Mô phỏng hệ truyền động điện tự động động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha mô phỏng hệ truyền động điện tự động động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha điều khiển theo phương pháp FOC

ĐỀ BÀI Tên đề tài: Tổng hợp và mô phỏng hệ truyền động điện tự động động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha điều khiển theo phương pháp FOC a/ Sơ đồ hệ truyền động: Hình 1... b/Nội dung

MỤC LỤ

MỤC LỤC 1

ĐỀ BÀI 1

BÀI LÀM 3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU 3 PHA ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP FOC 3

1.1 Sơ lược về động cơ không đồng bộ ba pha 3

1.1.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha 3

1.1.2 Nguyên lý hoạt động: 3

1.1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha 5

1.2 Vài nét về động cơ không đồng bộ ba pha rôt lòng sóc 6

1.3 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 7

1.4 Tổng quan về FOC 10

1.4.1 Cấu trúc sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ KDB xoay chiều 3 pha điều khiển theo phương phá FOC 11

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG 12

2.1 Mô hình động cơ 12

2.1.1 Các phép biến đổi tuyến tính không gian vector 13

2.1.2 Hệ phương trình cơ bản cảu động cơ trong khồn gian vector 15

2.1.3 Cấu trúc hệ thống đêìu khiển vector động cơ không đồng bộ 22

2.2 Bộ điều khiển PI 27

2.3 Mô hình toán học khâu phản hồi dòng điện Isd 28

2.4 Mô hình toán học khâu phản hồi tốc độ 28

2.5 Mô hình toán học khâu phản hồi dòng điện Isq 28

2.6 Xây dựng bộ tính toán từ thông và tốc độ động cơ 28

CHƯƠNG III: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU MODUN KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU ĐỐI XỨNG 31

3.1 Nghiên cứu các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển 31

3.1.1 Nguyên lý tối ưu Môdun 31

3.1.2 Nguyên lý tối ưu đối xứng 32

3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện và tốc độ cho động cơ 33

3.2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện: 34

3.2.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 36

3.2.3 Tính toán tham số bộ điều khiển 37

CHƯƠNG 4: KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB- SIMULINK 40

3.1 Xây dựng mô hình hệ truyền động trên Simulink của phần mềm Matlab 40

3.1.1 Mô hình tổng quan 40

3.1.2 Tổng quan về khối vector control 40

3.1.3 Tổng quan về khối SVPWM 42

3.2 Cài đặt các tham số của động cơ, tham số các bộ điều khiển v.v vào mô hình hệ truyền động trên Simulink 44

3.3 Kết quả mô phỏng 45

KẾT LUẬN 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

ĐỀ BÀI Tên đề tài: Tổng hợp và mô phỏng hệ truyền động điện tự động động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha điều khiển theo phương pháp FOC

a/ Sơ đồ hệ truyền động:

Hình 1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ xoay chiều

b/ Số liệu cho trước: Cho động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha có số liệu

như sau:

Công suất định mức Pđ

m 0.75kW

Điện áp định mức Uđ

m 220V Dòng điện định mức Iđm 3.6A Điện trở stator RS 10Ω Điện trở rotor Rr 6.3Ω Điện cảm từ hóa Lm 0.42119H Điện cảm tiêu tán stator Lσss 43.067mH Điện cảm tiêu tán rotor Lσsr 40.107mH Mômen quán tính J 0.00442kg

m2

b/Nội dung thực hiên:

- Tổng quan về hệ truyền động điện tự động động cơ không đồng bộ xoaychiều 3 pha điều khiển theo phương pháp FOC như hình 1.1 - Xây dựng mô hình toánhọc của hệ thống

- Tổng hợp bộ điều khiển theo phương pháp tối ưu modun kết hợp phươngpháp tối ưu đối xứng

- Kiểm tra, đánh giá chất lượng hệ truyền động bằng phần mềm Simulink và hiệu chỉnh hệ thống

Matlab-BÀI LÀM

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG ĐỘNG

CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU 3 PHA ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP FOC

1.1 Sơ lược về động cơ không đồng bộ ba pha.

1.1.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha.

Hình 1.1: Cấu tạo của động cơ không đồng bộ 3 pha

Động cơ không đồng bộ 3 pha chia thành:

 Động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc

 Động cơ không đồng bộ 3 pha roto dây quấn

Ở đây ta tập trung vào nghiên cứu về động cơ 3 pha roto lồng sóc

1.1.2 Nguyên lý hoạt động:

Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệchnhau 120o trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từtrường quay Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trườngquay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứngtrong các thanh dẫn Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong cácthanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải Từtrường quay lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xácđịnh theo quy tắc ban tay trái và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từtrường quay

Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua Nếu rotoquay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây quấnphần cảm nữa nên sdd cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, momen quay

cũng không còn Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫnroto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có momenquay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từtrường Đồng cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KDB)hay động cơ xoay chiều.

Hình 1.2: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha

Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ωo (rad/s) hay no (vòng/phút) thì tốc độ quaycủa roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ωo ; n < no ) Sai lệch tương tối giữa hai tốc

Với:

2 n 60

  

(1-4)

Tốc độ ωo là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu không có lực cản nào.Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ Ở chế độ động cơ, độtrượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1

Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoaychiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay:

n p(n f

6

) s

và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình

vẽ

Hình 1.3: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ

Trong đó:

 U1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V)

 Iµ, I1, I’ 2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stato và rotor đã quy đổi về stato (A)

 Xµ, X1, X’ 2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đãquy đổi về stato (Ω) )

 Rµ, R1, R’ 2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch roto đã quyđổi về stato (Ω) )

Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệgiữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng:

3U M

Hình 1-4: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha

Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K Tại điểm đó

dM

0

ds  (1-8)Giải phương trình ta có:

2 1

3U M

1.2 Vài nét về động cơ không đồng bộ ba pha rôt lòng sóc.

Ta đi tổng quan về động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hai dâyquấn trong đó chỉ có dây quấn stato (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lưới với tần số fs,dây quấn rôto (dây quấn thứ cấp) được nối ngắn mạch (hoặc được khép kín qua điệntrở) Dòng điện trong dây quấn rôto được lấy cảm ứng từ phía dây quấn stato, có tần số

fr và là hàm của tốc độ góc rôto r So với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ

có ưu điểm về mặt cấu tạo và giá thành, làm việc tin cậy và chắc chắn Khuyết điểm

chính cuả động cơ KĐB là đặc tính mở máy xấu và khống chế các quá trình quá độkhó khăn hơn so với động cơ một chiều Trong thời gian gần đây, với sự hỗ trợ củamột số nghành khoa học khác như: Điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý đã làm tăngkhả năng sử dụng đối với động cơ không đồng bộ ngay cả trong những trường hợp cóyêu cầu điều chỉnh tự động

Tốc độ trong dải rộng với độ chính xác cao mà trong các hệ truyền động trướcđây vẫn thường phải sử dụng động cơ một chiều

Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lýcảm ứng điện từ, có tốc độ của roto khác với tốc độ từ trường quay trong máy

Động cơ không đồng bộ 3 pha được dùng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vìchế tạo đơn giản, giá rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao, và gần nhưkhông bảo trì dải công suất rất rộng

Hình 1-5: Cấu tạo của động cơ KDB 3 pha lòng sóc

1.3 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ.

Từ phương trình momen của động cơ :

M=

3 U

12

R '2S

Do momen động cơ không đồng bộ tỷ lệ bình phương điện áp stato,do đó có thểđiều chỉnh được momen và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp statotrong khi giử nguyên tần số.đây là phương pháp đơn giản nhất.chỉ sử dụng một bộ biếnđổi điện năng (biến áp,triristor)để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn stator.phương

pháp này kinh tế nhưng đặc tính cơ thu được không tốt,thích hợp với phụ tải máybơm,quạt gió.

Sử dụng trong cơ cấu dịch chuyển cầu trục, quạt gió,bơm nước;bằng việc điềukhiển tiếp điểm hoặc trisistor làm ngắn mạch/hở mạch điện trở phụ ,của roto ta điềukhiển được tốc độ động cơ,phương pháp này có ưu điểm mạch điện an toàn,giá thànhrẻ.nhược điểm:đặc tính điều chỉnh không tốt,hiệu suất thấp,vùng điều chỉnh khôngrộng

Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làmmềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt Δ ps= δpđt được tiêu tán trên điện trở mạch roto.ở các hệ thống truyền động điện công suấtlớn,tổn hao này là đáng kể.vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động điện,vừatận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ công suất trượt (sơ đồ nốitầng / nối cấp)

P1 = Pcơ + Ps = P1(1 –s) +sP1 = const (1-11)Nếu lấy Ps trả lại lưới thì tiết kiệm được năng lượng

• Khi điều chỉnh với ω < ω1 :được gọi là điều chỉnh nối cấp dưới

đồng bộ (lấy năng lượng Ps ra phát lên lưới)

• Khi điều chỉnh với ω > ω1 (s<0):điều chỉnh công suất trượt trên

đồng bộ (nhận năng lượng ps vào ) hay còn gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ hainguồn cung cấp

• Nếu tái sử dụng năng lượng Ps để tạo Pcơ : được gọi là truyền động nốicấp cơ.phương pháp này không có nghỉa nhiều vì khi ω giảm còn 1/3 ω1 thì Ps =2/3.P1 tức là công suất động cơ 1 chiều dùng để Ps phần gần đúng bằng động cơ chínhxoay chiều.nếu không nên điều chỉnh ω xuống.trong thực tế ta không dùng phương

pháp này

Khi điều chỉnh tần số động cơ đồng bộ thường phải điều chỉnh cả điện áp,d òngđiện,hoặc từ thông trong mạch stator do trở kháng,từ thông,dòng điện của động cơ bịthay đổi

Ở hệ thống điều khiển điện áp/tần số, sức điện động stator động cơ được điềuchỉnh tỉ lệ với tần số đảm bảo duy trì từ thông khe hở không

đổi Động cơ có khả năng sinh momen như nhau ở mọi tần số định mức Có thểđiều chỉnh tốc độ ở 2 vùng:

- Vùng dưới tốc độ cơ bản: Giữ từ thông không đổi qua điều khiển tỷ số sứcđiện động khe hở/tần số là hằng số

- Vùng trên tốc độ cơ bản: Giữ công suất động cơ không đổi, điện áp được duytrì không đổi, Từ thông động cơ giảm theo tốc độ

Để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá tải dòngthì cần phải điều chỉnh cả điện áp Đối với biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giửcho khả năng quá tải về momen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ Luậtđiều chỉnh là Us = fs(1+x/2) với x phụ thuộc tải.khi x = 0 (Mc = const,ví dụ cơ cấu nâng

hạ )thì luật điều chỉnh us/fs không đổi

cơ phải cài đặt một sensor do từ thông không thích hợp cho sản xuất đại trà và cơ cấu

đó gắn liền trong đó bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và nhiểu

Nếu điều chỉnh cả biên độ và pha của dòng điện thì có thể điều chỉnh được từthông roto mà không cần cảm biến tốc độ

Phương pháp điều chỉnh này sử dụng biến tần nguồn dòng Biến tần nguồndòng có ưu điểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản mà vẫn thựchiện hãm tái sinh động cơ Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là nguồndòng điện, tức là dòng điện không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào tín hiệuđiều khiển Để tạo nguồn điện một chiều thường dùng chỉnh lưu điều khiển hoặc bămxung áp một chiều có bộ điều chỉnh dòng điện có cấu trúc tỷ lệ - tích phân (PI), mạchlọc là điện kháng tuyến tính có trị số điện cảm đủ lớn

Việc điều chỉnh từ thông trong hệ thống biến tần nguồn dòng được thực hiệntương tự như hệ thống biến tần nguồn áp

Tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp ở hệ thống biến tần nguồn dòng cũng

có thể thực hiện điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh vị trí vectơ dòng điện không

gian Điều khác biệt là trong hệ thống biến tần nguồn dòng thì dòng điện là liên tục vàviệc chuyển mạch của các van phụ thuộc lẫn nhau.

Ra đời năm 1997, thực hiện được đáp ứng nhanh Vì r có quán tính cơ nênkhông biến đổi nhanh được, do đó ta chú trọng thay đổi s không thay đổi r Phươngpháp này không điều khiển theo quá trình mà theo điểm làm việc Nó khắc phục nhượcđiểm của điều khiển định hướng trường vectơ rôto r cấu trúc phức tạp, đắt tiền, độ tincậy thấp (hiện nay đã có vi mạch tích hợp cao, độ chính xác cao), việc đo dòng điệnqua cảm biến gây chậm trễ, đáp ứng momen của hệ điều khiển vectơ chậm (cỡ 10 ms)

và ảnh hưởng của bão hoà mạch từ tới Rs lớn

Kết luận: Trong hệ thống truyền động điều khiển tần số,phương pháp điều

khiển theo từ thông roto có thể cho ta đặc tính tỉnh và động của động cơ tốt

1.4 Tổng quan về FOC

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

từ thông sinh ra trong hệ thống kích từ động cơ Từ thông phải được giữ ở mức tối ưunhằm đảm bảo sinh ra moment tối đa và giảm tối thiểu mức độ bão hòa của mạch từ.Với từ thông có giá trị không đổi, moment sẽ tỷ lệ với dòng phần ứng

Động cơ điện tương tự như 1 nguồn moment điều khiển được Yêu cầu điềukhiển chính xác giá trị moment tức thời của động cơ đặt ra trong các hệ truyền động cóđặc tính truyền động cao và sử dụng phương pháp điều khiển vị trí trục roto

Việc điều khiển động cơ theo nguyên lý định hướng từ trường có nhiều phươngpháp khác nhau như: định hướng từ thông roto, định hướng từ thông stator, định

hướng từ thông khe hở không khí Trong đó việc điều khiển từ thông roto (FOC)

đơn giản và được sử dụng rộng rãi

Nguyên lý điều khiển định hướng theo vecto từ thông dựa trên phương phápphân tách phi tuyến được sử dụng trong điều khiển các hệ thống phi tuyến Bản chấtcủa phương pháp này là điều khiển các biến đã chọn sao cho chúng luôn bằng 0 Nhưvậy mô hình toán học sẽ trở nên đơn giản hơn vì có thể loại bỏ 1 số nhánh trong môhình tổng quát

Điều khiển hướng trường dựa trên việc phân tách dòng động cơ đầu vào tức thờithành hai thành phân; từ thông và mô-men, tương ứng với các thành phần dòng điện

Bộ điều khiến động cơ FOC về cơ bàn là các hệ thống được điều khiển, Theo cáchnày, nguời ta hy vọng rằng động cơ sẽ tạo ra mô-men có thể điều khiến tương tự nhưđộng cơ điện một chiều ích từ độc lập Trong các động cơ KTĐL, mô-men được tạo ra

là một hàm của quan hệ giữa từ thông từ trưởng và thành phần dòng điện phần ứng,(như được đưa ra bởi Công thức 1-12, trong đó K, là một hằng số phụ thuộc vào kíchhước động cơ) và cách các cuộn dây phần ứng được kết nối

Td = Kt λ Ia (1-12)Đối với động cơ cảm ứng, một phương trình mô-men tương thể được đưa rabằng cách sử dụng phép biến đổi hệ trục tọa độ quay Các vectơ không gian động cơcảm ứng trong hệ tọa độ stato là đang quay, do vậy các thành phần d và q của chúng làtín hiệu AC Một phép biến đổi dq-đến-DQ cho phép chuyển đối các tín hiệu AC đóthành các đại lượng DC Khi đó phương trình momen đông cơ cảm ứng được viết:

T d=(2 p3 .

L m

JL lr) (i QS λ DR−i DS λ QR) Nm (1-13)Trong đó iQs và iDs là các thành phần DQ của dòng diện stato, trong khi λDR và

λQR là các thành phần DQ của quan hě từ thông rotor

1.4.1 Cấu trúc sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ KDB xoay chiều 3 pha điều khiển theo phương phá FOC.

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ xoay chiều Trong đó;

- R: Bộ PI điều khiển từ thông

- Rn: Bộ PI điều khiển tốc độ

- Ri: Bộ PI điều khiển dòng điện

- Bộ chuyển đổi tọa độ từ abc thành αβ

- Bộ chuyển đổi tọa độ từ αβ thành dq

- Bộ chuyển dổi tọa độ từ dq thành αβ

- RFE: Bộ ước lượng từ thông rotor

- SVM: Bộ phát xung điều khiển

- VSI: Bộ biến đổi điện tử công suất (nghịch lưu sử dụng IGBT hoặc MOSFET)

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG

2.1 Mô hình động cơ

Đối với các hệ truyền động điện đã được số hoá hoàn toàn, để điều khiển biếntần người ta sử dụng phương pháp điều chế vectơ không gian Khâu điều khiển biếntần là khâu nghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển/ điều chỉnh bằng số với khâuchấp hành Như vậy cần mô tả động cơ thành các phương trình toán học

Quy ước: A,B,C chỉ thứ tự pha các cuộn dây rotor và a,b,c chỉ thứ tự pha cáccuộn dây stator

Giả thiết:

- Cuộn dây stato, roto đối xứng 3 pha, rôto vượt góc 

- Tham số không đổi

- Mạch từ chưa bão hoà

- Khe hở không khí  đồng đều

- Nguồn ba pha cấp hình sin và đối xứng (lệch nhau góc 2/3)

Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn dây k như sau:

Trong đó: k là thứ tự cuộn dây A,B,C rotor và a,b,c stator

k là từ thông cuộn dây thứ k k=Lkjij Nếu i=k: tự cảm, jk: hỗcảm

Ví dụ:a =L a ai a+L abi b+L aci c+L aAi A+L aBi B+L aCi C

Vì ba pha đối xứng nên:

Các hệ phương trình trên là các hệ phương trình vi phân phi tuyến có hệ số biếnthiên theo thời gian vì góc quay  phụ thuộc thời gian:

 = 0+(t)dt (2-2)Kết luận: nếu mô tả toán học như trên thì rât phức tạp nên cần phải đơn giản bớt

đi Tới năm 1959 Kôvacs (Liên Xô) đề xuất phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ

và Park (Mỹ) đưa ra phép biến đổi d, q

2.1.1 Các phép biến đổi tuyến tính không gian vector

Trong máy điện ba pha thường dùng cách chuyển các giá trị tức thời của điện ápthành các véc tơ không gian Lấy một mặt phẳng cắt môtơ theo hướng vuông góc vớitrục và biểu diễn từ không gian thành mặt phẳng Chọn trục thực của mặt phẳng phứctrùng với trục pha a

Hình 2.1 Tương quan giữa hệ toạ độ  và toạ độ ba pha a,b,c

Ba véc tơ dòng điện stator ia, ib, ic tổng hợp lại và đại diện bởi một véc tơ quaytròn is Véc tơ không gian của dòng điện stator:

)(

2(3

1}Re{

Ia x

y

k k

)(

3

3}Im{

is  i s  i b  i c

(2-6)

Hình 2.2: Cuộn dây 3 pha nhìn trên 

Theo cách thức trên có thể chuyển vị từ 6 phương trình (3 rôto, 3 stato) thành

nghiên cứu 4 phương trình

Phép biến đổi từ 3 pha (a,b,c) thành 2 pha (, ) được gọi là phép biến đổi

thuận Còn phép biến đổi từ 2 pha thành 3 pha được gọi là phép biến đổi ngược

Đơn giản hơn, khi chiếu is lên một hệ trục xy

bất kỳ quay với tốc độ k:

k =0 + kt

+ Nếu k=0, 0=0 :đó là phép biến đổi với hệ

trục ,  (biến đổi tĩnh)

+Nếu k=1, 0 tự chọn bất kỳ (để đơn giản

một phương trình cho x trùng r để ry=0): phép

biến đổi d,q

+Nếu k= 1 -  =r : hệ toạ độ cố định ,

đối với rôto (ít dùng)

Hình 2.3: Chuyển sang hệ toạ độ quay bất kỳ

Các phương trình chuyển đổi hệ toạ độ:

a,b,c  :

)(3

1

b a s

a

s

i i i

isd = iscos + issin

isq = iscos - issin

is

is

is q

is d pha B

pha A

hướng trục rôto r

is

is = isdcos - isqsin

is = isdsin + isqcos

2.1.2 Hệ phương trình cơ bản cảu động cơ trong khồn gian vector.

Để dễ theo dõi ta ký hiệu :

Chỉ số trên s: xét trong hệ toạ độ stato (toạ độ ,)

f: trong toạ độ trường (field) từ thông rôto (toạ độ dq)

r: toạ độ gắn với trục rôto

Chỉ số dưới s: đại lượng mạch stato

r: đại lượng mạch rôto

Phương trình mômen :

).(

.2

3).(

.2

3

r r s

r

(2-7)Phương trình chuyển động :

dt

d p

J m

(2-8)Phương trình điện áp cho ba cuộn dây stato :

dt

t d

t i R t u

dt

t d

t i R t u

dt

t d

t i R t u

sc sc

s sc

sb sb

s sb

sa sa

s sa

) ( )

( ) (

) ( )

( ) (

) ( )

( ) (

us(t)= 2/3.[usa(t) + usb(t).ej120 + usc(t).ej240] (2.10)

Sử dụng khái niệm vectơ tổng ta nhận được phương trình vectơ:

dt d i R u

s s s

s s

s s





(2-11)Trong đó uss, iss, ss là các vectơ điện áp, dòng điện, từ thông stato

Khi quan sát ở hệ toạ độ ,:

Đối với mạch rôto ta cũng có được phương trình như trên, chỉ khác là do cấu tạocác lồng sóc là ngắn mạch nên ur=0 (quan sát trên toạ độ gắn với trục rôto)

Từ thông stato và rôto được tính như sau:

dt d i R

r r r

r r

Lr : điện cảm rôto Lr = Lr+ Lm (Lór : điện cảm tiêu tán phía rôto)

Ls : hỗ cảm giữa rôto và stato

(Phương trình từ thông không cần đến chỉ số hệ toạ độ vì các cuộn dây stato vàrôto có cấu tạo đối xứng nên điện cảm không đổi trong mọi hệ toạ độ)

a) Phương trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định 

Phương trình điện áp stato giữ nguyên, còn phương trình điện áp rôto có thayđổi do rôto quay với tốc độ  so với stato nên có thể nói hệ toạ độ  quay tương đốivới rôto tốc độ -

r

s r m

s s

s r

m

s r s

s s

s s

s r

s r s

r r

s s s

s s

s s

L i L

i

L i L

i

j dt

d i

R

dt d i

R u

)(

)(

1

m

s s

s r r

m s

s s

s s

m

s s

s r r

s r

L i L

L L i

L i L

và 2 trong hệ (2-15) :

d j

T T

L i

dt

d L

L dt

i d L i R u

s r r

s r r

m s s

s r r m

s s s

s s s

s s





(2-17)Biến đổi (2-17) sang dạng từng phần tử của vectơ :

r

m r

r r

r

s r

m r

s s

r m r

r m

s r s

s

s s

r m

r m r

s r s

s

T

i T

L dt d

T

i T

L dt d

u L L

T L

i T T

dt di

u L L

L T

i T T

dt di

11

11

1)11(

11

1)

11(

)i(L

L.p.)L)Li(.(

p.)

i.(

p

r

m r

m

s s

s r

s r

s r

s r

2

312

32

3

(2-19)Thay các vectơ trong (2-18) bằng các phần tử tương ứng ta được :

)ii

(L

L.p

r

m

M      2

3

(2-20)

Từ hệ phương trình (2-18) và phương trình (2-20) ta có công thức mô tả động

cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ , trong đó thay T theo công thức: T T s T r

r r s m r r

s s

r r m

r m s

s s

r m

r m r s

T i L p

T

T i L p

T

u L T

L L

i T p

u L L

L T

i T p

)1(

11

1)

1(

11

1)

1(

(2-21)

Từ (2-21) ta lập được mô hình điện cơ của động cơ không đồng bộ trên hệ toạ

độ  như sau:

Hình 2.5: Mô hình động cơ trên hệ toạ độ cố định 

Đầu vào của mô hình là đại lượng điện áp Do vậy mô hình chỉ đúng với biếntần nguồn áp Còn khi sử dụng biến tần nguồn dòng (cho công suất truyền động rấtlớn) thì phải biến đổi mô hình thành đầu vào là dòng stato is, is

Hệ phương trình (2-18) khi viết lại dưới dạng ma trận:

s s s s s

s

u B x A dt

dx





(2-22)Trong đó:

xs: ma trận trạng thái, xsT =[is, is, r, r]

us: ma trận đầu vào, us T =[us, us]

s sA A

A A

22 21

12 11

, với các phần tử như sau:

.J T

1 T

1

T 1 A

T L T

L 0

0 T L A

T

1 L 1 T

1 -

T 1 L 1 L

T

1 L

1 -

-L

1 L

-T 1 A

T

1 0

0 T

1 T

1 0

0 T 1 A

r r

r s

22

r m

r m r m s

21

r m r

r m m

r m

m m

r s

J I I

.

) ( σs σs

σs

σs ω

σs σs

ω σs

σs σs

σs

1

1

σs σs

σs σs

0

0

; .I

0

0

khi trong ; B

B

B

s 2

s 1 s

1

1

2 1

s s s

s

L L

L B

s

u B x A dt

dx





tacó

drsdt

Iss(t)

dIssdt

rs(t)

Bs

As

xs(t) Uss(t)

dxs(t)dt

U s (t)

b, Phương trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq:

Tương tự như trên, khi chiếu trên hệ toạ độ này thì các phương trình từ thôngvẫn không đổi, chỉ có các phương trình điện áp thay đổi như sau:

- Toạ độ từ thông rôto quay tốc độ s so với stato

- Hệ toạ độ chuyển động vượt trước so với rôto một tốc độ góc r = s -

Từ đó ta thu được hệ phương trình :

r

f r m

f s

f r

m

f r s

f s

f r

f r r

f r f

r r

f r s

f r f

s s

f s

L i L i

L i L i

j dt

d i R

j dt

d i R u

)(

)(

f r r

m s

f s

f s

m

f s

f r r

f r

L i L

L L i

L i L

rq r rd r sq r

m rq

rq r rd r

sd r

m rd

sq s

rq r m

rd m

sq r s

sd s sq

sd s

rq m

rd r m sq

s sd r s

sd

T

i T

L dt

d

T

i T

L dt

d

u L T

L L

i T T

i dt

di

u L L

T L i

i T T

11

1)11(

11

1)

11(

sq r m r

sd m rd r

sq s

rd m sd

s sq

sd s

rq m

rd r m sq

s sd

i T L

i L p

T

u L L

i i

p T

u L L

T L i

i p T

(

11

)

1(

11

1)

1(

(2-26)Thay T theo công thức: T T s T r

)(

2

s

f r r

m c

L

L p

(2-28)Thay đại lượng vectơ bằng các phần tử của nó : isf = isd+jisq và sf = sd+jrq tacó:

sq rd r

m c

L

L p

Sau này, khi đi sâu vào bài toán điều khiển ta sẽ sử dụng mô hình quay dq.

Mô hình động cơ biểu diễn dưới dạng ma trận: hệ phương trình (2-16) sau khitách r = s -  có thể viết lại dưới dạng mô hình trạng thái phi tuyến như sau:

s f f

s f f f

f

x N u

B x

A dt

x d

m

r r

m

r m m

m r

m

f

T T

L

T T

L

T L L

T

L T

L T

A

10

10

11

10

11

01

00

10

01

s

s f

L

L B

1000

0001

0010

N

Hình minh hoạ cho mô hình (2-19) cho thấy đầu vào stato động cơ gồm thànhphần vectơ điện áp us và tần số nguồn s Như vậy so với mô hình trên hệ toạ độ tĩnhthì mô hình trên hệ toạ độ quay cần thêm tốc độ quay của hệ tọa độ đó Điều đó có thểhiểu được vì vectơ us trên dq chỉ gồm hai thành phần một chiều usd, usq , còn trên toạ độtĩnh thì tần số s đã chứa trong hai thành phần xoay chiều us us

Hình 2.9: Mô hình ĐCKĐB trên toạ độ dq theo dạng vectơ 2.1.3 Cấu trúc hệ thống đêìu khiển vector động cơ không đồng bộ

Trước đây ta đã đề cập đến vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ theo côngthức (2-18) : m M K mrd i sq để có thể điều khiển được chính xác tương tự như động

cơ một chiều (điều khiển độc lập thành phần kích từ r và thành phần dòng phần ứngis).

Như vậy hệ điều khiển cũng tương tự như hệ điều khiển động cơ một chiều

Hình 2.10: Mô hình điều khển động cơ một chiều.

Ta sẽ xây dựng một hệ điều khiển tương tự cho động cơ không đồng bộ nhưngtrên toạ độ dq Như vậy động cơ cũng phải biểu diễn trên dq (mục 2-3-2), lượng đặt là

 và isd :

Hình 2.11: Tư tưởng điều khiển ĐCKĐB.

Nhưng trong hệ thống thực, nguồn cung cấp cho động cơ là ba pha abc và cácđại lượng dòng phản hồi đo về được cũng là trên toạ độ abc, vậy giữa hai hệ toạ độ đóphải có các bộ chuyển đổi toạ độ, cụ thể là từ bộ điều chỉnh lượng đặt để thành tín hiệuđưa vào biến tần nuôi động cơ phải có một bộ chuyển đổi dq/abc từ các đại lượngdòng đo được đem phản hồi có một bộ chuyển đổi ngược từ abc/dq

Vấn đề nảy sinh là khi chuyển đổi giữa hai toạ độ cần phải có góc lệch giữachúng (s) Từ đây có hai giải pháp:

Lấy s bằng cách tích phân tốc độ quay s của dòng, áp stato hoặc của từ thôngrôto

Vì hệ toạ độ quay dq có trục thực gắn với r nên góc s có thể xác định bằngcách tính góc của r trên hệ toạ độ 

Từ phân tích trên ta có hệ thống điều khiển như hình vẽ:

*

Nhánh kích từ Nhánh mômen

a,b,c d,q

Nghịch lưu độc lập PWM