Đánh giá ảnh hưởng của các tham số động cơ đến hệ truyền động động cơ không đồng bộ theo phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp

Đánh giá ảnh hưởng của các tham số động cơ đến hệ truyền động động cơ không đồng bộ theo phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp Đánh giá ảnh hưởng của các tham số động cơ đến hệ truyền động động cơ không đồng bộ theo phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

PHẠM MINH TUẤN

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐỘNG CƠ ĐẾN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƯƠNG PHÁP

ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ GIÁN TIẾP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – Năm 2016

PHẠM MINH TUẤN

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐỘNG CƠ ĐẾN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƯƠNG PHÁP

ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ GIÁN TIẾP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS.TẠ CAO MINH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn của bản thân tôi được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS TS Tạ Cao Minh Kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực

Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm với nội dung của luận văn

Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2016

Học viên thực hiện

Phạm Minh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS TS Tạ Cao Minh, người thầy rất gần gũi đã đề

ra phương hướng, truyền thụ những kinh nghiệm chuyên môn với tất cả niềm đam

mê nghiên cứu khoa học, hết lòng chỉ dạy, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và hỗ trợ tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy, cô Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã truyền thụ cho tôi những kiến thức vô cùng quý báu trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo – Trường Cao đẳng nghề Dầu khí, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình công tác, tham gia lớp cao học cũng như thực hiện luận văn tốt nghiệp này Xin cám ơn các đồng nghiệp và bạn bè cũng như người thân trong gia đình tôi

đã luôn động viên, khuyến khích tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài

để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Vũng tàu ,ngày tháng 10 năm 2016

Học viên thực hiện

Phạm Minh Tuấn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 7

LỜI NÓI ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 11

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ (ĐCKĐB) 11

1.2.CẤU TẠO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 12

1.2.1.Phần tĩnh (stator) 13

1.2.2 Phần quay (rotor) 14

1 3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 16

1.4 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐCKĐB 16

1.5 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA ĐCKĐB 18

1.5.1 Ưu điểm 18

1.5.2 Nhược điểm 18

1.5.3 Ứng dụng của ĐCKĐB 18

1.6.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB 19

1.6.1 Đi u khiển v hư ng động c kh ng đ ng ộ (sca ar) 19

1.6.2 Phư ng pháp đi u chế véc t kh ng gian 21

1.6.3 Phư ng pháp đi u khiển véc t 22

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 24

2.1 XÂY DỰNG VECTƠ KHÔNG GIAN 24

2.2 CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI HỆ TRỤC TỌA ĐỘ PARK VÀ CLARKE 27

2.3 HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ 32

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP

ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ 40

3.1.NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ 40

3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ ĐCKĐB 42

3.2.1 Phư ng pháp đi u khiển véc t gián tiếp 42

3.2.1 Phư ng pháp đi u khiển véc t trực tiếp 46

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐẾN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 47

4.1 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ ĐỘNG CƠ 47

a Sự thay đổi của điện trở Rotor 47

b Sự thay đổi của điện cảm tản Rotor 49

c Sự thay đổi của điện trở Stator 50

d Sự thay đổi của điện cảm stator 51

e Sự thay đổi của hỗ cảm 51

4.2 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THAM SỐ TRONG ƯỚC LƯỢNG GÓC TỪ TRƯỜNG 51

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 53

5.1 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CẦN THIẾT 53

5.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 56

5.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 60

KẾT LUẬN 67

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 67

PHỤ LỤC 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Phân loại động c điện sử dụng trong công nghiệp 11

Hình 1.1 Cấu tạo của động c kh ng đ ng bộ 13

Hình 1.2 Cấu tạo stator:1 – Lõi sắt, 2 – Lá thép kỹ thuật điện, 3 – Dây quấn, 4 rãnh 13

Hình 1.3 a – Rotor dây quấn biến trở: 1 – Lõi thé, 2 – Cuộn dây 1, 3 – Cuộn dây 2, 4 – Cuộn dây 3, 5 – Vành trượt, 6 – Chuổi than, 7 – Trục, 8 – Biến trở, 14

b – Rotor dây quấn v i các vành trượt 14

Hình 1.4: a - Cấu tạo rotor l ng sóc: 1 – Lõi, 2 – Thanh dẫn, 3 – Vòng ngắn mạch, 4 – Trục rotor, b – Dây quấn của rotor 15

Hình 1 5 a - Cấu tạo rotor l ng sóc kép: 1 – Lõi, 2 – Thanh dẫn, 3 – Vòng ngắn mạch, 4 – Trục rotor, b – Dây quấn của rotor l ng sóc kép 15

Hình 1.6 Mạch điện tư ng đư ng 1 pha của ĐCKĐB 17

Hình 1 7 Tổn thất công suất do điện trở rotor gây ra 17

Hình 1 8 Mô hình chung của hệ thống đi u khiển tốc độ v hư ng 20

Hình 1 10 Trạng thái đóng ngắt của bộ đi u khiển véc t kh ng gian 22

Hình 2 1 S đ cuộn dây và dòng điện của ĐCKĐB 24

Hình 2.2 Cấu trúc của véc t trong kh ng gian 26

Hình 2.3 Các hệ trục tọa độ tham chiếu 27

Hình 2.4 Biểu diễn dòng stator dư i dạng véc t kh ng gian 28

Hình 2.5 Véc t kh ng gian trong hệ trục tọa độ cố định 29

Hình 2.6 Công thức chuyển hệ trục tọa độ - Clarke 29

Hình 2.7 Công thức chuyển tọa độ - Inverse Clarke 30

Hình 2.8 Công thức chuyển tọa độ -Park 31

Hình 2.9 Công thức chuyển tọa độ - Inverse Park 31

Hình 2.10 M hình ĐCKĐB dư i hệ trục tọa độ   36

Hình 2 11 S đ véc t của ĐCKĐB trên hệ các hệ trục tọa độ 37

Hình 2 12 M hình ĐCKĐB 3 pha trên hệ trục tọa độ dq 38

Hình 3 1 Nguyên ý đi u khiển véc t 40

Hình 3 2 (a) Đi u khiển động c DC, ( ) Đi u khiển vecto động c KĐB 41

Hình 3 3 S đ khối của phư ng pháp đi u khiển véc t 42

Hình 3 4 Đ thị góc pha của phư ng pháp đi u khiển véc t gián tiếp 43

Hình 3 5 S đ tính góc quay e theo phư ng pháp đi u khiển véct gián tiếp 45

Hình 3 6 S đ nguyên ý đi u khiển véc t gián tiếp 45

Hình 3 7 S đ nguyên ý đi u khiển véc t trực tiếp 46

Hình 4 1 Mạch điện tư ng đư ng của động c KĐB 47

Hình 4 3 Cấu tạo các thanh dẫn của rotor 49

Hình 4 4 Phân bố từ thông tản trên một rãnh kín của rotor l ng sóc 49

Hình 4 5 Cấu trúc rãnh của rotor àm cho điện cảm tản rotor ít bị thay đổi a - rãnh nửa kín, b - rãnh hở 50

Hình 4 6 Ảnh hưởng của điện cảm tản t i dòng điện Rotor 50

Hình 4 7 Sự thay đổi của hỗ cảm theo iên độ dòng kích từ 51

Hình 5 1 Mô hình hệ thống truy n động trên Matlab 56

Hình 5 2 M hình ĐCKĐB xây dựng trên hệ trục tọa độ alpha – beta 57

Hình 5 3 Khối tính góc quay của từ trường (e ) 57

Hình 5 4 Khối chuyển hệ trục tọa độ alpha – beta sang d - q 58

Hình 5 5 Khối đi u khiển dòng i sq 58

Hình 5 6 Khối đo ường dòng điện stator 59

Hình 5 7 Khối nghịch ưu điện áp 59

Hình 5 8 Kết quả mô phỏng khởi động và đóng tải cho động c 62

khi điện trở là hằng số 63

Hình 5.9 Kết quả mô phỏng khởi động và đóng tải cho động c khi điện trở rotor tăng lên tuyến tính (tăng 2 ần) trong thời gian 7s 66

L

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ không đồng bộ ngày nay được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vì

nó có nhiều ưu điểm nổi bật như giá thành rẻ, chế tạo dễ dàng, vận hành tin cậy và kích thước gọn nhẹ Tuy nhiên nó có nhược điểm là tính phi tuyến mạnh do đó trước những năm của thập niên 80 người ta rất khó có thể điều khiển với các phương pháp điều khiển đơn giản Chính vì vậy người ta thường sử dụng các loại động cơ cơ một chiều thay vì động cơ điện xoay chiều Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các lĩnh vực của điện tử, điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý cùng với những kỹ thuật điều khiển hiện đại đã giải quyết được những nhược điểm nói trên, đưa động cơ không đồng bộ trở thành động cơ được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp

Một trong những kỹ thuật điều khiển tiên tiến được biết đến là phương pháp điều khiển véc tơ Khi đó động cơ không đồng bộ có thể được điều khiển như động

cơ một chiều Mô men 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 mô men Điều này cũng tương tự như điều khiển riêng rẽ mạch điện phần ứng và mạch kích từ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Bằng phương pháp điều khiển véc tơ người ta có thể xây dựng được một hệ truyền động điện có chất lượng cao Kỹ thuật điều khiển véc

tơ được chia làm 2 loại là trực tiếp hay là phương pháp điều khiển phản hồi định hướng trường (Direct/feedback field oriented control method – DFOC) và phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp hay chính là phương pháp điều khiển có bù nhiễu (Indirect/ feed forward method – IFOC) Cả hai phương pháp này đều phụ thuộc vào việc đi xác định tức thời vị trí góc từ thông rotor trong các pha của dòng điện hay là góc từ trường   e Trong luận văn này ngoài việc giới thiệu về phương pháp điều khiển ĐCKĐB theo phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp, đề tài còn đi sâu vào phân tích đánh giá ảnh hưởng của các tham số động cơ đến hệ truyền động theo phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp Đặc biệt là thông số điện trở rotor hay hằng

số thời gian mạch rotor

Nội dung cơ bản của luận văn gồm 5 chương:

Chư ng 1: Tổng quan động v động c kh ng đ ng bộ

Chư ng 2: M hình hóa động c kh ng đ ng bộ

Chư ng 3: Đi u khiển ĐCKĐB ằng phư ng pháp véc-t gián tiếp

Chư ng 4: Đánh giá ảnh hưởng của các tham số động c đến hệ truy n động Chư ng 5: M phỏng và đánh giá kết quả

Sau một thời gian nghiên cứu với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của PGS TS Tạ Cao Minh em đã thu được một số kết quả cụ thể trong việc phân tích đánh giá ảnh hưởng của các thông số động cơ đến hệ truyền động thông qua phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp Ngoài ra em cũng đã sử dụng phần mềm Matlab/Simulink như một công cụ hỗ trợ đắc lực cho việc mô phỏng

và phân tích các kết quả đưa ra trong đề tài Tuy nhiên do thời gian có hạn, kiến thức còn hạn chế nên luận văn của em còn nhiều điều thiếu sót Em rất mong nhận được

sự đóng góp của các thầy cô giáo cùng các bạn bè đồng nghiệp để luận văn của em được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.1 Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB)

ĐCKĐB là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn mà trong đó chỉ có một dây quấn (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lưới điện xoay chiều còn dây quấn còn lại (dây quấn thứ cấp) được nối tắt lại hay được khép kín qua điện trở Dòng điện trong cuộn dây thứ cấp được sinh ra nhờ cảm ứng điện từ, nó có tần số là hàm của tốc độ rotor

Các máy điện không đồng bộ rất ít khi được sử dụng làm máy phát, chủ yếu được dùng làm động cơ và là loại thông dụng nhất hiện nay So với động cơ một chiều

nó có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, giá thành hạ, vận hành tin cậy, có thể dùng trực tiếp lưới điện 3 pha nên có thể không cần thiết bị biến đổi kèm theo

Phân loại: Động cơ điện được chia làm nhiều loại như hình 1.1 dưới đây

Động cơ điện

Động cơ điện xoay chiều

Động cơ điện 1 chiều

Động cơ đặc biệt

Hình 1 1 Phân loại động cơ điện sử dụng trong công nghiệp

Về mặt cấu tạo, ĐCKĐB được chia thành 2 loại:

+ ĐCKĐB rotor dây quấn

+ ĐCKĐB rotor lồng sóc

Nhược điểm chính của ĐCKĐB là đặc tính mở máy xấu và việc khống chế quá trình quá độ khó khăn hơn so với động cơ một chiều Tuy nhiên trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử công suất, kỹ thuật vi xử

lý, điện tử, tin học,…đã làm tăng khả năng sử dụng ĐCKĐB ngay cả những trường hợp có yêu cầu điều chỉnh tự động truyền động điện dải rộng với độ chính xác cao

mà trong các hệ truyền động trước đây vẫn thường phải sử dụng động cơ một chiều

Trong tất cả các loại máy điện xoay chiều thì ĐCKĐB đặc biệt là động cơ rotor lồng sóc được ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, kích thước gọn nhẹ, làm việc với dải công suất rộng từ vài mã lực đến hàng nghìn kW Ngoài ra, ĐCKĐB dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo

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

Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm Trong đời sống hàng ngày, ĐCKĐB dùng làm quạt gió, máy quay đĩa, động cơ trong

1.2.Cấu tạo động cơ không đồng bộ

Giống như các máy điện quay khác, ĐCKĐB gồm hai bộ phận chính đó là: stator và rotor Hình 1.1 mô tả cấu tạo của một động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc như sau

Hình 1.1 Cấu tạo của động c kh ng đ ng ộ

 Vỏ máy Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm

mạch dẫn từ Đối với máy có công suất nhỏ thì vỏ máy được làm bằng gang còn với máy công suất tương đối lớn ( 1000 Kw ) thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ Vỏ máy có chân đế cố định, hai đầu của vỏ máy có nắp máy để bảo vệ dây quấn

 Lõi thép: Là phần dẫn từ, để giảm tổn hao sắt từ lõi sắt được làm bằng

những lá thép kỹ thuật điện dày 0,55mm ép lại

 Dây quấn: Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách

điện tốt với lõi sắt

1.2.2 Phần quay (rotor)

Phần này có 2 bộ phận chính là lõi sắt và dây quấn

 Lõi sắt: Dùng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại, được ép trực tiếp lên trục

máy hoặc lên một giá rotor của máy Phía ngoài của lá thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn

 Dây quấn rotor: Phân làm 2 loại rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc

- Loại rotor kiểu dây quấn: dây quấn giống dây quấn stator

Hình 1.3 a – Rotor dây quấn iến trở: 1 – Lõi thé, 2 – Cuộn dây 1, 3 – Cuộn dây 2, 4 –

Cuộn dây 3, 5 – Vành trượt, 6 – Chuổi than, 7 – Trục, 8 – Biến trở,

b – Rotor dây quấn v i các vành trượt

Trong máy điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng 2 lớp sẽ

bớt được những dây đầu nối, kết cấu dây chặt chẽ Trong máy điện cỡ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp Dây quấn ba pha của roto thường đấu hình sao, còn 3 đầu kia được nối vào 3 vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch ngoài

Đặc điểm: Có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay sức điện động phụ vào mạch rotor để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch

- Loại rotor kiểu ng sóc:

Hình 1.4: a - Cấu tạo rotor ng sóc: 1 – Lõi, 2 – Thanh dẫn, 3 – Vòng ngắn mạch, 4 –

Trục rotor, – Dây quấn của rotor

Hình 1 5 a - Cấu tạo rotor ng sóc kép: 1 – Lõi, 2 – Thanh dẫn, 3 – Vòng ngắn mạch, 4 –

Trục rotor, – Dây quấn của rotor ng sóc kép

Kết cấu của 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 gọi là lồng sóc Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt Để cải thiện đặc tính mở máy, trong máy công suất tương đối lớn, rãnh rotor có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc (gọi là lồng sóc kép)

1 3 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ

Máy điện không đồng bộ là máy điện quay làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Khi ta cho dòng điện ba pha chạy vào dây quấn ba pha đặt đối xứng trong lõi thép stator thì trong khe hở không khí xuất hiện từ trường quay với tốc độ

đồng bộ 1 60

p

f n

p

 Từ trường này quét qua các thanh dẫn của dây quấn rotor và

cảm ứng trong chúng sức điện động Do dây quấn rotor được nối ngắn mạch nên trong nó có dòng điện cảm ứng chạy qua Từ trường tạo bởi dòng điện rotor sinh ra kết hợp với từ trường của stator tạo thành từ thông tổng ở khe hở không khí Dòng điện trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông khe hở này sinh ra lực điện từ (F)

và mô men (M ) quay có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái Mô men này e

kéo rotor quay theo chiều của từ trường quay Điện năng đưa tới rotor đã biến thành cơ năng trên trục động cơ Tuy nhiên động cơ chỉ làm việc ở chế độ này khi

0 s 1hay 0 n n1 vì khi đó mới có sự chuyển động tương hỗ giữa từ trường

và dây quấn rotor và như vậy trong dây quấn rotor mới có dòng điện và mô men kéo rotor quay Do tốc độ quay của rotor luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay nên động cơ được gọi là ĐCKĐB

1.4 Đặc tính cơ của ĐCKĐB

Để thành lập phương trình đặc tính cơ của ĐCKĐB ta sử dụng sơ đồ thay thế với các giả thiết sau

- Ba pha động cơ là đối xứng

- Các thông số của động cơ là không đổi

- Tổng mạch từ hóa là không đổi,dòng từ hóa chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stator động cơ

- Bỏ qua tổn thất ma sát,tổn thất trong lõi thép

- Điện áp lưới hoàn toàn hình sin và đối xứng

Với những giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ

Hình 1.6 Mạch điện tư ng đư ng 1 pha của ĐCKĐB

Từ mạch điện hình (1-7) ta tính được tổn hao do các điện trở gây ra trên động

R

Ta gọi đó là tổn hao đồng mất mát trên dây quấn động cơ

Hệ số trượt S của ĐCKĐB được định nghĩa là độ chênh lệch giữa tốc độ góc của rotor r so với tốc độ từ trường quay e và được tính theo công thức sau:

ra Mạch điện được vẽ lại như sau

Hình 1 7 Tổn thất c ng suất do điện trở rotor gây ra

Trong đó công suất tiêu thụ tại điện trở 1

r

S R

S được xem như là công suất cơ ở đầu

trục động cơ và được tính theo công thức sau:

1.5 Ưu, nhược điểm và ứng dụng của ĐCKĐB

Ưu thế trước đây của ĐCKĐB rotor dây quấn về khả năng dễ điều chỉnh không còn nữa Sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật vi điện tử, vi xử lý, điện tử công suất với giá thành ngày càng hạ đã cho phép thực hiện thành công việc điều khiển phức tạp ĐCKĐB rotor lồng sóc Do vậy, luận văn chỉ đi sâu vào phương pháp điều khiển ĐCKĐB 3 pha rotor lồng sóc theo phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp

1.5.2 Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm trên thì ĐCKĐB còn có những nhược điểm sau:

Dễ phát nóng đối với stator, nhất là khi điện áp lưới tăng và đối với rotor khi điện áp lưới giảm

Làm giảm bớt độ tin cậy vì khe hở không khí nhỏ

Khi xảy ra trường hợp sụt áp thì mô men giảm nhiều do mô men tỷ lệ với bình phương điện áp

1.5.3 Ứng dụng của ĐCKĐB

Các máy điện không đồng bộ chủ yếu được dùng làm động cơ còn làm máy

phát thì thường dùng các máy điện đồng bộ

ĐCKĐB là động cơ thông dụng nhất, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỷ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác

ĐCKĐB có ưu điểm rất lớn: kết cấu đơn giản, dễ dàng chế tạo, giá thành rẻ, vận hành an toàn, tin cậy và chắc chắn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần thiết bị biến đổi kèm theo

Nhược điểm chính của ĐCKĐB là dòng điện mở máy cao, điều chỉnh tốc độ

và khống chế các quá trình quá độ khó khăn Các động cơ rotor lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu hơn

1.6.Các phương pháp điều khiển ĐCKĐB

ĐCKĐB 3 pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ những ưu điểm kết cấu đơn giản, vận hành an toàn, sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha Nhược điểm lớn nhất của ĐCKĐB là điều chỉnh tốc độ gặp nhiều khó khăn bởi vì các thông số của ĐCKĐB là thông số biến đổi theo thời gian, cũng như sự phức tạp

về cấu trúc so với động cơ điện một chiều

Theo phương trình mô men của động cơ (1.6), ta có thể dựa vào đó để điều khiển mô men bằng cách thay đổi các thông số như điện áp cung cấp, điện trở phụ, tốc độ trượt và tần số nguồn Dưới đây là một số phương pháp điều khiển được sử dụng phổ biến

1.6.1 Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar

Hiện nay, phần lớn hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ là truyền động đặc tính thấp trong đó cả biên độ lẫn tần số của dòng điện và điện áp của nguồn cung cấp có thể điều chỉnh đồng thời Cách điều chỉnh này cho phép điều khiển tốc độ hoặc momen đến trạng thái xác lập trong khi vẫn giữ từ thông của động

cơ ổn định Điều khiển này được gọi là điều khiển vô hướng, khi giả thiết điện áp hoặc dòng điện được điều khiển có dạng hình sin, duy nhất biên độ và tần số được điều chỉnh, không liên quan đến vị trí không gian của những véc tơ tương ứng

Điều khiển vô hướng đơn giản hơn điều khiển véc tơ Kỹ thuật vô hướng

chung nhất thường được dùng trong thực tế là V cont

Volts/Hertz) nghĩa là biên độ điện áp stator được điều chỉnh tỉ lệ với tần số nhằm duy trì từ thông stator không đổi Phương pháp này bao gồm điều khiển tốc độ từ trường quay của stator bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp Momen được cải tiến phụ thuộc vào sự khác biệt giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor Hệ thống điều khiển đơn giản chỉ duy nhất yêu cầu hồi tiếp tốc độ Tín hiệu tốc độ thật rsẽ so sánh với tín hiệu tốc độ chuẩn *

Inverter

Speed sensor

motor

Dc supply Voltage Voltage

controller

*

S U

Hình 1 8 M hình chung của hệ thống đi u khiển tốc độ v hư ng

Một phương pháp điều khiển scalar khác sử dụng kỹ thuật điều khiển momen (Torque Control - TC) là điều chỉnh biên độ và tần số của dòng điện stator, vì thế

momen xác lập được điều khiển trong khi biên độ từ trường được duy trì không đổi Trong trường hợp này, hồi tiếp tốc độ chỉ đóng vai trò phụ vì hồi tiếp dòng điện có phần phức tạp hơn phương pháp Constant Volts/Hertz

Calculator 1

Calculator

DC Supply Voltage

Hình 1 9 S đ khối của hệ thống đi u khiển mô men v hư ng

1.6.2 Phương pháp điều chế véc tơ không gian

Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM) là một trong những kỹ thuật được nghiên cứu rộng rãi nhất trong những thập niên qua Không chỉ đòi hỏi khả năng đóng ngắt nhanh của thiết bị đóng ngắt bán dẫn công suất mà còn yêu cầu phải đơn giản và chính xác Có nhiều kỹ thuật điều chế như: kỹ

thuật dao động phụ, điều chế vectơ không gian nhưng bổ sung thêm ứng dụng số là điều chế véc tơ không gian ở bộ biến đổi nguồn dòng và nguồn áp Phương pháp điều

chế véc tơ không gian (space vector modulation) xuất phát từ các ứng dụng của véc

tơ không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong hệ thống điện ba pha Phương pháp này là phương pháp phổ cập trong các hệ truyền động đã số hóa toàn phần dùng để điều khiển biến tần dùng van bán dẫn (Transistor)

Thông thường, các đôi van được vi xử lý điều khiển sao cho điện áp xoay chiều 3 pha với biên độ cho trước, với tần số cũng như góc pha cho trước cung cấp cho động

cơ đạt yêu cầu Biến tần được nuôi bởi điện áp một chiều Biến tần thường hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cắt cao Van bán dẫn được dùng ở đây là IGBT, MOSFET

Phương pháp điều chế véc tơ không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục của véc tơ không gian tương đương của véc tơ điện áp nghịch lưu trên quỹ đạo đường tròn Với sự dịch chuyển đều đặn của véc tơ không gian trên quỹ đạo đường tròn, các sóng hài bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên

độ áp ra trở nên tuyến tính Véc tơ tương đương ở đây chính là véc tơ trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp

-Hình 1 10 Trạng thái đóng ngắt của ộ đi u khiển véc t không gian

1.6.3 Phương pháp điều khiển véc tơ

Động cơ AC, cụ thể là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có những ưu điểm là đơn giản, tin cậy, giá thành thấp, và ít bảo dưỡng Tuy nhiên, trong những ứng dụng trong công nghiệp đòi hỏi hiệu suất truyền động cao thì việc điều khiển chúng vẫn gặp phải những thử thách lớn bởi vì chúng là đối tượng phi tuyến và nhiều thông số, chủ yếu là điện trở rotor thay đổi theo những điều kiện vận hành

Điều khiển định hướng từ trường (Field orientation control - FOC) hoặc điều khiển véc tơ (Vas, 1990) cho động cơ không đồng bộ đạt được việc tách biệt thay đổi động giữa momen và từ thông dẫn đến việc điều khiển độc lập giữa từ thông và momen tương tự như động cơ DC kích từ độc lập

Điều khiển véc tơ là điều kiện tối ưu hóa momen và tách rời điều khiển momen khỏi điều khiển từ thông trong điều kiện vận hành ổn định và quá độ của động cơ không đồng bộ Có 2 phương pháp điều khiển véc tơ điển hình là: Phương pháp trực tiếp trong đó sử dụng cảm biến đo từ thông của động cơ (hay là ước lượng

từ thông), và phương pháp gián tiếp dựa vào đo lường tốc độ hoặc vị trí của rotor

Trong các phương pháp trên thì phương pháp điều khiển véc tơ là một phương pháp mạnh, ngày càng được ứng dụng rộng rãi đặc biệt là cho rotor lồng sóc với nhiều ưu điểm đã nói ở trên Ngoài ra, với phương pháp điều khiển véc tơ thì ĐCKĐB có thể được điều khiển như động cơ một chiều Bằng cách sử dụng hệ trục tọa độ gắn với véc tơ không gian của từ thông từ hóa, từ thông stator hoặc từ thông rotor thì biểu thức xác định mô men điện từ sẽ tương tự như mô men điện

từ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Như vậy, mô men điện từ có thể được điều khiển bằng cách điều khiển riêng rẽ hai thành phần: thành phần sinh từ thông và thành phần sinh mô men Điều này cũng tương tự như điều khiển riêng

rẽ mạch phần ứng và mạch kích từ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Điều khiển véc tơ có thể được thực hiện với cả hệ thống ĐCKĐB - biến tần nguồn

áp hoặc ĐCKĐB - biến tần nguồn dòng và ĐCKĐB - biến tần trực tiếp

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả chính xác tới mức tối đa đối tượng 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 ở đây chỉ để phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh mà không nhằm mục đích mô phỏng chính xác về mặt toán học đối tượng động cơ Do đó, để đơn giản hóa mô hình nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế sau này, khi đi xây dựng mô hình toán học của

ĐCKĐB ta phải chấp nhận một loạt các điều kiện giả định như sau :

- Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng về mặt không gian

- Hệ phương trình thu được trên cơ sở hài cơ bản của các đại lượng dòng, áp

và từ thông bỏ qua các sóng hài bậc cao

- Các tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ có thể bỏ qua

- Chưa xét đến tổn hao dòng quẩn và tổn hao sắt từ

2.1 Xây dựng vectơ không gian

ĐCKĐB ba pha có ba cuộn dây quấn trên stator giống nhau đặt lệch nhau 1200

trong không gian và được cấp điện từ nguồn điện xoay chiều ba pha

Hình 2 1 S đ cuộn dây và dòng điện của ĐCKĐB

Xét tới các điều kiện thỏa mãn ở trên ta có công thức điện áp các pha của stator được biểu diễn bới các phương trình sau:

U i R

dt d

vào động cơ Khi động cơ được điều khiển bởi biến tần thì đó là ba đầu ra của biến tần Nếu điểm trung tính của ba cuộn dây stator không nối đất thì ba dòng điện này thoả mãn phương trình:

0

a b c

i   i i (2.2) Trong đó, từng dòng điện pha thỏa mãn phương trình:

Trong máy điện ba pha thường dùng cách chuyển các giá trị tức thời của điện

áp thành các véc tơ không gian Ưu điểm của phương pháp này là:

- Giảm số lượng công thức

- Có khả năng phân tích bất kỳ điện áp cung cấp dưới dạng sóng sin

- Các công thức có thể chuyển đổi qua lại giữa các hệ trục tọa độ

Một hệ thống điện 3 pha được biểu diễn dưới dạng hình học trong một hệ trục tọa độ tự nhiên bởi các thành phần của một pha như là: điện áp, dòng điện hay từ thông và chúng được viết dưới dạng véc tơ

Hình 2.2 Cấu trúc của véc t trong không gian

Tương tự như trên đối với đại lượng điện áp của nguồn 3 pha hệ trục tọa độ abc và hệ trục tọa độ alpha – beta :

của từng pha chính là hình chiếu của véc tơ mới thu được lên trục của cuộn dây pha tương ứng

2.2 Các phép biến đổi hệ trục tọa độ Park và Clarke

Hình 2.3 Các hệ trục tọa độ tham chiếu

Dựa vào công thức chuyển đổi Clarke giữa các hệ trục tọa ta có:

là trục Hai hình chiếu của véc tơ ̅ trên hai trục là và (hình 2.3)

Hình 2.4 Biểu diễn dòng stator dư i dạng véc t không gian

Véc tơ dòng điện stator có thể viết dưới dạng:

i i  ji

(2.8)

Để đơn giản cho việc phân tích các mạch điện 3 pha và chuyển đổi giữa các

hệ trục tọa độ một cách dễ dàng Chúng ta dựa vào các phép biến đổi hệ trục tọa độ

đã được chứng minh bởi hai kỹ sư điện là Edith Clarke và Robert H Park như sau:

Ta xây dựng một hệ trục tọa độ mới với trục thực có hướng trùng với hướng của véc tơ từ thông rotor r và gốc trùng với gốc của hệ trục tọa độ stator, đặt tên cho hệ trục tọa độ mới là d và q (d có hướng trùng với véc tơ từ thông rotor r) Ta quan sát một động cơ đang quay với tốc độ góc r

r

d dt



  (trong đó r là góc tạo bởi trục của rotor và trục )

Hình 2.5 Véc t không gian trong hệ trục tọa độ cố định

Công thức chuyển đổi Clarke

Hình 2.6 C ng thức chuyển hệ trục tọa độ - Clarke

Từ phương trình cần bằng dòng điện ba pha : ( )i t a i t b( )i t c( )0

i i

i i

Công thức chuyển đổi Clarke ngƣợc (Inverse Clarke)

Hình 2.7 C ng thức chuyển tọa độ - Inverse Clarke

2

0 3

i

i i

i i

Công thức chuyển đổi Park :

Hình 2.8 C ng thức chuyển tọa độ -Park

Hai pha của hệ trục tọa độ alpha – beta   đƣợc trình bày tính toán với công thức chuyển đổi Park sau đó đƣa vào các khối của hệ trục tọa độ quay d - q với góc theta (e) gắn với từ thông rotor nhƣ sau:

Công thức chuyển đổi Park ngƣợc (Inverse Park) :

Hình 2.9 C ng thức chuyển tọa độ - Inverse Park

.cos sin sin os

sq sd

sq sd

2.3 Hệ phương trình cơ bản của động cơ

 Mô hình động cơ trong hệ tọa độ cố định - abc

Sử dụng phương pháp véc tơ không gian, mô hình toán học của ĐCKĐB ba pha được viết dưới dạng sau:

Đây là hệ phương trình điện áp (2.15) và phương trình từ thông dòng điện (2.16)

Để hoàn tất hệ phương trình của động cơ điện ta cần phải biến đổi các phương trình dựa trên các phép biến đổi hệ trục tọa độ trong không gian ta có các hệ trục tọa độ như sau

 *

3Im

 Mô hình động cơ trong hệ trục tọa độ  

Việc áp dụng phương pháp véc tơ không gian như là một công cụ toán học giúp

ta phân tích ĐCKĐB với một hệ thống công thức được biểu diễn trong nhiều hệ trục tọa độ khác nhau Một trong số đó là hệ trục tọa độ cố định (cố định với stator) gọi là

hệ trục tọa độ alpha – beta Trong trường hợp này thì trong hệ tọa độ không gian trùng với hệ tọa độ vuông góc alpha – beta (hay k 0) Khi đó véc tơ được biểu diễn dưới tọa độ alpha – beta như sau:

s