Điều khiển DTC không cảm biến của động cơ không đồng bộ có tổn hao sắt từ và bão hòa từ

NGUYỄN NHẬT MINH ĐIỀU KHIỂN DTC KHÔNG CẢM BIẾN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ CÓ TỔN HAO SẮT TỪ VÀ BÃO HÒA TỪ Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện LUẬN VĂN THẠC SĨ TP... MỞ ĐẦU C

Trang 1

NGUYỄN NHẬT MINH

ĐIỀU KHIỂN DTC KHÔNG CẢM BIẾN

CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

CÓ TỔN HAO SẮT TỪ VÀ BÃO HÒA TỪ

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2011

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

………

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1:………

………

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2:………

………

Trang 3

Tp HCM, ngày tháng 01 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

MSHV: 01808309

1- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN DTC KHÔNG CẢM BIẾN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG

ĐỒNG BỘ BA PHA CÓ TỔN HAO SẮT TỪ VÀ BÃO HÒA TỪ.

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Khảo sát mô hình điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha lý tưởng, động cơ không đồng bộ

ba pha có tổn hao sắt từ và động cơ không đồng bộ có tổn hao sắt từ và bão hòa từ

- Điều khiển trực tiếp mô men động cơ không đồng bộ ba pha (có xem xét các yếu tố không lý

tưởng) dùng cảm biến vận tốc

- Điều khiển trực tiếp mô men động cơ không đồng bộ ba pha (có xem xét các yếu tố không lý

tưởng) không dùng cảm biến vận tốc

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHẠM ĐÌNH TRỰC

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

Trang 4

Học, học nữa, học mãi Đây là một câu nói nổi tiếng của Lê nin, nó như là một kim chỉ nam để tôi không ngừng nỗ lực học tập Tuy nhiên để có thể thực hiện được điều

đó, còn phải có sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô ở bộ môn hệ thống điện, cung cấp điện và thiết bị điện Các thầy cô 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 chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô

Tôi xin gửi lời cám ơn đến thầy Phạm Đình Trực là người thầy đã tận tình chỉ

bảo, hướng dẫn, đồng thời đã đưa ra những định hướng và những nhận xét quý báu để tôi hoàn thành luận văn 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 học tập và nghiên cứu

TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2010

Nguyễn Nhật Minh

Trang 5

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp, động cơ

điện nhất là động cơ điện không đồng bộ với các ưu điểm gọn nhẹ, chi phí vận hành và

bảo dưỡng thấp đã được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau Đặc biệt, với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các bộ vi xử lý, các thiết bị điều khiển

và sự ra đời của các phương pháp điều khiển vector giúp điều khiển độc lập từ thông

và moment đã góp phần đưa động cơ không đồng bộ dần thay thế các động cơ điện chiều trong các khâu sản xuất…

Nhằm tìm hiểu một cách đầy đủ hơn ảnh hưởng của các dạng tổn hao trong động

cơ không đồng bộ đến bộ điều khiển, luận văn sẽ tập trung nghiên cứu mô hình động

cơ không đồng bộ có xem xét ảnh hưởng của tổn hao sắt từ và bão hòa từ, bằng phương pháp điều khiển trực tiếp moment Với mục tiêu này cấu trúc luận văn gồm 8 chương cụ thể như sau:

Chương 1: Tổng quan về động cơ KĐB và các phương pháp điều khiển

Chương 2: Mô hình toán của động cơ KĐB ba pha

Chương 3: Mô phỏng động cơ KĐB ba pha

Chương 4: Lý thuyết điều khiển trực tiếp moment của động cơ KĐB ba pha

Chương 5: Kết quả mô phỏng điều khiển trực tiếp moment của động cơ KĐB ba pha Chương 6: Điều khiển trực tiếp moment không cảm biến của động cơ KĐB ba pha Chương 7: Kết luận

Chương 8: Tài liệu tham khảo

Trang 6

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1

1.1 Lịch sử phát triển động cơ điện 1

1.2 Ứng dụng của động cơ KĐB ba pha 2

1.3 Các phương pháp điều khiển động cơ KĐB ba pha 5

1.3.1 Phương pháp điều khiển (điều khiển vô hướng) 5

1.3.2 Phương pháp định hướng từ trường (FOC – Field oriented control) 6

1.3.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment (DTC – direct torque control) 6

1.4 Kết luận 7

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 9

2.1 Mô hình lý tưởng động cơ KĐB 9

2.1.1 Trên hệ tọa độ cố định stator (hệ tọa độ αβ): 10

2.1.2 Trên hệ tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq) 11

2.2 Mô hình động cơ KĐB có tổn hao sắt từ 12

2.3.1 Trên tọa độ cố định stator (hệ tọa độ αβ) 13

2.3.2 Trên hệ tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq): 14

2.3 Mô hình động cơ KĐB xem xét có tổn hao sắt từ và bão hòa từ 15

2.4 Các phương trình chuyển đổi hệ quy chiếu - Park 17

2.4.1 Các phương trình chuyển đổi hệ tọa độ ABC sang hệ tọa độ αβ 17

2.4.2 Các phương trình chuyển đổi hệ tọa độ ABC sang hệ tọa độ dq 17

α

Trang 7

3.3.1 Khối động cơ KĐB ba pha có tổn hao sắt từ 24

3.3.2 Khối tính toán tần số 25

3.3.3 Khối tính toán điện trở sắt từ RFe 26

3.3 Mô phỏng động cơ KĐB ba pha có xem xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ: 27

3.3.1 Khối động cơ KĐB ba pha xem xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ 27

3.3.2 Khối tính toán điện cảm từ hóa Lm 29

3.3.3 Khối tính từ thông 30

3.4 So sánh kết quả mô phỏng Matlab simulink giữa mô hình động cơ KĐB lý tưởng, động cơ KĐB có tổn hao sắt từ và động cơ KĐB có tổn hao sắt từ và bão hòa từ 30

3.4.1 Động cơ hoạt động ở chế độ không tải 31

3.4.1.1 Tốc độ động cơ ω (rad/s) 31

3.4.1.2 Dòng điện pha ia (A) 32

3.4.1.3 Moment điện từ Te (N.m) 33

3.4.1.4 Từ thông stator (Wb) 33

3.4.2 Động cơ hoạt động ở chế độ tải định mức 34

3.4.3 Nhận xét kết quả mô phỏng 38

CHƯƠNG 4 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMENT CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 40

4.1 Giá trị moment trong phương pháp điều khiển trực tiếp moment 40

4.2 Mô hình cơ bản của điều khiển trực tiếp moment trong động cơ KĐB 43

4.3 Mô hình bộ nghịch lưu áp ba pha 45

4.3.1 Giới thiệu 45

4.3.2 Bộ nghịch lưu áp 45

4.3.3 Bảng đóng cắt của bộ nghịch lưu 48

Trang 8

4.4 Mô phỏng phương pháp điều khiển trực tiếp moment của động cơ KĐB 52

4.4.1 Khối ước lượng từ thông 53

4.4.2 Khối ước lượng moment điện từ 53

4.4.3 Khối so sánh của mô hình điều khiển DTC 54

4.4.4 Bảng đóng cắt của điều khiển DTC 54

4.4.5 Khối inverter 55

4.4.6 Bộ hiệu chỉnh PID Setpoint weighting và Anti-Windup 55

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMENT CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 57

5.1 So sánh kết quả điều khiển DTC của động cơ KĐB lý tưởng và động cơ KĐB có tổn hao sắt từ 57

5.1.1 Động cơ hoạt động không tải 57

5.1.2 Động cơ hoạt động ở tải định mức 60

5.1.3 Nhận xét: 64

Trang 9

5.2.3 Nhận xét: 73

5.3 So sánh kết quả điều khiển DTC của mô hình động cơ KĐB có tổn hao sắt từ và mô hình động cơ KĐB có tổn hao sắt từ và bão hòa từ 74

5.3.1 Động cơ hoạt động không tải 74

5.3.3 Nhận xét: 81

5.4 Kết luận: 81

CHƯƠNG 6 ĐIỀU KHIỂN DTC KHÔNG CẢM BIẾN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 83

6.1 Lý thuyết bộ ước lượng vận tốc (Model Reference Adaptive System) 83

6.1.1 Tổng quan 83

6.1.2 Bộ ước lượng vận tốc MRAS dựa trên ước lượng từ thông rotor 83

6.2 Mô hình bộ ước lượng vận tốc MRAS trong Matlab simulink 85

6.3 Kết quả mô phỏng điều khiển DTC không cảm biến của động cơ KĐB 86

6.3.1 So sánh kết quả điều khiển DTC không cảm biến của động cơ KĐB lý tưởng và động cơ KĐB có tổn hao sắt từ 87

Trang 10

6.3.1.1 Động cơ hoạt động không tải 87

6.3.1.2 Động cơ hoạt động ở tải định mức 90

6.3.1.3 Nhận xét: 94

6.3.2 So sánh kết quả điều khiển DTC của động cơ KĐB lý tưởng và động cơ KĐB có tổn hao sắt từ và bão hòa từ 95

6.3.2.3 Nhận xét: 103

6.3.3 So sánh kết quả điều khiển DTC của mô hình động cơ KĐB có tổn hao sắt từ và mô hình động cơ KĐB có tổn hao sắt từ và bão hòa từ 104

6.3.3.3 Nhận xét: 111

6.4 Kết luận 111

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN 113

7.1 Kết luận về đề tài 113

7.2 Kết quả mô phỏng điều khiển DTC không cảm biến của động cơ KĐB 113

7.3 Hướng phát triển của đề tài 114

Trang 11

HÌNH VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1.1: a) Động cơ điện Galileo Feraris; b) Động cơ điện Nicola Tesla 1

Hình 1.2: Động cơ không đồng bộ ba pha 3

Hình 1.3: Máy nghiền than trong nhà máy điện 4

Hình 1.4: Máy phát điện không đồng bộ 4

Hình 2.1: Sơ đồ thay thế tương đương động cơ KĐB ba pha lý tưởng 9

Hình 2.2: Sơ đồ thay thế tương đương động cơ KĐB ba pha có tổn hao sắt từ 12

Hình 2.3: Sơ đồ thay thế tương đương động cơ KĐB ba pha có tổn hao sắt từ và bão hòa từ 16

Hình 3.1: Mô hình động cơ KĐB ba pha lý tưởng với nguồn ba pha cần bằng 19

Hình 3.2: Sơ đồ khối nguồn ba pha lý tưởng 20

Hình 3.3: Sơ đồ khối động cơ KĐB ba pha lý tưởng 21

Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ chuyển hệ trục tọa độ 23

Hình 3.5: Mô hình khối động cơ KĐB ba pha có tổn hao sắt từ 23

Hình 3.6: Sơ đồ khối động cơ KĐB ba pha có tổn hao sắt từ 24

Hình 3.7: Khối tính toán tần số của mô hình động cơ KĐB có tổn hao sắt từ 25

Hình 3.8: Khối tính toán điện trở sắt từ 27

Hình 3.9: Mô hình động cơ KĐB ba pha có tổn hao sắt từ và bão hòa từ 27

Hình 3.10: Sơ đồ khối động cơ KĐB ba pha có tổn hao sắt từ và bão hòa từ 28

Hình 3.11: Khố tính toán điện cảm từ hóa 29

Hình 3.12: Khối tính toán từ thông stator 30

Hình 3.13: (a), (b) Điện cảm và dòng điện từ hóa động cơ KĐB 31

Hình 3.14: (a), (b), (c) Tốc độ không tải động cơ KĐB 32

Hình 3.15: (a), (b), (c) Dòng điện pha a không tải của động cơ KĐB 32

Hình 3.16: (a), (b), (c) Moment điện từ Te không tải 33

Hình 3.17: (a), (b), (c) Từ thông stator ở chế độ không tải 34

Hình 3.18: (a), (b), (c), (d), (e) Tốc độ động cơ KĐB ở tải định mức 35

Hình 3.19: (a), (b), (c), (d), (e) Dòng điện pha A của động cơ KĐB ở tải định mức 36

Hình 3.20: (a), (b), (c), (d), (e) Moment điện từ Te tải định mức 37

Hình 3.21: (a), (b), (c), (d), (e) Từ thông stator ở chế độ tải định mức 38

Hình 4.1: a) Vector không gian từ thông rotor và dòng stator trong mô hình định hướng từ thông rotor, b) Vị trí tương quan giữa dòng stator và từ thông stator 41

Hình 4.2: Vị trí tương quan giữa vector từ thông stator và rotor 42

Hình 4.3: Mô hình cơ bản của điều khiển DTC 44

Hình 4.4: Mô hình điều khiển DTC có điều khiển vận tốc 44

Hình 4.5: Mô hình mạch của bộ nghịch lưu áp ba pha 46

Trang 12

Hình 4.6: Vị trí các trạng thái của vector không gian 47

Hình 4.7: Vector không gian điện áp pha và vùng chọn lựa 48

Hình 4.8: Điều khiển vector từ thông stator qua điều khiển vector điện áp 50

Hình 4.9: Việc chọn vector không gian từ thông stator thích hợp nhằm thay đổi từ thông stator và moment: a) khi từ thông stator ở phân vùng 1, b) khi từ thông stator ở phân vùng 2 (F là từ thông và T là moment) 51

Hình 4.10: Mô hình điều khiển trực tiếp moment của động cơ KĐB 52

Hình 4.11: Sơ đồ của khối điều khiển DTC 52

Hình 4.12: Khối ước lượng từ thông stator 53

Hình 4.13: Khối ước lượng moment điện từ 53

Hình 4.14: Khối so sánh trong mô hình điều khiển DTC 54

Hình 4.15: Sơ đồ khối bảng đóng cắt DTC 54

Hình 4.16: Khối inverter 55

Hình 4.17: Bộ hiệu chỉnh PID Setpoint weighting và Anti-Windup 55

Kết quả mô phỏng điều khiển DTC có cảm biến của động cơ KĐB ba pha lý tưởng và động cơ KĐB ba pha có tổn hao sắt từ Hình 5.1: (a), (b), (c) Tốc độ không tải động cơ KĐB 58

Hình 5.2: (a), (b), (c) Dòng điện pha A không tải của động cơ KĐB 58

Hình 5.3: (a), (b), (c), (d) Moment điện từ Te không tải 59

Hình 5.4: (a), (b) Từ thông stator ở chế độ không tải 60

Hình 5.5: (a), (b), (c), (d) Tốc độ động cơ KĐB ở tải định mức 61

Hình 5.6: (a), (b), (c) Dòng điện pha A của động cơ KĐB ở tải định mức 62

Hình 5.7: (a), (b), (c) Moment điện từ Te tải định mức 63

Hình 5.8: (a), (b) Từ thông stator ở chế độ tải định mức 64

Kết quả mô phỏng điều khiển DTC có cảm biến của động cơ KĐB ba pha lý tưởng và động cơ KĐB ba pha có tổn hao sắt từ và bão hòa từ Hình 5.9: (a), (b), (c) Tốc độ không tải động cơ KĐB 66

Hình 5.11: (a), (b), (c), (d) Moment điện từ T không tải 68

Trang 13

Hình 6.1: Sơ đồ khối bộ ước lượng MRAS 83

Hình 6.2: Mô hình bộ ước lượng MRAS dựa trên từ thông rotor 84

Hình 6.3: Mô hình điều khiển DTC không cảm biển của động cơ KĐB ba pha 85

Hình 6.4: Giản đồ bộ ước lượng vận tốc MRAS 86

Hình 6.5: Bộ ước lượng vận tốc MRAS 87

Kết quả mô phỏng điều khiển DTC không cảm biến của động cơ KĐB ba pha lý tưởng và động cơ KĐB ba pha có tổn hao sắt từ Hình 6.6: (a), (b), (c) Tốc độ không tải động cơ KĐB 88

Kết quả mô phỏng điều khiển DTC không cảm biến của động cơ KĐB ba pha lý tưởng và động cơ KĐB ba pha có tổn hao sắt từ và bão hòa từ Hình 6.14: (a), (b), (c) Tốc độ không tải động cơ KĐB 96

Kết quả mô phỏng điều khiển DTC không cảm biến của động cơ KĐB ba pha có tổn hao sắt từ và động cơ KĐB ba pha có tổn hao sắt từ và bão hòa từ Hình 6.22: (a), (b), (c) Tốc độ không tải động cơ KĐB 104

Trang 14

BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Bảng liệt kê công suất của động cơ KĐB 3

Bảng 4.1: Bảng trạng thái của bộ nghịch lưu áp 46

Bảng 4.2: Điện áp ra bộ nghịch lưu áp với các trạng thái đóng cắt khác nhau 48

Bảng 4.3: Bảng đóng cắt vector điện áp 51

Trang 15

KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN VĂN

KĐB: không đồng bộ

DTC: điều khiển trực tiếp moment

(…): biểu thức toán học hoặc hình minh họa

i Fe: vector không gian dòng điện tổn hao mạch từ

i s: vector không gian dòng điện stator

i r: vector không gian dòng điện rotor

ψ r: vector không gian từ thông rotor

ψ s: vector không gian từ thông stator

ωa: tốc độ góc hệ quy chiếu bất kỳ

ρs: góc giữa vector từ thông stator với trục α

ρr: góc giữa vector từ thông rotor với trục α

αs: góc của vector dòng điện với trục α

βs góc của vector từ thông stator với trục α trong hệ tọa độ đứng yên

ωr: tốc độ quay của từ thông rotor

∆t: biến thiên thời gian tức thời

i thành phần dòng điện rotor trong hệ quy chiếu đứng yên stator (αβ) trên trục β

Trang 16

iαs thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ đứng yên stator (αβ) trên trục α

iβs thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ đứng yên stator (αβ) trên trục β

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

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

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

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

uαs thành phần điện áp stator trong hệ tọa độ đứng yên stator (αβ) trên trục α

uβs thành phần điện áp stator trong hệ tọa độ đứng yên stator (αβ) trên trục β

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

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

Lσr hỗ cảm dây quấn rotor

Lσs hỗ cảm dây quấn stator

Lr điện cảm tổng rotor

Ls điện cảm tổng stator

RFe điện trở tổn hao sắt từ

Rr điện trở dây quấn rotor

Rs điện trở dây quấn stator

TL moment tải

Trang 17

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

Một cách tổng quát, hệ truyền động xoay chiều là một hệ thống biến đổi điện năng thành cơ năng, bằng cách điều khiển các đại lượng điện của hệ thống Bên cạnh

sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp, các hệ truyền động được sử dụng 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 khoảng 50% điện năng sản sản xuất ra

được tiêu thụ bởi các hệ truyền động điện Gần đây, với các tiến bộ nhanh chóng trong

các lĩnh vực kỹ thuật điện và điện tử, công nghệ chế tạo bán dẫn công suất lớn, kỹ thuật vi xử lý và bộ xử lý tín hiệu số (DSP) đã mở ra những thay đổi lớn trong việc nghiên cứu và ứng dụng điều khiển động cơ điện

Nguyên lý hoạt động của máy điện dựa vào hai định luật căn bản, định luật cảm

ứng điện từ (định luật của Faraday) và định luật lực điện từ (định luật của Bio Savart),

những định luật này chính là nguồn gốc được ứng dụng để phát minh ra động cơ điện của hai nhà khoa học: Galileo Feraris (1885) và Nicola Tesla (1886) Máy điện của họ

được biểu diễn như hình 1.1

Trang 18

Chương 1 Tổng quan về động cơ KĐB và các phương pháp điều khiển

Năm 1889, Dolivo – Dobrovolsky đã phát minh ra động cơ điện rotor dây quấn

và sau đó là rotor lồng sóc đơn với cấu trúc tương tự như rotor dây quấn và được sử dụng ngày nay, chính ông cũng phát minh ra động cơ rotor lồng sóc kép Khoảng năm

1900 động cơ KĐB được sử dụng rộng rãi trong gia đình lẫn trong công nghiệp mãi cho đến trước năm 1910, ở Châu Âu những đầu máy được lắp đặt bằng những motor không đồng bộ có công suất khoảng 200kW

Mặc dù động cơ điện KĐB hiện nay được kết cấu đa dạng gồm nhiều chi tiết và chất lượng tốt hơn so với động cơ KĐB trước đây, nhưng chúng vẫn hoạt động dựa trên các nguyên lý căn bản về hiện tượng cảm ứng điện từ và lực điện từ Khi bộ dây quấn stator được cung cấp nguồn điện xoay chiều, dựa trên hiện tượng cảm ứng điện

từ, trong động cơ sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng và tạo ra dòng điện trên dây quấn rotor Dòng điện ba pha đối xứng chạy trong bộ dây quấn ba pha stator sẽ tạo ra

từ trường quay với tốc độ đồng bộ n=60f/p Sự tương tác giữa từ trường stator và dòng

điện rotor tạo ra moment Đó là nguyên lý hoạt động chính của động cơ cảm ứng

Tuy nhiên, động cơ điện KĐB vẫn chưa thật sự phổ biến bằng động cơ điện một chiều bởi vì ta không thể điều khiển được vận tốc và moment của động cơ ở thời điểm này Mãi đến năm 1985 khi các bộ biến tần sử dụng các thiết bị đóng cắt IGB, Thystor… được phát minh đã tạo ra khả năng thay đổi tần số dễ dàng Từ đây, động cơ

điện KĐB thật sự phổ biến và thu hút người sử dụng bởi khả năng điều khiển vận tốc

dễ dàng và được ứng dụng rộng rãi hơn trong tất cả các ngành công nghiệp

1.2 Ứng dụng của động cơ KĐB ba pha

Ngày nay với sự phát triển của các bộ vi xử lý, việc triển khai các mô hình truyền

Trang 19

những động cơ có công suất nhỏ từ 2.2 đến 3kW Còn trong công nghiệp, người ta sử dụng động cơ KĐB ba pha có công suất lớn từ vài chục đến vài trăm kW

Hình 1.2: Động cơ không đồng bộ ba pha

Động cơ không đồng bộ với ưu điểm dễ chế tạo, hoạt được trong các điều kiện

khác nhau và giá thành rẻ nên được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Động cơ không đồng bộ thường được chế tạo bằng vật liệu nhôm hay gang tùy thuộc vào công suất sử dụng Bảng mô tả công suất dưới đây cho thấy sự khác biệt của hai vật liệu

Bảng 1.1: Bảng liệt kê công suất của động cơ KĐB

Động cơ không đồng bộ thường được sử dụng trong hệ truyền động công suất

thấp như máy nén, máy thông gió, máy bơm, các công cụ cầm tay như máy khoan, máy mở khóa…Ngoài ra, động cơ điện không đồng bộ được sử dụng trong các ngành công nghiệp như khai thác khoáng sản, công nghiệp khai thác và hóa lọc dầu, và các nhà máy điện Đối với những công việc cần vận tốc ổn định như làm quạt thông gió,

Trang 20

máy nghiền than, máy cán thép, băng tải dây chuyền, động cơ không đồng bộ được chế tạo đặt biệt và có thêm các bộ điều khiển để sử dụng

Hình 1.3: Máy nghiền than trong nhà máy điện

Máy điện KĐB được sử dụng rộng rãi cho các loại turbines gió có công suất 750KW hoặc lớn hơn, dùng loại máy phát KĐB rotor lồng sóc như hình 1.3

Trang 21

1.3 Các phương pháp điều khiển động cơ KĐB ba pha

f

V

Tốc độ động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn cung cấp (tần số đồng bộ), khi thay

đổi tần số sẽ thay đổi tốc độ quay Tuy nhiên, khi giảm tần số mà điện áp được giữ sẽ

dẫn đến việc gia tăng từ thông trong máy gây ra hiện tượng bảo hòa mạch từ làm dòng

điện và điện áp trong máy bị méo dạng, gia tăng tổn hao do xuất hiện các hài bậc cao

Ngược lại, nếu từ thông giảm thấp sẽ làm giảm khả năng tải Do đó việc giảm tần số dưới tần số định mức thường kèm theo việc giảm điện áp Stator sao cho từ thông trong máy luôn ở giá trị định mức Đây là nội dung của phương pháp điều khiển

- Thường điều khiển ở dạng vòng hở

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

Ưu điểm:

- Đơn giản, không cần tín hiệu hồi tiếp

- Rẻ tiền, dễ sử dụng

Nhược điểm:

- Không điều khiển tối ưu được moment

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

- Độ chính xác không cao

- Đáp ứng chậm

Trang 22

Ý tưởng “điểu khiển định hướng trường” hay còn gọi là “điều khiển vector” (vector control) được phát minh nhằm biến đổi máy điện xoay chiều (máy điện đồng

bộ cũng như không đồng bộ) thành một “máy điện một chiều kích từ độc lập” trên phương diện điều khiển Điều đó cũng có nghĩa là điều khiển vector cho phép điều khiển từ thông và moment hoàn toàn độc lập với nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng

- 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

- Quá trình điều khiển phải chuyển đổi hệ quy chiếu liên tục

Trang 23

nhằm mục đích giảm sai số moment và từ thông trong phạm vi cho phép được xác

định trước

Các đặc trưng: [2]

- Điều khiển độc lập giữa moment và từ thông

Ưu điểm:

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

- Điều khiển trực tiếp moment và từ thông

- Không cần hồi tiếp tốc độ, moment, từ thông lấy trực tiếp từ quan hệ quan sát

- Không cần bộ điều khiển dòng điện, các bộ điều chế độ rộng xung, khâu chuyển hệ tọa độ (biến đổi Park)

- Tính động cao

- Thời gian tính toán nhanh

- Ít phụ thuộc vào tham số động cơ

Ngày nay điện năng là năng lượng chủ yêu không thể thiếu trong cuộc sống Nó

được sử dụng trong tất cả các mặt của đời sống từ phục vụ mục đích sinh hoạt gia đình đến mục đích sản xuất trong các ngành công nghiệp, dịch vụ Việc sử dụng năng lượng

một cách hiệu quả sẽ góp phần cải thiện đời sống, tăng năng suất, mang lại hiệu quả cao trong sản xuất

Trang 24

Theo ước tính, khoảng 50% lượng điện năng được sản xuất ra được tiêu thụ bởi các động cơ điện do tính năng điều khiển dễ dàng động cơ điện được ứng dụng rộng rãi ở tất cả các lĩnh vực công nghiệp như giao thông vận tải, hàng hải, bơm nước, cần trục, máy nén áp suất … Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ điều khiển bằng các bộ vi xử lý, bộ biến tần đã góp phần giúp động cơ điện được điều khiển chính xác,

dễ dàng hơn và góp phần phục vụ cho nền công nghiệp hiện đại

Trang 25

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Mục đích chính trong việc điều khiển động cơ xoay chiều là điều khiển tức thời

độc lập hai đại lượng từ thông và moment Để thực hiện điều khiển hai đại lượng này

một cách dễ dàng, mô hình động cơ xoay chiều không thể chỉ được biểu diễn bằng những đoạn mạch tương đương với các đại lượng ở dạng pha, mà thay vào đó là mô hình toán của động cơ điện được biểu diễn trong hệ quy chiếu quay mà ở đó có thể tính toán được giá trị các đại lượng ở giá trị tức thời

Quá trình mô hình hóa toán học của động cơ điện xoay chiều cũng phục thuộc vào một số giả thuyết về điều kiện lý tưởng cụ thể:

- Các cuộn dây quấn của cuộn stator ở các pha được giả định là hoàn toàn giống

- Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trong khe hở không khí

- Các giá trị điện trở và điện kháng được xem là không đổi trong suốt quá trình vận hành

- Bỏ qua giá trị tổn hao sát từ và bão hòa từ trong mô hình 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

Trang 26

Chương 2 Mô hình toán động cơ KĐB ba pha

2.1.1 Trên hệ tọa độ cố định stator (hệ tọa độ ααααβ):

Phương trình tổng quát điện áp stator và rotor:

s a s s s

dt

d i R

r a

r r

dt

d i

R ψ (ω ω)ψ

Phương trình từ thông:

m r s s

s =i L +i L

r r m s

dt

i d L dt

i d L i R

) )(

(

r s m r

dt

i d L dt

i d L i

i d L i R

m s s s s

)(

r s m r

dt

i d L dt

i d L i

Chiếu (2.7) và (2.8) lên hệ tọa độ αβ được các phương trình điện áp stator và

rotor:

Trang 27

) (

dt

di L dt

di L i

* Phương trình từ thông:

m r s s

s iα L iα L

α

m r s s

s iβL iβ L

β

m s r r

r iαL iαL

α

m s r r

J T

d

L r m s s s r m s s

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

s a

s s s

dt

d i R

(2.19)

r a

r r

dt

d i

R ψ (ω ω)ψ

(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:

)

a dr m ds s ds s

dt

di L dt

di L i R

)

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

Trang 28

) )(

(

dt

di L dt

di L i

* Phương trình từ thông:

m dr s ds

ds =i L +i L

m qr s qs

qs =i L +i L

m ds r dr

dr =i L +i L

m qs r qr

qr =i L +i L

* Phương trình moment điện từ:

) (

2

3

ds qr qs dr m

J T

d

L ds qr qs dr

ω

(2.31)

Sơ đồ thay thế tương đương của động cơ không đồng bộ được thể hiện trong hình 2.2

jωaLσs̅

Trang 29

2.3.1 Trên tọa độ cố định stator (hệ tọa độ ααααβ)

)( s m

a m s

s s

dt

d dt

i d L i R

))(

(

r r

dt

d dt

i d L i

R + σ + ψ + ω −ω σ +ψ

Phương trình tổng quát mạch tổn hao sắt từ và bão hòa từ:

m a Fe Fe

m R i j dt

dψ − + ωψ

=

r s Fe

+

=

Hz f

f

Hz f

f f

R f

R Fe e Fe

50);

(/552721841

50);

(0788.0242.892.128

:)(

2

Phương trình từ thông:

m m s s

s=i Lσ +i L

m m r r

di L i R

s s s s

α α

σ α

dt

d dt

di L i R

uβs = sβs+ σs βs + ψβm

(2.40)

) (

r r

dt

d dt

di L i

R α + σ α + ψα +ω β σ +ψβ

) (

dt

d dt

di L i

R β + σ β + ψβ +ω α σ +ψα

Trang 30

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

m m

Fe r Fe s Fe m

L

R i R i R dt

d

α α

Fe r Fe s Fe m

L

R i R i R dt

d

β β

s iα Lσ iα L

α

m m s s

s iβ Lσ iβ L

β

m m r r

r iαLσ iα L

α

m m r r

r iβ Lσ iβ L

β

m r

r L L

m s

s L L

)(

2

3

m r m r

J T

2.3.2 Trên hệ tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq):

Trang 31

qr r a

qm a

dm dr

r dr

dt

d dt

di L i

dr r a

dm a

qm qr

r qr

dt

d dt

di L i

* 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

=

dm a qm m

Fe qr Fe qs Fe qm

L

R i R i R dt

d

ψωψ

ψ

++

ds =i Lσ +i L

m qm s qs

qs =i Lσ +i L

m dm r dr

dr =i Lσ +i L

m qm r qr

qr =i Lσ +i L

)(

2

3

dm qr qm dr

J T

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 2.3

Trang 32

Hình 2.3: Sơ đồ tương đương động cơ KĐB có tổn hao sắt từ và bão hòa từ Phương trình tổng quát điện áp stator và rotor:

)( s m

a m s

s s

dt

d dt

i d L i R

))(

(

r r

dt

d dt

i d L i

R + σ + ψ + ω −ω σ +ψ

Phương trình tổng quát mạch tổn hao sắt từ và bão hòa từ:

m a Fe Fe

m R i j dt

d

ψω

=

r s Fe

+

=

Hz f

f

Hz f

f f

R f

R Fe e Fe

50);

(/552721841

50);

(0788.0242.892.128

:)(

Trang 33

Từ phương trình tổng quát của mô hình động cơ KĐB có tổn hao sắt từ và bão hòa từ, ta nhận thấy rằng tất cả các phương trình trên đều giống với phương trình của

mô hình động cơ KĐB có tổn hao sắt từ và bão hòa từ, chỉ khác các công thức (2.68)

im Vì vậy, ta không cần triển khai lại các công thức trong các hệ tọa độ khác nhau

2.4.1 Các phương trình chuyển đổi hệ tọa độ ABC sang hệ tọa độ ααααβ

)5.05.0(3

2

c b

a

)2/32

/3(3

2

c b

s s

2.4.2 Các phương trình chuyển đổi hệ tọa độ ABC sang hệ tọa độ dq

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

)]

3/2cos(

)3/2cos(

cos[3

)3/2sin(

sin[3

) 3 / 2 sin(

) 3 / 2

Trang 34

2.4.3 Các phương trình chuyển đổi hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ ααααβ

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

s s

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

s q s

f

s q s

f

Trang 35

CHƯƠNG 3

MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Các thông số máy trong mô phỏng:

Lm= 0.141H; Điện trở stator: Rs= 1.37Ω; Điện trở rotor: Rr= 1.1 Ω; Moment định mức:

Te= 26.5N.m; Số đôi cực P= 2; Moment quán tính: J= 0.1 kg.N/m; Moment tải:

Hình 3.1: Mô hình động cơ KĐB ba pha lý tưởng với nguồn ba pha cân bằng

Nguồn cung cấp điện sử dụng trong mô hình động cơ hình 3.1 là nguồn ba pha cân bằng lý tưởng được thiết lập trong Matlab như hình 3.2 sau:

Trang 36

Chương 3 Mô phỏng động cơ KĐB ba pha

time 4

Uc 3

Ub 2

Ua 1

t

Fcn-Vc f(u) Fcn-Vb f(u) Fcn-Va f(u)

Constant Vm

Clock

Hình 3.2: Sơ đồ khối nguồn ba pha lý tưởng

Nguồn ba pha có dạng hình sin, được biểu diễn theo các phương trình sau:

t V

) 3 / 2

Động cơ KĐB ba pha lý tưởng được mô hình hóa bằng các phương trình toán

trong tọa độ dq ở chương 2 từ các phương trình (2.21) đến (2.31), biến đổi chúng thành năm phương trình vi phân với biến của nó là dòng điện stator và rotor, 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 3.3 bên dưới

Trang 37

AngFl -st

8 MagFl -st 7

Te 6

w 5 iqr

4

idr 3

iqs 2

ids 1

dq to anfabeta

In-d In-q In-t Out-anfa

Out-beta Real -Imag to

Complex

Re Im

Integrator 4

1 s Integrator 3

1 s Integrator 2

1 s Integrator 1

1 s Integrator

1 s

Fcn-Te f(u)

Fcn-Flq _st f(u) Fcn-Fld _st f(u)

De -w f(u)

De-iqs f(u)

De-iqr f(u)

De-ids f(u)

De-idr f(u)

Complex to Magnitude -Angle

|u|

u

In -t 9

In -TL 8

Hình 3.3: Sơ đồ khối động cơ KĐB ba pha lý tưởng

Các phương trình mô phỏng động cơ KĐB ba pha lý tưởng được viết trong hệ tọa

độ dq như sau:

s r m

qs a s r m qr m r qs m dr

m r ds r s ds r ds

L L L

i L L L i

L L i L i

L R i L R v L dt

di

−

− + +

−

− +

−

2 2

) (

ds a s r m dr m r ds m qr

m r qs r s qs r qs

L L L

i L L L i

L L i L i

L R i L R v L dt

di

−

− +

+

− +

−

2 2

) (

qr a s r m qr

r qs m s dr s r ds m s ds m dr

L L L

i L L L i

L i L L i L R i L R v L dt

di

−

− + +

+ +

−

2

) (

dr a s r m dr r ds m s qr s r qs m s qs m qr

L L L

i L L L i

L i L L i L R i L R v L dt

di

−

− +

−

2

) (

P dt

d

) (

2 3

) (

2

3

ds qr qs dr m

e PL i i i i

Từ thông stator và rotor trong động cơ KĐB ba pha không thể được đo trực tiếp, chúng chỉ được tính toán gián tiếp bởi 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 mô hình:

Trang 38

m dr s ds

ds=i L +i L

m qr s qs

qs=i L +i L

m ds r dr

dr =i L +i L

m qs r qr

qr =i L +i L

a qs a ds

a qr a dr

s

s s

s s s

α

β β

ψφ

ψψ

tan

r

r r

r r r

α

β β

ψφ

ψψ

tan

;

Áp dụng các công thức chuyển đổi hệ trục tọa độ ở chương 2, ta được:

* Chuyển từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ ABC:

a qs a ds

Trang 39

Pha C 3

Pha B 2

Pha A 1

Fcn-ic f(u) Fcn-ib f(u) Fcn-ia f(u)

Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ chuyển hệ trục tọa độ

Các thông số máy trong mô phỏng:

cảm từ hóa Lm= 0.141H; Điện trở stator: Rs= 1.37Ω; Điện trở rotor: Rr= 1.1 Ω;

Mô hình động cơ KĐB ba pha xét tổn hao sắt từ thể hiện như hình 3.5

ReW ReIc

ReAngFl

ReMagFl

ReTe ReTl

t

ReIb ReIa

ReUc ReUb ReUa

Tai

Scope 2

Scope 1 Nguon 03 pha can bang

Ua

Ub

Uc

Dong co khong dong bo

co Rfe va bao hoa tu

Out -anfa 1

Fcn-beta f(u) Fcn-anfa f(u)

In -t 3

In -q 2

In -d 1

Trang 40

Khối nguồn điện áp cân bằng cung cấp cho động cơ giống như khối nguồn cân bằng của động cơ KĐB lý tưởng

Từ phương trình (2.51) đến (2.62) ở chương 2, biến đổi đưa về phương trình vi phân với các biến là dòng điện stator, dòng điện rotor và từ thông từ hóa kết hợp các phương trình tính moment và tốc độ động cơ được hệ thống các phương trình mô tả trạng thái động cơ KĐB ba pha có xem xét tổn hao sắt từ và bão hòa từ như hình 3.6 sau:

AngFls 10 MagFls 9

Te 8

w 7

Flqm 6

Fldm 5

iqr 4

idr 3

iqs 2

ids 1

AngFls

Tinh Te

In-idr In-iqr In-Fldm In-Flqm Te

Tinh Rfe Rfe

Khoi tinh tan so f

De-ids De-iqs De-Fldm De-Flqm Lm

f

Integrator 6

1 s Integrator 5

1 s

Integrator 4

1 s Integrator 3

1 s Integrator 2

1 s Integrator 1

1 s Integrator

1 s

De-w 7 f(u)

De-iqs 2 f(u)

De -iqr 4 f(u)

De-ids 1 f(u)

De -idr 3 f(u)

De -Flqm 6 f(u)

De -Fldm 5 f(u)

In -TL 11

In -iqs

2

In -ids

1

Tiêu đề	Điều Khiển Dtc Không Cảm Biến Của Động Cơ Không Đồng Bộ Có Tổn Hao Sắt Từ Và Bão Hòa Từ
Tác giả	Nguyễn Nhật Minh
Người hướng dẫn	TS. Phạm Đình Trực
Trường học	Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Thiết bị, mạng và nhà máy điện
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2011
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	136
Dung lượng	5,07 MB