Điều khiển dtc của máy điện không đồng bộ có tính đến tổn hao sắt từ và bão hòa từ với các bảng đóng cắt khác nhau

---UÔNG DƯƠNG MINH ĐIỀU KHIỂN DTC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ CÓ TÍNH ĐẾN TỔN HAO SẮT TỪ VÀ BÃO HÒA TỪ VỚI CÁC BẢNG ĐÓNG CẮT KHÁC NHAU Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện LU

-UÔNG DƯƠNG MINH

ĐIỀU KHIỂN DTC CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

CÓ TÍNH ĐẾN TỔN HAO SẮT TỪ VÀ BÃO HÒA TỪ

VỚI CÁC BẢNG ĐÓNG CẮT KHÁC NHAU

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn tốt nghiệp là sản phẩm của cả một quá trình học tập, rèn luyện Tôi xin kính gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả thầy cô khoa Điện – Điện tử đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức nền tảng vững chắc trong suốt thời gian học tập ở trường

Tôi xin kính gửi lòng biết ơn vô bờ đến thầy Phạm Đình Trực, người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này

Cuối cùng là lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bè bạn đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm việc, học tập và nghiên cứu

TPHCM, ngày 06 tháng 07 năm 2010

Uông Dương Minh

LỜI CẢM ƠN

Trong những năm gần đây, cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, phương pháp điều khiển không cảm ứng máy điện ngày càng trở nên hoàn thiện hơn Một trong những phương pháp điều khiển đơn giản và hiệu quả, được ứng dụng nhiều nhất hiện nay là phương pháp Điều khiển trực tiếp moment – DTC, do Takahashi phát minh từ năm 1984

Để hiểu rõ hơn về điều khiển DTC, trước tiên chúng ta sẽ tìm hiểu sơ lược về máy điện, các mô hình toán học, các đặc tính hoạt động của máy điện của các trường hợp:

lý tưởng và có tổn hao (tổn hao sắt từ, tổn hao sắt từ và bão hòa từ) Từ đó, tiến hành

mô phỏng và phân tích máy điện khi ứng dụng phương pháp điều khiển DTC, nhận xét

và rút ra kết luận Bên cạnh đó, luận văn cũng đề ra các phương hướng phát triển, đi sâu nghiên cứu nhằm đáp ứng các nhu cầu mà thực tế nền công nghiệp trong nước và thế giới đang đòi hỏi

Các phần luận văn sẽ trình bày gồm có:

Chương 1: Tổng quan về động cơ KĐB – Giới thiệu lịch sử phát triển

Chương 2: Mô hình động cơ KĐB – Các công thức dùng để xây dựng mô hình động cơ KĐB trong Matlab

Chương 3: Mô phỏng động cơ KĐB – Mô phỏng, so sánh và đưa ra nhận xét về mô hình đã xây dựng trong Matlab

Trang bìa i

Nhiệm vụ luận văn Lời cám ơn Tóm tắt luận văn thạc sĩ ii

Mục lục iii

Danh sách hình vẽ vii

Danh sách bảng biểu viii

Bảng ký hiệu và chữ viết tắt dùng trong luận văn ix

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1

1 Lịch sử phát triển của động cơ không đồng bộ 1

2 Các phương pháp điều khiển động cơ điện không đồng bộ 4

2.1 Điều khiển vô hướng (V/f) 4

2.2 Điều khiển định hướng từ trường FOC 5

2.3 Điều khiển trực tiếp moment DTC 6

3 Kết luận 7

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 8

1 Động cơ không đồng bộ lý tưởng 8

1.1 Trên hệ tọa độ cố định stator (hệ tọa độ β) 8

1.2 Trên hệ tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq) 10

2 Động cơ không đồng bộ có tổn hao sắt từ và bão hòa từ 11

2.1 Trên tọa độ cố định stator (hệ tọa độ β) 11

2.2 Trên hệ tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq) 13

3 Kết luận 14

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 15

1 Động cơ không đồng bộ lý tưởng 15

1.1 Mô hình chung 15

1.2 Khối nguồn ba pha 16

1.3 Khối chuyển hệ trục tọa độ từ ABC sang dq 17

1.4 Khối chuyển hệ trục tọa độ từ dq sang ABC 17

2 Động cơ không đồng bộ có tổn hao sắt từ 20

2.1 Khối tính toán Rfe 21

2.2 Khối động cơ không đồng bộ có tính đến tổn hao sắt từ 22

2.3 Khối tính tần số f: 22

3 Động cơ không đồng bộ có tổn hao sắt từ và bão hòa từ: 23

3.1 Khối tính toán Lm 24

3.2 Khối động cơ KĐB có tính đến tổn hao sắt từ và bão hòa từ 25

4 Kết quả mô phỏng 26

4.1 Trường hợp động cơ hoạt động không tải 26

4.2 Trường hợp động cơ mang tải 29

5 Nhận xét 32

5.1 Trường hợp động cơ hoạt động không tải 32

5.2 Trường hợp động cơ hoạt động có tải 33

CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMENT – DTC 34

1 Tổng quan 34

2 Một số khái niệm chung 35

2.1 Biến thiên của từ thông stator 35

2.2 Biến thiên của từ thông rotor 35

2.3 Biến thiên của moment 36

3 Nguyên lý điều khiển DTC 38

3.1 Nguyên lý 38

3.2 Bảng đóng cắt 38

3.3 Ước lượng moment và từ thông stator 41

4 Kết luận 42

CHƯƠNG 5: DTC VỚI BẢNG ĐÓNG CẮT TAKAHASHI 43

1 Bảng đóng cắt 43

1.1 Giới thiệu 43

CHƯƠNG 6: DTC VỚI BẢNG ĐÓNG CẮT CASADEI 68

1 Bảng đóng cắt Casadei 68

2 Các khối trong mô hình mô phỏng 69

3 Khảo sát mô hình động cơ KĐB điều khiển từ thông và moment 71

3.1 Mô hình 71

3.2 So sánh 72

3.3 Kết luận 75

4 Khảo sát mô hình động cơ KĐB điều khiển từ thông và vận tốc 77

4.1 Mô hình 77

4.2 So sánh 78

4.3 Kết luận 81

5 Khảo sát mô hình động cơ không đồng bộ với 2 bảng đóng cắt Takahashi và Casadei 84

5.1 Động cơ KĐB lý tưởng (mô hình 1) 85

5.2 Động cơ KĐB có tổn hao sắt từ (mô hình 2) 88

5.3 Động cơ KĐB có tổn hao sắt từ và bão hòa từ (mô hình 3) 90

5.4 Kết luận 93

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN 96

1 Kết luận về đề tài 96

2 Hướng phát triển đề tài 96

Tài liệu tham khảo 97

Hình 1.1: Hình ảnh của một số động cơ điện không đồng bộ trong thực tế 3

Hình 2.1: Sơ đồ thay thế tương đương động cơ không đồng bộ lý tưởng 8

Hình 2.2: Sơ đồ tương đương động cơ KĐB có tổn hao sắt từ và bão hòa từ 11

Hình 3.1: Mô hình động cơ không đồng bộ lý tưởng 15

Hình 3.2: Mô hình khối nguồn ba pha 16

Hình 3.3: Mô hình khối chuyển hệ trục tọa độ từ ABC sang dq 17

Hình 3.4: Mô hình khối chuyển hệ trục tọa độ từ dq sang ABC 17

Hình 3.5: Sơ đồ khối động cơ KĐB ba pha lý tưởng 19

Hình 3.6: Sơ đồ khối tính toán từ thông Stato Ѱ 20

Hình 3.7: Mô hình động cơ không đồng bộ xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ 21

Hình 3.8: Mô hình khối tính toán Rfe 22

Hình 3.9: Mô hình khối tính tần số f 23

Hình 3.10: Mô hình động cơ không đồng bộ xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ 24

Hình 3.11: Mô hình khối tính toán Lm 25

Hình 3.12: Sơ đồ khối động cơ KĐB ba pha có tính đến tổn hao sắt từ và bão hòa từ 26

Hình 3.13: So sánh tốc độ động cơ cả ba mô hình (không tải) 27

Hình 3.14: So sánh moment điện từ cả ba mô hình (không tải) 28

Hình 3.15: So sánh dòng điện pha cả ba mô hình (không tải) 28

Hình 3.16: So sánh từ thông stator cả ba mô hình (không tải) 29

Hình 3.17: So sánh tốc độ động cơ cả ba mô hình (có tải) 30

Hình 3.18: So sánh moment điện từ cả ba mô hình (có tải) 31

Hình 3.19: So sánh dòng điện pha cả ba mô hình (có tải) 31

Hình 3.20: So sánh từ thông stator cả ba mô hình (có tải) 32

Hình 4.1: Vị trí tương đối giữa vector không gian từ thông stator và rotor 37

Hình 4.2: Các sector và vector không gian điện áp 38

Hình 4.3: Điều khiển vector không gian từ thông stator theo vector điện áp tương ứng 40

Hình 4.4: Sự lựa chọn vector điện áp khi từ thông stator và moment thay đổi 40

Hình 5.1: Khối mô hình DTC với bảng đóng cắt Takahashi 45

Hình 5.2: Khối xác định vị trí từ thông stator 46

Hình 5.3: Khối so sánh 47

Hình 5.4: Khối đóng cắt 47

Hình 5.5: Khối nghịch lưu 48

Hình 6.3: Mô hình Matlab/Simulink của động cơ KĐB điều khiển từ thông và moment –

Casadei 72

Hình 6.4: Tốc độ rotor (điều khiển từ thông, moment) - Casadei 73

Hình 6.5: Moment điện từ (điều khiển từ thông, moment) - Casadei 73

Hình 6.6: Dòng điện pha (điều khiển từ thông, moment) - Casadei 74

Hình 6.7: Từ thông stator (điều khiển từ thông, moment) - Casadei 75

Hình 6.8: Mô hình động cơ KĐB điều khiển từ thông và vận tốc - Casadei 78

Hình 6.9: Tốc độ rotor (điều khiển từ thông, vận tốc) - Casadei 79

Hình 6.10: Moment điện từ (điều khiển từ thông, vận tốc) - Casadei 80

Hình 6.11: Dòng điện pha (điều khiển từ thông, vận tốc) - Casadei 80

Hình 6.12: Từ thông stator (điều khiển từ thông, vận tốc) – Casadei 81

Hình 6.13: So sánh tốc độ rotor mô hình 1 85

Hình 6.14: So sánh moment điện từ mô hình 1 86

Hình 6.15: sánh dòng điện pha mô hình 1 87

Hình 6.16: So sánh từ thông mô hình 1 87

Hình 6.17: So sánh tốc độ rotor mô hình 2 88

Hình 6.18: So sánh moment điện từ mô hình 2 89

Hình 6.19: So sánh dòng điện pha mô hình 2 89

Hình 6.20: So sánh từ thông mô hình 2 90

Hình 6.21: So sánh tốc độ rotor mô hình 3 91

Hình 6.22: So sánh moment điện từ mô hình 3 91

Hình 6.23: So sánh dòng điện pha mô hình 3 92

Hình 6.24: So sánh từ thông mô hình 3 93

Bảng 4.1: Bảng lựa chọn vector điện áp của Takahashi 41

Bảng 5.1: Bảng lựa chọn vector điện áp của Takahashi 44

Bảng 5.2: Bảng trạng thái của bộ nghịch lưu áp 50

Bảng 5.3: Điện áp ra của bộ nghịch lưu áp với các trạng thái đóng cắt khác nhau 52

Bảng 6.1: Bảng lựa chọn vector điện áp cho vùng hai phần tư 68

Bảng 6.2: Bảng lựa chọn vector điện áp cho vùng bốn phần tư 68

Bảng 6.3: Bảng lựa chọn vector điện áp theo vận tốc 69

BẢNG KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DÙNG TRONG LUẬN VĂN

i : vector không gian dòng điện tổn hao mạch từ

i : vector không gian dòng điện mạch từ

u : vector không gian điện áp stator

u : vector không gian điện áp rotor

i : vector không gian dòng điện stator

i : : vector không gian dòng điện rotor

Ψ : vector không gian từ thông stator

Ψ : vector không gian từ thông rotor

ω : tốc độ góc hệ quy chiếu bất kỳ

Δt : biến thiên thời gian tức thời

i : thành phần dòng điện stator trong hệ quy chiếu quay dq trên trục d

i : thành phần dòng điện stator trong hệ quy chiếu quay dq trên trục q

i : thành phần dòng điện rotor trong hệ quy chiếu quay dq trên trục d

i : thành phần dòng điện rotor trong hệ quy chiếu quay dq trên trục q

u : thành phần điện áp stator trong hệ quy chiếu quay dq trên trục d

u : thành phần điện áp stator trong hệ quy chiếu quay dq trên trục q

u : thành phần điện áp rotor trong hệ quy chiếu quay dq trên trục d

u : thành phần điện áp rotor trong hệ quy chiếu quay dq trên trục q

P : số đôi cực

L : hỗ cảm tổng của động cơ (điện cảm từ hóa)

R : điện trở tổn hao sắt từ

R : điện trở dây quấn rotor

R : điện trở dây quấn stator

te : moment điện từ tức thời

V DC : điện áp một chiều của bộ nghịch lưu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1 Lịch sử phát triển của động cơ không đồng bộ

Lịch sử của động cơ điện bắt đầu vào năm 1820, khi Hans Christian Oersted phát hiện ra hiệu ứng từ của dòng điện Một năm sau, Michael Faraday phát hiện ra điện từ quay và xây dựng động cơ DC đầu tiên Faraday tiếp tục khám phá cảm ứng điện từ vào năm 1831, nhưng mãi cho đến năm 1883 Tesla mới phát minh ra động cơ không đồng bộ AC

Hiện nay, các loại chính của động cơ điện, dù là động cơ điện một chiều hay xoay chiều, đồng bộ hay không đồng bộ vẫn dựa trên sự phát triển về lý thuyết của Oersted, Faraday và Tesla Từ khi được phát minh, động cơ không đồng bộ AC hay còn gọi là động cơ cảm ứng nhờ có nhiều ưu điểm, đã trở thành động cơ phổ biến nhất được sử dụng trong thực tế

Ưu điểm chính của nó là không cần kết nối điện giữa các phần động và tĩnh của động cơ, và vì thế không cần chổi quét Ngoài ra, động cơ không đồng bộ còn có trọng lượng nhỏ, quán tính, hiệu suất và khả năng chịu quá tải cao Một ưu điềm khác là giá thành của nó thấp hơn các loại động cơ khác, ít hỏng hóc ở tốc độ cao và không sinh ra tia lửa điện

Trong những năm gần đây, ngày càng có nhiều những nghiên cứu về ứng dụng không cảm biến của máy điện không đồng bộ vì các ưu điểm: mạnh mẽ, cấu trúc đơn giản, dễ bảo trì Điều này đã dẫn đến các phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực vận hành không cảm biến tốc độ thấp và bảng đóng ngắt tối ưu

Trong lĩnh vực này, đi đầu là Takahashi (1986) và sau đó được tiếp nối bởi các tác giả như Vas (1998), Beum và Blaabjerk (2006)… Từ đó trở thành một để tài phổ biến

và thu được nhiều kết quả tốt

Hình 1.1: Hình ảnh của một số động cơ điện không đồng bộ trong thực tế

Trước đây, người ta dùng nhiều cách để có thể điều khiển được vận tốc, và động cơ

DC cho hiệu quả cao nhất Nó không những vận hành trong cả bốn vùng phần tư mà còn có hiệu suất cao Tuy nhiên, động cơ DC có một nhược điểm đó là phải dùng chổi quét

Với những tiến bộ trong những năm cuối thế kỉ XX, các điều kiện thuận lợi để phát triển động cơ không đồng bộ ra đời, phương hướng phát triển được chia làm hai nhóm chính:

 Giảm chi phí và tăng năng suất trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng điện

tử

 Thực hiện các thuật toán phức tạp với việc chế tạo các bộ vi xử lý mới Tuy nhiên, việc chế tạo các bộ vi xử lý mới và tiến hành các thuật toán phức tạp cần nhiều thời gian để nghiên cứu và thí nghiệm, vì thế hiện nay người ta chú trọng hướng thứ nhất Từ đó, người ta tìm ra được một phương pháp đơn giản và ít phức tạp hơn,

đó chính là phương pháp Điều khiển trực tiếp moment – DTC

2 Các phương pháp điều khiển động cơ điện không đồng bộ

Một số phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

2.1 Điều khiển vô hướng (V/f)

Là bộ điều khiển đơn giản, phổ biến nhất, đang dùng trong phần lớn các ứng dụng công nghiệp Nó được biết đến như một điều khiển vô hướng, bằng cách tạo một mối quan hệ so sánh giữa điện áp và tần số Cấu trúc này rất đơn giản và thường được sử

 Thường điều khiển ở dạng vòng hở

 Từ thông được giữ không đổi bằng cách giữ V/f=const

Ưu điểm:

 Đơn giản, không cần tính hiệu hồi tiếp

 Rẻ tiền, dễ sử dụng

Nhược điểm:

 Không điều khiển được moment tối ưu

 Không điều khiển trực tiếp, độc lập giữa moment và từ thông

 Độ chính xác không cao

 Đáp ứng chậm

2.2 Điều khiển định hướng từ trường FOC

Điều khiển định hướng từ trường FOC (Field Orientated Control) là phương pháp điều khiển dòng stator bằng vector Các giá trị tham chiếu dùng trong FOC là từ thông

và moment Bằng cách giữ giá trị từ thông không đổi, người ta sẽ dễ dàng điều khiển được moment thông qua giá trị dòng stator

 Đảm bảo moment ở vận tốc zero

 Nguyên lý điều khiển tương tự động cơ DC

Nhược điểm:

 Phải có hồi tiếp tốc độ trong giải thuật điều khiển

 Cần phải điều chế độ rộng xung, phụ thuộc vào bộ điều khiển dòng và tham số đầy đủ của động cơ

 Giá thành cao

2.3 Điều khiển trực tiếp moment DTC

Điều khiển trực tiếp moment (Direct Torque Control) là một trong những phương pháp điều khiển tốt nhất của điều khiển máy điện, và được xem như là một phương pháp thay thế cho FOC Sự khác nhau của 2 phương pháp đó là DTC trực tiếp điều khiển giá trị từ thông và moment

Trong phần luận văn này sẽ nghiên cứu các đáp ứng về moment, từ thông, thông qua việc lập trình bằng Matlab/Simulink

Đặc điểm:

 Điều khiển độc lập giữa moment và từ thông

 Dòng stator và từ thông stator có dạng gần sin

 Hiệu suất cao

Ưu điểm:

 Định hướng được từ thông do đó tối ưu được moment

 Điều khiển trực tiếp moment và từ thông

Nhược điểm:

 Khởi động không tốt

 Sự suy giảm kích từ và dao động từ thông ở vùng vận tốc thấp và moment ở vùng vận tốc cao

 Tần số đóng cắt của bộ nghịch lưu biến thiên theo điểm làm việc của động cơ

 Từ thông stator và moment có độ gợn

3 Kết luận

Những năm gần đây, động cơ không đồng bộ ngày càng được ứng dụng phổ biến hơn trong nền công nghiệp bổ vì nó có cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn, dễ bảo trì và kinh tế Các phương pháp điều khiển lần lượt ra đời để thỏa mãn nhu cầu của nền công nghiệp Tuy vậy, với các phương pháp điều khiển khác, do phải dùng thêm nhiều bộ chuyển đổi đã khiến cho đáp ứng chậm và không chính xác Chính vì thế, phương pháp DTC được phát minh ra đã giúp cải thiện vấn đề trên

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Để khảo sát động cơ không đồng bộ trong Matlab/Simulink, trước tiên chúng ta xây dựng mô hình toán học của động cơ

1 Động cơ không đồng bộ lý tưởng

Sơ đồ thay thế tương đương của động cơ không đồng bộ được thể hiện trong hình 2.1

Hình 2.1: Sơ đồ thay thế tương đương động cơ không đồng bộ lý tưởng.

1.1 Trên hệ tọa độ cố định stator (hệ tọa độ β)

Phương trình tổng quát điện áp stator và rotor:

s a s s s

dt

d i R

u      



(2.1)

r j d i

S a r m s s s s

dt

i d L dt

i d L i R

u      



(2.5)

))(

(

r s m r

dt

i d L dt

i d L i

i d L i R

m s s s s

s   



(2.7)

) (

r s m r

r j i L i L

dt

i d L dt

i d L i

R    





Chiếu (2.7) và (2.8) lên hệ tọa độ β được các phương trình điện áp stator và rotor:

 Phương trình điện áp stator:

dt

di L dt

di L i R

m s s s s s

di L i R

 Phương trình điện áp rotor:

) (

r r s m r

dt

di L dt

di L i

R    

    

)(

dt

di L dt

di L i

R         

 Phương trình từ thông:

m r s s

s i  L i  L



m r s s

s i  L i  L



m s r r

r i  L i  L



m s r r

r i  L i  L



 Phương trình chuyển động:

d P

J T

d

L r m s s s r m s s

1.2 Trên hệ tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq)

Phương trình tổng quát điện áp stator và rotor:

s a s s s

dt

d i R

u      



(2.19)

r a

r r

dt

d i

R  ( )



(2.20) Chiếu phương trình (2.19) và (2.20) lên hệ tọa độ dq thực hiện các phép biến đổi được các phương trình điện áp sau:

 Phương trình điện áp stator:

) ( s qs m qr

a dr m ds s ds s

dt

di L dt

di L i R

) ( s ds m dr

a qr m qs s qs s

dt

di L dt

di L i R

 Phương trình điện áp rotor:

) )(

(

m dr r dr

dt

di L dt

di L i

R     

m qs r qr

qr i L i L

 Phương trình mômen điện từ:

) (

2

3

ds qr qs dr m

J T

d

L ds qr qs dr

2 Động cơ không đồng bộ có tổn hao sắt từ và bão hòa từ

Sơ đồ thay thế tương đương của động cơ không đồng bộ khi xem xét có tổn hao sắt

từ và bão hòa từ thể hiện như hình 2.2:

Về mặt cấu trúc, node MPLS có hai thành phần:

2.1 Trên tọa độ cố định stator (hệ tọa độ β)

 Phương trình tổng quát điện áp stator và rotor:

)

a m s s s

dt

d dt

i d L i R

) )(

(

r r

dt

d dt

i d L i

j i R dt

f

Hz f

f f

R f

R Fe e Fe

50 );

( / 55272 1841

50 );

( 0788 0 242 8 92 128

: ) (

2

m

m m m m

i L f

i i

A i

i

m m m

m m m

2 2

; / 924 0 0067 0 8374 0

2 2

; 1964285

si L  i L

m m r r

r i L  i L

Chiếu các phương trình (2.32), (2.33) và (2.34) lên trục β được các phương trình sau:

 Phương trình điện áp stator:

dt

d dt

di L i R

s s s s

m m

Fe r Fe s Fe m

L

R i R i R dt

Fe r Fe s Fe m

L

R i R i R dt

s i  L  i  L



m m s s

s i  L  i  L



m m r r

r i  L  i  L



m m r r

2

3

m r m r

J T

2.2 Trên hệ tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq)

Chiếu các phương trình (2.32), (2.33) và (2.34) lên trục dq được các phương trình sau:

 Phương trình điện áp stator:

qm a qs s a dm ds

s ds s

dt

d dt

di L i R

dm a ds s a qm qs

s qs s

dt

d dt

di L i R

 Phương trình điện áp rotor:

qr r a

qm a

dm dr

r dr

dt

d dt

di L i

R   ( ) ( ) 

dr r a

dm a

qm qr

r qr

dt

d dt

di L i

R   ( ) ( ) 

 Phương trình mạch tổn hao sắt từ và bão hòa từ:

qm a dm m

Fe dr Fe ds Fe dm

L

R i R i R dt

Fe qr Fe qs Fe qm

L

R i R i R dt

dsi L  i L

m qm s qs

qsi L  i L

m dm r dr

dr i L  i L

m qm r qr

qr i L  i L

 Phương trình moment điện từ:

) (

2

3

dm qr qm dr

J T

3 Kết luận

Trong chương này đã trình bày các công thức toán học của cả hai trường hợp: động

cơ KĐB lý tưởng và động cơ KĐB có xét đến tổn hao sắt từ và bão hòa từ Các công

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Trong chương này, chúng ta sẽ khảo sát ba mô hình: động cơ không đồng bộ lý tưởng, động cơ không đồng bộ có tổn hao sắt từ và động cơ không đồng bộ có tổn hao sắt từ và bão hòa từ, thông qua các đại lượng vận tốc động cơ ω, moment điện từ Te, dòng điện pha ia, từ thông stator Ѱ s Từ đó chúng ta sẽ thấy rõ ảnh hưởng của tổn hao

sắt từ và bão hòa từ trong động cơ không đồng bộ

1 Động cơ không đồng bộ lý tưởng

1.1 Mô hình chung

Các thông số máy trong mô phỏng:

Điện cảm stator: Ls=0.1459H; Điện cảm rotor: Lr=0.149H;

Điện cảm từ hóa Lm=0.141H; Điện trở stator: Rs=1.37Ω;

Điện trở rotor: Rr=1.1 Ω; Moment định mức: Te = 26.5 N.m;

Số đôi cực P = 2; Moment quán tính: J = 0.1 kg.N/m;

Moment tải: TL = 26.5 N.m; Điện áp pha định mức: 220 VAC

Hình 3.1: Mô hình động cơ không đồng bộ lý tưởng

ids iqs

Ia Ib Ic

dq 2 ABC tIIM

To Workspace8

Tl IM

To Workspace1 Tai

v ds

v qs TL

Ids Iqs Idr Iqr W Te MagFs AngFs

DC KDB LT

Cl ock

Va Vb Vc Vds Vqs ABC 2 dq

Mô hình bao gồm các khối sau:

 Khối nguồn 3 pha

 Khối chuyển trục tọa độ từ ABC sang dq

 Khối chuyển trục tọa độ từ dq sang ABC

 Khối động cơ không đồng bộ lý tưởng

1.2 Khối nguồn ba pha

Hình 3.2: Mô hình khối nguồn ba pha

Nguồn 3 pha có dạng sin, các pha lệch nhau 1200 được biểu diễn theo các phương trình:

3 Vc

2 Vb

1 Va

va

To Workspace

f(u) Fcn2

f(u) Fcn1

f(u) Fcn

Clock

1.3 Khối chuyển hệ trục tọa độ từ ABC sang dq

Hình 3.3: Mô hình khối chuyển hệ trục tọa độ từ ABC sang dq

Công thức chuyển đổi từ hệ tọa độ ABC sang hệ tọa độ dq

)]

3 / 2 cos(

) 3 / 2 cos(

cos [ 3

) 3 / 2 sin(

sin [ 3

1.4 Khối chuyển hệ trục tọa độ từ dq sang ABC

Hình 3.4: Mô hình khối chuyển hệ trục tọa độ từ dq sang ABC

Công thức chuyển đổi từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ ABC:

s q s d

)3/2sin(

)3/2

)3/2

1.5 Khối động cơ không đồng bộ lý tưởng

Các phương trình mô phỏng động cơ KĐB lý tưởng được viết trong tọa độ dq:

2 Vqs

1 Vds

vdsIIM

T o Workspace f(u)

Fcn1

f(u) Fcn

3 Vc

2 Vb

1 Va

3 Ic

2 Ib

1 Ia

iaIIM

T o Workspace

f(u) Cal_Ic

f(u) Cal_Ib

u[1]

Cal_Ia

2 iqs 1 ids

kì, sau đó kết hợp với phương trình moment điện từ và phương trình biến đổi năng lượng điện cơ ta được hệ thống các phương trình hoàn chỉnh mô tả đầy đủ hiện tượng vật lý xảy ra trong động cơ KĐB lý tưởng Chúng được biểu diễn bởi các sơ đồ khối trong phần mềm Matlab-simulink như hình 3.5 bên dưới

Hình 3.5: Sơ đồ khối động cơ KĐB ba pha lý tưởng

1.6 Khối tính từ thông

Từ thông stator và rotor trong động cơ KĐB ba pha không thể được đo trực tiếp, chúng chỉ được tính toán gián tiếp thông qua các phương trình Tận dụng khả năng tính toán dòng stator và rotor của Matlab để tính giá trị từ thông stator và rotor theo

7 MagFs

6

T e

5 W

4 Iqr

3 Idr

2 Iqs

1 Ids

1 s Integrator3

1 s Integrator2

1 s Integrator1

1 Integrator

Ids Iqs Idr Iqr

MagFs AngFs

Flux

f(u) Cal_w

f(u) Cal _i qs

f(u) Cal _i qr

f(u) Cal _i ds

f(u) Cal _i dr

f(u) Cal_T e

Hình 3.6: Sơ đồ khối tính toán từ thông Stato

2 Động cơ không đồng bộ có tổn hao sắt từ

Các thông số máy trong mô phỏng:

Điện cảm rò stator: Lσs = 0.00487 H; Điện cảm rò rotor: Lσr = 0.00796 H; Điện cảm từ hóa Lm=0.141H; Điện trở stator: Rs=1.37Ω;

Điện trở rotor: Rr=1.1 Ω; Moment định mức: Te = 26.5 N.m;

Số đôi cực P = 2; Moment quán tính: J = 0.1 kg.N/m;

Moment tải: TL = 26.5 N.m; Điện áp pha định mức: 220 VAC

Mô hình động cơ không đồng bộ xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ thể hiện như hình 3.7

2 AngFs

1 MagFs

Cartesian to Polar

f(u) Cal_Fqs

f(u) Cal_Fds

4 Iqr

3 Idr

2 Iqs 1 Ids

Hình 3.7: Mô hình động cơ không đồng bộ xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ

Mô hình bao gồm các khối sau:

 Khối nguồn 3 pha

 Khối chuyển trục tọa độ từ ABC sang dq

 Khối chuyển trục tọa độ từ dq sang ABC

 Khối tính toán Rfe

 Khối động cơ KĐB có tính đến tổn hao sắt từ

Các khối nguồn ba pha, khối chuyển trục tọa độ từ ABC sang dq và khối chuyển trục tọa độ từ dq sang ABC có mô hình tương tự như mô hình của động cơ không đồng

f

Hz f

f f

R f

R Fe e Fe

50 );

( / 55272 1841

50 );

( 0788 0 242 8 92 128

: ) (

2

Mô hình Matlab simulink:

Hình 3.8: Mô hình khối tính toán Rfe

2.2 Khối động cơ không đồng bộ có tính đến tổn hao sắt từ

Sử dụng các phương trình (2.53) đến (2.64) ở chương 2, ta thực hiện các phép biến đổi thành phương trình vi phân mô phỏng động cơ trong tọa độ dq:

f(u) f>50Hz

f(u) f<=50Hz

Switch2

Mem ory 1

f

= (3.28)

Hình 3.9: Mô hình khối tính tần số f

3 Động cơ không đồng bộ có tổn hao sắt từ và bão hòa từ:

Các thông số máy trong mô phỏng:

Điện cảm rò stator: Lσs = 0.00487 H; Điện cảm rò rotor: Lσr = 0.00796 H; Điện trở stator: Rs=1.37Ω; Điện trở rotor: Rr=1.1 Ω;

Moment định mức: Te = 26.5 N.m; Số đôi cực P = 2;

Moment quán tính: J = 0.1 kg.N/m; Moment tải: TL = 26.5 N.m;

Điện áp pha định mức: 220 VAC

Mô hình động cơ không đồng bộ xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ thể hiện như hình 3.6

1 f

Switch1

Switch

1 s Integrator8

1 Integrator7

50 Constant1

1 Constant

Clock1

Clock

f(u) Cal_f

f(u) Cal_d(Fqs)/dt

f(u) Cal_d(Fds)/dt

butter

Analog Filter Design

Hình 3.10: Mô hình động cơ không đồng bộ xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ

Mô hình bao gồm các khối sau:

 Khối nguồn 3 pha

 Khối chuyển trục tọa độ từ ABC sang dq

 Khối chuyển trục tọa độ từ dq sang ABC

 Khối tính toán Lm

 Khối tính toán Rfe

 Khối động cơ KĐB có tính đến tổn hao sắt từ và bão hòa từ

ids

iqs Ia Ib Ic

dq 2 ABC tSIM

T o Workspa ce8

TlSIM

T o Workspa ce2 RfeSIM

To Workspace1

T ai

Va Vb Vc

Vqs ABC 2 dq

m m m m

i L f

i i

A i

i

m m m

m m m

2 2

; / 924 0 0067 0 8374 0

2 2

; 1964285

0

2

Mô hình Matlab simulink:

Hình 3.11: Mô hình khối tính toán Lm

3.2 Khối động cơ KĐB có tính đến tổn hao sắt từ và bão hòa từ

Sử dụng các phương trình (2.53) đến (2.64) chương 2, ta thực hiện các phép biến đổi thành phương trình vi phân mô phỏng động cơ trong tọa độ dq:

Memory

f(u) Cal_|im|

Hình 3.12: Sơ đồ khối động cơ KĐB ba pha có tính đến tổn hao sắt từ và bão hòa từ

4 Kết quả mô phỏng

11 f

10 angFs

9 magFs

8

T e

7 W

3 Idr

2 Iqs

1 Ids

1 s Integrator5

1 s Integrator4

1 s Integrator3

1 s Integrator2

1 s Integrator1

1 s Integrator

f(u) Cal _w

f(u) Cal_iqs

f(u) Cal _iqr

f(u) Cal_ids

f(u) Cal_idr

f(u) Cal_T e

f(u) Cal_Flqm

f(u) Cal_Fldm

d(ids)/dt d(iqs)/dt d(Fldm)/dt d(Flqm)/dt f

Bl ock of frequency

ids iqs idr iqr Fldm Flqm

MagFs AngFs MagFr AngFr

Block of Flux cal cul ation

Hình 3.13: So sánh tốc độ động cơ cả ba mô hình (không tải)

50 100 150 200 250 300

314.2 314.4 314.6 314.8 315

-20 0 20 40 60 80 100 120

140

Te Ideal

Te RFe

Te Sat

Hình 3.14: So sánh moment điện từ cả ba mô hình (không tải)

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1

-60 -40 -20 0 20 40 60 80

20

ia Ideal

ia RFe

ia Sat

4.1.4 Từ thông stator Ѱs

Hình 3.16: So sánh từ thông stator cả ba mô hình (không tải)

4.2 Trường hợp động cơ mang tải

Cả hai động cơ đều được đóng tải định mức Tl=26.5N.m vào ở thời gian 0.5s và vào lúc 1.4s giảm tải xuống còn Tl=10N.m với nguồn cung cấp có biên độ đỉnh 220 Volt, tần số 50 Hz, thời gian mô phỏng 2s, kết quả đạt được như sau:

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

1.4

SFlux Ideal SFlux RFe SFlux Sat

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0.9875

0.988 0.9885 0.989 0.9895 0.99 0.9905

0.991

SFlux Ideal SFlux RFe SFlux Sat