Điều khiển động cơ đồng bộ cấp nguồn bởi biến tần đa bậc dùng phương pháp mô hình nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN TRUNG TRỰC
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CẤP
NGUỒN BỞI BIẾN TẦN ĐA BẬC DÙNG
PHƢƠNG PHÁP MÔ HÌNH NỘI
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN TRUNG TRỰC

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CẤP
NGUỒN BỞI BIẾN TẦN ĐA BẬC DÙNG
PHƢƠNG PHÁP MÔ HÌNH NỘI
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã ngành: 60520202
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. DƢƠNG HOÀI NGHĨA

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2015


CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. DƢƠNG HOÀI NGHĨA
( Ký ghi rõ họ tên, học hàm, học vi )

Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại Học Công Nghệ TP. HCM
ngày … tháng … năm…
Thành phần Hội Đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ gồm:
( Ghi rõ họ tên, học hàm , học vị của Hội Đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ )
Họ và tên

TT

Chức Danh Hội Đồng

1

PGS.TS. Trần Thu Hà

Chủ tịch

2

TS. Nguyễn Thanh Phƣơng

Phản biện 1

3

TS. Nguyễn Minh Tâm

Phản biện 2

4

TS. Đinh Hoàng Bách

Ủy viên

5

TS. Phạm Đình Anh Khôi

Thƣ ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa
( nếu có )
Chủ Tịch Hội Đồng Đánh Giá Luận Văn

PGS. TS. Trần Thu Hà


TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH - ĐTSĐH

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
TP. HCM, ngày… tháng … năm …

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Nguyễn Trung Trực

Giới tính: Nam

Ngày , tháng, năm sinh: 29 / 04 / 1982

Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

MSHV: 1341830044

I- Tên đề tài : Điều khiển động cơ đồng bộ cấp nguồn bởi biến tần đa bậc dùng
phƣơng pháp mô hình nội.
II- Nhiệm vụ và nội dung:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
III- Ngày giao nhiệm vụ: 18 / 08 / 2014
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20 / 01 / 2015
V- Cán bộ hƣớng dẫn : PGS.TS. Dƣơng Hoài Nghĩa

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

( Ký và ghi rõ họ tên )

PGS.TS. Dƣơng Hoài Nghĩa

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
( Ký và ghi rõ họ tên )


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận Văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận Văn này đã
được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận Văn

Nguyễn Trung Trực


ii

LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành gửi lời biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Dương Hoài Nghĩa.
Người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn.Trong
quá trình thực hiện luận văn, tuy gặp nhiều khó khăn, nhưng nhờ sự hướng dẫn tận tình
của Thầy PGS.TS Dương Hoài Nghĩa , Thầy cũng cung cấp cho tôi những tài liệu vô
cùng quý giá để tôi thực hiện trong suốt thời gian làm luận văn.
Xin chân thành cám ơn tập thể thầy cô giáo Trường Đại Học Kỹ Thuật Công

Nghệ TP. Hồ Chí Minh, đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi, giúp tôi học tập
và nghiên cứu trong quá trình học cao học tại trường.
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo
Sau Đại Học Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP. Hồ Chí Minh, đã giúp đỡ, tạo
điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn cao học tại trường.
Xin chân thành cảm ơn các anh, chị học viên cao học ngành “Kỹ Thuật Điện” đã
đóng góp ý kiến giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường.
Xin chân thành cảm ơn Bố Mẹ và gia đình cùng những người thân đã động viên
và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học cũng như thời gian tôi thực hiện luận văn. Cảm
ơn người bạn đời, người bạn đồng hành, đã động viên và tạo điều kiện cho tôi trong
suốt thời gian học tập cũng như hoàn thành tốt luận văn này.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2015
Người Thực hiện

Nguyễn Trung Trực


iii

TÓM TẮT
Ngày nay tự động hóa phát triển rất mạnh trong điều khiển truyền động điện trong
sản xuất đã đặt ra các yêu cầu cao về độ chính sát trong điều khiển của hệ thống. Ngoài
các nguồn động lực dùng trong hệ truyền động điện như: khí nén, thủy lực, động cơ
đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu được sử dụng ngày càng phổ biến.
Tuy nhiên động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu là hệ phi tuyến nên
việc điều khiển cũng gập nhiều khó khăn. Bên cạnh đó cũng có nhiều phương pháp
được áp dụng vào điều khiển hệ phi tuyến và cũng thu được một số kết quả.
Trong luận văn này chủ yếu trình bày phương hướng để giải quyết bài toán phi
tuyến nói chung và điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nói riêng là phương pháp điều
khiển tốc độ động cơ đồng bộ cấp nguồn bởi biến tần đa bậc dùng phương pháp mô

hình nội.
Sau đó, dùng phần mềm MATLAB/SIMULINK 7.11 để mô phỏng phương pháp
trên và đồng thời cho thấy hệ thống đáp ứng tốt với phương pháp. Từ đó, ta sẽ khảo sát
tính bền vững của phương pháp điều khiển cũng như thay đổi các thông số động cơ.


iv

ABSTRACT
Today automation thrives in control of electric drives in production has set high
requirements on the accuracy of the observations in the control system. In addition
to the power source used in electric drives such as pneumatic, hydraulic, motor
synchronous permanent magnet

excitation

is used

increasingly popular.

However synchronous motor permanent magnet excitation is nonlinear systems
to control and difficult. Besides, there are many methods applied to nonlinear
control systems and also obtained some results.
In this paper mainly presents directions for solving general nonlinear control
and speed synchronous motor in particular methods of speed control synchronous
motor powered by a multi-level inverter using the internal model approach.
Then, using the software MATLAB / SIMULINK 7:11 to simulation methods
and also showed good response systems approach. From there, we will examine the
sustainability of control methods as well as changing the motor parameters.

v

MỤC LỤC
Lời cam đoan ........................................................................................................................ i
Lời cảm ơn ........................................................................................................................... ii
Tóm tắt luận văn .................................................................................................................iii
ABSTRACT ................................................................................................................iv
Mục lục ................................................................................................................................. v
Danh mục các từ viết tắt ...................................................................................................viii
Danh mục các bảng biểu .................................................................................................... ix
Danh mục các sơ đồ, hình ảnh ............................................................................................ x
Chương 1: Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ........................... 1
1.1.Giới thiệu về động cơ đồng bộ.[ 8] ........................................................................ 2
1.2.Tính cấp thiết của đề tài. ........................................................................................ 6
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ. ........................................................................................... 7
1.4. Các phương pháp điều khiển đã có. [ 1 ], [ 2 ]. .................................................... 7
1.4.1. Phương pháp điều khiển dòng dạng chữ nhật . ............................................... 7
1.4.2. Điều khiển vô hướng ( V/f ) không dùng cảm biến. ....................................... 8
1.4.3. Điều khiển vectơ. ............................................................................................. 9
Chương 2: Cơ sở lý thuyết giới thiệu về bộ biến tần đa bậc.[ 5 ], [ 9 ] ..................... 11
.........................................................................................................................................
2.1.Giới thiệu. ............................................................................................................. 12
2.2. Phân loại. ............................................................................................................. 13
2.3. Các cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc. .............................................. 13
2.3.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng cascade............................................................ 14
2.3.2 Cấu trúc dùng tụ thay đổi ( Floating Capacitor Multilevel Inverter ). .......... 15
2.4. Các trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu áp đa bậc. ...................................... 16
2.4.1. Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu áp ba bậc. ...................................... 16
2.4.2. Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu áp năm bậc. ................................... 17

Chương 3: Ứng dụng phương pháp mô hình nội vào điều khiển động cơ đồng
bộ.[ 3 ], [ 4 ], [ 6 ], [ 8 ] .............................................................................................. 19
I.Phương pháp mô hình nội. ....................................................................................... 20


vi

I.3.1.Cấu trúc hệ thống điều khiển dùng mô hình nội.. ............................................. 20
I.3.2.Điều kiện ổn định nội......................................................................................... 21
I.3.3.Chất lượng điều khiển. ....................................................................................... 22
I.3.4. Nguyên lý điều khiển IMC phi tuyến đối với động cơ đồng bộ. ..................... 23
II. Động cơ đồng bộ. ................................................................................................... 24
II.3.1. Các phương trình cơ bản. ................................................................................ 24
II.3.2. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor (d-q). ............................ 25
II.3.3. Mômen điện từ. ................................................................................................ 26
II.3.4. Xây dựng mô hình động cơ đồng bộ. .............................................................. 26
II.3.5. Xây dựng mô hình thuận . ............................................................................... 28
II.3.6. Xây dựng mô hình ngược . .............................................................................. 30
II.3.7. Xây dựng bộ inverter 3 bậc..................................................................................... 33
II.3.8.Xây dựng bộ lọc IMC. ...................................................................................... 37
II.3.9. Kết quả mô phỏng............................................................................................ 38
II.3.9.1. Thông số động cơ dùng làm mô phỏng. ....................................................... 38
II.3.9.2. Đáp ứng danh định. ...................................................................................... 39
II.3.9.3. Khảo sát tính bền vững [ 2 ], [ 4 ] .............................................................. 42
II.3.9.3.1. Tính bền vững đối với R s ......................................................................... 42
II.3.9.3.2. Tính bền vững đối với Ls . ........................................................................ 47
II.3.9.3.3. Tính bền vững đối với J. ............................................................................ 51
II.3.9.3.4. Tính bền vững khi thay đổi tất cả thông số động cơ. ................................ 55
II.3.9.3.5 Đáp ứng khi thay đổi tải. ............................................................................ 57
Kết luận ...........................................................................................................................

Chương 4: Kết Luận ................................................................................................ 61
Tài Liệu Tham Khảo


vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PMW

Pulse Width Modulation

DTFC

điều khiển trực tiếp moment và từ thông.

PM-SM

động cơ đồng bộ kích từ nam chăm vĩnh cửu

RSM

động cơ đồng bộ từ trở.

VSI

Voltage Source Inverter

CSI

Current Source Inverter

BJT

Bipolar Juncition Transistor

MOSFET

Metal Oxide Simiconductor Field Effect Transistor

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor

GTO

Gate Turn Off Thyristor

IGCT

Integrated Gate Commutated Thyristor

SCR

Sillicon Controlled Rectifier

NPC :

Neutral Point Clamped.

IMC:

Internal Model Control

PD:

Phase Disposition

PID:

Proportional–Integral–Derivative


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Bảng trạng thái đóng ngắt nghịch lưu 3 bậc 1 pha. ..................................... 16
Bảng 2: Bảng trạng thái đóng ngắt nghịch lưu 5 bậc 1 pha. ..................................... 17
Bảng 3: Bảng khảo sát tính bền vững khi dùng phương pháp mô hình nội. ............. 59


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Động cơ đồng bộ rôto cực lồi ...................................................................... 4
Hình 1.2: Động cơ đồng bộ rôto cực ẩn ....................................................................... 5
Hình 1.3: Hệ thống điều khiển dòng dạng chữ nhật .................................................... 7
Hình 1.4: Điều khiển vô hướng ( V/f ) với khâu bù góc tải ........................................ 8
Hình 1.5: Điều khiển vectơ .......................................................................................... 9
Hình 1.6: Điều khiển trực tiếp từ thông và mômen. .................................................. 10
Hình 2.1: Bộ nghich lưu áp đa bậc dạng Cascade. .................................................... 14

Hình 2.2: Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng ghép. ............................................................ 15
Hình 2.3: Cấu trúc bộ nghịch lưu áp dạng tụ thay đổi. .............................................. 15
Hình 2.4: Bộ nghịch lưu 3 bậc 1 pha. ........................................................................ 16
Hình 2.5: Bộ nghịch lưu 5 bậc 1 pha. ........................................................................ 17
Hình 3.1: Sơ đồ điều khiển mô hình nội. ................................................................... 20
Hình 3.2: Sơ đồ khối điều kiện ổn định nội. .............................................................. 21
Hình 3.3: Biến đổi sơ đồ điều khiển mô hình nội ( H.a) thành sơ đồ điều khiển
tương đương ( H.b ). ................................................................................................... 21
Hình 3.4: Biến đổi sơ đồ điều khiển truyền thống ( H.a ) thành sơ đồ điều khiển mô
hình nội ( H.b ). .......................................................................................................... 22
Hình 3.5: Sơ đồ điều khiển mô hình nội. ................................................................... 22
Hình 3.6. Mô hình điều khiển động cơ đồng bộ dùng mô hình nội. ......................... 23
Hình 3.7: Mô hình đơn giản của động cơ đồng bộ ba pha rôto cực lồi..................... 24
Hình 3.8: Mô hình đơn giản của động cơ đồng bộ ba pha rôto cực ẩn. .................... 24
Hình 3.9 : Sơ đồ chi tiết khối mô hình động cơ. ........................................................ 28
Hình 3.10: Mô hình động cơ. ..................................................................................... 28
Hình 3.11: Sơ đồ chi tiết khối mô hình thuận. ........................................................... 30
Hình 3.12: Mô hình thuận. ......................................................................................... 30
Hình 3.13: Sơ đồ chi tiết mô hình ngược. ......................................................................... 32
Hình 3.14: Mô hình ngược. ........................................................................................ 32
Hình 3.15: Sơ đồ bộ inverter 3 bậc ............................................................................ 33
Hình 3.16: Sơ đồ chi tiết các khối bên trong bộ inverter 3 bậc. ................................ 33


x

Hình 3.17: Sơ đồ chi tiết các khối bên trong bộ biến tần 3 bậc................................. 34
Hình 3.18: Sơ đồ chi tiết các khối bên trong bộ nghịch lưu 3 bậc. ........................... 34
Hình 3.19: Sơ đồ chi tiết các khối IGBT. .................................................................. 35
Hình 3.20: khối chuyển đổi từ abc sang alpha, beta. ................................................. 35

Hình 3.21: khối chuyển đổi từ alpha, beta sang abc. ................................................. 36
Hình 3.22: Khối chuyển đổi từ alpha, beta sang dq................................................... 36
Hình 3.23: Khối chuyển đổi từ dq sang alpha, beta................................................... 36
Hình 3.24: Khối bộ lọc IMC ...................................................................................... 37
Hình 3.25: Sơ đồ chi tiết khối bộ lọc IMC ................................................................ 37
Hình 3.26: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ dùng mô hình nội. ......... 38
Hình 3.27: Đáp ứng tốc độ. ........................................................................................ 39
Hình 3.28: Đáp ứng dòng điện isd . ........................................................................... 39
Hình 3.29: Đáp ứng dòng điện i sq ............................................................................ 40
Hình 3.30: Đáp ứng Moment. .................................................................................... 40
Hình 3.31: Đáp ứng dòng điện pha a stator. .............................................................. 41
Hình 3.32: Đáp ứng dòng điện 3 pha stator ............................................................... 41
Hình 3.33a: Đáp ứng tốc độ khi Rsmíi  0.9 Rscò ..................................................... 42
Hình 3.33b: Đáp ứng dòng điện isd khi Rsmíi  0.9 Rscò ........................................ 43
Hình 3.33c: Đáp ứng moment khi Rsmíi  0.9 Rscò . ................................................ 43
Hình 3.33d: Đáp ứng dòng điện pha a stator khi Rsmíi  0.9 Rscò .......................... 44
Hình 3.34a: Đáp ứng tốc độ khi Rsmíi  2.1Rscò ..................................................... 44
Hình 3.34b: Đáp ứng dòng điện isd khi Rsmíi  2.1Rscò ........................................ 45
Hình 3.34c: Đáp ứng moment khi Rsmíi  2.1Rscò ................................................. 45
Hình 3.34d: Đáp ứng dòng điện pha a stator khi Rsmíi  2.1Rscò . ......................... 46
Hình 3.35a: Tốc độ khi Lsdmíi  0.9 Lsdcò , Lsqmíi  0.9 Lsqcò . ............................ 47
Hình 3.35b: Dòng điện isd khi Lsdmíi  0.9 Lsdcò , Lsqmíi  0.9 Lsqcò .................. 48
Hình 3.35c: Moment Me khi Lsdmíi  0.9 Lsdcò , Lsqmíi  0.9 Lsqcò ..................... 48
Hình 3.36a: Tốc độ khi Lsdmíi  1.6 Lsdcò , Lsqmíi  1.6 Lsqcò .............................. 49


xi

Hình 3.36b: Dòng điện isd khi Lsdmíi  1.6 Lsdcò , Lsqmíi  1.6 Lsqcò ................. 49
Hình 3.36c: Moment Me khi Lsdmíi  1.6 Lsdcò , Lsqmíi  1.6 Lsqcò . .................... 50

Hình 3.37a: Tốc độ khi J míi  0.7 J cò . .................................................................... 51
Hình 3.37b: Dòng điện isd khi J míi  0.7 J cò ......................................................... 52
Hình 3.37c: Moment Me khi J míi  0.7 J cò ............................................................. 52
Hình 3.38a: Tốc độ khi J míi  2.1J cò ...................................................................... 53
Hình 3.38b: Dòng điện isd khi J míi  2.1J cò . ........................................................ 53
Hình 3.38c: Moment Me khi J míi  2.1J cò ............................................................. 54
Hình 3.39a: Tốc độ khi thay đổi hết thông số............................................................ 55
Hình 3.39b: Dòng điện isd khi thay đổi hết thông số ............................................... 56
Hình 3.39c: Moment Me khi thay đổi hết thông số ................................................... 56
Hình 3.40a: Tốc độ khi tải thay đổi ........................................................................... 57
Hình 3.40b: Dòng điện isd khi thay đổi tải ............................................................... 58
Hình 3.40c: Moment Me khi thay đổi tải ................................................................... 58


1

CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU.


2

1.1.Giới thiệu về động cơ đồng bộ.
Trong những năm gần đây vấn đề tự động hóa phát triển rất nhanh, việc điều
khiển truyền động điện trong sản xuất đồi hỏi cao về độ chính xác điều khiển cũng
như các đáp ứng động của hệ thống. Để cho hệ thống truyền động được ổn định và
bền vững cao cần phải có một phương pháp điều khiển thích hợp và hiệu quả. Động
cơ điện thường dùng trong sản xuất là động cơ không đồng bộ do giá thành thấp, dễ
bảo quản và cấu tạo đơn giản. Tuy nhiên, động cơ không đồng bộ nói chung hay

động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu nói riêng trong những năm gần đây
đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền động điện nhờ các ưu điểm nhất
định và có thể so sánh với động cơ không đồng bộ trong nhiều lĩnh vực truyền động
điện.
Ƣu điểm: [ 2 ], [ 8 ], [ 10 ]
- Động cơ điện đồng bộ do được kích thích bằng nguồn điện một chiều nên có
thể làm việc với hệ số cosφ = 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
điện áp rơi và tổn hao công suất trên đường dây.
- Ít chịu ảnh hưởng đối với sự thay đổi điện áp của lưới điện do mômen của
động cơ điện đồng bộ tỉ lệ với U trong khi mômen động cơ điện không đồng
bộ tỉ lệ với U 2 .
- Hiệu suất động cơ đồng bộ cao hơn động cơ không đồng bộ.
- Động cơ đồng bộ là hệ số công suất được điều khiển một cách đơn giản bằng
cách thay đổi dòng điện trường. Đây cũng là lý do tại sao trong các cơ sở
công nghiệp lớn, một phần tải thường được điều khiển bằng các động cơ
đồng bộ, vận hành với hệ số công suất sớm pha để có hệ số công suất cao
trong toàn cơ sở công nghiệp đó
Nhƣợc điểm: [ 2 ], [ 8 ], [ 10 ]
- Cấu tạo phức tạp.
- Giá thành cao.
- Việc mở máy động cơ đồng bộ cũng phức tạp hơn và việc điều khiển tốc độ
chỉ có thể thực hiện bằng cách thay đổi tần của số nguồn điện.
Bên cạnh đó thì động cơ đồng bộ là một hệ phi tuyến nhiều biến, việc điều


3

khiển động cơ đặt ra nhiều khó khăn do lý thuyết điều khiển hệ phi tuyến còn chưa
hoàn chỉnh cho trường hợp tổng quát.

Có nhiều phương pháp đã được áp dụng vào điều khiển đông cơ đồng bộ kích
thích nam châm vĩnh cửu, các phương pháp này cũng thu được một số kết quả nhất
định. Tuy nhiên một trong những phương pháp giải quyết bài toán phi tuyến nói
chung và điều khiển động cơ đồng bộ nói riêng, là phương pháp điều khiển cấp
nguồn bởi biến tần đa bậc dùng mô hình nội. Kết quả này sẽ được chứng minh qua
kết quả mô phỏng và thực nghiệm.
Do tốc độ của động cơ đồng bộ liên quan chặt chẽ với tần số nguồn cấp cho
stator nên để điều khiển tốc độ của động cơ đồng bộ phải sử dụng biến tần [ 1 ].
Do động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu là một hệ phi tuyến nhiều
biến, việc điều khiển động cơ rất phức tạp, đòi hỏi phải tính toán nhiều. Mặt dù
được biết từ lâu, nhưng động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu chỉ được
quan tâm trong hệ thống truyền động khi kỹ thuật van bán dẫn công suất lớn và kỹ
thuật vi xử lý phát triển. Do vậy, việc điều khiển động cơ này đã thu hút được sự
quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu, và nhiều phương pháp cũng đã được giới thiệu
trên các tạp chí.
Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ đồng bộ từ trở
thường sử dụng cho các động cơ công suất nhỏ hoặc trung bình ( thường khoảng 50
– 100Kw trở xuống ) và các động cơ rôto kích từ thường được dùng cho các ứng
dụng công suất trung bình và cao ( hàng trăm kW, MW đến hàng trăm MW ).
Các dạng rôto của động cơ đồng bộ thường gặp.
- Tích cực:
 Kích từ nam châm vĩnh cửu.
 Cuộn kích từ.
- Thụ động:
 Từ trở biến thiên.
Ngoài ra rôto động cơ còn được phân loại theo cực lồi hoặc cực ẩn.


4

Hình 1.1: Động cơ đồng bộ rôto cực lồi
a) Rô to kích từ ; b) Rô to nam châm vĩnh cửu


5

Hình 1.2: Động cơ đồng bộ rôto cực ẩn
b) Rô to kích từ ; b) Rô to nam châm vĩnh cửu
1.2.Tính cấp thiết của đề tài.
Động cơ đồng bộ có những điểm như hiệu suất, Cos  cao, tốc độ ít phụ thuộc
vào điện áp. Tuy nhiên việc điều khiển động cơ đồng bộ còn tương đối khó khăn, do
đặc tính phi tuyến mạnh. Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ đồng bộ là
làm thế nào để dễ dàng điều khiển tốc độ như việc điều khiển động cơ một chiều. Vì


6

vậy ý tưởng biến đổi máy điện xoay chiều thành máy điện một chiều trên phương
diện điều khiển đã ra đời. Điều khiển vectơ sẽ cho phép điều khiển từ thông và
moment hoàn toàn độc lập nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng hoặc
giá trị tức thời của áp. Điều khiển vector cho phép tạo ra những phản ứng nhanh và
chính xác của từ thông và moment trong quá trình quá độ, cũng như quá trình xác
lập.
Như các hệ thống điều khiển khác, chất lượng các hệ điều khiển truyền động
điện phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng các bộ điều khiển, ở đó hệ thống phải tạo ra
được khả năng thay đổi tốc độ trơn, mịn với phạm vi điều chỉnh rộng, độ chính xác
của đại lượng điều chỉnh ở chế độ tĩnh cao để tạo vùng làm việc với sai số nhỏ, hệ
làm việc với bất cứ quá trình quá độ nào cũng phải đạt được độ ổn định cao và hệ
phải đáp ứng nhanh với yêu cầu điều chỉnh.
Để giải quyết những vấn đề trên, nhiều giải thuật điều khiển động cơ đồng bộ

đã được nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực truyền động điện như: Phương pháp
điều khiển vector, điều khiển trực tiếp moment, điều khiển tựa theo từ thông, điều
khiển vô hướng. Hiện nay các phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh
vực hệ truyền động động cơ đồng bộ. Bên cạnh những ưu điểm các phương pháp
trên vẫn còn tồn tại những khuyết điểm.
- Với điều khiển V/f = hằng số, chỉ dùng cho hệ truyền động có đặc tính thấp.
- Vơi phương pháp điều khiển trực tiếp moment thì đáp ứng tốc độ thấp
moment điều khiển không trơn.
- Điều khiển tựa theo từ thông thì ở tốc độ trên danh định động cơ mất ổn
định.
Với mong muốn tìm hiểu thêm về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều, nên
người nghiên cứu chọn “ điều khiển động cơ đồng bộ cấp nguồn bởi biến tần đa
bậc dùng phƣơng pháp mô hình nội “ làm đề tài.
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ.
Tìm hiểu về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, phương pháp mô hình nội
điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Nghiên cứu kết hợp lý thuyết mô hình nội để điều khiển động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu.


7

Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab Simulink.
Đánh giá kết quả.
1.4. Các phƣơng pháp điều khiển đã có. [ 1 ], [ 2 ].
1.4.1. Phƣơng pháp điều khiển dòng dạng chữ nhật .
Điều khiển dòng dạng chữ nhật còn gọi là hệ truyền động DC không chổi quét.
Phương pháp điều khiển dòng dạng chữ nhật được dùng khi lực điện từ có dạng
không sin ( hình thang ), với q = 1, các cuộn dây stator dạng tập trung. Phương pháp
này nhằm giảm các xung dao động mômen và có ưu thế khi sử dụng cảm biến vị trí

đơn giản ( hoặc bộ ước lượng ).
Hệ thống điều khiển gồm động cơ, nghịch lưu PWM, khâu điều khiển vận tốc
và dòng điện, cảm biến vị trí ( tốc độ ) hoặc khâu ước tính cho hệ điều khiển không
cảm biến và cảm biến dòng.

Hình 1.3: Hệ thống điều khiển dòng dạng chữ nhật
Bộ nghịch lưu được điều khiển để cung cấp dòng với dạng sóng hình chữ nhật,
dùng các cảm biến phát hiện tiếp cận với góc   0
1.4.2. Điều khiển vô hƣớng ( V/f ) không dùng cảm biến.


8

Hình 1.4: Điều khiển vô hƣớng ( V/f ) với khâu bù góc tải
Độ gia tăng góc tải  được ước tính và tần số đặt sẽ được tăng lên giá trị

f * để bù sự biến thiên mômen và giữ cho dòng động cơ đồng bộ với rôto khi quá
độ. Phương pháp này chỉ thích hợp với các ứng dụng có yêu cầu đặc tính động
không cao với ưu điểm về tính đơn của hệ điều khiển.
Phương pháp điều khiển vô hướng thích hợp với các ứng dụng có yêu cầu đặc
tính động không cao với ưu điểm về tính đơn giản của điều khiển. Đối với các ứng
dụng yêu cầu đặc tính động cao ( đáp ứng nhanh ) thường sử dụng phương pháp
điều khiển vectơ.
1.4.3. Điều khiển vectơ.


9

1- cảm biến vị trí : 2- không cảm biến.
Hình 1.5: Điều khiển vectơ

Vị trí và vận tốc rôto được đo bằng cảm biến hoặc ước tính ( cho các hệ truyền
động không dòng cảm biến ) và được sử dụng làm hồi tiếp tốc độ  r  và góc quay
vectơ  er  để các giá trị đặt của dòng các pha stator i*a , i*b , i*c . Hệ điều khiển vòng
kín hoặc vòng hở PWM được sử dụng để thiết lập dạng dòng điện ( hoặc điện áp )
được giữ đồng bộ với rôto.
Thiết lập mối tương quan giữa thành phần i*d và i*q có tầm quan trọng đối với
việc tối ưu hóa theo tiêu chuẩn đặt ra. Hệ thống điều vectơ phức tạp hơn nhiều so
với điều khiển V/f, tuy nhiên cho phép đạt đáp ứng động cao hơn nhiều ( điều khiển
nhanh mômen ).
Tuy nhiên phương pháp điều khiển tần số theo luật V/f không đổi cũng có
nhược điểm là chất lượng điều khiển thấp, khả năng đáp ứng theo tải chậm, hiệu
suất thấp. Thực tế đòi hỏi cần phải có các hệ thống đáp ứng yêu cầu truyền động
chất lượng cao để thay thế truyền động một chiều một hệ thống như vậy phải có khả
năng áp đặt mômen quay của động cơ thật nhanh và chính sát. Chính vì vậy mà các
phương pháp mới đã được ứng dụng và đưa vào thực tế. Các phương pháp này chia
thành hai nhóm.
 Điều khiển véc tơ.
 Điều khiển trực tiếp.
Để đơn giản hóa việc điều khiển động cơ, phương pháp điều khiển trực tiếp


10

mômen và từ thông ( DTFC ) cho động cơ không đồng bộ được mở rộng ứng dụng
cho động cơ đồng bộ ( PM - SM và RSM ) và được gọi là điều khiển vectơ mômen
( TVC – torque véctơ control ).
Điều khiển trực tiếp từ thông stator và mômen đưa về việc giải quyết bài toán
thiết lập quy luật đóng cắt khóa bán dẫn của bộ nghịch lưu áp PWM ( trình tự vectơ
không gian điện áp ). Góc quay  er không cần xác định trong trường hợp này, tuy
nhiên cần sử dụng khâu quan sát từ thông và mômen.

Hình 1.6: Điều khiển trực tiếp từ thông và mômen.