Cân bằng tải cho 02 động cơ xoay chiều nối cứng trục, chung tải

I

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------o0o-----------------

DƯƠNG THỊ YẾN

CÂN BẰNG TẢI CHO 02 ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU
NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN DUY CƯƠNG

THÁI NGUYÊN- 2016

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




II

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Dương Thị Yến
Sinh ngày: 16 tháng 05 năm 1989
Học viên Cao học Khoá 16 – Lớp Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa - Trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
Xin cam đoan luận văn “Cân bằng tải cho 02 động cơ xoay chiều nối

cứng trục, chung tải” do thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Duy Cương hướng dẫn
là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có
nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội
dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì
trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam
đoan của mình.
Thái Nguyên, ngày 09 tháng 9 năm 2016
Học viên

Dương Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




III

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận
tình giúp đỡ của thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Duy Cương, luận văn với đề tài
“Cân bằng tải cho 02 động cơ xoay chiều nối cứng trục, chung tải” đã
được hoàn thành.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Duy Cương đã tận tình chỉ dẫn,
giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn.
Các thầy cô giáo Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái
Nguyên và các bạn bè đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tôi trong
suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này.

Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh
nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu
sót. Vì vậy, tôi mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo
và các bạn bè đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 09 tháng 9 năm 2016
Học viên

DƯƠNG THỊ YẾN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




IV

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... II
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. III
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT......................................................................... VI
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................... VII
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ
XOAY CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC ............................................................................. 1
1.1. Những yêu cầu về truyền động trong thực tế .................................................................................. 1
1.2 Giải pháp truyền thống ...................................................................................................................... 2
1.3. Giải pháp đề xuất .............................................................................................................................. 6

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ........................ 9

2.1. Máy điện xoay chiều ......................................................................................................................... 9
2.1.1. Khái niệm chung về máy điện đồng bộ .......................................................................................... 9
2.1.2. Cấu tạo của máy điện đồng bộ ....................................................................................................10
2.1.3. Nguyên lý hoạt động của máy điện đồng bộ ...............................................................................12
2.1.4. Phân loại máy điện đồng bộ.........................................................................................................12
2.2. Động cơ điện đồng bộ .....................................................................................................................13
2.2.1. Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ 3 pha ..................................................................13
2.2.2. Các phương pháp khởi động động cơ đồng bộ ...........................................................................14
2.2.3. Mô hình toán mô tả động học động cơ đồng bộ 3 pha ...............................................................14
2.2.3.1. Biến đổi hệ tọa độ .....................................................................................................................15
2.2.3.2. Các phương trình trong hệ tọa độ dq .......................................................................................16
2.2.3.3. Phương trình tính điện áp MTu ................................................................................................16
2.3. Mô hình hai động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu nối cứng trục ........17
2.3.1. Phương trình toán mô tả động cơ đồng bộ 01 ............................................................................17
2.3.2. Phương trình toán mô tả động cơ đồng bộ 02 ............................................................................18
2.3.3. Phương trình mô men khi hai động cơ chung tải ........................................................................18

CHƯƠNG 3.................................................................................................................. 19
ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) .......................... 19
3.1. Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu ........................................................................19
3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi trực tiếp...........................................................................23
3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi trực tiếp dựa vào luật MIT .....................................................23
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




V
3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi tuyến tính dựa vào phương pháp ổn định Lyapunov.............31
3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp dựa vào phương pháp ổn định Lyapunov ........36

3.3.1. Xác định cấu trúc của đối tượng và mô hình mẫu .......................................................................37
3.3.2. Xác định phương trình sai số .......................................................................................................38
3.3.3. Chọn hàm Lyapunov V(e) .............................................................................................................39
3.3.4 Xác định điều kiện để đạo hàm V (e) xác định âm .....................................................................39
3.3.5 Tìm tham số biểu thức của tham số

am , bm

..............................................................................40

3.3.6. Xác định tham số p11, p22 ..............................................................................................................41
3.3.7. Thiết kế bộ điều khiển PD thích nghi ...........................................................................................41

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG .................................... 47
4.1. Thiết kế và mô phỏng cho động cơ một chiều................................................................................47
4.1.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện động cơ 1 ..................................................................................48
4.1.2. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện động cơ 2 dùng điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
MRAS ......................................................................................................................................................50
4.1.3. Tổng hợp mạch vòng tốc độ ........................................................................................................53
4.1.4. Kết luận ........................................................................................................................................55
4.2. Thiết kế và mô phỏng cho động cơ xoay chiều ...............................................................................55
4.2.1. Xây dựng đối tượng trên Matlab/Simulink ..................................................................................55
4.2.2. Thiết kế điều khiển .......................................................................................................................57
4.2.2.1. Xây dựng bộ điều khiển PID theo phương pháp Zigler – Nichol ...............................................57
4.2.2.2. Bộ điều khiển PI thích nghi điều chỉnh dòng điện ....................................................................64
4.3. Kết luận chương 4 ...........................................................................................................................70

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

VI

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
MRAS

PID

Tên tiếng Việt

Tên tiếng Anh
Model Reference Adaptive

Hệ thống thích nghi theo

System

mô hình mẫu

Proportional - Integral Derivative

Tỷ lệ- tích phân - đạo hàm

AC

Alternating Current

Dòng điện xoay chiều

DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

AD

Analog digital

Bộ biến đổi tương tự -số

TNTT

Thích nghi trực tiếp

ĐCĐB

Động cơ đồng bộ

ĐB3P

Đồng bộ 3 pha

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

VII

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Phụ tải chỉ sử dụng 01 động cơ ....................................................................... 1
Hình 1.2: Hai động cơ có các cuộn phần ứng và kích từ tương ứng nối tiếp nhau ........ 2
Hình 1.3: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ ..................................................... 4
Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống điều khiển truyền thống ..................................................... 6
Hình 1.5: Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất.............................................................. 8
Hình 2.1: Cấu tạo của máy điện đồng bộ ...................................................................... 11
Hình 2.2: Sơ đồ Véc-tơ chuyển đổi sang hệ dq ............................................................ 15
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển thích nghi tham số .............................................. 20
Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển thích nghi tín hiệu .............................................. 20
Hình 3.3: Điều khiển thích nghi trực tiếp ..................................................................... 22
Hình 3.4: Mô hình đối tượng điều khiển và mô hình mẫu ............................................ 23
Hình 3.5: Sự thay đổi tham số bq dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra .......................... 25
Hình 3.6: Đáp ứng đầu ra của đối tượng (Yp), đáp ứng mô hình mẫu (Yp1) và sai
lệch hai đáp ứng đầu ra (e) khi thay đổi tham số bp. .................................................... 26
Hình 3.7: Bộ điều khiển thích nghi trực tiếp dựa vào luật MIT theo tham số Kb ........ 27
Hình 3.8: Đáp ứng đầu ra của đối tượng điều khiển và mô hình mẫu theo luật MIT ... 27
Hình 3.9: Sai lệch đầu ra của đối tượng và mô hình mẫu ............................................. 27
Hình 3.10: Hệ số thích nghi Kb theo luật MIT ............................................................. 28
Hình 3.11: Sơ đồ mô phỏng chỉnh định thông số Ka và Kb ......................................... 29
Hình 3.12: Đáp ứng đầu ra và sai lệch giữa đầu ra đối tượng và mô hình mẫu ........... 30
Hình 3.13:Các hệ số Ka và Kb ...................................................................................... 30
Hình 3.14: Khi thay đổi hệ số thích nghi. ..................................................................... 31
Hình 3.15: Hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp .................................................... 42
Hình 3.16: Hệ thống điều khiển thích nghi gián tiến trên Matlab/Simulink................. 44
Hình 3.17: Đáp ứng của đối tượng, mô hình mẫu với tham số của đối tượng thay đổi

t  15(s);t  30(s) ......................................................................................................... 45

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




VIII

Hình 3.18: Đáp ứng của các tham số hiêu chỉnh mô hình mẫu và tham số thích

a , b K p , Kd
nghi m m ,
với sự thay đổi tham số của mô hình đối tượng tại

t  15(s);t  30(s) ......................................................................................................... 46
Hình 4.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển ........................................................................ 47
Hình 4.2: Tổng hợp mạch vòng dòng điện ................................................................... 48
Hình 4.3: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển dòng điện động cơ 1 ................................... 50
Hình 4.4: Đáp ứng dòng điện 1 ..................................................................................... 50
Hình 4.5: Sơ đồ mô phỏng điều khiển dòng thích nghi cho động cơ 2 ........................ 51
Hình 4.6: Đáp ứng dòng điện đầu ra và sai lệch của động cơ 2 so với dòng điện mẫu 52
Hình 4.7: Các tham số của bộ điều khiển ..................................................................... 52
Hình 4.8: Cấu trúc mạch vòng tốc độ ........................................................................... 53
Hình 4.9: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng tốc độ............................................................... 54
Hình 4.10: Đáp ứng đầu ra của mạch vòng tốc độ ........................................................ 54
Hình 4.11: Sơ đồ chuyển đổi từ Uabc sang Udq .............................................................. 55
Hình 4-12: Sơ đồ mối liên hệ giữa yd, yq với isd, isq ...................................................... 56
Hình 4.13: Mô hình chi tiết động cơ ĐB3P .................................................................. 56

Hình 4.14: Mô hình động cơ đồng bộ 3 pha ................................................................. 57
Hình 4.15: Mô hình 2 động cơ ĐB3P nối cứng trục ..................................................... 57
Hình 4.16: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S ............................................................... 58
Hình 4.17: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn .......................................................... 59
Hình 4.18: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth ............................................................. 59
Hình 4.19: Bộ điều khiển PI chỉnh dòng ĐCĐB 3 pha 01 ........................................... 60
Hình 4.20: Cấu trúc bộ điều khiển PI chỉnh dòng đối................................................... 60
với mô hình 2 ĐCĐB 3 pha nối cứng trục .................................................................... 60
Hình 4.21: Sơ đồ mạch vòng ổn định tốc độ 01 ĐCĐB 3 pha ...................................... 61
Hình 4.22: Sơ đồ mạch vòng ổn định tốc độ với 2 ĐCĐB 3 pha nối cứng trục. Các
thông số của bộ ổn định tốc độ dựa theo phương pháp Ziegler – Nichols. .................. 61
Hình 4.23: Đặc tính dòng Isq của động cơ 01 và 02 trên hệ tọa độ dq khi sử dụng bộ
điều khiển PID............................................................................................................... 62
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




IX

Hình 4.24: Sai lệch giữa dòng Isq1 của ĐC01 với Isq2 của ĐC02 khi sử dụng bộ
điều khiển PID............................................................................................................... 63
Hình 4.25: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển thích nghi dòng điện isd2;isq2 của động
cơ 02 trên Matlab/Simulink 2012.................................................................................. 66
Hình 4.26: Đặc tính dòng điện Isq1; Isq2 khi áp dụng bộ điều khiển PI thích nghi ........ 67
Hình 4.27: Sai lệch giữa Isq1; Isq2 khi áp dụng bộ điều khiển PI thích nghi .................. 68
Hình 4.28: Đặc tính tốc độ của hệ thống khi áp dụng bộ điều khiển PI thích nghi ...... 68
Hình 4.29: Đặc tính mômen của hệ thống khi áp dụng bộ điều khiển PI thích nghi .... 69
Hình 4.30:Tham số thích nghi Kp của bộ điều khiển PI đối với dòng điện isq2 ............ 69
Hình 4.31:Tham số thích nghi Ki của bộ điều khiển PI thích nghi đối với dòng điện

isq2 .................................................................................................................................. 70

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1

LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa gắn liền với tri thức hiện
nay, việc ứng dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong các hệ thống điều
khiển, từ việc điều khiển động cơ công suất nhỏ, đến những động cơ công
suất lớn để điều khiển đèn giao thông ở một ngã tư cho tới cả một dây truyền,
một hệ thống trong các nhà máy, xí nghiệp.... đang được đặc biệt quan tâm.
Cùng với sự trợ giúp của máy tính, của trí tuệ nhân tạo, các hệ thống điều
khiển ngày càng trở nên hoàn thiện hơn, phục vụ nhiều chức năng hơn và khả
năng tự động hóa ngày càng cao. Do đó, yêu cầu đối với cán bộ kỹ thuật phải
có trình độ cao, đồng thời phải có khả năng nắm bắt công nghệ mới một cách
tốt nhất. Tuy nhiên, đối với những hệ thống đã và đang được sử dụng lại yêu
cầu người cán bộ kỹ thuật phải có khả năng nắm bắt và cải tiến công nghệ cho
các hệ thống đó.
Việc sử dụng những động cơ công suất lớn đáp ứng được yêu cầu của
tải gặp nhiều khó khăn thiết kế, chế tạo các động cơ công suất lớn. Vận hành
động cơ công suất lớn đồng nghĩa với việc đi kèm với nó là thiết bị biến đổi
(bộ chỉnh lưu có điều khiển đối với động cơ một chiều, bộ nghịch lưu đối với
động cơ xoay chiều) công suất lớn. Việc chế tạo động cơ công suất lớn và chế
tạo các bộ biến đổi công suất lớn tương xứng có thể khẳng định là rất phức
tạp và cũng rất đắt để thiết kế và chế tạo.
Với đề tài: “Cân bằng tải cho 02 động cơ xoay chiều nối cứng trục,

chung tải”, đưa ra giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế trên khi thay vì
chỉ sử dụng một động cơ công suất lớn ta sử dụng 02 động cơ có tổng công
suất bằng công suất của động cơ cần thay thế, các động cơ được chọn có cùng
tốc độ định mức và công suất định mức, nối cứng trục. Ưu điểm của giải pháp
là: Tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng như bộ biến đổi đi
kèm có công suất nhỏ hơn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2

Phương pháp nghiên cứu của đề tài như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình toán hệ hai động cơ xoay
chiều nối cứng trục.
- Nghiên cứu hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS
áp dụng cho bài toán cân bằng tải hai động cơ xoay chiều làm việc song
song nối cứng trục.
- Kiểm chứng kết quả thiết kế thông qua mô phỏng bằng phần mềm
Matlab/Simulink.
Cấu trúc luận văn bao gồm 4 chương, nội dung tóm tắt của các chương
như sau:
Chương 1: Tổng quan về cân bằng tải cho hai động cơ xoay chiều
nối cứng trục.
Đặt vấn đề cân bằng tải cho hai động cơ xoay chiều nối cứng trục. Tổng
quan về phương pháp cân bằng tải cho hai động cơ xoay chiều nối cứng trục.
Chương 2: Mô hình toán động cơ điện xoay chiều
Cấu tạo, phân loại nguyên lý hoạt động của máy điện đồng bộ. Trình bày

cấu tạo, nguyên lý làm việc và các phương pháp khởi động của động cơ điện
đồng bộ 3 pha. Mô hình toán mô tả động học động cơ đồng bộ 3 pha và dựng mô
hình toán cho hệ truyền động gồm 2 động cơ xoay chiều nối cứng trục.
Chương 3: Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS).
Khái niệm về điều khiển thích nghi, điều khiển thích nghi theo mô hình
mẫu, điều khiển thích nghi trực tiếp. Lý thuyết ổn định Lyapunov được áp
dụng để tìm ra công thức hiệu chỉnh thông số của đổi tượng điều theo thông
số của mô hình mẫu.
Áp dụng lý thuyết về hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu MRASđể
thiết kế hệ thống điều khiển như đã đề xuất tại Chương 1. Hệ thống điều
khiển với cấu trúc 02 mạch vòng, mạch vòng tốc độ bên ngoài, mạch vòng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3

dòng điện bên trong. Bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện của động cơ
thứ nhất được tính toán trước với các thông số bộ điều khiển là cố định.
Chương 4: Thiết kế điều khiển và mô phỏng.
Xây dựng cấu trúc đối tượng 2 động cơ xoay chiều 3 pha làm việc song
song nối cứng trục và cấu trúc bộ điều khiển thích nghi trực tiếp theo mô hình
mẫu trên Matlab/Simulink. Thu được kết quả thiết kế, tính toán được đánh giá
và hiệu chỉnh thông qua mô phỏng sử dụng Matlab Simulink.
Thái Nguyên, ngày 09 tháng 9 năm 2016
Học viên

Dương Thị Yến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ
XOAY CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC
1.1. Những yêu cầu về truyền động trong thực tế
Trong thực tế sản xuất có những dây chuyền có công suất nhỏ nhưng có
những day chuyền có công suất rất lớn hàng nghìn KW. Đối với những máy
sản xuất có công suất nhỏ thì việc dùng 01 động cơ truyền động rất dễ dàng
và thuận lợi. Nhưng đối với hệ truyền động có công suất lớn (trên 1000 KW)
thì gặp rất nhiều khó khăn.
AC

Drive

Ñoäng cô

Taû
i

Hình 1.1: Phụ tải chỉ sử dụng 01 động cơ

Ví dụ như những hệ thống truyền động ở: Hầm lò, trạm khí nén, máy
bơm, những máy xúc, máy ủi. Những cỗ máy truyền động này nếu dùng 01
động cơ truyền động thì gặp rất nhiều khó khăn, cụ thể là: Động cơ công suất

lớn chế tạo, sửa chữa, lắp đặt và vận hành rất khó khăn. Hơn nữa việc vận
chuyển động cơ này từ nơi sản xuất đến nới sử dụng cũng như việc lắp đặt
chúng vào vị trí làm việc gặp không ít trở ngại vì yếu tố trọng lượng và kích
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2

thước. Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với việc đi kèm với nó là
thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lưu có điều khiển đối với động cơ một chiều, bộ
nghịch lưu đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn. Tương tự như đã đặt
vấn đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ công suất lớn, có thể khẳng định
rằng rất khó và cũng rất đắt để thiết kế và chế tạo các bộ biến đổi công suất
lớn tương xứng.
1.2 Giải pháp truyền thống
Để giải quyết yêu cầu truyền động công suất lớn này thì người ta
thường dùng 02 hoặc nhiều động cơ truyền động.
AC

Drive

Ñoä
ng cô 2

Ñoä
ng cô 1

Taû

i

Hình 1.2: Hai động cơ có các cuộn phần ứng và kích từ tương ứng nối tiếp nhau

Việc dùng 02 động cơ để thay thế 01 động cơ công suất lớn thì có
những ưu điểm sau: Tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng
như bộ biến đổi đi kèm có công suất nhỏ hơn; quá trình vận chuyển, lắp ráp,
vận hành dễ dàng hơn. Đặc biệt là đối với giải pháp đề xuất, bằng cách lựa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3

chọn tổ nối dây của máy biến áp lực một cách hợp lý cho phép giảm thiểu ảnh
hưởng của thành phần sóng hài bậc 3 do bộ biến đổi tạo ra đối với lưới điện.
Xong với 02 động cơ truyền động, để cân bằng phụ tải trong quá trình
làm việc của 02 động cơ này thì 02 động cơ này phải có những yêu cầu như
sau:
(1) Tất cả truyền động thành phần đều phải giữ tỷ lệ không đổi trong
cả chế độ tĩnh và chế độ động, ta gọi là yêu cầu đồng bộ hóa tốc độ.
(2) Đối với dây chuyền sản xuất các vật liệu thay đổi, hoặc bề dày vật
liệu thay đổi dẫn đến yêu cầu thay đổi tốc độ làm việc thường tỷ lệ này thay
đổi không lớn, vùng điều chỉnh tốc độ O (2:1 đến 6:1)
(3) Một số dây chuyền yêu cầu chất lượng sản phẩm cao như độ đồng
đều vật liệu cao sai số ít. Như vậy hệ truyền động phải đảm bảo có độ chính
xác điều chỉnh cao.
(4) Một số vật liệu được sản xuất trong dây chuyền liên tục có yêu cầu

về chủng loại, tính chất đặt ra yêu cầu phải giữ sức căng không đổi. Vì vậy
yêu cầu hệ truyền động phải điều chỉnh cả tốc độ và lực kéo.
Tóm lại, để 02 động cơ làm việc khi nối cứng trục thì quá trình phụ tải
thay đổi (tốc độ động cơ thay đổi) thì phải có đặc tính tĩnh hoàn toàn như
nhau để giữ cho lực kéo của 02 động cơ này không đổi.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




4

AC

AC

Drive 1

Drive 2

Ñoä
ng cô 1

Ñoä
ng cô 2

Taû
i

Hình 1.3: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ

Một giải pháp giúp hai động cơ trên luôn có các dòng kích từ bằng
nhau, các dòng phần ứng như nhau đó là thực hiện mắc nối tiếp các cuộn kích
từ, mắc nối tiếp các cuộn dây phần ứng. Khi đó sự đóng góp của hai động cơ
là hoàn toàn giống nhau. Giải pháp tưởng như đơn giản tuy nhiên không thể
thực hiện trong thực tế bởi lẽ điện áp cấp cho kích từ, điện áp cấp cho phần
ứng yêu cầu tăng gấp hai lần, điều nay đồng nghĩa với việc công suất của thiết
bị biến đổi yêu cầu tăng gấp hai lần – khó khăn này đã đề cập ở trên. Ta có
thể kết luận ở đây giải pháp 02 động cơ chỉ dùng chung 01 bộ biến đổi là
không khả thi trong thực tế.
Qua các phân tích trên, giải pháp điều khiển cho 02 động cơ yêu cầu
phải dùng 02 bộ biến đổi. Tuy nhiên nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng
nếu không có mối liên hệ ràng buộc giữa hai bộ biến đổi sẽ không tạo nên sự
đóng góp công suất như nhau của 02 động cơ. Thực tế đã khẳng định rằng,
nếu 02 bộ biến đổi cấp nguồn cho 02 động cơ làm việc độc lập sẽ dẫn đến
trạng thái nguy hiểm cụ thể là: Một động cơ làm việc quá tải, động cơ còn lại
non tải; Trường hợp xấu hơn nữa một động cơ ngoài việc kéo toàn bộ tải còn
phải kéo cả động cơ còn lại.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




5

Một trong các thiết kế đã áp dụng đó là sử dụng cấu trúc với 02 mạch
vòng điều khiển, mạch vòng tốc độ chung bên ngoài, mạch vòng dòng điện
kép bên trong, tín hiệu ra của mạch vòng tốc độ là tín hiệu đặt cho các mạch
vòng dòng điện (Hình 1.4). Sự sai khác về dòng điện của hai động cơ được

hiệu chỉnh bằng cách thay đổi thông số của các bộ điều khiển PID mạch vòng
dòng điện một cách phù hợp. Với giải pháp này đã đáp ứng được yêu cầu của
sản xuất. Tuy nhiên, do thông số của các bộ điều khiển PID là cố định, trong
quá trình vận hành khi thông số của hệ thống thay đổi, dẫn đến sự sai khác
tương đối lớn về dòng điện của các động cơ (đôi khi có thể lên đến 15%).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




6

Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống điều khiển truyền thống

Chính vì vậy, cùng với quá trình vận hành, cán bộ kỹ thuật cần phải
chỉnh định lại thông số của các bộ điều khiển sao cho hệ thống làm việc ổn
định theo mong muốn – đây là nhược điểm cơ bản của thiết kế đã nêu.
1.3. Giải pháp đề xuất
Giải pháp đề xuất trình bày trong nghiên cứu này được phát triển dựa
theo giải pháp vừa nêu tuy nhiên có sự thay đổi. Cụ thể, giữ nguyên cấu trúc
điều khiển hai mạch vòng điều khiển, bộ điều khiển PID mạch vòng tốc độ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




7

bên ngoài chung cho cả 02 động cơ với thông số cố định, hai bộ điều khiển

PID mạch vòng dòng điện bên trong riêng cho 02 động cơ, bộ điều khiển
dòng điện động cơ một với thông số cố định, tín hiệu ra của bộ điều khiển này
là tín hiệu mẫu, thông số bộ điều khiển dòng của động cơ thứ hai được hiệu
chỉnh dựa trên sai lệch về dòng điện giữa 02 động cơ (Hình 1.5). Nói một
cách khác, bộ điều khiển dòng của động cơ thứ 2 là bộ điều khiển thích nghi
được thiết kế dựa trên mô hình mẫu được tạo bởi bộ điều khiển dòng động cơ
thứ nhất cùng một phần thông số của động cơ đó. Với cấu trúc này trong quá
trình vận hành, dòng điện động cơ thứ nhất được xem là dòng mẫu, dòng
động cơ thứ 2 luôn bám dòng động cơ 1 với sai số nhỏ nhất. Có nghĩa dòng
phần ứng của cả hai động cơ luôn bằng nhau – điều mà chúng ta mong đợi.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




8

Hình 1.5: Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất

Kết luận: Như vậy, ta thấy được những ưu nhược điểm của giải pháp
truyền thống. Để đổi mới và nâng cao chất lượng hệ thống trong quá trình sản
xuất, ta đã đưa ra được giải pháp đề xuất mới cho việc cân bằng tải cho 02
động cơ xoay chiều nối cứng trục. Phần tiếp theo ta đi xây dựng mô hình toán
cho động cơ điện xoay chiều.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

9

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU
2.1. Máy điện xoay chiều
Gồm 2 loại: Máy điện xoay chiều không đồng bộ và máy điện xoay
chiều đồng bộ.
Máy điện không đồng bộ: Cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, bảo
trì dễ dàng, giá thành hạ, thay đổi tốc độ bằng nhiều phương pháp.
Mô men động cơ không đồng bộ thay đổi nhiều khi điện áp thay đổi 
Hiệu suất thấp hơn động cơ đồng bộ.
Máy điện đồng bộ: Động cơ điện đồng bộ được kích thích bằng dòng
điện một chiều nên có thể làm việc với cos = 1 và không cần lấy công suất
phản kháng từ lưới điện, kết quả là hệ số công suất của lưới điện được nâng
cao, làm giảm được điện áp rơi và tổn hao công suất trên đường dây.
Động cơ điện đông bộ ít chịu ảnh hưởng đối với sự thay đổi điện áp của
lưới điện. Khi áp lưới bị sụt, khả năng giữ tải của động cơ điện đồng bộ lớn
hơn, nếu tăng kích thích, động cơ đồng bộ có thể làm việc an toàn và cải thiện
được điều kiện làm việc của cả lưới điện.
Hiệu suất cao hơn động cơ không đồng bộ
Tuy nhiên, cấu tạo động cơ đồng bộ phức tạp, giá thành cao, mở máy
phức tạp hơn và việc thay đổi tốc độ chỉ có thể thực hiện bằng cách thay đổi
tần số nguồn điện.
 Vì những ưu điểm nổi bật trên của động cơ đồng bộ, trong đề tài này
đã nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển gắn với động cơ đồng bộ. Dưới đây là
một vài khái niệm chung về máy điện đồng bộ:
2.1.1. Khái niệm chung về máy điện đồng bộ
Máy điện đồng bộ là loại máy điện mà tốc độ quay của rôto bằng tốc độ
quay của từ trường quay trong máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




10

Ngày nay nguồn năng lượng điện được sử dụng trên thế giới chủ yếu là
năng lượng điện xoay chiều thì máy phát điện đồng bộ là nguồn chính để phát
ra năng lượng đó
Máy đồng bộ cũng có tính chất thuận nghịch. Tức là có thể làm việc
như một máy phát hoặc như một động cơ. Ngoài ra nó còn có thể dùng làm
nguồn công suất kháng gọi là máy bù đồng bộ
Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Phạm vi
ứng dụng chính là biến đổi cơ năng thành điện năng , nghĩa là làm máy phát
điện. Điện năng 3 pha chủ yếu dùng trong nền kinh tế quốc dân và trong đời
sống hằng ngày được sản suất từ các máy phát điện quay bằng tuabin hơi,
tuabin khí hoặc tubin nước.
Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết
bị công suất lớn, thiết bị lớn.
Máy điện đồng bộ có khả năng phát ra công suất phản kháng, thông
thường máy đồng bộ được tính toán sao cho chúng có thể phát ra công suất
phản kháng gần bằng công suất tác dụng. trong một số trường hợp người ta
dùng máy điện đồng bộ đặt gần các khu công nghiệp lớn để chỉ phát ra công
suất phản kháng đủ bù hệ số cos cho lưới điện là hợp lý. Những máy đó là
máy bù đồng bộ.
Các động cơ đồng bộ công suất nhỏ (đặc biệt là các động cơ đồng bộ
kích từ bằng nam châm vĩnh cửu) cũng được sử dụng rộng rãi trong các trang
bị tự động và điều khiển.
2.1.2. Cấu tạo của máy điện đồng bộ

Cấu tạo của máy điện đồng bộ gồm có 2 phần: Phần quay (rôto) và
phần tĩnh (stato)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




11

Hình 2.1: Cấu tạo của máy điện đồng bộ

- Stato gồm có: vỏ, lõi và dây quấn
+ Vỏ: làm bằng thép đúc, dung bảo vệ mạch từ và các phần khác trong
máy. Trên vỏ có gắn biển đề ghi các thông số của máy điện
+ Lõi stato: dung để dẫn từ, được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện với
nhau theo hình trụ rỗng, mặt trong được đặt các rãnh để đặt cuộn dây stato
+ Dây quấn: được quấn thành tứng các mô bin, các cạnh của các mô
bin đó được đặt vào các rãnh của lõi thép stato. Các mô bin được cách điện
với nhau vad cách điện với vỏ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




12

- Roto gồm có: Nếu phần quay là phần cảm thì nó gồm: lõi và dây
quấn
rôto có 2 loại: cực lồi và cực ẩn

+ Loại cực lồi: Dây quấn được quấn xung quanh cực từ. Ở máy điện
lớn thì trên cực còn được sẽ rãnh để đặt cuộn khởi động. Loại máy này tốc độ
quay thấp
+ Loại cực ẩn: Người ta sẽ rãnh ở 2/3 chu vi rôto. Rôto của loại này
thường làm bằng thép chất lượng cao để đảm bảo lực li tâm khi tốc độ lớn
2.1.3. Nguyên lý hoạt động của máy điện đồng bộ
Trong máy điện đồng bộ, thường cực từ đặt ở rôto, còn dây quấn phần
ứng được đặt trên phần tĩnh (stato) gồm ba cuộn dây đặt lệch nhau trong
không gian 1200 góc độ điện, đấu thành hình sao (Y) hay tam giác (Δ). Cũng
giống như các máy điện quay khác, máy điện đồng bộ cũng có tính chất thuận
nghịch: có thể làm việc ở chế độ máy phát hợc chế độ động cơ điện. Khi động
cơ sơ cấp quay rôto máy phát với tốc độ định mức, đồng thời cho dòng điện
một chiều vào dây quấn rôto (dây quấn kích thích), rôto trở thành nam châm
điện, từ trường của rôto quét qua các thanh dẫn của dây quấn stato và cảm
ứng bên trong chúng các sức điện động xoay chiều.
Khi dây quấn phần ứng của máy được nối với tải bên ngoài, dòng điện
ba pha đối xứng lệch nhau về thời gian 1200 điện chạy trong dây quấn ba pha
đặt lệch nhau trong không gian một góc 1200 điện sẽ sinh ra từ trường quay.
2.1.4. Phân loại máy điện đồng bộ
- Theo chức năng người ta phân thành:
Máy phát, động cơ, máy bù đồng bộ
- Theo số pha:
Máy đồng bộ một pha, máy đồng bộ 3 pha.
- Theo công suất:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




13

Máy đồng bộ công suất nhỏ, máy đồng bộ công suất trung bình, máy
đồng bộ công suất lớn.
- Theo cấu tạo:
Máy đồng bộ cực lồi, máy đồng bộ cức ẩn.
2.2. Động cơ điện đồng bộ
Các động cơ điện xoay chiều dùng nhiều trong sản xuất thường là
những động cơ điện không đồng bộ, vì loại động cơ này có đặc điểm cấu
tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ. Tuy
nhiên các động cơ điện đồng bộ trong thời gian gần đây cũng được sử dụng
nhiều và cũng có thể so sánh với động cơ không đồng bộ trong lĩnh vực
truyền động điện.
Ưu điểm: Động cơ điện đồng bộ có khả năng làm việc ở chế độ hệ số
công suất cos = 1, và không cần lây công suất phản kháng từ lưới điện, nên
hệ số công suất của lưới điện được nâng cao, làm giảm điện áp rơi và tổn hao
công suất trên đường dây.
Động cơ điện đồng bộ ít chịu ảnh hưởng của điện áp lưới do moomen tỷ
lệ với điện áp U, còn động cơ di bộ có mô men tỷ lệ với bình phương điện áp U.
Nhược điểm: Cấu tạo của động cơ đồng bộ phức tạp, đòi hỏi phải có
nguồn kích từ, việc khởi động phức tạp, việc thay đổi tốc độ chỉ có thể thực
hiện được nhờ thay đổi tần số của nguồn điện.
2.2.1. Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ 3 pha
Cho dòng điện ba pha ia, ib, ic vào dây quấn ba pha của stato, dòng
điện ba pha sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ n1 = 60f1/p. Ta hình dung từ
trường quay stato như một nam châm có hai cực đang quay với tốc độ n.
Đồng thời cho dòng điện một chiều vào dây quấn rôto, rôto trở thành một nam
châm điện. Tác dụng tương hỗ giữa từ trường stato và từ trường rôto tạo ra
lực tác dụng lên rôto.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN