nghiên cứu phân tích tổng hợp và mô phỏng truyền động điện xoay chiều điều khiển vec-tơ trên cơ sở ứng dụng Matlab Simulink

Mở đầu
Hiện nay, trong các hệ truyền động điện của các dây truyền công nghệ
hiện đại, động cơ không đồng bộ đang được ứng dụng rất rộng rãi bởi nó có
nhiều ưu điểm so với động cơ một chiều. Tuy nhiên do cấu trúc phi tuyến đa
thông số, nên việc điều khiển đông cơ không đồng bộ gặp nhiều khó khăn.
Những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật,
công nghệ vi điện tử, khoa học máy tính, công nghệ bán dẫn công suất và kỹ
thuật điều khiển đã tạo sự chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho giải pháp tự
động hoá công nghiệp, nhiều phương pháp điều khiển hiện đại, hiệu quả đã
được đề xuất cho việc điều khiển động cơ không đồng bộ. Đặc biệt, phương
pháp điều khiển véc tơ là một phương pháp tin cậy và hiệu quả để điều khiển
các hệ động cơ không đồng bộ nhờ đó có thể thay thế dần động cơ một chiều.
Để đưa lý thuyết vào thực tế hiệu quả, nhằm giảm được giá thành cũng
như đảm bảo an toàn trong thực nghiệm, chúng ta sử dụng các công cụ mô
phỏng mạnh để mô phỏng, đặc biệt là Matlab Simulink. Quá trình phân tích
và mô phỏng không những làm sáng tỏ, tường minh và trực quan các vấn đề
của các thuật toán mà lý thuyết đưa ra, là công cụ tốt để nghiên cứu và học tập
mà còn cho phép chúng ta nghiên cứu bản chất vật lý, các quá trình điện từ
xảy ra trong các kênh năng lượng và kênh điều khiển của truyền động điện
xoay chiều 3 pha; giúp giảm chi phí trong quá trình thực nghiệm và là một
công đoạn không thể thiếu được trong quy trình áp dụng các công nghệ mới
từ lý thuyết vào thực tế.
Mục đích của đề tài được thể hiện rõ qua tên của đề tài là nghiên cứu
phân tích tổng hợp và mô phỏng truyền động điện xoay chiều điều khiển vec-
tơ trên cơ sở ứng dụng Matlab Simulink nhằm đi sâu nghiên cứu phương pháp
điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp điều khiển vec-tơ và
1
xây dựng mô hình mô phỏng các khối điều khiển này bằng phần mềm Matlab
Simulink
Cấu trúc của luận văn gồm: phần mở đầu; chương 1, 2, 3 và 4; phần kết
luận chung; tài liệu tham khảo; phụ lục.

Nội dung chính của luận văn:
Chương 1 chủ yếu nghiên cứu về các phương pháp điều khiển động cơ
không đồng bộ ba pha
Chương 2 tập chung xây dựng động học hệ điều khiển vecto động cơ
điện xoay chiều ba pha
Chương 3 mang tính giơí thiệu về Matlab- Simulink công cụ phân tích
và mô phỏng các hệ thống động học
Chương 4 xây dựng mô hình vật lý mô phỏng truyền động điện ba pha điều
khiển véc tơ bằng Matlab – Simulink.
Trong quá trình làm luận văn, được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo
hướng dẫn TS Phạm Tuấn Thành và các thầy giáo trong bộ môn kỹ thuật
điện, khoa kỹ thuật điều khiển. Đến nay, luận văn đã hoàn thành với đầy đủ
nội dung, yêu cầu đề ra. Tuy nhiên mặc dù đã rất cố gắng nhưng do khả năng
kiến thức của bản thân còn hạn chế, thời gian có hạn nên luận văn không
tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự giúp đỡ, chỉ bảo của các thầy
giáo, sự góp ý chân thành của các bạn đồng nghiệp để bản luận văn được
hoàn thiện hơn.
Trước hết, tác giả luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới sự giúp đỡ
chỉ bảo, hướng dẫn tận tình của Tiến sĩ Phạm Tuấn Thành. Thầy đã gợi mở
hướng nghiên cứu và đã tận tình hướng dẫn với những ý kiến cụ thể, sâu sắc,
tạo điều kiện giúp tôi từng bước hoàn thiện, nâng cao khả năng nghiên cứu
trong quá trình thực hiện luận văn này.
2
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo và các cán bộ, nhân viên thuộc
Khoa Kỹ thuật Điều khiển, Học Viện Kỹ thuật Quân sự đã giúp đỡ và tạo
điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian thực hiện luận văn tại Học Viện.
Tôi xin chân thành cảm ơn một số đồng nghiệp, bạn cùng lớp đã có
những đóng góp nhất định đối với công việc học tập, nghiên cứu của tôi trong
thời gian qua.
3

Chương 1
Tổng quan các phương pháp điều khiển Động cơ không đồng bộ ba pha
1.1 Tổng quan về động cơ không đồng bộ ba pha
1.1.1 Đặc điểm chung của động cơ xoay chiều ba pha
Ngày nay, động cơ xoay chiều ba pha được sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp và chiếm một tỉ lệ lớn so với các động cơ khác. ưu điểm của động cơ
xoay chiều là cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, giá thành hạ, vận hành an
toàn, chịu được điều kiện làm việc môi trường khắc nhiệt, nối trực tiếp với
lưới điện áp xoay chiều ba pha nên không cần dùng đến bộ biến đổi.
Tuy nhiên nhược điểm cơ bản của động cơ này là hệ số cosϕ không
cao, đặc tính điều chỉnh (khi mở, khi điều chỉnh tần số, ổn định và khống chế
tốc độ) phức tạp nên gặp khó khăn trong qúa trình điều chỉnh.
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của điện tử
công suất, vi xử lý, tin học, đã cho phép giải quyết những bài toán phức tạp
trong vấn đề điều khiển động cơ xoay chiều ba pha, đáp ứng thời gian thực
với chất lượng điều khiển cao, khắc phục được những hạn chế trước đây (mở
rộng dải điều chỉnh, điều chỉnh với độ chính xác cao) và dần dần thay thế hệ
truyền động một chiều.
1.1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều ba pha
Khi coi ba pha động cơ là đối xứng, được cấp bởi nguồn xoay chiều
hình sin ba pha đối xứng và mạch từ động cơ không bão hoà thì có thể xem
xét động cơ qua sơ đồ thay thế một pha. Đó là sơ đồ điện một pha phía stator
với các đại lượng điện ở mạch rotor đã quy đổi về stator, như hình 1.1a,b.
Đường đặc tính của động cơ điện xoay chiều ba pha là một đường
4
tương đối phức tạp gồm có hai đoạn AK và BK (hình 1.1c). Trong đó:
- Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn này, mômen của động cơ
tăng thì tốc độ của động cơ giảm. Do vậy, động cơ làm việc trong vùng đặc
tính này sẽ ổn định.
Hình 1.1 Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều ba pha và

sơ đồ thay thế tương đương
Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm P với mômen cản Mp xuống Mq
5
a, b,
c,
thì động cơ sẽ tăng tốc theo đặc tính từ P đến Q và mômen động cơ giảm đi.
Tại điểm Q thì mômen động cơ MĐ = MQ và động cơ sẽ làm việc ổn định tại
điểm làm việc mới (Q) với tốc độ ϖ
Q
lớn hơn trước (ϖ
Q
> ϖ
P
).
Ngược lại khi tải tăng từ MP lên MS thì bằng cách lý giải tương tự,
động cơ sẽ chuyến tới điểm làm việc S tốc độ thấp hơn và mômen lớn hơn.
- Đoạn KB cong với độ dốc dương, đoạn này động cơ làm việc không ổn
định.
Giả sử với MR, động cơ làm việc tại điểm R trên đoạn NK của đặc
tính cơ. Khi tải bị biến động, chẳng hạn tải tăng lên thì tốc độ động cơ bị giảm
theo đặc tính về phía B như khi đó mômen của động cơ lại giảm nên động cơ
không thể lấy lại được sự cân bằng giữa mômen động cơ và mômen tải. Kết
quả, động cơ tiếp tục giảm tốc độ cho tới khi dừng (điểm B).
Trên đường đặc tính cơ tự nhiên điểm B ứng với tốc độ ϖ = 0 (s=1) làm
tròn nhiệm vụ mở máy Mmm.
( )
[ ]
2
2
'

210
'
2
2
1
3
nm
ph
mm
XRR
RU
M
++
=
ϖ
(1.1)
K là điểm giới hạn mà tại đó
0
=
ds
dM
Điểm A ứng với mômen cản bằng 0 (MC=0) và tốc độ đồng bộ:
p
f
1
0
2
π
ϖ
=

(1.2)
Hệ số tới hạn:
22
1
'
2
nm
th
XR
R
s
+
=
(1.3)
1.1.3 Các đặc điểm điều chỉnh khi sử dụng biến tần
Mô hình tổng quát điều khiển động cơ bằng biến tần như hình 1.2