Mô hình hóa và mô phỏng động cơ 5 pha không đồng bộ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Mô hình hóa và mô phỏng hệ điều khiển động cơ không đồng bộ năm pha NGUYỄN SỸ HỒNG ĐỨC duc.nsh151028@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Điề

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Mô hình hóa và mô phỏng hệ điều khiển

động cơ không đồng bộ năm pha

NGUYỄN SỸ HỒNG ĐỨC

duc.nsh151028@sis.hust.edu.vn

Ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa Chuyên ngành Tự động hóa công nghiệp

HÀ NỘI, 1/2020

Chữ ký của GVHD

Lời cảm ơn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo TS Võ Duy Thành đã hướng dẫn tận tình, quan tâm, tạo điều kiện về mặt tinh thần, định hướng, kiến thức cho em trong thời gian qua, giúp đề tài được hoàn thành tốt nhất Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới nghiên cứu sinh, anh Nguyễn Văn Hùng và anh Nguyễn Bảo Huy đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong công tác nghiên cứu nhưng do hạn chế về mặt kinh nghiệm, khả năng bản thân, thời gian thực hiện, chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, những phương án chưa tốt, và cần sự tranh luận góp ý để phát triển Vì vậy,

em hy vọng được nhiều lời khuyên, định hướng, góp ý từ các thầy cô Em xin chân thành cảm ơn!

Tóm tắt nội dung đồ án

Đề tài Đồ án tốt nghiệp: “Mô hình hóa và mô phỏng hệ điều khiển động cơ không đồng bộ năm pha” Nội dung chính của bản báo cáo Đồ án tốt nghiệp được

chia thành năm chương như sau:

Mục tiêu chính của đồ án sẽ là xây dựng được mô hình động cơ năm pha và điều khiển dựa trên phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor trên công cụ Matlab Đồng thời đồ án sẽ tiến hành mô phỏng trường hợp xảy ra sự cố đối với động cơ

ba pha và năm pha để thấy được ưu điểm của động cơ năm pha

Sinh viên thực hiện

Ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Vấn đề nghiên cứu 2

Động cơ không đồng bộ ba pha 2

Sự cần thiết của động cơ không đồng bộ năm pha 2

1.3 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ năm pha 2

Cấu trúc động cơ 2

Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ năm pha 4

Đặc điểm của động cơ không đồng bộ năm pha 7

Ứng dụng của động cơ không đồng bộ năm pha 9

1.4 Tình hình nghiên cứu 11

1.5 Mục tiêu nghiên cứu của đồ án 11

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ NĂM PHA 12

2.1 Khái quát 12

2.2 Mô hình hóa động cơ 13

Phương trình điện áp stator 15

Phương trình điện áp rotor 16

Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ dq 17 Hệ tọa độ từ thông rotor 20

Các ma trận chuyển hệ tọa độ abcde-𝜶𝜷-dq 22

2.3 Mô hình mạch nghịch lưu nguồn áp 23

Phương pháp điều chế độ rộng xung SINPWM 23

Điều chế sinPWM cho nghịch lưu nguồn áp năm pha 25

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 28

3.1 Bộ điều khiển PID 28

3.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển 29

3.3 Thiết kế bộ điều khiển 29

Bộ điều khiển dòng điện 29

Bộ điều khiển tốc độ 31

Bộ điều khiển từ thông 32

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK 33

4.1 Thông số động cơ 33

4.2 Các khối tính toán trong MATLAB 33

4.3 Mô phỏng động cơ với tải 36

4.4 Mô phỏng và so sánh với động cơ 3 pha 41

Trường hợp động cơ chạy không gặp sự cố 41

Trường hợp động cơ gặp sự cố mất pha 43

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 45

5.1 Kết luận 45

5.2 Hướng phát triển của đồ án trong tương lai 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

PHỤ LỤC 47

A1 Chi tiết thông số trong MATLAB SIMULINK 47

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ 1

Hình 1.2: Cấu trúc động cơ không đồng bộ năm pha 2

Hình 1.3: Rotor dây quấn 3

Hình 1.4: Rotor lồng sóc 4

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ 4

Hình 1.6: Mô tả hoạt động của động cơ xoay chiều 5

Hình 1.7: Sơ đồ động cơ năm pha 6

Hình 1.8: Thiết diện động cơ không đồng bộ năm pha với cách quấn tập trung 6

Hình 1.9: Kiểu quấn dây tập trung 7

Hình 1.10: Kiểu quấn rải 7

Hình 1.11: Động cơ không đồng bộ năm pha 8

Hình 1.12: Động cơ điện dùng trong hải quân Mỹ 9

Hình 1.13: Máy bay điện 10

Hình 1.14: Động cơ điện dùng trong tàu thủy 10

Hình 2.1: Cấu trúc mô hình động cơ 13

Hình 2.2: Mô hình toán động cơ 19

Hình 2.3: Dạng vector phức dòng điện 20

Hình 2.4: Chuyển hệ tọa độ 21

Hình 2.5: Khối chuyển hệ tọa độ dq-abcde 22

Hình 2.6: Khối chuyển hệ tọa độ abcde-𝛼𝛽 22

Hình 2.7: Bộ so sánh lượng đặt mong muốn r(t) và tín hiệu sóng mang c(t) 23

Hình 2.8: Sóng mang dạng răng cưa có sườn đi xuống 23

Hình 2.9: Sóng mang dạng răng cưa có sườn đi lên 23

Hình 2.10: Sóng mang dạng răng cưa tam giác 23

Hình 2.11: Bộ điều chế như một phần của mạch vòng điều chỉnh 24

Hình 2.12: PWM một cực tính 24

Hình 2.13: PWM hai cực tính 25

Hình 2.14: Sơ đồ nghịch lưu năm pha như năm sơ đồ nửa cầu 25

Hình 2.16: Mô hình mạch nghịch lưu 27

Hình 3.1: Điều khiển với bộ điều khiển PID 28

Hình 3.2: Cấu trúc điều khiển hệ thống 29

Hình 3.3: Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện 30

Hình 3.4: Cấu trúc bộ điều khiển tốc độ 31

Hình 3.5: Cấu trúc bộ điều khiển từ thông 32

Hình 4.1: Mô hình toán của động cơ trên SIMULINK 33

Hình 4.2: Khối tính toán 𝑖𝑠𝑑 34

Hình 4.3: Khối tính toán 𝑖𝑠𝑞 34

Hình 4.4: Khối tính toán từ thông 35

Hình 4.5: Khối tính tốc độ và mô men động cơ 35

Hình 4.6: Khối tính tần số trượt 35

Hình 4.7: Tốc độ động cơ 36

Hình 4.8: Momen động cơ 36

Hình 4.9: Đáp ứng từ thông 37

Hình 4.10: Dòng 𝑖𝑠𝑑 37

Hình 4.11: Dòng 𝑖𝑠𝑞 38

Hình 4.12: Dòng điện 5 pha ở động cơ 38

Hình 4.13: Phóng to dòng điện 5 pha động cơ 38

Hình 4.14: Điện áp 𝑉𝑑 động cơ 39

Hình 4.15: Điện áp 𝑉𝑞 động cơ 39

Hình 4.16: Phóng to điện áp 𝑉𝑑 39

Hình 4.17: Phóng to điện áp 𝑉𝑞 39

Hình 4.18: Điện áp cấp vào mạch nghịch lưu 39

Hình 4.19: Phóng to điện áp cấp vào mạch nghịch lưu 40

Hình 4.20: Xung tam giác mạch nghịch lưu 40

Hình 4.21: Điện áp đầu ra của mạch nghịch lưu 40

Hình 4.22: Đáp ứng tốc độ và momen của động cơ 5 pha 41

Hình 4.23: Đáp ứng tốc độ và momen của động cơ 3 pha 41

Hình 4.24: Phóng to momen động cơ 5 pha 42

Hình 4.25: Phóng to momen động cơ 3 pha 42

Hình 4.26: Tốc độ của động cơ 5 pha 43

Hình 4.27: Tốc độ của động cơ 3 pha khi bị mất pha 43

Hình 4.28: Phóng to tốc độ động cơ 5 pha khi bị mất pha 43

DANH MỤC BẢNG

Bảng 4.1 Bảng thông số động cơ 33

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 Giới thiệu chung

Vào những năm đầu thế kỷ 17, bắt nguồn tại Anh và Pháp, nhiều nơi trên thế giới bắt đầu bước vào giai đoạn cơ khí hóa trong lao động, sản xuất Và vào năm 1784, James Watt phát minh ra động cơ hơi nước đưa chúng ta đến với cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất đã mở ra một

kỷ nguyên mới trong lịch sử nhân loại-kỷ nguyên sản xuất cơ khí, cơ giới hóa Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai được diễn ra vào khoảng những năm

1870 Đây là bước đánh dấu việc con người bắt đầu sử dụng năng lượng điện vào các thiết bị, trong đó quan trọng nhất là động cơ điện Sau đó, chúng ta có cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ ba với các dây chuyền sản xuất được tự động hóa nhiều hơn Hiện nay chúng ta đang bước vào thời kỳ của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư với trí tuệ nhân tạo, internet vạn vận kết nối (Internet Of Things) Tuy nhiên, cho dù có tự động hóa và trí tuệ nhân tạo, đối tượng cuối cùng tham gia vào quá trình sản xuất vẫn là các động cơ

Hình 1.1: Động cơ không đồng bộ

Động cơ điện nói chung gồm động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều Động cơ điện một chiều có ưu điểm là có thể điều chỉnh, thay đổi tốc độ và khả năng làm việc trong điều kiện quá tải Tuy nhiên động cơ điện một chiều có nhược điểm là có hệ thống cổ góp-chổi than nên vận hành kém độ chính xác và không đảm bảo an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ Đối với động cơ điện xoay chiều, sẽ gồm động cơ không đồng bộ (Induction Motor) và động cơ đồng bộ (Permanent Magnet Synchronous Motor) Trên thực tế, động cơ không đồng bộ chiếm tới 70% thị phần do giá thành rẻ, dễ chế tạo, khả năng chịu quá tải lớn, động

cơ đồng bộ chỉ chiếm 30% Đối với động cơ không đồng bộ, loại rotor lồng sóc chiếm tỉ trọng rất lớn tới 90% còn rotor dây quấn chỉ chiếm 10%

1.2 Vấn đề nghiên cứu

Động cơ không đồng bộ ba pha

Động cơ không đồng bộ ba pha rất phổ biến trong đời sống, thương mại, các ngành công nghiệp và các tiện ích khác vì giá thành rẻ, hoạt động với độ tin cậy cao và chi phí bảo dưỡng thấp

Tuy nhiên, động cơ không đồng bộ ba pha sẽ gặp khó khăn trong vài ứng dụng yêu cầu độ tin cậy lớn, đòi hỏi sự vận hành liên tục mà không được phép dừng khi xảy

ra sự cố Với động cơ không đồng bộ ba pha, khi xảy ra sự cố mất pha, động cơ sẽ không thể tiếp tục hoạt động dẫn tới sự gián đoạn, đôi khi sẽ gây nguy hiểm Do

đó động cơ năm pha được nghiên cứu nhằm khắc phục vấn đề chính này

Sự cần thiết của động cơ không đồng bộ năm pha

Việc điều khiển tốc độ của động cơ cảm ứng khá phức tạp khi sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ biến thiên Tuy nhiên với sự phát triển của thiết bị điện, việc điều khiển tốc độ động cơ cảm ứng trở nên dễ dàng và linh hoạt hơn Và số lượng pha trở thành tham số được đưa ra để thiết kế Cùng với sự phát triển của các bộnghịch lưu và các sơ đồ điều khiển đã mở ra những ứng dụng mới cho động

cơ cảm ứng mà trước đây các động cơ DC được dùng là chính Trong hầu hết các ứng dụng, động cơ ba pha cảm ứng được sử dụng Tuy nhiên, khi mà động cơ không được cấp nguồn trực tiếp, chúng ta không cần tới số pha cụ thể Nhiều pha hơn thì sẽ có nhiều ưu điểm hơn Động cơ nhiều pha có một vài ưu điểm hơn so với động cơ ba pha truyền thống như giảm được nhấp nhô momen [1], giảm dòng hài trên mỗi pha, độ tin cậy cao và khả năng chịu lỗi cao Ngoài ra, với động cơ đa pha chúng ta có thể giảm dòng ở các pha mà không phải tăng điện áp, lượng momen tăng được cho mỗi đơn vị dòng hiệu dụng cao hơn với cùng một lượng tải [2] [3] Các động cơ nhiều pha với số pha lớn hơn ba được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu công suất trung bình tới cao Các động cơ cảm ứng đa pha được ứng dụng trong các lĩnh vực đặc biệt mà yêu cầu độ tin cậy cao như các xe điện/ xe điện lai (sử dụng đồng thời động cơ đốt trong và động cơ điện), các ứng dụng trong vũ trụ/ hàng không, các động cơ đẩy, đầu máy kéo và trong các ứng dụng yêu cầu công suất cao khác

1.3 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ năm pha

Cấu trúc động cơ

Hình 1.2: Cấu trúc động cơ không đồng bộ năm pha

Hình 1.2 là cấu trúc cơ bản của động cơ không đồng bộ năm pha rotor lồng sóc, bao gồm: ổ lăn (ball bearing), đệm (bearing seal), rotor lồng sóc (squirrel cage rotor), cuộn dây stator (stator coils), vỏ máy (cast-iron frame), nhãn máy (nameplate), móc treo (lifting eye), ổ đấu dây (wiring box), vỏ đáy động cơ (end bell), quạt tản nhiệt (cooling fan), lồng quạt (fan cover)

1.3.1.1 Stator

Stator có cấu tạo bao gồm vỏ máy, lõi sắt và dây quấn

Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ Thường vỏ máy được làm bằng gang Đối với máy có công suất tương đối lớn ( 1000kW ) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau

Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại Khi đường kính ngoài lớn hơn thì dùng những tấm hình rẻ quạt ghép lại

Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt

1.3.1.2 Rotor

Rotor có 2 loại chính : rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lòng sóc

Rotor dây quấn :

Rôto có dây quấn giống như dây quấn của stator Dây quấn 3 pha của rôto thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài Đặc điểm là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rôto 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 Nhược điểm so với động cơ rotor lòng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt, dễ cháy nổ

Hình 1.3: Rotor dây quấn

Rotor lồng sóc :

Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator 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 lồng sóc

Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ

số công suất của máy cao hơn

Hình 1.4: Rotor lồng sóc

Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ năm pha

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ

Hình 1.3 miêu tả nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ:

(1): Trục quay giúp tạo ra cơ năng để chuyển thành điện năng thông qua khung dây

(2)+(3): Cơ cấu chổi than và cổ góp để dẫn điện ra/vào dây dẫn

(4): Trục của động cơ tạo ra chuyển động quay

Hình 1.6: Mô tả hoạt động của động cơ xoay chiều

Khi động cơ được cấp điện, trong dây quấn sẽ có các dòng điện chạy, hệ thống dòng điện này tạo ra từ trường quay, quay với tốc độ: 𝑛1 =60𝑓1

𝑝 trong đó 𝑓1: tần số nguồn điện, p: số đôi cực Phần quay, nằm trên trục quay bao gồm lõi thép rôto Dây quấn rôto bao gồm một số thanh dẫn đặt trong các rãnh của mạch từ, hai đầu được nối bằng hai vành ngắn mạch Từ trường quay của stato cảm ứng trong dây rôto sức điện động E, vì dây quấn stato kín mạch nên trong đó có dòng điện chaỵ

Sự tác dụng tương hỗ giữa các thanh dẫn mang dòng điện với từ trường của máy tạo ra các lực điện từ 𝐹𝑑𝑡 tác dụng lên thanh dẫn có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái

Tập hợp các lực tác dụng lên thanh dẫn theo phương tiếp tuyến với bề măt rôto tạo

ra mômen quay rôto Như vậy, ta thấy điện năng lấy từ lưới điện đã được biến thành cơ năng trên trục động cơ Nói cách khác, động cơ không đồng bộ là một thiết bị điện từ, có khả năng biến điện năng lấy từ lưới điện thành cơ năng đưa ra trên trục của nó Chiều quay của rôto là chiều quay của từ trường, vì vậy phụ thuộc vào thứ tự pha của điện áp lưới đăt trên dây quấn stato Tốc độ của rôto 𝑛2 là tốc

độ làm việc và luôn luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường và chỉ trong trường hợp đó mới xảy ra cảm ứng sức điện động trong dây quấn rôto Hiệu số tốc độ quay của từ trường và rôto được đặc trưng bằng một đại lượng gọi là hệ số trượt s:

𝑠 = 𝑛1 −𝑛2

𝑛1

Khi s=0 nghĩa là 𝑛1 = 𝑛2, tốc độ rôto bằng tốc độ từ trường, chế độ này gọi là chế

độ không tải lý tưởng (không có bất cứ sức cản nào lên trục) Ở chế độ không tải thực, s≈0 vì có một ít sức cản gió, ma sát do ổ bi …

Khi hệ số trượt bằng s=1, lúc đó rôto đứng yên (𝑛2 = 0), momen trên trục bằng momen mở máy

Hệ số trượt ứng với tải định mức gọi là hệ số trựơt định mức Tương ứng với hệ số trượt này gọi tốc độ động cơ gọi là tốc độ định mức

Giống như động cơ ba pha, động cơ cảm ứng năm pha hoạt động dựa trên ứng dụng của định luật Faraday và Lorentz Khi rotor lồng sóc được đặt trong từ trường quay, EMF(lực điện động) được cảm ứng trong dây dẫn rotor do cảm ứng điện từ

Từ đó, dòng điện bắt đầu được sản sinh trong dây dẫn rotor và tạo nên từ trường riêng của nó Vì sự tương tác giữa 2 từ trường này, momen xuất hiện và rotor bắt đầu di chuyển Sơ đồ của động cơ 5 pha được thể hiện ở hình 1.7 [4] Cuộn kích

từcủa động cơ cảm ứng được đặt trong stator và được kích thích bởi 5 cặp van bán

dẫn Cuộn stator của 1 động cơ n pha có thể được thiết kế bằng cách đặt trong

không gian giữa giữa 2 pha stator liên tiếp nhau, 𝛼 = 2𝜋/𝑛, trong trường hợp này tạo ra 1 động cơ nhiều pha đối xứng Trường hợp này luôn xảy ra nếu số pha là 1

số nguyên tố lẻ Trong động cơ cảm ứng 3 pha, 3 pha được đặt trong không gian cách nhau 120 độ còn động cơ 5 pha sẽ là 72 độ (hình 1.8) [5]

Hình 1.7: Sơ đồ động cơ năm pha

Hình 1.8: Thiết diện động cơ không đồng bộ năm pha với cách quấn tập trung

Tuy nhiên, nếu số pha là 1 số chẵn hoặc 1 số lẻ mà không phải số nguyên tố thì cuộn stator có thể được đặt theo cách khác, với mỗi "k" cuộn dây có thì sẽ có "a" pha phụ (n=a.k) Thông thường, 𝛼=3 và k=2,3,4,5, Trong hầu hết các trường hợp, khoảng cách giữa giữa pha đầu tiên của 2 "a" pha phụ liên tiếp cuộn dây là 𝛼 = 2𝜋/𝑛, dẫn tới sự phân bố không đối xứng của các cuộn dây từ tính trong thiết diện ngang của động cơ [6]

Chúng ta gần như không thể thêm trực tiếp cuộn dây stator vào các khe stator của động cơ 3 pha tiêu chuẩn để tạo ra động cơ 5 pha Động cơ 5 pha yêu cầu phần stator được cán mỏng riêng và biến tần riêng Rotor lồng sóc tiêu chuẩn của động

cơ 3 pha có thể được sử dụng chung cho động cơ 5 pha [7] Lợi ích của việc sử dụng rotor lồng sóc là có thể điều chỉnh số lượng pha bất kì mà vốn không thể khi

sử dụng lồng tròn Động cơ không đồng bộ 5 pha vẫn có thể cuốn rải hoặc cuốn tập trung khi chế tạo động cơ

Đặc điểm của động cơ không đồng bộ năm pha

Tùy thuộc vào kiểu quấn dây, độ tin cậy của động cơ có thể được cải thiện Động

cơ với các cuộn dây được quấn tập trung giúp cho các cuộn dây không bị chồng lên nhau phù hợp với việc chịu lỗi hơn [8] Nó giúp làm các pha độc lập với nhau

về vật lý, từ đó làm giảm khả năng tương tác lỗi giữa các pha đồng thời hạn chế dòng ngắn mạch Ngoài ra, sự kết hợp phù hợp giữa các khe và các cực sẽ giúp các pha ít tác động lên lẫn nhau Để máy điện có hiệu suất tốt hơn, sự tương tác giữa các pha phải ít đi, từ đó khi lỗi xảy ra ở 1 pha thì sẽ không tác động tới các pha khác

Hình 1.9: Kiểu quấn dây tập trung

Hình 1.10: Kiểu quấn rải

Kích từ stator trong động cơ nhiều pha sản sinh ra trường với ít dòng hài hơn, từ

đó hiệu suất của máy điện được tăng lên so với động cơ ba pha Động cơ nhiều pha

có khả năng chịu lỗi cao hơn động cơ ba pha tương ứng Nếu một trong ba pha của động cơ bị hở mạch thì nó sẽ thành động cơ một pha Động cơ vẫn có thể tiếp tục chạy nhưng các giá trị định mức sẽ bị giảm mạnh Nhưng trong trường hợp của động cơ nhiều pha, nếu một pha bị hở mạch nó vẫn sẽ tiếp tục chạy và các giá trị định mức sẽ bị suy giảm ít hơn.Các động cơ nhiều pha ít nhạy cảm hơn động cơ

ba pha với các thành phần hài thời gian dạng sóng kích thích.Các thành phần kích thích đó tạo ra các xung momen ở nhiều tần số kích thích cơ bản

Qua nhiều năm, rất nhiều ưu điểm của động cơ nhiều pha đã được nhận ra, bao gồm hiệu suất momen cao hơn, giảm gợn momen xoắn, giảm dòng hài, hiệu suất nhất thời và lâu dài tốt hơn, khả năng điều khiển mạnh mẽ hơn bởi khả năng bơm dòng hài

Tóm lại ưu và nhược điểm của động cơ năm pha như sau:

- Ưu điểm chính của việc sử dụng động cơ năm pha là nó vẫn có thể vận hành tốt khi bị gặp lỗi Động cơ năm pha có thể vận hành với một hoặc hai pha

bị hở mạch từ đó khả năng chịu lỗi của động cơ cao hơn Trong cả hai trường hợp pha bị ngắt là pha bị lỗi duy nhất, trong khi đó các pha còn lại vẫn sẽ hoạt động trong điều kiện bình thường

- Trong tất cả các trường hợp xảy ra lỗi, động cơ không đồng bộ năm pha vẫn

có thể chạy tiếp tục hoặc khởi động từ đầu Tuy nhiên sẽ cần tới các bộ biến tần đặc biệt, và đây là yêu cầu bắt buộc trong một vài ứng dụng thực tế

- Cần biến tần năm pha để điều khiển động cơ

Hình 1.11: Động cơ không đồng bộ năm pha

Ứng dụng của động cơ không đồng bộ năm pha

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ điện Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động

cơ không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi Trong đời sống hàng ngày, động

cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng trong cộng nghiệp, nông nghiệp và trong đời sống hàng ngày

Ngày nay, các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết

bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải, trong các thiết

bị điện dân dụng,… Ước tính có khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi các hệ thống truyền động điện

Hệ truyền động điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc với tốc độ thay đổi được Hiện nay khoảng 75-80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc

độ không đổi Với các hệ thống này, tốc độ của động cơ hầu như không cần điều khiển trừ các quá trình khởi động và hãm Phần còn lại, là các hệ thống có thể điều chỉnh được tốc độ để phối hợp đặc tính động cơ và đặc tính tải theo yêu cầu Với

sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý, các

hệ điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và là công

cụ không thể thiếu trong quá trình tự động hóa

Hình 1.12: Động cơ điện dùng trong hải quân Mỹ

Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như: kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng

bộ được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kW Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ…Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm Trong đời sống hằng ngày, động cơ không

đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, máy quay dĩa, Tóm lại, cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng

bộ ngày càng rộng rãi

So với máy điện DC, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp rất nhiều khó khăn bởi vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian, cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu trúc máy của động cơ điện xoay chiều

so với máy điện một chiều

Động cơ nhiều pha được ứng dụng trong các ứng dụng quan trọng yêu cầu an toàn

và khả năng chịu lỗi, độ tin cậy cao như tàu điện, động cơ lai, máy bơm, máy nén, máy bay điện và trong các ứng dụng về hải quân vì việc động cơ lúc nào cũng phải sẵn sàng là bắt buộc trong quá trình hoạt động

Hình 1.13: Máy bay điện

Hình 1.14: Động cơ điện dùng trong tàu thủy

1.4 Tình hình nghiên cứu

Động cơ năm pha được biết đến vào năm 1969 khi mà các bộ chuyển mạch năm pha được đề xuất E.E WARD và Harrer [1] đã đặt nền móng cho động cơ nhiều pha khi họ đưa ra các bộ chuyển mạch, nghịch lưu nhiều pha Đồng thời hai ông

đã chứng minh được việc tăng số lượng pha sẽ giúp làm giảm độ gợn của momen H.A Toliyat, J.C White, và T.A Lipo đã nghiên cứu về hiệu suất của động cơ không đồng bộ với các số lượng pha khác nhau khi cùng một bộ biến đổi tĩnh trong cuốn “Analysis of a concentrated winding induction machine for adjustable speed dive application part (i) and (ii)” vào năm 1991 [9] Trong 10 năm tiếp theo, động

cơ đa pha thu hút được nhiều sự chú ý hơn nhưng vẫn còn hạn chế Cho đến đầu thế kỷ 21, động cơ nhiều mới trở thành trọng tâm nghiên cứu trong thế giới động

cơ Động cơ đa pha cũng là kết quả từ sự phát triển, nghiên cứu từ ba lĩnh vực ứng dụng cụ thể: tàu điện, các động cơ lai và các mô hình về máy bay điện

Một số ứng dụng yêu cầu an toàn và độ tin cậy cao được sử dụng trong mục đích nghiên cứu về động cơ nhiều pha, ví dụ như ứng dụng truyền động bơm nhiên liệu máy bay Thông thường, các máy bay bơm nhiên liệu từ hộp số động cơ Các máy bơm nhiên liệu được thiết kế sao cho lượng nhiên liệu được bơm là lớn nhất ở tốc

độ động cơ thấp, là khi cất cánh Khi máy bay đã đạt được độ cao cần thiết, động

cơ chạy ở tốc độ rất cao nhưng lượng nhiên liệu yêu cầu sẽ ít hơn Do đó, sẽ cần tới một hệ thống riêng để trả lại nhiên liệu thừa Vì vậy hệ thống truyền động đó

sẽ cần độ tin cậy rất cao

Vào năm 2003, Mecrow đã đưa ra đề xuất động cơ đồng bộ bốn pha, sáu cực, với công suất 16 kW và tốc độ định mức 15.000 rpm trong hệ thống truyền động bơm nhiên liệu máy bay Động cơ này được cấp nguồn bởi một biến tần độc lập Động

cơ này được chế tạo với bốn pha được cô lập về mọi mặt: từ tính, tác động nhiệt dẫn tới độ tin cậy của động cơ này cực cao

1.5 Mục tiêu nghiên cứu của đồ án

Như vậy, có thể thấy được rằng động cơ năm pha có nhiều ưu điểm trong những lĩnh vực ứng dụng cụ thể Do đó việc tìm hiểu, nghiên cứu động cơ năm pha là cần thiết Và trong các phương pháp điều khiển, phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor được sử dụng trong đồ án này Mục tiêu chính của đồ án sẽ là xây dựng được mô hình động cơ năm pha và điều khiển dựa trên phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor trên công cụ Matlab Đồng thời đồ án sẽ tiến hành mô phỏng trường hợp xảy ra sự cố đối với động cơ ba pha và năm pha để thấy được ưu điểm của động cơ năm pha

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ NĂM PHA

2.1 Khái quát

Động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong hệ truyền động công nghiệp dùng để chuyển điện năng thành cơ năng Đây là các thiết bị hiệu suất cao có khả năng điều khiển độc lập mô men và từ thông Có thể điều khiển các động cơ điện ở tốc độ cao hơn tốc độ định mức bằng cách làm suy yếu từ thông Việc điều chỉnh vector bao gồm việc điều khiển biên độ và pha kích thích AC Điều khiển vector điện áp

và cường độ dòng điện gây ra hiện tượng điều chỉnh định hướng các trường điện

từ trong máy, dẫn tới định hướng từ trường Các sơ đồ điều khiển bên trong hệ truyền động động cơ cảm biến bao gồm điều khiển vô hướng, điều khiển mô-men trực tiếp, điều khiển thích nghi và điều khiển định hướng vector (từ trường) Động cơ không đồng bộ là động cơ điện hoạt động với tốc độ quay của Rotor chậm hơn so với tốc độ quay của từ trường Stator Ta thường gặp động cơ không đồng

bộ Rotor lồng sóc vì đặc tính hoạt động của nó tốt hơn dạng dây quấn Stator được quấn bởi các cuộn dây lệch nhau về không gian Khi cấp điện áp vào dây quấn, trong lòng Stator xuất hiện từ trường Fs quay tròn với tốc độ 𝑛 =60𝑓

𝑝 , với p là số cặp cực của dây quấn Stator, f là tần số

Từ trường này móc vòng qua Rotor và gây điện áp cảm ứng trên các thanh dẫn lồng sóc của rotor Điện áp này gây dòng điện ngắn mạch chạy trong các thanh dẫn Trong miền từ trường do Stator tạo ra, thanh dẫn mang dòng I sẽ chịu tác động của lực Bio-Savart-Laplac Có thể nói cách khác: dòng điện I gây ra một từ trường

Fr (từ trường cảm ứng của Rotor), tương tác giữa Fr và Fs gây ra momen kéo Rotor chuyển động theo từ trường quay Fs của Stator

Như chúng ta đã biết, đối với động cơ điện 1 chiều có thể điều khiển độc lập hai thành phần dòng tạo từ thông (dòng mạch điện kích thích) và dòng tạo mô-men quay (dòng mạch điện phần ứng) Do hai mạch điện động cơ một chiều hoàn toàn cách ly, ta thu được các thuật toán điều chỉnh đơn giản và đòi hỏi ở vi xử lý một lượng thời gian tính không lớn Đối với hệ thống cuộn dây và nguồn cấp điện năm pha, động cơ xoay chiều năm pha có cấu trúc phức tạp hơn Vì vậy, ta sử dụng phương pháp tựa theo từ thông rotor để tách các thành phần dòng tạo từ thông và dòng tạo momen quay từ dòng điện xoay chiều năm pha trong động cơ

Moment sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dòng trong cuộn ứng và

từ thông sinh ra trong hệ thống kích từ động cơ Từ thông phải được giữ ở mức tối

ưu nhằm đảm bảo sinh ra moment tối đa và giảm tối thiểu mức độ bão hòa của mạch từ Với từ thông có giá trị không đổi, moment sẽ tỷ lệ với dòng phần ứng Động cơ điện tương tự như 1 nguồn moment điều khiển được Yêu cầu điều khiển chính xác giá trị moment tức thời của động cơ đặt ra trong các hệ truyền động có đặc tính truyền động cao và sử dụng phương pháp điều khiển vị trí trục roto Trong các loại động cơ, động cơ không đồng bộ dễ chế tạo, giá thành rẻ nhưng điều chỉnh chính xác tốc độ quay rất khó khăn Nguyên nhân là sự tác động qua lại của từ thông rotor và moment quay của động cơ, từ thông rotor là đại lượng rất khó đo chính xác Điều này dẫn đến việc điều khiển chính xác moment quay và tốc độ

quay gặp khó khăn, hiệu suất động cơ thấp Nhờ sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp vi xử lý, điện tử công suất nên việc áp dụng các phương pháp phức tạp vào điều khiển động cơ không đồng bộ đã dễ dàng hơn Một trong những phương pháp tối ưu hiện nay là phương pháp điều khiển định hướng từ thông (Field orientated control - FOC) [10]

Việc điều khiển động cơ theo nguyên lý định hướng từ trường có nhiều phương pháp khác nhau như: định hướng từ thông roto, định hướng từ thông stator, định hướng từ thông khe hở không khí Trong đó việc điều khiển từ thông roto (FOC) được sử dụng rộng rãi bởi nó thỏa mãn 2 yếu tố:

-Dễ dàng cho việc mô hình hóa

-Dễ dàng thiết kế, xây dựng cấu trúc điều khiển

Hình 2.1: Cấu trúc mô hình động cơ

2.2 Mô hình hóa động cơ

Với 𝑢sa (t), 𝑢sb (t), 𝑢sc (t), 𝑢sd (t), 𝑢se (t): điện áp trên năm cuộn dây pha của stator

𝜓𝑠𝑎(𝑡), 𝜓𝑠𝑏(𝑡), 𝜓𝑠𝑐(𝑡), 𝜓𝑠𝑑(𝑡), 𝜓𝑠𝑒(𝑡): từ thông móc vòng trên năm dây quấn stator

Rs: điện trở của cuộn dây stator

Ta sẽ có biểu diễn điệp áp theo dạng vector

Thay phương trình PT 2.1 vào phương trình PT 2.2:

với 𝑖⃗⃗ ∶ vector dòng stator trên hệ tọa độ stator 𝑠𝑠

𝜓⃗⃗⃗⃗⃗ ∶ vector từ thông stator trên hệ tọa độ stator 𝑠𝑠

𝑢⃗⃗⃗⃗ : vector điện áp stator trên hệ tọa độ stator 𝑠𝑠

Tương tự, ta có phương trình điện áp của mạch rotor

𝑢𝑟𝑟

⃗⃗⃗⃗ (𝑡) = 0⃗ = 𝑅𝑟𝑖⃗⃗ (𝑡) +𝑟𝑟 𝑑𝜓⃗⃗⃗⃗⃗ (𝑡)𝑟𝑟

𝑑𝑡

PT 2.6

Với 𝑅𝑟: điện trở rotor

𝑖⃗⃗ : vector dòng rotor trên hệ tọa độ rotor 𝑟𝑟

𝜓⃗⃗⃗⃗⃗ : vector từ thông rotor trên hệ tọa độ rotor 𝑟𝑟

𝑢⃗⃗⃗⃗ : vector điện áp rotor trên hệ tọa độ rotor 𝑟𝑟

Giá trị điện cảm của các cuộn dây:

𝐿𝑚 : Hỗ cảm giữa rotor và stator

𝐿𝑠 : Điện cảm phía stator

𝐿𝑟 : Điện cảm phía rotor

𝐿𝜎𝑠 : Điện cảm tán phía stator

𝐿𝜎𝑟 : Điện cảm tán phía rotor

⃗⃗⃗⃗ = 𝐿𝑚𝑖⃗⃗ + 𝐿𝑠 𝑟𝑖⃗⃗ 𝑟 PT 2.8

Động cơ không đồng bộ là 1 hệ điện cơ, vì vậy với động cơ không đồng bộ năm pha ta cũng có phương trình momen và chuyển động tương tự như động cơ không đồng bộ ba pha chỉ khác về hệ số

PT 2.10

Trong đó: 𝑇𝑒 : momen của động cơ (N.m)

𝑇𝐿 : momen tải (N.m)

P : số cặp cực của động cơ

J : momen quán tính cơ (𝐾𝑔 𝑚2)

𝜔 : tốc độ góc của rotor so với stator (rad/s)

Ta sẽ sử dụng các phương trình cơ bản trên để xây dựng mô hình cho động cơ không đồng bộ năm pha

Phương trình điện áp stator

Phương trình 2.12 là phương trình tổng quát áp dụng cho 1 hệ tọa độ bất kỳ, cho

hệ tọa độ cố định với stator hoặc hệ tọa độ quay đồng bộ với từ thông rotor (còn gọi là hệ tọa độ tựa hướng từ thông rotor) sẽ thu được:

𝜔𝑘 = 𝜔𝑠 với 𝜔𝑠 là tốc độ góc của các vector thuộc mạch điện stator và của vector

từ thông rotor

𝜔𝑘 = 0 đồng nghĩa với hệ tọa độ đứng yên Ta chọn hệ sao cho trục thực 𝛼 trùng với trục của cuộn dây pha u

𝑢𝑠𝑠

⃗⃗⃗⃗ = 𝑅𝑠𝑖⃗⃗ + 𝑠𝑠 𝑑𝜓⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑠𝑠

𝑑𝑡

PT 2.14

Hệ tọa độ stator mới được gọi là hệ tọa độ 𝛼𝛽 Trong trường hợp thay 𝜔𝑘 = 𝜔 (tốc

độ góc cơ học của rotor), ta thu được phương trình điện áp stator tựa hướng rotor Tuy nhiên đối với việc mô tả động cơ xoay chiều năm pha trên hệ tọa độ tựa hướng rotor không mang lại lợi ích gì trong việc mô tả các đại lượng, tính chất vật lý nên

ta không sử dụng

Phương trình điện áp rotor

Ta sử dụng công thức chuyển hệ giống như phía stator

𝜔𝑘 =𝑑𝜃𝑘

𝑑𝑡 với 𝜃𝑘 là góc trục thực của hệ tọa độ bất kỳ “k” và trục 𝛼 của hệ tọa độ stator

Phương trình PT 2.18 là phương trình điện áp rotor trên hệ tọa độ 𝛼𝛽

Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ dq

Hình 2.2: Mô hình toán động cơ

Mô hình toán của động cơ như trên hình 2.2 với đầu vào là 𝑣𝑠𝑑, 𝑣𝑠𝑞 và đầu ra sẽ thu được 𝑖𝑠𝑑, 𝑖𝑠𝑞, 𝜔, 𝑇𝑒, 𝜔𝑠

Từ PT 2.29 ta có thể thấy rằng: từ thông rotor chỉ ảnh hưởng bởi thành phần dòng

𝑖𝑠𝑑 (còn gọi là dòng tạo từ thông) với một quán tính nhất định đặc trưng bởi hằng

số thời gian rotor 𝑇𝑟 Do đó, giá trị đặt 𝑖𝑠𝑑∗ là đại lượng đầu ra của khâu điều khiển

từ thông Còn dòng 𝑖𝑠𝑞 đặc trưng cho momen quay nên ta sẽ sử dụng đại lượng đầu

ra của khâu điều khiển tốc độ quay làm giá trị đặt 𝑖𝑠𝑞∗ cho thành phần dòng trục q Tóm lại, ta có thể điều khiển tốc độ động cơ từ 2 dòng 𝑖𝑠𝑑 và 𝑖𝑠𝑞:

-Điều khiển từ thông 𝜓𝑟 bằng cách thay đổi dòng 𝑖𝑠𝑑

-Điều khiển tốc độ 𝜔 bằng cách thay đổi dòng 𝑖𝑠𝑞