Luận văn đieu khien pid mờ dong co ba pha

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN
1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI:
Điều khiển tự động Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại chứa đựng những
phương pháp mới trong việc mô hình hóa đối tượng động cơ, từ đó xây dựng nên các
thuật toán điều khiển phù hợp với các tiến bộ mới của công nghệ vi điện tử, vi xử lý và
điện tử công suất. Cơ sở Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại là phương pháp
điều khiển tựa theo từ trường quay của Rotor được Haase đưa ra 1968 và Balaschke đưa
ra 1970.
K.Haase : Về động học truyền động có điều chỉnh tốc độ quay dùng động cơ không
đồng bộ ba pha rotor ngắn mạch nuôi bằng biến tần (Luận văn phó tiến sĩ 1969)
F.Balaschke : Phương pháp tựa theo trường trong điều chỉnh động cơ không đồng bộ
ba pha. Thông báo kết quả nghiên cứu và phát triển của Siemens 1972.
TS. Nguyễn Phùng Quang đã cho ra đời lý thuyết cơ sở: “Các phương pháp điều
chỉnh dòng trong truyền động điện xoay chiều ba pha: nguyên lý và hạn chế của chúng”
nhằm giới thiệu phương pháp điều khiển tựa theo từ thông, một phương pháp mạnh dùng
mô tả và chế ngự Động cơ xoay chiều ba pha và giới thiệu cách tiếp cận với các thuật
toán thích hợp cho việc điều khiển bằng số, cụ thể là điều khiển gián đoạn bằng vi xử lý.
Phần ứng dụng của tác giả TS. Nguyễn Phùng Quang dựa trên cơ sở đó đã ra đời và
được ứng dụng thành công không chỉ trong phòng thí nghiệm mà còn cả trên thiết bị hiện
đang được hai hãng REFU và Siemens chế tạo và lưu hành trên thị trường.
Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động đơn lẻ bao gồm:
•

Phần công suất với động cơ xoay chiều ba pha và biến tần dùng van bán dẫn.

•

Phần điều khiển với nhiều vi xử lý khác nhau, trong đó một vi xử lý để giải
quyết các bài toán điều khiển thời gian thực, một vi xử lý phụ trách việc đối thoại với hệ
thống cấp trên, một vi xử lý phụ dùng để điều khiển ghép nối – đối thoại với thiết bị
ngoại vi tại chỗ PLC.


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
1.2.1. Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar)
Hiện nay, phần lớn hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ là truyền
động đặc tính thấp trong đó cả biên độ lẫn tần số của dòng điện và điện áp của nguồn
cung cấp có thể điều chỉnh đồng thời. Cách điều chỉnh này cho phép điều khiển tốc độ
hoặc momen đến trạng thái xác lập trong khi vẫn giữ từ thông của động cơ ổn định. Điều
khiển này được gọi là điều khiển vô hướng, khi giả thiết điện áp hoặc dòng điện được
điều khiển có dạng hình sin, duy nhất biên độ và tần số được điều chỉnh, không liên quan
đến vị trí không gian của những vector tương ứng.
Điều khiển vô hướng đơn giản hơn điều khiển vector. Kỹ thuật vô hướng chung

nhất thường được dùng trong thực tế là

không đổi (Constant Volts/Hertzs - CVH)

nghĩa là biên độ điện áp stator được điều chỉnh tỉ lệ với tần số nhằm duy trì từ thông
stator không đổi. Phương pháp này bao gồm điều khiển tốc độ từ trường quay của stator

bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp. Momen được cải tiến phụ thuộc vào sự
khác biệt giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor. Hệ thống điều khiển đơn giản chỉ
duy nhất yêu cầu hồi tiếp tốc độ. Tín hiệu tốc độ thật
chuẩn

sẽ so sánh với tín hiệu tốc độ

, sai số đạt được đưa vào bộ điều khiển trượt (slip controller), cho ra tín hiệu


LUẬN VĂN THẠC SĨ
tốc độ trượt chuẩn

. Tín hiệu này cộng với

Chương 1- TỔNG QUAN
tạo ra tín hiệu đồng bộ, qua khối tỉ lệ

p/2 tạo tần số góc đúng yêu cầu cung cấp cho biến tần. Bộ điều chỉnh điện áp (Voltage
Controller) tạo ra tín hiệu điện áp stator cung cấp cho bộ biến tần.

Hình 1.2. Mô hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng
Một phương pháp điều khiển scalar khác sử dụng kỹ thuật điều khiển momen
(Torque Control - TC) là điều chỉnh biên độ và tần số của dòng điện stator, vì thế momen
xác lập được điều khiển trong khi biên độ từ trường được duy trì không đổi. Trong trường
hợp này, hồi tiếp tốc độ chỉ đóng vai trò phụ vì hồi tiếp dòng điện có phần phức tạp hơn
phương pháp Constant Volts/Hertzs (CVH).


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

Hìn
h 1.3. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mômen vô hướng
1.2.2. Phương pháp điều chế vector không gian
Bộ điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM) là một trong những
thiết bị điện tử công suất được nghiên cứu rộng rãi nhất trong 3 thập niên qua. Không chỉ
đòi hỏi khả năng đóng ngắt nhanh của thiết bị đóng ngắt bán dẫn công suất mà còn yêu
cầu kỹ thuật điều chế phải đơn giản và chính xác. Có nhiều kỹ thuật điều chế như: kỹ
thuật dao động phụ, điều chế vectơ không gian... nhưng bổ sung thêm ứng dụng số là
điều chế vector không gian ở bộ biến đổi nguồn dòng và nguồn áp. Phương pháp điều chế
vector không gian (space vector modulation) xuất phát từ các ứng dụng của vector không
gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong hệ thống điện ba
pha. Phương pháp này là phương pháp phổ cập trong các hệ truyền động đã số hóa toàn
phần dùng để điều khiển biến tần dùng van bán dẫn. Thông thường, các đôi van được vi
xử lý điều khiển sao cho điện áp xoay chiều 3 pha với biên độ cho trước, với tần số cũng
như góc pha cho trước cung cấp cho động cơ đạt yêu cầu. Biến tần được nuôi bởi điện áp
một chiều. Biến tần thường hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cắt cao. Van bán dẫn
được dùng ở đây là IGBT, MOSFET.


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

Phương pháp điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục của
vector không gian tương đương của vector điện áp nghịch lưu trên quỹ đạo đường tròn.
Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quỹ đạo đường tròn, các sóng hài
bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ áp ra trở nên tuyến

tính. Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy
mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp.

Hình 1.4. Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian
1.2.3. Điều khiển định hướng trường
Động cơ AC, cụ thể là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có những ưu điểm là
đơn giản, tin cậy, giá thành thấp, và ít bảo dưỡng. Tuy nhiên, trong những ứng dụng trong
công nghiệp đòi hỏi hiệu suất truyền động cao thì việc điều khiển chúng vẫn gặp phải
những thử thách lớn bởi vì chúng là đối tượng phi tuyến và nhiều thông số, chủ yếu là
điện trở rotor thay đổi theo những điều kiện vận hành.
Điều khiển định hướng trường (Field orientation control - FOC) hoặc điều khiển
vector (Vas, 1990) cho động cơ không đồng bộ đạt được việc tách biệt thay đổi động giữa
momen và từ thông dẫn đến việc điều khiển độc lập giữa từ thông và momen tương tự
như động cơ DC kích từ độc lập.
Điều khiển định hướng trường là điều kiện tối ưu hóa momen và tách rời điều
khiển momen khỏi điều khiển từ thông trong điều kiện vận hành ổn định và quá độ của
động cơ không đồng bộ.


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

Có 2 loại điều khiển định hướng trường điển hình: Phương pháp trực tiếp trong đó
sử dụng cảm biến đo từ thông của động cơ, và phương pháp gián tiếp dựa vào đo lường
vị trí rotor.
1.2.4. Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp
Trong hệ thống định hướng trường trực tiếp, vị trí góc và biên độ của vector từ
thông chuẩn được đo hoặc ước lượng từ điện áp và dòng điện stator sử dụng bộ quan sát
từ thông (flux observer). Đặt cảm biến ở khe hở không khí của động cơ, trục dq nhằm xác

định vector từ thông hỗ cảm (từ thông khe hở không khí).

Hình 1.5. Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản
1.2.5. Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp
Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp dựa vào tính toán tốc
độ trượt

được yêu cầu cho điều khiển định hướng trường chính xác và sự áp đặt tốc

độ này lên động cơ.


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

Hình 1.6. Hai mô hình hệ thống điều khiển vector đối với động cơ cảm ứng có định
hướng từ thông rotor gián tiếp
1.2.6. Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường
Để có thể giảm tần số đóng ngắt, đặc biệt trong truyền động công suất lớn, người
ta sử dụng đường bao sai số hình vuông gắn với vector từ thông rotor của máy điện. Cách
lựa chọn này dĩ nhiên sẽ làm xuất hiện thêm một lượng sóng hài bậc cao theo hướng từ
thông rotor. Tuy nhiên, điều này không ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo thành momen
động cơ (hằng số thời gian khá lớn của rotor đã loại bỏ tác dụng gián tiếp của từ thông
rotor lên momen động cơ). Việc lựa chọn vector đóng ngắt sẽ thực hiện theo phương
pháp dự báo sao cho tần số đóng ngắt là nhỏ nhất và việc đóng ngắt theo trục d của dòng
điện có thể được hạn chế do khả năng mở rộng đường bao của nó. Các sóng hài momen
giảm xuống nhưng các sóng hài dòng điện sẽ tăng lên (theo trục d).

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

1.2.7. Nhận xét
Hiện nay các phương pháp trên đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều
khiển động cơ. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, các phương pháp vẫn tồn tại những
khuyết điểm:
-

Điều chế độ rộng xung (PWM) trên cơ sở điều chế vector không gian gây sóng hài
bậc cao.

-

Điều khiển vô hướng chỉ dùng cho truyền động đặc tính thấp.

-

Điều khiển định hướng trường vẫn gặp một số hạn chế: nhạy với sự thay đổi thông
số của động cơ như hằng số thời gian rotor và đo lường từ thông không chính xác tại tốc
độ thấp. Do đó, hiệu suất giảm và bộ điều khiển phổ biến như PID thì không thể duy trì
yêu cầu điều khiển dưới những điều kiện thay đổi.
Do đó, để khắc phục những nhược điểm trên, việc kết hợp điều khiển trí tuệ nhân
tạo với kỹ thuật điều khiển kinh điển đã ra đời góp phần không nhỏ trong việc phát triển
lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều 3 pha.
1.3. NHỮNG KỸ THUẬT TIÊN TIẾN HIỆN NAY
1.3.1. Điều khiển thông minh
Truyền động động cơ bao gồm 3 phần chính: động cơ, bộ điều khiển và bộ điện tử
công suất. Nếu yếu tố thông minh được thêm vào một trong những phần chính kia thì

truyền động đó gọi là truyền động thông minh.
Điều khiển thông minh là bộ điều khiển trong đó bộ điều khiển là bộ não và trung
tâm ra quyết định bao gồm 2 phần: phần mềm và phần cứng. Phần cứng của đơn vị điều
khiển đã phát triển trong hai thập kỷ gần đây. Còn phần mềm chứa những kỹ thuật điều
khiển khác nhau được lập trình vào phần cứng.
Điều khiển dựa vào trí tuệ nhân tạo được gọi là điều khiển thông minh: điều khiển
thích nghi hay điều khiển tự tổ chức. Mỗi hệ thống có trí tuệ nhân tạo gọi là hệ thống tự
tổ chức hoặc tự xử lý. Trong thập niên 80 với sự phát triển nhanh của thiết kế và sản xuất
mạch điện tử, vi xử lý đã đạt tốc độ và khả năng tính toán cao đưa điều khiển thông minh
vào sử dụng rộng rãi trong truyền động điện.


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo chia thành 2 nhóm: tính toán cứng và tính toán mềm. Hệ
chuyên gia thuộc về tính toán cứng cũng là kỹ thuật nhân tạo đầu tiên. Trong 2 thập kỷ
gần đây, tính toán mềm đã được sử dụng nhiều trong truyền động điện như sự cải tiến cấu
trúc vi xử lý. Thành phần chính của chúng là mạng neural nhân tạo, tập logic mờ, mạng
neural – mờ, hệ thống dựa vào thuật toán gen.
Bộ điều khiển logic mờ cơ bản (Fuzzy logic controller - FLC) được quan tâm đến
như một kiểu bộ điều khiển cấu trúc biến đổi (Hung et al., 1993) nhằm ổn định và tăng độ
bền cơ học. Ngôn ngữ diễn tả cho bộ điều khiển này là luật If- then (Kawaji and
Matsunaga, 1994).
Ngoài ra cũng có những bộ điều khiển dùng ANN được ứng dụng rộng rãi vì
những đặc tính đặc biệt sau:
-

Tất cả tín hiệu ANN được truyền theo một hướng, giống như hệ thống điều khiển

tự động.

-

Khả năng của ANN có thể học mẫu.

-

Khả năng tạo ra tín hiệu song song trong hệ thống tương tự và rời rạc.

-

Khả năng thích nghi.
Từ những ưu điểm đó, người ta đã ứng dụng mạng neural phục vụ trong lĩnh vực điều
khiển động cơ như: bộ ước lượng neural dùng để ước lượng tốc độ động cơ; bộ điều
khiển neural được dùng để tạo ra tín hiệu điều khiển bộ biến tần…
Kết quả mô phỏng sẽ được giới thiệu nhằm chứng minh hiệu quả của mạng neural
trong lĩnh vực điều khiển động cơ khi so sánh với hệ thống thông thường (như bộ điều
khiển PI) không có ANNs.
1.3.2. Những kỹ thuật khác
Trở ngại chính trong việc sử dụng động cơ không đồng bộ là giá thành cao của
những thiết bị biến đổi, sự phức tạp của xử lý tín hiệu và độ chính xác kém. Trong những
năm gần đây, lý thuyết điều khiển vector đã trở nên linh hoạt vì sự tiến bộ của kỹ thuật
điện tử và bộ vi xử lý tốc độ cao. Trong hầu hết những ứng dụng, cảm biến tốc độ là cần
thiết và thích hợp trong vòng kín điều khiển tốc độ. Tuy nhiên, cảm biến tốc độ có một


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

vài nhược điểm ở giá cả, độ tin cậy và khả năng loại trừ nhiễu. Những phương pháp khác
nhau được đề xuất nhằm ước lượng tốc độ sử dụng một vài thông số điện như dòng điện,
điện áp, tần số và từ thông. Chúng dựa vào sự kết hợp của lý thuyết ước lượng trạng thái
và thuyết điều khiển vector (điều khiển động cơ không có cảm biến tốc độ).
Tuy nhiên, các giá trị của thông số điện bị lệch do các giá trị thiết kế vì sự thay đổi
của môi trường làm việc, nhiệt độ, tốc độ, tải và tiếng ồn.
Những phương trình chuyển động của động cơ cảm ứng không phù hợp vì một vài
lý do như trên…Vì vậy, một vài mô hình thể hiện mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra mà
không cần biết đến phương trình chuyển động. Nhiệm vụ chính là tập trung vào việc nhận
dạng bao gồm bộ lọc tuyến tính để ước lượng hàm chuyển tuyến tính (Schouken, 1990),
để ước lượng thông số vật lý (Moons và Moor, 1995) và ước lượng hệ số hàm chuyển
tuyến tính dựa vào đo lường lực từ và tốc độ (Gahler và Herzog, 1994), kỹ thuật
NARMAR (Leontaritis và Billing, 1985) nhằm mô hình hóa mối quan hệ giữa tốc độ và
điện áp của động cơ không đồng bộ.
Tương tự, khi ước lượng từ thông, người ta cũng áp dụng những nguyên tắc giống
như điều khiển và ước lượng tốc độ. Thật sự, cảm biến từ thông khó chế tạo và lắp đặt. Vì
vậy, việc chế tạo ra một bộ ước lượng từ thông từ những thông số điện có sẵn, hoặc
những kỹ thuật tiên tiến là mối quan tâm thiết yếu cho những ai quan tâm đến lĩnh vực
điều khiển động cơ.
1.4. TRÌNH TỰ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ:
Thông thường, để điều khiển động cơ không đồng bộ, người ta thường tiến hành
theo những bước chính sau:

1.4.1. Xây dựng mô hình toán học của động cơ không đồng bộ cho cấu trúc điều
khiển
Thông thường, mô hình toán học của động cơ không đồng bộ là: phương trình
vector tổng quát, mô hình mạch điện dưới dạng 2 pha, phương trình trạng thái. Thông số
của động cơ được xác định theo phương pháp thực nghiệm. Điện trở stator đo được từ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

kiểm tra DC; điện trở rotor và điện cảm tiêu tán đo được khi rotor bị ghìm; đo điện cảm
từ hóa khi kiểm tra không tải. Việc điều chỉnh thông số khi mô phỏng động cơ trong điều
kiện nguồn cung cấp ở chế độ định mức lúc tải định mức.
1.4.2. Bộ biến tần điều khiển
Bộ biến tần có tụ DC được dùng trong truyền động động cơ không đồng bộ gồm
bộ biến tần nguồn áp (VSI) và bộ biến tần nguồn dòng (CSI), dựa theo phương pháp điều
chế độ rộng xung (PWM) nhằm điều khiển điện áp và dòng điện. Ngoài ra còn có bộ biến
tần kết hợp bộ CSI công suất cao và bộ VSI công suất thấp làm việc song song.

1.4.3. Kiểm tra thiết bị truyền động AC
Một phòng thí nghiệm được xây dựng bao gồm: động cơ không đồng bộ cần kiểm
tra làm việc như tải cơ được kéo bởi máy phát điện đồng bộ. Mỗi máy điện được cấp
nguồn từ bộ biến tần, và được điều khiển bởi bộ điều khiển card ở PC.

1.4.4. Phương pháp điều khiển, xây dựng và thiết kế bộ điều khiển đi kèm
Tùy theo tính chất, mục đích sử dụng, tài nguyên hiện có mà ta lựa chọn phương
pháp điều khiển thích hợp như điều khiển vô hướng, điều chế vector không gian, định
hướng trường...

1.5. ĐỊNH HƯỚNG:


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

Tác giả kết hợp tính ưu việt của các phương pháp điều khiển khác nhau, cũng như
với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều. Trong luận văn
thạc sỹ này, đề tài “Ứng dụng phương pháp điều khiển PID mờ kết hợp với phương
pháp định hướng trường để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha” được
thực hiện.
1.6. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI:
-Tìm hiểu phương pháp điều khiển định hướng trường, là phương pháp điều khiển
tốt đã được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ điện.
- Từ thông rotor để sử dụng trong hệ thống điều khiển định hướng trường được
ước lượng dựa trên cơ sở của hàm Lyapunov.
-Xây dựng hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID mờ để điều khiển tốc
độ động cơ. Các luật hợp thành của tập mờ được xây dựng dựa vào các suy luận của
người thiết kế, kinh nghiệm của chuyên gia…
1.7. PHẠM VI NGHIÊN CỨU:
Đề tài này tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển định hướng trường sử
dụng bộ điều khiển PID mờ lai để điều khiển tốc độ động cơ. Việc ước lượng từ thông
rotor nhằm ổn định và điều khiển động cơ không đồng bộ theo định hướng trường được
thực hiện dựa vào tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov.

1.8. NỘI DUNG LUẬN VĂN:
Luận văn được trình bày theo các chương như sau:
Chương 1. TỔNG QUAN
Chương 2. MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA.
Chương 3. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG-FOC.
Chương 4. DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ KẾT HỢP ĐIỀU
KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG
ĐỒNG BỘ.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

Chương 5. KẾT LUẬN – HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .

1.9. Ý NGHĨA ĐỀ TÀI:
Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm đến phương pháp điều
khiển mờ kết hợp với phương pháp định hướng trường điều khiển động cơ không đồng
bộ, cách thức thiết kế và mô hình hóa các bộ điều khiển trong Simulink và Control
System Toolbox


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

Chương 2
MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

2.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Máy điện không đồng bộ ba pha có dây quấn stator được cung cấp điện từ lưới
điện, và nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ có được sức điện động cảm ứng và dòng điện
bên trong dây quấn rotor. Dòng điện ba pha đối xứng trong dây quấn ba pha sẽ tạo ra từ
trường quay với tốc độ đồng bộ

(rad/s). Rotor máy không đồng bộ gồm 2 loại:

Rotor dây quấn với dây quấn nhiều pha (thường là ba pha) quấn trong các rãnh
rotor, có cùng số cực với dây quấn stator với các đầu dây ra nối với các vành trượt được

cách điện với trục rotor. Việc tiếp điện được thông qua các chổi than đặt trong các bộ giá
đỡ chổi than.
Rotor lồng sóc có dây quấn rotor là các thanh dẫn (nhôm, đồng) trong rãnh rotor,
chúng được nối tắt ở hai đầu nhờ hai vành ngắn mạch. Do kết cấu rất đơn giản và chắc
chắn, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được sử dụng làm nguồn động lực rất rộng
rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp cũng như trong sinh hoạt.
Trong hai loại động cơ trên, loại có rotor lồng sóc đã chiếm ưu thế tuyệt đối trên
thị trường vì dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ hơn. Sự phát triển như vũ
bão của kỹ thuật vi điện tử với giá thành ngày càng hạ đã cho phép thực hiện thành công
các kỹ thuật điều chỉnh phức tạp đối với loại rotor lồng sóc.


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

2.2. VECTOR KHÔNG GIAN CỦA CÁC ĐẠI LƯỢNG BA PHA
2.2.1. Xây dựng vector không gian
Động cơ không đồng bộ ba pha đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bố
trí không gian tổng quát như hình 3.1.
Trong hình trên không quan tâm đến động cơ đấu hình sao hay tam giác. Ba dòng
điện isu, isv, isw là ba dòng chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ. Khi động cơ chạy bằng
biến tần thì đó là ba dòng ở đầu ra của biến tần.

Hình 2.1. Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ không đồng bộ 3 pha
Ba dòng điện đó thỏa mãn phương trình:
isu(t) + isv(t) + isw(t) = 0

(2.1)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

Trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau:
(2.2)
(2.3)
(2.4)
Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang), động cơ xoay chiều 3 pha có
ba cuộn dây lệch nhau một góc 120 o. Nếu trên mặt phẳng đó ta thiết lập một hệ tọa độ
phức với trục thực đi qua cuộn dây u, ta có thể xây dựng vector không gian sau:

(2.5)
Theo công thức (3.5), vector
mặt phẳng phức với tốc độ góc
một góc

là một vector có modul không đổi quay trên
và tạo với trục thực (đi qua cuộn dây pha u)

, trong đó fs là tần số mạch stator. Việc xây dựng vector

tả trong hình 3.2.

Hình 2.2. Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha

được mô

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

Theo hình vẽ trên, dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector dòng
stator

mới thu được lên trục của cuộn dây pha tương ứng.
Gọi trục thực của mặt phẳng phức nói trên là trục

vector

lên hai trục, ta được hai hình chiếu là

và

và trục ảo là trục

. Chiếu

. Hệ tọa độ này gọi là hệ tọa độ

cố định (hệ tọa độ stator).

Hình2.3. Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian ở hệ tọa độ
Theo phương trình isu(t) + isv(t) + isw(t) = 0 và dựa trên hình 3.3 thì chỉ cần xác định
hai trong số ba dòng điện stator là có đầy đủ thông tin về vector .

(2.6)
(2.7)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

Tương tự như đối với vector dòng stator, các vector điện áp stator
, từ thông stator

, hoặc từ thông rotor

, dòng rotor

cũng được biểu diễn tương tự.

2.2.2. Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian
Ta xây dựng một hệ tọa độ mới dq có chung điểm gốc với hệ tọa độ
lệch đi một góc

và nằm

. Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector không gian tương ứng với

hai hệ tọa độ này. Mối liên hệ được thể hiện ở hình vẽ 3.4.

Hình 2.4. Chuyển hệ tọa độ giữa
Dễ dàng chuyển tọa độ

sang tọa độ dq:

và dq

(2.8
)
(2.9
)

2.2.2. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

Hình 2.5. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor

Giả thiết động cơ không đồng bộ quay với tốc độ

bởi trục rotor và trục chuẩn. Từ thông rotor

, trong đó

quay với tốc độ góc

là góc tạo

trong

đó fs là tần số của mạch điện stator.
Sự chênh lệch giữa

và

sẽ tạo nên dòng điện rotor với tần số

đó có thể được biểu diễn dưới dạng vector

quay với tốc độ

, dòng điện

.

Xây dựng một hệ tọa độ mới với trục thực có hướng trùng với hướng của vector
và gốc tọa độ trùng với gốc của hệ

là hệ trục tọa độ dq.


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Gọi

Chương 1- TỔNG QUAN

là vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ
là vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ dq

Ta có:

=

(2.10)

=

(2.11)

=

(2.12)

Chuyển tọa độ từ 3 pha uvw qua tọa độ

:
(2.13
)
(2.14
)

Chuyển tọa độ

sang tọa độ dq:

Toàn bộ quá trình trên được diễn tả theo sơ đồ khối sau:

(2.15
)
(2.16
)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

Hình 2.6. Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ tọa độ từ thông rotor (hệ
tọa độ dq)
Trong thực tiễn, việc tính toán isd, isq gặp nhiều khó khăn vì việc xác định
Trong trường hợp động cơ không đồng bộ, góc
trong đó

là có thể đo được. Ngược lại

.

được tạo nên bởi tốc độ góc
là tần số của mạch rotor mà ta

chưa biết. Vậy phương pháp mô tả trên hệ tọa độ dq đòi hỏi phải xây dựng được phương
pháp tính

một cách chính xác, đó là cơ sở của hệ thống điều khiển tựa theo từ thông

rotor.
Ta có

do trục q đứng vuông góc với vector

. Khi xây dựng mô hình

tính toán trong hệ tọa độ dq, trên thực tế do không thể tính tuyệt đối chính xác góc
vẫn giữ lại

nên

để đảm bảo tính khách quan trong khi quan sát.

2.3. MÔ HÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
2.3.1. Lý do xây dựng mô hình
Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả đối tượng điều
chỉnh. Xuất phát điểm để xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ rotor
lồng sóc là mô hình đơn giản của động cơ trong hình 3.7.


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

Hình 2.7. Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc
Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ đặc tính thời gian của đối tượng
điều chỉnh, phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh. Điều đó dẫn đến các
điều kiện được giả thiết trong khi lập mô hình. Các điều kiện đó một mặt đơn giản hóa
mô hình có lợi cho việc thiết kế, mặt khác chúng gây nên sai lệch nhất định, sai lệch
trong phạm vi cho phép giữa đối tượng và mô hình.
Về phương diện động, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được mô tả bởi hệ
phương trình vi phân bậc cao. Vì cấu trúc của các cuộn dây phức tạp về mặt không gian,
vì các mạch từ móc vòng, một số điều kiện được chấp nhận khi mô hình hóa động cơ:
-

Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian.

-

Các tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ có thể bỏ qua.

-

Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trên bề mặt khe từ.

-

Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi.
Trục chuẩn của mọi quan sát được quy ước là trục đi qua tâm cuộn dây pha u. Ta

sẽ sử dụng các mô hình trong không gian trạng thái để mô tả động cơ.


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

2.3.2. Hệ phương trình cơ bản của động cơ
Hệ phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator:
(2.17
)
(2.18
)
(2.19
)

Với:
Rs: điện trở cuộn dây pha stator
: từ thông stator của cuộn dây pha u, v, w.
Áp dụng công thức ta thu được điện áp:

(2.20)
Thay 3 phương trình (3.17, 3.18, 3.19) vào phương trình (3.20), thu được phương
trình điện áp stator dưới dạng vector như sau:

(2.21)
Trong đó:
RS: điện trở cuộn dây pha Stator
: vector từ thông Stator
Phương trình trên thu được do các quan sát từ hệ thống 3 cuộn dây stator, vì vậy
cũng thu được trên hệ tọa độ

:

(2.22)
Tương tự, phương trình điện áp của cuộn dây rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch)


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN

(2.23)
Trong đó

: vector từ thông rotor trên hệ tọa độ rotor

Rr: điện trở rotor đã quy đổi về phía stator.

Nhưng để dễ dàng tính toán trên các loại tọa độ, ta có phương trình tổng quát cho
điện áp stator:

(2.24)
Phương trình tổng quát trên có thể áp dụng cho mọi hệ tọa độ vuông góc.
Trong đó:
với

là góc giữa trục thực với hệ tọa độ bất kỳ k.

Đối với hệ tọa độ cố định Stator

thì

= 0 cho ta công thức (3.22). Thay “k”

=”s”
Đối với hệ tọa độ từ thông rotor (dq) thì

với

là góc lệch giữa

trục q với trục thực. Thay “k” =”f”
Tương tự, ta có phương trình tổng quát điện áp rotor:

Với

: vector từ thông ở hệ tọa độ “k” bất kỳ so với rotor

2.3.3. Các tham số của động cơ
Lm

hỗ cảm giữa rotor và stator
điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator
điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor (đã quy đổi
về stator)


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chương 1- TỔNG QUAN
điện cảm stator
điện cảm rotor

Ts = Ls/Rs

hằng số thời gian stator

Tr = Lr/Rr

hằng số thời gian rotor
hệ số tiêu tán tổng

Phương trình từ thông stator và từ thông rotor:
(2.25
)
(2.26

)

Mô men điện từ:

(2.27)
Phương trình chuyển động:

(2.28)
Với: mT là mômen tải, J là mômen quán tính cơ,

là tốc độ góc của rotor

2.3.3. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator
Phương trình mô tả trạng thái của động cơ như sau:
(2.29
)
(2.30
)
(2.31
)
(2.32
)

Với: Lm :hỗ cảm giữa stator va rotor
Ls: điện cảm stator