảm trong các cuộn dây stator và một thành phần là chính Ψp cảm ứng

mM =

2

3

s s

c ψ (2.22) Phương trình chuyển động:

mM = mT +

dt.p

ừ tại vị trí trục q Điều đó dẫn đến các trị số điện cảm stator khác nhau khi đo với các vị trí khác nhau của rotor

điện cảm stator đo ở đỉnh cực (vị trí trục d)

L điện cảm stator đo ngang cực (vị trí trục q)

ít hơn ở cực lồi, nhưng chất lượng của

Xét đến sự khác biệt của điện cảm stator trên hai trục d và q theo TL[14],

trong (2.23) Nhờ phương pháp điều chỉnh tựa theo từ

điểm đồng bộ giữa tốc độ góc ωs của các véc tơ điện và

rotor luôn được đảm bảo trong mọi chế độ làm việc của động cơ

- Trong động cơ điện đồng bộ cực lồi khe từ giữa rotor và stator tại đỉnh cực (vi trí trục d) bé hơn rất nhiều so với khe t

Tsq = Lsq/Rs hằng số thời gian trục q của mạch stator

quay của động cơ:

M

Trong đó: Tsd = L s hằng số thời gian trục d của mạch stator

Thay các phần tử của véc tơ i s, Ψs vào phương trình (2.22) ta được phương

trình mô men

m =

2 Thay Ψ

iên độ tăng tỷ lệ với tốc độ quay rotor Điều đó dẫn đến thành

bỏ qua được Từ phương trình (2.28b) với (Ψp/ Lsd) cho thấy rõ tương quan hai loại kích thích:

- Đối với loại (cực lồi) kích thích độc lập bằng dòng một chiều (Ψr/ Lsd) chính dòng kích thích Để động cơ làm việc ở chế độ giảm từ thông ta chỉ việc giảm dòng kích thích và vẫn giữ nguyên i sd = 0

- Đối với loại (cực ẩn, cực tròn) kích thích bởi nam châm vĩnh cửu thì

Ψp/ Lsd chính là dòng kích thích giả định tương ứng được dùng thay thế trong tính toán Tỷ lệ đó cho biết kích cỡ của dòng i sd< 0 dùng ở chế độ giảm từ thông của

phụ để bù thành phần phản kháng Đối với loại đông cơ cực lồi thì thành phần này không thể bỏ qua được ở dải tốc độ thấp dưới tốc độ danh định ta luôn có

i = 0 nên ta có thể bổ qua thành phần này để đơ

Ngược lại ở dải tốc độ quay lớn trên tốc độ danh định, để thu thêm được điện áp

điều chỉnh ta phải giảm biên độ từ thông rotor (vĩnh cửu) bằng cách bơm vào trục

d một thành phần dòng i sd < 0, ĐCĐB lúc này hoạt động ở chế độ giảm từ thông

và dòng i sd sẽ có b

phần mô men phản kháng có khả năng đạt được biên độ đáng kể không thể

sq

sd

LL

sd

sd

pT1

T+

u

L

ψ

p1

Phần 3

điều khiển véc tơ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh

cửu

3.1 Giới thiệu chung

Nguyên tắc của các hệ truyền động điện điều khiển véc tơ là dựa trên việc

điều khiển cả biên độ và góc pha của các dòng điện và điện áp pha Trong những năm gần đây với sự phát triển vượt bậc của vật liệu bán dẫn, các thiết bị

điện tử công suất và đặc biệt là các bộ vi xử lý đã cho ra đời các hệ truyền

động xoay chiều có hiệu suất rất cao bằng các thiết bị điện tử công suất và

điều khiển chính xác Điều khiển véc tơ làm cho hệ truyền động điện trở nên chính xác hơn giống như trong hệ truyền động điện một chiều Phần này sẽ trình bầy một phương pháp điều khiển rất hiệu quả đó là phương pháp điều khiển tựa từ thông ( FOC: Field Orientated Control) Phương pháp này dựa trên ba điểm chính sau:

- Véc tơ không gian điện áp và dòng điện trong máy điện

- Sự chuyển đổi hệ ba pha phụ thuộc theo thời gian và tốc độ thành hệ hai trục d, q không thay đổi theo thời gian

- Tạo ra thành phần biến điệu bề rộng xung

Nhờ có các điểm trên mà hệ điều khiển động cơ điện xoay chiều có được tính năng điều khiển / điều chỉnh tương tự như động cơ điện một chiều

3.2 Biến tần ba pha

Cấu trúc của bộ biến tần được thể hiện trên hình 3.1 ở đây VA; VB; VC là

điện áp cung cấp cho các cuộn dây pha của động cơ nối hình sao và UDC là

Hình 3.1 Sơ đồ cơ bản của biến tần ba pha

Theo TL [1], [2], [5] thì sáu van V1 V6 có thể là: BJT; GTO; IGBT Trạng thái đóng cắt của các van phải được quy định theo các điều kiện sau:

- Có ba van luôn mở và ba van luôn đóng

- Trạng thái đóng và ngắt các van trên cùng một pha được điều khiển bởi hai tín hiệu xung Không thể có trường hợp hai van trên một pha cùng dẫn một lúc Cần phải đảm bảo rằng không có sự chồng chéo lên nhau của các van

3.3 Điều khiển véc tơ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

3.3.1 Hệ truyền động xoay chiều cổ điển

Động cơ điện xoay chiều ba pha có ba cuộn dây lệch nhau một góc 1200

được cấp bởi điện áp ba pha hình sin Trong hầu hết các hệ truyền động xoay chiều cổ điển, sự tạo ra các sóng hình sin tuỳ thuộc vào các tính chất cơ điện của động cơ và mô hình tương ứng trong trạng thái cố định Hơn nữa việc điều khiển giống như điều khiển cho từng pha hơn là điều khiển hệ ba pha Phương pháp này có nhược điểm chính là:

- Các mô hình máy điện và các tính chất của nó chỉ đúng ở trạng thái ổn

định Đây là nguyên nhân gây ra điện áp đỉnh nhọn và dòng quá độ lớn làm giảm hiệu suất của truyền động, các thiết bị phải có công suất lớn hơn để chịu

được các giá trị quá độ này, làm cho hệ không kinh tế

- Khó khăn trong việc thực hiện các đại lượng đặt hình sin; bộ PI không thể

thực hiện điều khiển các lượng hình sin mà không ảnh hưởng đến nó và các

bộ

điều khiển trễ tạo ra nhiễu lớn mà các bộ lọc khó loại nổi

- Không có sự điều khiển chung cho cả ba pha

- Hệ điều khiển phải thay đổi cho phù hợp với từng loại động cơ (đồng bộ

và không đồng bộ)

Để khắc phục những nhược điểm này người ta nghiên cứu và đưa ra phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor Phương pháp này không những khắc phục được những nhược điểm trên mà còn nâng cao được hiệu suất truyền động

Điều khiển tựa theo từ thông rotor là điều khiển các dòng điện stator ở dạng véc tơ Việc điều khiển này dựa trên việc chuyển đổi hệ ba pha thay đổi theo tốc độ và thời gian thành hệ hai trục d-q cố định theo thời gian Nó tạo nên hệ điều khiển giống như điều khiển động cơ điện một chiều Các động cơ

điện điều khiển theo phương pháp này cần hai lượng đặt đầu vào cố định: thành phần từ thông (nằm dọc theo trục d) và thành phần mô men (nằm dọc theo trục q) Điều khiển tựa theo từ thông có thể điều khiển được các đại lượng điện tức thời trong mọi thời điểm (trạng thái ổn định và quá độ) và sự

độc lập của mô hình toán học phải giới hạn Những nhược điểm của phương pháp cổ điển được khắc phục trong phương pháp này:

- Dễ dàng đạt được lượng đặt cố định (thành phần mô men và từ thông

của dòng điện stator)

- Dễ dàng điều khiển trực tiếp mô men vì theo TL[9] trong hệ toạ độ d-q

mô men động cơ được tính như sau:

m = Kψrisq (3.1)

Trong đó: K hệ số tỷ lệ

ψr từ thông rotor

i sq thành phần dòng điện stator dọc theo trục q

Bằng cách duy trì biên độ từ thông rotor (ψr) ở giá trị cố định chúng ta sẽ

có

quan hệ tỷ lệ giữa mô men và thành phần dòng mô men (i sq) Cho nên chúng

ta có thể điều khiển mô men bằng cách điều khiển thành phần dòng mô men

của véc tơ dòng điện stator

Sơ đồ hình 3.2 dưới đây trình bầy phương pháp cơ bản điều khiển mô men

PIPI

Vsαđ

Vsβ

SV PWM

isd

isq

AC motor

ia

ib

θ

VDC

Trên sơ đồ này hai dòng điện pha (ia; ib) được đo giá trị và được đưa vào khối chuyển đổi hệ toạ độ Clark (abc αβ) Đầu ra của khối này là i sα và i

s β Hai thành phần dòng điện này là đầu vào của khối chuyển đổi hệ toạ độ Park (αβ dq) Khối này tạo ra hai thành phần dòng điện i sd và i sqtrong hệ toạ độ quay d - q Hai thành phần này được đem so sánh với hai thành phần dòng điện từ thông và mô men đặt (i sdđ và i sqđ) Đến đây ta thấy

được ưu điểm của sơ đồ là có thể điều khiển được cả động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ bằng cách đơn giản là thay đổi lượng đặt từ thông và vị trí của từ thông rotor (góc θ) Trong trường hợp là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, từ thông rotor cố định (quyết định bởi nam châm) mà không cần phải tạo ra Do đó khi điều khiển ĐCĐBNCVC ta đặt i sdđ bằng không (isdđ = 0)

Đầu ra của các bộ điều chỉnh dòng điện PI là các tín hiệu Vsdđ và Vsqđchúng được đưa vào bộ chuyển đổi toạ độ Park ngược ( dq αβ) Đầu ra của bộ này là các thành phần điện áp Vsα đ và Vsβ đ trên hệ toạ độ stator (αβ),

đây là đầu vào khối điều biến độ rộng xung véc tơ không gian (SVPWM)

Đầu ra của khối này là các tín hiệu xung để điều khiển biến tần Cần chú ý rằng cả hai bộ chuyển đổi Park và Park ngược đều cần vị trí từ thông rotor (hay góc θ) Trong ĐCĐB do tốc độ quay của rotor bằng với tốc độ từ thông rotor nên vị trí của từ thông rotor (góc θ) cũng chính là vị trí của rotor Do đó việc xác định vị trí rotor (hay góc θ) được thực hiện đo trực tiết các bằng cảm biến vị trí hoặc tích phân tốc độ quay của rotor (θ =∫ddtω )

hính xác của việc đo các đại

Sự làm việc tin cậy của FOC dựa trên độ c

lượng dòng điện stator (ia, ib) và vị trí rotor (θ)

Nhờ có phương pháp FOC nên ta có thể điều khiển trực tiếp và tách biệt các đại lượng mô men và từ thông của máy điện xoay chiều nói chung và

ĐCĐB nói riêng Điều khiển tựa theo từ thông máy điện xoay chiều đã đạt

được các ưu điểm như máy điện một chiều là điều khiển ngay tức thời các đại

lượng độc lập trong trạng thái ổn định cũng như trạng thái quá độ Hơn nữa

việc điều khiển tựa theo từ thông máy điện xoay chiều còn có thể giải quyết

ược vấn đề đảo chiều quay một vấn đề cố hữu của động cơ điện một chiều

Trong ĐCĐBNCVC nếu không có dây quấn cản trên rotor, các hiệu ứng

bão hoà từ được bỏ qua và dây quấn ba pha stator đối xứng Khi đó ta có thể

tính toán được mô men điện từ của các máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Nếu coi rằng mô men sinh ra do định hướng của các nam châm dọc theo trục

của sức từ động stator và do hiệu ứng cực lồi rất yếu nên không có thành phần

i sq

γ

2 ψF

3

)sin(

Nh− vậy mô men điện từ biến thiên theo qui luật hình sin với góc giữa

trục sức từ động stator và trục dọc rotor với γ

s

_ _

F.i

p2

và cực tiểu: M = M

i

pψ khi γ = Π/2 khi γ = 0

hởi động động cơ đồng bộ

min = 0 Nh− vậy muốn M > 0 thì 0 <γ≤Π/2

* K

Để động cơ khởi động đ−ợc ta cần phải biết đ−ợc góc γ Muốn biết góc γ

ta phải biết đ−ợc vị trí của véc tơ từ thông móc vòng ψF (hay góc γψ) và vị trí

của véc tơ dòng điện stator i s (hay góc γi) bởi vì:

γ = (γi - γψ)

(3.6)

Để biết được góc γψ cần phải có một xenxơ xác định vị trí của rotor (hay

ψF) còn thành phần γi (hay vị trí của véc tơ dòng điện stator i s) ta có thể điều khiển được bằng cách dùng chuyển mạch của bộ biến tần

hi đã biết vị trí của véc tơ từ thông rotor, ta có thể điều chỉnh

ng (ω = 0), muốn động cơ quay theo chiều thuận ta chỉ việc

ợc ĐCĐBNCVC hoạt động, bắt buộc ta phải biết

g cơ đồng bộ phải được chỉ huy bằng

cảm ứng tăng tỷ lệ với tốc độ quay của rotor (vì từ thông kích thích của nam

Tóm lại: K

được mô men của động cơ đồng bộ bằng việc điều chỉnh góc γ thông qua việc

điều chỉnh sự chuyển mạch của biến tần

Khi khởi độ

điều chỉnh sao cho 0 < γ ≤ Π/2, còn muốn động cơ quay theo chiều ngược ta chỉ cần điều chỉnh - Π/2 < γ ≤ 0

* Kết luận:

- Muốn điều khiển đư

được vị trí của rotor thông qua các xen xơ vị trí, máy đo góc tuyệt đối hay máy phát tốc

- Từ vị trí của rotor ta có thể điều chỉnh sự chuyển mạch của biến tần để

động cơ hoạt động theo ý muốn

- Các bộ biến tần làm việc với độn

bộ giải mã vị trí của rotor

Trong động cơ đồng bộ nói chung đã có sẵn từ thông móc vòng ψ F (do nam châm vĩnh cửu hay dòng điện một chiều chạy trong cuộn kích từ tạo ra) nên ta không cần thành phần dòng kích thích i sd của dòng điện stator i s: (i s =

0 +ji sq ) Do đó nên điều khiển chuyển mạch của biến tần sao cho γ = Π/2 để

đạt được tối ưu về mô men (M = Mmax)

Tuy nhiên trong ĐCĐBNCVC, khi động cơ làm việc ở vùng dưới tốc độ cơ bản (ω ≤ ωđm) lúc đó sức điện động cảm ứng Eq = K ψF ω < U s =Ud ta mới

điều chỉnh được mô men tối ưu (γ = Π/2) Nếu động cơ làm việc với tốc độ trên tốc độ cơ bản (ω > ωđm) là vùng công suất hằng, khi đó sức điện động

châm vĩnh cửu không đổi) khi Eq > U s = Ud thì i s = 0 dẫn đến M = 0 Do đó

điện áp trên các cực của động cơ U s cũng phải tăng lên để phù hợp với sự tăng

áp ra của các bộ nghịch lưu Với một bộ nghịch lưu nhất định có một điện áp trần cố định không thể vượt quá được Để hạn chế điện áp trên các cực động cơ dưới điện áp trần của nghịch lưu ta phải giảm sức điện động E bằng cách giảm từ thông kích thích

ở

ψp) luôn luôn không đổi, do đó muốn giảm ψF ta phải tạo góc γ > Π/2

ể tạo ra thành phần dòng điện dọc trục i sd ngược với véc tơ từ thông ψF (khử

ớt từ thông ψF) sao cho ψF < ψđm

thông của ĐCĐBNCVC trong ùng làm việc dưới tốc độ cơ bản và trên tốc độ cơ bản được thể hiện trên hình 4

của sức điện động Điện áp của động cơ tăng kéo theo yêu cầu phải tăng điện

q

ψF động cơ đồng bộ kích thích độc lập ta có thể giảm từ thông rotor bằng cách giảm dòng điện kích thích Trong ĐCĐBNCVC từ thông móc vòng (ψF =

ộng cơ đồng bộ làm việc với biến tần nguồn dòng

Theo TL[1], [5] mạch nghịch lưu dòng điện của biến tần nguồn dòng được

ấp từ một nguồn dòng điện không đổi Nguồn dòng điện không đổi được tạo bằng một bộ chỉnh lưu có điều khiển qua cuộn kháng lọc một chiều có trị số

ình 3.5

trùng dẫn) chỉ có hai van được mở Dòng

một lượng tương ứng làm cho mô men động cơ bị giảm Ha

khác, khi tốc độ rotor tăng lên thì góc mô men cũng tăng lên để giảm từ thông

và như vậy mô men trên một đơn vị dòng điện stator bị giảm đi Cũng do dòng

điện stator tăng làm cho hao tổn đồng trong động cơ tăng và hiệu suất truyền

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng - ĐCĐB

Sơ đồ nối dây khi chuyển mạch và dạng dòng điện các pha của động cơ như hình 3.6a Góc dẫn mỗi van là 1200 điện Các van được điều khiển mở theo trình tự từng cặp (T1-T2); (T2-T3); (T3-T4); (T4-T5); (T5-T6); (T6-T1) Tại mỗi thời điểm bất kỳ (trừ giai đoạn

điện cung cấp cho động cơ có dạng xung hình chữ nhật không đổi (hình 3.6b),

ên sụt áp trên điện cảm tản stator bằng không và sụt áp trên điện trở stator hông đổi Do đó điện áp trên các cực của động cơ được tạo bởi tải chứ không

i nghịch lưu Dòng điện các pha lệch nhau một góc 1200 tạo ra từ

ường quay mà tốc độ quay quyết

ịn bởi nhịp u cấp xu g điều khiển của biến tần

Hình 3.6 Nguyên lý tạo dòng điện xoay chiều ba pha

a) Sơ đồ nối dây khi chuyển mạch

E

7b)

ec(t) =

(3

) 3

4 t sin(

Do trong mỗi chu kỳ nghịch lưu chuyển mạch sáu lần nên véc tơ dòng

iện stator i s sẽ chuyển qua sáu điểm cố định kế tiếp nhau lần lượt theo thứ tự