ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA THEO NGUYÊN lý RFOC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN
---------------o0o---------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG
BỘ BA PHA THEO NGUYÊN LÝ RFOC

GVHD: TRỊNH HOÀNG HƠN
SVTH:

ĐÀO NGỌC LONG

MSSV:

40907168

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2012

i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc.
-----✩---------✩----Số: ______ /BKĐT
Khoa: Điện – Điện tử
Bộ Môn:Thiết bị điện

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
1. HỌ VÀ TÊN: ĐÀO NGỌC LONG
MSSV: 40907168
2. NGÀNH:
ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
LỚP: DD09B2N1
3. Đề tài: Điều khiển máy điện không đồng ba pha theo nguyên lý RFOC.
4. Nhiệm vụ (Yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):
- Đông cơ điện và các phương pháp điều khiển.
- Nguyên lý điều khiển vector.
- Mô hình động cơ.
- Điều khiển định hướng từ thông rotor.
- Mô phỏng.
- Kết quả.
Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 10-09-2012
5. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30-12-2012
6. Họ và tên người hướng dẫn:
TRỊNH HOÀNG HƠN

Phần hướng dẫn
100%

Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ Môn.
Tp.HCM, ngày….. tháng….. năm 2012
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN:
Người duyệt (chấm sơ bộ):.......................
Đơn vị:......................................................

Ngày bảo vệ : ...........................................
Điểm tổng kết: .........................................
Nơi lưu trữ luận văn: ...............................

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH


LỜI CẢM ƠN

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Trịnh Hoàng Hơn đã tận tình định hướng và giúp đỡ tôi
trong quá trình thực hiện luận văn, những ý kiến của thầy đã giúp tôi khắc phục các thiếu sót
để hoàn thành luận văn đúng tiến độ.
Xin chân thành cảm ơn thầy, cô Khoa điện- Điện tử trường Đại học Bách Khoa TPHCM đã
tạo điều kiện tổ chức các lớp Bằng 2 và giúp đỡ sinh viên trong suốt quá trình học tâp.
Cảm ơn các bạn bè đã cùng học tập, chia sẽ các kiến thức trong suốt khóa học và đặc biệt
trong thời gian làm luận văn.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 12 năm 2012
Đào Ngọc Long

ii

.


Tóm tắt luận văn

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi tính, kỹ thuật số, vi xử lý đã giúp giải quyết rất nhiều

vấn đề trong điều khiển động cơ. Chính vì điều đó, điều khiển động cơ một chiều đơn giản đã
dần được thay thế bởi điều khiển động cơ xoay chiều ba pha trong rất nhiều ứng dụng. Động
cơ xoay chiều ba pha được sử dụng với rất nhiều ưu điểm: kết cấu đơn giản, chắc chắn, giá
thành thấp, độ tin cậy cao, dễ dàng bảo dưỡng.
Trong các nguyên lý điều khiển động cơ xoay chiều ba pha, RFOC là một trong những
nguyên lý được sử dụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm trong việc điều khiển độc lập giữa
moment và từ thông.
Trên cơ sở đó, luận văn sẽ tập trung nghiên cứu các khía cạnh của nguyên lý RFOC, nội dung
luận văn gồm các phần chính sau đây:

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ VÀ CÁC NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN.
CHƯƠNG 2. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VECTOR.
CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ.
CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR.
CHƯƠNG 5. MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN RFOC.
CHƯƠNG 6. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.
CHƯƠNG 7. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

iii


Mục lục

MỤC LỤC

TRANG BÌA ............................................................................................................................... i
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ....................................................................................
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................. ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................................iii
MỤC LỤC ................................................................................................................................. iv

DANH SÁCH HÌNH ................................................................................................................ vii
DANH SÁCH BẢNG................................................................................................................. x
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................................... xi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ VÀ CÁC NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN............ 1
1.1- Năng lượng điện và động cơ KĐB. ................................................................................. 2
1.2 - Động cơ không đồng bộ. ................................................................................................ 2
1.2.1- Nguyên lý hoạt động. ................................................................................................ 2
1.2.2- Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha. ............................................. 4
1.2.2.1- Phương trình đặc tính cơ. .................................................................................. 4
1.2.2.2- Đường đặc tính cơ. ............................................................................................ 5
1.2.2.3- Ảnh hưởng của tần số nguồn f1 đến đặc tính cơ ............................................... 6
1.2.3- Ứng dụng của động cơ không đồng bộ ..................................................................... 7
1.3- Giới thiệu các phương pháp điều khiển động cơ ............................................................. 9
1.3.1-Sơ đồ tổng quan các nguyên lý điều khiển: ............................................................... 9
1.3.2- Giới thiệu các nguyên lý phổ biến ............................................................................ 9
1.3.2.1-Nguyên lý điều khiển V/f ................................................................................... 9
1.3.2.2- Nguyên lý điều khiển FOC ............................................................................. 10
1.3.2.3- Nguyên lý điều khiển trực tiếp Moment (DTC) .............................................. 10

iv


Mục lục
CHƯƠNG 2. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VECTOR............................................................ 12
2.1- Xây dựng vector không gian. ........................................................................................ 13
2.2 -Hệ quy chiếu quay. ........................................................................................................ 15
2.3-Ưu thế của việc mô tả động cơ xoay chiều ba pha bằng hệ từ thông rotor. ................... 17
CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ. ...................................................................................... 20
3.1- Mô hình động cơ xoay chiều ......................................................................................... 21
3-2 Mô hình động cơ trong hệ tọa độ quay dq. ..................................................................... 24

3-3 Mô hình động cơ trong hệ tọa độ đứng yên αβ . ............................................................ 29
3.4-Vector không gian và mô hình vector không gian của động cơ không đồng bộ. ........... 30
CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG ROTOR ...................................... 33
4.1- Khả năng điều khiển định hướng của máy điên không đồng bộ. .................................. 34
4.2- Nguyên lý điều khiển định hướng từ thông rotor. ......................................................... 35
4.3- Mô hình bộ điều khiển định hướng từ thông ................................................................. 36
4.4- Các dạng điều khiển định hướng từ thông rotor (rfoc) .................................................. 40
4.4.1- Động cơ không đồng bộ với bộ điều khiển tiếp dòng. ............................................ 40
4.4.2- Động cơ không đồng bộ với bộ điều khiển tiếp áp. ................................................ 43
4.5- Các phương pháp ước lượng từ thông trong điều khiển trực tiếp. ................................ 46
4.5.1- Phương pháp dùng cảm biến Hall. .......................................................................... 46
4.5.2 -Phương pháp ước lượng từ thông rotor từ áp và dòng hồi tiếp............................... 47
4.5.3- Ước lượng từ thông rotort từ dùng stator và tốc độ quay của rotor. ....................... 49
4.6- Phương pháp ước lượng từ thông rotor trong điều khiển gián tiếp ............................... 50
4-7. Các phương pháp điều khiển dòng trong điều khiển định hướng từ thông rotor. ......... 52
4.7.1- Điều chỉnh vòng trễ (hyteresis curent control). ...................................................... 52
4.7.2- Điều khiển so sánh (Ramp comparision current control). ...................................... 55
CHƯƠNG 5. MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN RFOC .................................................................. 57
5.1- Khối mô phỏng động cơ ................................................................................................ 59
5.2 -Khối điều khiển RFOC. ................................................................................................. 61

v


Mục lục
5.2.1-Khối điều khiển Speed Sontroller-PI ....................................................................... 62
5.2.2-Khối tính toán giá trị lệnh i*ds và i*qs .................................................................... 63
5.2.3 -Khối chuyển

∗,

∗ sang

∗,

∗,

∗ ................................................... 63

5.3 -Khối ước lượng từ thông. .............................................................................................. 64
5.4 - Mô phỏng khối nghịch lưu ........................................................................................... 65
CHƯƠNG 6. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .................................................................................... 67
6.1- Động cơ lý tưởng không kết nối bộ điều khiển. ............................................................ 68
6.1.1- Khi không tải .......................................................................................................... 68
6.1.2- Khi có tải cố định 20N.m ........................................................................................ 71
6.1.3- Khi tải thay đổi ở 2s và ngắt ra lúc 4s..................................................................... 73
6.2 -Đông cơ lý tưởng điều khiển theo rfoc. ................................................................ 75
6.2.1- Khi không tải. ......................................................................................................... 75
6.2.2 -Khi có tải cố định 20N.m ........................................................................................ 78
6.2.3- Khi tải thay đổi ....................................................................................................... 81
6.3-Khảo sát tính bền vững của hệ thống. ............................................................................ 84
6.3.1-Tính bền vững theo từ thông. ................................................................................... 84
6.3.2-Khi Rs, Rr thay đổi. ................................................................................................. 90
6.3.3-Khi Ls, Lr, Lm thay đổi. ......................................................................................... 91
6.3.4-Khi thay đổi moment quán tính. .............................................................................. 92
CHƯƠNG 7. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ........................................................ 94
Kết luận: ................................................................................................................................ 94
Hướng phát triển: .................................................................................................................. 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 96

vi


Danh sách hình-bảng

DANH SÁCH HÌNH
HÌNH 1- 1. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha ................................... 3
HÌNH 1- 2. Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ. ............................................... 4
HÌNH 1- 3. Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha .................................... 5
HÌNH 1- 4. Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn. .......................................................... 7
HÌNH 1- 5. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi thay đổi tần số nguồn kết hợp
với thay đổi điện áp .................................................................................................................. 7
HÌNH 1- 6. Sơ đồ các nguyên lý điều khiển. .......................................................................... 9

HÌNH 2- 1. Sơ đồ đấu dây trong stator của động cơ KĐB ba pha. .................................... 13
HÌNH 2- 2. Vector không gian điện áp stator trong hệ tạo độ abc. ................................... 14
HÌNH 2- 3. Vector không gian điện áp stator trong hệ tọa độ αβ ..................................... 14
HÌNH 2- 4. Hệ tọa độ αβ chuyển sang dq ............................................................................. 15
HÌNH 2- 5. Biểu diễn

trên hệ tọa độ từ thông rotor. ...................................................... 16

HÌNH 2- 6. Mô hình động cơ DC kích từ độc lập ................................................................ 17

HÌNH 3- 1. Minh họa vị trí tương đối cuộn dây stator và rotor, trong đó cuộn dây rotor
ABC quay với rotor còn cuộn dây abc đứng yên với stator. .............................................. 23
HÌNH 3- 2.Sơ đồ mạch điện tương đương của máy điện không đồng bộ ba pha trong tọa
độ quay. ................................................................................................................................... 24
HÌNH 3- 3. Sự biến đổi hệ quy chiếu 3 pha sang dq............................................................ 27
HÌNH 3- 4.Vector không gian của dòng và áp stator. ......................................................... 31

HÌNH 3- 5.Vector không gian dòng và áp stator trong hệ quy chiếu quay....................... 32

HÌNH 4- 1. Mô hình động cơ DC kích từ độc lập. ............................................................... 36
HÌNH 4- 2. Mô hình vector quay trong hệ tọa độ RFOC. .................................................. 37
HÌNH 4- 3. Mô hình động cơ được tiếp dòng lý tưởng định hướng từ thông rotor. ........ 41

vii


Danh sách hình-bảng
HÌNH 4- 4. Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp với động cơ được tiếp
dòng, vận hành ở cả vùng vận tốc danh định và vùng làm yếu từ thông. ......................... 42
HÌNH 4- 5. Mô hình điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp với động cơ được
tiếp dòng ( chỉ hoạt động ở vùng vận tốc danh định) .......................................................... 43
HÌNH 4- 6. Mạch điều khiển phân ly của động cơ tiếp áp với điều khiển định hướng từ
thông rotor. ............................................................................................................................. 45
HÌNH 4- 7.Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor động cơ tiếp áp hoạt động ở vận
tốc danh định........................................................................................................................... 45
HÌNH 4- 8. Sơ đồ khối ước lượng từ thông từ dòng stator và vận tốc rotor. .................... 50
HÌNH 4- 9. Điều khiển vector gián tiếp với động cơ được tiếp dòng khi từ thông lệnh là
hằng số (vận hành ở vùng vận tốc danh định) ..................................................................... 51
HÌNH 4- 10.Nguyên lý điều khiển kiểu vòng trễ.................................................................. 53
HÌNH 4-11. Bộ so sánh vòng trễ. ........................................................................................... 53
HÌNH 4- 12.Dạng sóng dòng và áp thực. .............................................................................. 54
HÌNH 4- 13. Sơ đồ nguyên lý điều khiển dòng điện kiểu so sánh. ..................................... 55
HÌNH 4- 14. Bộ so sánh bằng sóng mang trong điều khiển so sánh dòng điện................. 56

HÌNH 5-1. Sơ đồ nguyên lý của một hệ thống điều khiển động cơ. ................................... 58
HÌNH 5-2. Hình mô phỏng các khối điều khiển trong matlab. .......................................... 58
HÌNH 5- 3. Mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha. ...................................................... 59

HÌNH 5- 4. Khối tính toán các thông số động cơ. ................................................................ 60
HÌNH 5-5.Mô phỏng hoạt động của động cơ lý tưởng không có điều khiển..................... 61
HÌNH 5-6. Khối điều khiển RFOC. ...................................................................................... 61
HÌNH 5-7. Khối PI controller ................................................................................................ 63
HÌNH 5- 8. Khối chuyển đổi dòng điện dq sang abc ........................................................... 64
HÌNH 5-9. Chuyển nguồn abc sang αβ và tính toán từ thông ............................................ 64
HÌNH 5- 10. Khối tính toán từ thông và góc lệch. ............................................................... 65
HÌNH 5- 11.Bộ nghịch lưu ..................................................................................................... 66

viii


Danh sách hình-bảng
HÌNH 5- 12. Bộ nghịch lưu thực 6 khóa ............................................................................... 66

HÌNH 6- 1. Tốc độ không tải khi không có điều khiển. ...................................................... 68
HÌNH 6- 2. Moment khi động cơ chạy không tải, không kết nối bộ điều khiển ............... 69
HÌNH 6- 3. Dòng điện không tải khi không có điều khiển .................................................. 69
HÌNH 6- 4. Dòng điện ổn định sau 1s được phóng to. ......................................................... 70
HÌNH 6- 5.Tốc độ khi tải cố định 20N.m .............................................................................. 71
HÌNH 6- 6. Moment khi tải cố định 20N.m .......................................................................... 71
HÌNH 6- 7. Dòng điện khi tải cố định 20N.m ....................................................................... 72
HÌNH 6- 8. Dòng điện 3 pha phóng to. ................................................................................. 72
HÌNH 6- 9.Tốc độ khi tải thay đổi ở 2s và ngắt tại 4 s ........................................................ 73
HÌNH 6- 10.Moment khi tải thay đổi ở 2s và ngắt tại 4s. ................................................... 73
HÌNH 6- 11.Dòng điện khi tải thay đổi ở 2s và ngắt tại 4 s. ............................................... 74
HÌNH 6- 12. Dòng điện 3 pha lúc có tải 2s phóng to. .......................................................... 74
HÌNH 6- 13.Tốc độ đáp ứng khi không tải có điều khiển. .................................................. 75
HÌNH 6- 14. Đáp ứng của moment khi không tải ................................................................ 76
HÌNH 6- 15. Dòng điện ba pha khi không tải. ..................................................................... 76

HÌNH 6- 16. Phóng to dòng điện 3 pha chạy không tải khi đạt tốc độ cài đặt. ................ 77
HÌNH 6- 17. Điện áp ba pha .................................................................................................. 77
HÌNH 6- 18.Tốc độ đáp ứng khi có tải cố định 20N.m ........................................................ 78
HÌNH 6- 19. Moment đáp ứng khi tải cố định 20N.m ......................................................... 79
HÌNH 6- 20. Dòng điện ba pha khi tải cố định 20N.m ........................................................ 79
HÌNH 6- 21. Dòng điện 3 pha phóng to khi hệ thống ổn định. ........................................... 80
HÌNH 6- 22. Điện áp ba pha khi hệ thống ổn định. ............................................................. 80
HÌNH 6- 23.Tốc độ đáp ứng khi tải thay đổi tại 2s và ngắt tải lúc 4s ................................ 81
HÌNH 6- 24. Moment đáp ứng khi tải thay đổi tại 2s và ngắt tải lúc 4s ............................ 81
HÌNH 6- 25. Dòng điện ba pha khi tải thay đổi tại 2s và ngắt tải lúc 4s ........................... 82

ix


Danh sách hình-bảng
HÌNH 6- 26. Dòng điện ba pha lúc khởi động được phóng to. ........................................... 82
HÌNH 6- 27. Dòng điện ba pha lúc cấp tải tại thời điểm 2s ................................................ 83
HÌNH 6- 28. Dóng điện lúc ngắt tải tại thời điểm 4s ........................................................... 83
HÌNH 6- 29. Điện áp ba pha .................................................................................................. 84
HÌNH 6- 30. Đáp ứng dòng điện khi Flr = 0.6 (Wb); Kết quả Ihd =10,9 (A) .................... 86
HÌNH 6- 31. Đáp ứng dòng điện khi Flr = 0.7 (Wb);Kết quả Ihd =10,2 (A) ..................... 86
HÌNH 6- 32. Đáp ứng dòng điện khi Flr = 0.8 (Wb);Kết quả Ihd =9.2 (A) ....................... 86
HÌNH 6- 33. Đáp ứng dòng điện khi Flr = 0.9 (Wb);Kết quả Ihd =8.8 (A) ....................... 87
HÌNH 6- 34. Đáp ứng dòng điện khi Flr = 0.95 (Wb); Kết quả Ihd =8.4 (A) .................... 87
HÌNH 6- 35. Đáp ứng dòng điện khi Flr = 1 (Wb); Kết quả Ihd =8.4 (A) ......................... 87
HÌNH 6- 36. Đáp ứng dòng điện khi Flr = 1.2 (Wb);Kết quả Ihd =8.8 (A) ....................... 88
HÌNH 6- 37. Đáp ứng dòng điện khi Flr = 1.5 (Wb); Kết quả Ihd =9.4 (A) ...................... 88
HÌNH 6- 38. Sự phụ thuộc dòng điện vào từ thông. ............................................................ 89
HÌNH 6- 39. Đáp ứng tốc độ khi từ thông tăng đến 1.5 Wb. .............................................. 89
HÌNH 6- 40. Hình so sánh đáp ứng của từ thông khi Rs,Rr thay đổi. ................................ 90

HÌNH 6- 41. So sánh đáp ứng của vận tốc khi Rs,Rr thay đổi. ........................................... 90
HÌNH 6- 42. So sánh đáp ứng của moment khi Rs,Rr thay đổi. ......................................... 90
HÌNH 6- 43. So sánh đáp ứng của từ thông khi thay đổi Ls,Lr,Lm .................................... 91
HÌNH 6- 44. So sánh đáp ứng của tốc độ khi thay đổi Ls,Lr,Lm......................................... 91
HÌNH 6- 45. So sánh đáp ứng của moment khi thay đổi Ls,Lr,Lm ..................................... 92
HÌNH 6- 46. So sánh đáp ứng của từ thông khi J thay đổi. ................................................ 92
HÌNH 6- 47.So sánh đáp ứng tốc độ khi J thay đổi. ............................................................ 93

DANH SÁCH BẢNG
BẢNG 5- 1.Thông số động cơ 5Hp ........................................................................................ 60
BẢNG 5- 2. Bảng hướng dẫn điều chỉnh các hệ số của bộ PID .......................................... 62

x


Danh sách chữ viết tắt

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
KĐB

Không đồng bộ.

ĐB

Đồng bộ.

FOC

Định hướng từ thông.

RFOC

Định hướng từ thông rotor.

ĐCXCBP

Động cơ xoay chiều ba pha.

Hình thức và vị trí các chỉ số:
Chỉ số nhỏ góc phải trên:
s

đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu stator (hệ tọa độ αβ).

f

đại lượng quan sát trên hệ qui chiếu từ thông rotor (hệ tọa độ dq).

r

đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor với trục thực là trục của rotor

*

giá trị đặt/lệnh

e

giá trị ước lượng

Chỉ số nhỏ góc phải dưới:
 Chữ cái đầu tiên:
s

đại lượng của mạch stator.

r

đại lượng của mạch rotor.

 Chữ cái thứ hai:
d, q

phần tử thuộc hệ tọa độ dq.

α, β

phần tử thuộc hệ tọa độ αβ.

a, b, c

đại lượng ba pha của stator.

A, B, C

đại lượng ba pha của rotor, lưới.

Hình mũi tên (→) trên đầu: ký hiệu vector (2 chiều).
Hình gạch ngang (_) dưới: ký hiệu ma trận.
Độ lớn (modul) của đại lượng: ký hiệu giữa hai dấu gạch đứng (| |).

Các đại lượng của ĐCKĐB ba pha:
u

điện áp (V).

i

dòng điện (A).

Ψ

từ thông (Wb).

Te

moment điện từ (N.m).

TL

moment tải (moment cản - torque) (hay còn ký hiệu là MT) (Nm).

ω

tốc độ góc của rotor so với stator (rad/s).

ω

tốc độ góc của một hệ toạ độ bất kỳ (arbitrary) (rad/s).

xi

Danh sách chữ viết tắt
ω

tốc độ góc của từ thông stator so với stator (ωs = ω + ωsl) (rad/s).

ω

tốc độ góc của từ thông rotor so với stator (ωr ≈ ωs) (rad/s).

ω

tốc độ góc của từ thông rotor so với rotor (tốc độ trượt) (rad/s).

θ

góc của trục rotor (cuộn dây pha A) trong hệ toạ độ αβ (rad).

θ

góc của trục d (hệ toạ độ quay bất kỳ) trong hệ toạ độ αβ (rad).

θ

góc của trục d (hệ toạ độ quay bất kỳ) so với trục rotor (rad).

ϕ

góc của từ thông stator trong hệ toạ độ αβ (rad).

ϕ

góc của từ thông rotor trong hệ toạ độ αβ (rad).

Φ

góc pha giữa điện áp so với dòng điện.

Các thông số của ĐCKĐB ba pha:
R

điện trở cuộn dây pha của stator (Ω).

R

điện trở rotor đã qui đổi về stator (Ω).

L

hỗ cảm giữa stator và rotor (H).

L

điện kháng tản của cuộn dây stator (H).

L

điện kháng tản của cuộn dây rotor đã qui đổi về stator (H).

p

số đôi cực của động cơ.

J

moment quán tính cơ (Kg.m2).

Các thông số định nghĩa thêm:
L =L +L

điện cảm stator.

L =L +L

điện cảm rotor.

T =

hằng số thời gian stator.

T =

hằng số thời gian rotor.

σ=1−

hệ số từ tản tổng.

Cc đại lượng viết bằng chữ thường – chữ hoa:

Chữ thường

Đại lượng tức thời, biến thiên theo thời gian.
Đại lượng là các thành phần của các vector.

Chữ hoa: Đại lượng vector, module của vector, độ lớn.

xii


Chương 1. Tổng quan về động cơ và các nguyên lý điều khiển

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ VÀ CÁC
NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN
Chương này giúp tìm hiểu khái quát về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ, đặc
biệt là động cơ không đồng bộ ba pha vì nó có nhiều ứng dụng thực tế nhất so với các loại
khác. Ngoài ra, chương 1 cũng giới thiệu cách thức điều khiển và các nguyên lý đang ứng
dụng phổ biến hiện nay.
NỘI DUNG
1.1- Năng lượng điện và động cơ KĐB.
1.2- Động cơ không đồng bộ.
1.2.1- Nguyên lý hoạt động.
1.2.2- Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha.
1.2.2.1- Phương trình đặc tính cơ.
1.2.2.2- Đường đặc tính cơ.
1.2.2.3- Ảnh hưởng của tần số nguồn f1 đến đặc tính cơ.
1.2.3- Ứng dụng của động cơ không đồng bộ.
1.3- Giới thiệu các phương pháp điều khiển động cơ.
1.3.1-Sơ đồ tổng quan các nguyên lý điều khiển.
1.3.2- Giới thiệu các nguyên lý phổ biến.

1.3.2.1-Nguyên lý điều khiển V/f.
1.3.2.2- Nguyên lý điều khiển FOC.
1.3.2.3- Nguyên lý điều khiển trực tiếp Moment (DTC).

1


Chương 1. Tổng quan về động cơ và các nguyên lý điều khiển
1.1- Năng lượng điện và động cơ KĐB.
Để đánh giá một sản phẩm công nghệ, người ta xem xét việc sử dụng thông minh và hợp lý
các nguồn năng lượng phục vụ, năng lượng thường có ba dạng chính sau: Nhiệt năng, Cơ
năng, Điện năng.
Trong ba dạng năng lượng trên thì điện năng có xu hướng sử dụng ngày càng tăng bởi vì
điện năng ít gây ô nhiễm môi trường và dễ dàng chuyển đổi thành các dạng năng lượng
khác. Quan trong nhất là điện năng có thể điều khiển và chuyển thành cơ năng trong các
loại động cơ điện. Trong đó, động cơ KĐB là được sử dụng phổ biến trong dân dụng và
công nghiệp do tính năng sử dụng dễ dàng, giá thành hợp lý.
Và gần như tất cả các động cơ điện đều sử dụng lưới điện xoay chiều (1 pha và 3 pha),
trong một số yêu cầu kỹ thuật riêng, động cơ cần điều chỉnh thay đổi tốc độ, đây cũng là cơ
sở để phát triển các nguyên lý điều khiển và áp dụng trong thực tế.

1.2 - Động cơ không đồng bộ.
1.2.1- Nguyên lý hoạt động.
Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau 120o
trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra trong là một từ trường quay.
Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các
thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn.
Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng điện
(ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào
chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái và tạo

ra moment làm quay rotor theo chiều quay của từ trường quay.
Tốc độ quay của rotor luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay. Nếu rotor quay với
tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây quấn phần cảm nữa
nên suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, moment quay cũng
không còn. Do moment cản rotor sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn rotor lại bị
từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có moment quay làm rotor
tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường.
Động cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ hay động cơ xoay
chiều.

2


Chương 1. Tổng quan về động cơ và các nguyên lý điều khiển

HÌNH 1- 1. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha

Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ωo (rad/s) hay no (vòng/phút) thì tốc độ quay của rotor là
ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ωo ; n < no ). Sai lệch tương tối giữa hai tốc độ gọi là độ
trượt s:
s=

(1-1)

Từ đó ta có:
ω = ωo(1 – s)

(1-2)

hay

n = no(1 – s)

(1-3)

Với: ω =

(1-4)

ω =

=

(1-5)

f1-tần số điện áp đặt lên cuộn dây stator.
Tốc độ ωo là tốc độ lớn nhất mà rotor có thể đạt được nếu không có lực cản nào. Tốc độ
này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ.
Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1.
Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở rotor cũng là dòng điện xoay chiều với tần
số xác định bởi tốc độ tương đối của rotor đối với từ trường quay:
f =

(

3

)

= sf

(1-6)


Chương 1. Tổng quan về động cơ và các nguyên lý điều khiển
1.2.2- Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ ba pha.
1.2.2.1- Phương trình đặc tính cơ.
Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba pha của động
cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch
từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn
đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ 1-2

HÌNH 1- 2. Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ.

Trong đó:
U1 – trị số hiệu dụng của điện áp pha stator (V)
Iµ, I1, I’2 – dòng điện từ hóa, dòng điện stator và dòng điện rotor đã quy đổi về stator (A)
Xµ, X1, X’2 – điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stator và điện kháng rotor đã quy đổi về
stator (Ω).
Rµ, R1, R’2 – điện trở tác dụng mạch từ hóa, mạch stator và mạch rotor đã quy đổi về stator
(Ω).
Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa moment
quay và tốc độ của động cơ có dạng:
′

M=

′

(N.m)

Trong đó: Xnm – điện kháng ngắn mạch, Xnm = X1 + X’2

4

(1-7)


Chương 1. Tổng quan về động cơ và các nguyên lý điều khiển
1.2.2.2- Đường đặc tính cơ.
Với những giá trị khác nhau của s (0 ≤ s ≤ 1), phương trình cho những giá trị của M.
Đường biều diễn M = f(s) trên trục tọa độ SOM như hình vẽ 1-3, đó là đường đặc tính cơ
của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.

HÌNH 1- 3. Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha

Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó:
=0

(1-8)

Giải phương trình ta có:
=±

′

(1-9)

Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:
=

(1-10)
±

Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị sth và Mth của
đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+).
Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KDB là một đường cong phức tạp có hai đoạn
AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn này moment
động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn
định. Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định.

5


Chương 1. Tổng quan về động cơ và các nguyên lý điều khiển
Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0 ( s = 1 ) và moment mở
máy:
=

′

(1-11)

′

Điểm A ứng với moment cản bằng 0 ( Mc = 0 ) và tốc độ đồng bộ:
=

(1-12)

1.2.2.3- Ảnh hưởng của tần số nguồn f1 đến đặc tính cơ

Khi thay đổi f1 thì theo (1-5) tốc độ đồng bộ ωo thay đổi, đồng thời X1, X2 cũng bị thay đổi
( vì X = 2πfL ), kéo theo sự thay đổi của cả độ trượt tới hạn sth và moment tới hạn Mth.
Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số sth = f(f1) và moment tới hạn theo tần số Mth = f(f1) là
phức tạp nhưng vì ωo và X1 phụ thuộc tỷ lệ với tần số f1 nên có thể từ các biểu thức của sth
và Mth rút ra:
~
(1-13)

~

Khi tần số f giảm, độ trượt tới hạn sth và moment tới hạn Mth đều tăng nhưng Mth tăng
nhanh hơn.
Khi giảm tần số f1 xuống dưới tần số định mức f1dm thì tổng trở của các cuộn dây giảm nên
nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện động cơ tăng mạnh. Vì vậy
khi giảm tần số nguồn xuống dưới giá trị định mức cần phải đồng thời giảm điện áp cấp
cho động cơ theo quan hệ:
=

(1-14)

Như vậy Mth sẽ giữ không đổi ở vùng f1 < f1dm. Ở vùng f1 > f1dm thì không thể tăng điện áp
nguồn mà giữ U1 = U1dm nên ở vùng này Mth sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số,
đồng thời phải điều chỉnh điện áp theo quy luật
quá tải về công suất.

6

=

để giữ cho động cơ không bị

Chương 1. Tổng quan về động cơ và các nguyên lý điều khiển

HÌNH 1- 4. Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn.

HÌNH 1- 5. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi thay đổi tần số nguồn kết hợp

với thay đổi điện áp

1.2.3- Ứng dụng của động cơ không đồng bộ
Ngày nay các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết bị hoặc
dây truyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải và trong các thiết bị điện dân
dụng… Ước tính có khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi các hệ thống
truyền động điện.
Hệ thống điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc tốc độ thay đổi được. Hiện nay
có khoảng 75 – 80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc độ không đổi. Với các hệ
thống này, tốc độ của động cơ hầu như không cần điều khiển trừ các quá trình khởi động
và hãm. Phần còn lại là các hệ thống có thể điều chỉnh được tốc độ để phối hợp đặc tính
động cơ với đặc tính tải theo yêu cầu. Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn

7


Chương 1. Tổng quan về động cơ và các nguyên lý điều khiển
công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý, các hệ thống điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày
càng được sử dụng rộng rãi và là công cụ không thể thiếu trong quá trình tự động hóa.
Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như sau: kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn,
hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi có khả
năng cháy nổ cao. Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng bộ được sử dụng rất

rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kW.
Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồn động lực cho
các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ…
Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời
sống hàng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều
ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, trong máy điều hòa… Tóm lại cùng với sự
phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ
không đồng bộ ngày càng rộng rãi.
Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ không động bộ là so với máy điện một chiều,
việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp nhiều khó khăn bởi vì các thông số của máy điện
xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu
trúc của động cơ điện xoay chiều.
Để có thể điều khiển độc lập từ thông và moment của động cơ điện xoay chiều đòi hỏi một
hệ thống tính toán cực nhanh và chính xác trong việc quy đổi các giá trị xoay chiều về các
biến đơn giản. Vì vậy cho đến gần đây, phần lớn động cơ xoay chiều làm việc với các ứng
dụng có tốc độ không đổi do các phương pháp điều khiển trước đây dùng cho máy điện
thường đắt và có hiệu suất kém.

8


Chương 1. Tổng quan về động cơ và các nguyên lý điều khiển
1.3- Giới thiệu các phương pháp điều khiển động cơ
1.3.1-Sơ đồ tổng quan các nguyên lý điều khiển:

HÌNH 1- 6. Sơ đồ các nguyên lý điều khiển.

1.3.2- Giới thiệu các nguyên lý phổ biến
1.3.2.1-Nguyên lý điều khiển V/f
Đây là phương pháp điều khiển vô hướng, tốc độ đồng bộ của động cơ KĐB tỷ lệ trực tiếp

với tần số nguồn cung cấp. Do đó, khi thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ, ta sẽ
thay đổi tốc độ đồng bộ và tương ứng là tốc độ động cơ:
Các đặc trưng:
-

Biến điều khiển là điện áp và tần số.

-

Sử dụng bộ điều chế độ rộng xung.

-

Thường điều khiển ở dạng vòng hở.

-

Từ thông giữ không đổi bằng cách giữ V/f = const.

Ưu điểm:

9


Chương 1. Tổng quan về động cơ và các nguyên lý điều khiển
-

Đơn giản, không cần hồi tiếp.

-

Rẻ tiền, dễ sử dụng.

Nhược điểm:
-

Không điều khiển tối ưu được moment.

-

Không điều khiển trực tiếp, độc lập giữa từ thông và moment.

-

Độ chính xác không cao.

-

Đáp ứng chậm.

Ngoài ra, có 2 nguyên lý điều khiển có hướng phổ biến khác là FOC và DTC

1.3.2.2- Nguyên lý điều khiển FOC
Các đặc trưng của FOC:
-

Định hướng được từ thông do tối ưu được moment.

-

Điều khiển vòng kín.

-

Moment được điều khiển gián tiếp.

Ưu điểm:
-

Đáp ứng moment nhanh.

-

Điều khiển chính xác vận tốc.

-

Đảm bảo moment ở vận tốc zero

-

Nguyên lý điều khiển tương tự động cơ DC

Nhược điểm:
-

Phải có hồi tiếp tốc độ 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 và tham số đầy
đủ của động cơ.

1.3.2.3- Nguyên lý điều khiển trực tiếp Moment (DTC)
Các đặc trưng:
-

10

Điều khiển độc lập giữa moment và từ thông.


Chương 1. Tổng quan về động cơ và các nguyên lý điều khiển
Ưu điểm:
-

Định hướng được từ thông do đó tối ưu được moment.

-

Điều khiển trực tiếp moment và từ thông.

-

Không cần hồi tiếp tốc độ, moment, từ thông lấy trực tiếp từ quan hệ quan sát.

-

Không cần bộ điều khiển dòng điện, các bộ điều chế xung, khâu chuyển hệ tọa độ.

-

Thời gian tính toán nhanh.

-

Ít phụ thuộc vào tham số động cơ.

Nhược điểm:
-

Khởi động không tốt.

-

Suy giảm kích từ và giao động từ thông ở vùng vận tốc thấp.

-

Tần số đóng cắt của bô nghịch lưu biến thiên theo điểm làm việc của động cơ.

11


Chương 2. Nguyên lý điều khiển vector.

CHƯƠNG 2. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VECTOR
Trong chương này tìm hiểu thế nào là nguyên lý điều khiển vector và ứng dụng của nguyên
lý này trong việc xây dựng hệ quy chiếu quay cho điều khiển động cơ.
NỘI DUNG.
2.1- Xây dựng vector không gian.
2.2 -Hệ quy chiếu quay.
2.3-Ưu thế của việc mô tả động cơ xoay chiều ba pha bằng hệ từ thông rotor.

12