Nghiên cứu hệ thống điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ với xét đến bão hòa mạch tử

Nhưng với việc phát triển của các lý thuyết điều khiển, truyền động cộng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật như kỹ thuật vi xử lý, điện tử công suất nên đã hạn chế được nhược điểm trên

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ ĐỘNG

CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA

BÃO HÒA MẠCH TỪ

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

Tôi xin cam đoan luận văn này do chính tôi làm dưới sự hướng dẫn của thầy

giáo TS NGUYỄN MẠNH TIẾN Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung

thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Vũng tàu, ngày 17 tháng 03 năm 2013

Tác giả luận văn

Nguyễn Xuân Trí

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 9

1.1.Tổng quan 9

1.2.Các phương pháp điều khiển ĐCKĐB 10

1.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ với tần số không đổi 10

1.2.1.1 Hệ thống điều chỉnh và khởi động động cơ bằng điện áp stato : 10

1.2.1.2 Hệ thống điều chỉnh và khởi động động cơ bằng điện trở phụ roto : 11

1.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ với tần số thay đổi 12

1.2.2.1 Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar) 12

1.2.2.2.Nguyên lý điều khiển tần số 13

1.2.2.3 Phương pháp điều khiển véctơ 19

CHƯƠNG 2- MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 25

2.1 Mô hình động cơ không đồng bộ khi không xét ảnh hưởng của bão hòa từ 25

2.1.1.Hệ phương trình trong không gian véctơ 27

2.1.1.1.Hệ phương trình cân bằng điện áp ở dạng véctơ 27

2.1.1.2.Hệ tọa độ quay chuẩn 28

2.1.1.3 Hệ phương trình véctơ trạng thái 29

2.2.Mô hình động cơ không đồng bộ khi xét ảnh hưởng của bão hòa từ 32

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ CÓ TÍNH CHẾ ĐỘ BÃO HÒA TỪ 34

3.1 Cấu trúc hệ điều khiển véctơ trực tiếp không xét đến bão hòa từ 34

3.2 Tính toán từ thông theo mô hình quan sát đủ bậc 35

3.3 Mô hình quan sát từ thông với tính đến ảnh hưởng của sự bão hòa từ 37

3.4 Mô hình tính toán lượng đặt dòng điện 39

3.5 Hệ thống điều khiển véctơ có xét bão hòa từ 40

CHƯƠNG 4 – MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 42

4.1 Mô hình mô phỏng 42

4.1.1 Mô hình động cơ không đồng bộ khi xét ảnh hưởng của bão hòa từ 42

4.1.2 Mô hình mô phỏng khâu tính lượng đặt dòng điện I*ds và I*qs 45

4.1.3 Mô hình mô phỏng tính các thành phần từ thông từ hóa và dòng từ hóa 45

4.1.4 Mô hình quan sát từ thông ở chế độ không bão hòa từ 46

4.1.5 Mô hình quan sát từ thông ở chế độ bão hòa từ 47

4.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển véctơ trực tiếp khi không xét bão hòa từ 48

4.2.1.Sơ đồ mô phỏng 48

4.2.2 Thông số động cơ 49

4.2.3 Kết quả mô phỏng 50

4.2.4 Kết luận 53

4.3.Mô phỏng hệ thống điều khiển véctơ trực tiếp xét ảnh hưởng của bão hòa từ 53

4.3.1.Sơ đồ mô phỏng 53

4.3.2 Kết quả mô phỏng khi chưa có thuật toán bù ảnh hưởng bão hòa từ 55

4.3.3 Kết quả mô phỏng khi có thuật toán bù ảnh hưởng bão hòa từ 58

KẾT LUẬN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt:

Điều khiển véctơ trực tiếp : ĐKVTTT

Điều khiển véctơ gián tiếp : ĐKVTGT

Ký hiệu:

uas : Điện áp stato trên trục a

ubs : Điện áp stato trên trục b

ucs : Điện áp stato trên trục c

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1- Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 101

Hình 1.2- Sơ đồ và đặc tính điều khiển điện áp stato 11

Hình 1.3 - Sơ đồ và đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ 12

Hình 1.4 - Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng 13

Hình 1.5 - Đặc tính động cơ có công suất trung bình và nhỏ với luật U/f = const 15

Hình 1.6 - Đặc tính U(f) lý tưởng (1) và thực tế(2) 16

Hình 1.7 - Đặc tính động cơ khi điều khiển từ thông khe hở không đổi .18

Hình 1.8 - Sự tương tự giữa phương pháp điều khiển động cơ một chiều và điều khiển vectơ 20

Hình 1.9 - Đồ thị pha của phương pháp điều khiển vectơ .20

Hình 1.10 - Sơ đồ khối cơ bản của hệ điều khiển vectơ - động cơ không đồng bộ 212 Hình 1.11 - Đồ thị góc pha của phương pháp điều khiển gián tiếp 223

Hình 2.1 - Biểu diễn vectơ không gian 266

Hình 2.2 - Hệ tọa độ chuẩn 29

Hình 3.1 - Hệ thống điều khiển vectơ kiểu trực tiếp 34

Hình 3.2 - Tính toán r theo mô hình quan sát .37

Hình 3.3 - Sơ đồ mô hình quan sát có xét đến bão hòa từ 38

Hình 3.4 - Sơ đồ tính toán lượng đặt dòng điện 39

Hình 3.5 - Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển véctơ trực tiếp 40

Hình 4.1 - Quan hệ từ thông với dòng điện từ hóa 44

Hình 4.2- Sơ đồ mô phỏng động cơ khi xét đến bão hòa từ 44

Hình 4.3 - sơ đồ mô phỏng tính lượng đặt dòng điện I* ds và I* qs 45

Hình 4.4 - Sơ đồ mô phỏng tính các thành phần từ thông từ hóa .45

Hình 4.5 - Sơ đồ mô phỏng tính các thành phần dòng từ hóa 46

Hình 4.6 - Mô hình quan sát từ thông ở chế độ không bão hòa từ 47

Hình 4.7 - Sơ đồ mô phỏng mô hình quan sát từ thông có xét đến bão hòa từ 47

Hình 4.8 - Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển véctơ trực tiếp - ĐCKĐB không xét bão hòa từ 48

Hình 4.9 - Mô hình động cơ không đồng bộ ở chế độ không bão hòa từ 49

Hình 4.10 – Mô men động cơ 50

Hình 4.11 – Tốc độ động cơ 51

Hình 4.12 – Từ thông roto 51

Hình 4.13 – Dòng sinh từ thông 52

Hình 4.14 – Dòng sinh mômen 52

Hình 4.15- Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển véc tơ trực tiếp - ĐCKĐB có xét bão hòa từ .54

Hình 4.16 - Đặc tính từ hóa động cơ 55

Hình 4.17 – Mô men động cơ khi chưa có bù bão hòa 56

Hình 4.18 – Tốc độ động cơ khi chưa có bù bão hòa 56

Hình 4.19 – Từ thông rôto khi chưa có bù bão hòa 57

Hình 4.20 – Dòng sinh từ thông khi chưa có bù bão hòa 57

Hình 4.21 – Dòng sinh mômen khi chưa có bù bão hòa 58

Hình 4.22 – Mômen động cơ khi có bù bão hòa 59

Hình 4.23 – Tốc độ động cơ khi có bù bão hòa 60

Hình 4.24 – Từ thông rôto khi có bù bão hòa 60

Hình 4.25 – Dòng sinh từ thông khi có bù bão hòa 61

Hình 4.26 – Dòng sinh mômen khi có bù bão hòa 61

Hình 4.27 - Đồ thị tổng hợp về từ thông ở 3 chế độ mô phỏng 62

MỞ ĐẦU

Động cơ không đồng bộ ngày nay được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thay cho các động cơ khác vì nó có nhiều ưu điểm như khởi động đơn giản, vận hành tin cậy, rẻ tiền và kích thước gọn nhẹ Nhược điểm là đặc tính cơ phi tuyến mạnh nên trước đây, với các phương pháp điều khiển còn đơn giản, loại động cơ này phải nhường chỗ cho động cơ điện một chiều Nhưng với việc phát triển của các lý thuyết điều khiển, truyền động cộng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật như kỹ thuật vi xử

lý, điện tử công suất nên đã hạn chế được nhược điểm trên, đưa động cơ không đồng

bộ trở thành phổ biến.Trước đây thường điều khiển động cơ bằng cách điều chỉnh điện

áp Đây là một phương pháp đơn giản nhưng chất lượng điều chỉnh kể cả tĩnh lẫn động đều không cao

Để điều khiển được chính xác và hiệu quả phải nói đến phương pháp thay đổi tần

số điện áp nguồn cung cấp Do tốc độ động cơ không đồng bộ xấp xỉ tốc độ đồng bộ nên động cơ làm việc với độ trượt nhỏ và tổn hao công suất trượt trong mạch rotô nhỏ Tuy nhiên phương pháp này còn phức tạp và đắt tiền, thiết bị dùng để biến đổi tần số

là các bộ nghịch lưu, có thể là nghịch lưu trực tiếp hoặc gián tiếp Ta có thể sử dụng

bộ biến tần là một thiết bị tích hợp cả chỉnh lưu, nghịch lưu lẫn điều khiển Luật điều khiển trong mỗi biến tần tuỳ thuộc vào nhà sản xuất

Hiện nay, để điều khiển động cơ đã có nhiều biến tần bán sẵn trên thị trường, ít khi còn phải thiết kế theo phương pháp kinh điển nữa Biến tần đơn giản thường điều khiển tốc độ theo luật Uf/ để đảm bảo động cơ sinh momen tốt nhưng cho các hệ truyền động yêu cầu cao hơn thì có biến tần điều khiển theo vectơ Trong hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi tần số, có 2 phương pháp điều khiển:

➢ Phương pháp điều khiển véctơ trực tiếp: Nguyên lý dựa trên phương pháp

nhiều phương pháp xác định từ thông rôto : Dùng Cảm biến Hall; tính từ

thông từ điện áp và dòng điện stato; từ dòng điện stato và tốc độ rôto và mô hình quan sát

➢ Phương pháp điều khiển véctơ gián tiếp: Nguyên lý dựa trên phương pháp điều khiển gián tiếp góc s được tính toán gián tiếp thông qua dòng điện và tốc độ rôto Hệ điều khiển véctơ gián tiếp cần phải có tín hiệu vị trí rôto và chất lượng điều khiển phụ thuộc vào các thông số của động cơ không đồng bộ Do

đó, để đảm bảo điều kiện độc lập, các thông số bộ điều khiển cần thiết điều chỉnh phù hợp với các tham số động cơ, điều này là một vấn đề không dễ dàng Thông số ảnh hưởng đến các đặc tính của hệ thống và cần phải tính toán trong quá trình làm việc là điện trở dây quấn rôto

Khi nghiên cứu về động cơ không đồng bộ, để đơn giản cho quá trình thành lập

mô hình toán học, trên cơ sở đó mô hình hóa động cơ, người ta thường đưa ra một số giả thiết, trong đó từ thông động cơ thường được nghiên cứu trong vùng tuyến tính, nhưng thực tế, trong rất nhiều trường hợp ứng dụng có mô men biến đổi, lúc đó động

cơ không đồng bộ cần phải làm việc ở chế độ bão hòa từ để sinh ra mô men lớn hơn Đơn giản như ở các ứng dụng chuyển động, động cơ không đồng bộ được tính chọn

để làm việc bình thường, tuy nhiên trong quá trình chuyển động cần tăng tốc hay giảm tốc thì nó cần sinh ra mô men lớn (nhỏ) trong thời gian ngắn Khi tính chọn động cơ,

ta có thể chọn động cơ nhỏ hơn yêu cầu công nghệ nếu hệ thống điều khiển có thể duy trì việc điều khiển ở cả vùng mô men lớn Thông thường, các giá trị điện cảm dùng để điều khiển các giá trị thay đổi được để bù ảnh hưởng của bão hòa từ, tuy nhiên việc bù

này không dễ dàng Do đó, một vấn đề đặt ra là mô phỏng chính xác hiện tượng bão

hòa mạch từ ở động cơ không đồng bộ để nhận biết được giới hạn của hiện tượng

bão hòa và có phương án điều khiển bù hợp lý, chính xác đem lại lợi ích cao, nâng cao chất lượng hệ điều khiển

Với mục đích nghiên cứu sự ảnh hưởng của bão hòa từ đến chất lượng điều khiển hệ truyền động điện, luận văn sẽ đi sâu vào nghiên cứu phương pháp điều khiển véctơ trực tiếp định hướng theo từ thông rôto có xét ảnh hưởng của bão hòa mạch từ

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

KHÔNG ĐỒNG BỘ: giới thiệu tổng quan về các phương pháp điều khiển tốc

độ động cơ không đồng bộ, giới thiệu phương pháp mới với nhiều ưu điểm so với các phương pháp kinh điển

Chương 2 – MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ: Đưa ra hệ

phương trình mô tả toán học động cơ không đồng bộ khi không xét đến ảnh

hưởng của bão hòa mạch từ và khi có xét đến ảnh hưởng của bão hòa mạch từ

Chương 3 - XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÉCTƠ CÓ TÍNH

CHẾ ĐỘ BÃO HÒA TỪ: Xây dựng cấu trúc hệ điều khiển véctơ trực tiếp không xét đến bão hòa từ, xây dựng mô hình quan sát từ thông với tính đến ảnh hưởng của sự bão hòa từ, mô hình tính toán lượng đặt dòng điện và xây dựng

hệ thống điều khiển vectơ có xét bão hòa từ

Chương 4- MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN: Tiến hành mô phỏng hệ

thống trong 3 trường hợp: khi không xét ảnh hưởng của bão hòa từ, khi có xét

ảnh hưởng của bão hòa từ và trường hợp có bù ảnh hưởng của bão hòa từ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG

CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 Tổng quan

Trong công nghiệp máy điện không đồng bộ ba pha là loại động cơchiếm một tỷ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác Do kết cấu đơn giản, làmviệc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, nguồn cung cấp lấy ngay trên lướicông nghiệp, dải công suất động cơ rất rộng từ vài trăm W đến hàng ngàn

kW Tuy nhiên các hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ dùng động cơ không

Ngày nay, điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại chứa đựng những phương pháp mới trong việc mô hình hóa đối tượng động cơ, từ đó xây dựng nên các thuật toán điều khiển phù hợp với các tiến bộ mới của công nghệ vi điện

tử, vi xử lý và điện tử công suất Cơ sở truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại là phương pháp điều khiển tựa theo từ trường quay của rôto được Haase đưa ra 1968 và Balaschke đưa ra 1970

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ được sử dụng trong thực tế được minh họa trên hình 1.1

Tần số không đổi ( f = hằng số):

+ Điều chỉnh điện áp stato

+ Điều chỉnh điện trở phụ roto

- Tần số thay đổi ( f ≠ hằng số) :

+ Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar)

+ Điều khiển véctơ

Hình 1.1- Các phương pháp điều chỉnh tốc độ

1.2 Các phương pháp điều khiển ĐCKĐB

1.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ với tần số không đổi

1.2.1.1 Hệ thống điều chỉnh và khởi động động cơ bằng điện áp stato :

Nguyên lý điều khiển tốc độ : Thay đổi trị số hiệu dụng điện áp đặt vào stato (nhỏ hơn điện áp định mức), tần số được giữ định mức

Từ biểu thức mô men tới hạn và độ trượt tới hạn nhận thấy rằng : Khi Điện áp giảm (<U1đm) mô men tới hạn giảm tỉ lệ U21đm và độ trượt sth không đổi, đồng thời mô men ngắn mạch (Mnm = Mkđ) giảm Đặc tính như hình vẽ 1.2

Đặc tính điều chỉnh của động cơ là :

Mcf ≡ 1/s

Hình 1.2- Sơ đồ và đặc tính điều khiển điện áp stato

Nhược điểm của hệ thống điều khiển điện áp stato là phạm vi điều chỉnh tốc

độ và đặc tính có độ dốc tăng khi điện áp giảm Do dó phương pháp này thường được

sử dụng để khởi động động cơ với tải là các máy bơm, quạt gió Khi điện áp giảm mô

đi Động cơ sẽ khó khởi động hơn đặc biệt với các cơ cấu có mô men cản tĩnh (khi

động cơ không quay) lớn : băng tải có tải khi khởi động, cần trục có tải

1.2.1.2 Hệ thống điều chỉnh và khởi động động cơ bằng điện trở phụ roto :

Nguyên lý điều chỉnh : Thay đổi tốc độ bằng thay đổi điện trở phụ trong roto

Khi điện trở phụ roto tăng, mô men tới hạn không thay đổi, độ trượt tới hạn

tăng Cũng có thể thấy rằng, khi điện trở phụ tăng trong một phạm vi nào đó, mô men

băng mô men tới hạn

Đặc tính điều chỉnh của động cơ là :

Mcf = Hằng số

Vì vậy hệ thống điều chỉnh điện trở phụ roto được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cho các máy có đặc tính mô men là hằng số như cần trục,… Đồng thời cũng được ứng dụng để khởi động các động cơ roto dây quấn , đặc biệt các động cơ công suất lớn : máy nghiền, quạt máy nghiền,… Sơ đồ nguyên lý hệ thống như hình 1.3

Hình 1.3 - Sơ đồ và đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ

1.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ với tần số thay đổi

1.2.2.1 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 Phương pháp 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, biên độ và tần số được điều chỉnh, không liên quan đến vị trí không gian của véctơ điện áp và dòng điện

Điều khiển vô hướng đơn giản hơn điều khiển véctơ Kỹ thuật điều khiển vô

hướng thường được cài đặt trong thực tế là

Hertz

Volts

không đổi (Constant Volts/Hertzs - CVH) nghĩa là biên độ điện áp stato được điều chỉnh tỉ lệ với tần số nhằm duy trì từ thông stato không đổi Phương pháp này bao gồm điều khiển tốc độ từ trường quay của stato bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp Hệ thống điều khiển đơn giản chỉ duy nhất yêu cầu phản hồi tốc độ Tín hiệu tốc độ thực  sẽ so sánh với tín Mhiệu tốc độ đặt *

Inverter P/2

Speed sensor

motor

Dc supply Voltage Voltage

M



Hình 1.4- Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng

1.2.2.2 Nguyên lý điều khiển tần số :

Tốc độ đồng bộ động cơ :

p

f2

Như vậy khi thay đổi tần số, tốc độ đồng bộ động cơ sẽ thay đổi, tốc độ động

cơ : =1(1−s) sẽ thay đổi Khi điều chỉnh tần số, điện áp phải thay đổi theo để đảm bảo chỉ tiêu năng lượng cao và động cơ không bị bão hòa từ

Quan hệ U1(f) gọi là qui luật điều khiển tần số Trong thực tế hai qui luật điều khiển tần số được sử dụng rộng rãi là : Qui luật điều khiển tần số cơ bản và luật điều khiển từ thông khe hở không đổi

a Qui luật điều khiển tần số cơ bản :

- Nội dung : Điều khiển điện áp và tần số đảm bảo khả năng quá tải không đổi với mọi tần số khác nhau :

fconstM

dm 1 1

M

Mf

Uf

men cản : Mc = hằng số; Mc≡ 1/ω ; Mc≡ω 2 tương ứng có 3 luật điều khiển tần số :

f

Uf

U

dm

dm 1

Hình 1.5- Đặc tính động cơ có công suất trung bình và nhỏ với luật U/f = const

thể hiện thông qua sự giảm của mô men tới hạn khi tần số giảm

th

f U L

4 f

R f

R 4

p

Ở vùng tần số cao ( xung quanh tần số định mức) , momen tới hạn có trị số gần

giảm do sụt áp trên điện trở stato ứng với dòng định mức không đổỉ mọi tần số; kết quả là momen tới hạn động cơ sẽ giảm, đặc biệt sẽ giảm nhanh ở vùng tần số thấp , ví

dụ nhỏ hơn 10Hz (hình 1.5)

Do điện trở stato không thể bỏ qua nên sụt áp trên điện trở stato ứng với dòng điện định mức sẽ không đổi khi giảm tần số , trong khi sụt áp trên điện kháng giảm theo tần số Do đó sụt áp trên điện trở sẽ chiếm tỉ lệ lớn ở tần số nhỏ, sẽ ảnh hưởng lớn đến từ thông khe hở

Vì vậy trong ứng dụng thực tế, tỉ lệ điện áp - tần số thường được tăng lên ở vùng tần số thấp để bù lại sụt áp trên điện trở stato Trên hình 1.6 là các dạng đặc tính điện

áp - tần số đã hiệu chỉnh ở vùng tần số thấp

Hình 1.6- Đặc tính U(f) lý tưởng (1) và thực tế(2)

ở tần số zero (thời điểm đầu tiên của quá trình khởi động) Nhưng trị số Uo lớn có thể làm động cơ quá nhiệt nếu động cơ thường xuyên làm việc ở tốc độ thấp do mức độ làm mát của động cơ tự làm mát giảm đáng kể Với phụ tải quạt gió, momen động cơ

ở tốc thấp rất nhỏ, tỉ số điện áp - tần số có thể giảm nhỏ để mức độ phát nóng động cơ

bé nhất Trong các hệ thống truyền động điện khác, mức độ tăng điện áp ở tần số thấp

có thể chỉnh định phù hợp với đặc tính phụ tải

b Luật điều khiển từ thông khe hở không đổi :

Để khắc phục nhược điểm của luật điều khiển U/f = hằng số, trong thực tế, các

bộ biến tần công nghiệp được cài đặt luật điều khiển từ thông khe hở không đổi Điều khiển từ thông khe hở không đổi , động cơ không đồng bộ có khả năng sinh momen lớn trong dải điều chỉnh tốc độ rộng , ngay cả ở dải tần số thấp khi ảnh hưởng của điện trở stato lớn Để duy trì được từ thông khe hở không đổi trong dải tốc độ rộng, sức điện động stato sẽ được điều chỉnh tỉ lệ với tần số stato thay cho phương pháp điều chỉnh tỉ lệ điện áp- tần số không đổi :

Sức điện động stato Es được tính theo công thức :

Lm là hằng số, từ thông khe hở sẽ tỉ lệ với dòng từ hóa Trong thực tế dòng điện từ hóa

có thể duy trì ở trị số định mức ( tương ứng với điện áp , tần số định mức và phụ tải định mức) ở chế độ non tải, dòng điện từ hóa sẽ có giá trị lớn tương đối so với giá trị

ở chế độ làm việc bình thường của động cơ Khi điều khiển từ thông khe hở không đổi , tức là tỉ số Es /s không đổi, dòng điện roto , do đó mô men động cơ là hàm của tốc

độ trượt sl và không phụ thuộc vào tần số nguồn cung cấp như minh họa trên hình 1.7 Trong trường hợp này, từ thông khe hở được duy trì ở giá trị ứng với chế độ không tải và điện áp , tần số định mức Momen tới hạn ở mọi tần số sẽ có giá trị không đổi và động cơ có khả năng sinh momen như nhau ở cả dải điều chỉnh tốc độ Trong thực tế, luật điều khiển từ thông khe hở không đổi được thực hiện điều khiển U(f) ở điều kiện từ thông khe hở không đổi, sức điện động stato Es tỉ lệ với tần số stato , sụt áp trên dây quấn stato phụ thuộc vào tần số stato và dòng điện stato Do đó điện áp stato cần thiết để duy trì từ thông khe hở không đổi sẽ là hàm của tần số và dòng điện phụ tải Is

0 5 10 15 20 25 30 -150

-100 -50 0 50 100 150 200

Trước đây do sự hạn chế về kỹ thuật và thiết bị, hệ thống dùng động cơ DC được

sử dụng Với sự phát triển về thiết bị và lý thuyết điều khiển véctơ hiện nay, ĐCKĐB được sử dụng để thay thế động cơ DC cho các ứng dụng đòi hỏi đáp ứng nhanh

Mô hình ĐCKĐB ở trạng thái xác lập bỏ qua sự quá độ khi thay đổi tải và thay đổi tần số stato Những đại lượng này sẽ tăng rất nhanh đối với ứng dụng truyền động có tốc độ thay đổi

Với những ứng dụng có mô men thay đổi nhanh, điều khiển U/f hay nối nguồn trực tiếp sẽ không cho chất lượng tốt Khi đó cần thiết phải biết tốc độ hay từ thông và

bộ điều khiển có chất lượng cao, do đó điều khiển véctơ là sự lựa chọn hoàn hảo thay thế cho luật điều khiển U/f

1.2.2.3 Phương pháp điều khiển véctơ

❖ Nguyên lý điều khiển vectơ

Nguyên lý điều khiển vectơ dựa trên ý tưởng điều khiển động cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều Sự tương tự của các phương pháp điều khiển đó được trình bày trên hình 1.8 :

a/ Hệ ĐK một chiều b/ Hệ ĐK véctơ

Hình 1.8- Sự tương tự giữa phương pháp điều khiển động cơ một chiều

và điều khiển vectơ

Ở động cơ một chiều, bỏ qua phản ứng phần ứng và giả thiết mạch từ không bão hoà , mômen động cơ một chiều được tính như sau:

M = KIu = K'IkIu (1-6) Trong đó: Ik, Iu – Tương ứng là dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng  - Từ thông động cơ

Dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ hoặc từ thông không phụ thuộc nhau

Do đó có thể điều khiển độc lập dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng để đạt được đặc tính mômen tối ưu Duy trì dòng điện kích từ không đổi, mômen được điều chỉnh bằng điều chỉnh dòng điện phần ứng

Phương pháp điều khiển này có thể áp dụng cho động cơ không đồng bộ nếu sử dụng khái niệm vectơ không gian Với ý tưởng định nghĩa vectơ không gian dòng điện của động cơ và mô tả động cơ ở hệ toạ độ quay với tốc độ đồng bộ s (hệ trục 0dq), các đại lượng dòng điện , điện áp , từ thông là các đại lượng một chiều Vectơ

Bằng chọn trục d trùng với từ thông rôto, phương trình mômen động cơ sẽ viết như sau :

M = KM.r.Iqs = K'

M.Ids.Iqs (1-7) Như vậy nếu điều khiển độc lập các thành phần dòng điện trên hai trục vuông góc của hệ toạ độ quay đồng bộ với vectơ từ thông rôto thì vấn đề điều khiển động

cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều ở đây thành phần dòng

Ids đóng vai trò tương tự như dòng điện kích từ động cơ một chiều Ik và thành phần dòng Iqs tương tự như Iu Phương pháp điều khiển tách rời hai thành phần dòng điện stato có thể được minh họa bằng các đồ thị pha như ở hình 1.9:

is2

is2 r

s r

s

d d

a Điều chỉnh thành phần mô men b Điều chỉnh thành phần từ thông

Hình 1.9- Đồ thị pha của phương pháp điều khiển vectơ

Thành phần dòng điện stato trên trục q (Iqs ) là thành phần sinh mômen và sẽ tương ứng với công suất tác dụng truyền qua khe hở Uqs Iqs

Thành phần dòng điện trên trục d (Ids ) là thành phần sinh từ thông và tương ứng với thành phần công suất phản kháng truyền qua khe hở Uqs Ids

Các thành phần dòng điện trên hai trục có thể thay đổi một cách độc lập nhau Với đồ thị hình 1.9a, thành phần Ids được duy trì không đổi tương ứng là từ thông rôto được duy trì không đổi, mômen động cơ sẽ thay đổi khi thay đổi thành phần Iqs ( từ Iqs1 đến Iqs2 ) Kết quả là vectơ dòng điện issẽ thay đổi từ is1 đến is2

Rõ ràng là trong trường hợp này cả biên độ và góc của vectơ dòng điện stato được

thay đổi Tương tự với sơ đồ hình 1.9 b, thành phần Iqs được duy trì không đổi ,

thay đổi thành phần Ids sẽ làm thay đổi độ lớn và góc của vectơ dòng điện stato

Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống điều khiển vectơ - động cơ không đồng bộ được

trình bày trên hình 1.10 Bằng hai phép biến đổi toạ độ ( abc / ) và ( / dq ) với

góc quay từ trường s , các thành phần I*qs và I*ds được biến đổi thành các thành phần

đặt dòng 3 pha và điểu khiển BBT PWM

Hình 1.10- Sơ đồ khối cơ bản của hệ điều khiển vectơ - động cơ không đồng bộ

Như vậy để thực hiện điều khiển vectơ cần phải xác định chính xác góc quay của

từ trường Theo nguyên lý xác định góc quay từ trường phân làm hai phương pháp

điều khiển vectơ :

a) Phương pháp xác định trực tiếp :

Nguyên lý ĐKVTTT dựa trên phương pháp xác định trực tiếp góc quay từ

trường s từ các thành phần từ thông khe hở hoặc từ thông rôto trên hai trục của hệ

toạ độ vuông góc của hai trục  :

r s

i

* s

i

* a i

* c i

 s

BBT

ĐKVT

Trong đó r, r - Các thành phần từ thông trên các trục của khung toạ độ tĩnh trên stato

Có nhiều phương pháp xác định từ thông rôto : Dùng Cảm biến Hall; tính từ thông từ điện áp và dòng điện stato; từ dòng điện stato và tốc độ rôto và mô hình quan sát

b) Phương pháp xác định gián tiếp :

toán gián tiếp thông qua dòng điện và tốc độ rôto :

0

t

 = + Với s : tốc độ góc

quay của hệ trục toạ độ dq và cũng là

tốc độ góc quay của vectơ dòng điện

stato , từ thông rôto

q

Iqs 

phương pháp điều khiển gián tiếp

Điều kiện điều khiển tách rời hai thành phần dòng điện stato sẽ được thực hiện nếu đảm bảo điều kiện sau:

qr

qr

d

0 dt

Mô men động cơ sẽ được tính như sau:

3 2

CHƯƠNG 2- MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

2.1 Mô hình động cơ không đồng bộ khi không xét ảnh hưởng của bão hòa từ

Trong ĐCKĐB 3 pha có dây quấn 3 pha đối xứng cung cấp từ nguồn điện 3 pha đối xứng, có thể coi các dòng điện trong các pha là các véctơ, với độ lớn là các thành phần dòng điện các pha (ias, ibs, ics ) và hướng trùng với trục của cuộn dây pha tương ứng Trong mặt cắt ngang của máy điện, đặt một hệ tọa độ 2 trục vuông góc (trục thực

α và trục ảo β) với trục ảo trùng với trục pha a ( hình 2.1) Khi đó các véctơ dòng điện

3 pha được viết ở dạng sau:

cs

i i

i i

Trục pha b

Trục pha c Trục pha a

Hình 2.1- Biểu diễn vectơ không gian

Và phép biến đổi ngược biểu diễn quan hệ các thành phần dòng điện các pha (a, b, c) và các thành phần dòng điện trên 2 trục của hệ tọa độ cố định:

i

i i

i i

Các véctơ không gian dòng điện, điện áp và từ thông móc vòng rôto có thể được định nghĩa như sau:

2 3

Trong đó : iar , ibr, icr – các thành phần dòng điện của các pha a, b, c rôto

uar , ubr , ucr – các thành phần điện áp của các pha a, b, c rôto

ar

 ,  , br  - các thành phần từ thông móc vòng của các pha a, b, c rôto cr

2.1.1 Hệ phương trình trong không gian véctơ

2.1.1.1 Hệ phương trình cân bằng điện áp ở dạng véctơ

Các phương trình cân bằng điện áp stato và rôto của động cơ không đồng bộ được viết ở dạng sau:

dt d

dt d

Sử dụng khái niệm véctơ không gian dòng điện, từ thông móc vòng và điện áp 2) và (2-6) – (2-10), các phương trình điện áp stato và rôto ở dạng véctơ được viết như sau:

2.1.1.2 Hệ tọa độ quay chuẩn

quy chiếu điện được sử dụng để thay thế cho hệ quy chiếu cơ khí Một đôi cực hay một chu kỳ của từ thông sẽ tương đương 3600 điện (2π rad) Do đó góc quay điện được tính bằng:

t k

α (Trục thực hệ tọa độ stato)



r s



Hình 2.2- Hệ tọa độ chuẩn

Tốc độ quay  của hệ tọa độ quay có thể được lựa chọn 1 trong 3 trị số: k

• k =0 : Hệ tọa độ tĩnh với stato (hệ trục tọa độ α,β);

• k =s:Hệ tọa độ quay đồng bộ với từ trường quay stato (hệ tọa độ d, q);

• k =r :Hệ tọa độ cố định với rôto

2.1.1.3 Hệ phương trình véctơ trạng thái

Bằng phép biến đổi tọa độ (2-15) và (2-16), các phương trình điện áp stato (2-13)

và rôto (2-14) được chuyển về hệ trục tọa độ quay với tốc độ  với bỏ chỉ số trên k ở kcác đại lượng véctơ là:

r

L i i

Thay (2-23) và (2-24) vào các phương trình (2-19) và (2-20), sau một số phép biến

lồng sóc sau:

2 2

Với : i s và  - véctơ dòng điện stato và từ thông rôto r

Sau một số phép biến đổi, ta nhận được hệ phương trình trạng thái tổng quát mô tả động cơ không đồng bộ ở hệ tọa độ quay với tốc độ k là:

k s

 - các véctơ liên hợp từ thông móc vòng stato và rôto;

Hệ phương trình trạng thái mô tả động cơ được viết ở hệ tọa độ cố định stato nhận được bằng cách thay k =0 vào phương trình (2-27):