Vấn đề ước lượng từ thông trong điều khiển trực tiếp momen và điều khiển tựa vector từ thông stator động cơ không đồng bộ

1

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản luận văn: Vấn đề ƣớc lƣợng từ thông trong
điều khiển trực tiếp momen và điều khiển tựa vector từ thông stator động
cơ không đồng bộ” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo
PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực
tế.
Để hoàn thành luận văn này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi
trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài
liệu nào khác.

Hà Nội, ngày 13 tháng 5 năm 2015
Học viên thực hiện

Nguyễn Tuấn Thành

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật


2

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................3
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................6
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................7
CHƢƠNG 1: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG KHÔNG
GIAN VECTOR ........................................................................................................9
1.1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ ...........................................................9
1.1.1. Phân loại ....................................................................................................9
1.1.2. Kết cấu ......................................................................................................9

1.1.3. Nguyên lý làm việc .................................................................................11
1.1.4. Ưu, nhược điểm và ứng dụng..................................................................12
1.2. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha .....................................................12
1.2.1. Khái niệm về các đại lượng vector không gian.......................................12
1.2.2. Chuyển vị tuyến tính - vector không gian trong hệ trục tọa độ quay .....21
1.2.3. Hệ tọa độ d,q ...........................................................................................24
CHƢƠNG 2: ĐIỂU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN ..........................................27
2.1. Nguyên lý sinh momen ................................................................................27
2.2. Điều chế vector điện áp không gian .............................................................30
2.3. Nguyên lý của phương pháp điều chế vector không gian ............................33
2.4. Điều khiển trực tiếp momen.........................................................................35
2.5. Phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC - SVM ..............................43
CHƢƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TỰA VECTOR TỪ THÔNG STATOR...............45
3.1. Nguyên lý điều khiển ...................................................................................45
3.2. Điều khiển định hướng từ thông stator ........................................................47
3.3. Điều khiển trực tiếp momen DTC - SVM và điều khiển tựa vector từ thông
stator ....................................................................................................................51
CHƢƠNG 4: VẤN ĐỀ ƢỚC LƢỢNG TỪ THÔNG ...........................................53
4.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................53
4.2. Ước lượng từ thông bằng phương pháp tích phân trực tiếp .........................54
4.3. Ước lượng từ thông sử dụng bộ lọc thông thấp ...........................................55
4.4. Mô phỏng hệ thống và một số kết quả .........................................................58
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................69

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật


3

DANH MỤC HÌNH VẼ
Số hình

Tên hình

Trang

Hình 1-1

Sơ đồ dây quấn và vector điện áp không gian

15

Hình 1-2

Mô hình vector động cơ và hình ảnh vector tại thời điểm t0

16

Hình 1-3

Mô hình máy điện trong hệ toạ độ cực

16

Hình 1-4

Sơ đồ thay thế của mô hình trong tọa độ cực

17

Hình 1-5

Mô tả hệ toạ độ αβ

18

Hình 1-6

Sơ đồ thay thế của động cơ KĐB trong hệ trục hai pha αβ

20

Hình 1-7

Khái niệm về hệ trục tọa độ quay

21

Hình 1-8

Sơ đồ thay thế quy đổi trong hệ tọa độ quay

22

Hình 1-9

Các hệ thống tọa độ trực giao

24

Hình 1-10

Hình 1-11

Hình 2-1
Hình 2-2
Hình 2-3

Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ trong hệ trực giao,
quay đồng bộ với từ trường quay
Đồ thị vector cho phương pháp điều khiển vector tựa từ thông
rotor
Sơ đồ nguyên lý của động cơ xoay chiều ba pha nuôi bởi biến
tần nguồn áp
Sơ đồ nối 3 cuộn dây ứng với khả năng thứ 4
Tám vector điện áp chuẩn do ba cặp van bán dẫn của biến tần
nguồn áp

24

25

30
31
32

Hình 2-4

Thực hiện vector us bất kỳ bằng 2 vector điện áp chuẩn

33

Hình 2-5

Điều khiển momen bằng cách quay từ thông stator

36

Hình 2-6

Mô tả hàm đóng cắt mạch lực biến tần

37

Hình 2-7a

Thay đổi vị trí vector  s ở S1 khi d = 0

39

Hình 2-7b

Thay đổi vị trí vector  s ở S1 khi d = 1

40

Hình 2-8

Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp momen động cơ KĐB

41

Hình 2-9

Sơ đồ cấu trúc phương pháp điều khiển DTC-SVM

43

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật


4

Vector dòng stator trong hệ tọa độ quay đồng bộ với trục d
Hình 3-1

trùng với vector từ thông stator. Vector từ thông stator chỉ có

45

thành phần thực
Hình 3-2
Hình 3-3

Hình 3-4
Hình 3-5
Hình 4-1
Hình 4-2
Hình 4-3

Hình 4-4

Hình 4-5

Sơ đồ khối mạch cách ly
Cấu trúc hệ điều khiển theo phương pháp tựa theo từ thông
stator
Sơ đồ khối phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC –
SVM và điều khiển tựa vector từ thông stator
Vector từ thông stator trong hệ tọa độ quay đồng bộ dq
Mô hình ước lượng từ thông bằng phương pháp tích phân
trực tiếp
Mô hình ước lượng từ thông sử dụng LPF
Mô hình ước lượng từ thông sử dụng LPF với khâu hạn chế
biên độ
Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển trực tiếp momen động
cơ KĐB
Sơ đồ cấu trúc mô phỏng phương pháp điều khiển DTC –
SVM

49
50

51
52
54
56
57

59

59

Hình 4-6

Mô hình động cơ KĐB trong phần mềm Matlab - Simulink

59

Hình 4-7

Bảng nhập các thông số động cơ KĐB

60

Hình 4-8

Khối đo lường

60

Hình 4-9

Mô hình mô phỏng khối đo lường

61

Hình 4-10

Sơ đồ mô phỏng khối ước lượng từ thông, momen và các bộ
điều khiển

61

Hình 4-11

Mô hình mô phỏng khối ước lượng từ thông và momen

62

Hình 4-12

Mô hình khối chuyển tọa độ từ ABC sang hệ tọa độ α

62

Hình 4-13

Mô hình tính toán biên độ và góc lệch  e khi ước lượng
từ thông theo phương pháp tích phân trực tiếp

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

62


5

Hình 4-14

Hình 4-15

Hình 4-16

Hình 4-17

Hình 4-18

Hình 4-19

Hình 4-20

Hình 4-21

Mô hình ước lượng từ thông bằng phương pháp tích phân
trực tiếp
Đồ thị từ thông stator khi ước lượng bằng phương pháp tích
phân trực tiếp
Góc lệch  e khi ước lượng bằng phương pháp tích phân trực
tiếp
Đáp ứng từ thông stator khi ước lượng bằng phương pháp
tích phân trực tiếp
Mô hình và cấu trúc khối ước lượng từ thông sử dụng lọc
thông thấp LPF
Mô hình tính toán biên độ và góc lệch e khi ước lượng từ
thông sử dụng lọc thông thấp LPF
Đồ thị từ thông stator và góc khi ước lượng từ thông sử dụng
lọc thông thấp LPF
Góc lệch e khi ước lượng từ thông sử dụng lọc thông thấp

63

63

63

64

65

65

66

66

LPF
Hình 4-22

Đáp ứng biên độ từ thông stator khi ước lượng từ thông sử
dụng lọc thông thấp LPF

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

67


6

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TT

Từ viết tắt

Tên đầy đủ

1

KĐB

Không đồng bộ

2

FOC

Field Oriented Control

3

DTC

Direct Torque Control

4

IM

Induction Motor ( Machine)

5

SVM

Space Vector Modulation

6

PI

Proportional Integral

7

LPF

Low-Pass Filter

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật


7

LỜI NÓI ĐẦU
Động cơ không đồng bộ là loại máy điện quay được dùng phổ biến nhất
trong kỹ thuật truyền động điện do có các ưu điểm là: Khả năng quá tải về
momen lớn, có thể làm việc ở tốc độ rất thấp hoặc rất cao. Hiện nay, với sự
tiến bộ của khoa học kĩ thuật cũng như sự phát triển của lý thuyết điều khiển
tự động, điện tử công suất, kĩ thuật vi xử lí đã khắc phục được những nhược

điểm của động cơ không đồng bộ .
Các hệ truyền động điện tự động ngày nay thường sử dụng nguyên tắc
điều khiển theo các mạch điều khiển thích nghi, điều khiển vector cho các
động cơ xoay chiều. Để điều khiển động cơ xoay chiều cũng có rất nhiều
phương pháp được đề xuất nhưng phương pháp điều khiển vector (Điều khiển
tựa theo vector từ thông rotor và phương pháp điều khiển trực tiếp momen) đã
tạo nên những thành công trong các sản phẩm thương mại. Hai phương pháp
trên đều có chung nguyên lý là áp đặt nhanh momen và từ thông và có cùng
chung một đối tượng điều khiển đó là động cơ xoay chiều ba pha. Về cách
thức xây dựng hai phương pháp này thì khác nhau. Có thể nói rằng mô hình
điều khiển và thuật toán theo phương pháp tựa theo từ thông rotor là khá phức
tạp, ngược lại với nó phương pháp điều khiển trực tiếp momen có thuật toán
khá đơn giản nhưng cho hiệu quả điều khiển hệ thống cao cụ thể là đáp ứng
momen nhanh. Tuy nhiên phương pháp điều khiển trực tiếp momen lại yêu
cầu phải tính toán từ thông một cách chính xác. Xuất phát từ điều đó trong
bài báo cáo này, tác giả đã lựa chọn đề tài: “Vấn đề ước lượng từ thông trong
điều khiển trực tiếp momen và điều khiển tựa vector từ thông stator động cơ
không đồng bộ”
Nội dung cơ bản của luận văn của em gồm 4 chương:
Chương 1: Mô hình động cơ không đồng bộ trong không gian vector
Chương 2: Điều khiển trực tiếp momen

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật


8

Chương 3: Điều khiển tựa vector từ thông stator
Chương 4: Vấn đề ước lượng từ thông
Sau một thời gian nghiên cứu, với sự nỗ lực của bản thân và cùng với

sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của thầy PGS.TS Nguyễn Văn Liễn em đã thu
được một số kết quả cụ thể trong việc phân tích đánh giá vấn đề ước lượng từ
thông trong điều khiển trực tiếp momen và điều khiển tựa vector từ thông
stator. Tuy nhiên, do thời gian có hạn, kiến thức còn hạn chế nên bản luận văn
của em còn nhiều điều thiếu sót. Em rất mong nhận được nhiều sự đóng góp
của quý thầy, cô giáo cùng các bạn để bản luận văn của em được hoàn thiện
hơn.
Hà Nội, ngày 14 tháng 05 năm 2015
Học viên thực hiện

Nguyễn Tuấn Thành

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật


9

CHƢƠNG 1:
MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG KHÔNG GIAN
VECTOR
1.1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ
1.1.1.Phân loại
- Theo kết cấu của vỏ máy: Kiểu kín, kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu phòng
nổ.
- Theo kết cấu của rotor: Loại rotor kiểu lồng sóc và loại rotor dây quấn
- Theo số pha trên dây quấn stator: Loại một pha, hai pha và ba pha
1.1.2. Kết cấu
a. Phần tĩnh hay Stator
- Vỏ máy
Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm

mạch dẫn từ. Thường vỏ máy làm bằng gang. Đối với máy có công suất tương
đối lớn (1000kW) thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ. Tuỳ theo cách
làm nguội vỏ mà dạng vỏ cũng khác nhau.
- Lõi sắt
Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường xoay chiều
nên để giảm tổn hao, lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày
0,5mm ép lại. Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 990mm thì dùng cả tấm
tròn ép lại. Khi đường kính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm
hình rẻ quạt ghép lại thành khối tròn.
Mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm
tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Nếu lõi sắt ngắn thì có thể ghép thành
một khối, nếu lõi sắt quá dài thì có thể ghép thành từng thếp ngắn, mỗi thếp
dài 6 đến 8cm, đặt cách nhau 1cm để thông gió cho tốt. Mặt trong của lá thép
có xẻ rãnh để đặt dây quấn.

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật


10

- Dây quấn
Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt
với lõi sắt. Dây quấn có nhiệm vụ cảm ứng được sức điện động nhất định
đồng thời cũng tham gia vào việc tạo nên từ trường cần thiết cho sự biến đổi
năng lượng cơ điện trong máy. Kết cấu của dây quấn phải đảm bảo được
những yêu cầu như tiết kiệm dây đồng, bền về cơ, điện, nhiệt đồng thời chế
tạo đơn giản, lắp ráp sửa chữa dễ dàng.
Một số kiểu dây quấn: Dây quấn có q là số nguyên (dây quấn một lớp và
dây quấn hai lớp), dây quấn có q là phân số.
b.Phần quay hay rotor: Có hai bộ phận chính là lõi sắt và dây quấn.

- Lõi sắt
Thường dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở stator. Lõi sắt được ép trực
tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rotor của máy. Phía ngoài của lá thép có xẻ
rãnh để đặt dây quấn.
- Dây quấn rotor: Có hai loại chính là loại rotor kiểu dây quấn và loại
rotor kiểu lồng sóc.
+ Loại rotor kiểu dây quấn
Rotor có dây quấn như dây quấn stator. Trong máy điện cỡ trung bình
trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp vì bớt được những đầu dây
nối, kết cấu dây quấn trên rotor chặt chẽ. Trong máy điện cỡ nhỏ thường dùng
dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn ba pha của rotor thường đấu hình sao,
còn ba đầu kia được nối vào ba vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định
ở một đầu trục và thông qua chổi than có đấu với mạch điện bên ngoài. Đặc
điểm của loại động cơ điện rotor kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than
đưa điện trở phụ hay sức điện động phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính
năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy. Khi
máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch.

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật


11

+ Loại rotor kiểu lồng sóc.
Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm
dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng
đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là cái lồng sóc.
Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt. Để cải thiện tính năng mở
máy, trong máy công suất tương đối lớn, rãnh rotor có thể làm thành dạng
rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc hay còn gọi là lồng sóc kép. Trong

máy điện cỡ nhỏ, rãnh rotor thường được làm chéo đi một góc so với tâm
trục.
c. Khe hở
Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không
đồng bộ rất nhỏ (từ 0.2 đến 1mm trong máy điện cỡ nhỏ và vừa) để hạn chế
dòng điện từ hoá lấy từ lưới vào và như vậy mới có thể làm cho hệ số công
suất của máy cao hơn.
1.1.3. Nguyên lý làm việc
Đặt điện áp xoay chiều vào ba pha dây quấn stator sinh ra dòng điện và
sức từ động. Các sức từ động này lệch nhau góc 1200 cả về không gian và thời
gian tạo thành từ trường quay. Từ trường quay sinh ra từ thông Φ1, từ thông
Φ1 xuyên qua dây quấn rotor cảm ứng ra sức điện động E2 và dòng điện I2. Từ
thông Φ2 do dòng điện I2 sinh ra sẽ hợp với từ thông Φ1 tạo thành từ thông
tổng ở khe hở không khí. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ thông tổng của máy
với thanh dẫn trên rotor mang dòng điện tạo thành momen. Chỉ khi tốc độ
quay n của rotor nhỏ hơn tốc độ đồng bộ n1 thì mới có sự chuyển động tương
đối giữa từ trường và dây quấn rotor. Dòng điện sinh ra trong dây quấn rotor
cùng chiều với sức điện động và tác dụng với từ trường tổng trong khe hở
sinh ra lực F và momen M. Momen đó kéo rotor quay cùng chiều từ trường
quay với tốc độ n. Điện năng đưa tới rotor đã biến thành cơ năng trên trục,

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật


12

nghĩa là máy điện làm việc trong chế độ động cơ điện. Do tốc độ quay của
rotor luôn khác với tốc độ của từ trường quay (n < n 1) nên động cơ đó còn
được gọi là động cơ không đồng bộ.
1.1.4. Ƣu, nhƣợc điểm và ứng dụng

- Ưu điểm:
+ Kết cấu đơn giản đặc biệt là động cơ rotor lồng sóc, làm việc chắc
chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ.
+ Có thể dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần
trang bị thêm các thiết bị biến đổi đi kèm theo.
- Nhược điểm:
+ Điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn.
+ Hệ số cos của máy thường không cao lắm.
- Ứng dụng:
+ Do có các ưu điểm như trên nên động cơ không đồng bộ là một loại
máy được dùng rộng rãi nhất trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất
từ vài chục đến hàng nghìn kilôoat và chiếm tỉ lệ rất lớn so với động cơ khác.
+ Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn
động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà
máy công nghiệp nhẹ, trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió…
+ Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản
phẩm.
+ Trong đời sống hàng ngày, dùng làm quạt gió, máy quay đĩa, động cơ
trong tủ lạnh, máy giặt …
1.2. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha
1.2.1. Khái niệm về các đại lƣợng vector không gian
a, Mô hình vector

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật


13

Động cơ không đồng bộ 3 pha nói chung bao gồm sáu dây quấn, trong
đó 3 dây quấn pha stator được cố định và cách nhau một phần ba vòng tròn,

ba dây quấn pha rotor cũng được đặt lệch nhau một phần ba vòng tròn, dây
quấn pha stator và pha rotor được liên hệ với nhau bởi cảm ứng điện từ qua
khe hở không khí.
Với cách bố trí trên ba trục như trên hình 1-1, về mặt hình thức có thể
định nghĩa được một vector điện áp stator có ba thành phần lệch nhau 2/3
trong không gian:

U s3



U phm sin(t )

U as (t )  

2 
2 f



 U bs (t )   U phm sin(t 
) ; s 

3 
Pp
U cs (t )  

4
U phm sin(t 
)

3



(1-1)

Tuy nhiên, các điện áp stator còn lệch nhau 2/3 về thời gian, tại mỗi
thời điểm vector U s 3 có một vị trí pha nhất định, ví dụ t = t0:




U
sin(
)
phm


2
U as (t0 )  

 2 



U s 3 (t0 )  U bs (t0 )   U phm sin(  )

2 3 
U cs (t0 )  



4

U phm sin(  ) 
2 3 

tại t = t1:

5


U
sin(
)
phm


6
U as (t1 )  

5

2



U s 3 (t1 )  U bs (t1 )   U phm sin(  ) 

6
3 

U cs (t1 )  

5

4

U phm sin(  ) 

6
3 

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật


14

Ở chế độ xác lập, khoảng cách pha giữa hai vector này là một phần sáu
chu kỳ và biên độ các vector là như nhau và bằng:
3
U s 3  U phm
2

(1-2)

trong đó: Uphm là biên độ điện áp pha.
Sau một chu kỳ điện áp nguồn, nếu số đôi cực của dây quấn Pp = 1 thì
đầu mút vector sẽ vẽ nên một đường tròn. Trong tính toán, để cho đơn giản
trong cách viết, thường định nghĩa vector U s mới, có biên độ đúng bằng biên
độ điện áp pha:

Us 

2
U s 3  U phm
3

Về biểu thức giải tích nếu: Uas(t) + Ubs(t) + Ucs(t) = 0 thì:

Us 

2
U sa (t ).1  U sb (t ).a  U sc (t ).a 2 
3

trong đó: a = exp{j2/3}.

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

(1-3)


15

Hình 1-1: Sơ đồ dây quấn và vector điện áp không gian

Các đại lượng điện từ khác như dòng điện stator, từ thông stator, dòng
điện từ hoá dòng điện rotor, từ thông khe hở không khí,...cũng có thể được
định nghĩa dưới dạng vector tương tự như trên. Hình 1-2, mô tả một ví dụ về
vector điện áp và vector dòng điện. Có thể dễ dàng nhận ra rằng tất cả các

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật


16

vector điện từ đều quay rong mặt phẳng với tốc độ quay bằng tốc độ
s 

2 f
, tốc độ này gọi là tốc độ từ trường quay.
pp

Hình 1-2: Mô hình vector động cơ KĐB và hình ảnh vector tại thời điểm t0

Về mặt năng lượng có thể coi các vector không gian là hoàn toàn đại
diện cho các đại lượng ba pha trong thời gian và như thế có thể thấy rằng một
máy điện có hai dây quấn s và r, nếu trên đó đặt vector điện áp U s 3 tương
ứng thì sẽ sinh ra các vector điện từ không gian còn lại tương tự như chúng
được sinh ra bởi các đại lượng ba pha trong thời gian, mô hình máy điện như
vậy được gọi là mô hình máy điện trong hệ toạ độ cực

Hình 1-3: Mô hình máy điện trong hệ toạ độ cực

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật


17

Có thể lập được sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ ba pha khi
quy đổi các đại lượng từ rotor về stator như trên hình 1-4.

Hình 1-4: Sơ đồ thay thế của mô hình trong tọa độ cực
Trong sơ đồ thay thế trên đây, ngoài các các đại lượng vector được kí
hiệu có dấu gạch ngang (-) trên đầu, các đại lượng còn lại là các ma trận
thông số, ví dụ:

1

1



s

2
1 0 0 

1
Rs  Rs 0 1 0  ; Ls  Lm  
1  s
 2
0 0 1
 1
1


 2
2








1  s 


1

1



r

2
1 0 0 

1
Rr'  Rr' 0 1 0  ; L'r  L'm  
1  r
 2
0 0 1
 1
1


 2
2







1  r 


1
2
1

2


1
2
1

2


Các phương trình điện áp trong không gian toạ độ cực:






'
d


r
U r  Rr' ir' 
 j r' 
dt

U s  Rs is 

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

d s
dt

(1-4)


18

Các phương trình của từ thông:

 s  L s is  Lm im 

  L i  Lm im 

im  is  ir'

'

r

'

'
r r

(1-5)

và momen điện từ:

M

3
Pp s .is
2

(1-6)

b. Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ toạ độ trực giao
Mô hình trong hệ toạ độ cực của động cơ không đồng bộ không thuận
tiện cho các tính toán điều khiển, mặt khác ta thấy rằng tất cả các đại lượng
vector đều quay trong mặt phẳng cắt ngang của động cơ, do đó nó có thể quy
đổi sang hệ toạ độ Đề các, gọi hệ toạ độ này là αβ, trong đó trục 0α được chọn
trùng với trục dây quấn pha a stator.

Hình 1-5: Mô tả hệ toạ độ αβ

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

19





U s (t )  U s cos  s 

U s (t )  U s sin  s 


d
s  s

dt

U s (t ) 
Us  

U s (t ) 

(1-7)

Có thể lập được mối quan hệ giữa các đại lượng trong hai không gian
khác nhau:

U s (t )  U as (t )




1

U s (t ) 
[U bs (t )  U cs (t )]
3


(1-8)

Biểu thức (1-8) thể hiện phép biến đổi tương đương các đại lượng trong
không gian ba pha thành các đại lượng trong không gian hai pha, thường được
viết tắt [3 → 2] hay gọi là ánh xạ [C1] với:



 1
0 


1
3

1
[C1 ]  
;
 2
2 



 1  3 
 2
2 

U as (t ) 
U (t )   [C ]1 U s (t ) 
U (t ) 
1
 bs 
 s 
U cs (t ) 

Những lập luận như trên hoàn toàn đúng với các đại lượng điện từ còn
lại như: từ thông rotor và stator, dòng điện stator và rotor, điện áp rotor... Vì
hai trục tọa độ là trực giao nên có thể viết được phương trình cho từng trục
tọa độ. Cũng cần nhắc lại rằng các phương trình viết theo từng trục α, β là
thuần tuý quan hệ theo giá trị tức thời (trong thời gian).

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật


20

d s
dt
d s






 Rs is 

dt

d r' 
' '
' 
 Rr ir 
 Pp r

dt

'

d

 Rr' i'  r   Pp r'  
dt


 Ls is  LM ir' 

 Ls is  LM ir' 


 L'r ir'   LM is

' '


 Lr ir   LM is


(1-9)

3
3
Pp LM (i'r i s  i 'r  i s )  Pp ( s i s  s i s
2
2

(1-10)

U s  Rs is 
U s
U r'
U r' 

 s
 s
U r'
U r' 
Momen điện từ:

M

Hình 1-6: Sơ đồ thay thế của động cơ KĐB trong hệ trục hai pha αβ

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

21

1.2.2. Chuyển vị tuyến tính - vector không gian trong hệ trục tọa độ
quay
a. Mô hình vector trong hệ tọa độ quay
Nhìn lại mô hình máy điện trong hệ tọa độ cực, đại lượng vector được
xác định bởi độ dài (mô đun) của vector và vị trí góc pha (υs) tính từ trục cực
đứng yên đến vector. Trong chế độ xác lập, độ dài vector là hằng số còn góc
pha lấy các giá trị từ 0 đến 2π, đầu mút vector vẽ nên một đường tròn có bán
kính đúng bằng mô đun.
Nếu ta cho trục cực quay với một tốc độ đúng bằng tốc độ đồng bộ

s = 2πf /Pp thì mô tả các phương trình điện áp sẽ như trên hình 1-7.
Các đại lượng vector stator được biểu diễn trong hệ tọa độ quay với tốc
độ đồng bộ, tức là chúng được quay đi một góc đúng bằng υs, lúc này để phân
biệt với mô tả trong hệ tọa độ cực (đứng yên) ta thêm vào kí hiệu chỉ số "k".
Trong đó do bản thân rotor dây quấn đã quay với góc υm nên góc quay "thực"
của các đại lượng vector rotor là υs – υm. Phương trình bây giờ trở thành:

Hình 1-7: Khái niệm về hệ trục tọa độ quay

U sk .e js  Rs isk .e js 

d 
Ls isk .e js  Lm irk' .e js 

dt 

Sau khi tính toán các đạo hàm thay vào ta có:

U sk  Rs isk 







d
Ls isk'  Lm irk'  js Ls isk'  Lm irk'
dt

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật



(1-11)


22

Vế phải của (1-11) có ba số hạng: Số hạng thứ nhất là sụt áp trên điện trở
thuần dây quấn stator, số hạng thứ hai là sức điện động cảm ứng và số hạng
thứ ba là sức điện động quay do kết quả của việc quay giả tưởng dây quấn
stator với tốc độ s.
Để ý rằng các biểu thức trong dấu ngoặc đơn chính là từ thông stator, do
đó có thể viết gọn lại:

U sk  Rs isk 

d sk
 js sk
dt

(1-12)

Có thể thấy rằng ở chế độ xác lập góc lệch pha giữa vector điện áp và
trục cực là không đổi: γu = const.
Lập luận tương tự có thể tìm được biểu thức cho các vector rotor:

d rk'
U Ri 
 j (s  Pp ) rk'
dt
'
rk

'
r rk

(1-13)

 rk'  Lm isk  L'r irk'
và momen điện từ:

M



3
Pp Im  sk* .isk
2



Hình 1-8: Sơ đồ thay thế quy đổi trong hệ tọa độ quay

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

(1-14)


23

b. Mô hình trong hệ tọa độ trực giao, quay đồng bộ
Lập luận tương tự như mục 1.2.1a, đặt vector us trong hệ tọa độ trực giao
(x,y) quay với tốc độ đồng bộ s= 2πf / Pp:

U sx  U s cos su  s 
U sy  U s sin su  s 
Có thể dễ dàng tính đổi giữa các đại lượng mô tả trên các hệ tọa độ trực
giao quay và đứng yên như sau:

U sx   coss
U   
 sy    sin s

sin s  U s 



coss  U s 

(1-14)

Ma trận biến đổi chính là phép quay exp{js}, thường gọi là ma trận C2
nó có ma trận nghịch đảo là:

coss  sin s 
C21  
  exp  js 
sin

cos

s
s

Lập luận tương tự như trên hoàn toàn đúng với các đại lượng còn lại của
mô hình động cơ:

d sx

 s sy 
dt

d sy

U sy  Rs isy 
 s sx 

dt


'
d rx
'
' '
' 
U rx  Rr irx 
 sl ry

dt

d ry'
'
' '
' 
U ry  Rr iry 
 sl rx
dt

U sx  Rs isx 

(1-15)

trong đó: (sl = s - Pp.) là tốc độ trượt của động cơ.
Các phương trình từ thông, momen tương tự như trong (1-9), (1-10).

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

24

Hình 1-9 : Các hệ thống tọa độ trực giao

Hình 1-10: Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ trong hệ trực giao, quay đồng bộ
với từ trường quay

1.2.3. Hệ tọa độ d,q
Phương pháp điều khiển cả biên độ và vị trí pha của vector dòng điện
(điện áp) giúp tạo được hệ thống điều chỉnh từ thông hoàn hảo mà không cần
sử dụng cảm biến từ thông động cơ. Trong chế độ xác lập vector từ thông

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật


25
'
rotor quay đồng bộ với từ trường quay stator, nếu ta đặt vector  r trong hệ

toạ độ dq quay đồng bộ thì ta có hình ảnh như trên hình 1-8.

Hình 1-11: Đồ thị vector cho phương pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor

Ở chế độ xác lập thì vì tất cả các vector đều quay đồng bộ với hệ trục tọa
độ nên góc quay γ = const và do đó các thành phần của dòng điện chiếu lên hệ
trục sẽ là một chiều (biến thiên rất chậm). Vì vậy, rất dễ dàng tổng hợp các bộ
điều chỉnh kiểu vô hướng, theo từng chiều (thành phần) của vector dòng điện.
Vì trục 0d trùng với vector từ thông rotor nên:

 rd'   r' ;

 rq'  0

isd  is cos  cũng trùng với vector  r' do đó ta nói isd là thành phần
dòng điện sinh ra từ thông rotor.

isq  is sin 

Mặt khác ta có:
Trong khi đó:

 

L

Im  M'  r' .is 
2
2
 Lr

3Pp LM
3Pp LM '
'
'


i



i

 rd sq rq sd  2 L'  r isq
2 L'r
r

M

3Pp

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật

Im  s' .is 

3Pp