Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ppsx

Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ
Chơng 1
tổng quan về động cơ KHÔNG ĐồNG Bộ
1.1 ứng dụng lý thuyết vectơ để mô tả động cơ không đồng bộ
Nh ta đã biết, đối với động cơ một chiều(ĐCMC) kích từ độc lập thì có
hệ phơng trình sau:
2
1





=
=
M k
M M M
k i
m k i


Trong đó:
M
m
- mômen quay của động cơ
M

- từ thông động cơ
M
i
- dòng phần ứng

k
i
- dòng kích từ
k
1
, k
2
- các hằng số động cơ
Dễ thấy từ thông động cơ
M

chỉ phụ thuộc vào dòng kích thích i
k
.Nói
cách khác ta có thể điều chỉnh và khống chế đợc
M

một cách dễ dàng, chắc
chắn. Thông thờng, trong phạm vi giải tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức,
M

đ-
ợc giữ ổn định ở giá trị định mức. ở giải tốc độ lớn hơn tốc độ định mức, tuỳ
thuộc vào tốc độ quay cụ thể ta phải giảm bớt
M

bằng cách giảm i
k
để giữ
cho sức từ động cảm ứng khỏi quá lớn. Mặt khác, tại mỗi điểm công tác của

động cơ, do từ thông đã đợc điều chỉnh ổn định ở một giá trị không đổi nên
mômen quay của động cơ sẽ tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng i
M
.
Tóm lại đối với ĐCMC kích từ độc lập có quan hệ:
~
M k
i

và
~
M M
m i
.
Hai dòng i
k
và i
M
có thể đợc sử dụng trực tiếp làm đại lợng điều khiển
cho từ thông và mômen quay của động cơ nếu nh ta thành công trong việc áp
đặt nhanh hai dòng điện đó. Hơn nữa do cấu trúc đơn giản của mạch kích từ
và mạch phần ứng nên việc áp đặt nhanh dòng điện (điều chỉnh không trễ) là
vấn đề dễ dàng và đã đợc giải quyết từ lâu.
Tuy nhiên đối với động cơ điện xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) không
còn các quan hệ rõ ràng giữa dòng với từ thông và dòng với mômen nh động
4
Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ
cơ một chiều mà ở đây tồn tại một cấu trúc mạch và các đại lợng điện ba pha
phức tạp. Phơng pháp mô tả ĐCXCBP trên hệ toạ độ từ thông rotor dựa trên
nguyên lý tựa từ thông rotor (T

4
R) là phép mô tả dẫn tới các tơng quan dòng-
từ thông và dòng-mômen giống nh đối với động cơ một chiều (ĐCMC) nhằm
đạt đợc các tính năng điều khiển tơng tự với ĐCMC. Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu
cụ thể phơng pháp trên.
1.1.1 Vector không gian và hệ toạ độ từ thông rotor.
ĐCXCBP dù là động cơ đồng bộ (ĐCĐB) hay động cơ không đồng bộ
(ĐCKĐB) đều có ba cuộn dây bố trí không gian tổng quát nh hình 1.1:


Hình 1.1: Sơ đồ cuộn dây và dòng của ĐCXCBP
Ba dòng pha phía stator i
su
, i
sv
, i
sw
của ĐCXCBP không nối điểm trung
tính thỏa mãn phơng trình:
i
su
(t) + i
sv
(t) + i
sw
(t) = 0 (1.1)
Trong đó dòng điện các pha thỏa mãn:
( ) cos( )
( ) cos( 120 )
( ) cos( 240 )

=
= +
= +
su s s
sv s s
sw s s
i t i t
i t i t
i t i t



(1.2 a,b,c)
5
Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ
Về phơng diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt đứng), động cơ xoay chiều ba
pha(ĐCXCBP) có ba cuộn dây lệch nhau một góc 120

. Nếu trên mặt cắt đó ta
thiết lập một hệ toạ độ phức với trục thực đi qua cuộn dây u của động cơ, ta có
thể xây dựng vectơ không gian sau đây :
i
s
(t) =
3

2
[ i
su
(t) + i
sv
(t)e
j120
+ i
sw
(t)e
j240
] (1.3)
=
s
i
e
j.

Trong đó:
f
s
- tần số mạch stator

s
= 2

f
s

=
s
t
Vectơ i
s
là một vectơ có môđun không đổi quay trên mặt phẳng phức(cơ
học) với tốc độ góc
s
và tạo với trục thực (đi qua trục cuộn dây pha u) một
góc

.
Hệ toạ độ stator ( hệ toạ độ cố định):
Lấy trục thực của mặt phẳng phức nói trên đi qua trục cuộn dây pha u
và đặt tên là trục

và trục ảo của nó là trục

. Chiếu vectơ i
s
lên hai trục

và

ta đợc 2 hình chiếu là
s
i

và
s

i
. Nh vậy ta có thể coi động cơ điện xoay chiều
nh động cơ điện 1 chiều với 2 cuộn cố định

và

thay thế cho 3 cuộn u,v,w.
Tóm lại:
i
s
=
s
i

+ j
s
i

Giữa hệ toạ độ stator với hệ toạ độ phức ban đầu có quan hệ:

1
( 2 )
3
s su
s su sv
i i
i i i

=
= +
(1.4a,b)

Tơng tự ta có thể biểu diễn tất cả các đại lợng của ĐCXCBP theo hệ toạ
độ stator cố định:
6
Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ


s
s s
s
s s
r
r r
r r
r
s s
s
i i ji
u u ju
i i ji
j
j

= +

= +


= +


= +


= +

(1.5 a,b,c,d,e)
Trong đó chỉ số r và s phía dới lần lợt cho mạch rotor và stator.
Hệ toạ độ từ thông rotor ( hệ toạ độ quay):
Giả sử ta quan sát một ĐCXCBP đang quay với tốc độ góc
d
dt


=

(hình 1.2) trong đó

là góc tạo bởi trục rotor và trục chuẩn (quy ớc là trục đi
qua tâm cuộn dây pha u). Trong hình 1.2 còn biểu diễn cả hai vector dòng
stator
s
i
và từ thông rotor
r

với môđun và góc pha ngẫu nhiên nào đó. Vector
từ thông rotor
r

quay với tốc độ góc
2
s
s s
d
f
dt


= =
.
7
Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ
Hình 1.2: Biểu diễn vector không gian trên hệ toạ độ từ thông rotor (hệ tọa
độ dq)
Đối với ĐCĐB thì trục của từ thông rotor cũng chính là trục rotor và do

đó
s

=
. Đối với ĐCKĐB (đối tợng mà ta cần quan tâm) thì sự chênh lệch
giữa

và
s

sẽ tạo nên dòng điện rotor với tần số
r
f
và vận tốc góc
2
r r
f

=
.
Hệ toạ độ từ thông rotor là hệ toạ độ có 2 trục d và q trong đó trục d
(trục thực) có hớng trùng với hớng của vector
r

và gốc toạ độ trùng gốc toạ
độ của hệ

. Để phân biệt các vector đợc biểu diễn trong hệ toạ độ nào ký
hiệu phía trên bên phải của vector: chỉ số f cho hệ toạ độ dq và chỉ số s cho hệ
toạ độ

.
Khi đó vector dòng điện stator đợc biểu diễn trong hệ toạ độ dq:
8
Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ
.
f
s sd sq
i i j i= +
(1.6)
Giữa hệ toạ độ dq và hệ toạ độ

có quan hệ:
.
.
s
j
f s
s s
i i e


=
(1.7)
hay:
sin cos
cos sin
sd s s s s
sq s s s s
i i i

i i i




= +



=


(1.8 a,b)
Tơng tự các vector khác có thể đợc biểu diễn trên hệ toạ độ dq theo
công thức (2.9):


f
s
sd sq
f
r
rd rq
f
rd rq
r
f
sd sq
s
u u ju

i i ji
j
j



= +


= +


= +


= +


(1.9 a,b,c,d)
Trong công thức (1.9) ta chú ý rằng
rq

=0 do trục q vuông góc với
vector
r

. Tuy nhiên trong thực tế rất khó tính tuyệt đối chính xác góc
s

do

đó ta vẫn giữ
rq

để bảo đảm tính khách quan trong khi quan sát.
1.1.2 Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ ( ĐCKĐB) rotor lồng
sóc.
Ngoài ĐCKĐB rotor lồng sóc còn có ĐCKĐB rotor dây quấn. Tuy
nhiên, loại rotor lồng sóc đã chiếm u thế tuyệt đối trên thị trờng vì các lý do:
dễ chế tạo, không cần bảo dỡng, kích thớc nhỏ hơn. Mặt khác, các u thế trớc
kia của loại rotor dây quấn về khả năng dễ điều chỉnh không còn nữa vì sự
phát triển của kỹ thuật vi xử lý đã cho phép thực hiện thành công các kỹ thuật
điều chỉnh phức tạp đối với loại rotor lồng sóc. Do đó trong đồ án này ta chỉ
đề cập đến ĐCKĐB rotor lồng sóc.
1.1.2.1 Hệ phơng trình cơ bản của động cơ.
Ta có hệ phơng trình cơ bản của động cơ không đồng bộ biểu diễn
dới dạng vectơ trong hệ toạ độ cố định stator nh sau:
9
Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ
0
s
s s
s
s s
s
r
r
r
r
r
s r

s m
s
s r
m r
r
d
u R i
dt
d
R i
dt
i L i L
i L i L





= +




= +



= +

= +

(1.10 a,b,c,d)
Trong đó: chỉ số r là vectơ quan sát trên hệ thống rotor lồng sóc
R
r
điện trở rotor đã tính quy đổi về stator
0
vector 0 ( vector có môđun bằng 0)
s m s
L L L

= +
điện cảm stator
r m r
L L L

= +
điện cảm rotor
m
L
hỗ cảm giữa rotor và stator
s
L

điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator
r
L

điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor

Ngoài ra còn có phơng trình mômen :
3 3
( ) ( )
2 2
s r
M c c
s r
m p i p i

= ì = ì
(1.11)
Phơng trình chuyển động:
M T
c
J d
m m
p dt

= +
(1.12)
Trong đó:
m
T
: mômen cản, mômen tải
J : mômen quán tính cơ

: tốc độ góc của rotor
1.1.2.2 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ toạ độ từ thông rotor
Quan hệ giữa các vector trong hệ toạ độ

và các vector trong hệ toạ
độ dq nh sau:
10
Ch¬ng 1 Tæng quan ®éng c¬ kh«ng ®ång bé
s
s
s
s f
j
s s
s f
j
s s
s f
j
s s
u u e
i i e
e
ϑ
ϑ
ϑ
ψ ψ

=


=



=


(1.13 a,b,c,d)
MÆt kh¸c c¸c vector trong hÖ to¹ ®é rotor cã quan hÖ víi c¸c vector
trong hÖ to¹ ®é dq nh sau:
r
r
r f
j
r r
r f
j
r r
i i e
e
ϑ
ϑ
ψ ψ

=


=


(1.14 a,b)
Tõ c¸c quan hÖ trªn ta cã thÓ thu ®îc hÖ ph¬ng tr×nh vect¬ cña §CK§B
trªn hÖ to¹ ®é dq nh sau:

0

f
f f f
s
s s
s s
s
f
f f
r
r
r r
r
f f f
s r
s m
s
f f f
s r
m r
r
d
u R i j
dt
d
R i j
dt
i L i L
i L i L

ψ
ω ψ
ψ
ω ψ
ψ
ψ

= + +




= + +



= +


= +

(1.15 a,b,c,d)
Ttõ hÖ trªn ta suy ra m« h×nh tr¹ng th¸i cña §CK§B:
' '
' '
'
' '
'
' '
1 1 1 1 1

( )
1 1 1 1 1
( )
1 1
( )
1 1
( ) -
sd
sd s sq rd rq sd
s r r s
sd
s sd sq rd rq sq
s r r s
rd
sd rd s rq
r r
rq
sq s rd rq
r r
di
i i u
dt T T T L
di
i i u
dt T T T L
d
i
dt T T
d
i

dt T T
σ σ σ
ω ψ ωψ
σ σ σ σ σ
σ σ σ
ω ωψ ψ
σ σ σ σ σ
ψ
ψ ω ω ψ
ψ
ω ω ψ ψ
− − −

= − + + + + +


− − −
= − − + − + +




= − + −



= − −


(1.16 a,b,c,d)

Trong ®ã:
'
/
rd rd m
L
ψ ψ
=
'
/
rq rq m
L
ψ ψ
=
/
s s s
T L R=
h»ng sè thêi gian stator
/
r r r
T L R=
h»ng sè thêi gian rotor
11
Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ
2
1 /( )
m s r
L L L

=
hệ số tiêu tán tổng

Ta có đợc 2 công thức quan trọng của từ thông và mômen là:
1
3
2
m
rd sd
r
m
M c rd sq
r
L
i
pT
L
m p i
L



=

+



=


(1.17 a,b)
Hệ phơng trình trên cho thấy u điểm của phơng pháp điều khiển tựa

theo từ thông rotor là đa tới các tơng quan dòng-từ thông và dòng-mômen
giống nh động cơ một chiều do đó ta có thể sử dụng các thành phần dòng
sd
i
và
sq
i
trực tiếp làm đại lợng điều khiển cho từ thông và mômen quay của động cơ
nếu nh ta thành công trong việc áp đặt nhanh hai thành phần dòng điện đó.
12
Ch¬ng 1 Tæng quan ®éng c¬ kh«ng ®ång bé
1.2 HÖ thèng ®iÒu khiÓn vect¬ §CK§B
13
Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ
1.2.1 Tổng quan về phơng pháp điều khiển véctơ
Nguyên lý điều khiển véctơ dựa trên ý tởng điều khiển động cơ không
đồng bộ tơng tự nh điều khiển động cơ một chiều.
Hình 1.4 mô tả sự tơng tự này: ở động cơ điện một chiều nếu ta bỏ
qua phản ứng phần ứng, coi mạch từ cha bão hoà khi đó mômen của động cơ
một chiều đợc tính bởi công thức sau:
M = kI =kI
kt
I (1.18)
trong đó:
I
kt
, I : là dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng của động cơ.
: là từ thông của động cơ.
ở đây dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ không phụ thuộc vào
nhau, do đó ta có thể điều khiển độc lập dòng điện phần ứng và dòng điện

kích từ để đạt đợc mômen mong muốn. Nếu ta duy trì dòng điện kích từ
không đổi thì mômen đợc điều khiển bởi dòng điện phần ứng.
Cách điều khiển này có thể áp dụng cho động cơ không đồng bộ nếu ta
sử dụng lý thuyết vectơ không gian để mô tả các trạng thái của động cơ không
đồng bộ. Với ý tởng định nghĩa vectơ không gian dòng điện của động cơ và
mô tả động cơ trên hệ tọa độ quay với tốc độ đồng bộ với từ trờng stator (
s
).
14
Đ
I
|
I
kt
+
-
M = kI
|
=kI
kt
I
|
Hệ điều khiển một chiều
Đk và NL
M = K
r
I
sq
= KI
sd

I
sq
Hệ điều khiển vectơ
ĐK
Hình 1.4: Sự t%ơng tự giữa ph%ơng pháp điều khiển động cơ một chiều và
điều khiển vectơ ĐCKĐB.
Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ
Véctơ dòng điện stator I
s
đợc phân tích thành hai thành phần trên hai trục dq
vuông góc với nhau: I
sq
, I
sd
. Nếu chọn trục d trùng với trục của từ thông rôto
thì phơng trình mômen của động cơ đợc biểu diễn nh sau:
M = K
r
I
sq
= KI
sd
I
sq
(1.19)
Nh vậy nếu ta điều khiển độc lập các thành phần của dòng điện Stator
trên hai trục vuông góc của hệ tọa độ quay đồng bộ với từ trờng quay (hệ dq)
thì việc điều khiển động cơ không đồng bộ tơng đơng với việc điều khiển
động cơ một chiều. Trong trờng hợp này thành phần I
sd

đóng vai trò tơng tự
nh thành phần dòng kích từ, còn thành phần I
sq
đóng vai trò nh dòng điện phần
ứng I.
Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng
bộ đợc mô ta ở hình 1.6. Trên hình 1.6 ta không vẽ bộ nghịch lu và coi thành
phần dòng điện ba pha chuẩn nhận đợc từ hệ thống điều khiển. Bằng hai phép
biến đổi tọa độ (abc/) và (/dq) cộng với việc xác định đợc góc quay của
từ trờng
s
ta nhận đợc hai thành phần: I
sd
, I
sq
, hai thành phần này đợc đặt vào
mô hình của động cơ nh hình 1.6.
Dựa vào nguyên tắc xác định góc
s
của từ trờng quay ta có thể chia ra
thành 2 phơng pháp điều khiển vectơ.
15
dq


abc

dq
abc

Mô hình
động cơ
trong hệ
tọa độ dq
Phần điều khiển Phần chấp hành
Biến đổi ng|ợc tọa độ Biến đổi thuận tọa độ
I
*
sd
I
*
sq
I
sd
I
sq
i
*
s
i
*
s
i
*
sa
i
*
sb
i
*

sc
i
sa
i
sb
i
sc
i
s
i
s
Hình 1.6 : Sơ đồ khối cơ bản của hệ điều khiển vectơ ĐCKĐB.

s

s


d
q

s

r

r

r
Hình 1.5: Biểu đồ pha trong điều khiển vectơ.

s
Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ
1.2.2 Phơng pháp điều khiển vectơ trực tiếp.
Coi góc
s
là góc pha của vectơ từ thông roto, do đó tính góc
s
từ các
thành phần vectơ từ thông roto.
Phơng pháp này đợc đề xuất bởi F. Blashke, nó dựa trên nguyên lý xác
định trực tiếp góc quay của từ trờng
s
từ các thành phần từ thông khe hở hoặc
từ thông rôto trên hai trục d và q của hệ tọa độ dq. Sơ đồ khối của hệ thống
điều khiển vectơ trực tiếp sử dụng cảm biến từ thông đợc trình bày ở hình 1.7
Các thành phần cos
s
và sin
s
đợc tính từ các thành phần từ thông khe
hở không khí trên hai trục tọa độ tĩnh đo đợc bằng cảm biến từ thông:

2
q0
2
d00
+=
(1.20)

0
d0
s
cos =
,



0
d0
s
sin =
(1.21)
Với
0d
,
0q
là các thành phần từ thông khe hở dọc trục và ngang trục.
1.2.3 Phơng pháp điều khiển véc tơ gián tiếp
16
R

-
s

*
s
R
M

- M
M
*
s
dq

dq

I
*
sd
I
*
sq
i
*
s
i
*
s
Biến
tần
ĐK
Tính :
cos
s
, sin
s
22
yx

+

sq

sd

0
i
*
sa
i
*
sb
i
*
sc
Hình 1.7 : Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vectơ trực tiếp.
Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ
Coi
s
là góc quay cùng trục d. Nguyên lý của phơng pháp điều khiển
vectơ gián tiếp có thể đợc trình bày thông qua đồ thị góc pha sau:
Trục của hệ tọa độ quay đồng bộ (dq) lệch với trục của hệ trục tọa độ
tĩnh một góc là
s
. Ta có:

s
=

0
t
0
s
dt +

(1.22)
trong đó:
0
: vị trí ban đầu của

r
thờng ta chọn bằng không.

s
: tốc độ quay của hệ trục tọa độ dq nó cũng chính là tốc độ
quay của dòng điện stator, từ thông rôto. với
s
=
r
+
sl
Tốc độ trợt đợc xác định nh sau:


rr
sqm
sl
T
iL

=
(1.23)
Mômen của động cơ sẽ đợc tính nh sau:
i
L
L
sqr
r
m
p
2
3
M

=
(1.24)
Hình 1.9 sau biểu diễn sơ đồ cấu trúc tính toán :
s
17

s
q


d

rd
= |
r
|

I
sq
I
sd
i
s
Hình 1.8: Biểu đồ pha trong điều khiển vector gián tiếp.
( )
1pR/L
L
rr
m
+
r
rm
L
RL .
I
sd
I
sq
ữ
p
1

sl

s

s

Hình 1.9: Sơ đồ cấu trúc tính toán góc quay từ tr%ờng.
r


r
MS
TS
+
Chơng 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ
Hệ truyền động dùng phơng pháp điều khiển vectơ gián tiếp có thể làm
việc ở 4 góc phần t và tốc độ có thể điều chỉnh từ 0 đến định mức. Trong hệ
thống này cần thiết phải có tín hiệu về vị trí của rôto và chất lợng điều khiển
phụ thuộc vào các thông số của máy điện. Do đó để quá trình điều khiển là
độc lập thì các tham số cần phải điều chỉnh cho phù hợp với các tham số của
động cơ, đây là một vấn đề khó khăn. Thông số ảnh hởng đến đặc tính của hệ
thống và cần phải tính toán trong quá trình làm việc của hệ thống chính là
điện trở của rôto R
r
.
18