ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG cơ KHÔNG ĐỒNG bộ BẰNG bộ điều KHIỂN TRƯỢT

Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 1/70

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG
BỘ BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 2/70

CHƯƠNG 1.
1.1.

GIỚI THIỆU CHUNG

ĐẶT VẤN ĐỀ.

Trong nhưng năm gần đây quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa ngày càng
phát triển mạnh mẽ. Không thể không nói đến sự biến đổi năng lượng từ dạng này
sang dạng khác . Đặc biệt là sự biến đổi từ điện năng sang cơ năng. Do đó động cơ
điện đóng vai trò vô cùng quang trọng trong sản xuất và đời sống. Động cơ không
đồng bộ là loại động cơ được sử dụng phổ biến trong công nghiệp hiện nay, do kết
cấu chắc chắn, đơn giản, giá thành rẻ và độ tin cậy cao. Tuy nhiên, việc điều khiển
động cơ không đồng bộ là khá phức tạp và là lĩnh vực được quan tâm lớn từ trước
đến nay. Từ các phương pháp nghiên cứu kinh điển cũng như các phương pháp
nghiên cứu hiện đại.Hiện nay thì việc điều khiển tốc độ của động cơ không đồng bộ
ba pha đã có những tiến bộ mang tính vượt bậc nhờ có sự phát triển công nghệ bán
dẫn và vi xử lý cùng với các giải thuật điều khiển hiện đại. Các bộ biến tần thiết kế

ngày càng hoàn thiện và đáp ứng được nhưng yêu cầu của điều khiển, dãi công suất
cũng như tốc độ cho phép điều chỉnh ngày càng mở rộng.
Động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc là một hệ thống phi tuyến và khó kiểm
soát. Với ưu điểm về tính ổn định và bền vững bộ điều khiển trượt được sử dụng để
điều khiển cho các hệ phi tuyến ngay khi hệ thống bị tác động của nhiễu cũng như
sự biến đổi các thông số đối tượng của hệ thống. Vì vậy khi thiết kế bộ điều khiển
trượt thì cần phải biết chính xác đặc tính của hệ thống cũng như mô hình của hệ
thống, đối tượng cần điều khiển. Hơn nữa nếu biên độ của luật điều khiển trượt quá
lớn sẽ dẫn đến hiện tượng dao động có tên là chattering sẽ ảnh hưởng đến các thông
số hệ thống. Do đó việc thiết kế bộ điều khiển trượt cho động cơ không đồng bộ 3
pha là vô cùng cần thiết.
1.2.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Cho đến thời điểm này, người ta đã nghiên cứu nhiều cách điều chỉnh tốc độ và
momen của động cơ không đồng bộ (KĐB), nhưng nhìn chung thì các phương

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 3/70

pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ đều có những ưu nhược điểm
của nó và chưa đáp ứng được toàn bộ các vấn đề trong lĩnh vực động cơ điện như
phạm vi điều chỉnh, năng lượng tiêu thụ, độ bằng phẳng khi điều chỉnh và thiết bị
sử dụng.
1.2.1. Điều khiển vô hướng (v/f)

Điều khiển vô hướng chỉ ra biến thiên độ lớn của các biến điều khiển. điều khiển
động cơ cảm ứng yêu cầu nguồn điện áp biến đổi ,tần số biến đổi, nguồn công suất.
Với sự ra đời của biến tần nguồn điện áp (VSI), điều khiển điện áp không đổi / hz
(V/f) đã trở nên đơn giản dễ thực hiện vì vậy phương pháp này được sử dụng một
cách rộng rải trong việc điều khiển tốc độ động cơ cảm ứng.
Mục đích việc duy trì điện áp đầu bằng cuối để tỷ lệ tần số được cung cấp gần với
lượng từ thông liên tục trên phạm vi rộng của biến thể tốc độ. Khi từ thông được giữ
cố định khả năng mô-men tải được duy trì không đổi trong điều kiện trạng thái ổn
định ngoại trừ trường hợp tốc độ thấp (khi tăng cường điện áp bổ sung cần thiết để
bù đắp cho việc cấp áp cho cuộn dây stato). Trong sơ đồ điều khiển, hiệu năng động
cơ chỉ cải thiện trạng thái ổn định, nhưng đáp ứng tức thời thì hơi thấp. Nhiều hơn
điều khiển điện áp/hz không đổi giữ hằng số liên kết thông lượng stator ổn định với
ra duy trì tách giữa các thông lượng và mô-men xoắn. Vì vậy, do khớp nối vốn ảnh
hưởng phản hồi động của truyền động là kém. Để tránh biến động tốc độ vòng mở
do biến đổi trong mô men tải và điện áp cung cấp, sơ đồ điều khiển tốc độ V / f
vòng kín với quy định chuyển động thường được sử dụng cho hoạt động ổn định
của biến tần dưới trạng thái ổn định [1].
Truyền động điều khiển vô hướng đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, bởi
vì nó rất đơn giản để thực hiện. Nhưng vốn ở đây tồn tại một hiệu ứng liên kết giữa
cả từ thông và mô-men (cả hai đều là hàm của điện áp hoặc dòng điện và tần số),
mà do phản hổi chậm và hệ thống thiếu ổn định. Tầm quan trọng của các chuyển
động điều khiển vô hướng đã giảm đi vì hiệu năng vượt trội của các chuyển động
được điều khiển bằng vector.
Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 4/70

1.2.2. Điều khiển tựa từ thông (FOC)
Có rất nhiều kỹ thuật liên quan đến việc triển khai các kiểu điều khiển định hướng
trường khác nhau. Hầu hết các phương pháp yêu cầu ước lượng chính xác vị trí
hoặc tốc độ rotor. Điều này dẫn đến sự cần thiết các cảm biến tốc độ như trục tachomáy phát điện hoặc trục kỹ thuật số mã hóa. Cảm biến tốc độ tăng chi phí và kích
thước của truyền động, giảm độ tin cậy của hệ thống,
Cần chú ý đặc biệt để đo tiếng ồn. Một số phương pháp (định hướng trường trực
tiếp) yêu cầu thông lượng rotor, cái mà được đo bằng cảm biến hiệu ứng Hall hoặc
cuộn tìm kiếm. Cảm biến hiệu ứng Hall làm giảm hiệu suất và độ tin cậy của hệ
thống truyền động. Việc ước lượng thông lượng rotor bằng cách tích hợp điện áp
máy mở vòng lặp phát sinh khó khăn ở tốc độ thấp.
Cuối cùng, mặc dù định hướng trường gián tiếp là đơn giản và được ưa thích, hiệu
suất của nó là rất cao phụ thuộc vào kiến thức chính xác về các thông số máy.
Nghiên cứu trong điều khiển động cơ cảm ứng đã được tập trung để khắc phục các
vấn đề trên. Nhiều công việc đã được báo cáo trong giảm độ nhạy của hệ thống điều
khiển đối với biến thể tham số và ước tính, thay vào đó là đo thông lượng rotor và
tốc độ từ điện áp và dòng điện hai đầu. Điều này giúp loại bỏ các thông lượng hoặc
cảm biến tốc độ,ở đây bằng cách đạt được điều khiển cảm biến. Nhiều các thuật
toán ước tính tốc độ và các chương trình điều khiển cảm biến tốc độ đã được phát
triển trong vài năm qua.
Một trong những vấn đề chính với các nhà quan sát thông lượng dựa trên khối
lượng thiết bị đầu cuối được thiết kế trong quá khứ là độ nhạy của chúng đối với
các thông số máy, cụ thể, đối với điện trở rôto cho người quan sát mô hình dòng
điện và khả năng chống stator trong trường hợp người quan sát mô hình điện áp. Để
vượt qua những vấn đề kỹ thuật điều khiển khác nhau đã được cố gắng để cải thiện
dự đoán thông lượng rotor.
Một số được thảo luận dưới đây.

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt

Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 5/70

Thuật toán bộ lọc Kalman và các phần mở rộng của nó là những người quan sát
mạnh mẽ và hiệu quả cho hệ thống tuyến tính và phi tuyến tương ứng. Một bộ lọc
Kalman mở rộng được sử dụng trong [15] cho ước tính tốc độ của truyền động động
cơ cảm ứng được điều khiển bằng vector. Thật không may, cách tiếp cận này chứa
một số nhược điểm vốn có như các yêu cầu tính toán nặng nề và thiết kế khó khăn
của nó và điều chỉnh quá trình.
Một số mô hình cảm biến tốc độ dựa trên hệ thống thích ứng tham chiếu mô hình có
được mô tả trong các tài liệu cho các truyền động động cơ cảm ứng định hướng
trường [24, 27], nơi một trong các bộ ước lượng thông lượng hoạt động như một mô
hình tham chiếu, và các bộ ước lượng khác hoạt động như một bộ ước lượng thích
ứng.
Phương pháp đo nhiệt độ rotor dựa trên tín hiệu phun là một trong những kỹ thuật
để xác định vị trí và tốc độ rotor. Điều này đã được phát triển bằng cách sử dụng các
phép đo tần số cao dựa trên máy cực ẩn, sự xé rãnh và bất thường rotor. Những tín
hiệu tần số cao được bơm vào hai đầu của stator . Xử lý tín hiệu thích hợp và lọc
các dòng stator kết quả tần số cao được sử dụng để phát hiện các cực ẩn gây ra hiện
diện trong mô hình stator của động cơ cảm ứng. Các phương pháp này đã được
chứng minh là có tiềm năng cho phạm vi tốc độ rộng và thông số điều khiển cảm
biến không nhạy cảm , đặc biệt là trong quá trình vận hành tốc độ thấp. Nhưng kỹ
thuật dựa trên tính hiệu quả với kích thích cơ bản [2, 4] thường thất bại ở tốc độ
thấp và không.
Khi áp dụng với bơm tín hiệu tần số cao [9, 10], phương pháp này có thể gây ra mômen xoắn gợn sóng, rung động và tiếng ồn âm thanh. Ngoài ra, kỹ thuật dựa trên
tính hiệu quả là máy cụ thể.
Tự điều khiển trực tiếp hoặc điều khiển mô-men xoắn trực tiếp (DTC) [5] là một
biến thiên của điều khiển định hướng trường cảm biến,nơi mà vị trí thông lượng và

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 6/70

lỗi trong thông lượng và mô men xoắn được sử dụng trực tiếp để chọn trạng thái
chuyển đổi biến tần.
Gần đây, những nỗ lực nghiên cứu đáng kể cũng đã được dành cho bộ điều khiển
thông minh chẳng hạn như mạng lưới thần kinh nhân tạo (ANN) và logic mờ để xử
lý các vấn đề của phi tuyến tính và độ không đảm bảo của thông số hệ thống. Các
đặc tính cơ bản của mạng lưới thần kinh là: khả năng tạo ra các mô hình tốt của các
hệ phi tuyến; phân phối cao và cấu trúc song song, làm cho các chương trình điều
khiển dựa trên thần kinh nhanh hơn các chương trình truyền thống; thực hiện đơn
giản bằng phần mềm hoặc phần cứng; và khả năng học hỏi và thích ứng với hành vi
của bất kỳ quá trình thực sự nào. Mặt khác,nó chỉ ra rằng các bộ điều khiển mờ có
khả năng cải thiện hiệu suất theo dõi trong các rối loạn bên ngoài hoặc khi trải
nghiệm hệ thống truyền động của IFO tách rời không hoàn hảo do những sự biến
thiên trong hằng số thời gian rôto. Mạng thần kinh và logic mờ đang có tiềm năng
như các nhà ước tính và bộ điều khiển cho nhiều ứng dụng công nghiệp, do thực tế
là họ sở hữu tính chất theo dõi tốt hơn so với bộ điều khiển thông thường.
1.3.

SỰ CẦN THIẾT CỦA MỘT BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH

Trong tình hình này thì việc cần một bộ điều khiển kiểm soát và điều khiển các
thông số của động cơ một cách trơn tru và chính xác, đáp ứng các yêu cầu là vô
cùng cần thiết. Điều khiển trượt là một phương pháp có khả năng để thực hiện điều
đó.

1.4.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu phương pháp điều khiển trượt (SMC) là phương pháp điều khiển được
sử dụng cho các hệ phi tuyến và đặc biệt cho động cơ không đồng bộ.
Đề xuất mô hình mô phỏng của bộ điều khiển trượt của động cơ không đồng bộ ba
pha và bộ ước lượng của động cơ.

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 7/70

1.5.

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đề tài này tập trung vào nghiên cứu phương pháp điều khiển trượt (SMC) động cơ
không đồng bộ ba pha.
Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ ba pha, bộ ước lượng tốc độ, từ thông và
moomen, bộ hiệu chỉnh PID cho tốc độ.
Mô phỏng phân tích đánh giá về bộ điều khiển trượt (SMC) bằng phần mềm Matlab
Simulink.
1.6.

TRÌNH TỰ CỦA ĐỒ ÁN

Chương 1: Giới thiệu về các phương pháp điều khiển động cơ và các hạn chế của
các phương pháp đó. Nêu lên ứng dụng của bộ điều khiển trượt đến động cơ không
đông bộ 3 pha và mục tiêu của đồ án.
Chương 2 : Cơ sở lý thuyết cơ bản về động cơ không đồng bộ ba pha, các phép biến
đổi trục tọa độ abc,dq, và αβ.
Chương 3 : Mô hình hóa động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ trục tọa độ dq.
Chương 4 : Thiết kế bộ điều khiển trượt.
Chương 5 : Mô phỏng kết quả và đánh giá về điều khiển trượt cho động cơ không
đồng bộ 3 pha.

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 8/70

CHƯƠNG 2.
2.1.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

KHÁI NIỆM CHUNG

Động cơ không đồng bộ 3 pha là máy điên xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm
ứng điện từ có tốc độ rotor khác với tốc độ của từ trường quay.
Động cơ không đồng bộ 3 pha được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì
chế tạo đơn giản, giá rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao ít cần bảo
Do kỷ thuật điện tử phát triển, nên việc điều chỉnh tốc độ của động cơ KĐB là có
thể thực hiện được và việc sử dụng động cơ KĐB ngày càng rộng rải. Dãy công suất

của nó rất rộng từ vài watt đến hàng ngàn kilowat. Hầu hết là động cơ KĐB 3 pha,
có một số lượng nhỏ là một pha.
2.2.

CẤU TẠO

Động cơ không đồng bộ 3 pha gồm 2 thành phần chính :
- Stator : Phần tỉnh
- Rotor : Phần động.
2.2.1. Stator ( phần tỉnh)
Stator gồm 2 thành phần chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và
nắp máy.
Lõi thép stator có dạng hình trụ, từ các lá thép kỷ thuật điện ghép lại với nhau và
được dập rãnh bên trong ghép lại tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được
ép vào trong vỏ máy.
Dây quấn Stator được làm bằng dây đồng bọc một lớp cách điện bên ngoài và được
đặt bên trong lõi thép. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn ba pha
stator sẽ tạo nên từ trường quay.
Vỏ máy gồm có thân và nắp, làm bằng gang

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 9/70

Hình 2.1 Hình ảnh cấu tạo stator
2.2.2. Rotor( Phần quay).
Rotor là phần quay của động cơ KĐB gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.

Lõi thép gồm nhiều lá thép kỷ thuật điện được lấy từ phần trong của các lõi thép
stator ghép lại với nhau. Mặt ngoài dặp rãnh để đăt dây quấn, ở giửa có dập lỗ để
lắp trục.
Trục của máy điện không đồng bộ được làm bằng thép, trên đó gắn lõi thép rotor.
Máy điện không đồng bộ khi nói về rotor có 2 loại : rotor lồng sóc và dây quấn.
2.2.2.1. Rotor lồng sóc.

Hình 2.2 : Rotor lồng sóc

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 10/70

Gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vành
ngắn mạch ở hai đầu. Với động cơ nhỏ, dây quấn rotor được đúc nguyên khối gồm
thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cách quạt làm mát.
2.2.2.2. Rotor dây quấn.
Được quấn dây giống như dây quấn ba pha stator và có cùng số cực từ như dây
quấn Stator.
Dây quấn kiểu này luôn luôn đấu sao (Y) và có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt, gắn
vào trục quay của rotor và cách điện với trục.
Ba chổi than cố định và luôn tỳ lên vành trượt này và dẫn điện vào một biến trở
cũng nối sao nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.
2.3.

NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

Khi dòng điện 3 pha chạy qua dây quấn stator làm cho khe hở không khí xuất hiện
từ trường nay với tốc độ n1=60f1/p. từ trường với tốc độ n1 này sẽ quét qua dây
quấn nhiều pha đặt trên rotor dẫn đến xuất hiện suất điện động cảm ứng E1. Do
rotor kín mạch nên trong dây quấn xuất hiện dòng điện I2. Từ thông của dòng I2 kết
hợp với từ thông của Stator tạo thành từ thông tổng tồn tại trong khe hở không khí.
Dòng điện trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông trong khe hở không khí sinh
ra momen. Lúc này làm quay rotor.
2.4.

BIẾN ĐỔI HẸ TỌA ĐỘ

2.4.1. Vector không gian và các phép chuyển hệ trục tọa độ của các đại lượng 3
pha
ĐCKĐB ba pha đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha phân phối không
gian tổng quát như Hình 2.3.

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 11/70

Hình 2.3: Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của ĐCKĐB
Trong hình trên, ta không quan tâm đến động cơ đấu hình sao hay tam giác. Ba
dòng điện isa , isb , isc là ba dòng chả từ dưới lưới qua đầu nối vào động cơ. Khi động
cơ chạy bằng biến tần thì đó là ba dòng ở đầy ra biến tần.
Giả thiết các dòng isa , isb , isc ở ba dây quấn stator là cân bằng,ta có
isa (t)  isb (t)  isc (t)  0

1\* MERGEFORMAT (2.1)

Trong đó từ dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau

�
isa (t)  is cos(s t)
�
isb (t)  is cos(s t  120o)
�
�
isa (t)  is cos(s t  240o)
�
2\* MERGEFORMAT (2.2)
Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang), ĐCKĐB ba pha có ba cuộn dây
o

lệch nhau 120 . Nếu trên mặt cắt đó ta thiết lập một hệ tọa độ phức với trục thực đi
qua trục cuộn dây pha a của động cơ, ta có thể xây dựng vector không gian sau đây:
is (t) 

o
o
2�
isa (t)  isb (t)e j120  isc (t)e j 240 � is e j
�
3�

MERGEFORMAT (2.3)
Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt

3\*


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 12/70

Vectơ is (t ) có độ lớn không đổi quay với góc w s  2 f s , tại thời điểm t lệch pha
góc   s t . Trong đó f s là tần số mạch stator

Hình 2.4 : Thiết lập vectơ không gian từ các đại lượng pha
Qua hình 2.3 ta có thể thấy rằng điện áp của từng pha chính là hình chiếu của vector
mới thu được lên trục của cuộn dây pha tương ứng. Đối với các đại lượng như : điện
áp, dòng rotor hoặc từ thông rotor của động cơ ta có thể xây dựng vector không gian
tương tự như vector không gian dòng stator.
2.4.2. Một số đặc điểm của các hệ thống tọa độ.
Việc lựa chọn hệ tọa độ thích hợp đảm bảo hệ phương trình đơn giản và đồng thời
nhận được các phương trình có hệ số là hằng số. Các hệ thống tọa độ phổ biến
uv,αβ,dq.
2.4.2.1. Hệ tọa độ uv
Một hệ thống tọa độ chuyển động so với stato với tần số góc w t , hệ thống này được
gọi là hệ thống tọa độ abc được dùng để nghiên cứu máy điện có phần cảm và phần
ứng đều chuyển động nhưng tốc độ quay khác nhau.

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 13/70

2.4.2.2. Hệ thống tọa độ đứng yên ( w t  0
) gọi là hệ thống tọa độ �,.
Hệ thống tọa độ gồm trục thực α và trục ảo β. Chọn trục thực α trùng với trục pha a
dây quấn stator và truc ảo là trục β vuông góc với trục thực ta được hệ trục tọa độ
cố định α,β. Hệ tọa độ này được sử dụng để nghiên cứu máy điện không đồng bộ.
Vectơ không gian is (t ) được biểu diễn trên hệ trục tọa độ α,β:
is (t )  is  jis 

4\* MERGEFORMAT (2.4)

Chỉ số s để xác định đây là hệ trục Stato cố định.
Các thành phần của is (t ) trên hệ trục tọa độ cố định α,β có quan hệ với các đại
lượng pha abc như công thức sau:
� i  i
�
1
�
i 
(ia  2ib )
�
3
�

5\* MERGEFORMAT (2.5)

Ta có thể chuyển đổi từ abc sang α,β:
�
�
isa  is

�
1
3
�
isb   is 
is
�
2
2
�
�
1
3
isc   is 
is
�
�
2
2

6\* MERGEFORMAT (2.6)

2.4.2.3. Hệ trục tọa độ từ thông roto dq.
Giả sử động cơ không đồng bộ quay vói vận tốc góc w  d / dt trong đó  là góc
hợp giữa trục thực  và trục của roto. Vectơ từ thông  quay với vận tốc góc
w s  2 f s  d s / dt , trong đó  s là góc hợp giữa vectơ từ thông và trục chuẩn  , f s

là tần số mạch stato. Người ta xây dựng một hệ tọa độ với trục thực có hướng trùng

Điều khiển động cơ không đồng bộ

bằng bộ điều khiển trượt


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 14/70
với hướng của vectơ  và có gốc trùng với gốc của hệ tọa độ  và được gọi là hệ
tọa độ dq.
dq
Vectơ không gian is (t ) có thể biểu diễn ở hệ từ thông d,q như:

is dq (t )  isd  jisq

7\* MERGEFORMAT (2.7)

Hình 2.5 : Biểu diễn vectơ is trên hệ tọa độ từ thông rotor dq []
2.4.2.4. Ưu điểm của việc mô tả động cơ
không đồng bộ 3 pha trên hệ tọa độ
từ thong roto (dq)
r f
Trong hệ tọa độ từ thông roto (dq) các vectơ dòng stato i s và vectơ từ thông roto

uu
r f
 r cùng với hệ tọa độ dq gần đồng bộ với nhau với tốc độ w r (tốc độ quay roto)
r

f

d
q

quanh điểm gốc do đó các phần tử của vectơ i ( is và is ) là các đại lượng một
s

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 15/70

chiều. Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như là không đổi khi xảy ra quá
trình quá độ thì các giá trị này có thể biến thiên theo một thuật toán điều khiển được
uu
r f

định trước. Ngoài ra trong hệ tọa độ dq ta còn có r trùng với trục d nên ta được
rq

=0 do vuông gốc với

rd

mà

uu
r f
r  rd  r q

nên suy ra

uu
r f
r  rd

Trong hệ tọa độ dq từ thông và momen quay được biểu diễn theo các phần tử của
vectơ dòng stator :
Lm
�
 rd 
isd
�
1  Tr s
�
�
3 Lm
�
Te 
p rd isq
�
� 2 Lr

8\* MERGEFORMAT (2.8)

uu
r f

Phương trình 2.8 ta có thể thấy được rằng có thể điều khiển từ thông r thông qua
i
điều khiển dòng điện stato isd . Và có thể điều khiển momen Te thông qua sq .

Khi viết phương trình các biến của ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ dq, không còn
quan tâm đến từng dòng điện riêng lẽ mà quan tâm đến toàn bộ dòng stato của động
u
r
i
cơ. Đó là quan tâm đến dòng s khi đó ta thấy tính toán động cơ không đồng bộ 3

pha tương quan như tính động cơ điện một chiều . Điều khiển tốc độ động cơ không
u
r
i
đồng bộ 3 pha thông qua điều khiển s .

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 16/70

CHƯƠNG 3.
3.1.

MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

GIỚI THIỆU

Mặc dù việc thiết kế động cơ cảm ứng là khá đơn giản, nhưng việc điều khiển tốc
độ thì phức tạp hơn nhiều so với động cơ DC 1 chiều. Nguyên nhân là do mô hình
không gian đa biến trạng thái có tính tương tác cao và phi tuyến của động cơ.

Những tiến bộ mạnh mẽ , mang tính cách mạng trong vi điện tử và những bộ biến
tần tỉnh với tần số thay đổi cùng với việc ứng dụng thuyết điều khiển hiện đại cho
phép ta có thể xây dựng được những bộ điều khiển phức tạp dùng cho việc truyền
động động cơ AC. Việc thiết kế và phát triển hệ thống truyền động yêu cầu mô hình
toán học phù hợp của động cơ nhằm tối ưu hóa cấu tạo của bộ điều khiển , đầu vào
cần thiết và những tham số khuếch đại.Trong chương này sẽ trình bày việc mô hình
hóa động cơ cảm ứng.
3.2.

MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Một mô hình phù hợp cho động cơ cảm ứng 3 pha là vô cùng cần thiết để mô phỏng
và nghiên cứu hệ thống truyền động hoàn chỉnh. Mô hình của động cơ cảm ứng có
thể tham khảo [16,17].
Sau đây là những giả định được dùng cho mô hình :
- Mỗi cuộn dây stator được phân bố đối xứng về mặt không gian.
- Việc cắt rảnh trong stator và rotor tạo ra sự thay đổi độ tự cảm tương ứng
-

nhưng không đáng kể.
Các hệ số tự cảm thì cân bằng nhau.
Sóng hài trong điện áp và dòng điện được bỏ qua.(không xét đến)
Độ bảo hòa của mạch từ được bỏ qua.( không xét đến)
Độ trể và những tổn hao dòng điện xoáy cùng với các tác động bên ngoài
được bỏ qua.

Một số quy ước ký hiệu dùng cho điều khiển ĐCKĐB ba pha:
 Chỉ số viết nhỏ, ở góc phải bên trên:
f

Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ từ thông rotor (dq)

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 17/70

s
r

Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ stator (αβ)
Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor với trục thực là trục rotor

Chỉ số viết nhỏ, ở góc phải phía 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

αβ

Phần tử thuộc hệ tọa độ α,β

a,b,c

Đại lượng thuộc pha a,b,c

Đại lượng viết có gach chân:
Chữ to

Ma trận

Chữ nhỏ

vector

Các đaị lượng của ĐCKĐB 3 pha:
isd,isq(A)

: dòng stator treen hệ tọa độ dq.

usd,usq (V)

: điện áp stator trên hệ tọa đôj dq.

ψrd, ψrq(A)

: từ thông rotor chuẩn hóa bởi hỗ cảm Lm trên hệ tọa độ dq.

w (rad/s)

: tốc dộ rotor.

ws (rad/s)

: tốc độ đồng bộ.(từ trường)

Các thông số của ĐCKĐB 3 pha

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 18/70

p

: số đôi cực của động cơ.

J(kg.m2)

: mô-men quán tính cơ.

Te(Nm)

: mô-men điện từ động cơ.

TL(Nm)

: mô-men tải.

Rs(Ω)

: điện trở stator.

Rr(Ω)

: điện trở rotor. (quy về stato)

Ls(H)

: hệ số tự cảm stator (Ls=Lm+Lσs).

Lr(H)

: hệ số tự cảm rotor (Lr=Lm+Lσr).

Lm(H)

: hễ số hỗ cảm.

Lσs(H)

: hệ số tự cảm tiêu tán stator.

Lσr(H)

: hệ số tự cảm tiêu tán rotor (đã quy đỗi về phía stator).

Ts=Ls/Rs

: hằng số thời gian stator.

Tr=Lr/Rr

: hằng số thời gian rotor.

  1

Lm 2
Ls Lr hệ số tiêu tán tổng

Tsamp : Thời gian lấy mẫu
 Phương trình từ thông stato và roto
'

 s  i s Ls  i r Lm
'

 r  i s Lm  i r Lr

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt

9\* MERGEFORMAT (3.1)


Đồ Án Tốt Nghiệp

Trang 19/70

 Và ta có 2 phương trình để tính điện cảm stato và roto
Ls  Lm  L s
Lr  Lm  L r

10\* MERGEFORMAT (3.2)

Hình 3.1: Sơ đồ mạch điện tương đương của mô hình ĐCKĐB trong hệ tọa độ
dq
Áp dụng định luật kirchop cho vòng trái ta được
d s
dt

f

là suất điện động của stato.
us

f

f

d s
 i s Rs  i s jws L s  ji m w s Lm 
dt
f

  u s

f

  u s

f

  u s

f

  u s

f

f

f

f

'f

'f

Ta được

d s
f
f
f

f
 i s Rs  i s jws L s  j (i s +i r )w s Lm 
phương trình
dt
'f
d  s điện áp stato.
f
f
f
 i s Rs  i s jws ( L s  Lm )  ji r w s Lm 
dt
'f
d s
f
f
f
 i s Rs  i s jws Ls  ji r w s Lm 
dt
'f
d s
f
f
f
 i s Rs  jws (i s Ls  i r Lm ) 
dt
f

u s  i s Rs  jws  s 

d s

dt

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt

'f

11\* MERGEFORMAT (3.3)


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 20/70

Áp dụng định luật kirchop cho vòng phải ta được
d r
dt

f

là suất điện động của roto.
'f

d r
dt
'f
d r
f
f
f
'f

0  i r Rr  i r jws L r  ji m w s Lm  jw r 
dt
'f
d r
f
f
f
f
  0  i r Rr  i r jws Lr  i s w s Lm  jw r 
dt
'f
d r
f
'f
'f
  0  i r Rr  jws  r  jw r 
dt
f

f

f

f

0  i r Rr  i r jws L r  ji m w s Lm  jw r 

 Ta được phương trình điện áp roto.
f

0  i r Rr  j  r

'f

d r
(w s  w) 
dt

'f

12\* MERGEFORMAT

(3.4)
3.2.1. Phương trình mô tả động cơ trên hệ tọa độ từ thông roto (dq)
'f
� f
d s
f
f
u

i
R

jw


(1)
�s
s

s
s
s
dt
�
'f
�
d r
f
'f
�
0

i
R

j

(w

w)

(2)
r
s
� r r
dt
� 'f
f
f

�
 s  i s Ls  i r Lm (3)
� 'f
f
f
 r  i s Lm  i r Lr (4)
�

MERGEFORMAT (3.5)
f
Từ phương trình (3) và (4) ta rút 2 thành phàn là vectơ dòng điện roto dq i r và
'f
vectơ từ thông stato dq  s .

Từ phương trình (4) ta có

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt

13\*


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 21/70

'f

ir

f

f

  i s Lm
 r
Lr

14\* MERGEFORMAT (a)

f
Thay phương trình i r vào phương trình (3) ta được từ thông stato của dq

'f

s

f

  i s Lm
 i s Ls  ( r
) Lm
Lr

'f

f

'f

'f

f

 s  i s ( Ls 

 L
Lm 2
) r m
Lr
Lr

15\* MERGEFORMAT (b)

Thay (a) vào phương trình (2) ta thu được phương trình từ tông của roto dq.
'f

0(

f

 r  i s Lm
d r
'f
) Rr  j  r (w s  w) 
Lr
dt

d r
 
dt

'f

'f

f

i L R
'f R
 s m r   r ( r  j (w s  w))
Lr
Lr

Phương trình từ thông roto trên dq
d r
dt

'f

f

i L
1
'f
 s m   r [  j (w s  w)]
Tr
Tr

16\*

MERGEFORMAT (3.6)
Thay (b) vào phương trình (1) ta thu được phương trình dòng điện stato dq.
'f

f

f

f

f

u s  i s Rs  jws [i s ( Ls 

'f

 L
Lm 2
)  r m ]
Lr
Lr

d [i s ( Ls 

 L
Lm 2
) r m ]
Lr
Lr
dt

us

f

'f

 L
Lm 2
di s ( Ls 
) d r m
'f
2
 L
Lm
Lr
Lr
f
f
 i s Rs  jwi s ( Ls 
)  jws r m 

Lr
Lr
dt
dt
f

Thay phương trình (3.6) vào biểu thức trên và tiếp tục thu gọn.
Ta được

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 22/70

f

us

f

f

i L
Lm 2
 i s ( Rs 
)  jws s m 
Tr Lr
Lr
f

di s
Chuyển vế dt

d [i s ( Ls 

Lm2

)]
Lr

dt

'f

 r (

Lm
L
jw  m )
Lr
LrTr

f

sang phải thu gọn ta được biểu thức dòng điện stato trên hệ tọa độ

dq.
di s
1 1 
1
1
f
f
' f 1
f
 i s (


)   jws i s   r
(  jw) 
us
dt
 Ts  Tr
 Lm Tr
 Ls
f

17\*

MERGEFORMAT (3.7)
'

Ta đặt

 rd 

'
 rq
 rd
;  rq 
Lm
Lm nhằm thu gọn công thức ta được 2 phương trình

f

f

d r

i
1
f
 s   r [  j (w s  w)]
dt
Tr
Tr

(c)
(d)

di s
1 1
1
1
f
f
f 1
f
 i s (

)   jws i s   r
(  jw) 
us
Chuyển
dt
 Ts  Tr
 Tr
 Ls
f

các phương trình (c) và (d) từ vecto sang 2 trục d và q ta thu được phương trình từ
thông roto và dòng điện stato trên 2 trục lần lượt d và q.
d  rd isd
1
   rd   rq (w s  w)
dt
Tr
Tr
d  rq
dt



isq
Tr

  rq

1
  rd (w s  w)
Tr

disd
1 1
1 1
1
1
 isd (


)  ws isq   rd
  rq w

usd
dt
 Ts  Tr
 Tr

 Ls
disq
dt

 isq (

1 1
1 1
1
1

)  ws isd   rq
 rd w

u
 Ts  Tr
 Tr

 Ls sq

MERGEFORMAT (3.8)
Ta có 2 phương trình cơ bản của động cơ về momen []

 Phương trình momen điện từ

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt

18\*


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 23/70

Te 

3
f
f
P( r �i s )
2

19\* MERGEFORMAT (3.9)

 Phương trình chuyển động
Te  TL 

J dw
P dt

20\* MERGEFORMAT (3.10)

Thay phương trình (c) vào (3.9) ta có được

Te 

3 Lm 2
P ( rd isq   rqisd )
2 Lr

21\* MERGEFORMAT

(3.11)
Từ phương trình (3.10) suy ra :
dw P
 (Te  TL )
dt
J

22\* MERGEFORMAT (3.12)

Đặt các ẩn của các phương trình (3.8),(3.11),(3.12)

Với

a1  (

a4  (

1
)
 Ls

P

a7 
J
Tr 

1
a2  (
)
 Tr

1 1

)
 Ts  Tr

a5 

Lm 2
  1
Ls Lr

1
a3  (
)


1
Tr

a6 

Ts 

Lr
Rr

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt

Ls
Rs

3PLm 2
2 Lr


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 24/70

3.2.2. Hệ phương trình của ĐCKĐB trên từng hệ trục d và q
d  rd
 isd a5   rd a5   rq (w s  w)
dt
d  rq
 isq a5   rq a5   rd (w s  w)
dt
disd
 isd a1  ws isq  a2 rd   rq wa 3  a4usd
dt
disq
 isq a1  wsisd   rq a2   rd wa 3  a4usq

dt
Te  a6 ( rd isq   rq isd )
dw
 a7 (Te  TL )
dt

23\*

MERGEFORMAT (3.13)
3.2.3. Mô hình hóa các phương trình trong simulink.
Từ các phương trình của ĐCKĐB 3 pha (3.13) ta mô phỏng sơ đồ động cơ trên
simulink qua các phuong trình đó.
3.2.3.1. Phương trình dòng điện stato trên
trục d,q
disd
 isd a1  ws isq  a2 rd  rq wa 3  a4usd
dt

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt


Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 25/70

Hình 3.2 : Phương trình dòng điện stato trên trục d
disq
dt

 isq a1  wsisd  rq a2  rd wa 3  a4u sq

Hình 3.3 : Phương trình dòng điện roto trên trục q
3.2.3.2. Phương trình từ thông roto trên trục
d,q
d  rq
d  rd
 isd a5   rd a5   rq (w s  w);
 isq a5   rq a5   rd (w s  w)
dt
dt

Điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng bộ điều khiển trượt