xây dựng cấu trúc điều khiển vector động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ. mô phỏng trên matlab

Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
Mục lục: Trang
Lời nói đầu 3
Chơng 1: Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ 7
1-1 Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 7
1-1-1 Điều khiển điện áp stator. 8
1-1-2 Điều khiển điện trở rotor 8
1-1-3 Điều chỉnh công suất trợt 8
1-1-4 Điều khiển tần số nguồn cấp stator. 9
1-2 Điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ 10
Chơng 2: Tổng hợp hệ thống điều khiển vectơ 13
2-1 Mô tả toán học động cơ không đồng bộ ba pha: 13
2-2. Phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ 16
2-3. Hệ phơng trình cơ bản của động cơ trong không gian vectơ 18
2-3-1. Phơng trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định 20
2-3-2. Phơng trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq: 24
2-4. Cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ 27
2-5. Các phơng pháp điều khiển vectơ 30
2-5-1 Điều khiển vectơ gián tiếp 30
2-5-2. Điều khiển vectơ trực tiếp theo từ thông rôto 31
2-6. Tổng hợp các bộ điều chỉnh 37
2-6-1 Tổng hợp hệ theo hàm chuẩn: 37
2-6-2 Tuyến tính hoá mô hình động cơ 39
2-6-3 Tổng hợp Risq và R 40
2-6-4 Tổng hợp Risd: 43
2-7 Bộ quan sát từ thông 45
Chơng 3: Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ
không dùng cảm biến tốc độ 52
3-1 Sơ đồ hệ thống điều khiển vectơ không dùng cảm biến tốc độ 52
3-2 Đánh giá ổn định của khâu tính toán tốc độ 55
Chơng 4: Mô phỏng đánh giá chất lợng 58

5-1. Tính toán các thông số động cơ 58
5-2. Các bớc tiến hành mô phỏng 59
5-2-1. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh dòng isd: 59
5-2-2. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh dòng isq: 60
5-2-3. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh tốc độ: 62
5-2-4. Mô phỏng mô hình hệ thống trên toạ độ dq: 64
5-2-5. Mô hình toàn bộ hệ thống không dùng cảm biến tốc độ : 67
Kết luận 79
Tài liệu tham khảo 82
Lời nói đầu 3
1
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
Chơng 1: Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ 7
1-1 Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 7
1-1-1 Điều khiển điện áp stator. 8
1-1-2 Điều khiển điện trở rotor 8
1-1-3 Điều chỉnh công suất trợt 8
1-1-4 Điều khiển tần số nguồn cấp stator. 9
1-2 Điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ 10
Chơng 2: Tổng hợp hệ thống điều khiển vectơ 13
2-1 Mô tả toán học động cơ không đồng bộ ba pha: 13
2-2. Phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ 16
2-3. Hệ phơng trình cơ bản của động cơ trong không gian vectơ 18
2-3-1. Phơng trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định 20
2-3-2. Phơng trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq: 24
2-4. Cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ 27
2-5. Các phơng pháp điều khiển vectơ 30
2-5-1 Điều khiển vectơ gián tiếp 30
2-5-2. Điều khiển vectơ trực tiếp theo từ thông rôto 31
2-6. Tổng hợp các bộ điều chỉnh 37

2-6-1 Tổng hợp hệ theo hàm chuẩn: 37
2-6-2 Tuyến tính hoá mô hình động cơ 39
2-6-3 Tổng hợp Risq và R 40
2-6-4 Tổng hợp Risd: 43
2-7 Bộ quan sát từ thông 45
Chơng 3: Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ
không dùng cảm biến tốc độ 52
3-1 Sơ đồ hệ thống điều khiển vectơ không dùng cảm biến tốc độ 52
3-2 Đánh giá ổn định của khâu tính toán tốc độ 55
Chơng 4: Mô phỏng đánh giá chất lợng 58
5-1. Tính toán các thông số động cơ 58
5-2. Các bớc tiến hành mô phỏng 59
5-2-1. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh dòng isd: 59
5-2-2. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh dòng isq: 60
5-2-3. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh tốc độ: 62
5-2-4. Mô phỏng mô hình hệ thống trên toạ độ dq: 64
5-2-5. Mô hình toàn bộ hệ thống không dùng cảm biến tốc độ : 67
Kết luận 79
Tài liệu tham khảo 82
Lời nói đầu 3
Chơng 1: Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ 7
1-1 Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 7
1-1-1 Điều khiển điện áp stator. 8
1-1-2 Điều khiển điện trở rotor 8
1-1-3 Điều chỉnh công suất trợt 8
1-1-4 Điều khiển tần số nguồn cấp stator. 9
2
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
1-2 Điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ 10
Chơng 2: Tổng hợp hệ thống điều khiển vectơ 13

2-1 Mô tả toán học động cơ không đồng bộ ba pha: 13
2-2. Phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ 16
2-3. Hệ phơng trình cơ bản của động cơ trong không gian vectơ 18
2-3-1. Phơng trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định 20
2-3-2. Phơng trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq: 24
2-4. Cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ 27
2-5. Các phơng pháp điều khiển vectơ 30
2-5-1 Điều khiển vectơ gián tiếp 30
2-5-2. Điều khiển vectơ trực tiếp theo từ thông rôto 31
2-6. Tổng hợp các bộ điều chỉnh 37
2-6-1 Tổng hợp hệ theo hàm chuẩn: 37
2-6-2 Tuyến tính hoá mô hình động cơ 39
2-6-3 Tổng hợp Risq và R 40
2-6-4 Tổng hợp Risd: 43
2-7 Bộ quan sát từ thông 45
Chơng 3: Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ
không dùng cảm biến tốc độ 52
3-1 Sơ đồ hệ thống điều khiển vectơ không dùng cảm biến tốc độ 52
3-2 Đánh giá ổn định của khâu tính toán tốc độ 55
Chơng 4: Mô phỏng đánh giá chất lợng 58
5-1. Tính toán các thông số động cơ 58
5-2. Các bớc tiến hành mô phỏng 59
5-2-1. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh dòng isd: 59
5-2-2. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh dòng isq: 60
5-2-3. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh tốc độ: 62
5-2-4. Mô phỏng mô hình hệ thống trên toạ độ dq: 64
5-2-5. Mô hình toàn bộ hệ thống không dùng cảm biến tốc độ : 67
Kết luận 79
Tài liệu tham khảo 82
Lời nói đầu

Động cơ không đồng bộ ngày nay đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thay
cho các động cơ khác vì nó có nhiều u điểm nh khởi động đơn giản, vận hành tin
cậy, rẻ tiền và kích thớc gọn nhẹ. Nhợc điểm của nó là đặc tính cơ phi tuyến mạnh
nên trớc đây, với các phơng pháp điều khiển còn đơn giản, loại động cơ này phải
nhờng chỗ cho động cơ điện một chiều. Nhng với việc phát triển của các lý thuyết
điều khiển, truyền động cộng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật nh kỹ thuật vi
xử lý, điện tử công suất nên đã hạn chế đợc nhợc điểm trên, đa động cơ không
đồng bộ trở thành phổ biến.
3
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
Trớc đây thờng điều khiển động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp. Đây là một
phơng pháp đơn giản nhng chất lợng điều chỉnh kể cả tĩnh lẫn động đều không cao.
Để điều khiển đợc chính xác và hiệu quả phải nói đến phơng 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 trợt nhỏ và tổn hao công suất trợt trong mạch rôto
nhỏ. Tuy nhiên phơng pháp này còn phức tạp và đắt tiền. hiết bị dùng để biến đổi
tần số là các bộ nghịch lu, có thể là nghịch lu trực tiếp hoặc gián tiếp. Ta có thể sử
dụng bộ biến tần là một thiết bị tích hợp cả chỉnh lu, nghịch lu 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 trờng, ít
khi còn phải thiết kế theo phơng pháp kinh điển nữa. Các nhà sản xuất lựa chọn
biến tần nhiều hơn bảng điều khiển sao - tam giác hoặc điện trở phụ hoặc các thiết
bị điều khiển khác vì nó gọn nhẹ, điều khiển chính xác, tin cậy, đáp ứng đợc nhu
cầu tự động hoá và từng bớc hiện đại hoá xí nghiệp của họ. Biến tần đơn giản th-
ờng điều khiển tốc độ theo luật U/f để đảm bảo động cơ sinh mômen tốt nhng cho
các hệ truyền động yêu cầu cao hơn thì có biến tần điều khiển theo vectơ.
Mục đích của đồ án
Tuy hiện nay các loại biến tần đã đợc bày bán và sử dụng rộng rãi trên thị trờng
của các hãng Toshiba, Omron, Siemens với nhiều phơng pháp điều khiển khác
nhau nh : theo luật U/f không dổi, điều khiển từ thông không đổi, điều khiển vectơ

nhng việc tìm hiểu để chọn ra một phơng pháp thích hợp hoặc nghiên cứu tìm ra
một phơng pháp điều khiển mới sao cho tối u về giá thành, độ chính xác, độ tin cậy
thì vẫn còn những tranh luận vì mỗi loại đều có u nhợc khác nhau. Ví dụ phơng
pháp dòng từ thông không đổi có thể làm giảm công suất tiêu thụ. Phơng pháp
Speed Sensorless Vector đa ra việc điều khiển từ thông đợc tốt nhất và mômen lớn
hơn. Do đó đồ án này chỉ xin góp phần làm rõ về phơng pháp điều khiển vectơ
không dùng cảm biến tốc độ, chỉ ra và chứng minh đợc u điểm của nó trong vấn đề
điều khiển động cơ.
Quan sát một biến tần ta thấy trên màn hiển thị thờng có các khả năng hiển thị
tốc độ quay của trục, tần số nguồn cấp, thời gian tăng tốc, thời gian giảm tốc, theo
dõi các tham số của động cơ nh điện trở stato, điện trở rôto trong khi ta nhận
thấy không có cảm biến tốc độ đa về. Điều này đợc thực hiện chính là nhờ các khối
tính toán ghép trong phần điều khiển của biến tần. Vậy các khối đó hoạt động nh
thế nào và theo công thức gì. Đó cũng là mục đích nghiên cứu của đồ án.
4
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
ở hệ thống truyền động động cơ không đồng bộ kinh điển thờng có một mạch
vògn điều chỉnh tốc độ với tín hiệu phản hồi tốc độ thông thờng nhận đợc từ cảm
biến tốc độ gắn trên trục động cơ. Tuy nhiên cảm biến tốc độ quay có một số nhợc
điểm: nó làm cho hệ thống truyền động điện không đồng nhất do phải lắp thêm
trên trục động cơ một máy phát tốc độ hay một cảm biến số. Trong nhiều trờng
hợp không thể lắp đợc cảm biến tốc độ trên trục động cơ, ví dụ nh ở hệ thổng
truyền động điện cao tốc, ở hệ thống truyền động điện ôtô hay khi động cơ làm
việc ở môi trờng khắc nghiệt. Hơn nữa khi động cơ ở xa trung tâm nhiễu gây ra do
truyền dẫn tín hiệu từ máy phát tốc về tủ điều khiển là vấn đề phức tạp cho việc
nâng cao điều khiển.
Vấn đề nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ không dùng
cảm biến tốc độ có ý nghĩa quan trọng và mang tính thực tiễn cao. Hệ thống này
cho phép sử dụng có hiệu quả động cơ không đồng bộ trong các hệ thống truyền
động điện các máy công nghiệp, góp phần giảm độ phức tạp, giảm giá thành bảo d-

ỡng và chi phí vận hành hệ thống truyền động điện, giải quyết những vấn đeef
không thể khắc phục của động cơ một chiầu nh mức độ h hỏng cũng nh chi phí bảo
dỡng vận hành cao.
Đề tài nhằm nghiên cứu giải quyết những vấn đề trên. Nội dung bản đồ án bao
gồm bốn chơng chính. Nội dung mỗi chơng đợc trình bày nh sau:
Chơng 1: Nêu sơ lợc những phơng pháp điều khiển động cơ không đồng bộ
trong đó nhấn mạnh đến phơng pháp điều khiển vectơ, những u nhợc điểm và tính
thực tiễn của nó.
Chơng 2: Dựa trên những kiến thức về vectơ không gian, xây dựng hệ phơng
trình mô tả động học động cơ không đồng bộ.
Tổng quan các phơng pháp điều khiển vectơ: trực tiếp, gián tiếp và những sơ đồ
điều khiển của từng phơng pháp.
Giải quyết vấn đề tính từ thông rôto phục vụ cho việc điều khiển vectơ trực tiếp.
Chơng 3: Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ
không dùng cảm biến tốc độ. Xây dựng bộ tính toán tốc độ thay cho máy phát tốc
độ và kiểm nghiệm sự làm việc ổn định của khâu này.
Chơng 4: Trình bày một số kết quả mô phỏng chứng minh tính đúng đắn của
các công việc đã làm: việc tổng hợp các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ, các bộ
tính toán từ thông, bộ tính toán tốc độ. Mô phỏng việc phản hồi tốc độ bằng khâu
tính toán, không dùng cảm biến tốc độ.
5
§å ¸n tèt nghiÖp §Æng Thiªn Quúnh T§H3K42
6
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
Chơng 1: Tổng quan hệ thống điều khiển động cơ
không đồng bộ.
1-1 Các phơng pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
Từ phơng trình mômen của động cơ :

+








+
=
2
nm
2
'
2
11
'
2
2
1
X
s
R

R
s
R
U3
M

ta có thể dựa
vào đó để điều khiển mômen bằng cách thay đổi các thông số nh điện áp cung cấp,
điện trở phụ, tốc độ trợt và tần số nguồn.
Tới nay đã có các phơng pháp điều khiển chủ yếu sau:
Tổn thất Kinh tế
Stato
Rôto
7
~
=
~
=
Điều chỉnh
điện áp stator
Điều chỉnh
công suất trợt
Điều chỉnh
bằng phơng
pháp xung điện
trở rôto
Điều chỉnh
tần số nguồn cấp
stato
P

s
NLCL
P
s
P
cơ
K
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
1-1-1 Điều khiển điện áp stator.
Do mômen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phơng điện áp stato,do đó có
thể điều chỉnh đợc mômen và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp
stato trong khi giữ nguyên tần số. Đây là phơng pháp đơn giản nhất, chỉ sử dụng
một bộ biến đổi điện năng (biến áp, tiristor) để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn
stator. Phơng pháp này kinh tế nhng họ đặc tính cơ thu đợc không tốt, thích hợp
với phụ tải máy bơm, quạt gió.
1-1-2 Điều khiển điện trở rotor
Sử dụng trong cơ cấu dịch chuyển cầu trục, quạt gió, bơm nớc: bằng việc điều
khiển tiếp điểm hoặc tiristor làm ngắn mạch/hở mạch điện trở phụ của rotor ta điều
khiển đợc tốc độ động cơ. phơng pháp này có u điểm mạch điện an toàn, giá thành
rẻ. Nhợc điểm: đặc tính điều chỉnh không tốt, hiệu suất thấp, vùng điều chỉnh
không rộng.
1-1-3 Điều chỉnh công suất tr ợt.
Trong các trờng hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm
mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tởng thì công suất trợt P
s
=sP
đt
đợc
tiêu tán trên điện trở mạch rôto. ở các hệ thống truyền động điện công suất lớn,
tổn hao này là đáng kể. Vì thế để vừa điều chỉnh đợc tốc độ truyền động, vừa tận

dụng đợc công suất trợt ngời ta sử dụng các sơ đồ công suất trợt (sơ đồ nối tầng/
nối cấp).
P
1
=P
cơ
+P
s
=P
1
(1-s) +sP
1
=const.
Nếu lấy P
s
trả lại lới thì tiết kiệm đợc năng lợng.
Khi điều chỉnh với <
1
: đợc gọi là điều chỉnh nối cấp dới đồng bộ (lấy năng
lợng P
s
ra phát lên lới).
Khi điều chỉnh với >
1
(s<0): điều chỉnh công suất trợt trên đồng bộ (nhận
năng lợng P
s
vào) hay còn gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ hoặc truyền động
động cơ hai nguồn cung cấp.
Nếu tái sử dụng năng lợng P

s
để tạo P
cơ
: đợc gọi là truyền động nối cấp cơ. Ph-
ơng pháp này không có ý nghĩa nhiều vì khi giảm còn 1/3.1 thì P
s
=2/3.P
1
tức
8
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
là công suất động cơ một chiều dùng để tận dụng P
s
phải gần bằng động cơ chính
(xoay chiều), nếu không thì lại không nên điều chỉnh sâu xuống. Trong thực tế
không sử dụng phơng pháp này.
1-1-4 Điều khiển tần số nguồn cấp stator.
Khi điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ thờng phải điều chỉnh cả điện áp,
dòng điện hoặc từ thông trong mạch stato do trở kháng, từ thông, dòng điện của
động cơ bị thay đổi.
-Luật điều chỉnh tần số - điện áp:
ở hệ thống điều khiển điện áp/ tần số, sức điên động stato động cơ đợc điều
chỉnh tỉ lệ với tần số đảm bảo duy trì từ thông khe hở không đổi. Động cơ có khả
năng sinh mômen nh nhau ở mọi tần số định mức. Có thể điều chỉnh tốc độ ở hai
vùng:
Vùng dới tốc độ cơ bản: giữ từ thông không đổi thông qua điều khiển tỷ số sức
điện động khe hở/ tần số là hằng số.
Vung trên tốc độ cơ bản: giữ công suất động cơ không đổi, điện áp đợc duy trì
không đổi, từ thông động cơ giảm theo tốc độ.
+ Theo khả năng quá tải:

Để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì
cần phải điều chỉnh cả điện áp. Đối với biến tần nguồn áp thờng có yêu cầu giữ cho
khả năng quá tải về mômen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ. Luật
điều chỉnh là u
s
= f
s
(1+x/2)
với x phụ thuộc tải. Khi x=0 (Mc=const, ví dụ cơ cấu nâng
hàng) thì luật điều chỉnh là u
s
/f
s
=const.
+ Điều chỉnh từ thông:
Trong chế độ định mức, từ thông là định mức và mạch từ có công suất tối đa.
Luật điều chỉnh tần số - điện áp là luật giữ gần đúng từ thông không đổi trên toàn
dải điều chỉnh . Tuy nhiên từ thông động cơ , trên mỗi đặc tính, còn phụ thuộc rất
nhiều vào độ trợt s, tức là phụ thuộc mômen tải trên trục động cơ . Vì thế trong các
hệ điều chỉnh yêu cầu chất lợng cao cần tìm cách bù từ thông.
Do
2
1
)(1
r
m
r
s
T
L

I


+=
nên nếu muốn giữ từ thông
r
không đổi thì dòng điện
phải đợc điều chỉnh theo tốc độ trợt. Phơng pháp này có nhợc điểm là mỗi động cơ
phải cài đặt một sensor đo từ thông không thích hợp cho sản xuất đại trà và cơ cấu
đo gắn trong đó bị ảnh hởng bởi nhiệt độ và nhiễu.
9
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
Nếu điều chỉnh cả biên độ và pha của dòng điện thì có thể điều chỉnh đợc từ
thông rôto mà không cần cảm biến tốc độ.
-Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện.
Phơng pháp điều chỉnh này sử dụng biến tần nguồn dòng. Biến tần nguồn dòng có
u điểm là tăng đợc công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản mà vẫn thực hiện hãm
tái sinh động cơ . Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lu phải là nguồn dòng
điện, tức là dòng điện không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào tín hiệu điều
khiển . Để tạo nguồn điện một chiều thờng dùng chỉnh lu điều khiển hoặc băm
xung áp một chiều có bộ điều chỉnh dòng điện có cấu trúc tỷ lệ - tích phân (PI),
mạch lọc là điện kháng tuyến tính có trị số điện cảm đủ lớn.
+ Điều chỉnh tần số - dòng điện.
Việc điều chỉnh từ thông trong hệ thống biến tần nguồn dòng đợc thực hiện tơng
tự nh hệ thống biến tần nguồn áp.
+ Điều chỉnh vectơ dòng điện.
Tơng tự nh 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 và việc chuyển mạch của các van phụ thuộc lẫn nhau.

- Điều khiển trực tiếp mômen
Ra đời năm 1997, thực hiện đợc đáp ứng nhanh. Vì
r
có quán tính cơ nên
không biến đổi nhanh đợc, do đó ta chú trọng thay đổi
s
không thay đổi
r
. Phơng
pháp này không điều khiển theo quá trình mà theo điểm làm việc. Nó khắc phục
nhợc điểm của điều khiển định hớng trờng vectơ rôto
r
cấu trúc phức tạp, đắt tiền,
độ tin cậy thấp (hiện nay đã có vi mạch tích hợp cao, độ chính xác cao), việc đo
dòng điện qua cảm biến gây chậm trễ, đáp ứng momen của hệ điều khiển vectơ
chậm (cỡ 10 ms) và ảnh hởng của bão hoà mạch từ tới R
s
lớn.
Kết luận:
Trong hệ thống truyền động điện điều khiển tần số, phơng pháp điều khiển theo
từ thông rôto có thể tạo ra cho động cơ các đặc tính tĩnh và động tốt. Các hệ thống
điều khiển điện áp/ tần số và dòng điện/ tần số trợt đã đợc ứng dụng rộng rãi trong
công nghiệp.
1-2 Điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ
10
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
Một số hệ thống yêu cầu chất lợng điều chỉnh động cao thì các phơng pháp điều
khiển kinh điển khó đáp ứng đợc. Hệ thống điều khiển định hớng theo từ trờng còn
gọi là điều khiển vectơ, có thể đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và
động.Nguyên lý điều khiển vectơ dựa trên ý tởng điều khiển vectơ động cơ không

đồng bộ tơng tự nh điều khiển động cơ một chiều. Phơng pháp này đáp ứng đợc
yêu cầu điều chỉnh của hệ thống trong quá trình quá độ cũng nh chất lợng điều
khiển tối u mômen. Việc điều khiển vectơ dựa trên định hớng vectơ từ thông rôto
có thể cho phép điều khiển tách rời hai thành phần dòng stator, từ đó có thể điều
khiển độc lập từ thông và mômen động cơ. Kênh điều khiển mômen thờng gồm
một mạch vòng điều chỉnh tốc độ và một mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng
điện sinh mômen. Kênh điều khiển từ thông thờng gồm một mạch vòng điều chỉnh
dòng điện sinh từ thông. Do đó hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ
có thể tạo đợc các đặc tính tĩnh và động cao, có thể so sánh đợc với động cơ một
chiều.
Nguyên lý điều khiển vectơ:
Dựa trên ý tởng điều khiển động cơ không đồng bộ tơng tự nh điều khiển động
cơ một chiều. Động cơ một chiều có thể điều khiển độc lập dòng điện kích từ và
dòng phần ứng để đạt đợc mômen tối u theo công thức tính mômen :
M=KI = KI
kt
I
Trong đó : I
kt
, I - dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng.
- từ thông động cơ .
Hình 1-1: Sự tơng tự giữa điều khiển động cơ một chiều và điều khiển vectơ
Tơng tự ở điều khiển động cơ không đồng bộ, nếu ta sử dụng công thức:
M = K
m

r
I
qs
= K

m
I
ds
I
qs
(khi chọn trục d trùng với chiều vectơ từ
thông rôto)
11
Mạch
điều khiển và
nghịch lu
I

I

U

ĐM
CKT
I
ds
*
I
qs
*
ĐK
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
Thì có thể điều khiển M bằng cách điều chỉnh độc độc lập các thành phần dòng
điện trên hai trục vuông góc của hệ tọa độ quay đồng bộ với vectơ từ thông rôto
Lúc này vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ tơng tự điều khiển động cơ điện

một chiều. ở đây thành phần dòng điện I
ds
đóng vai trò tơng tự nh dòng điện kích
từ động cơ một chiều (I
kt
) và thành phần dòng I
qs
tơng tự nh dòng phần ứng động cơ
một chiều (I) . Các thành phần có thể tính đợc nhờ sử dụng khái niệm vectơ không
gian. Với ý tởng định nghĩa vectơ không gian dòng điện của động cơ đợc mô tả ở
hệ tọa độ quay với tốc độ
s
, các đại lợng dòng điện điện áp, từ thông sẽ là các đại
lợng một chiều.
Hình 1-2:Điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện: mômen và kích từ
12
I
ds2
i
s1

r
I
ds1
q
d

s1
i
s2

s2
I
qs
I
qs1
i
s1

r
I
ds
q
d

s1
i
s2

s2
I
qs2

a

b

c

Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42

Chơng 2: Tổng hợp hệ thống điều khiển vectơ.
2-1 Mô tả toán học động cơ không đồng bộ ba pha:
Đối với các hệ truyền động điện đã đợc số hoá hoàn toàn, để điều khiển biến tần
ngời ta sử dụng phơng pháp điều chế vectơ không gian. Khâu điều khiển biến tần
là khâu nghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển/ điều chỉnh bằng số với khâu
chấp hành. Nh vậy cần mô tả động cơ thành các phơng trình toán học.
Quy ớc : A,B,C chỉ thứ tự pha các cuộn dây rotor và a,b,c chỉ thứ tự pha các
cuộn dây stator.
Giả thiết : - Cuộn dây stato, roto đối xứng 3 pha, rôto vợt góc .
- Tham số không đổi.
- Mạch từ cha bão hoà.
- Khe hở không khí đồng đều.
- Nguồn ba pha cấp hình sin và đối xứng (lệch nhau góc 2/3).
Phơng trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn dây k nh 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
=L
kj
i
j
. Nếu i=k: tự cảm, jk: hỗ cảm.
Ví dụ:
a
=L
a a
i
a

+L
ab
i
b
+L
ac
i
c
+L
aA
i
A
+L
aB
i
B
+L
aC
i
C
Vì ba pha đối xứng nên :
R
a
=R
b
=R
c
= R
s
, R

A
=R
B
=R
C
=R
r

L
aa
=L
bb
=L
cc
=L
s1
, L
AA
=L
BB
=L
CC
=L
r1

L
ab
=L
ba
=L

bc
=-M
s
, L
AC
=L
BC
=L
AB
=-M
r

L
aA
=L
bB
=L
cC
=L
Aa
= L
Bb
=L
Cc
=Mcos
L
aB
=L
bC
=L

cA
=L
Ba
= L
Cb
=L
Ac
=Mcos(+2/3)
L
aC
=L
bA
=L
cB
=L
Ca
= L
Ab
=L
Bc
=Mcos( -2/3)
__ __ __
13
dt
dRIU
k
kkk

+=

a

b

c


A

B


C


A


B

C

dt
d
LrR(L
dt
d
(L
dt
d

dt
d
LR
r
t
m
mSS
+
+
)
)
ϑ
ϑ
§å ¸n tèt nghiÖp §Æng Thiªn Quúnh T§H3K42
ψ
s
= ψ
r
= ψ

=
_ _ _ _
i
s
= , i
r
= , u
s
= , u
r

=
[R
s
]

= [R
r
]

=
[L
s
]

= [L
r
]

=
[L
m
(θ)]=M.
= x
= x
14
i
a

i
b

i
c

i
A

i
B

i
C
u
a
u
b
u
c

u
A

u
B

u
C

R
S

0 0
0 R
S
0
0 0 R
S

L
S1
-M
S
-M
S

-M
S
L
S1
-M
S

-M
S
-M
S
L
S1

R
r

0 0
0 R
r
0
0 0 R
r

L
r1
-M
r
-M
r

-M
r
L
r1
-M
r

-M
r
-M
r
L
r1

cosθ cos(θ+2π/3) cos(θ-2π/3)
cos(θ-2π/3) cosθ cos(θ+2π/3)

cos(θ+2π/3) cos(θ-2π/3) cosθ
ψ
s
ψ
r
[L
S
] [L
m
(θ)]
[L
m
(θ)]
t
[L
r
]
i
s
i
r
u
s
u
r
i
s
i
r
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42

})({
rm
t
s
iL
d
d
iM


=
Các hệ phơng trình trên là các hệ phơng trình vi phân phi tuyến có hệ số biến
thiên theo thời gian vì góc quay phụ thuộc thời gian:
=
0
+(t)dt
Kết luận : nếu mô tả toán học nh 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) đa ra phép biến đổi d, q.
15
3
2
=
j
ea
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
2-2. Phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ
Trong máy điện ba pha thờng dùng cách chuyển các giá trị tức thời của điện áp
thành các véc tơ không gian. Lấy một mặt phẳng cắt môtơ theo hớng vuông góc
với trục và biểu diễn từ không gian thành mặt phẳng. Chọn trục thực của mặt

phẳng phức trùng với trục pha a.
Hình2-1: Tơng quan giữa hệ toạ độ

và toạ độ ba pha a,b,c
Ba véc tơ dòng điện stator i
a
, i
b
, i
c
tổng hợp lại và đại diện bởi một véc tơ quay
tròn i
s
. Véc tơ không gian của dòng điện stator:

)(
3
2
i
2
s cba
iaaii
++=
Muốn biết i
s
cần biết các hình chiếu của nó lên các trục toạ độ:
i
s

,i

s

.

ss
jii
+=
s
i
)2(
3
1
}Re{i
s cbas
iiii
==

)(
3
3
}Im{i
s cbs
iii ==

Hình 2-2: Cuộn dây 3 pha nhìn trên

16
i
s
+1()

+j()
i
s
a.i
b
a
2
.i
c
I
a
i
s
i
s
u

u

i
s
a.i
b
a
2
.i
c
I
a
x

y

k

k
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
Theo cách thức trên có thể chuyển vị từ 6 phơng trình (3 rôto, 3 stato) thành
nghiên cứu 4 phơng trình .
Phép biến đổi từ 3 pha (a,b,c) thành 2 pha (, ) đợc gọi là phép biến đổi thuận.
Còn phép biến đổi từ 2 pha thành 3 pha đợc gọi là phép biến đổi ngợc.
Đơn giản hơn, khi chiếu i
s
lên một hệ trục xy bất kỳ quay với tốc độ
k
:

k
=
0
+
k
t
+ 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 phơng trình cho x trùng
r
để

r
y
=0): phép biến đổi d,q.
+ Nếu
k
=
1
- =
r
: hệ toạ độ cố
định , đối với rôto (ít dùng).
Hìh 2-3: Chuyển sang hệ toạ độ quay bất
kỳ
Các hệ toạ độ đợc mô tả nh sau:
17
pha C


S
d
q

i
s
i
s
i
sq
i
sd
pha B
pha A
hớng trục rôto

r
i
s
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
Hình 2-4: Các đại lợng i
s
,

r
của động cơ trên các hệ toạ độ
Các phơng trình chuyển đổi hệ toạ độ:
a,b,c :
)(
3
1
bas
as

iii
ii
+=
=


d,q
i
sd
= i
s

cos + i
s

sin
i
sq
= i
s

cos - i
s

sin
a,b,c:
).3(
2
1
).3(

2
1



ssc
ssb
sa
iii
iii
ii
=
+=
=
d,q
i
s


= i
sd
cos - i
sq
sin
i
s


= i
sd

sin + i
sq
cos
2-3. Hệ phơng trình cơ bản của động cơ trong không gian vectơ
Để dễ theo dõi ta ký hiệu :
Chỉ số trên s: xét trong hệ toạ độ stato (toạ độ ,)
18
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
f: trong toạ độ trờng (field) từ thông rôto (toạ độ dq)
r: toạ độ gắn với trục rôto.
Chỉ số dới s: đại lợng mạch stato
r: đại lợng mạch rôto
Phơng trình mômen :
).(.
2
3
).(.
2
3
rrsrM
ipipm ==

(2-1)
Phơng trình chuyển động :

dt
d
p
J
mm

cM

+=
(2-2)
Phơng trình điện áp cho ba cuộn dây stato : (2-3)
dt
t
dtiRtu
dt
t
dtiRtu
dt
t
dtiRtu
sc
scssc
sb
sbssb
sa
sassa
)(
)(.)(
)(
)(.)(
)(
)(.)(

+=

+=

+=
(2-3)
Tơng tự nh vectơ dòng điện ta có vectơ điện áp:
u
s
(t)= 2/3.[u
sa
(t) + u
sb
(t).e
j120
+ u
sc
(t).e
j240
]
Sử dụng khái niệm vectơ tổng ta nhận đợc phơng trình vectơ:
dt
diRu
s
s
s
ss
s
s

+=
.
(2-4)

Trong đó u
s
s
, i
s
s
,
s
s
là các vectơ điện áp, dòng điện, từ thông stato.
Khi quan sát ở hệ toạ độ ,:
Đối với mạch rôto ta cũng có đợc phơng trình nh trên, chỉ khác là do cấu tạo các
lồng sóc là ngắn mạch nên u
r
=0 (quan sát trên toạ độ gắn với trục rôto)
Từ thông stato và rôto đợc tính nh sau:

dt
diR
r
r
r
rr

+= .0

s
= i
s
L

s
+i
r
L
m
(2-5)

r
= i
s
L
m
+i
r
L
r
Trong đó L
s
: điện cảm stato L
s
= L

s
+ L
m
(L
ós
: điện cảm tiêu tán phía stato)
19
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42

L
r
: điện cảm rôto L
r
= L

r
+ L
m
(L
ór
: điện cảm tiêu tán phía rôto)
L
s
: hỗ cảm giữa rôto và stato
(Phơng trình từ thông không cần đến chỉ số hệ toạ độ vì các cuộn dây stato và
rôto có cấu tạo đối xứng nên điện cảm không đổi trong mọi hệ toạ độ).
2-3-1. Ph ơng trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định


Phơng trình điện áp stato giữ nguyên, còn phơng trình điện áp rôto có thay đổi
do rôto quay với tốc độ so với stato nên có thể nói hệ toạ độ quay tơng đối
với rôto tốc độ -
r
s
rm
s
s
s
r

m
s
rs
s
s
s
s
s
r
s
r
s
rr
s
s
s
ss
s
s
LiLi
LiLi
j
dt
diR
dt
diRu
________
________
____
____

__
____
____
.0
.
+=
+=


+=

+=

(2-6)
Tìm cách loại bỏ
s
và i
r
: ta rút từ phơng trình thứ 3 và 4 trong hệ (2-6) đợc:
)(
)(
1
m
s
s
s
r
r
m
s

s
s
s
s
m
s
s
s
r
r
s
r
Li
L
L
Li
Li
L
i


+=
=


(2-7)
Đặt =1-L
m
2
/(L

s
L
r
)(hệ số tản từ), T
s
=L
s
/Rs , T
r
=L
r
/R
r
và thay lại phơng trình 1 và
2 trong hệ (2-6) :
dt
d
j
TT
L
i
dt
d
L
L
dt
id
LiRu
s
r

r
s
r
r
m
s
s
s
r
r
m
s
s
s
s
s
s
s
s

++=

++=
)
1
(0
.


(2-8)

Biến đổi (2-8) sang dạng từng phần tử của vectơ :
20
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42

r
r
rs
r
m
r
rr
r
s
r
mr
s
s
r
mr
r
m
s
rs
s
s
s
r
m

r
mr
s
rs
s
T
i
T
L
dt
d
T
i
T
L
dt
d
u
LLTL
i
TTdt
di
u
LLLT
i
TTdt
di
1
1
111

)
11
(
111
)
11
(
+=
=
+

+



+=
+

+

+

+=
(2-9)
Thay i
r
s
từ phơng trình thứ 2 của (2-5) vào phơng trình mômen (2-1):
)i(
L

L
.p.)
L
)Li(.(p.)i.(p.m
s
s
s
r
r
m
r
m
s
s
s
r
s
r
s
r
s
rM
===
2
31
2
3
2
3
(2-10)

Thay các vectơ trong (2-10) bằng các phần tử tơng ứng ta đợc :
)ii(
L
L
.p.m
srsr
r
m
M

=
2
3
(2-11)
Từ hệ phơng trình (2-9) và phơng trình (2-11) ta có công thức mô tả động cơ
không đồng bộ trên hệ toạ độ , trong đó thay T

theo công thức:
rs
TTT





+=
111

rrsmrr
rrsmrr
s
s
r
rm
r
m
s
s
s

r
m
r
mr
s
TiLpT
TiLpT
u
LTLL
i
T
p
u
LLLT
i
T
p
+=+
=+
+

+

=+
+

+

=+
)1(

)1(
111
)
1
(
111
)
1
(
(2-12)
Từ (2-13) ta lập đợc mô hình điện cơ của động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ
nh sau:
21
1-
L
m
T
r
T

1+pT

1
L
s
P
c
pJ
1-
L

m
T
r
T

1+pT

1
L
s
1-
L
m
T
r
3p
c
L
m
2L
r
u
s
u
s
i
s
i
s
-

-
-

r

r
m
M
m
C
L
m
L
m

1
1+pT
r
1
1+pT
r
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
Hình 2-5: Mô hình động cơ trên hệ toạ độ cố định

Đầu vào của mô hình là đại lợng điện áp. Do vậy mô hình chỉ đúng với biến tần
nguồn áp. Còn khi sử dụng biến tần nguồn dòng (cho công suất truyền động rất
lớn) thì phải biến đổi mô hình thành đầu vào là dòng stato i
s

, i

s

Hệ phơng trình (2-9) khi viết lại dới dạng ma trận:

s
s
sss
s
uBxA
dt
dx
+=
(2-13)
Trong đó:
x
s
: ma trận trạng thái, x
sT
=[i
s

, i
s

,
r

,
r

]
u
s
s
: ma trận đầu vào, u
s
s
T
=[u
s

, u
s

]
A
s
: ma trận hệ thống
B
s
: ma trận đầu vào
A
s
=

ss
ss
AA
AA
2221
1211


, với các phần tử nh sau:
22
§å ¸n tèt nghiÖp §Æng Thiªn Quúnh T§H3K42
.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


LT
1

L
-1
-
L
-1

LT
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
rm

r
r
m
mrm
mmr
s
12
s
11
ω
ω
ω
ω
ω
ω
+−=












−
−

=
=












=
−
−
=













−
=












−
−
=
−=






−=













−
−
=
I
I
JI
I
.
.
) (

σ

σ
σ
σ
ω
σ
σ
ω
σ
σ
σ

σ
.
1
1
σσ
σ
σ

0
0
; .I
0
0
khitrong ;
B
B
B
s
2
s
1
s






==













=








=
0
0
1
1
1
21
s
s
s

s
s
B
L
L
L
B
σ
σ
σ
LËp m« h×nh cña ®éng c¬ theo c¸c ma trËn : tõ (12) :
s
s
sss
s
uBxA
dt
dx
+=
ta cã
H×nh 2-6: M« h×nh ®éng c¬ d¹ng ma trËn
23
U
s
s
(t)
B
s
∫
A

s
x
s
(t)U
s
s
(t)
dx
s
(t)
dt
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42
Khi mô tả chi tiết bằng các phần tử ma trận:
2-3-2. Ph ơng trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto dq:
Tơng tự nh trên, khi chiếu trên hệ toạ độ này thì các phơng trình từ thông vẫn
không đổi, chỉ có các phơng trình điện áp thay đổi nh sau:
- Toạ độ từ thông rôto quay tốc độ
s
so với stato.
- Hệ toạ độ chuyển động vợt trớc so với rôto một tốc độ góc
r
=
s
-.
Từ đó ta thu đợc hệ phơng trình :

r
f
rm
f

s
f
r
m
f
rs
f
s
f
r
f
rr
f
r
f
rr
f
rs
f
r
f
ss
f
s
LiLi
LiLi
j
dt
d
iR

j
dt
d
iRu
________
________
____
____
__
____
___
____
0
+=
+=
++=
++=






(2-14)
Tìm cách loại bỏ i
f
r
và
f
s

: từ (2-14) có
24
B
s

A
s
11

A
s
22
A
s
12
A
s
21
d
r
s
dt
I
s
s
(t)
dI
s
s
dt

r
s
(t)
Đồ án tốt nghiệp Đặng Thiên Quỳnh TĐH3K42

)(
)(
1
____________
________
m
f
s
f
r
r
m
s
f
s
f
s
m
f
s
f
r
r
f

r
Li
L
L
Li
Li
L
i
+=
=


(2-15)
Thế trở lại phơng trình thứ 3 và 4 của (2-14) ta đợc phơng trình :

rq
r
rdrsq
r
m
rq
rqrrd
r
sd
r
mrd
sq
s
rq
rm

rd
m
sq
rs
sds
sq
sd
s
rq
m
rd
rm
sqssd
rs
sd
T
i
T
L
dt
d
T
i
T
L
dt
d
u
LTLL
i

TT
i
dt
di
u
LLTL
ii
TTdt
di

1
1
111
)
11
(
111
)
11
(
=
+=
+

+



+=
+

+

++

+=
(2-16)
Biến đổi tiếp hệ (2-16) với điều kiện chọn trục d trùng với vectơ
r
, tức là
rq
=
0:
rd
sq
r
m
r
sdmrdr
sq
s
rd
m
sdssq
sd
s
rq
m
rd
rm
sqssd
i
T
L
iLpT

u
LL
iip
T
u
LLTL
iip
T


















=
=+
+

=+
+

+

+=+
)1(
11
)
1
(
111
)
1
(
(2-17)
Thay T

theo công thức:
rs
TTT





+=
111
Tơng tự nh trên toạ độ ta cũng có phơng trình mômen cho toạ độ dq:

)(
2
3
f
s
f
r
r
m
cM
i
L
L
pm
=

Thay đại lợng vectơ bằng các phần tử của nó : i
s
f
= i
sd
+ji
s
q
và
s
f
=
sd
+j

r
q
ta có:

sqrd
r
m
cM
i
L
L
pm


2
3
=
(2-18)
25