Tải bản đầy đủ

điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC) động cơ không đồng bộ ba pha và điều khiển RFOC động cơ không đồng bộ ba pha

Chương 1 – Tổng quan về đề tài

Chƣơng 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Điều khiển tốc độ và moment động cơ KĐB là một vấn đề được quan tâm từ
rất lâu, có rất nhiều phương pháp đề ra nhằm mục đích giải quyết vấn đề này như
điều khiển giữ (U/f) không đổi, điều khiển điện áp,… các phương pháp này thu lại
những kết quả không cao. Ngày nay với sự phát triển rất mạnh mẽ về công nghệ chế
tạo bán dẫn, những tiến bộ về vi điều khiển đã tạo điều kiện cho các ứng dụng
phương pháp điều khiển RFOC, DTC …
Điều khiển tốc độ động cơ AC được ứng dụng từ những năm 1990 và ngày
càng chiếm vị trí nhiều hơn điều khiển tốc độ động cơ DC.
Ngày nay cùng với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất và các bộ
vi xử lý thì việc điều khiển động cơ không đồng bộ trở nên dễ dàng hơn. Vì vậy các
hệ truyền động hiện nay chủ yếu vẫn sử dụng động cơ không đồng bộ làm cơ cấu
chấp hành.
Tùy theo các ứng dụng cụ thể, việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể
được chia thành hai cấp:
1.1.1. Điều khiển cấp thấp

Không cần độ chính xác cao, gồm một số phương pháp như thay đổi cách
đấu bộ dây quấn động cơ (để thay đổi số cực từ) hoặc thêm bớt một vài phần tử nào
đó (như điện trở, điện kháng) vào mạch rotor để thay đổi đường đặc tính cơ của
động cơ hoặc thay đổi nguồn cung cấp (thay đổi áp) ở mức độ đơn giản.
1.1.2. Điều khiển cấp cao
Đáp ứng các truyền động cần độ chính xác cao. Trong việc điều khiển động cơ
cần độ chính xác cao, ta có ba cách tiếp cận:
1.1.2.1 Điều khiển động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp
Người thiết kế, chế tạo sử dụng các phương pháp điều khiển từ cổ điển
(phương pháp điều khiển vô hướng V/f = const) đến hiện đại (phương pháp điều

1


Chương 1 – Tổng quan về đề tài

khiển vector không gian - space vector control) để thay đổi tần số nguồn cấp nhằm
đạt mục đích điều khiển mong muốn.
Kỹ thuật điều khiển vector không gian được sử dụng để điều khiển động cơ,
có hai phương pháp chính:
+ Điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control) bao gồm: phương
pháp điều khiển vector trực tiếp (Direct Vector Control) và phương pháp điều khiển
vector gián tiếp (Indirect Vector Control).
+ Điều khiển trực tiếp moment động cơ: DSC (Direct Self Control) và DTC
(Direct Torque Control).
Các phương pháp điều khiển động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp
được tóm tắt trong Hình 1.1.

Hình 1.1 Các phương pháp điều khiển động cơ không động bộ ba pha
Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) được tìm hiểu sâu trong
luận văn này vì đây là phương pháp điều khiển rất phổ biến hiện nay.

2


Chương 1 – Tổng quan về đề tài

1.1.2.2 Điều khiển động cơ bằng cách tác động n

h nh toán h c.



Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết điều khiển tự động,
kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ cũng thay đổi nhanh chóng. Trong lý
thuyết điều khiển hiện đại, động cơ không đồng bộ ba pha được xem là một đối
tượng phi tuyến (vì mô hình toán học của động cơ không đồng bộ được mô tả bằng
các phương trình vi phân bậc cao). Để điều khiển động cơ một cách chính xác, ta
phải áp dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến như: điều khiển hồi tiếp tuyến
tính hóa (Feedback Linearization Control - FLC), điều khiển trượt (sliding mode
control - SMC), điều khiển thụ động (passive control), điều khiển thích nghi
(adaptive control)…để tác động lên mô hình toán học của động cơ.
Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor được sử dụng để tiếp cận mô
hình toán học của động cơ. Mục đích chính của phương pháp này là tiến hành điều
khiển độc lập từ thông và moment động cơ.
1.1.2.3 Điều khiển động cơ bằng các phƣơng pháp điều khiển th ng

inh

Đây là cách tiếp cận dựa trên các phương pháp của trí tuệ nhân tạo (artificial
intelligence) như mạng nơron (neural netwotk) hoặc logic mờ (fuzzy logic) để thực
hiện một hoặc vài khâu nào đó trong quá trình điều khiển động cơ (được gọi là điều
khiển thông minh). Cách tiếp cận này không sử dụng mô hình toán học của động cơ
vì người thiết kế sẽ sử dụng kiến thức và kinh nghiệm có sẵn (của chuyên gia) để
huấn luyện các khâu điều khiển.
u điểm của phương pháp này là không sử dụng mô hình toán học của động
cơ mà ch cần tri thức và kinh nghiệm của chuyên gia để huấn luyện luật điều khiển,
không cần biết cấu trúc bên trong của khâu điều khiển, ch cần biết tín hiệu vào - ra
(I/O) nên phương pháp này phù hợp với các khâu điều khiển phức tạp, không thể
phân tích cấu trúc điều khiển (qui tắc “hộp đen”).
1.1.3. Vai trò của động cơ kh ng đồng bộ
Động cơ không đồng bộ được ứng dụng trong các hệ truyền động trong băng
chuyền, băng tải, máy nạp liệu, máy nghiền, máy khử từ, các ứng dụng dân dụng
như máy giặt, tủ lạnh, máy điều hòa, quạt điện,…

3


Chương 1 – Tổng quan về đề tài

Những ưu điểm được biết đến của động cơ không đồng bộ 3 pha như:
 Cấu tạo đơn giản
 Làm việc tin cậy
 Khởi động đơn giản
 Chi phí cho bảo trì bảo dưỡng thấp nhất so với các loại động cơ khác
 Giá thành thấp.
1.2. MỤC TI U ĐỀ TÀI
Nghiên cứu phương pháp điều khiển định hướng trường, là phương pháp
điều khiển tốt đã được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ điện.
Đề xuất mô hình ước lượng tốc độ trong hệ thống điều khiển định hướng từ
thông rotor (RFOC) động cơ không đồng bộ ba pha.
1.3 PHẠM VI NGHI N CỨU
Đề tài này tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển định hướng từ
thông rotor (RFOC) động cơ không đồng bộ ba pha và điều khiển RFOC động cơ
không đồng bộ ba pha sử dụng mô hình ước lượng tốc độ.
Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ ba pha, các khâu điều khiển
RFOC, khâu điều ch nh PID và mô hình ước lượng tốc độ.
Mô phỏng, phân tích kết quả bằng phần mềm Matlab Simulink.
Kết luận và đánh giá
1.4 TRÌNH TỰ CÁC BƢỚC THỰC HIỆN
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương 2: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha
Chương 3: Các phương pháp điều khiển động cơ động cơ KĐB ba pha.
Chương 4: Hệ truyền động điều khiển độ động cơ KĐB ba pha bằng định
hướng trường FOC.
Chương 5:

ớc lượng tốc độ động cơ trong RFOC.

Chương 6: Kết quả mô phỏng.
Chương 7: Kết luận.

4


Chương 1 – Tổng quan về đề tài

1.5 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài có thể được ứng dụng thực tiễn trong điều khiển công nghiệp đối với
động cơ không đồng bộ ba pha.
Đề tài có thể dùng như một tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu về
điều khiển kỹ thuật định hướng từ thông rotor (RFOC) không dùng cảm biến tốc độ
cho học viên cao học và sinh viên trong quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp
với những đề tài có liên quan cũng như cách thức thiết kế và mô hình hóa các bộ
điều khiển trong Simulink và Control System Toolbox của Matlab.

5


Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Chƣơng 2

MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
2.1. ĐẠI CƢƠNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
2.1.1. Cấu tạo
Động cơ không đồng bộ ba pha có cấu tạo gồm hai phần: phần tĩnh (stator) và
phần quay (rotor).
2.1.1.1. Stator Gồm các bộ phận: lõi thép, dây quấn và vỏ máy.
- Lõi thép stator có dạng hình vành khuyên xem Hình 2.1a, được ghép bằng
các lá thép kỹ thuật điện có hình dạng như Hình 2.1b. Mặt trong của lõi thép có các
rãnh để đặt dây quấn xem Hình 2.1c.

a)

b)

c)

Hình 2.1 (a) lõi thép stator; (b) lá thép; (c) rãnh chứa dây quấn
Rãnh có các dạng: rãnh kín, là rãnh không có miệng; rãnh hở, là rãnh có
miệng và đáy bằng nhau; rãnh nửa hở, là rãnh có miệng bằng ½ đáy; rãnh nửa kín,
là rãnh có miệng nhỏ hơn đáy. Có 2 dạng rãnh nửa kín phổ biến là rãnh hình thang
và rãnh quả lê xem Hình 2.2.

6


Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Rãnh hở

Rãnh kín

Rãnh nửa hở

Rãnh quả lê

Rãnh hình thang

Hình 2.2 Rãnh ở mặt trong stator
- Dây quấn stator thường là dây đồng có tiết diện tròn hoặc chữ nhật và được
bọc cách điện. Dây quấn được đặt trong các rãnh của lõi thép stator. Dây quấn stator
của động cơ không đồng bộ ba pha gồm ba cuộn dây giống nhau, có vị trí lệch nhau
góc không gian 120o điện như Hình 2.3.

Pha U

Pha V

Pha W
b)

a)

Hình 2.3. (a) sơ đồ bố trí ba cuộn dây stator, (b) dây quấn ba pha đặt trong rãnh
- Vỏ máy có chức năng bảo vệ máy và làm giá lắp các bộ phận khác của máy.
Vỏ máy có thể làm bẳng thép đúc, hoặc nhôm xem Hình 2.4. Vỏ gồm thân và hai
nắp. Thân vỏ để chứa lõi thép. Mặt ngoài thân có các gờ tản nhiệt, có các lỗ để lắp
vòng treo, bảng đấu dây và đế máy. Hai nắp của thân dùng để che phần đầu nối của
dây quấn và là giá chứa hai ổ trục của rotor.

7


Chương 2 – Mơ hình động cơ khơng đồng bộ ba pha

a)

b)
Hình 2.4 (a) vỏ máy; (b) các phụ kiện

2.1.1.2. Rotor Gồm có các bộ phận: lõi thép, trục và dây quấn.
- Lõi thép rotor được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện có dạng như Hình
2.5. Mặt ngồi có các rãnh để đặt dây quấn rotor; ở giữa có lỗ để lắp trục rotor.
Rãnh
đặt dây
quấn
Lỗ
lắp
trục

Hình 2.5 Lõi thép rotor
- Trục rotor làm bằng thép, trục thường được cố định với lõi thép theo kiểu
then hoa.
- Dây quấn của động cơ khơng đồng bộ có 2 kiểu: kiểu rotor lồng sóc và kiểu
rotor quấn dây.
- Rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch): trong mỗi rãnh của lõi thép rotor đặt một
thanh dẫn bằng đồng hoặc nhơm, đầu các thanh dẫn nối vào hai vành bằng đồng
hoặc nhơm gọi là hai vành ngắn mạch. Hệ thống các thanh dẫn và hai vành ngắn
mạch như Hình 2.6. Các thanh dẫn rotor lồng sóc thường được bố trí nghiêng một

8


Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

bước rãnh nhằm giảm ảnh hưởng của moment phụ (hiện diện ở tốc độ dưới tốc độ
đồng bộ) cũng như giảm thiểu tiếng ồn và làm rung động khi động cơ làm việc.

Hệ thống thanh dẫn – vành ngắn mạch

Rotor lồng sóc

Hình 2.6 Rotor lồng sóc
- Rotor quấn dây: trong các rãnh của lõi thép rotor đặt dây quấn ba pha giống
như dây quấn stator. Dây quấn này thường nối sao, ba đầu dây ra của dây quấn nối
với ba vành bằng đồng (gọi là vành trượt) gắn cố định trên trục rotor xem Hình
2.7a. Các vành trượt được cách điện với trục rotor. Tỳ trên ba vành trượt là ba chổi
than gắn cố định trên giá như Hình 2.7b. Ba chổi than nối với ba biến trở dùng để
mở máy và điều ch nh tốc độ động cơ xem Hình 2.7c.
v nh tr

t

b)

a)
a)

b)
Rotor

3 vành tr

t

c rotor
Ch i than
3 cu n dây rotor
Bi n tr

c)

Hình 2.7 (a) rotor dây quấn; (b) hệ thống vành trượt, chổi than của động cơ;
(c) điều khiển động cơ rotor dây quấn bằng biến trở

9


Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

2.1.1.3. Khe hở kh ng khí
Là khoảng hở giữa rotor và stator.

động cơ không đồng bộ, khe hở này rất

nhỏ (từ 0,2 đến 1 mm) trong máy công suất nhỏ và vừa. Mô hình hoàn ch nh của
động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc như Hình 2.8.

Hình 2.8 Mặt cắt dọc của động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc
So sánh động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc và rotor dây quấn:
– Động cơ rotor lồng sóc có cấu tạo bền chắc, nên rất phổ biến.
– Động cơ rotor quấn dây có ưu điểm về mở máy và điều ch nh tốc độ nhưng
cấu tạo phức tạp, dễ có sự cố, nên ch được dùng trong những ứng dụng mà
rotor lồng sóc không đáp ứng được.
2.1.2. Nguy n ý hoạt động của động cơ kh ng đồng bộ ba pha
Xét stator động cơ không đồng bộ ba pha đơn giản có 6 rãnh, trên stator được
bố trí ba cuộn dây AX, BY và CZ.
Khi nối dây quấn stator vào nguồn điện 3 pha tần số f, trong dây quấn stator sẽ
có hệ thống dòng điện 3 pha (isa, isb, isc), dây quấn stator sẽ sinh ra từ trường quay
(như hình 2.9) với tốc độ:
n1 =

60. f
(vòng/phút)
p

10


Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

i

iU

iV

iW

t
0

t= /2+2/3

t=/2

A

A

A
Y

Z

C

B
X

t= /2+4/3

Z Y

Y

C

B
X

Z

C

B
X

Hình 2.9 Từ trường quay stator và sự hình thành các cực từ
Từ trường quay quét qua dây quấn rotor cảm ứng trong dây quấn rotor sức
điện động cảm ứng e2. Do dây quấn rotor nối ngắn mạch, nên e2 tạo ra dòng điện i2
chảy trong các thanh dẫn rotor (chiều của i2 xác định theo qui tắc bàn tay phải như
hình 2.9). Dòng điện i2 cũng tạo ra từ trường quay với tốc độ n1 cùng chiều với từ
trường stator. Từ trường trong khe hở không khí của máy là tổng từ trường do dòng
điện stator và dòng điện rotor tạo ra và cũng là từ trường quay với tốc độ n 1. Từ
trường khe hở không khí sẽ tác dụng lên dòng điện i 2 lực F (chiều của F xác định
theo qui tắc bàn tay trái như hình 2.9). Do tác dụng của F, rotor sẽ quay cùng chiều
từ trường với tốc độ n nhỏ hơn tốc độ n1. Hiệu số giữa tốc độ từ trường và tốc độ
rotor gọi là tốc độ trượt (n2):
n2 = n1- n

(2.1)

Tỷ số:
s=

n2 n1  n

n1
n1

là hệ số trượt của động cơ.

11


Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

n1
I2

F
N2

F
stator

rotor

Hình 2.10 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha
2.2. VECTOR KHÔNG GIAN CỦA CÁC ĐẠI LƢỢNG BA PHA
Có nhiều loại mô hình động cơ không đồng bộ. Loại mô hình được sử dụng để
điều khiển vector có thể đạt được bằng cách vận dụng lý thuyết vector không gian.
Các thông số của động cơ ba pha (như điện áp, dòng điện, từ thông...) được biểu
diễn dưới dạng các vector không gian phức. Một mô hình động cơ đúng dành cho
bất kỳ sự biến thiên tức thời nào của dòng điện và điện áp đồng thời thỏa mãn việc
mô tả động cơ ở cả hai trạng thái tĩnh và quá độ. Vector không gian phức có thể
được mô tả bằng cách sử dụng hệ trục tọa độ trực giao. Động cơ ba pha có thể được
xem là máy điện hai pha. Việc sử dụng mô hình động cơ hai pha giúp giảm bớt số
lượng các biểu thức toán học và đơn giản hóa kỹ thuật điều khiển.
Động cơ không đồng bộ ba pha đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba
pha bố trí không gian tổng quát như hình 2.11.
Trong hình trên, ta không quan tâm đến động cơ đấu hình sao hay tam giác.
Ba dòng điện isa, isb, isc là ba dòng chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ. Khi động
cơ chạy bằng biến tần thì đó là ba dòng ở đầu ra của biến tần.

12


Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Động cơ không đồng bộ 3 pha có 3 cuộn dây bố trí trong không gian như sau:
isa
Pha a
stator
isb
Pha b

roto

isc
Pha c

Hình 2.11. Sơ đồ cuộn dây và dòng điện stator của động cơ không đồng bộ
Giả thuyết các điện áp 3 pha cấp cho động cơ cân bằng, ta có:

usa ( t )  usb ( t )  usc ( t )  0

(2.2)

Với:

u sa ( t ) | u s | cos(s t )

o
u sb ( t ) | u s | cos(s t  120 )
u ( t ) | u | cos( t  120 o )
s
s
 sc

(2.3)

Véctơ không gian của điện áp 3 pha trên được định nghĩa như sau:

2
us ( t )  [usa ( t )  usb ( t )e j120  usc ( t )e j240 ]  us e j
3
o

o

(2.4)



Theo phương trình (2.4) vector u s (t ) là mô-đun không đổi quay trên mặt
phẳng phức (cơ học) với tốc độ s = 2fs và tạo bởi trực thực (đi qua cuộn dây pha

a) một góc pha . Trong đó fs là tần số mạch stator. Việc xây dựng vector u s ( t )
được mô tả trong hình 2.12.

13


Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha



us

ωs

e

j1200

θ
0
c

2
u sc
3

2
u sa
3

b

0

a e j0

α

2
u sb
3

0

e j1240

Hình 2.12. Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha

usc

usβ

Cuộn dây
pha b


us
Cuộn dây
pha a α

usb
0

usa = usα

Cuộn dây
pha c


Hình 2.13. Vector không gian điện áp u s trong cả hai hệ trục tọa độ αβ và abc
Vector không gian điện áp stator là một vector có mô-đun xác định (|us|) quay
trên mặt phẳng phức với tốc độ góc ωs và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha

a) một góc ωst. Đặt tên cho trục thực là  và trục ảo là , vector điện áp stator u s có
thể được mô tả thông qua hai giá trị thực (us) và ảo (us) là hai thành phần của
vector. Hệ tọa độ này là hệ tọa độ stator cố định, gọi tắt là hệ tọa độ  xem hình
2.13.

14


Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Chiếu các thành phần của vector không gian điện áp stator (us, us) lên trục
pha a và b, ta xác định các thành phần vector điện áp theo phương pháp hình học:


u ss  2 1
 s  
u s  3 0


1
2
3
2



1  u 
sa
2  u 
3   sb 
 u 

2   sc 


(2.5)

Và ma trận chuyển đổi ngược từ hệ tọa độ tĩnh  sang hệ tọa độ abc:

u sa   1
0 
  
 u s 
u


1
/
2
3
/
2
 sb  
u 
u   1 / 2  3 / 2  s 
 sc 

(2.6)

Thành phần của is trên hệ trục tọa độ hệ tọa độ abc sang αβ:

i 
i s  2 1  1 / 2  1 / 2   sa 
i sb
  
3 / 2  3 / 2  
i s  3 0
i sc 

(2.7)

Công thức chuyển đổi ngược αβ sang hệ tọa độ abc:

i sa   1
0 
  
 i s 
i


1
/
2
3
/
2
 sb  
 i 
i   1 / 2  3 / 2  s 
 sc 

(2.8)

2.3 HỆ TRỤC TOẠ ĐỘ QUAY
Trong mặt phẳng của hệ tọa độ αβ, xét thêm một hệ tọa độ thứ 2 có trục hoành
d và trục tung q, hệ tọa độ thứ 2 này có chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc θs
so với hệ tọa độ stator (hệ tọa độ αβ). Trong đó, ωa = dθa/dt quay tròn quanh gốc tọa
độ chung, góc θa = ωat + ωa0. Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector trong
không gian tương ứng với hai hệ tọa độ này. Hình 2.14 mô tả mối liên hệ của hai
tọa độ này.

15


Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha



s


us

usβ

q

a

d

usd
a
usd
α
0

usα


Hình 2.14. Vector không gian điện áp u s trong cả hai hệ trục tọa độ αβ và dq
Chiếu các thành phần thực và ảo của vector không gian trong hệ tọa stator lên
2 trục tương ứng của hệ tọa quay dq ta được ma trận chuyển đổi:

u sd   cos s
u    sin 
s
 sq  

sin s  u s 
cos s  u s 

(2.9)

Và ma trận chuyển đổi ngược từ hệ tọa độ quay sang hệ tọa độ tĩnh:
u s  cos  s
u   
 s   sin  s

 sin  s  u sd 
 
cos  s  u sq 

(2.10)

Với:

us  us  ju s

(2.11)

Và: usdq  usd  ju sq

(2.12)

Thay phương trình (2.10) vào phương (2.11) được:

u s  ( u sd cos s  u sq sin s )  j( u sd sin s  u sq cos s )
 ( u sd  ju sq )(cos s  j sin s )  u sdqe j

(2.13)

s

Như vậy ta có mối liên hệ giữa tọa độ tĩnh và xoay.

i ss  i sf e jr  i sf  i ss e  jr

(2.14)

16


Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

2.4 MÔ HÌNH TRẠNG THÁI ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
2.4.1 Lý do xây dựng

h nh

Để xây dựng, thiết kế bộ điều khiển động cơ, ta cần phải có mô hình toán học
mô tả đối tượng điều khiển. Xuất phát điểm để xây dựng mô hình toán học cho
động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc là mô hình vật lí của động cơ trong hình
2.15.


usb
isb



rotor ira
isa
irb

irc

Trục
chuẩn

usa

usc
stator
isc

Hình 2.15 Mô hình của động cơ không đồng bộ ba pha
Các phương trình toán học của động cơ cần phải thể hiện các rõ đặc tính thời
gian của đối tượng. Việc xây dựng mô hình ở đây không nhằm mục đích mô phỏng
chính xác về mặt toán học của đối tượng động cơ mà ch nhằm mục đích phục vụ
cho việc xây dựng các thuật toán điều ch nh. Điều đó cho phép chấp nhận một số
điều kiện giả định trong quá trình thiết lập mô hình. Các điều kiện đó một mặt đơn
giản hóa mô hình có lợi cho việc thiết kế, mặc khác chúng gây nên sai lệch nhất
định. Các sai lệch này nằm trong phạm vi cho phép giữa đối tượng và mô hình.
Về phương diện mô hình động học (dynamic model), động cơ không đồng bộ
rotor lồng sóc được mô tả bởi hệ phương trình vi phân bậc cao. Vì cấu trúc của các
cuộn dây phức tạp về mặt không gian và các mạch từ móc vòng nên một số điều
kiện sau được chấp nhận khi mô hình hóa động cơ:
-

Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng trong không gian.

-

Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ của mạch từ.

17


Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

-

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

-

Các giá trị điện trở và điện cảm xem như là không đổi.
Trục chuẩn của mọi quan sát được quy ước là trục đi qua tâm cuộn dây pha a.

Ta sẽ sử dụng các mô hình trong không gian trạng thái để mô tả động cơ.
-

Qui ước các đại lượng của động cơ không đồng bộ ba pha:
s: Đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu stator (hệ tọa độ αβ).
f: Đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu từ thông rotor (hệ tọa độ dq).
r: Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor với trục thực là trục rotor.
Ψ: Từ thông (Wb).
Te: Moment điện từ (N.m).
TL: Moment tải (N.m).
ωr: Tốc độ góc của rotor so với stator (rad/s).
ωs: Tốc độ góc của từ thông rotor so với stator (ωs= ω+ ωsl) (rad/s).
ωsl: Tốc độ góc trượt của rotor so với stator (rad/s).
Rs: Điện trở cuộn dây stator (Ω).
Rr: Điện trở cuộn dây rotor (Ω).
Lm: Hỗ cảm giữa stator va rotor (H).
Lσs: Điện kháng tản của cuộn dây stator (H ).
Lσr: Điện kháng tản của cuộn dây rotor (H ).
p: Số đôi cực của động cơ.
J: Moment quán tính (kg.m2).
Ls: Điện cảm stator (H).
Lr: Điện cảm rotor (H).
Ts = Ls/Rs: Hằng số thời gian stator.
Tr = Lr/Rr: Hằng số thời gian rotor.
σ = 1 - Lm2/(LsLr): Hệ số tiêu tán tổng.

18


Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

2.4.2 Hệ phƣơng tr nh của động cơ kh ng đồng bộ ba pha
Hệ phương trình điện áp trên 3 cuộn dây stator:
u sa (t )  Rs isa (t ) 

d sa (t )
dt

(2.15)

u sb ( t )  R sisb ( t ) 

dsb ( t )
dt

(2.16)

u sc ( t )  R sisc ( t ) 

dsc ( t )
dt

(2.17)

Với: Rs: Điện trở cuộn dây pha stator.
 sa , sb , sc : từ thông stator của cuộn dây pha a, b, c

Biểu diễn dưới dạng vector không gian ta có:

2
u s ( t )  [u sa ( t )  u sb ( t )e j120  u sc ( t )e j240 ]
3
o

o

(2.18)

Do đó vector không gian điện áp stator:

d ss ( t )
u (t)  R i (t) 
dt
s
s

s
s s

(2.19)

Tương tự cho điện áp trên rotor (do rotor ngắn mạch), ta có vector không gian
điện áp rotor.

d rr ( t )
u (t)  0  R i (t) 
dt
r
r

r
r r

(2.20)

Các vector từ thông rotor và stator quan hệ với các dòng rotor và stator như
sau:

 s  Ls i s  L m i r

(2.21)

r  Lmis  Lr i r

(2.22)

Với: Ls: Điện cảm stator.
Lm: Hỗ cảm giữa stator và rotor.
Lr: Điện cảm rotor.
Phương trình moment động cơ:

Te 

3
3
p( s x i s )   p( r x i r )
2
2

(2.23)

19


Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Phương trình chuyển động:
Te  TL 

J d
p dt

Với: J:
p:

(2.24)

Moment quán tính cuả động cơ.
Số đôi cực cuả động cơ.

 : Tốc độ góc của rotor.

TL: Moment tải
Việc xây dựng các mô hình cho động cơ KĐB ba pha phải dựa trên các
phương trình cơ bản trên.
4.2.3 Mô hình trạng thái động cơ kh ng đồng bộ tr n hệ t a độ αβ
Từ các phương trình (2.19), (2.20), (2.21) và (2.22) có thể tập hợp trong các
phương trình mô tả đầy đủ trên hệ trục αβ như sau:

u ss  R siss 

dss
dt

(2.25)

d sr
0R i 
 j sr
dt

(2.26)

 ss  Ls i ss  L m i sr

(2.27)

 sr  L m i ss  L r i sr

(2.28)

s
r r

Te  TL 

J d
p dt

(2.29)

Hình 2.16 Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ toạ độ 

20


Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Từ phương trình (2.27) và (2.28) rút ra như sau:

i sr 

1
( sr  L m i ss )
Lr

(2.30)

Thay i sr vào phương trình (2.27) được:

 ss  L s i ss 

Lm s
( r  L m i ss )
Lr

(2.31)

Thay i sr và  ss của các phương trình (2.30) và (2.31) vào phương trình (2.25)
ta có:

u ss  R s i ss  L s

diss L m d sr

dt L r dt

(2.32)

Lm s
d sr
1
s
i s  (  j) r 
Và 0  
Tr
Tr
dt

(2.33)

Suy ra:

diss
1 1  s 1  1
1 s
 (

)is 
(  j)sr 
us
dt
Ts Ts
L m Tr
Ls

(2.34)

d sr L m s
1

i s  (  j) sr
dt
Tr
Tr

(2.35)

Với:

Ts 

Ls
: Hằng số thời gian stator.
Rs

Tr 

Lr
: Hằng số thời gian rotor.
Rr

  1

L2m
: Hệ số từ tản tổng.
Ls L r

Chuyển các phương trình trên sang dạng các thành phần cuả vector trên 2 trục
tọa độ, ta được:
dis
1 1
1
1
1
 (

)is 
 r 
 r 
u
dt
Ts Tr
Tr Lm
Lm
Ls s

21

(2.36)


Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

dis
1 1
1
1
1
 (

)is 
 r 
 r 
u
dt
Ts Tr
Tr Lm
Lm
Ls s

d r L m
1

i s   r   r
dt
Tr
Tr

d r
dt



(2.37)
(2.38)

Lm
1
i s   r   r
Tr
Tr

(2.39)

Thay i sr từ phương trình (2.22) vào phương trình moment của động cơ (2.23),
ta được kết quả sau:

3 
1  3 Lm s s
Te   p sr x ( sr  L m i ss )
 p
( r x i s )
2 
L r  2 L r

(2.40)

Thay các thành phần của vector từ thông ro to và stator ta được.

Te 

3 Lm
p
( r i s   r i s )
2 Lr

(2.41)

d p
 Te  TL 
dt J

(2.42)

4.2.4 Mô hình trạng thái động cơ kh ng đồng bộ tr n hệ toạ độ dq
Các phương trình (2.19), (2.20), (2.21) và (2.22) có thể tập hợp trong các
phương trình mô tả đầy đủ trên hệ trục hệ tọa độ từ thông rotor dq như sau:

u sf  R sisf  jssf 

dsf
dt

(2.43)

d fr
0  R i  (s  ) 
dt

(2.44)

 sf  Ls i sf  L m i fr

(2.45)

fr  Lmisf  Lr i

(2.46)

f
r r

f
r

22


Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Hình 2.18 Mô hình động cơ khôngg đồng bộ trong hệ toạ độ dq
Khử các biến i fr và  sf ở (2.45), (2.46) ta được hai vector sau :

i fr 

1
( fr  L m i sf )
Lr

Và  sf  L s i sf 

(2.47)

Lm f
( r  L m i sf )
Lr

(2.48)

Thay i fr và  sf vào (2.42) và (2.43) thu được các phương trình như sau:

disf
1 1  f
1  1
1 f
 (

)is  jsisf 
(  j)fr 
us (2.49)
dt
Ts Tr
Lm Tr
Ls

d fr L m f
1

i s  (  jsl ) fr
dt
Tr
Tr

(2.50)

Với ωsl = ωs
Chuyển các phương trình (2.48) và (2.49) sang dạng các thành phần của vector
trên hai trục tọa độ với điều kiện  rq  0 (do vector từ thông vuông góc trục q).

disd
1 1 
1 
1
 (

)i sd  s i sq 
 rd 
u sd
dt
Ts Tr
Tr L m
L s

(2.51)

1 1 
1 
1

)i sq  s i sd 
 rd 
u sq
Ts Tr
L m
L s

(2.52)

disq
dt

 (

d rd L m
1

i sd   rd
dt
Tr
Tr

d rq
dt

 0 và

(2.53)

Lm
i sq  sl  rd
Tr

(2.54)

23


Chương 2 – Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

Với  : là tốc độ trượt.
Xét phương trình (2.23) phương trình moment của động cơ, rút i sr từ (2.22)
thay vào (2.23) cho hệ trục dq được như sau:

L2m f L m f  f 3 L m
3 
Te  p ( L s 
)i s 
 r x i s  p
 rd i sq
2 
Lr
Lr
2 Lr


(2.55)

Trong hệ tọa độ từ thông rotor dq, các vector dòng stator và vector từ thông
rotor cùng với hệ tọa độ dq quay đồng bộ với nhau với tốc độ ωs quanh điểm gốc O.
Do đó các phần tử của vector (isd và isq) là các đại lượng một chiều. Trong chế độ
xác lập các giá trị này gần như không đổi, còn trong quá trình quá độ các giá trị này
có thể biến đổi theo một thuật toán điều khiển đã được định trước.
Hơn nữa, trong hệ tọa độ dq:  rq  0 do vuông góc với vector  r (trùng với
trục d) nên  rf   rd .

24


Chương 3 – Các phương pháp điều khiển động cơ

Chƣơng 3

CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
3.1. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB BA PHA.
Như chúng ta đã biết, có nhiều phương pháp điều khiển động cơ không đồng
bộ ba pha từ đơn giản đến phức tạp (đã được trình bày trong phần tổng quan về đề
tài). Các phương pháp điều khiển động cơ đang được sử dụng phổ biến hiện nay là:
-

Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn áp
(V/f=const)

-

Điều khiển trực tiếp moment động cơ không đồng bộ: phương pháp DTC
(Direct Torque Control)

-

Điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa FLC (Feedback Linearization Control)

-

Điều khiển định hướng từ thông rotor động cơ: phương pháp FOC (Field
Oriented Control)

3.2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BẰNG BẰNG CÁCH THAY ĐỔI TẦN SỐ
NGUỒN ÁP (V/f)
Tốc độ đồng bộ của động cơ không đồng bộ t lệ trực tiếp với tần số nguồn
cung cấp. Do đó, khi ta thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ sẽ làm thay đổi
tốc độ đồng bộ, tương ứng là tốc độ động cơ thay đổi.
Sức điện động cảm ứng trong stator E t lệ với tích của tần số nguồn cung cấp
và từ thông trong khe hở không khí. Nếu bỏ qua các điện áp rơi trên điện trở stator,
sức điện động E có thể xem gần bằng điện áp nguồn cung cấp. Nếu giảm tần số
nguồn nhưng vẫn giữ nguyên điện áp sẽ dẫn đến việc gia tăng từ thông trong khe hở
không khí. Động cơ thường được thiết kế làm việc tại “điểm cách chỏ” của đặc
tuyến từ hóa nên sự gia tăng từ thông sẽ dẫn đến bão hòa mạch từ. Điều này khiến
cho dòng từ hóa tăng, méo dạng dòng điện và điện áp nguồn cung cấp, gia tăng tổn

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×