Nghiên cứu phương pháp điều chỉnh vector động cơ không đồng bộ áp đặt nhanh chóng mômen quay

Thạc sĩ, tiến sĩ, cao học, luận văn, khóa luận

Lời cam đoan

- Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này

là trung thực và ch−a hề đ−ợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào

- Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này

đã đ−ợc cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đ−ợc chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

Trần Đức Thiện

Lời cám ơn

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp cao học khoá 11 chuyên ngành Điện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn trường ĐHNN I Hà Nội, tôi đã nhận được sự giúp đỡ, giảng dạy nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong nhà trường

Nhân dịp này, tôi xin cảm ơn các thầy cô ở Khoa sau Đại học, Bộ môn

Điện thuộc Khoa Cơ điện của trường Đại học Nông nghiệp I Hà Nội, Viện Cơ điện nông nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và viết luận văn tốt nghiệp Xin cảm ơn các thầy trong Bộ môn tự động hoá xí nghiệp của trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi về tài liệu khoa học Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Văn Diễn đã tận tình hướng dẫn

và chỉ bảo tôi trong suốt thời gian làm đề tài

Tác giả

Trần Đức Thiện

Mục lục

Lời cam đoan

Lời cảm ơn Mục lục

Mở đầu

i

ii iii

Tổng quan về phương pháp điều khiển véc tơ

Véc tơ không gian của các đại lượng ba pha

Xây dựng véc tơ không gian Chuyển hệ toạ độ cho các véc tơ không gian

Tổng quan về phương pháp điều khiển véc tơ

Phương pháp điều khiển véc tơ trực tiếp Phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp

Lập mô hình toán học hệ thống và xây dựng cấu trúc điều khiển

Mô hình toán học của động cơ KĐB 3 pha rotor lồng sóc

Xây dựng cấu trúc điều khiển áp đặt nhanh mômen quay

Xây dựng cấu trúc điều khiển

áp đặt nhanh mômen quay trên cơ sở điều chỉnh dòng stator Các khâu điều chỉnh dòng thường dùng

Các khâu điều chỉnh phi tuyến Các khâu điều chỉnh tuyến tính

Tổng hợp hệ thống điều chỉnh tự động

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống truyền động điện Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh từ thông Phương trình trạng thái của các bộ điều chỉnh

Bộ điều chỉnh dòng điện

Bộ điều chỉnh tốc độ

Bộ điều chỉnh từ thông

Mô phỏng hệ thống bằng simulink

Tính toán gần đúng các tham số của động cơ

Tham số của các bộ điều chỉnh Sơ đồ mô phỏng hệ thống bằng simulink

Đánh giá kết quả

Kết luận Tài liệu tham khảo

Mở đầu

Ngày nay, truyền động điện với việc sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc đã trở thành một khâu chấp hành không thể thiếu trong quá trình tự động hoá Động cơ không đồng bộ có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, kích thước nhỏ, gọn hơn so với các loại động cơ khác có cùng công suất, giá thành hạ và có thể làm việc tốt, an toàn, tin cậy

Nhược điểm cơ bản của động cơ không đồng bộ là việc điều chỉnh tốc

độ, từ thông và mômen là khó khăn

Do vậy, hệ điều chỉnh tự động truyền động điện với động cơ không đồng

bộ là hệ điều khiển phức tạp và chất lượng điều khiển không cao Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử công suất và kỹ thuật vi sử lý, đã cho phép điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ một cách dễ dàng Đặc biệt là phương pháp điều khiển vector đã thu được kết quả cao trong việc điều khiển

động cơ không đồng bộ, làm giảm giá thành, làm tăng chất lượng và tăng độ tin cậy của hệ thống truyền động điện tự động

Sự thâm nhập mạnh mẽ của kỹ thuật tin học và máy vi tính đã cho phép giải những bài toán động học phức tạp với việc mô phỏng hệ thống dựa trên phần mềm Matlab -Simulink một cách dễ dàng

Dựa trên các kết quả nghiên cứu của các tác giả trước đây, thiết lập một cấu trúc hiện đại, điều khiển áp đặt nhanh mômen động cơ trên cơ sở điều khiển tách bạch 2 thành phần Isd & Isq Với mục đích:

Thiết lập cấu trúc điều khiển véctơ động cơ không đồng bộ điều khiển áp

đặt nhanh mômen quay (lượng ra) dựa trên điều khiển Isd & Isq một cách độc lập trong suốt miền làm việc

Kết quả nhận đ−ợc:

+ Cấu trúc điều khiển và mô hình toán học

+ Tổng hợp, xác định cấu trúc và tham số của các bộ điều chỉnh

*2 Lập mô hình toán học của hệ và xây dựng cấu trúc điều khiển áp

đặt nhanh mômen quay

*3 Tổng hợp và thiết kế các khâu điều chỉnh

*4 Mô phỏng hệ thống bằng SIMULINK và đánh giá kết quả

Trong quá trình nghiên cứu tôi đã có nhiều cố gắng, song không tránh

khỏi những thiếu sót Vậy kính mong đ−ợc sự chỉ bảo của các thày cô giáo và

sự đóng góp ý kiến của các đồng nghiệp

1 tổng quan về động cơ không đồng bộ và

phương pháp điều chỉnh véctor động cơ không đồng bộ

1.1 tổng quan chung về động cơ không đồng bộ

1.1.1 Sơ lược về động cơ không đồng bộ (KĐB)

Động cơ không đồng bộ xét về mặt cấu tạo, được chia làm hai loại:

- Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn

- Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

Tuy vậy, loại có rotor lồng sóc đã chiếm ưu thế tuyệt đối trên thị trường vì lí do dễ chế tạo, dễ bảo quản, sửa chữa và vận hành an toàn, chắc chắn, giá thành hạ; mặt khác, các ưu thế trước kia của loại rôto dây quấn về khả năng

dễ điều khiển không còn tồn tại nữa Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật

điện tử, vi sử lý với giá thành hạ, đã cho phép thực hiện thành công các kỹ thuật điều chỉnh phức tạp đối với loại rotor lồng sóc Vì lí do đó, luận văn chỉ

đề cập đến loại có rotor lồng sóc Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Khi cho dòng điện xoay chiều ba pha chạy vào dây quấn ba pha đối xứng đặt trong lõi thép stator thì trong khe hở không khí giữa rotor và stator xuất hiện từ trường quay mà thành phần bậc nhất quay với tốc độ:

Từ trường quay này quét qua các thanh dẫn của dây quấn rotor được nối ngắn mạch nên trong nó xuất hiện dòng điện cảm ứng Từ trường tạo bởi dòng điện rotor kết hợp với từ trường tạo bởi dòng điện stator để tạo ra từ trường tổng ở bên trong khe hở không khí Tác dụng của từ trường tổng này với dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn rotor tạo nên mômen quay làm cho rotor quay với tốc độ n2 ( n2 < n1 )

Song mục đích của luận văn không đi sâu nghiên cứu những biến đổi

điện từ trong động cơ mà xét động cơ như một phần tử trong hệ thống điều khiển và nghiên cứu chủ yếu tập chung vào phương pháp điều khiển véctor

động cơ không đồng bộ

1.1.2 Đặc tính cơ và đặc tính dòng điện của động cơ kđb

1.1.2.1 Những hiện tượng vật lý xuất hiện khi khởi động động cơ KĐB

Khi khởi động động cơ KĐB trong các cuộn dây của động cơ sẽ nhanh chóng xuất hiện dòng điện ngay khi tốc độ động cơ bằng 0 Việc này có thể xem xét tương đương với việc đóng mạch điện đơn giản r- L vào một nguồn

điện áp hình sin: u = Um sin ωt (Hình 1-1)

Lr

Uω+

b) itd t 0 iqđ i

u r L K ∅ ∅ a) Hình 1-1: a) Sơ đồ mạch điện, b) Đồ thị dòng điện

Do r/l > 0 nên khi t →∞ sẽ dẫn đến một quá trình xác lập điều hoà:

i∞( )t =Imsin(ωt ưϕ) (1.3)

Ta nhận thấy trong quá trình quá độ, trong mạch xuất hiện hai thành

phần dòng điện là thành phần dòng điện cưỡng bức icb và thành phần dòng

điện tự do itd Tới thời điểm t thành phần dòng điện tự do suy giảm tới 0 và

quá trình tiến tới xác lập Do sự xuất hiện của dòng điện tự do mà quá trình

quá độ điện từ, điện cơ diễn ra một cách hết sức phức tạp vì ảnh hưởng của

thành phần dòng điện tự do làm thay đổi hình dạng của đặc tính mômen

động Từ trường tạo bởi thành phần dòng điện cưỡng bức và tự do trong

trường hợp chung không liên quan với nhau một cách cố định Từ trường của

thành phần dòng điện tự do gây ra có thể làm tăng hoặc giảm từ trường cơ bản

tạo nên do dòng điện cưỡng bức, gây ra sự tăng hoặc giảm tương ứng của

mômen điện từ trong quá trình khởi động Mặt khác các hiện tượng (như hiệu

ứng mặt ngoài, sự bão hoà mạch từ v.v…) làm thay đổi các thông số của động

cơ điện, nghĩa là hệ phương trình vi phân mô tả quá trình là hệ phương trình

phi tuyến với các hệ số biến đổi

Như vậy sự có mặt của thành phần dòng điện tự do xuất hiện khi đóng mạch động cơ vào nguồn điện đã gây ra sự dao động của mômen điện từ của

động cơ không đồng bộ Trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ sự dao

động này rất lớn, đây là những điều mà chúng ta không mong muốn Qua nhiều thí nghiệm, khảo sát đã chứng minh rằng quá trình quá độ điện từ khi

đóng mạch động cơ vào nguồn điện là quá trình dao động tắt dần, sự thay đổi của hệ số trượt dẫn đến sự thay đổi của tốc độ động cơ để đạt tới tốc độ ổn

định Sự tăng tốc của động cơ trong quá trình quá độ khởi động, khi hệ sô trượt giảm, tốc độ tăng lên và dòng điện trong động cơ giảm xuống đột ngột Tuy nhiên do ảnh hưởng của điện cảm cuộn dây mà sự thay đổi của dòng điện chậm hơn so với sự thay đổi của tốc độ ở tốc độ đồng bộ dòng

điện trong rotor có thể khác 0, do đó mômen của động cơ không bằng 0 và

động cơ nhanh chóng đạt tới tốc độ quá tốc độ đồng bộ ở tốc độ này, dòng

điện rotor giảm xuống, sự giảm của dòng điện tạo nên mômen âm và làm giảm tốc độ động cơ Như vậy, ở cuối quá trình quá độ tốc độ và mômen của

động cơ dao động tắt dần

Thông thường trong tính toán quá trình khởi động động cơ không đồng

bộ người ta thường tính toán dựa trên cơ sở của đặc tính cơ tĩnh kể cả khi tính toán quá trình quá độ cơ học (không xét đến quá trình quá độ điện từ)

1.1.2.2 Giản đồ thay thế của động cơ không đồng bộ

Để nghiên cứu, phân tích các quá trình điện từ xẩy ra bên trong động cơ

và xây dựng các đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ, người ta thường sử dụng giản đồ thay thế một pha với các giả thiết sau:

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

đối xứng

- Tổng dẫn mạch từ hoá không thay đổi, dòng điện từ hoá không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stator

- Các thông số của động cơ là không thay đổi (nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở là hằng số, mạch từ không bão hoà nên điện kháng cũng không thay đổi)

- Bỏ qua các tổn hao cơ và tổn hao phụ

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

Giản đồ thay thế có dạng như hình 1-2 Trong đó:

Ufs: Trị số hiệu dụng điện áp pha stator

Ià , Is , Ir: Dòng điện từ hoá, dòng điện stator và rotor đẵ quy đổi về stator

Xà , Xsδ , Xrδ: Điện kháng mạch từ hoá, điện kháng tản stator và điện kháng tản rotor đẵ quy đổi về stator

Rà ,Rs , Rr: Các điện trở tác dụng của mạch từ hoá, của cuộn dây stator

và của cuộn dây rotor đã quy đổi về stator

2 fs

s

Xs

RR

1X

R

1U

Trong đó Xn m = Xsδ + Xrδ Là điện kháng ngắn mạch Biểu thức (1.4)

là phương trình đặc tính dòng điện stator và được biểu diễn trên hình 1-3

Biểu thức (1.4) cho thấy rằng khi ω = 0; s = 1 thì Is = Isnm

Khi ωr = ωe; s = 0 thì:

à à

1U

I

2 2 fs

s (1.5)

Trong đó : Is nm : Là dòng điện ngắn mạch stator

Ià : Là dòng điện từ hoá có tác dụng tạo ra từ trường quay

Dòng điện rotor quy đổi về stator được tính như sau:

Ir =

2 nm

2 r s

fs

Xs

RR

U+

fs rnm

r

XR

R

UI

I

++

=

= (1.7)

Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thể tìm được từ

điều kiện cân bằng công suất trong động cơ

Công suất điện từ chuyển từ stator sang rotor: P12 = Mđtωe

Trong đó: Mđt là mômen điện từ của động cơ Nếu bỏ qua các tổn thất

phụ thì: Mđt = Mcơ = M và được chia làm hai phần: Pcơ là công suất cơ đưa ra

trên trục động cơ và ∆ P2 là công suất tổn hao đồng trong rotor

Nên: P12 = P cơ + ∆ P2 hay: Mωe = Mωr + ∆ P2

Do đó: ∆ P2 = M ( ωe - ωr ) = Mωe s Mặt khác ∆ P2 = 3 Ir2Rr nên:

M = s R I 3 c r 2 r ω (1.8) Thay giá trị Ir đẵ tính ở trên (1.7) vào (1.8) và biến đổi ta được:

s X s R R R U 3 M 2 nm 2 r s e r 2 fs ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ω = ( 1.9) Đây chính là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ và được biểu diễn trên hình 1-5 Bằng cách giải phương trình dS dM = 0 sẽ được trị số của M và S tại các điểm cực trị và được kí hiệu là Mth và Sth Sth = 2 nm 2 s r X R R + ± (1.10)

S = 1 Sthđ

M Mthf

0 Mthđ

Sthf

Hình 1-5 Đồ thị đặc tính cơ động cơ không đồng bộ

s ω 1 0 Mđm Mth M r 0 ωe Hình 1-6: Đặc tính cơ của động cơ KĐB ωr = f(M) trong chế độ động cơ Thay (1.10) vào (1.9) ta sẽ nhận được: ( 2 )

nm 2 s e 2 fs th X R R 2 U M + ± ω ± = (1.11) Dấu (+) ứng với trạng thái động cơ Dấu (–) ứng với trạng thái máy phát Khi nghiên cứu các hệ truyền động với động cơ không đồng bộ, trạng thái làm việc của động cơ được quan tâm nhiều hơn nên các đường đặc tính cơ thường được biểu diễn trong khoảng tốc độ Sth ≥ S ≥ 0 Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thể biểu diễn thuận tiện hơn bằng cách lập tỷ số giửa (1.8) và (1.10) sau đó biến đổi sẽ được phương trình sau: M = th th th th th s a 2 s s s s ) s a 1 ( M 2 + + + (1.12) Trong đó: a = r s R R

1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB

Khác với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có cấu tạo phần cảm và phần ứng không tách biệt Từ thông động cơ cũng như mômen sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham số Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện

động cơ không đồng bộ là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh Vì vậy để xây dựng hệ truyền động với động cơ không đồng bộ người

ta có su hướng tiếp cận gần sát với các đặc tính điều chỉnh của động cơ một chiều [7] Trong công nghiệp thường sử dụng bốn hệ truyền động điện tự

động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ là:

1 Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi thyristor

2 Điều chỉnh điện trở rotor bằng bộ biến đổi xung

* Đặc điểm của phương pháp điều khiển tần số động cơ KĐB

bằng thiết bị biến tần

Tốc độ góc rotor của động cơ KĐB có thể tính: ωr = ( 1-s ) 2πfs / pc Trong đó: ωr là tốc độ góc của rotor

s là độ trượt

fs là tần số lưới điện cấp cho động cơ

pc là số đôi cực từ của động cơ

Như vậy, với điện áp không đổi, khi điều chỉnh tần số thì từ thông trong máy điện sẽ thay đổi theo Cụ thể là khi tăng tần số thì từ thông trong máy sẽ giảm vì sức điện động dây quấn stator tỷ lệ với tần số fs và từ thông ψ :

e s = cψfs. Mặt khác nếu bổ qua sụt áp trên dây quấn stator tức là coi:

∆u s = i s zs = 0 thì e s≈ u s Suy ra: u s≈ cψfs.

Khi đó muốn giữ nguyên mômen không đổi thì phải tăng dòng điện, làm cho động cơ quá tải về dòng Ngược lại khi giảm tần số thì từ thông trong máy sẽ tăng lên và mạch từ bị bão hoà, điều đó dẫn đến tăng dòng từ hoá, tăng tổn hao sắt từ và đốt nóng máy điện

Vì vậy khi điều chỉnh tần số phải điều chỉnh cả điện áp đặt vào dây quấn stator để duy trì chế độ làm việc ở mức tối ưu Đối với hệ thống biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ cho khả năng quá tải về mômen là không

Ta có luật điều chỉnh điện áp là:

2

x 1

dm 1

1 dm

1

1

f

fU

định

Để khắc phục nhược điểm trên người ta thường dùng phương pháp điều khiển vector phương pháp này cho phép điều chỉnh tần số – điện áp thích nghi trong mọi điều kiện với chế độ làm việc tối ưu

1.2 tổng quan về phương pháp điều khiển vector

1.2.1 Vector không gian của các đại lượng ba pha

1.2.1.1 Xây dựng vector không gian

Động cơ điện xoay chiều ba pha nói chung và động cơ không đồng bộ nói riêng đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha, bố trí không gian tổng quát như hình 1.7

ics

Pha B

Hình 1.7 Sơ đồ cuộn dây và dòng stator

Trong hình trên ta không quan tâm đến động cơ đấu hình sao hay tam giác cơ bằng biến tần, nó là ba dòng đầu ra của biến tần Ba dòng này thoả mãn Ba dòng điện ias, ibs, ics là ba dòng chẩy từ lưới điện vào động cơ Khi chạy động phương trình: ias(t) + ibs(t) + ics(t) = 0 (1.13) Trong đó từng dòng điện pha thoả mãn các công thức sau:

+ω

=

ω

=

0 s

s cs

0 s

s bs

s s

as

240t

cosit

i

120t

cosit

i

tcosit

i

(1.14)

Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang) trên stator 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 với trục thực trùng với trục cuộn dây pha A ta có thể xây dựng vector không gian sau [12]:

is( )t = [ ( ) ( ) 0 ( ) j 240 0 ]

cs 120

j bs

as t i t e i t ei

Im

0 240

j

e

0 120

0 120

3

2 j

B e i

0 240

3

2 j

C e i

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 vector 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 stator Chiếu vector i s(t) lên hai trục (α - β) ta được hai dòng điện i sα và

i sβ (hình 1.9) là hai dòng điện hình sin

jβ

Trục dây quấn pha A

Trục dây quấn pha B

Hình 1.9: Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector với các

phần tử isα và isβ thuộc hệ toạ độ cố định stator.

Ta có thể hình dung ra một động cơ tương ứng với hai cuộn dây cố định

α và β thay thế cho ba cuộn dây A, B, C

Trên cơ sở công thức (1.13) kèm theo điều kiện điểm trung tính không nối đất ta chỉ cần đo hai trong số ba dòng điện stator là đã có đủ thông tin về vector i s(t) Ví dụ khi biết dòng hai pha i as(t), i bs(t) và trục cuộn dây pha

A trùng với trục thực α khi đó ta có: i sα = i as (1.16a)

i sβ =

31

( i sa+ 2i sb ) (1.16b)

Bằng cách tương tự như đối với vector dòng điện stator iscác vector điện

áp startor us, dòng điện rotor ir, từ thông stator ψsvà từ thông rotor ψr đều

có thể biểu diễn được bởi các phần tử thuộc hệ toạ độ (α - β) như sau:

1.2.1.2 Chuyển hệ toạ độ cho các vector không gian

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

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

một vector v bất kỳ ta có:

Xét trong hệ toạ độ xy: vxy= x + jy (1.18a)

Xét trong hệ toạ độ x* y*: v* = x* + jy* (1.18b)

Từ hình 1.10 ta nhận được kết quả sau:

x* = xcosθ* + y sinθ* (1.19a)

y* = -x sinθ* + y cosθ* (1.19b)

Thay (1.19a) và (1.19b) vào (1.18b) ta thu được:

v* = (x cosθ* + y sinθ*) + j( y cosθ* – x sinθ*) = (x + jy)( cosθ*– jsinθ*) = vxyeưjθ* (1.20)

Hình 1.10: Chuyển hệ toạ độ cho vector không gian bất kỳ V

Như vậy việc chuyển đổi một vector v bất kì giữa hai trục toạ độ xy và

x*y*lệch nhau một góc θ* được thực hi bằện ng công thức tổng quát sau:

vxy= v*ejθ*⇔ v* = vxyeưjθ* (1.21) 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* được coi là không đổi Nhưng trong thực tế góc θ* có thể biến thiên với vận tốc góc ω* = 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 với vector dòng stator đã xét ở trên (hình 1.9) trong đó hệ toạ độ (α-β) trùng với hệ toạ độ (xy) trong (hình 1.10) Giả thiết rằng ta đang quan sát một động cơ xoay chiều ba pha có rotor đang quay với tốc độ góc ωr = dθr /dt (trong đó θr là góc tạo bởi trục rotor và trục chuẩn

α trùng với trục cuộn dây pha A), (hình 1.11)

Trong hình 1.11 biểu diễn cả hai vector dòng statoris và từ thông rotor

r

ψ Vector từ thông rotor quay với vận tốc góc ω s = 2πfs = dθs /dt với fs là tần

ố của lưới điện đưa vào mạch stator

s

i quay với tốc độ góc ω r = 2πfr Nếu ta xây dựng một hệ toạ độ mới có trục thực trùng với trục của rotor (trùng với hướng véc tơ từ thôngψr) và có gốc toạ độ trùng với gốc toạ độ (α-β) gọi là 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 vector is có các phần tử mới theo hệ toạ độ dq là i sd và i sq Để nhận

s s

i = i sα+ ji sβ (1.22a)

f s

NÕu biÕt c θgã s ta cã thÓ dÔ dµng tÝnh ®−îc f

s - i sαsinθs (1.24b) hay d−íi d¹ng ma trËn

θθ

s s e e

sq

sd

i

i i

i

cos sin

sin cos

1.2.2 tổng quan về phương pháp điều khiển vector

dòng điện stator ta có thể biểu diễn tất cả các vector còn lại trên hệ toạ độ dq:

Một cách tương tự như đối với vector

f s

u = u sd+ ju sq (1.26a)

f r

i = i rd+ ji rq (1.26b)

f r

Động cơ điện có thể xem như một khâu tạo ra momen có thể điều khiển

được, để điều khiển chính xác mômen của động cơ là mong muốn của những

hệ truyền động chất lượng cao Momen sinh ra trong động cơ là kết quả của

sự tương tác giữa dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng và từ thông của

động cơ Từ thông phải được duy trì ở mức tối ưu và đủ lớn để cho momen sinh ra là lớn nhất trên một đơn vị dòng điện, nhưng nếu từ thông quá lớn sẽ dẫn đến bão hòa mạch từ của động cơ Điều khiển độc lập từ thông và dòng

điện phần ứng được thực hiện một cách khá dễ dàng đối với động cơ một chiều kích từ độc lập, còn đối với động cơ điện xoay chiều ba pha nói chung

và động cơ không đồng bộ (KĐB) nói riêng thì rất khó thực hiện Trong các phương pháp điều khiển vô hướng đối với các hệ truyền động dùng biến tần nguồn áp và nguồn dòng đã được thực hiện từ trước tới nay, điện áp hoặc dòng điện và tần số là những đại lượng điều khiển cơ bản của động cơ KĐB Trong hệ truyền động động cơ KĐB sử dụng biến tần nguồn áp, cả momen và

từ thông khe hở không khí đều là hàm của điện áp và tần số Mối liên hệ này

đã làm chậm đi những đáp ứng của động cơ trong quá trình điều khiển Chẳng hạn như nếu momen được tăng lên bởi sự tăng của tần số (tức là trượt), từ thông có su hướng giảm xuống nhưng nó được bù lại một cách chậm chạp bởi

mạch vòng điều khiển từ thông Trong quá trình từ thông bị giảm đi này đã làm giảm độ nhạy của momen đối với độ trượt do đó đã kéo dài thêm đáp ứng của động cơ Đối với hệ truyền động sử dụng biến tần nguồn dòng, mối liên

ữa momen và từ thông khe hở không khí cũng tương tự như trên

Tương tự như động cơ một chiều, dây quấn phần ứng của động cơ KĐB cũng được quấn trên rotor, trong khi đó từ thông lại được sinh ra nhờ dòng

điện chạy trong dây quấn stator Tuy nhiên, dòng điện chạy trong dây quấn rotor lại không được cung cấp từ một nguồn độc lập mà nó có được là nhờ sức

điện động cảm ứng từ phía stator sang Nghĩa là, dòng điện stator là nguồn của cả từ thông và dòng điện rotor Đối với động cơ KĐB rotor lồng sóc ta không thể can thiệp vào dòng điện rotor được Những hạn trế trên có thể được giải quyết bằng phương pháp điều khiển vector hay còn gọi là phương pháp

điều khiển định hướng từ trường Phương pháp này được áp dụng cho cả động cơ đồng bộ và động cơ KĐB Mục đích của phương pháp là làm thế nào điều khiển được động cơ xoay chiều nói chung và động cơ KĐB nói riêng giống như là điều khiển

Trong động cơ một chiều, khi bỏ qua tác dụng của phản ứng phần ứng và

sự bão hoà của mạch từ, ta có hai phương trình cơ bản sau đây:

M = k1φmIa ( 1.27 )

φm = k2Ik ( 1.28 ) Trong đó: M là mômen quay của động cơ

Ik được đặt để duy trì từ thông còn momen thì được thay đổi nhờ sự thay đổi của dòng điện phần ứng Do vậy mà dòng điện Ik - tương ứng với thành phần

từ thông - được coi là độc lập với dòng điện phần ứng Im – tương ứng với thành phần momen Độ tác động nhanh của momen vẫn luôn đạt giá trị cực

đại trong cả quá trình quá độ và quá trình xác lập

* Xét động cơ không đồng bộ

Mô hình điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập trình bày ở trên

có thể mở rộng cho cả động cơ ĐB và động cơ KĐB nếu như trong sự hoạt

động của chúng xem như xuất hiện một hệ toạ độ quay, mà ở đó các biến hình sin giống như là các đại lượng một chiều Chúng ta biết rằng nếu sử dụng hệ trục toạ độ gắn với vector không gian của từ thông từ hoá, từ thông

stator hoặc từ thông rotor thì biểu thức xác định mômen điện từ sẽ tương tự như biểu thức xác định mômen điện từ của động cơ một chiều kích từ độc lập (ĐCMCKTĐL) Như vậy, mômen điện từ có thể được điều khiển bằng cách

điều khiển riêng rẽ hai thành phần: thành phần tạo từ thông và thành phần tạo mômen của dòng điện stator Điều này cũng tương tự như điều khiển riêng rẽ mạch điện phần ứng và mạch kích từ của ĐCMCKTĐL Điều khiển vector có thể thực hiện được với cả hệ thống động cơ KĐB biến tần nguồn áp, động cơ KĐB biến tần nguồn dòng lẫn động cơ KĐB biến tần trực tiếp Bằng phương pháp điều khiển vector chúng ta có thể xác định được một hệ thống truyền

động điện có chất lượng điều khiển rất cao ở cả bốn góc phần tư

Sự phát triển vũ bão của kỹ thuật vi điện tử / vi sử lý với giá thành ngày càng hạ, đẵ cho phép thực hiện thành công các kỹ thuật điều chỉnh phức tạp

đối với động cơ KĐB rotor lồng sóc Vì lý do ấy, luận văn chỉ đề cập đến loại

có rotor lồng sóc và ký hiệu viết tắt ĐCKĐB cũng duy nhất chỉ vào loại này Sau khi xây dựng vector không gian cho các đại lượng dòng, áp, từ thông

động cơ và chuyển các vector đó sang quan sát trên hệ toạ độ từ thông rô totor (toạ độ dq) ta thu được các quan hệ cơ bản sau đây giữa momen quay, từ thông và các phần tử của vector dòng stator

sq rd c r

m M

sd r

m rd

i p L

L m

i pT L

2 3

1

(1.29a,b)

Trong đó: ψrd: Phần tử d của vector từ thông rotor (cũng chính là modul của vector) hay còn gọi là hình chiếu của vector từ thông rotor trên trục d

isd , isq: Phần tử d và q của vector dòng stator

mM: Momen quay của động cơ, pc: Số đôi cực của động cơ

Tr: Hằng số thời gian của rotor, p: Toán tử Laplace

Lr , Lm: Điện cảm rotor, hỗ cảm giữa stator và rotor

is qcòn gọi là dòng tạo momen quay Hai thành phần isd và isq của vector dòng

điện stator i s được sử dụng làm các đại lượng điều khiển từ thông và momen cho động cơ Do đó ψ*

r và M* trước hết được chuyển thành các tín hiệu chuẩn

isd* và isq*, sau đó chúng được chuyển thành các tín hiệu dòng pha chuẩn isa*,

isb*, isc* để điều khiển bộ nghịch lưu Để thực hiện được sự chuyển đổi isd* và

isq* thành các tín hiệu dòng pha chuẩn, trước hết isd* và isq* được chuyển đổi thành i*

s ∝ và i*

s β nhờ khâu chuyển đổi từ hệ toạ độ dq sang hệ toạ độ αβ

Trong các phương trình chuyển đổi, đại lượng đặc biệt quan trọng là sinθe và cosθe

abcabc

αβαβ

αβαβ

i*sai*sβ

i*sαi*sq

i*sd

Hình 1.15 Thực hiện điều khiển vector với mô hình động cơ trên hệ toạ độ dq

Hình 1.15 minh hoạ nguyên lý cơ bản của phương pháp điều khiển vector, bộ nghịch lưu (không vẽ trên hình) có nhiệm vụ tạo ra các dòng pha isa , isb , isc có dạng giống như dạng của isa*, isb*, isc* được tạo ra từ bộ điều khiển

Do vậy nếu ta điều khiển được hai thành phần isd và isq của vector dòng điện stator i s một cách độc lập thì động cơ KĐB sẽ được điều khiển giống như

động cơ một chiều kích từ độc lập với điều khiển từ thông và momen Đây cũng là nguyên lý cơ bản của phương pháp điều khiển vector hay còn gọi là

điều khiển định hướng từ trường

Trong hệ thống điều khiển vector có hai phương pháp tạo ra tín hiệu từ thông là phương pháp trực tiếp và phương pháp gián tiếp, do vậy cũng có hai phương pháp điều khiển vectơr là: Phương pháp điều khiển vector trực tiếp và phương pháp điều khiển vector gián tiếp

1.2.2.1 Phương pháp điều khiển vector trực tiếp

Điều khiển vector trực tiếp là phương pháp điều khiển vector trong đó các tín hiệu về biên độ và góc pha từ thông rotor có được bằng cách tính toán trực tiếp từ các thành phần của từ thông khe hở không khí hoặc ước lượng trực tiếp từ các tín hiệu điện áp, dòng điện stator hoặc tốc độ động cơ

•

tính căn bậc hai

bộ tạo sin/cos

i* sa

i* sb

i* sd

ψ*

m

M*

M

Hình 1.16 Sơ đồ hệ thống điều khiển vector trực tiếp sử dụng nghịch lưu nguồn dòng

Hình 1.16 đưa ra sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển vector trực tiếp

sử dụng bộ nghịch lưu nguồn dòng với phương pháp điều biến độ rộng xung (PMW) Các đại lượng điều khiển i*

sd và i*

sq là các đại lượng một chiều, trước hết chúng được chuyển đổi từ hệ toạ độ quay (dq) sang hệ toạ độ tĩnh (αβ) nhờ sự có mặt của hai tín hiệu là sinθe và cosθe mà hai tín hiệu này được tạo

ra từ các tín hiệu từ thông đo được như hình vẽ Sau đó các tín hiệu i*

s α và i*

s β lại được chuyển đổi thành các tín hiệu dòng pha chuẩn i*

sa , i*

sb , i*

sc nhờ bộ chuyển đổi αβ sang abc Phương trình chuyển đổi giữa các hệ trục toạ độ đã

được nêu trong phần trên Từ hai tín hiệu Ψαm và Ψβm là hai thành phần trên

trục α và β của từ thông khe hở không khí Ψm đo được nhờ các sensor, khối tính căn bậc hai có nhiệm vụ tính ra giá trị Ψm theo công thức:

sq được tạo ra từ một mạch vòng

điều khiển mômen mà đầu vào của mạch vòng điều khiển momen này có thể

là đầu ra của một mạch vòng điều khiển tốc độ

m

ˆΨ

2 2

cos sin θe + θe

ψ α m = sinθe

m

ˆΨ

ψ αm =

11 Hình 1.17 Sơ đồ khối bộ tạo tín hiệu vector đơn vị

Phương pháp điều khiển trực tiếp phụ thuộc vào việc tạo ra hai tín hiệu véctơ sinθe và cosθe Hai tín hiệu này được tạo ra từ một bộ tạo sin/cos (sin/cos generator), đầu vào của bộ tạo sin/cos là hai tín hiệu từ thông khe hở không khí đo được trên hai trục α và β.Ta có thể viết như sau:

2 2 2

2

m m qm

Trong đó Ψαm và Ψβm là các thành phần của véc tơ từ thông khe hở không khí Ψm đo được bằng các sensor từ thông trên hai trục α và β Sơ đồ cấu trúc của bộ tạo tín hiệu sin/cos được vẽ trên hình 1.17

Trong phương pháp trình bày ở trên đã bỏ qua điện cảm của rôtor, nhưng khi mà từ thông tản rôtor có số lượng đáng kể thì không thể bỏ qua ảnh hưởng của nó Thật vậy, từ thông rôtor cần phải được chú ý hơn từ thông khe hở không khí trong cả hai phương pháp điều khiển vector cũng như điều khiển vô hướng Điều khiển vector mà dựa trên từ thông khe hở không khí, kết quả sẽ làm cho tính ổn định của hệ thống không như mong muốn Từ thông khe hở không khí có thể được bù cho tư thông tản rôtor như sau:

Ψβr =L m iβs +L r iβr (1.33)

r m s m

-iβs

ψβ m

từ thông khe hở kk

Hình 1.18 Tổng hợp từ thông rotor từ từ thông khe hở không khí

Trong đó iβr là thành phần của vectơr dòng điện rôtor trên trục β

Rút iβr từ (1.34) thay vào (1.33) và biến đổi sẽ thu được:

m m

Một cách tương tự, cũng viết được cho thành phần từ thông rôtor trên trục α dựa theo từ thông khe hở không khí:

m

m

r r

Biên độ vector từ thông rôtor và các tín hiệu sinθe, cosθe có thể được xác

định như sau: 2 2 2 2

r r qr

áp, bởi vì trong điều khiển dòng điện, momen sinh ra có liên quan trực tiếp với dòng điện, do đó ta có thể thực hiện được một cách dễ dàng như mong muốn đối với dòng điều khiển I ds và Iqs Bộ nghịch lưu có thể bao gồm mạch vòng dòng điện Tín hiệu đặt của dòng điện pha tức thời được đem so sánh với dòng pha thực, sai lệch được đặt vào bộ bù PI và tạo ra điện áp pha điều khiển Việc tạo ra tín hiệu từ thông rôtor bằng cách ước lượng trực tiếp từ tín hiệu dòng điện stator và tín hiệu tốc độ sẽ được xem xét cụ thể ở chương sau

1.2.2.2 Phương pháp điều khiển vector gián tiếp

Trong phương pháp điều khiển vector trực tiếp đã đề cập ở trên, việc tạo

ra các tín hiệu sinθe ,cosθe dựa trên các tín hiệu đầu ra như đo bằng sensor từ thông hoặc được ước lượng từ các đại lượng stator và tín hiệu tốc độ Trong phương pháp điều khiển vector gián tiếp được đề cập trong mục này, góc pha

từ thông đ−ợc xác định từ tốc độ tr−ợt kết hợp với một sensor vị trí αβ là hệ toạ độ đ−ợc gắn cố định trên stator (trục α trùng với trục của cuộn dây pha A), dq là hệ toạ độ quay đồng bộ với vận tốc góc ωe nh− trong hình vẽ (trục d trùng với trục của vector từ thông rotor Góc θe đ−ợc tạo bởi giữa trục chuẩn α

và trục d, nó bằng tổng của góc tr−ợt θsl và góc cơ học rotor θr

Hình 1.19 Biểu đồ pha trong điều khiển vector gián tiếp

Vector từ thông rotor bao gồm từ thông khe hở không khí và từ thông tản rotor - đặt trùng với trục d nh− hình vẽ nên: r = rd và rq = 0 Do đó thành phần sinh từ thông Ids và thành phần sinh mômen của dòng điện stator

đ−ợc điều khiển độc lập Quan sát trên hệ toạ độ dq ta viết đ−ợc:

Ψ

dt

d dr

Rridr - ( ωe - ωr)ψqr =0 (1.40)

i L

i L

L

L1 Ψ − (1.44) Thế (1.43) và (1.44) vào (1.39) và (1.40) để khử thành phần dòng điện rotor:

Ψ + Ψ − r qs + slΨdr = 0

r

m qr r

r qr

i R L

L L

R dt

r dr

i R L

L L

R dt

dt

dΨdr

= 0 Thế hai điều kiện đầu ở trên vào (1.45) và (1.46) ta nhận đ−ợc:

ωsl = qs

r r r

m i L

R L

L

Ψ +

Ψ

= Lsiqs (1.48) Mặt khác:

ψqs = Lmiqr + Lsiqs (1.49)

ψds = Lmidr + Lsids (1.50)

p J

p c 1 2

L

L p

2 2 3

1 +

r r m

Hình 1.20 Mô hình động cơ trong điều khiển độc lập Ids và Iqs

Để xây dựng và thiết kế hệ thống điều chỉnh, cần có một mô hình mô tả

chính xác tối đa đối tượng điều chỉnh Mô hình toán học thu được phải thể

hiện rõ các đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh

Về phương diện động học, động cơ không đồng bộ được mô tả bằng một

hệ phương trình vi phân bậc cao Vì cấu trúc cuộn dây phân bố phức tạp về

mặt không gian (do cấu tạo răng rãnh), vì sự phân bố của từ thông móc vòng

tại các vị trí của mạch từ và các bộ phận của dây quấn nên chúng ta phải chấp

nhận một số điều kiện sau đây:

+ Các cuộn dây trong máy được bố trí đối xứng trong không gian

+ Không kể đến tổn hao trong lõi thép

+ Sự tác động giữa các pha cuộn dây là như nhau và khe hở không khí

B s B B

A s A A

i R dt

d u

i R dt

d u

i R dt

d u

(2.1)

Các vevtor điện áp và từ thông stator được tính như sau:

u s( )t [u A( )t au B( )t a2u C( )t ]

3

2

+ +

s s s

s R i dt

d

u = Ψ + (2.4) Vì phương trình này quan sát trên hệ toạ độ αβ nên có thể viết lại:

dt

d i R u

s s s s s s s

Ψ +

= (2.5) Bằng cách tương tự ta cũng thu được phương trình điện áp rotor dưới dạng vector:

dt

d i R

r r r r r

Ψ +

=

0 (2.6) Các cuộn dây của động cơ có các điện cảm và các tham số sau:

Lm hỗ cảm giữa rotor và stator

Lσs điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator

Lσ r điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor (đã quy đổi về stator)

Ls = Lm + Lσs điện cảm stator

Lr = Lm + Lσr điện cảm rotor

Ts = Ls/Rs hằng số thời gian stator

Tr = Lr/Rr hằng số thời gian rotor

σ = 1 – L2

m/ LsLr hệ số tiêu tán tổng Với các tham số đó các phương trình từ thông được viết như sau:

⎭

⎬

⎫ +

= Ψ

+

= Ψ

r r m s r

m r s s s

L i L i

L i L i

(2.7a,b) Ngoài ra còn có các phương trình sau:

Ta xét một hệ toạ độ bất kì quay quanh gốc toạ độ với tốc độ góc ωk, và

sẽ chuyển các phương trình vừa tìm được sang hệ toạ độ “k” đó

+ Phương trình điện áp stator

áp dụng công thức chuyển hệ toạ độ (1.21) ta có:

k

j k s s

s u e

s s

s i e

s s

s = Ψ e θ

Lấy đạo hàm bậc nhất của (2.10c) ta có:

k s k j

k s s

dt

d dt

Ψ +

Ψ

=

Ψ θ ω ( 2.10d) Thay các phương trình (2.10a,b,d) vào phương trình (2.5) ta được phương trình tổng quát của điện áp stator như sau:

k s k

k s k s s k

dt

d i R

u = + Ψ + ω Ψ (2.11) Phương trình này thường được mô tả trên hai hệ toạ độ là hệ toạ độ cố

định trên stator (hệ αβ) và hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (hệ dq)

- Xét trên hệ αβ: Trường hợp này xẩy ra khi ωk = 0, phương trình điện

áp giữ nguyên dạng ban đầu

- Xét trên hệ dq: Trường hợp này xẩy ra khi ωk = ωe, thay ωk = ωe và chỉ

số “k” bằng chỉ số “f” trong ( 2.11) ta được:

f s s

f s f

s s f

dt

d i R

u = + Ψ + ω Ψ (2.12)