báo cáo nghiên cứu khoa học ' phương pháp điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ ba pha'

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009

55
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔMEN
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
A DIRECT TORQUE CONTROL OF THREE-PHASE INDUCTION MOTORS


Võ Như Tiến, Nguyễn Đức Quận
Trường Cao đẳng Công nghệ, ĐHĐN

TÓM TẮT
Bài báo nhằm giới thiệu những nghiên cứu về phương pháp điều khiển tốc độ động cơ
không đồng bộ ba pha bằng cách điều khiển trực tiếp mô men. Phương pháp này được xem
như là một hướng mới trong điều khiển động cơ không đồng bộ trong tương lai. Trong điều
khiển trực tiếp mô men, từ thông và mô men có thể được điều khiển trực tiếp bằng cách lựa
chọn véc tơ điện áp thích hợp. Phương pháp này cũng có yêu cầu nghiên cứu sâu hơn để cải
tiến sự hoạt động của động cơ, ngày càng đáp ứng tốt hơn cho yêu cầu của công nghiệp.
ABSTRACT
This article is mainly concerned with the investigation into a new control method for
three-phase induction motor speed by means of the Direct Torque Control (DTC). DTC is said to
be one of the future ways in the control of the induction machine. It is possible to control directly
the stator flux and torque by selecting an appropriate inverter state. This method still requires a
futher research so as to improve the motor performance, which tends to be more and more
significantly practical in current industries.
1. Đặt vấn đề
Phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DCT) là dựa trên tác động trực tiếp
của các véc tơ điện áp lên véc tơ từ thông móc vòng stator, làm thay đổi trạng thái của
vec tơ từ thông stator dẫn đến thay đổi trực tiếp tới mô men điện từ của động cơ. Đây là
phương pháp điều khiển đơn giản, ít phụ thuộc vào các thông số động cơ, đáp ứng mô
men nhanh, linh hoạt.

2. Mô hình trạng thái động cơ không đồng bộ (KĐB) trên hệ tọa độ αβ
Mục đích của việc mô hình hóa nhằm xây dựng các thuật toán điều chỉnh
λ Phương trình điện áp stator viết trên hệ thống cuộn dây stator:

ψ
ui
s
ss
s
s ss
d
R
dt
= +
(1)
R
s

: Điện trở Stator;
ψ
s
s
: Từ thông stator
λ Phương trình điện áp rotor trên hệ thống cuộn dây rotor ngắn mạch:
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009

56

ψ
0i

r
r
r
rr
d
R
dt
= +
(2)
R
r
ψ
r
r
: Điện trở rotor; : Từ thông rotor; 0: Vec tơ rỗng
λ Phương trình từ thông
ψii
ψ ii
s ss mr
r ms rr
LL
LL
= +


= +

với




+=
+=
rmr
sms
LLL
LLL
σ
σ
(3)
L
m
: Hỗ cảm; L
s
, L
r
L
: điện cảm phía stator, phía rotor.
σ
s
, L
σ
r
λ Phương trình chuyển động:
: điện cảm tản phía stator, phía rotor.
dt
dω
z
J
mm

p
WM
+= (4)
m
M
, m
W
J: Mômen quán tính;
ω
: Tốc độ góc cơ học của rotor
: Mômen động cơ, mômen tải, z: Số đôi cực;
3. Điều khiển trực tiếp mô men (DTC) động cơ KĐB ba pha
Mômen điện từ trong động cơ KĐB ba pha có thể được biểu diễn như sau:
m
M
3
2
s
Ps
zi
ψ
×
= (5)
Trong đó
s
ψ
là từ thông stator,
s
i
là dòng điện stator (cả hai được gắn với hệ

tham chiếu cố định gắn với stator) và z
P
3
. .sin( )
2
M Pss s s
mzi
ψ αρ
= −
là số đôi cực từ. Phương trình trên có thể được
biến đổi và biểu diễn như sau:
(6)
Trong đó
s
ρ
là góc từ thông stator và
s
α
góc của dòng điện stator, cả hai đều
được tính theo trục ngang của hệ tham chiếu cố định gắn với stator.
Nếu độ lớn của từ thông stator được giữ không đổi và góc
s
ρ
được thay đổi nhanh
thì mô men điện từ được điều khiển một cách trực tiếp.
2
3
.sin( )
2
m

M P r s sr
sr m
L
mz
LL L
ψ ψ ρρ
= ×−
−
(7)
Vì hằng số thời gian rotor là lớn hơn hằng số thời gian stator, từ thông rotor thay
đổi chậm hơn so với từ thông stator, thực tế từ thông rotor có thể được coi như là không
đổi. Chỉ cần độ lớn của từ thông stator được giữ không đổi, sau đó mô men điện từ có
thể được thay đổi và điều khiển nhanh chóng bằng việc thay đổi góc
sr
ρρ
−
.
Nếu sụt áp trên điện trở được bỏ qua cho đơn giản, thì điện áp stator tác động
trực tiếp tới từ thông stator theo đúng phương trình sau:
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009

57

s
s
d
u
dt
ψ
=

Hoặc:
ss
ut
ψ
∆=∆

Điều khiển mô men và độ lớn từ thông stator có thể thực hiện bằng cách tác
động trên thành tiếp tuyến và hướng tâm tương ứng của véc tơ không gian độ liên kết từ
thông stator trong quỹ đạo của nó. Hai t hành phần đó tỉ lệ trực tiếp với các thành phần
của cùng véc tơ không gian điện áp trong cùng hướng.
Các véc tơ điện áp được chọn lựa dựa trên sai lệch của từ thông stator và mô
men điện từ với các giá trị đặt. Tuỳ thuộc vào trạng thái sai lệch của từ thông và mô
men điện từ, một véc tơ điện áp tối ưu đã định trước được chọn để điều chỉnh đại lượng
về đúng với lượng đặt. Một biến tần ba pha đơn giản có thể cung cấp 8 véc tơ điện áp
chuẩn, trong đó có 2 véc tơ module 0 và 6 véc tơ module khác 0.
Biểu diễn quỹ đạo động của từ thông stator và nó có sự thay đổi khác nhau phụ
thuộc vào việc chọn trạng thái VSI. Quỹ đạo được chia thành sáu sector khác nhau:
Hình 1. Quỹ đạo từ thông stator và tác dụng các vec tơ điện áp đóng ngắt
FD: từ thông giảm. FI: từ thông tăng. TD :mô men giảm. TI: mô men tăng.
Tương ứng với hình 1, có thể lập bảng 1. Từ bảng 1 có thể thấy trạng thái V
k
và
V
k+3
Bảng 1. Bảng chọn cho điều khiển trực tiếp mô men, với “k” là số sector
không được xem xét trong mô men bởi vì chúng vừa có thể tăng (trong 30 độ đầu tiên)
hoặc giảm (trong 30 độ sau) mô men tại cùng một sector phụ thuộc vị trí từ thông stator.
Vec tơ điện áp Tăng Giảm
Từ thông stator V

k
,V
k+1
,V V
k-1

k+2
,V
k-2
,V
k+3

Mô men V
k+1
,V V
k+2

k-1
,V
k-2

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009

58
Bảng 2. Bảng chọn véctơ điện áp cho phương pháp điều khiển trực tiếp mô men
Φ
τ
S
S
1

S
2

S
3

S
4

S
5

6


FI
TI
V
V
2
V
3

V
4

V
5

V

6

1

T=
V
V
0

V
7

V
0

V
7

V
0

7

TD
V
V
6

V
1

V
2

V
3

V
4

5


FD
TI
V
V
3

V
4

V
5

V
6

V
1

2

T=
V
V
7

V
0

V
7

V
0

V
7

0

TD
V
V
5

V
6

V
1

V
2

V
3

4

FI/FD:từ thông tăng/giảm, TD/=/I: mô men giảm/bằng/tăng, S
x
Φ
: sector từ thông
stator, : sai số độ lớn của từ thông stator,
τ
: sai số mô men.

Bảng chọn
véc tơ
điện áp
Bộ
biến tần
3
2
Tính toán biên
độ và góc quay
từ thông
Tính toán

mô men
Tính
Uα Uβ
ĐC
KĐB
Vị trí véc tơ từ
thông stator
Udc
Td
Ψd
Ψ
T
T
T

Hình 2. Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp mô men động cơ không đồng bộ
Phương pháp điều khiển trực tiếp momen sử dụng vectơ từ thông stator là nhân
tố điều khiển chính. Các thành phần toạ độ của vector từ thông stator trong hệ tọa độ
tĩnh d-q chỉ có thể xác định gián tiếp theo giá trị dòng điện và điện áp pha. Quan hệ từ
thông stator, điện áp pha và dòng điện pha:
s
s ss
d
u iR
dt
ψ
= +

⇒
dtRiu

s
s
s
s
)( −=
∫
ψ

Công thức (11) thuận tiện và đơn giản trong việc ước lượng từ thông stator vì
chỉ cần duy nhất điện trở pha stator và phép tính tích phân thực.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009

59

Hình 3. Mô hình Simulink cho cấu trúc điều khiển trực tiếp mô men
Kết quả mô phỏng của phương pháp điều khiển trực tiếp mô men
a. Đáp ứng từ thông b. Quỹ đạo từ thông
c. Đáp ứng mô men và tốc độ
Hình 4. Đáp ứng điều khiển trực tiếp mô men động cơ KĐB 3 pha
4. Kết luận
Động cơ không đồng bộ được dùng trong nhiều ứng dụng mà đòi hỏi đáp ứng
mô men nhanh và thực hiện truyền động chất lượng cao. Điều khiển trực tiếp mô men
cho động cơ không đồng bộ ba pha là phương pháp điều khiển trực tiếp lên mô men
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 6(35).2009

60
điện từ, trong đó tốc độ là đại lượng điều khiển gián tiếp. Phương pháp này đạt một số
ưu điểm sau:
- Ít phụ thuộc tham số của máy điện, chủ yếu phụ thuộc vào điện trở dây quấn
stato của động cơ

- Không sử dụng bộ điều khiển dòng điện và bộ điều biến độ rộng xung PWM
- Không cần biết vị trí rotor, kết cấu đơn giản, thời gian tác động nhanh
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Võ Như Tiến, Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không cần cảm
biến, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng – Số 4/2005.
[2] Võ Như Tiến, Bùi Quốc Khánh, Điều khiển trực tiếp mô men động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh c ửu bằng phương pháp logic mờ, Hội nghị toàn quốc lần thứ VI
(VICA 6), Hà Nội 12-14/4/2005.
[3] Võ Như Tiến, Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý tín hiệu số (DSP) điều khiển tốc độ
động cơ không đồng bộ, Đề tài NCKH cấp Bộ mã số B2008-ĐN 06-05.
[4] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Ditrich, Truyền động điện thông minh, NXB Khoa
học Kỹ thuật, 2004.
[5] M.R. Zolghadri, C. Pelisson, D. Poye (1996), Star Up of a Global Torque Control
Systerm, IEEE Trans. on Power Electronics, pp.370-374.
[6] Nash J. (1997), Direct Torque Control, Induction Motor Vector Control without an
Encoder, IEEE Trans. on Ind. Applications, Vol.33, No.2 pages 333-341.