đồ án tổng hợp hệ thống điện cơ nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động cơ không

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.13 MB, 71 trang )

GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN CƠ
Giáo viên hướng dẫn: Ths.NGUYỄN ĐĂNG KHANG
Nhóm sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC HÀ – LÊ ĐÌNH HÂN
Lớp: ĐIỆN 1-K6
Khoa : CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỆN
Tên Đề Tài:
NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG
BỘ BA PHA ROTO LỒNG SÓC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
VECTO TỰA TỪ THÔNG ROTO (FOC)
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 1
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày
càng phát triển mạnh mẽ. Do đó động cơ điện năng đóng vai trò rất quan trọng
trong các ngành sản xuất cũng như đời sống. Vì vậy các loại động cơ điện được
chế tạo ngày càng hoàn thiện hơn, trong đó động cơ điện không đồng bộ 3 pha
chiếm tỉ lệ lớn trong các ngành công nghiệp do động cơ không đồng bộ 3 pha
có nhiều ưu điểm như việc khởi động dể dàng,giá thành rẻ, vận hành êm,kích
thước nhỏ gọn, làm việc chắc chắn,đặc tính làm việc tốt, bảo quản đơn giản, chi
phí vận hành và bảo trì thấp.tuy vậy nó có nhược điểm 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 và không được ứng dụng
nhiều. với sự phát triển mạnh của ngành khoa học kỉ thuật ngày nay như ngành
kỉ thuật vi xử lý, điện tử công suất cộng các lý thuyết điều khiển, truyền động
thì việc ứng dụng động cơ không đồng bộ 3 pha là được ứng dụng rộng rải
trong hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế
dần động cơ một chiều. Có nhiều phương pháp điều chỉnh vận tốc động cơ
không đồng bộ ba pha roto lồng sóc. Bản đồ án này nhóm em: Nghiên cứu hệ

điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc bằng
phương pháp điều khiển vecto tựa từ thông roto (FOC)
Gồm các phần chính sau:
1. Xây dựng cơ sở lý thuyết biểu diễn véc tơ động cơ KĐB, Sơ đồ nguyên lý
biến tần điều khiển véc tơ, thuật toán FOC
2.Mô phỏng bằng Matlap đánh giá đáp ứng hệ thống biến tần dùng thuật toán
điều khiển FOC
3.Đánh giá ưu nhược điểm biến tần sử dụng luật FOC và vị trí ứng dụng.
Do kiến thức có hạn củng như chưa có kinh nghiệm thực tế nên bản đồ án
này của chúng em không tránh khỏi nhửng thiếu sót,em kính mong thầy giáo
xem xét và góp ý để chúng em hoàn thành đồ án này được tốt hơn sau này.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo!
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 2
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
MỤC LỤC
I XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC
I.1. SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
I.2. VÀI NÉT VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO
LỒNG SÓC
I.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ
I.4. XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN
I.4.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ FOC
I.4.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC
I.4.2.1. MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
I.4.2.2. PHÉP BIẾN ĐỔI KHÔNG GIAN VECTO
I.4.2.3. HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ TRONG KHÔNG
GIAN VECTO
I.4.2.4. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTO ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ

I.4.2.5. TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH
I.4.2.6. QUAN SÁT TỪ THÔNG
I.4.3. CẤU HÌNH ĐIỀU KHIỂN FOC
II. THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN FOC
2.1. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB
2.2. ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG BIẾN TẦN DÙNG THUẬT TOÁN ĐIỀU
KHIỂN FOC
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 3
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
III. ĐÁNH GIÁ ƯU NHƯỢC ĐIỂM BIẾN TẦN SỬ DỤNG LUẬT FOC
VÀ VỊ TRÍ ỨNG DỤNG
3.1. ƯU ĐIỂM CỦA FOC
3.2 NHƯỢC ĐIỂM CỦA FOC
3.3 VỊ TRÍ ỨNG DỤNG CỦA FOC.
I . XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN FOC
1.1 SƠ LƯỢC VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha

Động cơ không đồng bộ 3 pha chia thành:
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 4
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
• 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
Nguyên lý hoạt động:
Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch
nhau 120
o
trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là
một từ trường quay. Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì

từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện
động cảm ứng trong các thanh dẫn. Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục
quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định
theo quy tắc ban tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng điện cảm
ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái và tạo ra momen
làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay.
Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua. Nếu roto
quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các
dây quấn phần 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 dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất
hiện và do đó lại có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng
với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường. Đồng cơ làm việc theo nguyên lý này
gọi là động cơ không đồng bộ (KDB) hay động cơ xoay chiều.
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 5
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Hình 1-1: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha
Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ω
o
(rad/s) hay n
o
(vòng/phút) thì tốc độ
quay của roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ω
o
; n < n
o
). Sai lệch tương tối
giữa hai tốc độ gọi là độ trượt s:
o
o

s
ω − ω
=
ω
(1-1)
Từ đó ta có:
ω = ω
o
(1 – s) (1-2)
hay n = n
o
(1 – s)
(1-3)
Với:
2 n
60
ω =
π
(1-4)
o 1
o
2 n 2 f
60 p
ω =
π π
=

(1-5)
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 6
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ

f
1
- tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato.
Tốc độ ω
o
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, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1.
Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay
chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay:
o
2 1
np(n
f
6
)
s
0
f
−
= =
(1-6)
Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha
Phương trình đặc tính cơ:
Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa
là ba pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện
kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn
thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một
pha của động cơ như hình vẽ 1-2
Hình 1-2: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ

Trong đó:
U
1
– trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V)
I
µ
, I
1
, I
’
2
– dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã quy đổi về
stato (A)
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 7
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
X
µ
, X
1
, X
’
2
– điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đã
quy đổi về stato (Ω)
R
µ
, R
1
, R
’

2
– điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stato và mạch roto đã quy đổi
về stato (Ω).
Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ
giữa mômen quay và tốc độ của động cơ có dạng:
'
'
2
1 2
2
2
o 1 nm
3U
M
R
s R X
s
R
,[Nm]
=
 
 
ω +
 
 ÷
 
 
 
+
(1-7)

Trong đó:
X
nm
– điện kháng ngắn mạch, X
nm
= X
1
+ X
’
2
Đường đặc tính cơ:
Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những
giá trị của M. Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1-4,
đó là đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 8
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Hình 1-3: 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
th
2 2
1 nm
'

R
R
s
X+
±=
(1-9)
Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:
2
1
th
2 2
o 1 1 nm
3U
M
2 (R R X )+ω ±
=
(1-10)
Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị s
th
và M
th
của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+).
Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KDB là một đường cong phức tạp
có hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng.
Trên đoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động
cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên
đoạn này động cơ làm việc không ổn định.Trên đường đặc tính cơ tự nhiên,
điểm B ứng với tốc độ ω = 0 ( s = 1 ) và momen mở máy:
1.2 VÀI NÉT SƠ BỘ VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO
LỒNG SÓC.

Ta đi tổng quan về động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hai
dây quấn trong đó chỉ có dây quấn stato (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lưới
với tần số f
s
, dây quấn rôto (dây quấn thứ cấp) được nối ngắn mạch (hoặc được
khép kín qua điện trở). Dòng điện trong dây quấn rôto được lấy cảm ứng từ phía
dây quấn stato, có tần số f
r
và là hàm của tốc độ góc rôto ω
r
. So với động cơ
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 9
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-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 độ khó khăn hơn so với động cơ một
chiều. Trong thời gian gần đây, với sự hỗ trợ của một số nghành khoa học khác
như: Điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý đã làm tăng khả năng sử dụng đối
với động cơ không đồng bộ ngay cả trong những trường hợp có yêu cầu điều
chỉnh tự động
tốc độ trong dải rộng với độ chính xác cao mà trong các hệ truyền động trước
đây 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 lý
cảm 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 vì
chế tạo đơn giản,giá rẻ,độ tin cậy cao,vận hành đơn giản,hiệu suất cao,và gần
như không bảo trì.dải công suất rất rộng.
Các chi tiết chính của động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc như hình
01 Thân động cơ 10 Cánh quạt gió ngoài
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 10

GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
02 Trục động cơ 11 Nắp ổ lăn ngoài sau
03 Nắp ổ lăn ngoài trước 12 Nắp che quạt gió
04 Năp trước 13 Thân hộp cực
05 Móc cẩu 14 Nắp hộp cực
06 Cum lõi thép STATO 15 Ống ra dây
07 Cụm lõi thép RÔTO 16 Then đầu trục
08 Nắp sau 17 Vít tiếp địa
09 Vòng bi

Hình ảnh về rotor lồng sóc:
Lá thép của rotor và stator:
Các thanh nhôm được gắn trên rotor (thành dạng "cái lồng nhốt con sóc" nên
gọi là "lồng sóc"):
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 11
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ
Ta có từ phương trình momen của động cơ :
])
'
[(
'
3
22
2
11
2
2
1

X
S
R
Rw
S
R
U
M
nm
++
=
ta có
thể dựa vào đó để điều khiển moomen bằng cách thay đổi các thông số như điện
trở phụ,tốc độ trượt,và tần số nguồn cấp.
• Điều khiển điện áp stator
Do momen động cơ không đồng bộ tỷ lệ bình phương điện áp stato,do đó
có thể điều chỉnh được momen và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều
chỉnh điện áp stato trong khi giử nguyên tần số.đây là phương pháp đơn
giản nhất.chỉ sử dụng một bộ biến đổi 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 máy bơm,quạt gió.
• Điều khiển điện trở roto
Sử dụng trong cơ cấu dịch chuyển cầu trục,quạt gió,bơm nước;bằng việc điều
khiển tiếp điểm hoặc trisistor làm ngắn mạch/hở mạch điện trở phụ ,của roto ta
điều khiển được tốc độ động cơ,phương pháp này có ưu điểm mạch điện an
toàn,giá thành rẻ.nhược điểm:đặc tính điều chỉnh không tốt,hiệu suất thấp,vùng
điều chỉnh không rộng.
• Điều chỉnh công suất trượt
Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm
mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt

∆
p
s
=
δ
p
đt
được tiêu tán trên điện trở mạch roto.ở các hệ thống truyền động điện công
suất lớn,tổn hao này là đáng kể.vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 12
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
động điện,vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ công
suất trượt (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 lưới thì tiết kiệm được năng lượng
-khi điều chỉnh với
ω
<

1
ω
:được gọi là điều chỉnh nối cấp dưới đồng bộ (lấy
năng lượng P
s
ra phát lên lưới).
- khi điều chỉnh với
ω
>
1
ω
(s<0):điều chỉnh công suất trượt trên đồng bộ (nhận
năng lượng p
s
vào ) hay còn gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ hai nguồn
cung cấp.
- nếu tái sử dụng năng lượng P
s
để tạo P
cơ
: được gọi là truyền động nối cấp
cơ.phương pháp này không có nghỉa nhiều vì khi
ω
giảm còn 1/3
1
ω
thì P
s
=
2/3.P

1
tức là công suất động cơ 1 chiều dùng để P
s
phần gần đúng bằng động cơ
chính xoay chiều.nếu không nên điều chỉnh
ω
xuống.trong thực tế ta không dùng
phương pháp này.
• Điều chỉnh tần số nguồn cấp stator
Khi điều chỉnh tần số động cơ đồng bộ thường phải điều chỉnh cả điện áp,dòng
điện,hoặc từ thông trong mạch stator 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 điện động stator động cơ được điều chỉnh
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 thể điều
chỉnh tốc độ ở 2 vùng:
vùng dưới tốc độ cơ bản : giử từ thông không đổi qua điều khiển tỷ số sức điện
động khe hở/tần số là hằng số
vùng trên tốc độ cơ bản :giử công suất động cơ không đổi,điện áp được duy trì
không đổi,từ thông động cơ giảm theo tốc độ.
+theo khả năng quá tải :
Để đảmbảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá tải dòng
thì cần phải điều chỉnh cả điện áp.đối với biến tần nguồn áp thường có yêu cầu
giử cho khả năng quá tải về momen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 13
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
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 hạ )thì luật điều chỉnh u
s
/f
s
không đổi.
+điều chỉnh từ thông:
Trong chế độ định mức,từ thông là định mức và mạch từ là tối đa.luật điều
chỉnh tần số - điện áp là giử gần đúng từ thông không đổi trên toàn dải điều
chỉnh.tuy từ thông động cơ trên mổi đặc tính cơ còn phụ thuộc rất nhiều vào độ
trượt s,tức là phụ thuộc vào momen tải trên trục động cơ.vì vậy trong các hệ
điều chỉnh yêu càu chất lượng cao cần tìm cách bù từ thông. Phương pháp này
có nhược điểm là mổi đông 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 từ
thông roto mà không cần cảm biến tốc độ.
+ Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện:
Phương pháp điều chỉnh này sử dụng biến tần nguồn dòng. Biến tần nguồn
dòng có ưu điểm là tăng được 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 lưu 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 thường dùng chỉnh lưu
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 được thực hiện

tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp.
+ Điều chỉnh vectơ dòng điện:
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 và việc chuyển mạch của các van phụ thuộc lẫn nhau.
• Điều khiển trực tiếp mômen
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 14
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Ra đời năm 1997, thực hiện được đáp ứng nhanh. Vì ψ
r
có quán tính cơ nên
không biến đổi nhanh được, do đó ta chú trọng thay đổi ψ
s
không thay đổi ψ
r
.
Phương pháp này không điều khiển theo quá trình mà theo điểm làm việc. Nó
khắc phục nhược điểm của điều khiển định hướng trường vectơ rôto ψ
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 hưởng của bão hoà mạch từ tới
R
s
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 XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN FOC

1.4.1 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 ưu nhằm 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 điều
khiển chính xác giá trị moment tức thời của động cơ đặt ra trong các hệ truyền
động có đặc tính truyền động cao và sử dụng phương pháp điều khiển vị trí trục
roto
Việc điều khiển moment ở xác lập có thể mở rộng cho quá độ được thực hiện
trong.
Việc điều khiển động cơ theo nguyên lý định hướng từ trường có nhiều phương
pháp 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 pháp
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 15
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
phân tách phi tuyến được sử dụng trong điều khiển các hệ thống phi tuyến . Bản
chất của phương pháp này là điều khiển các biến đã chọn sao cho chúng luôn
bằng 0 . Như vậy mô hình toán học sẽ trở nên đơn giản hơn vì có thể loại bỏ 1 số
nhánh trong mô hình tổng quát
1.4.2 XÂY DỰNG CƠ SỞ THUẬT TOÁN FOC.
1.4.2.1 MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Đối với các hệ truyền động điện đã được số hoá hoàn toàn, để điều khiển
biến tần người ta sử dụng phương 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. 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 các
cuộn dây stator.
Giả thiết : - Cuộn dây stato, roto đối xứng 3 pha, rôto vượt góc θ.
- Tham số không đổi.
- Mạch từ chưa bão hoà.
- Khe hở không khí δ đồng đều.
- Nguồn ba pha cấp hình sin và đối xứng (lệch nhau góc 2π/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.
:ψ
k
là từ thông cuộn dây thứ k. ψ
k
=ΣL
kj
i
j
. Nếu i=k: tự cảm, j≠k: hỗ cảm.
Ví dụ:ψ
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

NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 16
dt
dRIU
k
kkk
Ψ
+=
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
L
aA
=L
bB
=L
cC
=L
Aa
= L
Bb
=L
Cc
=Mcosθ
L
aB
=L

bC
=L
cA
=L
Ba
= L
Cb
=L
Ac
=Mcos(θ+2π/3)
L
aC
=L
bA
=L
cB
=L
Ca
= L
Ab
=L
Bc
=Mcos(θ -2π/3)
})({
rm
t
s
iL
d
d

iM
ϑ
ϑ
=
Các hệ phương trình trên là các hệ phương trình vi phân phi tuyến có hệ số biến
thiên theo thời gian vì góc quay θ phụ thuộc thời gian:
θ = θ
0
+∫ω(t)dt
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.
_ _ _ _
i
s
= , i
r
= , u
s
= , u
r
=
[R
s
]

= [R
r
]

=
[L
s
]

= [L
r
]

=
[L
m
(θ)]=M.
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 17
i
a
i
b

i
c

i

c

u
A

u

B

u
C

u
a
u
b

u
c

i
A

i
B

i
C
R
S
0 0
0 R
S
0
0 0 R
S

R
r
0 0
0 R
r
0
0 0 R
r

L
S1
-M
S
-M
S

-M
S
L
S1
-M
S

-M
S
-M
S
L
S1

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
dt
d
LrR(L
dt
d
(L

dt
d
dt
d
LR
r
t
m
mSS
+
+
)
)
ϑ
ϑ
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
= x
= x
})({
rm
t
s
iL
d
d
iM
ϑ
ϑ
=
Các hệ phương trình trên là các hệ phương trình vi phân phi tuyến có hệ số biến

thiên theo thời gian vì góc quay θ phụ thuộc thời gian:
θ = θ
0
+∫ω(t)dt
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.
1.4.2.2 PHÉP BIẾN ĐỖI TUYẾN TÍNH KHÔNG GIAN VECTO
Trong máy điện ba pha thường dùng cách chuyển các giá trị tức thời của điện áp
thành các véc tơ không gian. Lấy một mặt phẳng cắt môtơ theo hướng 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: Tương quan giữa hệ toạ độ
αβ
và toạ độ ba pha a,b,c
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 18
i
s
+1(α)
+j(β)
i
s
a.i
b
a
2
.i
c
I
a

i
sα
i
sβ
i
s
i
r
ψ
s
ψ
r
[L
S
] [L
m
(θ)]
[L
m
(θ)]
t
[L
r
]
u
s
u
r
i
s

i
r
3
2Π
=
j
ea
i
s
a.i
b
a
2
.i
c
I
a
x
y
θ
k
ω
k
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
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
α
,i
s
β
.
βα
ss
jii +=
s
i
)2(
3
1

}Re{i
s cbas
iiii
−−==
α
)(
3
3
}Im{i
s cbs
iii −==
β
Hình 2-2: Cuộn dây 3 pha nhìn trên
αβ
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 (α, β) 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 i
s
lên một hệ trục xy bất kỳ quay với tốc độ ω
k
:
θ
k
=θ
0
+ ω
k
t

 Nếu ω
k
=0, θ
0
=0 :đó là phép biến đổi
với hệ trục α, β (biến đổi tĩnh)
 Nếu ω
k
=ω
1
, θ
0
tự chọn bất kỳ (để đơn
giản một phương trình cho x trùng ψ
r
để
ψ
ry
=0): phép biến đổi d,q.
 Nếu ω
k
= ω
1
- ω =ω
r
: hệ toạ độ cố
định α,β đối với rôto (ít dùng).
Hìh 2-3: Chuyển sang hệ toạ độ quay bất
kỳ
Các hệ toạ độ được mô tả như sau:

NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 19
u
β
u
α
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Hình 2-4: Các đại lượng i
s
,
ψ
r
của động cơ trên các hệ toạ độ
Các phương trình chuyển đổi hệ toạ độ:
a,b,c  αβ:
)(
3
1
bas
as
iii
ii
+=
=
β
α
αβ  d,q
i
sd
= i
s

α
cosθ + i
s
β
sinθ
i
sq
= i
s
β
cosθ - i
s
α
sinθ
αβ  a,b,c:
).3(
2
1
).3(
2
1
βα
βα
α
ssc
ssb
sa
iii
iii
ii

−−=
+−=
=
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 20
pha C
β
θ
S
d
q
α
i
s
β
i
s
α
i
s
q
i
s
d
pha B
pha A
hướng trục rôto
ψ
r
i
s

GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
d,q  αβ
i
s
α

= i
sd
cosθ - i
sq
sinθ
i
s
β

= i
sd
sinθ + i
sq
cosθ
1.4.2.3.HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ TRONG KHÔNG GIAN VECTO
Để dễ theo dõi ta ký hiệu :
Chỉ số trên s: xét trong hệ toạ độ stato (toạ độ α,β)
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
rrsrM
ipipm ∧=∧=
ψψ
(2-1)
Phương trình chuyển động :

dt
d
p
J
mm
cM
ω
+=
(2-2)
Phương trình điện áp cho ba cuộn dây stato :
dt
t
dtiRtu
dt
t
dtiRtu
dt
t
dtiRtu
sc

scssc
sb
sbssb
sa
sassa
)(
)(.)(
)(
)(.)(
)(
)(.)(
Ψ
+=
Ψ
+=
Ψ
+=
(2-3)
Tương tự như 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 được phương trình vectơ:
dt
diRu
s
s
s
ss
s
s
Ψ
+= .
(2-4)
Trong đó u
s
s
, i
s
s
, ψ
s
s
là các vectơ điện áp, dòng điện, từ thông stato.
Khi quan sát ở hệ toạ độ α,β:
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 21
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Đối với mạch rôto ta cũng có được phương trình như 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 được tính như sau:

dt
diR
r
r
r
rr
Ψ
+= .0
ψ
s
= i
s
L
s
+i
r
L
m
(2-5)
ψ
r
= i
s
L
m
+i
r

L
r
Trong đó L
s
: điện cảm stato L
s
= L
σ
s
+ L
m
(L
ós
: điện cảm tiêu tán phía stato)
L
r
: điện cảm rôto L
r
= L
σ
r
+ L
m
(L
ór
: điện cảm tiêu tán phía rôto)
L
s
: hỗ cảm giữa rôto và stato
(Phương 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).
a) Phương trình trạng thái tính trên hệ toạ độ cố định
αβ

Phương trình điện áp stato giữ nguyên, còn phương trình điện áp rôto có thay đổi
do rôto quay với tốc độ ω so với stato nên có thể nói hệ toạ độ αβ quay tương đối
với rôto tốc độ -ω
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
.
+=Ψ
+=Ψ
Ψ−
Ψ
+=
Ψ
+=
ω
(2-6)
Tìm cách loại bỏ ψ
s

và i
r
: ta rút từ phương trình thứ 3 và 4 trong hệ (2-6) được:
)(
)(
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
−−−−
−−−
−+=
−=
ψψ
ψ
(2-7)
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 22
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Đặt σ=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 phương 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
Ψ
+−Ψ+−=
Ψ
++=
)
1
(0
.
ω
σ
(2-8)
Biến đổi (2-8) sang dạng từng phần tử của vectơ :

βαβ
β
βαα
α
ββαβ
β
αβαα
α
ψωψ
ψ
ωψψ
ψ

σ
ψ
σ
σ
ωψ
σ
σ
σ
σ
σ
σ
ψ
σ
σ
ωψ
σ
σ
σ
σ
σ
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 phương trình thứ 2 của (2-5) vào phương 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
∧ψ=−ψ∧ψ−=∧ψ−=
2
31
2
3
2
3
(2-10)
Thay các vectơ trong (2-10) bằng các phần tử tương ứng ta được :
)ii(
L
L
.p.m
srsr
r
m
M
αββα
ψ−ψ=
2
3
(2-11)
Từ hệ phương trình (2-9) và phương trình (2-11) ta có công thức mô tả động cơ
không đồng bộ trên hệ toạ độ αβ, trong đó thay T

σ
theo công thức:
rs
TTT
σ
σ
σ
σ
−
+=
111
αββ
βαα
ββαβ
σ
αβαα
σ
ωψψ
ωψψ
σ
ψ
σ
σ
ωψ
σ
σ
σ
ψ
σ
σ

ωψ
σ
σ
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)
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 23
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
Từ (2-13) ta lập được mô hình điện cơ của động cơ không đồng bộ trên hệ toạ độ
αβ như sau:
Hình 2-5: Mô hình động cơ trên hệ toạ độ cố định
αβ

Đầu vào của mô hình là đại lượng 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
α
, i
s
β
Hệ phương trình (2-9) khi viết lại dưới dạng ma trận:

s
s
sss
s
uBxA
dt
dx
+=
(2-13)
Trong đó:
NSVTH: Nguyễn Ngọc Hà – Lê Đình Hân LỚP Đ1K6 Page 24
1-σ
σL
m
T
r
T
σ
1+pT
σ

1
σL
s
P
c
pJ
1-σ
σL
m
T
r
T
σ
1+pT
σ
1
σL
s
1-σ
σL
m
T
r
3p
c
L
m
2L
r
u

sα
u
sβ
i
sα
i
s
β
-
-
-
ψ
rβ
ψ
rα
m
M
m
C
L
m
L
m
ω
1
1+p
T
r
1
1+pT

r
GVHD:ThS.NGUYỂN ĐĂNG KHANG ĐỒ ÁN MÔN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỆN-CƠ
x
s
: ma trận trạng thái, x
sT
=[i
s
α
, i
s
β
, ψ
r
α
, ψ
r
β
]
u
s
s
: ma trận đầu vào, u
s
s
T
=[u
s
α
, u