luận văn thạc sĩ nâng cao chất lượng hệ truyền động dùng động cơ đồng bộ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (989.1 KB, 127 trang )
S húa bi Trung tõm Hc liu HTN
Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội
Võ Quang Vinh
Nghiên cứu phơng pháp điều khiển tối u thời gian thực ứng dụng
trong hệ thống điều khiển tay máy song song
Chuyên ngành : Dụng cụ, thiết bị tự động và điều khiển từ xa
Mã số : 2-05-06
Luận án tiến sỹ kỹ thuật
Ngời hớng dẫn khoa học
1. GS.TS. Nguyễn Trọng Thuần
2. TS. Võ Việt Sơn
I HC THI NGUYấN
I HC THI NGUYấN
TRNG I HC K THUN CễNG NGHIP
NNG CAO CHT LNG H TRUYN NG DNG
NG C NG B
LUN VN THC S T NG HO
NGUYN TH NGOAN
THI NGUYấN 2011
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG
DÙNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
Học viờn : Nguyễn Thị Ngoan
Ngƣời HD Khoa Học: TS Vừ Quang Vinh
THÁI NGUYấN 2011
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
***
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tƣ Do - Hạnh Phúc
o0o
THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI:
NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG DÙNG ĐỘNG CƠ
ĐỒNG BỘ
Học viờn
: Nguyễn Thị Ngoan
Lớp
: CH-K12
Chuyờn ngành
: Tự động hoá
Ngƣời hƣớng dẫn
: TS Vừ Quang Vinh
Ngày giao đề tài
: 11/2010
Ngày hoàn thành đề tài
: 8/2011
KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN
TS Vừ Quang Vinh
BAN GIÁM HIỆU
HỌC VIấN
Nguyễn Thị Ngoan
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trỡnh nghiờn cứu của riờng tụi. Cỏc số liệu, kết quả trong
luận văn là hoàn toàn trung thực theo tài liệu tham khảo và chƣa từng đƣợc ai công bố trong
bất kỳ công trỡnh nào khỏc.
Thỏi Nguyờn, ngày 10 thỏng 10 năm 2011
Tác giả luận văn
Nguyễn Thị Ngoan
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
1
LỜI CAM ĐOAN
Trong vài năm gần đây đã và đang có một số nhà khoa học trong nƣớc và
trên thế giới, quan tâm nghiên cứu hệ truyền động trực tiếp moment, chủ yếu tập
trung vào động cơ không đồng bộ. Đối với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
đang là vấn đề đƣợc quan tâm nghiên cứu, chƣa có công trình khoa học nào công
bố một cách đầy đủ và có tính thực nghiệm.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu
và kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực .
Tác giả luận văn
MỤC LỤC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
2
Trang
Lời cam đoan 1
Mục lục 2
Các chữ viết tắt 4
Danh mục các bảng 4
Danh mục các hình vẽ và đồ thị 5
Mở đầu 7
Chƣơng1: Tổng quan hệ thống truyền động ĐCĐBNCVC 10
1.1 Khái quát 10
1.2 Động học độngcơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 12
1.2.1 Phƣơng trình của ĐCĐBNCVC trong hệ toạ độ (a,b,c) 15
1.2.2 Phƣơng trình của ĐCĐBNCVC trong hệ toạđộ(d,q) 24
1.2.3 Phƣơng trình của ĐC trong hệ toạ độ từ thông stator (x,y) 26
1.3 Các sơ đồ điều khiển ĐCĐBNCVC 27
1.3.1 Vấn đề chung về điều khiển vectơ 27
1.3.2 Sơ đồ điều khiển vectơ dòng điện 29
1.4 Kết luận chƣơng 1 31
Chƣơng2: Điều khiển trực tiếp moment ĐCĐBNCVC 32
2.1 Điều khiển từ thông stator 33
2.2 Điều khiển moment 35
2.3 Lựa chọn vectơ điện áp 37
2.4 Ƣớc lƣợng từ thông stator, moment điện từ 38
2.5 Thiết lập bộ hiệu chỉnh từ thông 42
2.6 Thiết lập bảng chuyển mạch 44
2.7 Cấu trúc hệ thống điều khiển trực tiếp moment 45
2.8 Ảnh hƣởng của điện trở stator trong DTC 46
2.9 Bù ảnh hƣởng của điện trở stator 47
2.9.1 Sử dụng bộ biến đổi PI 47
2.9.2 Ƣớc lƣợng điện trở stator ở trạng thái nghỉ của động cơ 49
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
3
2.10 Mô phỏng và so sánh kết quả 52
2.11 Kết luận chƣơng 2 54
Chƣơng3: Điều khiển trực tiếp moment ĐCĐBNCVC tối ƣu dòng điện 56
3.1. Xây dựng quy luật điều khiển tỷ lệ tối ƣu T/I (MTPA) 57
3.1.1 Xây dựng quy luật giới hạn dòng điện 58
3.1.2 Xây dựng quy luật giới hạn điện áp 59
3.1.3 Cấu trúc điều khiển tỷlệ tối ƣu giữa moment/dòng điện (T/I) 62
3.1.4 Xác định Moment hằng sốvà công suất không đổi 62
3.2. Các phƣơng pháp xây dựng quy luật giới hạn I và U 64
3.2.1 Vận hành từ thông tối ƣu 66
3.2.1.1 Xây dựng giới hạn dòng điện và điện áp 66
3.2.1.2 Vận hành để moment đạt giá trị cực đại 67
3.2.1.3 Vận hành từ thông tối ƣu 67
3.2.2 Vận hành bằng bộ biến đổi PWM với máy bù áp 68
3.2.2.1 Vận hành khi máy bù áp nghỉ 68
3.2.2.2 Sự vận hành với máy bù áp 68
3.2.2.3 Đặc tínhvận hành bằng bộ biến đổi PWM với máybù áp 69
3.2.3 So sánh giữa hai phƣơng pháp vận hành 69
*. Kết qủa mô phỏng 71
3.3 Kết luận chƣơng3 76
Tài liệu tham khảo 77
Phần phụ lục 80
CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DTC (Direct Torque Control): điều khiển trực tiếp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
4
ĐCĐB : động cơ đồng bộ.
NCVC: nam châm vĩnh cửu.
PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor): động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu.
MTPA(maximum torque-per-ampere): quy luật điều khiển tỷ lệ tối ƣu
moment/dòng điện.
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
Ý nghĩa
Trang
2.1
Bảng lựa chọn vectơ điện áp điều khiển trễ mment 3 vị trí
44
1
Thông số ĐCĐBNCVC nghiên cứu
80
2
Thông số ĐCĐBNCVC nghiên cứu
80
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình
Ý nghĩa
Trang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
5
1.1
Mô hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực lồi
13
1.2
Mô hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực tròn
13
1.3
Từ thông rotor và stator trong các hệ toạ độ
24
1.4
Sơ đồ điều khiển vectơ trong truyền động ĐCĐBNCVC
28
2.1
Bộ biến tân
34
2.2
Vectơ điện áp tạo ra bởi biến tần
34
2.3
Sai lệch vectơ từ thông stator
35
2.4
Sự lựa chọn vectơ điện áp tuỳ thuộc theo vùng, với S=1
38
2.5
Thuận toán tính tích phân của Hu và Wu
39
2.6
Cấu trúc bộ ƣớc lƣợng
41
2.7
Hàm đầu ra của bộ hiệu chỉnh moment
42
2.8
Biến thiên moment sử dụng bộ hiệu chỉnh trễ 3 vị trí
43
2.9
Cấu trúc hệ thống DTC động cơ đồng bộ NCVC
45
2.10
Sơ đồ khối điều khiển trực tiếp moment động cơ đồng bộ NCVC
46
2.11
Sơ đồ cấu trúc DTC của ĐCĐBNCVC có bù Rs
48
2.12
Cấu trúc bù điện trở PI
48
2.13
Mô phỏng bằng matlab điều khiển 3 vị trí
52
2.14
Các đặc tính của động cơ khi điều khiển trễ 3 vị trí
53
3.1
Điều khiển quy luật T,
s
61
3.2
Biểu diễn giá trị của với quy luật điều khiển
61
3.3
Cấu trúc điều khiển tỷ lệ tối ƣu giữa T/I
62
3.4
Lƣu đồ thuật toán điều khiển moment hằng số và công suất
không đổi
63
3.5
Biến đổi PWM sử dụng cho từ thông tối ƣu.
64
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
6
3.6
Giải pháp bộ biến đổi PWM với máy bù áp
65
3.7
Quỹ đạo dòng điện của phƣơng pháp vận hành từ thông tối ƣu
72
3.8
Quỹ đạo dòng điện của phƣơng pháp vận hành bằng bộ biến đổi
PWM với máy bù áp
73
3.9
Biểu diễn đặc tính moment, dòng điện hãm tốc của phƣơng pháp
vận hành từ thông tối ƣu
74
3.10
Biểu diễn đặc tính moment, dòng điện hãm tốc của phƣơng pháp
vận hành bằng bôh biến đổi PWM với máy bù áp
75
MỞ ĐẦU
Nguyên tắc truyền động điều chỉnh bằng những động cơ đồng bộ đã đƣợc
biết đến từ thập niên 30. Tuy nhiên những ứng dụng của nó bắt đầu từ thập kỷ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
7
60, nhờ các phát minh mới, cho phép thực hiện những truyền động điều chỉnh
tốc độ ở mức độ khá hoàn chỉnh. Trong những năm gần đây với sự phát triển
mạnh mẽ của ngành điện tử công suất, các bộ biến đổi công suất ngày càng
nhanh hơn, mạnh mẽ hơn và mặt khác cùng với sự phát triển các ngành điện tử
học điều khiển, ngành tin học đã tạo điều khiển dễ dàng cho việc ứng dụng
chƣơng trình số vào toàn bộ hệ thống.
Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu rất hợp với loại hình truyền động
này. Loại máy này dần dần đƣợc ứng dụng vào hệ thống tự động, đòi hỏi một sự
đồng bộ tuyệt đối, nhất là đối với ứng dụng trong máy công cụ, tàu điện hay là
trong các truyền động trực tiếp trong lĩnh vực tự động hoá. Trong các ứng dụng
nhƣ thế, một số động cơ đồng bộ có công suất vài kilo Watts đƣợc sử dụng rộng
rãi. Các động cơ quay theo tần số áp đặt, với phƣơng pháp này cho phép tránh
đƣợc các trục truyền dẫn cơ học với khớp răng. Một số lợi ích khác của động cơ
đồng bộ nam châm vĩnh cửu cũng đƣợc quan tâm.
Đặc tính tƣơng quan giữa moment ngẫu lực – moment quán tính, tƣơng quan
công suất - trọng lƣợng, của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu tối ƣu so các
loại máy điện khác. Điều này không làm ảnh hƣởng đến hiệu quả của hệ thống
truyền động, có giá thành thấp, bảo quản dễ dàng vì không có bộ phận cổ góp
điện, sử dụng máy điện này thích hợp và thuận lợi ở môi trƣờng có chất ăn mòn
và bụi bẩn. Tuy nhiên loại máy này cũng có những bất tiện, nhất là tính chất
phức tạp của bộ điều khiển với bộ phận biến đổi đòi hỏi mạch điện tử khá phức
tạp, giá thành luôn ở mức cao, điều này sẽ dẫn đến giá thành của toàn bộ hệ
thống truyền động cao. Mặt khác sự tiến bộ kỹ thuật mới đây cho phép thực hiện
những bộ biến đổi càng ngày càng tinh vi và mạch điện ngày càng chắc chắn
hơn.
Điều khiển vectơ do Hass để nghị năm 1969, Blaschke năm 1972, Bose
năm 1986, cho phép điều khiển dòng điện xoay chiều cũng gần nhƣ điều khiển
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
8
dòng liên tục. Yêu cầu chung của điều khiển là điều chỉnh moment và từ thông
của máy điện, do vậy động học của moment rất nhanh, từ đó phƣơng pháp này là
cơ sở để thực hiện các ứng dụng trong kỹ nghệ tay máy, ngƣời máy, các máy
công cụ, điều khiển tàu điện,… Tuy nhiên trong cấu trúc này đòi hỏi phải biết
chính xác, bộ cảm biến vị trí sẽ rất đắt tiền và làm giảm khả năng vận hành hệ thống.
Trong những năm gần đây, những tiến bộ trong lĩnh vực điện tử công suất,
cũng nhƣ sử dụng các máy điện xoay chiều, đã cho phép thực hiện sự truyền
động với tốc độ thay đổi ở mức độ cải thiện khá cao và cho phép dễ dàng ứng
dụng máy điện vào hệ thống tự động hoá đòi hỏi sự đồng bộ tuyệt đối với chất
lƣợng truyền động cao, khả năng vận hành tốt, hệ thống truyền động sử dụng
máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đáp ứng đƣợc các yêu cầu chuyên biệt.
Việc nghiên cứu các ứng dụng về loại hình truyền động này là vấn đề có tính cấp
thiết và là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng và có tính thời sự hiện nay.
Bằng cách chọn lựa chiến lƣợc điều khiển trực tiếp moment và xây dựng
quy luật điều khiển tỷ lệ tối ƣu giữa moment/dòng điện của động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu, đây đƣợc xem nhƣ là một phát hiện mới, các kết quả thực
hiện mô phỏng và thực nghiệm chứng minh tính khả thi của đề tài.
Các nghiên cứu về lý thuyết đƣợc trình bày và xây dựng quy luật điều
khiển tỷ lệ tối ƣu giữa moment/dòng điện đƣợc xem là phƣơng pháp mới. Trong
điều khiển trực tiếp moment của của máy điện đồng bộ với từ thông và moment
đƣợc ƣớc lƣợng trƣớc. Việc ƣớc lƣợng từ thông và moment đƣợc thực hiện bằng
cách đo điện áp một chiều của biến tần và dòng stator. Một bộ chuyển mạch để
lựa chọn vectơ điện áp mà đầu ra không phụ thuộc vị trí rotor đƣợc đề nghị. Nhƣ
vậy phƣơng pháp điều khiển trực tiếp moment của máy điện đồng bộ không cần
cảm biến để xác định vị trí rotor, mà các phƣơng pháp trƣớc đây đã thực hiện.
Những mô phỏng và chiến lƣợc điều khiển, áp dụng vào máy điện đƣợc hỗ trợ
đắc lực bằng cách mô hình hoá toàn bộ hệ thống, nhờ phần mền Matlab kết hợp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
9
với Simulink. Các tiến bộ của luận văn có thể nhận thấy ở các bộ biến đổi, cũng
nhƣ ở mạch điều khiển nhằm làm cho hệ thống gọn nhẹ và thích nghi dễ dàng
với mọi ứng dụng, luận văn còn đề xuất mới là xét ảnh hƣởng điện trở stator và
đƣa ra phƣơng pháp bằng R
s
là tham số duy nhất của động cơ cần đến trong điều
hiển trực tiếp moment.
Đóng góp có ý nghĩa của luận văn là đề xuất xây dựng quy luật điều khiển
tỷ lệ tối ƣu giữa moment/dòng điện (T/I), các kết quả mô phỏng đã chứng minh
một cách thuyết phục ý nghĩa thực tiến của đề tài. Điều khiển trực tiếp theo một
quy luật, đáp ứng moment nhanh hơn nhiều so với phƣơng pháp điều vectơ
(nhanh hơn từ 57 lần), giảm đƣợc tổn thất trong động cơ.
Các chƣơng nội dung chính nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan hệ thống truyền động động cơ đồng bộ NCVC
Chƣơng 2: Điều khiển trực tiếp moment động cơ đồng bộ NCVC
Chƣơng 3: Điều khiển trực tiếp moment ĐCĐBNCVC tối ƣu dòng điện
Trong quá trình thực hiện luận văn, dƣới sự hƣớng dẫn Tiến sỹ Võ Quang
Vinh, tác giả đã nỗ lực thực hiện để hoàn thành các nội dung đề ra thuộc hƣớng
nghiên cứu. Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn các thầy trƣớc việc định
hƣớng rõ nét và góp nhiều ý kiến quí báu cho bản luận văn này.
Do hạn chế về thời gian cũng nhƣ về kiến thức của bản thân chắc chắn bản
luận văn này còn nhiều khiếm khuyết, tác giả sẽ rất hạnh nếu đƣợc tiếp nhận các
ý kiến phê phán các nội dung đề cập trong luận văn .
Chƣơng 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU (ĐCĐBNCVC)
1.1 Khái quát
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
10
Để biến đổi điện năng thành cơ năng thì động cơ điện đồng bộ là một trong
những thiết bị điện đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp .
Hệ truyền động điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ ba pha ngày nay đƣợc sử
dụng rộng rãi với giải công suất từ vài trăm W đến hàng trăm MW. Nó chiếm vị
trí quan trọng trong các hệ truyền động tự động. Ở giải công suất lớn và cực lớn
thì nó hoàn toàn chiếm ƣu thế. Tuy vậy ở công suất nhỏ và vừa nó phải cạnh
tranh với truyền động động cơ không đồng bộ và động cơ một chiều. Ngày nay
truyền động động cơ đồng bộ công suất nhỏ càng đƣợc chú ý nghiên cứu ứng
dụng thay thế động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ.
Đặc biệt các máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đƣợc sử dụng rộng rãi
trong các truyền động secvô công suất nhỏ máy công cụ (thí dụ động cơ trục
chính, truyền động vị trí,….) và trong kỹ thuật rôbôt.
Động cơ đồng bộ do có những ƣu điểm nhất định khi so sánh với động cơ
không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động. Động cơ đồng bộ đƣợc kích thích
bằng dòng điện một chiều nên có thể làm việc với cos = 1, không cần lấy công
suất phản kháng từ lƣới điện. Hệ số công suất của lƣới điện đƣợc nâng lên, giảm
điện áp rơi và tổn hao công suất trên đƣờng dây. So với hệ truyền động động cơ
không đồng bộ, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không gây tổn hao đồng ở
rotor do đó có hiệu suất cao. Do tổn thất đồng và tổn thất sắt thấp tập trung ở
stator nên việc làm mát cũng thuận tiện hơn. Do hiệu suất cao nên cho phép giảm
đƣợc kích thƣớc, đặc tính của máy có thể thay đổi rất nhiều tuỳ thuộc vào loại
nam châm và cách bố trí chúng trên rotor. So với động cơ một chiều, động cơ
đồng bộ nam châm vĩnh cửu không cần vành trƣợt và chổi than cho nên đơn
giản, dễ chế tạo, giá thành hạ làm việc tin cậy, ít phải bảo dƣỡng. Động cơ đồng
bộ nam châm vĩnh cửu còn có khả năng làm việc với tốc độ rất thấp và rất cao là
những vùng tốc độ mà truyền động động cơ một chiều khó đạt đƣợc.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
11
Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu có ƣu điểm của cả hai loại
động cơ một chiều và động cơ xoay chiều không đồng bộ và còn hơn thế nữa, nó
có sự tách biệt giữa phần cảm và phần ứng nên dễ dàng trong điều chỉnh tốc độ
và moment.
Tiêu chuẩn thiết kế các động cơ servo đồng bộ dùng cho truyền động máy
công cụ, tay máy và robot phải thoả mãn các yêu cầu sau đây:
- Mật độ từ thông khe hở không khí rất cao.
- Tỷ số “công suất/trọng lƣợng” cao (công suất lớn nhất có thể/ khối lƣợng
động cơ).
- Tỷ số “moment/quán tính” lớn (để đạt đƣợc gia tốc lớn).
- Moment đều (đập mạch moment nhỏ) ngày cả khi tốc độ rất thấp (để đạt
đƣợc độ chính xác cao về vị trí).
- Có thể điều khiển đƣợc moment mở máy
- Tốc độ vận hành cao.
- Có khả năng sinh moment lớn (thời gian tăng tốc, giảm tốc ngắn).
- Hiệu suất cao và hệ số cos cao.
- Cấu trúc vững chắc.
Có thể thoả mãn các yêu cầu này bằng sửng dụng điều khiển vector các máy điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Nguyên lý làm việc: ĐCĐBNCVC làm việc dựa trên sự tƣơng tác giữa từ
trƣờng quay của cuộn stator và từ trƣờng của nam châm vĩnh cửu đặt trên rotor
tạo nên. Khi số đôi cực của từ trƣờng stator và rotor nhƣ nhau, vận tốc quay của
các từ trƣờng bằng nhau (chế độ đồng bộ), thì xuất hiện lực kéo điện từ giữa các
cực từ của stator và rotor và hình thành moment điện từ. Động cơ khởi động
dƣới tác dụng của moment không đồng bộ hình thành do sự tƣơng tác giữa từ
trƣờng rotor và dòng điện trong dây quấn stator. Khi đạt tới vận tốc gần đồng bộ,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
12
nhờ tác dụng từ trƣờng quay stator và cực từ nam châm vĩnh cửu, rotor đƣợc kéo
vào đồng bộ.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, khởi động không đông bộ có nhiều
ƣu điểm hơn so với động cơ đồng bộ phản kháng và động cơ đồng bộ từ trễ. Chỉ
số năng lƣợng ( , cos) cao hơn, trọng lƣợng và kích thƣớc của máy bé hơn khi
có cùng công suất, khả năng quá tải và ổn định tần số quay lớn hơn.
1.2 Động học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
Máy điện đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu có kết cấu phía stator giống
ĐCKĐB: Đó là hệ thống cuộn dây nhận nguồn cung cấp điện ba pha. Khi đặt
điện áp xoay chiều ba pha lên hệ thống cuộn dây phía stator sẽ tạo ra dòng stator,
gây nên điện áp cảm ứng phía rotor và xuất hiện dòng rotor. Dòng phía stator có
tác dụng tạo nên từ thông stator, rotor và đó chính là nguyên nhân sinh ra
moment quay của máy điện. Điều kiện để xảy ra cảm ứng và tạo đƣợc moment là
tồn tại một “ sự trƣợt ” nhất định giữa chuyển động quay của rotor và của vetor
từ thông stator, đấy là nguyên tắc hoạt động của ĐCKĐB còn máy điện đồng bộ
ba pha kích thích vĩnh cửu có một hệ thống nam châm vĩnh cửa gắn chặt trên bề
mặt. Nghĩa là: Từ thông luôn luôn tồn tại, không còn nhu cầu trƣợt tốc độ để
cảm ứng từ stator sang rotor nữa và máy điện hoạt động hoàn toàn đồng bộ.
Mô hình động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đƣợc minh hoạ hình 1.1 và
hình 1.2 dƣới đây.
Trục chuẩn
q
Cuộn dây
rotor
stator
Cuộn dây
pha V
u
sw
u
sv
u
su
Cuộn dây
pha U
i
sv
i
su
i
sw
d
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
13
Hình 1.1 Mô hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực lồi
Hình 1.2 Mô hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cực tròn
Sự khác nhau cơ bản giữa ĐCKĐB và ĐCĐB là sự khác nhau trong phƣơng
thức sản sinh ra từ thông rotor. Từ thông rotor của ĐCKĐB đƣợc tạo nên bởi
dòng kích từ i
sd
, một thành phần của dòng stator, còn từ thông rotor của ĐCĐB
hoặc đƣợc tạo nên bởi một cuộn kích thích biệt lập với các cuộn dây stator, hoặc
bởi các phiến nam châm vĩnh cửu bố trí đếu đặn trên bề mặt rotor, vì lý do đó
Cuộn dây
pha W
rotor
stator
Cuộn dây
pha V
u
sw
u
sv
u
su
Cuộn dây
pha U
i
sv
i
su
i
sw
d
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
14
dòng điện stator chỉ còn chứa dòng tạo moment quay i
sq
và không còn dòng kích
từ i
sd
nữa. ĐCĐB sử dụng cuộn kích từ biệt lập có cấu trúc cơ học hình 1.1 (còn
đƣợc gọi là ĐCĐB cực lồi), loại kích thích bởi nam châm vĩnh cửu hình 1.2 (còn
đƣợc gọi là ĐCĐB cực tròn hay ẩn).
Qua mô hình động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ta thấy: từ thông rotor
luôn phân cực, có hƣớng nhất quán và cố định. Tính định hƣớng nhất quán ấy chỉ
phụ thuộc vào cấu trúc cơ học của máy điện và làm đơn giản đi rất nhiều việc
xây dựng mô hình điều khiển điều chỉnh động cơ.
Nếu nhƣ ở ĐCKĐB ta phải tìm cách ƣớc lƣợng biên độ từ thông rotor thì ở
ĐCĐB biên độ đó đã đƣợc biết trƣớc.
Nếu nhƣ ở ĐCKĐB ta phải tìm cách tính góc pha của từ thông rotor để có
thể điều chỉnh điều khiển tựa theo nó, thì ở ĐCĐB góc pha ban đầu đã đƣợc biết
trƣớc và do đó có thể liên tục đƣợc theo dõi chính xác bằng máy đo tốc độ quay
rotor. Hình 1.1 và hình 1.2 cho phép áp dụng ngay một cách thuận lợi các
phƣơng pháp điều chỉnh trên toạ độ dq mà không cần quan tâm đến toạ độ
nữa. Hệ thống kích thích bởi nam châm vĩnh cửu có thể đƣợc thay thể trong tính
toán bằng một hệ thống kích thích bởi cuộn kích và dòng kích tƣơng ứng nào đó,
điều đó cho phép ta chỉ cần xét đến loại ĐCĐB nam châm vĩnh cửu kiểu cực tròn
là đầy đủ.
1.2.1 Phƣơng trình của động cơ trong hệ toạ độ (a,b,c)
Phƣơng trình điện áp:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
15
Sử dụng định luật Kirfchhoff2, chúng ta có 3 phƣơng trình vi phân. Trƣờng
hợp riêng cho từng dây quấn stator, các phƣơng trình cân bằng điện áp nhƣ sau:
dt
d
iR
dt
d
iR
dt
d
iR
cs
cs
s
cs
bs
bs
s
bs
as
as
s
as
U
U
U
(1.1)
Trong đó các từ thông
as
,
bs
,
cs
đƣợc xác định nhƣ sau:
as
= L
ASAS
i
as
+ L
ASBS
i
bs
+ L
ASCS
i
cs
+
asm
bs
= L
BSAS
i
as
+ L
BSBS
i
bs
+ L
BSCS
i
cs
+
bsm
(1.2)
cs
= L
CSAS
i
as
+ L
CSBS
i
bs
+ L
CSCS
i
cs
+
csm
Viết dƣới dạng ma trận nhƣ sau:
dt
ir
abcs
abcs
d
s
abcs
U
dt
d
dt
d
dt
d
i
i
i
r
r
r
U
U
U
cs
bs
as
cs
bs
as
s
s
s
cs
bs
as
0 0
0 0
0 0
(1.3)
Các dây quấn stator lệch nhau góc 120
0
và từ thông
asm
,
bsm
,
csm
đƣợc
tạo ra do nam châm vĩnh cửu có dạng hàm tuần hoàn của độ dời góc rotor
r,
giả
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
16
sử theo luật hình sin, biên độ từ thông
m
đƣợc tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu,
ta có:
3
2
sin
3
2
sin
sin
rmcsm
rm
bsm
rmasm
(1.4)
Trong đó:
r
: độ dời góc rotor
m
: biên độ từ thông tạo ra bởi NCVC
Phƣơng trình từ thông:
rr
r
m
cs
bs
i
ii
sin
m
m
m
as
3
1
cos2L- L
2
1
3
1
cos2L- L
2
1
Lcos2 -L L
m
mrls as
3
2
sin cos2L- L
2
1
3
2
cos2L- L
3
1
cos2L- L
2
1
m
m
mm
bs
rm
m
m
r
rr
cs
bs
cs
i
ii
ls
L
(1.5)
3
2
sin
3
2
cos2L- L
cos2L- L
2
1
3
1
cos2L- L
2
1
m
m
mm
cs
m
rmm
rr
r
cs
bs
cs
iL
ii
ls
Viết vectơ từ thông dƣới dạng ma trận
abcs
= L
s
i
abcs
+
m
=
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
17
3
2
r
sin
3
2
r
sin
r
3
2
r
2cos
m
r
2cos
m
2
1
3
1
r
2cos
m
2
1
r
2cos
m
2
1
3
2
r
2cos
m
3
1
r
2cos
m
2
1
3
1
r
2cos
m
2
1
3
1
r
2cos
m
2
1
r
cos
m
x
sin
cs
i
bs
i
as
i
m
L
L
ls
L
m
L
L
-
m
L
L
-
m
L
L
m
L
L
ls
L
m
L
L
-
m
L
L
m
L
L
m
L
L
ls
L
(1.6)
Ma trận điện cảm stator L
s
nhƣ sau:
3
2
r
2cos
m
r
2cos
m
2
1
3
1
r
2cos
m
2
1
r
2cos
m
2
1
3
2
r
2cos
m
3
1
r
2cos
m
2
1
3
1
r
2cos
m
2
1
3
1
r
2cos
m
2
1
r
cos
m
s
L
m
L
L
ls
L
m
L
L
-
m
L
L
-
m
L
L
m
L
L
ls
L
m
L
L
-
m
L
L
m
L
L
m
L
L
ls
L
(1.7)
Đối với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu rotor hình tròn vậy đƣờng
sức từ theo các trục d, q giống nhau, ta có: R
mq
= R
md
Vì vậy:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
18
md
s
mq
s
R
N
R
N
m
L
3
2
3
2
22
___
và L
m
= 0
Ma trận L
s
trở thành:
2
1
-
2
1
-
2
1
-
2
1
-
2
1
-
2
1
-
m
mm
m
m
m
m
mm
L
_
ls
L
L
_
L
_
L
_
L
_
ls
L
L
_
L
_
L
_
L
_
ls
L
L
s
(1.8)
và từ thông đƣợc diễn tả nhƣ sau:
3
2
sin
2
1
2
1
3
2
sin
2
1
2
1
sin
2
1
r
r
r
mcs
m
ls
bsascs
mcsbs
m
ls
asbs
mcsas
m
ls
as
mm
mm
m
i
L
_
Lii
ii
L
_
Li
ii
L
_
L
LL
LL
L
__
__
_
(1.9)
hoặc là:
abcs
= L
s
i
abcs
+
m
=
2
1
-
2
1
-
2
1
-
2
1
-
2
1
-
2
1
-
m
mm
m
m
m
m
mm
L
_
ls
L
L
_
L
_
L
_
L
_
ls
L
L
_
L
_
L
_
L
_
ls
L
3
2
sin
3
2
sin
r
r
r
sin
cs
i
bs
i
as
i
(1.10)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
19
Từ đó ta có phƣơng trình cân bằng điện áp dƣới dạng vectơ nhƣ sau:
U
abcs
= r
s
i
abcs
+ dt
abcs
/dt
U
abcs
= r
s
i
abcs
+ L
s
di
abcs
/dt + d
m
/dt
Ở đây :
3
2
rr
3
2
rr
rr
m
cos
cos
cos
dt
m
d
(1.12)
Bằng cách dùng ma trận đảo L
s
-1
biến đổi phƣơng trình trên ta đƣợc:
abcs
m
abcs
abcs
U
1-
s
L
dt
d
1-
s
Li
s
r
1-
s
L
dt
di
(1.13)
Trong đó: L
ss
= L
ls
+ L
m
32
4
1
4
3
1
2
m
2
ss
2
mss
2
mss
2
mss
2
m
2
ss
2
m
2
ss
2
mss
2
mss
2
m
2
ss
ss
3
ss
1-
s
L
_
4L
L
_
L
2L
L
_
L
2L
L
_
L
2L
L
_
4L
L
_
L
2L
L
_
L
2LL
L
2LL4L
LL
LL
L
mm
mm
mm
mm
Phƣơng trình động học của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu:
(1.11)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
20
(1.14)
0
0 0
3
4
1
2
4
3
1
3
2
cos
3
2
cos
cos
3
4
1
2
4
3
0 0
0
3
4
1
2
4
3
1
cs
u
bs
u
as
u
mm
mm
mm
mm
rr
rr
rr
mm
mm
mm
mm
mm
mm
mm
mm
cs
i
bs
i
as
i
s
r
s
r
s
r
2
m
L
_
2
ss
4L
2
m
L
_
L
ss
2L
2
m
L
_
L
ss
2L
2
m
L
_
L
ss
2L
2
m
L
_
2
ss
4L
2
m
L
_
2
L
ss
2L
2
m
L
_
L
ss
2L
2
m
L
L
ss
2L
2
m
L
2
ss
4L
LL
ss
L
3
ss
L
2
m
L
_
2
ss
4L
2
m
L
_
L
ss
2L
2
m
L
_
L
ss
2L
2
m
L
_
L
ss
2L
2
m
L
_
2
ss
4L
2
m
L
_
2
L
ss
2L
2
m
L
_
L
ss
2L
2
m
L
L
ss
2L
2
m
L
2
ss
4L
LL
ss
L
3
ss
L
2
m
L
_
2
ss
4L
2
m
L
_
L
ss
2L
2
m
L
_
L
ss
2L
2
m
L
_
L
ss
2L
2
m
L
_
2
ss
4L
2
m
L
_
2
L
ss
2L
2
m
L
_
L
ss
2L
2
m
L
L
ss
2L
2
m
L
2
ss
4L
LL
ss
L
3
ss
L
m
cs
bs
as
dt
di
dt
di
dt
di
Sau khi đơn giản hoá chúng ta có:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
21
3
2
r
3
2
r
r
)
mm
m
)
m
mm
)
)
mm
m
)
m
mm
)
m
m
ss
mm
mm
m
ss
m
mmm
m
ss
m
m
ss
mm
mm
m
ss
m
mmm
m
ss
cos
r
cos
r
cos
r
2
m
LL
L2L
L
(2L
m
2
m
LL
L2L
L
m
2
m
LL
L2L
L
m
2
m
LL
L2L
L
m
2
m
LL
L2L
L
(2L
m
2
m
LL
L2L
L
m
2
m
LL
L2L
L
m
2
m
LL
L2L
L
m
2
m
LL
L2L
L
(2L
m
cs
i
bs
i
as
i
2
m
LL
L2L
L
(2L
s
r
2
m
LL
L2L
L
s
r
2
m
LL
L2L
L
s
r
2
m
LL
L2L
L
s
r
2
m
LL
L2L
L
(2L
s
r
2
m
LL
L2L
L
s
r
2
m
LL
L2L
L
s
r
2
m
LL
L2L
L
s
r
2
m
LL
L2L
L
(2L
s
r
dt
cs
di
dt
bs
di
dt
as
di
__
_
_
__
_
__
_
__
_
__
_
_
__
_
__
_
__
_
__
_
_
__
_
_
__
_
__
_
__
_
__
_
_
__
_
__
_
__
_
__
_
_
ss
2
ssss
2
ssss
2
ss
ss
2
ssss
2
ssss
2
ss
ss
2
ssss
2
ssss
2
ss
ss
2
ssss
2
ssss
2
ss
ss
2
ssss
2
ssss
2
ss
ss
2
ssss
2
ssss
2
ss
