Nghiên cứu phương pháp điều chỉnh vector động cơ không đồng bộ áp đặt nhanh chóng mômen quay

1

Lời cam đoan

- Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này
là trung thực và cha hề đợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào.
- Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này
đà đợc cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đà đợc chỉ rõ
nguồn gốc.

Tác giả

Trần Đức ThiÖn


2

Lời cám ơn

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp cao học khoá 11 chuyên
ngành Điện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn trờng ĐHNN I Hà
Nội, tôi đà nhận đợc sự giúp đỡ, giảng dạy nhiệt tình của các thầy, cô giáo
trong nhà trờng.
Nhân dịp này, tôi xin cảm ơn các thầy cô ở Khoa sau Đại học, Bộ môn
Điện thuộc Khoa Cơ điện của trờng Đại học Nông nghiệp I Hà Nội, Viện
Cơ điện nông nghiệp đà tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và viết
luận văn tốt nghiệp. Xin cảm ơn các thầy trong Bộ môn tự động hoá xí
nghiệp của trờng Đại học Bách khoa Hà Nội đà giúp đỡ tôi về tài liệu khoa
học. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Văn Diễn đà tận tình hớng dẫn
và chỉ bảo tôi trong suốt thời gian làm đề tài.
Tác giả

Trần Đức Thiện


3

Mục lục

1

Lời cam đoan

i

Lời cảm ơn

ii

Mục lục

iii

Mở đầu

1

Tổng quan về động cơ không đồng bộ và phơng
pháp điều khiển vector động cơ KĐB

3

1.1

Tổng quan chung về động cơ KĐB

3

1.1.1

Sơ lợc về động cơ KĐB.

3

1.1.2

Đặc tính cơ và đặc tính dòng điện của động cơ KĐB

4

1.1.2.1

Những hiện tợng vật lý xuất hiện khi khởi động ĐCKĐB

4

1.1.2.2

Giản đồ thay thế của động cơ KĐB

6

1.1.2.3

Đặc tính cơ và đặc tính dòng điện

8

1.1.3

Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB

12

1.2

Tổng quan về phơng pháp điều khiển véc tơ

14

1.2.1

Véc tơ không gian của các đại lợng ba pha

14

1.2.1.1

Xây dựng véc tơ không gian

14

1.2.1.2

Chuyển hệ toạ độ cho các véc tơ không gian

17

1.2.2

Tổng quan về phơng pháp điều khiển véc tơ

21

1.2.2.1

Phơng pháp điều khiển véc tơ trực tiếp

27

1.2.2.2

Phơng pháp điều khiển véc tơ gián tiếp

30

2

Lập mô hình toán học hệ thống và xây dựng cấu

34

trúc điều khiển

2.1

Mô hình toán học của động cơ KĐB 3 pha rotor lång sãc

34


4

2.1.1

Hệ phơng trình cơ bản của động cơ KĐB rotor lồng sóc

34

2.1.2

Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ toạ độ từ thông rotor

37

2.2

Xây dựng cấu trúc điều khiển áp đặt nhanh mômen quay

41

2.2.1

Xây dựng cấu trúc điều khiển

41

2.2.2

áp đặt nhanh mômen quay trên cơ sở điều chỉnh dòng stator

45

2.2.3

Các khâu điều chỉnh dòng thờng dùng

46

2.2.3.1

Các khâu điều chỉnh phi tuyến

46

2.2.3.2

Các khâu điều chỉnh tuyến tính

54

3

Tổng hợp hệ thống ®iỊu chØnh tù ®éng

56

3.1

S¬ ®å cÊu tróc cđa hƯ thèng truyền động điện

56

3.2

Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện

58

3.3

Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ

60

3.4

Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh từ thông

62

3.5

Phơng trình trạng thái của các bộ ®iỊu chØnh

63

3.5.1

Bé ®iỊu chØnh dßng ®iƯn

63

3.5.2

Bé ®iỊu chØnh tèc ®é

64

3.5.3

Bé điều chỉnh từ thông

64

4

Mô phỏng hệ thống bằng simulink

65

4.1

Tính toán gần đúng các tham số của động cơ

65

4.2

Tham số của các bộ điều chỉnh

66

4.3

Sơ đồ mô phỏng hệ thống bằng simulink

67

4.4

Đánh giá kết quả

72

Kết luận

79

Tài liệu tham khảo

81


5

Mở đầu

Ngày nay, truyền động điện với việc sử dụng động cơ không đồng bộ ba
pha rotor lồng sóc đà trở thành một khâu chấp hành không thể thiếu trong quá
trình tự động hoá. Động cơ không đồng bộ có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo,
kích thớc nhỏ, gọn hơn so với các loại động cơ khác có cùng công suất, giá
thành hạ và có thể làm việc tốt, an toàn, tin cậy...
Nhợc điểm cơ bản của động cơ không đồng bộ là việc điều chỉnh tốc
độ, từ thông và mômen là khó khăn.
Do vậy, hệ điều chỉnh tự động truyền động điện với động cơ không đồng
bộ là hệ điều khiển phức tạp và chất lợng điều khiển không cao. Cùng với sự
phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử công suất và kỹ thuật vi sử lý, đà cho
phép điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ một cách dễ dàng. Đặc biệt là
phơng pháp điều khiển vector đà thu đợc kết quả cao trong việc điều khiển
động cơ không đồng bộ, làm giảm giá thành, làm tăng chất lợng và tăng độ
tin cậy của hệ thống truyền động điện tự động.
Sự thâm nhập mạnh mẽ của kỹ thuật tin học và máy vi tính đà cho phép
giải những bài toán động học phức tạp với việc mô phỏng hệ thống dựa trên
phần mềm Matlab -Simulink một cách dễ dàng.
Dựa trên các kết quả nghiên cứu của các tác giả trớc đây, thiết lập một
cấu trúc hiện đại, điều khiển áp đặt nhanh mômen động cơ trên cơ sở điều
khiển tách bạch 2 thành phần Isd & Isq. Víi mơc ®Ých:
ThiÕt lËp cÊu tróc ®iỊu khiển véctơ động cơ không đồng bộ điều khiển áp
đặt nhanh mômen quay (lợng ra) dựa trên điều khiển Isd & Isq một cách độc
lập trong suốt miền làm việc.

6

Kết quả nhận đợc:
+ Cấu trúc điều khiển và mô hình toán học.
+ Tổng hợp, xác định cấu trúc và tham số của các bộ điều chỉnh.
+ Mô phỏng bằng Malab - Simulink.
Với mục đích trên, luận văn đợc chia làm 4 phần với nội dung tóm tắt
nh sau:
*1. Nêu những vấn đề tổng quan chung về động cơ không đồng bộ và
phơng pháp điều chỉnh vector động cơ không đồng bộ.
*2. Lập mô hình toán học của hệ và xây dựng cấu trúc điều khiển áp
đặt nhanh mômen quay.
*3. Tổng hợp và thiết kế các khâu điều chỉnh.
*4. Mô phỏng hệ thống bằng

SIMULINK

và đánh giá kết quả.

Trong quá trình nghiên cứu tôi đà có nhiều cố gắng, song không tránh
khỏi những thiếu sót. Vậy kính mong đợc sự chỉ bảo của các thày cô giáo và
sự đóng góp ý kiến của các đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2004
Ngời thực hiện

Trần Đức Thiện

7

1

tổng quan về động cơ không đồng bộ và
phơng pháp điều chỉnh véctor động cơ
không đồng bộ

1.1

tổng quan chung về động cơ không đồng bộ

1.1.1 Sơ lợc về động cơ không đồng bộ (KĐB)

Động cơ không đồng bộ xét về mặt cấu tạo, đợc chia làm hai loại:
- Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn.
- Động cơ không đồng bé rotor lång sãc.
Tuy vËy, lo¹i cã rotor lång sãc đà chiếm u thế tuyệt đối trên thị trờng
vì lí do dễ chế tạo, dễ bảo quản, sửa chữa và vận hành an toàn, chắc chắn, giá
thành hạ; mặt khác, các u thế trớc kia của loại rôto dây quấn về khả năng
dễ điều khiển không còn tồn tại nữa. Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật
điện tử, vi sử lý với giá thành hạ, đà cho phép thực hiện thành công các kỹ
thuật điều chỉnh phức tạp đối với loại rotor lồng sóc. Vì lí do đó, luận văn chỉ
đề cập đến loại có rotor lồng sóc. Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB dựa
trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi cho dòng điện xoay chiều ba pha chạy
vào dây quấn ba pha đối xứng đặt trong lõi thép stator thì trong khe hở không
khí giữa rotor và stator xuất hiện từ trờng quay mà thành phần bậc nhất quay
với tốc độ:
s =

2f s
pc

(pc: là số đôi cực của động cơ).


8

Từ trờng quay này quét qua các thanh dẫn của dây quấn rotor đợc nối
ngắn mạch nên trong nó xuất hiện dòng điện cảm ứng. Từ trờng tạo bởi
dòng điện rotor kết hợp với từ trờng tạo bởi dòng điện stator để tạo ra từ
trờng tổng ở bên trong khe hở không khí. Tác dụng của từ trờng tổng này
với dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn rotor tạo nên mômen quay làm cho
rotor quay với tốc độ n2 ( n2 < n1 ).
Song mục đích của luận văn không đi sâu nghiên cứu những biến đổi
điện từ trong động cơ mà xét động cơ nh một phần tử trong hệ thống điều
khiển và nghiên cứu chủ yếu tập chung vào phơng pháp điều khiển véctor
động cơ không đồng bộ.
1.1.2 Đặc tính cơ và đặc tính dòng điện của động cơ kđb

1.1.2.1 Những

hiện tợng vật lý xuất hiện khi khởi động động cơ KĐB

Khi khởi động động cơ KĐB trong các cuộn dây của động cơ sẽ nhanh
chóng xuất hiện dòng điện ngay khi tốc độ động cơ bằng 0. Việc này có thể
xem xét tơng đơng với việc đóng mạch điện đơn giản r- L vào một nguồn
điện áp h×nh sin: u = Um sin ωt (H×nh 1-1).

øng víi phơng trình : L

di
+ ri = Um sin t
dt

(1-1)

Ta dễ dàng nhận thấy nghiệm riêng tổng quát có dạng: (1.2).
i(t) = Ae-π/L + Im sin( ωt - ϕ)

ϕ = actg (ωL/r)
Im =

Um

r 2 + (ωL )

2

( 1.2)


9

i
K

L

r



iqđ

u
itd



0

a)
Hình 1-1:

Do r/l > 0 nên khi

t

b)
a) Sơ đồ mạch điện, b) Đồ thị dòng điện

t sẽ dẫn đến một quá trình xác lập điều hoà:
i (t ) = I m sin (ωt − ϕ )

(1.3)

Ta nhËn thấy trong quá trình quá độ, trong mạch xuất hiện hai thành
phần dòng điện là thành phần dòng điện cỡng bức

điện tự do

icb và thành phần dòng

itd. Tới thời điểm t thành phần dòng điện tự do suy giảm tới 0 và

quá trình tiến tới xác lập. Do sự xuất hiện của dòng điện tự do mà quá trình
quá độ điện từ, điện cơ diễn ra một cách hết sức phức tạp vì ảnh hởng của
thành phần dòng điện tự do làm thay đổi hình dạng của đặc tính mômen
động. Từ trờng tạo bởi thành phần dòng điện cỡng bức và tự do trong
trờng hợp chung không liên quan với nhau một cách cố định. Từ trờng của
thành phần dòng điện tự do gây ra có thể làm tăng hoặc giảm từ trờng cơ bản
tạo nên do dòng điện cỡng bức, gây ra sự tăng hoặc giảm tơng ứng của
mômen điện từ trong quá trình khởi động. Mặt khác các hiện tợng (nh hiệu
ứng mặt ngoài, sự bÃo hoà mạch từ v.v) làm thay đổi các thông số của động
cơ điện, nghĩa là hệ phơng trình vi phân mô tả quá trình là hệ phơng trình
phi tuyến với các hệ sè biÕn ®ỉi.


10

Nh vậy sự có mặt của thành phần dòng điện tự do xuất hiện khi đóng
mạch động cơ vào nguồn điện đà gây ra sự dao động của mômen điện từ của
động cơ không đồng bộ. Trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ sự dao
động này rất lớn, đây là những điều mà chúng ta không mong muốn. Qua
nhiều thí nghiệm, khảo sát đà chứng minh rằng quá trình quá độ điện từ khi
đóng mạch động cơ vào nguồn điện là quá trình dao động tắt dần, sự thay đổi
của hệ số trợt dẫn đến sự thay đổi của tốc độ động cơ để đạt tới tốc độ ổn
định. Sự tăng tốc của động cơ trong quá trình quá độ khởi động, khi hệ sô
trợt giảm, tốc độ tăng lên và dòng điện trong động cơ giảm xuống đột ngột.

Tuy nhiên do ảnh hởng của điện cảm cuộn dây mà sự thay đổi của
dòng điện chậm hơn so víi sù thay ®ỉi cđa tèc ®é. ë tèc ®é đồng bộ dòng
điện trong rotor có thể khác 0, do đó mômen của động cơ không bằng 0 và
động cơ nhanh chóng đạt tới tốc độ quá tốc độ đồng bộ. ở tốc độ này, dòng
điện rotor giảm xuống, sự giảm của dòng điện tạo nên mômen âm và làm
giảm tốc độ động cơ. Nh vậy, ở cuối quá trình quá độ tốc độ và mômen của
động cơ dao động tắt dần.
Thông thờng trong tính toán quá trình khởi động động cơ không đồng
bộ ngời ta thờng tính toán dựa trên cơ sở của đặc tính cơ tĩnh kể cả khi tính
toán quá trình quá độ cơ học (không xét đến quá trình quá độ điện từ).
1.1.2.2 Giản đồ thay thế của động cơ không đồng bộ
Để nghiên cứu, phân tích các quá trình điện từ xẩy ra bên trong động cơ
và xây dựng các đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ, ngời ta thờng sử
dụng giản đồ thay thế một pha với các giả thiết sau:
- Ba pha của động cơ là đối xứng, điện áp lới là hoàn toàn hình sin và
đối xứng.


11

- Tổng dẫn mạch từ hoá không thay đổi, dòng điện từ hoá không phụ
thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stator.
- Các thông số của động cơ là không thay đổi (nghĩa là không phụ thuộc
vào nhiệt độ, điện trở là hằng số, mạch từ không bÃo hoà nên điện kháng
cũng không thay đổi).
- Bỏ qua các tổn hao cơ và tổn hao phụ.
- Bá qua ¶nh h−ëng cđa tõ tr−êng bËc cao trong máy.
Giản đồ thay thế có dạng nh hình 1-2. Trong đó:
Ufs: Trị số hiệu dụng điện áp pha stator.
Ià , Is , Ir: Dòng điện từ hoá, dòng điện stator và rotor đẵ quy đổi về

stator.
Xà , Xs , Xr: Điện kháng mạch từ hoá, điện kháng tản stator và điện
kháng tản rotor đẵ quy đổi về stator.
Rà ,Rs , Rr: Các điện trở tác dụng của mạch từ hoá, của cuộn dây stator
và của cuộn dây rotor đà quy đổi về stator.
S : Độ trợt của động cơ:

S = (ωe - ωr )/ ωe

ωe = 2πfs /pc lµ tèc độ đồng bộ; r là tốc độ góc rotor.
Is
Xs


Rs

ã

Xà

Ià
Uf

Xr

Ir
Rr/s

Rà
ã

ã

Hình 1-2 Giản đồ thay thế của động cơ không đồng bộ.


12

1.1.2.3 Đặc tính cơ và đặc tính dòng điện
Từ giản đồ thay thế, dòng điện stator đợc tính nh sau:



1
1

+

2
R µ2 + X µ2
⎛ Rs + Rr ⎞
2 ⎥
⎜
⎟ + X nm ⎥
s
⎝
⎠
⎦

⎡
⎢
⎢
I s = U fs ⎢
⎢
⎢
⎣

(1.4)

Trong ®ã Xn m = Xs + Xr Là điện kháng ngắn mạch. Biểu thức (1.4)
là phơng trình đặc tính dòng điện stator và đợc biểu diễn trên hình 1-3.
Biểu thức (1.4) cho thÊy r»ng khi ω = 0; s = 1 th× Is = Is nm.
Khi ωr = ωe; s = 0 thì:



1

= Ià
I s = U fs
2
2
R +X
à
à


(1.5)

Trong đó : Is nm : Là dòng điện ngắn mạch stator.
Ià :

Là dòng điện từ hoá có tác dụng tạo ra từ trờng quay.

r s

e

MF

0

ĐC
Rf = 0

Rf 0
0 1

I0

I1nm

Is

Hình 1-3 Đặc tính dòng điện stator của động cơ không đồng bộ


13

Dòng điện rotor quy đổi về stator đợc tính nh sau:
Ir =

U fs

(1.6)

2

Rs + Rr
2
+ X nm

s



Đặc tính này đợc biểu diễn trên hình 1-4.

r = e , s = 0 thì I2 = 0 và

Ta nhận thÊy r»ng khi

khi ωr = 0,

s = 1 th×:

U fs

I r = I rnm =

(R s + R r )

2

+

(1.7)

X 2nm

Phơng trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thể tìm đợc từ
điều kiện cân bằng công suất trong động cơ.
Công suất điện từ chuyển từ stator sang rotor: P12 = Mđt e
Trong đó: Mđt là mômen điện từ của động cơ. Nếu bỏ qua các tổn thất
phụ thì: Mđt = Mcơ = M và đợc chia làm hai phần: Pcơ là công suất cơ đa ra
trên trục động cơ và P2 là công suất tổn hao đồng trong rotor.

r

s

e 0
Rf = 0
Rf 0
o

1

Ir nm

Ir

Hình 1-4 Đặc tính dòng điện rotor của động cơ không ®ång bé


14

Nên: P12 = P cơ + P2 hay: Me = Mωr + ∆ P2
Do ®ã: ∆ P2 = M ( ωe - ωr ) = Mωe s . MỈt khác P2 = 3 Ir2Rr nên:
M=

3I 2r R r
c s

(1.8)

Thay giá trị Ir đẵ tính ở trên (1.7) vào (1.8) và biến đổi ta đợc:

M=

2
3U fs
Rr


R + R 2
2
s
r

e
+ X nm s
s




( 1.9)

Đây chính là phơng trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ và
đợc biểu diễn trên hình 1-5. Bằng cách giải phơng trình

dM
= 0 sẽ đợc
dS

trị số của M và S tại các điểm cực trị và đợc kí hiệu là Mth và Sth.
Sth =



Rr

(1.10)

R s2 + X 2nm

Sthf

0

Mthf

Mthđ
M

Sthđ
S=1
Hình 1-5 Đồ thị đặc tính cơ động cơ không đồng bộ.


15

s r
0
e

1 0

Mđm

Mth

M

Hình 1-6: Đặc tính cơ của động cơ KĐB r = f(M) trong chế độ động cơ.
Thay (1.10) vào (1.9) ta sẽ nhận đợc:
M th =

(

2
U fs

2e R ± R s2 + X 2nm

)

(1.11)

DÊu (+) øng víi trạng thái động cơ.
Dấu () ứng với trạng thái máy phát.
Khi nghiên cứu các hệ truyền động với động cơ không đồng bộ, trạng
thái làm việc của động cơ đợc quan tâm nhiều hơn nên các đờng đặc tính
cơ thờng đợc biểu diễn trong khoảng tốc độ Sth S 0 .
Phơng trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thể biểu diễn
thuận tiện hơn bằng cách lập tỷ số giửa (1.8) và (1.10) sau đó biến đổi sẽ
đợc phơng trình sau:

Trong đó:

M =

a =

2M th (1 + a.s th )
s s th
+
+ 2a.s th
s th
s

Rs
Rr

1.1.3 Các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB

(1.12)


16

Khác với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có cấu tạo phần
cảm và phần ứng không tách biệt. Từ thông động cơ cũng nh mômen sinh ra
phụ thuộc vào nhiều tham số. Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện
động cơ không đồng bộ là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến
mạnh. Vì vậy để xây dựng hệ truyền động với động cơ không đồng bộ ngời
ta có su hớng tiếp cận gần sát với các đặc tính điều chỉnh của động cơ một
chiều [7]. Trong công nghiệp thờng sử dụng bốn hƯ trun ®éng ®iƯn tù
®éng ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng cơ không đồng bộ là:
1. Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi thyristor.
2. Điều chỉnh ®iƯn trë rotor b»ng bé biÕn ®ỉi xung.
3. §iỊu chØnh công suất trợt.
4. Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ bằng các bộ biến đổi
tần số dùng thyristor hay transistor.
Nội dung cơ bản của luận văn là nghiên cứu hệ điều khiển vector động
cơ không đồng bộ nên ở đây chỉ xem xét tới phần điều chỉnh tần số. Các hệ
thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ có yêu cầu cao về dải điều
chỉnh và tính chất động học. Do vậy chỉ có thể thực hiện đợc nhờ các bộ
biến tần, tuy nhiên nó hạn trế về kinh tế do đòi hỏi thiết bị phức tạp.
* Đặc điểm của phơng pháp điều khiển tần số động cơ KĐB
bằng thiết bị biến tần.

Tốc độ góc rotor của động cơ KĐB có thể tính: r = ( 1-s ) 2fs / pc
Trong đó: r là tốc độ góc của rotor
s là độ trợt
fs là tần số lới điện cấp cho động cơ
pc là số đôi cực từ của động cơ.


17

Nh vậy, với điện áp không đổi, khi điều chỉnh tần số thì từ thông trong
máy điện sẽ thay đổi theo. Cụ thể là khi tăng tần số thì từ thông trong máy sẽ
giảm vì sức điện động dây quấn stator tỷ lệ với tần số fs và từ thông :
e s = cfs.. Mặt khác nếu bổ qua sụt áp trên dây quấn stator tức là coi:

u s = i s . zs = 0 th× e s ≈ u s. Suy ra: u s ≈ cψfs..
Khi ®ã muốn giữ nguyên mômen không đổi thì phải tăng dòng điện, làm
cho động cơ quá tải về dòng. Ngợc lại khi giảm tần số thì từ thông trong
máy sẽ tăng lên và mạch từ bị bÃo hoà, điều đó dẫn đến tăng dòng từ hoá,
tăng tổn hao sắt từ và đốt nóng máy điện.
Vì vậy khi điều chỉnh tần số phải điều chỉnh cả điện áp đặt vào dây quấn
stator để duy trì chế độ làm việc ở mức tối u. Đối với hệ thống biến tần
nguồn áp thờng có yêu cầu giữ cho khả năng quá tải về mômen là không
đổi.
Mth / M =const.
Với đặc tính cơ gần đúng của máy sản xuất
Mc = Mđm

0

e

x

Ta có luật điều chỉnh điện áp là:
1+

x
2

f
U1
= 1
U1dm f1dm
Muốn xác định đợc luật điều chỉnh này ta phải xác định đợc đặc tính
cơ của máy xản xuất. Việc này thờng không chính xác và đôi khi khó xác
định.
Để khắc phục nhợc điểm trên ngời ta thờng dùng phơng pháp điều
khiển vector. phơng pháp này cho phép điều chỉnh tần số điện áp thích
nghi trong mọi điều kiện với chế độ làm việc tèi −u .


18

1.2 tổng quan về phơng pháp điều khiển vector

1.2.1

Vector không gian của các đại lợng ba pha

1.2.1.1 Xây dựng vector không gian

Động cơ điện xoay chiều ba pha nói chung và động cơ không đồng bộ
nói riêng đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha, bố trí không gian
tổng quát nh hình 1.7
Pha B

Pha A





Pha C


ibs

ias

ics

rotor
stato
Hình 1.7 Sơ đồ cuộn dây và dòng stator
Trong hình trên ta không quan tâm đến động cơ đấu hình sao hay tam
giác. cơ bằng biến tần, nó là ba dòng đầu ra của biến tần. Ba dòng này thoả
mÃn Ba dòng điện

ias, ibs, ics là ba dòng chẩy từ lới điện vào động cơ. Khi

chạy động phơng trình: ias(t) + ibs(t) + ics(t) = 0

Trong đó từng dòng điện pha thoả mÃn các công thức sau:

(1.13)


19

⎧i (t )
⎪ as
⎪
⎨i bs (t )
⎪
⎪i cs (t )
⎩

= i s cos(ω s t )

(
)
cos(ω t + 240 )

= i s cos ω s t + 120 0
= is

(1.14)

0

s

VÒ phơng diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang) trên stator của động
cơ xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) có ba cuộn dây đặt lệch nhau một góc 1200.
Nếu trên mặt cắt đó thiết lập một hệ toạ độ phức với trơc thùc trïng víi trơc
cn d©y pha A ta cã thể xây dựng vector không gian sau [12]:

[

]

0
0
2
i as (t ) + i bs (t )e j120 + i cs (t )e j240 = is e jγ
3

i s (t ) =

(1.15)

Vector is (t ) là một vector có mô đun không đổi và quay trên mặt phẳng
phức với tốc độ góc s = 2fs và tạo với trục thực (trục ®i qua trơc cn d©y
pha A) mét gãc γ = st, trong đó fs là tần số mạch stator. Việc xây dựng
vector i s(t) đợc mô tả trên hình 1.8.
Im

e j120

0

is

B
1
A
C
e j 240

0

0
2
iC e j 240
3

γ
2
iA
3

Re
0
2
i B e j120
3

H×nh 1.8: Xây dựng vector không gian từ các đại lợng ba pha
Qua hình 1.8 ta dễ dàng nhận thấy rằng các dòng điện của từng pha
chính là hình chiếu của vector mới thu đợc i s(t) lên các trục của các cuén

20

dây pha tơng ứng. Đối với các đại lợng khác nh điện áp, dòng điện, từ
thông v.v.... Ta đều có thể xây dựng các vector không gian tơng ứng nh với
dòng điện nêu trên. Trong hệ trục toạ độ trên trục thực (Re) đợc gọi là trục

, trục ảo (Im) gọi là trục và hệ toạ độ nói trên đợc gọi là hệ toạ độ cố
định stator. Chiếu vector i s(t) lên hai trục ( - ) ta đợc hai dòng điện i s và

i s (hình 1.9) là hai dòng điện hình sin.
j
iC

Trục dây quấn pha B

is

i s

Trục dây quấn pha A
1200

1200



i s = iA

iB
Hình 1.9: Biểu diễn dòng điện stator dới dạng vector với các

phần tử i s và i s thuộc hệ toạ độ cố định stator.

Ta có thể hình dung ra một động cơ tơng ứng với hai cuộn dây cố định

và thay thế cho ba cuộn dây A, B, C.
Trên cơ sở công thức (1.13) kèm theo điều kiện điểm trung tính không
nối đất ta chỉ cần đo hai trong số ba dòng điện stator là đà có đủ thông tin về
vector i s(t). VÝ dơ khi biÕt dßng hai pha i as(t), i bs(t) và trục cuộn dây pha
A trùng với trơc thùc α khi ®ã ta cã: i sα = i as

i sβ =

1
( i sa+ 2i sb )
3

(1.16a)
(1.16b)