ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG cơ KHÔNG ĐỒNG bộ BA PHA DÙNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT kế BACKSTEPPING

ṂC ḶC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học

i

Lời cam đoan

ii

Lời cám ơn

iii

Tóm tắt

iv

Mục lục

vi

Danh sách các chữ viết tắt

ix

Danh sách các bảng

xi

Danh sách các hình

xii

Ch

Ch

ng 1. T NG QUAN

1

1.1

Giới thi u vấn đ

1

1.2

Các k t qu nghiên cứu đƣ đ ợc công bố

1

1.3

Mục tiêu nghiên cứu

2

1.4

Đối t ợng và ph m vi nghiên cứu

3

1.5

Ý nghĩa khoa h c và thực ti n của đ tài

3

1.6

K t cấu lu n văn

3

ng 2. C

S

LÝ THUY T

4

2.1

Truy n động đi n dùng động c không đ ng bộ ba pha

4

2.2

Động c không đ ng bộ ba pha

5

2.2.1

T ng quan v động c không đ ng bộ

5

2.2.2

Mô hình liên tục của động c không đ ng bộ ba pha rotor l ng
sóc

2.2.2.1 H ph

6
ng trình c b n của động c trong không gian vector.
vi

7

2.2.2.2 Mô hinh tra ̣ng thai của đô ̣ng c trên hê ̣ to ̣a đô ̣ stator.

10

2.2.2.3 Mô hinh tra ̣ng thai của đô ̣ng c trên hê ̣ to ̣a đô ̣ t thông rotor. 12
Ch

ng 3. CÁC PH

15

3.1

Ph

ng pháp V/f = const (đi u khi n vô h ớng)

15

3.2

Ph

ng pháp đi u khi n định h ớng từ tr

16

3.3

Ph

ng pháp đi u khi n trực ti p momen (DTC)

16

3.4

Ph

ng pháp đi u khi n Backstepping

19

3.4.1

ng (FOC)

n định Lyapunov.

19

3.4.2

Ph

3.4.3

Thi t k bộ đi u khi n cho động c không đ ng bộ ba pha theo
ph

Ch

NG PHÁP ĐI U KHI N

ng pháp đi u khi n Backstepping.

ng pháp Backstepping.

ng 4. K T QU MÔ PH NG

20

23
31

4.1

Đi u khi n trực ti p momen (DTC).

31

4.1.1

S đ mô ph ng h thống đi u khi n trực ti p momen.

31

4.1.2

Bộ ớc l ợng từ thông Stator và momen.

32

4.1.3

Bộ so sánh

33

4.1.4

Bộ xác định góc SECTOR.

34

4.1.5

Bộ đóng cắt đi n áp trong bộ nghịch l u.

34

4.1.6

Bộ nghịch l u

35

4.1.7

Bộ đi u khi n P

35
vii


Ch

4.1.8

Khối động c không đ ng bộ ba pha trong h t a độ 

36

4.1.9

Bộ chuy n h t a độ

37

4.1.10

K t qu mô ph ng của ph

4.2

Gi i thu t đi u khi n theo ph

4.2.1.

Mô hình tr ng thái của động c trên h t a độ rotor

ng ph

ng pháp DTC

38

ng pháp Backstepping

46

4.2.2

ớc l ợng tốc độ động c không đ ng bộ ba pha

4.2.3

ớc l ợng từ thông, dòng đi n rotor động c không đ ng bộ

46
48

ba pha

52

4.2.4

Mô hình bộ đi u khi n Backstepping

54

4.2.5

Mô hình bộ đi u khi n theo ph

59

4.2.6

K t qu mô ph ng của ph

4.3

Phân tích k t qu mô ph ng

ng 5. K T LU N

ng pháp Backstepping

ng ph

ng pháp Backstepping

60
68
69

TÀI LI U THAM KH O

71

Phụ lục 1

74

Phụ lục 2

77

viii


DANH SÁCH CÁC CH

VI T T T

ĐCKĐB

Động cơ không đồng bộ

MRAS

Model reference adaptive system

P

số đôi cực của động cơ

Ls

Điện cảm stator

Lr

Điện cảm rotor

Lm

Hổ cảm giữa stator, rotor

Lσs, Lσr

Điện cảm tiêu tán phía stator, rotor

σ

Hệ số tiêu tán tổng

f s , fr

Tần số các đại lượng thuộc mạch điện stator, rotor

u, v, w

Ba cuộn dây pha của động cơ

ωs, ωr

Tốc độ góc của các vector thuộc mạch điện stator, rotor

ω

Tốc độ góc cơ học của rotor

J

Momen quán tính cơ

φ

Góc pha giữa trục chuẩn α với trục vector từ thông rotor

Rs, Rr

Điện trở stator, rotor

isu, isv, isw

Ba dòng điện pha của stator động cơ

is

Vector dòng stator

isα, isβ

Thành phần của vector dòng điện stator trên hệ trục tọa độ
αβ

isd, isq

Thành phần của vector dòng điện stator trên hệ trục tọa độ
dq

ir

Vector dòng rotor

irα, irβ

Thành phần của vector dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ
αβ

ird, irq

Thành phần của vector dòng rotor trên hệ trục tọa độ dq

usu, usv, usw
ix


us

Vector điện áp stator

usα, usβ

Thành phần của vector điện áp stator trên hệ trục tọa độ αβ

usd, usq

Thành phần của vector điện áp stator trên hệ trục tọa độ dq

ur

Vector điện áp rotor

urα, urβ

Thành phần của vector điện áp rotor trên hệ trục tọa độ αβ

urd, urq

Thành phần của vector điện áp rotor trên hệ trục tọa độ dq

Ψs

Vector từ thông stator

Ψsα, Ψsβ

Thành phần của vector từ thông stator trên hệ trục tọa độ
αβ

Ψsd, Ψsq

Thành phần của vector từ thông stator trên hệ trục tọa độ
dq

Ψr

Vector từ thông rotor

Ψrα, Ψrβ

Thành phần của vector từ thông rotor trên hệ trục tọa độ αβ

Ψrd, Ψrq

Thành phần của vector từ thông rotor trên hệ trục tọa độ dq

Ψ’rα, Ψ’rβ

Dòng từ hóa trên hệ trục tọa độ αβ

Ψ’rd, Ψ’rq

Dòng từ hóa trên hệ trục tọa độ dq

x


DANH SÁCH CÁC B NG
B NG

TRANG

B ng 3.1: Bảng chọn cho điều khiển trực tiếp mô men, với “k” là số sector

18

B ng 3.2: Bảng chọn véctơ điện áp cho phương pháp điều khiển trực tiếp mô men 19
B ng 4.1: Thông số và giá trị đặt của phương pháp DTC

38

B ng 4.2: Thông số và giá trị đặt của phương pháp Backstepping

62

xi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Cấu tạo bên trong động cơ KĐB

5

Hình 3.1: Biểu diễn quỹ đạo động của từ thông stator

18

Hình 3.2: Minh họa hệ phương trình 3.8

21

Hình 3.3: Thực hiện bước 1

22

Hình 3.4: Kết quả luật điều khiển

23

Hình 4.1: Mô hình simulink bộ điều khiển động cơ theo phương pháp DTC

31

Hình 4.2: Sơ đồ khối ước lượng từ thông stator và momen

32

Hình 4.3: Sơ đồ khối so sánh momen và từ thông

33

Hình 4.4: Sơ đồ khối bộ xác định góc sector

34

Hình 4.5: Sơ đồ khối bộ đóng cắt điện áp

34

Hình 4.6: Sơ đồ khối bộ nghịch lưu

35

Hình 4.7: Sơ đồ khối động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ tọa độ
Hình 4.8: Sơ đồ khối chuyển hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ
Hình 4.9: Sơ đồ khối chuyển hệ tọa độ





sang hệ tọa độ abc



36
37
37

Hình 4.10: Đồ thị tốc độ (DTC, W = 150 , TL = 3.5)

39

Hình 4.11: Đồ thị momen (DTC, W = 150, TL = 3.5)

39

Hình 4.12: Đồ thị từ thông (DTC, W = 150, TL = 3.5)

40

Hình 4.13: Đồ thị tốc độ (DTC, W = 150, TL = 10)

40

Hình 4.14: Đồ thị momen (DTC, W = 150 , TL = 10)

41

Hình 4.15: Đồ thị từ thông (DTC, W = 150, TL = 10)

41

Hình 4.16: Đồ thị tốc độ (DTC, W = 400, TL = 3.5)

42

Hình 4.17: Đồ thị momen (DTC, W = 400 , TL = 3.5)

42

Hình 4.18: Đồ thị từ thông (DTC, W = 400, TL = 3.5)

43

xii


Hình 4.19: Đồ thị tốc độ (DTC, W = 400, TL = 10)

43

Hình 4.20: Đồ thị momen (DTC, W = 400, TL = 10)

44

Hình 4.21: Đồ thị từ thông (DTC, W = 400, TL = 10)

44

Hình 4.22: Đồ thị tốc độ (DTC, W = 400, đảo chiều quay)

45

Hình 4.23: Đồ thị momen (DTC, W = 400, đảo chiều quay)

45

Hình 4.24: Đồ thị từ thông (DTC, W = 400, đảo chiều quay)

46

Hình 4.25: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trên tọa độ dq

47

Hình 4.26: Mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha trên tọa độ dq

48

Hình 4.27: Cấu trúc bộ điều khiển hồi tiếp tốc độ

48

Hình 4.28: Mô hình MRAS tổng quát ước lượng tốc độ động cơ

49

Hình 4.29: Mô hình khâu ước lượng tốc độ

51

Hình 4.30: Mô hình simulink mô phỏng khâu ước lượng tốc độ

52

Hình 4.31: Mô hình ước lượng từ thông rotor

53

Hình 4.32: Mô hình ước lượng từ thông

54

Hình 4.33: Mô hình bộ điều khiển Backstepping

55

Hình 4.34: Mô hình sai lệch tốc độ

56

Hình 4.35: Mô hình sai lệch từ thông

56

Hình 4.36: Mô hình thông số e2

57

Hình 4.37: Mô hình thông số e4

57

Hình 4.38: Mô hình thông số ϕ2

58

Hình 4.39: Mô hình thông số ϕ4

58

Hình 4.40: Mô hình tổng quát bộ điều khiển ĐCKĐB theo phương pháp
Backstepping

59

Hình 4.41: Mô hình simulink bộ điều khiển ĐCKĐB theo phương pháp
Backstepping

60

Hình 4.42: Đồ thị tốc độ (Backstepping, W = 150, TL = 3.5)

62

Hình 4.43: Đồ thị momen (Backstepping, W = 150, TL = 3.5)

62

xiii


Hình 4.44: Đồ thị từ thông (Backstepping, W = 150, TL = 3.5)

62

Hình 4.45: Đồ thị tốc độ (Backstepping, W = 150, TL = 10)

63

Hình 4.46: Đồ thị momen (Backstepping, W = 150, TL = 10)

63

Hình 4.47: Đồ thị từ thông (Backstepping, W = 150, TL = 10)

63

Hình 4.48: Đồ thị tốc độ (Backstepping, W = 400, TL = 3.5)

64

Hình 4.49: Đồ thị momen (Backstepping, W = 400, TL = 3.5)

64

Hình 4.50: Đồ thị từ thông (Backstepping, W = 400, TL = 3.5)

65

Hình 4.51: Đồ thị tốc độ (Backstepping, W = 400, TL = 10)

65

Hình 4.52: Đồ thị momen (Backstepping, W = 400, TL = 10)

66

Hình 4.53: Đồ thị từ thông (Backstepping, W = 400, TL = 10)

66

Hình 4.54: Đồ thị tốc độ (Backstepping, W = 400, đảo chiều quay)

67

Hình 4.55: Đồ thị từ thông (Backstepping, W = 400, đảo chiều quay)

67

xiv


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

Ch

ng I:

T NG QUAN
1.1

Giới thi u vấn đ
Hiện nay, trong các hệ truyền động điện của dây chuyền công nghệ hiện đại,

động cơ không đồng bộ đ ợc ứng dụng rất rộng rãi b i nó có nhiều u điểm so với
động cơ một chiều. Tuy nhiên do cấu trúc phi tuyến đa thông số, nên việc điều
khiển động 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 đư tạo ra sự chuyển biến cơ bản trong h ớng đi cho giải pháp tự động hóa
công nghiệp, nhiều ph ơng pháp điều khiển hiện đại hiệu quả đư đ ợc đề xuất cho
việc điều khiển động cơ không đồng bộ nh Backstepping, tuyến tính hóa vào ra,
điều khiển tr ợt….. Đặc biệt ph ơng pháp điều khiển Backstepping là một ph ơng
pháp tin cậy và hiệu quả để điều khiển các hệ động cơ không đồng bộ nh đó có thể
thay thế dần động cơ một chiều.

Ph ơng pháp Backstepping xuất hiện vào những năm cuối của thập kỷ 80,
ph ơng pháp Backstepping đ ợc đánh giá là công cụ thiết kế đầy triển vọng cho
một số hệ thống phi tuyến. Ph ơng pháp dựa trên cách thiết kế từng b ớc bộ điều
khiển phản hồi thỏa mãn ổn định Lyapunov. Bằng việc sử dụng ph ơng pháp thiết
kế đệ qui để xây dựng hàm điều chỉnh, Backstepping cho phép xây dựng luật điều
khiển phản hồi chế ngự đ ợc tính phi tuyến của đối t ợng. Việc áp dụng ph ơng
pháp vào thiết kế bộ điều khiển cho động cơ xoay chiều ba pha, một số đối t ợng
phi tuyến cho ta đ ợc những kết quả tin cậy và hiệu quả.
1.2

Các k t qu nghiên cứu đƣ đ ợc công bố
Đư có nhiều nghiên cứu và các báo cáo khoa học về vấn đề nêu ra

trên đ ợc công bố.

phần

đây tôi xin giới thiệu một số báo cáo khoa học điển hình, và

những điểm nổi bật trong từng các báo cáo, qua đó làm cơ s cho việc thực hiện đề
tài này.
HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 1


Luận văn thạc sĩ

-

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

“Robust Backstepping control of induction motors using neural

networks”, C.M. Kwan and F. L. Lewis.
Trong bài báo này trình bày một kỹ thuật điều khiển mạnh mẽ mới cho động
cơ không đồng bộ sử dụng các mạng Neural.
-

“A PI/Backstepping approach for induction motor drives robust

control”, O. Benzineb, H. Salhi, M. Tadjine, M. S. Boucherit, M.E.H Benbouzid.
Bài báo này trình bày một quy trình thiết kế điều khiển cho động cơ không
đồng bộ trong tr

ng hợp nếu có sai sót mô hình hóa và mômen tải không rõ. Luật

điều khiển đ ợc dựa trên sự kết hợp của bộ điều khiển PI phi tuyến và một ph ơng
pháp Backstepping.
-

“Sensorless nonlinear adaptive Backstepping control of induction

motor” F. Mehazzem, A. Reama, H. Benalla.
Bài báo này trình bày sự phát triển mạnh mẽ của một kỹ thuật Backstepping
không dùng cảm biến kết hợp với ch ơng trình định h ớng để điều khiển động cơ
không đồng bộ đạt đ ợc tốc độ và từ thông theo giá trị đặt. Kết quả mô phỏng đ ợc
trình bày để xác nhận tính hiệu quả của ph ơng án đề xuất theo các điều kiện khác
nhau.
-

“Perspective of using the Backstepping method to design the

nonlinear controller for squirel-cage induction motor” Nguyễn Phùng Quang, Lê
Anh Tuấn.
Bài báo này trình bày về triển vọng ứng dụng ph ơng pháp Backstepping để
thiết kế bộ điều khiển động cơ rotor lồng sóc, các b ớc tiến hành và một số kết quả
ban đầu.
1.3

Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu mà đề tài h ớng đến là nghiên cứu áp dụng cơ s lý thuyết về

ph ơng pháp Backstepping để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha.

HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 2


Luận văn thạc sĩ

1.4

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

Đối t ợng và ph m vi nghiên cứu
Xây dựng mô hình toán một hệ truyền động điện động cơ xoay chiều không

đồng bộ ba pha.

Xây dựng chính xác các khâu ớc l ợng tốc độ và từ thông động cơ.
Xây dựng bộ điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha theo ph ơng pháp
Backstepping.
Mô phỏng kết quả phân tích và tính toán lý thuyết bằng phần mềm Matlab
Simulink.
1.5

Ý nghĩa khoa h c và thực ti n của đ tài
Đây là đề tài nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực truyền động điện tự động

hóa. Đề tài xây dựng hệ thống truyền động điện động cơ xoay chiều có chất l ợng
cao.
1.6

K t cấu lu n văn
Luận văn bao gồm 6 ch ơng:
Ch

ng 1: T ng quan. (Giới thiệu tổng quan nội dung đề tài và các kết quả

nghiên cứu đư đ ợc công bố. Trình bày các vấn đề cần giải quyết trong luận văn).
Ch

ng 2: C s lý thuy t. (Trình bày về các mô hình toán của động cơ

không đồng bộ ba pha, các phép biến đổi tọa độ làm cơ s toán học cho các ch ơng
sau).
Ch

ng 3: Các ph

ng pháp đi u khi n. (Giới thiệu các ph ơng pháp

điều khiển động cơ không đồng bộ. Trình bày thuyết ổn định Lyapunov và xây
dựng giải thuật điều khiển theo ph ơng pháp Backstepping).
Ch

ng 4: K t qu mô ph ng. (Mô phỏng hệ thống DTC và Backstepping,

phân tích kết quả mô phỏng).
Ch

ng 5: K t lu n. (Đánh giá u khuyết điểm của các giải thuật điều

khiển đ ợc thực hiện trong luận văn và đề xuất ph ơng h ớng nghiên cứu tiếp theo
để phát triển và m rộng đề tài).
HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 3


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

Ch

C
2.1

S

ng 2:

LÝ THUY T

Truy n động đi n dùng động c không đ ng bộ ba pha
Các hệ thống truyền động điện đ ợc sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh

vực khác nhau, chúng đ ợc dùng để cung cấp động lực cho phần lớn các cơ cấu sản
xuất.

ớc tính có khoảng 50% điện năng sản xuất ra đ ợc tiêu thụ b i các hệ thống

truyền động điện.
Trong nhiều năm của thế kỷ XX, khoảng 80% các hệ thống truyền động điện
không yêu cầu điều chỉnh tốc độ đều dùng động cơ xoay chiều, còn khoảng 20%
truyền động điện có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ thì dùng động cơ một chiều.
Ph ơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều mặc dù đư đ ợc phát minh và
đ a vào ứng dụng khá sớm, nh ng chất l ợng của nó lại khó sánh kịp với hệ thống
truyền động điện một chiều. Đến khoảng thập kỷ 70 của thế kỷ XX, khi thế giới bị
cuốn hút vào nguy cơ khan hiếm dầu mỏ, các n ớc công nghiệp tiên tiến mới tập
trung vào việc nghiên cứu hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều hiệu suất
cao, hy vọng coi đó là con đ

ng tiết kiệm năng l ợng. Qua hơn 10 năm cố gắng nổ

lực, đến thập kỷ 80 h ớng nghiên cứu ấy đư đ ợc thành tựu lớn, và đ ợc coi là
b ớc đột phá thần kỳ trong truyền động điện xoay chiều và từ đó việc ứng dụng hệ
thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều ngày càng tăng lên. Trong các ngành

công nghiệp đư có trào l u thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều
bằng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều.
Động cơ xoay chiều có thể phân thành hai nhóm: động cơ xoay chiều không
đồng bộ và động cơ xoay chiều đồng bộ. Trong đó có động cơ xoay chiều không
đồng bộ rotor dây quấn và rotor lồng sóc, động cơ xoay chiều kích từ bằng nam
châm vĩnh cửu và kích từ bằng nam châm điện. Mỗi loại động cơ đều có những u
và nh ợc điểm nhất định các ph ơng pháp điều chỉnh tốc độ cũng không hoàn toàn
giống nhau.

HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 4


Luận văn thạc sĩ

2.2

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

Động c không đ ng bộ ba pha

2.2.1 T ng quan v động c không đ ng bộ
- Giới thi u:
Động cơ điện không đồng bộ ba pha (AC Induction Motor) đ ợc sử dụng rất
phổ biến ngày nay với vai trò cung cấp sức kéo trong hầu hết các hệ thống máy
công nghiệp. Công suất của các động cơ không đồng bộ có thể đạt đến 500 kW
(t ơng đ ơng 670 hp) và đ ợc thiết kế tuân theo quy chuẩn cụ thể nên có thể thay
đổi dễ dàng các nhà cung cấp.
- Cấu t o:

Hình 2.1: Cấu tạo bên trong động cơ KĐB
Phần tĩnh: Stato có cấu tạo gồm vỏ máy, lỏi sắt và dây quấn.
+ Vỏ máy: Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng
để làm mạch dẫn từ. Th

ng vỏ máy đ ợc làm bằng gang. Đối với máy có công

suất t ơng đối lớn (1000KW) th

ng dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy. Tuỳ

theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau.
+ Lõi sắt: Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ tr

ng đi qua lõi sắt là từ tr

ng

quay nên để giảm tổn hao: lõi sắt đ ợc làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại.
+ Dây quấn: Dây quấn stator đ ợc đặt vào các rãnh của lõi sắt và đ ợc
cách điện tốt với lõi sắt.

HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 5


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

Phần quay (rotor): Rotor có 2 loại chính: rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu
lồng sóc.
+ Rotor kiểu dây quấn: Rotor có dây quấn giống nh dây quấn của stator.
Dây quấn 3 pha của rotor th
tr ợt th

ng đấu hình sao còn ba đầu kia đ ợc nối vào vành

ng làm bằng đồng đặt cố định

một đầu trục và thông qua chổi than có

thể đấu với mạch điện bên ngoài. Đặc điểm là có thể thông qua chổi than đ a điện
tr phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính năng m máy,
điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc bình
th

ng dây quấn rotor đ ợc nối ngắn mạch. Nh ợc điểm so với động cơ rotor lồng

sóc là giá thành cao, khó sử dụng

môi tr

ng khắc nghiệt, dễ cháy nổ…

+ Rotor kiểu lồng sóc: Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn
stator. Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài
ra khỏi lõi sắt và đ ợc nối tắt lại

hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay

nhôm làm thành một cái lồng mà ng

i ta quen gọi là lồng sóc.

2.2.2 Mô hình liên tục của động c không đ ng bộ ba pha rotor l ng sóc
Việc đi xây dựng mô hình toán của ĐCKĐB ba pha về cơ bản ta xét trên các
hệ tọa độ sau:
-

Hệ tọa độ cố định trên stator: là hệ tọa độ  .

-

Hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor: là hệ tọa độ dq.

-

Hệ tọa độ tựa theo từ thông stator.

-

Hệ tọa độ cố định trên rotor.
Trong thực tế việc mô tả trên 2 hệ: Hệ tọa độ tựa theo từ thông stator, hệ tọa

độ cố định trên rotor không mang lại lợi thế gì trong việc thiết kế hệ thống điều
khiển. Nên trong nội dung này những ph ơng trình viết dựa trên 2 hệ tọa độ này
mục đích là để đi làm rõ các vấn đề khác.

ĐCKĐB ba pha th

ng đ ợc mô tả b i một hệ ph ơng trình vi phân bậc cao.

Cấu trúc phân bố cuộn dây là phức tạp trong không gian nên các điều kiện sau đây
đ ợc đ a ra khi mô hình hóa động cơ:
-

Các cuộn dây stator đ ợc bố trí một cách đối xứng về mặt không gian.

HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 6


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

-

Bỏ qua tổn hao sắt từ và bưo hòa từ.

-

Dòng từ hóa và từ tr

-

Các giá trị điện tr điện cảm đ ợc coi là không đổi.

2.2.2.1 H ph

ng đ ợc phân bố hình sin.

ng trình c b n của động c trong không gian vector.

Để thuận lợi cho việc theo dõi các ph ơng trình ta quy ớc các ký hiệu sau:
Chỉ số trên:

s: xét trong hệ tọa độ stator (tọa độ ).
f: trong tọa độ từ thông rotor (tọa độ dq).
r: trong hệ tọa độ rotor với trục thực là trục rotor.

Chỉ số d ới

s: đại l ợng của mạch stator.
R: đại l ợng của mạch rotor.
d, q: phần tử thuộc hệ tọa độ dq.
, : phần tử thuộc hệ tọa độ .
u, v, w: đại l ợng thuộc pha u, v, w.

Đại l ợng viết có gạch d ới là vector.
Theo cách quan sát ba pha kinh điển ban đầu ta có ph ơng trình điện áp cho 3
cuộn dây stator nh sau:

d su (t )

u
t

R
i
t
(
)
(
)


s su
 su
dt

d sv (t )

u sv (t )  Rs isv (t ) 
dt

d sw (t )

(
)
(
)
u
t
R
i
t



s sw
 sw
dt

Trong đó:

Rs

su , sv , sw

(2.1 a, b, c)

điện tr cuộn dây pha stator.
từ thông stator của 3 cuộn dây pha.

Về ph ơng diện mặt phẳng cắt ngang động cơ không đồng bộ ba pha có ba
cuộn dây lệch nhau góc 1200. Ta thiết lập một hệ tọa độ phức với trục thực đi qua
trục cuộn dây u của động cơ, ta có thể xây dựng đ ợc vector không gian cho điện
áp.

u s (t ) 



0
0
2
u su (t )  u sv (t )e j120  u sw (t )e j 240
3

HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 7



(2.2)


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

Từ (2.1a, b, c) và (2.2) ta có đ ợc ph ơng trình điện áp stator :

u s  Rs i s 

d s

(2.3)

dt

Ta thấy rằng ph ơng trình (2.3) cũng chính là ph ơng trình điện áp stator trên
hệ tọa độ  .

d s
s

u R i 
s
s

s
s s

(2.4)

dt

Từ ph ơng trình (2.4) ta có thể suy ra đ ợc ph ơng trình điện áp của rotor
trên hệ tọa độ rotor.

d r
r

u 0R i 
r
r

r
r r

(2.5)

dt

Vì đây là rotor lồng sóc nên vector điện áp rotor có độ lớn bằng 0.
Mặt khác ta có ph ơng trình từ thông stator và rotor .


 s  i s Ls  i r Lm


 r  i s Lm  i r Lr
Trong đó:

(2.6)

Lm

hỗ cảm giữa rotor và stator.

Ls

điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator.

Lr

điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor đư quy đổi về

stator.
Ls = Lm + Ls điện cảm stator.
Lr = Lm + Lr điện cảm rotor.
Do cuộn dây stator và rotor có cấu tạo đối xứng về mặt cơ học nên tất cả các
giá trị điện cảm là không thay đổi trong mọi hệ tọa độ.
Để hoàn thiện hệ thống ph ơng trình mô tả ĐCKĐB ba pha ta phải xét thêm
hai ph ơng trình cơ sau đây:
- Ph ơng trình momen.

mM 

3
3
pc ( s * i s )   pc ( r * i r )
2
2

HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 8

(2.7)


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

- Ph ơng trình chuyển động.

J d
pc dt

mM  mT 

(2.8)

Xơy dựng ph



ng trình đi n áp stator vƠ rotor trong h t a độ dq

Bây gi ta xét thêm một hệ tọa độ vuông góc “k” bất kỳ. Tọa độ “k” này quay
tròn với vận tốc k quanh điểm góc tọa độ.
Xơy dựng ph



ng trình đi n áp stator

Áp dụng phép chuyển hệ tọa độ cho vector không gian vào hệ tọa độ “k” ta có
các ph ơng trình sau:

u s  u s e jk ; i s  i s e jk ; s   s e jk
s

k

s

k

s

k

(2.9a, b, c)

k là góc giữa trục thực của hệ tọa độ “k” và trục  của tọa độ stator.
k thỏa k = dk/dt
Ta lấy đạo hàm (2.9c) ta đ ợc ph ơng trình.

d s
s

dt

d s

k



dt

e jk  jk  s

k

(2.9d)

Từ (2.9a, b, d) và (2.4) ta thu đ ợc ph ơng trình tổng quát cho điện áp stator
trong hệ tọa độ “k”.

d s

k

u s  Rs i s 
k

k

 jk  s

k

dt

(2.10)

Từ ph ơng trình điện áp stator trong hệ tọa độ “k” ta chuyển sang hệ tọa độ cố
định trên stator và hệ tọa độ t ạ theo từ thông rotor.
+ Hệ tọa độ cố định trên stator: k=0. Ph ơng trình điện áp stator giữ nguyên nh
ph ơng trinh (2.4).
+ Hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor: k=s. Ta đ ợc ph ơng trình sau.

d s

f

u s  Rs i s 
f

f

dt

HVTH: Nguyễn Văn Bền

 j s s

f

(2.11)

Trang 9


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

Xơy dựng ph



ng trình đi n áp rotor.

T ơng tự nh xây dựng ph ơng trình điện áp stator ta cũng có các vector
trong hệ tọa độ “k” bất kỳ.

i r  i r e jk ; r   r e jk
r

k

r

k

(2.12a, b)

Đạo hàm ph ơng trình (2.12b) ta đ ợc.

d r
r

dt

d r

k



dt

e jk  jk  r e jk
k

(2.12c)

T ơng tự ta cũng có đ ợc ph ơng trình điện áp rotor với tọa độ “k”.

d r

k

u r  0  Rr i r 
k

k

 jk  r

k

dt

(2.13)

Từ ph ơng trình điện áp rotor trong hệ tọa độ “k” ta chuyển sang hệ tọa độ cố
định trên stator và hệ tọa độ t ạ theo từ thông rotor.


Hê ̣ to ̣a đô ̣ cô đinh
̣ trên stator.

Ta thây răng nêu lây hê ̣ to ̣a đô ̣ rotor cô đinh
̣ thi ta sẽ thây hê ̣ to ̣a đô ̣ stator đang
quay vơi tôc đô ̣ –ω (ng ơ ̣c chiêu vơi chiêu quay của rotor).

d r

s

u 0R i 
s
r r

s
r



dt

 j r

s

(2.14)

Hê ̣ to ̣a đô ̣ t ạ theo t thông rotor.

Trong hê ̣ to ̣a đô ̣ nay thi k=r ta đ ơ ̣c ph ơng trinh.

d r

f

u r  0  Rr i r 
f

f

dt

 jr r

f

(2.15)

2.2.2.2 Mô hinh tra ̣ng thai của đô ̣ng c trên hê ̣to ̣a đô ̣ stator.
Tâ ̣p hơ ̣p cac ph ơng trinh đã xây d ṇ g ta đ ơ ̣c mô ̣t hê ̣ ph ơng trinh mô tả đây
đủ phân hê ̣ thông điê ̣n của ĐCKĐB.

HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 10


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

s
 s
d s
s
u s  Rs i s 
dt

s


0  R i s  d r  j s
r r

r
dt
 s
 s  i ss Ls  i rs Lm
 s
s
s




i
L
i
Lr
s
r
m
 r

(2.16a, b, c, d)

Để hê ̣ ph ơng trinh (2.16a, b, c, d) đ ơ ̣c đơn giản hơn ta co thể triê ̣t tiêu cac
đa ̣i l ơ ̣ng không cần thiết. T ph ơng trinh (2.16c, d) ta đ ơ ̣c:

ir 
s

1
s
s
( r  i s Lm )
Lr

 ss  i ss Ls 

Lm
s
s
( r  i s Lm )
Lr

(2.17a, b)

Đa ̣o ham bâ ̣c nhât ph ơng trinh (2.17b) ta đ ơ ̣c:

d s

s

L2m
  1
Lr Ls

hê ̣ sô tiêu tan tổ ng

s

L2m d i s Lm d rs
 Ls (1 
)

Lr Ls dt Lr dt
dt

Tr 

Lr
Rr

hăng sô thơi gian rotor

(2.18a)

(2.18b)

(2.18c)

Thay ph ơng trinh (2.17a), (2.18a, b, c) vào ph ơng trình (2.16a, b) ta đ ơ ̣c
hê ̣ ph ơng trinh đơn giản.
s
s
 s
dis
Lm d s
s
u s  Rs i s  Ls


dt
Lr dt


s
d


L
1
s
m
r
  rs (
 j ) 
0  i s
Tr
Tr
dt


Ta đinh
̣ nghiã thêm 2 đa ̣i l ơ ̣ng mơi sau:
HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 11

(2.19a, b)

Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

 r'  
Ts 

 r
Lm

, va  r'  

Ls
Rs

 r
Lm

hăng sô thơi gian stator

Thay cac đa ̣i l ơ ̣ng nay vao ph ơng trinh (2.19a, b) và chuyển sang viết d ới
dạng các phần t ̉ của vector ta đ ơ ̣c hê ̣ ph ơng trinh.

1 1
1 / 1
1
 dis
/


(
)







i
u s
s
r
r



 dt
Ts Tr
Tr

Ls

 dis
1 1
1
1 /
1
 r/ 
 r 

)is 
 (

u s






dt
T
T
T
L
s
r
r
s


/
 d r  1 i  1  /   /
s
r
r
 dt
Tr
Tr


/
1
1 /
 d r
/

 r



i
s
r
 dt
Tr
Tr


(2.20a, b, c, d)

Kêt hơ ̣p ph ơng trinh 2.7 và 2.6b ta đ ơ ̣c ph ơng trinh momen của đô ̣ng cơ.

mM  

1 3
3  s
L
s
s
s

s
pc  r  ( r  i s Lm )   pc m ( r  i s )
2 
Lr
Lr  2

(2.21)

Thay cac vector trong ph ơng trinh 3.21 băng cac phân t ̉ t ơng ng ta thu
đ ơ ̣c ph ơng trinh momen của đô ̣ng cơ.

3 L2m
pc ( r/ is  r/ is )
mM 
2 Lr
* Hê ̣ gôm cac ph

ng trinh (2.20a, b, c, d) vƠ ph

(2.22)
ng trình (2.22) lƠ mô

hình c đi n đ̀y đủ của ĐCKĐB trên h t a độ αβ.
2.2.2.3 Mô hinh tra ̣ng thai của đô ̣ng c trên hê ̣to ̣a đô ̣ t thông rotor.
T cac p h ơng trinh đã xây d ṇ g ở trên ta tâ ̣p hơ ̣p la ̣i va chuyể n chung sang
hê ̣ to ̣a đô ̣ dq sẽ đ ơ ̣c mô ̣t hê ̣ ph ơng trinh mô tả động cơ không đồng bộ trên to ̣a đô ̣
t thông rotor.

HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 12


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

f
 f
d s
f
f
 j s s
u s  Rs i s 
dt

f

0  R i f  d r  j  f
r
r r

r
dt
 f
 s  i sf Ls  i rf Lm
 f
f
f


 r  i s Lm  i r Lr

(2.23a, b, c, d)

Chuyể n vê hai ph ơng trinh (2.23c, d) ta đ ơ ̣c.

ir 
f

1
f
f
( r  i s Lm )
Lr

 sf  i sf Ls 

(2.24a, b)

Lm
f
f
( r  i s Lm )
Lr

Thay cac đa ̣i l ơ ̣ng nay vao ph ơng trinh (2.23a, b) và chuyển sang viết d ới
dạng các phần tử của vector ta đ ợc hệ ph ơng trình.

1
1

1 / 1
1
 disd
/
i
u

(
)







sd
rq
rq
 dt
Ts Tr
Tr

Ls sd

 disq
1
1
1
1 /

1
u
 rd/ 
)isq 
 rq 
 (


Ts Tr

Tr
Ls sq
 dt

/
(2.25a, b, c, d)
 d rd  1 i  1  /    /
sd
rd
r
rq
 dt
Tr
Tr

/
1
1 /
 d rq
/

 dt  T isq  r rd  T  rq
r
r

'
Trong đo  rd 

 rd
Lm

'
, va  rq


 rq
Lm

là các đại l ợng mới đ ợc định

nghĩa.
T ơng t ̣ nh trong hê ̣ to ̣a đô ̣ stator ta cũng co thể rut ra ph ơng trinh momen
cho hê ̣ to ̣a đô ̣ dq.

mM  

1 3
3  f
L
f
f

f
f
pc  r  ( r  i s Lm )   pc m ( r  i s )
2 
Lr
Lr  2

(2.26)

Sau khi thay cac đa ̣i l ơ ̣ng cân thiêt ta đ ơ ̣c ph ơng trinh momen trên cơ sở
dòng stator và từ thông rotor nh sau.
HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 13


Luận văn thạc sĩ

mM

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

3 L2m
/

pc rd
isq
2 Lr
* Hê ̣ gôm cac ph

(2.27)
ng t rình (2.25a, b, c, d) vƠ ph

hình c đi n đ̀y đủ của ĐCKĐB trên h t a độ dq.

HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 14

ng trình (2.27) lƠ mô


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

Ch

CÁC PH

ng 3:

NG PHÁP ĐI U KHI N

Động cơ không đồng bộ ba pha có u điểm là kết cấu đơn giản, độ tin cậy cao, giá
thành thấp nên đ ợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Tuy nhiên tính phi tuyến
của mô hình động của động cơ không đồng bộ ba pha đư và đang là một chủ đề
đ ợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Bên cạnh các ph ơng pháp điều khiển truyền
thống (điều khiển định h ớng từ tr

ng, điều khiển momen trực tiếp) nhiều ph ơng

pháp điều khiển phi tuyến cũng đư đ ợc đề xuất (điều khiển tr ợt, điều khiển hồi
tiếp tuyến tính hóa, điều khiển dựa vào tính thụ động, điều khiển dùng mô hình nội,
điều khiển cuốn chiếu…).
3.1 Ph

ng pháp V/f = const (đi u khi n vô h ớng)

Biên độ điện áp stator đ ợc điều chỉnh tỉ lệ với tần số nhằm duy trì từ thông
không thay đổi. Ph ơng pháp này thay đổi từ tr

ng quay của stator bằng cách thay

đổi tần số nguồn điện cung cấp, momen đ ợc cải thiện phụ thuộc vào sự khác biệt
giữa từ tr

ng quay và tốc độ rotor.

Điều khiển vô h ớng có các đặc điểm sau:
- Biến điều khiển là điện áp và tần số.
- Sử dụng bộ điều chế độ rộng xung.
- Thông th

ng điều khiển

dạng vòng h

- Từ thông đ ợc giữ không đổi bằng cách giữ V/f = const.
u đi m: Đơn giản, rẻ tiền, không cần hồi tiếp.

Nh ợc đi m:
- Không điều khiển tối u đ ợc momen.
- Không điều khiển đ ợc trực tiếp momen và từ thông stator.
- Độ chính xác không cao.
- Đáp ứng chậm.
HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 15


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

3.2 Ph

ng (FOC)

ng pháp đi u khi n định h ớng từ tr

Điều khiển định h ớng từ tr

ng đạt đ ợc việc thay đổi momen và từ thông

dẫn đến việc điều khiển đ ợc từ thông và momen t ơng tự nh động cơ DC kích từ
độc lập.
Điều khiển định h ớng từ tr

ng có đặc điểm sau:

- Định h ớng đ ợc từ thông, tối u đ ợc momen.
- Điều khiển vòng kín momen đ ợc điều khiển gián tiếp.
u đi m:
- Điều khiển chính xác vận tốc.
- Đáp ứng momen nhanh.
- Nguyên lý điều khiển t ơng tự động cơ DC
Nh ợc đi m:
- Phải có hồi tiếp từ thông trong giải thuật điều khiển.
- Quá trình điều khiển phải chuyển đổi hệ quy chiếu liên tục.
- Cần phải điều chế độ rộng xung, phụ thuộc vào bộ điều khiển dòng hay áp và
thông số đầy đủ của động cơ.
3.3 Ph

ng pháp đi u khi n trực ti p momen (DTC)

DTC là ph ơng pháp điều khiển trực tiếp từ thông và mômen. Hai đại l ợng
đ ợc đo là điện áp và dòng điện Starto. Điện áp đo là điện áp một chiều sau chỉnh
l u. Tín hiệu điện áp và dòng điện là đầu vào mô hình động cơ, để từ đó tính ra giá
trị của từ thông và mômen. Hai bộ so sánh mức so sánh các giá trị này với các giá
trị đầu ra của hai bộ điều khiển. Dựa vào đầu ra này, logic đóng m xác định vị trí
van đống m tối u. Do đó, mỗi điện áp xung đ ợc xác định riêng rẽ. Vị trí van
đóng m làm thay đổi điện áp và dòng điện, nó lại ảnh h

ng tới momen và từ

thông. Hệ thống không sử dụng cảm biến tốc độ. Tốc độ động cơ đ ợc tính toán b
một khâu gọi là mô hình động cơ thích nghi.

HVTH: Nguyễn Văn Bền

Trang 16