Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor

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

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

PHẠM THANH TIẾN

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG TỪ
THÔNG ROTOR TRỰC TIẾP DÙNG MÔ HÌNH
ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ ROTOR

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


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

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

PHẠM THANH TIẾN

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG TỪ
THÔNG ROTOR TRỰC TIẾP DÙNG MÔ HÌNH
ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ ROTOR
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN XUÂN HOÀNG VIỆT
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường 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)

TT
1
2
3
4
5

Họ và tên

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên

Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp. HCM, ngày __ tháng __ năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phạm Thanh Tiến

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV:

I- Tên đề tài:
Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ thông
rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến điều khiển động cơ không đồng bộ;
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ;
- Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định
hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor;
- Nghiên cứu và mô hình kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương
pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor;
- Nghiên cứu và mô phỏng kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương
pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng rotor.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và
kết quả đạt được trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các tài liệu tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủ
nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Phạm Thanh Tiến


LỜI CÁM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đầy đủ và tốt các nhiệm vụ được giao của đề
tài luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức
quý báu của chuyên ngành Kỹ thuật điện mà là một nền tảng vững chắc cho tôi
hoàn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ12 đã động viên và giúp đỡ
tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM; Viện Khoa
học Kỹ thuật, Viện Đào tạo sau đại học và cơ quan nơi tôi đang công tác đã tạo mọi
điều kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận văn tốt nghiệp
này.

Phạm Thanh Tiến


i

Tóm tắt
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn và kỹ thuật vi điều
khiển, các hệ thống truyền động điện đã đạt được những bước tiến nhảy vọt.
Các đáp ứng điều khiển đạt được độ chính xác cao, cả trong chế độ động và
tĩnh. Trong các hệ thống truyền động điện, động cơ không đồng bộ được sử
dụng phổ biến với các nguyên lý điều khiển định hướng từ thông rotor mà cũng
đang được áp dụng rộng rãi. Đặc biệt là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc,
có giá thành thấp, hiệu suất cao, ít bảo trì. Trong tương lai, động cơ này có thể

sẽ dần thay thế động cơ một chiều trong các ứng dụng cần thay đổi vận tốc của
truyền động.
Chính vì lý do này, luận văn thực hiện nghiên cứu các vấn đề liên quan
đến, "Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ
thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor" mà bao gồm
các nội dung như sau:
- Chương 1: Giới thiệu chung
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ
- Chương 3: Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định
hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor
- Chương 4: Mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương
pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ
rotor
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


ii

Abstract
With the rapid development of semi-conductor and microcontroller
technologies, electric drive systems have made great strides. Control responses
achieve high accuracy, both in dynamic and static states. In electric drive
systems, induction motors are commonly used with rotor field-oriented control
principles. Especially, the induction motors with the squirrel cage rotor have
low cost, high performance, less maintenance. In the future, this engine may
gradually replace the DC motor in applications that need to change the speed of
the drive.
For this reason, the thesis does research on issues related to, "Induction
motor control using direct rotor field-oriented controllers and a rotor
speed estimation model" which includes the following content:

- Chapter 1: Introduction
- Chapter 2: Theory to induction machines
- Chapter 3: Induction motor control using a direct rotor field-oriented
controller and a rotor speed estimation model
- Chapter 4: Simulations
- Chapter 5: Conclusions and future works


iii

MỤC LỤC
Tóm tắt ....................................................................................................... i
Mục lục..................................................................................................... iii
Danh sách hình vẽ ......................................................................................vi

Chương 1 - Giới thiệu chung ...................................................................1
1.1. Giới thiệu ............................................................................................1
1.2. Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của luận văn ...................................1
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn ...................................2
1.4. Tổng quan các nghiên cứu liên quan ...................................................2
1.5. Bố cục dự kiến của luận văn ................................................................3
Chương 2 - Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ ..............................5
2.1. Giới thiệu động cơ không đồng bộ .......................................................5
2.2. Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ .........................5
2.2.1. Phương pháp điều khiển V/f (điều khiển vô hướng) .........................5
2.2.2. Phương pháp định hướng từ trường FOC .........................................6
2.2.3. Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC ...............................6
2.3. Mô hình động của động cơ không đồng bộ lý tưởng ............................7
2.3.1. Phương trình toán học mô tả động cơ không đồng bộ lý tưởng .........7
2.3.2. Phương trình vector không gian trong hệ tọa độ stator ......................9

2.4. Phương pháp ước lượng từ thông rotor .............................................. 13
2.4.1. Phương pháp ước lượng từ thông rotor trong điều khiển trực tiếp ... 13
2.4.2. Phương pháp ước lượng từ thông rotor trong điều khiển gián tiếp .. 18
2.5. Phương pháp ước lượng tốc độ rotor ................................................. 19
Chương 3 - Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định
hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor 21
3.1. Giới thiệu .......................................................................................... 21
3.2. Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp định hướng từ


iv

thông rotor gián tiếp ................................................................................. 22
3.3. Bộ nghịch lưu .................................................................................... 25
3.3.1. Bộ nghịch lưu áp 3 pha ................................................................... 26
3.3.2. Phương pháp điều khiển PWM dòng điện ...................................... 31
Chương 4 - Mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương
pháp định hướng từ thông rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc
độ rotor ................................................................................................... 34
4.1. Giới thiệu .......................................................................................... 34
4.2. Các thông số mô phỏng ..................................................................... 34
4.3. Mô phỏng kỹ thuật điều khiển RFOC ................................................ 35
4.3.1. Mô hình và mô phỏng bộ nghịch lưu .............................................. 35
4.3.2. Mô hình và mô phỏng khối PID với hai khâu setpoint-weighting và
anti-windup .............................................................................................. 36
4.3.3. Mô hình và mô phỏng động cơ lý tưởng trong Simulink/Matlab ..... 38
4.4. Mô phỏng ĐCKĐB ........................................................................... 40
4.4.1. Thông số của ĐCKĐB ................................................................... 40
4.4.2. Động cơ hoạt động không tải TL = 0 ............................................... 41
4.4.3. Động cơ hoạt động với tải TL = 4,1 N.m ......................................... 42

4.5. Mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương pháp định hướng từ thông
rotor gián tiếp .......................................................................................... 44
4.5.1. Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ............. 46
4.5.2. Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ............ 49
4.5.3. Động cơ chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ............ 51
4.5.4. Động cơ chạy không tải với vận tốc bằng 1/2 vận tốc định mức rồi
đổi chiều .................................................................................................. 54
4.6. Mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương pháp định hướng từ thông
rotor trực tiếp ........................................................................................... 56
4.6.1. Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ............. 59
4.6.2. Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ............ 61
4.6.3. Động cơ chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ............ 64


v

4.6.4. Động cơ chạy không tải với vận tốc bằng 1/2 vận tốc định mức rồi
đổi chiều .................................................................................................. 66
4.7. Mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương pháp định hướng từ thông
rotor trực tiếp dùng mô hình ước lượng tốc độ rotor ................................. 69
4.7.1. Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức chưa từ hóa ............. 70
4.7.2. Động cơ chạy không tải với vận tốc định mức từ hóa trước ............ 72
4.7.3. Động cơ chạy vận tốc định mức từ hóa trước, tải định mức ............ 75
4.7.4. Động cơ chạy không tải với vận tốc bằng 1/2 vận tốc định mức rồi
đổi chiều .................................................................................................. 77
4.8. Kết luận ............................................................................................ 80

Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ............................. 82
5.1. Kết luận ............................................................................................. 82
5.2. Hướng phát triển tương lai ................................................................. 82

Tài liệu tham khảo ................................................................................. 83


vi

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1. Mô hình cấu trúc động cơ không đồng bộ ...................................8
Hình 2.2. Mô hình ước lượng từ thông rotor từ dòng hồi tiếp và từ thông khe
hở không khí ............................................................................................ 14
Hình 2.3. Mô hình ước lượng từ thông rotor từ áp và dòng hồi tiếp .......... 15
Hình 2.4. Mô hình ước lượng từ thông rotor từ dòng hồi tiếp vân tốc quay
của rotor ................................................................................................... 17
Hình 2.5. Nguyên lý điều khiển RFOC gián tiếp ...................................... 18
Hình 2.6. Mô hình ước lượng từ thông rotor trong điều khiển gián tiếp ..... 18
Hình 2.7. Mô hình ước lượng tốc độ ........................................................ 20
Hình 3.1. Vector không gian trong hệ tọa độ quay gắn với vector từ thông 22
Hình 3.2. Mô hình ước lượng từ thông rotor từ áp và dòng hồi tiếp .......... 24
Hình 3.3. Bộ nghịch lưu áp 3 pha dạng mạch cầu ..................................... 26
Hình 3.4. Giản đồ xung kích và áp tải của bộ nghịch lưu áp 3 pha dạng mạch
cầu ........................................................................................................... 27
Hình 3.5. Điều khiển bộ nghịch lưu bằng phương pháp điều khiển vòng
trễ ............................................................................................................ 32
Hình 3.6. Mạch lái với điều khiển vòng trễ .............................................. 32
Hình 3.7. Nguyên lý điều khiển vòng trễ .................................................. 33

Hình 4.1. Mô hình và mô phỏng bộ nghịch lưu ........................................ 35
Hình 4.2. Mô hình và mô phỏng tính toán điện áp 3 pha Vabc ................... 36
Hình 4.3. Mô hình bộ PI .......................................................................... 37
Hình 4.4. Thông số của bộ điều khiển PI .................................................. 38

Hình 4.5. Khối chuyển đổi các giá trị trong hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ abc
................................................................................................................. 39
Hình 4.6. Khối chuyển đổi điện áp 3 pha abc sang hệ tọa độ αβ .............. 39
Hình 4.7. Mô hình và mô phỏng ĐCKĐB sử dụng Simulink/Matlab ........ 40


vii

Hình 4.8. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB với tải TL = 0 N.m .................... 41
Hình 4.9. Moment điện từ Te của ĐCKĐB với tải TL = 0 N.m .................. 41
Hình 4.10. Dòng điện stator pha A, ia của ĐCKĐB với tải TL = 0 N.m ..... 42
Hình 4.11. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB với tải TL = 4,1 N.m ............... 43
Hình 4.12. Moment điện từ Te của ĐCKĐB với tải TL = 4,1 N.m ............. 43
Hình 4.13. Dòng điện stator ia của ĐCKĐB với tải TL = 4,1 N.m ............. 44
Hình 4.14. Mô hình và mô phỏng điều khiển ĐCKĐB bằng phương
pháp RFOC gián tiếp ............................................................................... 44
Hình 4.15. Mô hình và mô phỏng khối RFOC có bộ PI ............................ 45
Hình 4.16. Mô hình và mô phỏng tính toán dòng đặt ................................ 45
Hình 4.17. Mô hình và mô phỏng kỹ thuật điều khiển RFOC ................... 46
Hình 4.18. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức chưa từ hóa ...................................................................................... 47
Hình 4.19. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức chưa từ hóa ...................................................................................... 47
Hình 4.20. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức chưa từ hóa ...................................................................................... 48
Hình 4.21. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức chưa từ hóa ...................................................................................... 48
Hình 4.22. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức từ hóa trước ...................................................................................... 49
Hình 4.23. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định

mức từ hóa trước ...................................................................................... 50
Hình 4.24. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định
mức từ hóa trước ...................................................................................... 50
Hình 4.25. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc định mức
từ hóa trước ............................................................................................. 51
Hình 4.26. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa
trước, tải định mức ................................................................................... 52
Hình 4.27. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa
trước, tải định mức ................................................................................... 52


viii

Hình 4.28. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa
trước, tải định mức ................................................................................... 53
Hình 4.29. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy vận tốc định mức từ hóa trước,
tải định mức ............................................................................................. 53
Hình 4.30. Vận tốc góc rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng
½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 54
Hình 4.31. Dòng điện stator của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng
½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 55
Hình 4.32. Moment điện từ của ĐCKĐB chạy không tải với vận tốc bằng
½ vận tốc định mức rồi đổi chiều ............................................................. 55
Hình 4.33. Từ thông rotor của ĐCKĐB chạy không tải với vậ