Điều khiển động cơ không đồng bộ sử dụng bộ biến đổi ma trận

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------

ĐỒN QUỐC HƯNG

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ SỬ
DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI MA TRẬN
Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2010


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. LÊ MINH PHƯƠNG
Ký tên:

Cán bộ chấm nhận xét 1: ...........................................................................
Ký tên:

Cán bộ chấm nhận xét 2: ...........................................................................
Ký tên:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬNVĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng

năm 2010

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp. HCM, ngày tháng năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: ĐOÀN QUỐC HƯNG
Ngày, tháng, năm sinh: 15/7/1972

Phái: Nam

Nơi sinh: Kiên Giang

Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện

MSHV: 01808301

I - TÊN ĐỀ TÀI
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG BỘ
BIẾN ĐỔI MA TRẬN.
II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha.
- Nghiên cứu các phương pháp điều chế cho bộ biến đổi ma trận.
- Xây dựng mơ hình và viết chương trình mơ phỏng trên phần mềm Matlab.
III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/01/2010
IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2010

V - HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. LÊ MINH PHƯƠNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin kính gởi đến Thầy TS. Lê Minh Phương lời biết ơn sâu sắc nhất.
Thầy đã dành nhiều thời gian quý báu trực tiếp hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận
lợi cũng như cho tôi những lời khun bổ ích, giúp tơi hồn thành luận văn này.
Tơi cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô ở trường Đại học Bách Khoa, là
những người truyền đạt kiến thức, định hướng nghiên cứu; đồng thời tôi cũng xin
cảm ơn Ban Giám hiệu và các đồng nghiệp tại trường CĐ. Kinh tế-Kỹ thuật Kiên
Giang đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi được tập trung học tập tại trường.
Tôi cũng nhận được sự giúp đỡ của các bạn cùng khóa, cùng lớp. Các bạn đã
đóng góp cho tơi những ý kiến và những tài liệu giá trị. Xin gởi đến các bạn lời cảm
ơn chân thành của tôi.
Cuối cùng, tơi xin kính gởi đến gia đình lịng biết ơn chân thành, sâu sắc
nhất: Gia đình, Cha Mẹ, anh chị em, vợ và các con đã động viên, giúp đỡ và tạo mọi
điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
TP HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2010

Đoàn Quốc Hưng


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
Hướng dẫn: TS. Lê Minh Phương
Thực hiện: Đồn Quốc Hưng
Matrix Converter (MC) có những đặc tính lý tưởng là: Mạch cơng suất gọn

và đơn giản; tạo ra điện áp tải với biên độ và tần số bất kỳ; dòng điện ngõ vào ra
dạng sin; hoạt động với hệ số công suất duy nhất cho các loại tải; và có khả năng tái
sinh, MC có thể trở thành sự thay thế rất tốt cho các loại biến tần truyền thống. Tuy
nhiên nó vẫn cịn một số hạn chế: Giải pháp đóng cắt phức tạp; Các khố hai chiều
khơng có sẵn trong thực tế; Tỉ số truyền còn hạn chế; Việc quyết định giải pháp
điều chế rất khó khăn. Việc sử dụng MC để điều khiển mơmen trực tiếp động cơ
không đồng bộ là phương pháp kết hợp các ưu điểm của MC với sơ đồ DTC, FOC
là rất linh hoạt, ổn định, đặc tính điều khiển hiệu quả cao và đạt được tỉ số truyền
điện áp cao, nhưng việc áp dụng sơ đồ điều khiển rộng rải vào các ứng dụng thực tế
vẫn cần tiếp tục nghiên cứu.
Luận văn được chia thành năm chương với nội dung như sau:
 Chương 1: Giới thiệu các nghiên cứu và tình hình phát triển của bộ biến
đổi ma trận hiện nay, những ưu nhược điểm của bộ biến đổi ma trận so với các loại
biến tần truyền thống, đồng thời nêu lên các vấn đề sẽ được nghiên cứu trong luận
văn này.
 Chương 2: Khảo sát cơ sở thành lập mơ hình tốn học cho động cơ khơng
đồng bộ ba pha, nêu ra được mối quan hệ giữa các đại lượng trong động cơ như:
điện áp, dòng điện, từ thơng, moment, tốc độ…, trên cơ sở đó có thể vận dụng vào
việc điều khiển động cơ và sẽ được trình bày trong chương 3.
 Chương 3: Trình bày các phương pháp điều khiển động cơ KĐB: các khái
niệm, phân loại, phương pháp điều khiển, mơ hình điều khiển và nêu lên được ưunhược điểm của các phương pháp điều khiển: Điều khiển V/F; Điều khiển định


hướng theo trường (FOC_Field Oriented Control) và Điều khiển trực tiếp moment
(DTC_Direct Torque Control).
 Chương 4: Giới thiệu các bộ biến đổi tần số AC/AC, sơ đồ cấu trúc,
nguyên lý cơ bản, phương trình về các đại lượng đầu vào – ra, các phương pháp
điều chế, ưu - nhược trong từng phương pháp, trong đó phần nghiên cứu về điều chế
vector không gian gián tiếp cho bộ biến đổi ma trận được trình bày chi tiết: Vector
khơng gian được thực hiện trên cả hai phần VSR (Voltage Source Rectifier) và VSI

(Voltage Source Inverter) của MC. Cách tính dịng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra;
tính tốn thời gian đóng ngắt; chỉ ra được qui luật đóng ngắt cho các khố; đưa ra
kết quả mơ phỏng bộ biến đổi ma trận trên phần mềm Matlab, có so sánh kết quả
với bộ MC điều chế bằng kỹ thuật sóng mang.
 Chương 5: Trong phần này đưa ra mơ hình mơ phỏng sử dụng bộ MC
(điều chế bằng phương pháp vector không gian gián tiếp) điều khiển động cơ KĐB
theo phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp và các kết quả mô
phỏng trên phần mềm Matlab.


7

Mục lục

MỤC LỤC
Trang
Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ

3

Lời cảm ơn

4

Tóm tắt luận văn thạc sĩ

5

Mục lục

7

Các ký hiệu sử dụng trong luận văn

10

Danh sách các hình vẽ

12

Chương 1: Tổng quan

15

Chương 2: Động cơ không đồng bộ ba pha

17

2.1 Tổng quan động cơ khơng đồng bộ ba pha

17

2.2 Mơ hình tốn động cơ khơng đồng bộ ba pha

19

a. Mơ hình tốn trên hệ tọa độ α-β

19

b. Mơ hình tốn trên hệ tọa độ d-q

22

Chương 3: Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

25

3.1 Tổng quát về các phương pháp điều khiển

25

3.2 Phương pháp điều khiển V/F

27

3.3 Phương pháp DTC

31

3.3.1 Giới thiệu chung

31

3.3.2

31

Nguyên tắc điều khiển của DTC

3.4 Phương pháp điều khiển định hướng trường
3.4.1 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông

36
40

roto trực tiếp-DRFOC
3.4.2 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông

44

roto gián tiếp-IRFOC
Chương 4: Bộ biến đổi ma trận ba pha

46


8

Mục lục

4.1 Các bộ điều khiển tần số AC/AC

46

4.1.1 Bộ biến đổi tần số nguồn điện AC/AC gián tiếp

47

4.1.2 Bộ biến đổi tần số nguồn điện AC/AC trực tiếp

48

4.2 Bộ biến đổi ma trận ba pha

49

4.3 Các phương pháp điều chế bộ biến đổi ma trận ba pha

52

4.3.1 Phương pháp điều chế Venturini

52

4.3.2 Phương pháp điều chế Venturini cải biến

54

4.3.3Phương pháp điều chế Vô hướng

54

(Scalar modulation menthod)
4.3.4 Phương pháp điều chế sóng mang

55

(Direct duty PWM)
4.3.5 Phương pháp điều chế Vector không gian

4.3.5.1 Điều chế vector không gian điện áp

58
59

ngõ ra (VSI Output Voltage SVM)
4.3.5.2 Điều chế vector khơng gian dịng điện

62

ngõ vào (VSR input Current SVM)
4.3.5.3 Điều chế vector không gian

63

dòng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra
(MC Output Voltage and input Current SVM)
4.4 Mô phỏng bộ biến đổi ma trận sử dụng Matlab

70

4.4.1 Giải thuật lập trình

70

4.4.2 Mơ hình

71

4.4.2.1 Khối nguồn ba pha

71


9

Mục lục

4.4.2.2 Sơ đồ khối bộ biến đổi ma trận

72

4.4.2.3 Khối tải R-L

76

4.4.3 Kết quả mô phỏng
Chương 5: Mô phỏng HT động Matric-Động cơ KĐB

76
84

theo PP RFOC
5.1 Mơ hình mơ phỏng

84

5.1.1 Khối nguồn ba pha

84

5.1,2 Khối Matrix Converter

85

5.1.3 Khối RFOC

87

5.1.4 Khối động cơ không đồng bộ

89

5.2 Kết quả mô phỏng

91

5.2.1 Động cơ khởi động không tải

91

5.2.2 Thay đổi tốc độ khi tải là định mức

95

5.2.3 Thay đổi tải khi tốc độ không đổi

97

5.2.4 Đảo chiều quay động cơ

99

5.2 Kết luận và so sánh

101

Tài liệu tham khảo

103

Lý lịch trích ngang

105

Phụ lục

106


10

Các ký hiệu

CÁC KÝ HIỆU
Ta thống nhất một số quy ước cho các ký hiệu của đại lượng và thông số của
động cơ như sau:
- Trục chuẩn được quy ước là trục của cuộn dây pha A.
- Ký hiệu mũi tên là vector 2 chiều.
- Ý nghĩa của các vị trí ký hiệu của đại lượng như sau:

Chỉ số nhỏ góc phải trên:
s
là đại lượng quan sát trên hệ quy chiếu stator ( hệ tọa độ  )
f
là đại lượng quan sát trên hệ quy chiếu từ thông rotor ( hệ tọa
độ dq )
r
là đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor với trục thực là trục
của rotor
Chỉ số nhỏ góc phải dưới:
Chữ cái đầu tiên:
s
là đại lượng mạch stator
r
là đại lượng mạch rotor
Chữ cái thứ 2:
d,q
là phần tử thuộc hệ tọa độ dq
,
là phần tử thuộc hệ tọa độ 
a,b,c
là đại lượng 3 pha
-

Các đại lượng của động cơ KĐB 3 Pha
U
điện áp (V)
I
dịng điện (A)
Ψ

từ thơng (Wb)
Te
mơmen điện từ (N.m)
TL
mômen tải (momen cản - torque) (Nm)
n
tốc độ động cơ
n1
tốc độ đồng bộ
n2
tốc độ trượt
ω
tốc độ góc của rotor so với stator (rad/s)
ωa
tốc độ góc của một hệ toạ độ bất kỳ (rad/s)
ωs
tốc độ góc của từ thơng stator so với stator (ωs = ω + ωsl)(rad/s)
ωr
tốc độ góc của từ thơng rotor so với stator (ωr ≈ ωs) (rad/s)
ωsl
tốc độ góc của từ thơng rotor so với rotor (tốc độ trượt) (rad/s)
θ
góc của trục rotor (cuộn dây pha A) trong hệ toạ độ αβ (rad)
θ’
góc của trục d (hệ toạ độ quay bất kỳ) trong hệ toạ độ αβ (rad)
s
góc của từ thơng stator trong hệ toạ độ αβ (rad)
r
góc của từ thơng rotor trong hệ toạ độ
sr

góc của từ thơng stator so với từ thơng rotor trong hệ tọa độ αβ


11

Các ký hiệu

-

Các thông số của ĐCKĐB ba pha:
Rs
điện trở cuộn dây pha của stator (Ω)
Rr
điện trở rotor đã qui đổi về stator (Ω)
hỗ cảm giữa stator và rotor (H)
Lm
điện kháng tản của cuộn dây stator (H)
Lσs
Lσr
điện kháng tản của cuộn dây rotor đã qui đổi về stator (H)
p
số đôi cực của động cơ
J
mơmen qn tính cơ (Kg.m2)

-

Các thơng số định nghĩa thêm:
Ls = Lm + Lσs
điện cảm stator.

điện cảm rotor.
Lr = Lm + Lσr

Ts 

Ls
Rs

hằng số thời gian stator

Tr 

Lr
Rr

hằng số thời gian rotor

 1

-

L2m
Ls L r

hệ số từ tản tổng

Các đại lượng viết bằng chữ thường, chữ hoa:
Chữ thường: Đại lượng tức thời, biến thin theo thời gian, đại lượng là
các thành phần của các vector.
Chữ hoa: Đại lượng vector, module của vector, độ lớn.

12

Danh sách các hình vẽ

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 2.1 Sơ đồ chi tiết động cơ khơng đồng bộ

18

Hình 2.2 Các loại rotor thường gặp

18

Hình 2.3 Mạch tương đương của động cơ KĐB

19

Hình 2.4 Hệ trục α-β và d-q.

20

Hình 3.1 Biểu đồ phân loại các phương pháp điều khiển động cơ

26

Hình 3.2 Quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số

29

Hình 3.3 Sơ đồ khối phương pháp v/f vịng hở.

30

Hình 3.4 Mơ hình khối so sánh các phương pháp điều khiển động cơ

31

Hình 3.5 Mạch tương đương của động cơ KĐB

32

Hình 3.6 Mơ hình bộ điều khiển DTC đơn giản

33

Hình 3.7 Đồ thị thể hiện các khoảng chia góc.

35

Hình 3.8 Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển định hướng trường.

38

Hình 3.9 Quan hệ giữa các hệ trục.

38

Hình 3.10 Hệ tọa độ từ thơng rotor.

40

Hình 3.11 Sơ đồ điều khiển định hướng từ thơng rotor trực tiếp.

41

Hình 3.12 Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp.

45

Hình 4.1 Phân loại bộ biến đổi tần số AC/AC

46

Hình 4.2 Biến đổi tần số nguồn điện gián tiếp AC/AC

47

Hình 4.3 Sơ đồ cơ bản bộ biến đổi ma trận

49

Hình 4.4. Tỉ số điện áp bằng 50%

53

Hình 4.5 Cải thiện tỉ số điện áp lên 87%

54

Hình 4.6 Tổng hợp điện áp ngõ ra pha A

57

Hình 4.7 Bộ biến đổi VSR-VSI

59


13

Danh sách các hình vẽ

Hình 4.8 3  3 MC:

(a) iiPh nằm ở sector thứ I của rectifier hexagon.

59

(b) v0L nằm ở sector thứ I của inverter hexagon.
Hình 4.9 Vector khơng gian áp ra

60

Hình 4.10 Tổng hợp vector điện áp dây ra VSI

61

Hình 4.11 VSR SVM vector

62

Hình 4.12 3  3 MC:

(a) iiPh nằm ở sector thứ I của rectifier hexagon.

67

(b) v0L nằm ở sector thứ II của inverter hexagon.
Hình 4.13 Tổng hợp điện áp dây ngõ ra MC
Hình 4.14 3  3 MC:

(a) iiPh nằm ở sector thứ I của rectifier hexagon.

67
67

(b) v0L nằm ở sector thứ II của inverter hexagon.
Hình 4.15 Mơ hình mơ phỏng bộ biến đổi ma trận 3x3

71

Hình 4.16 Khối nguồn ba pha

71

Hình 4.17 Sơ đồ khối bộ biến đổi ma trận

72

Hình 4.18 Khối điều khiển

73

Hình 4.19a Khối biến đổi điện áp vào a,b,c sang α,β

73

Hình 4.19b Khối biến đổi điện áp ra a,b,c sang α,β

73

Hình 4.20a Khối tính tốn góc pha điện áp vào

74

Hình 4.20b Khối tính tốn góc pha điện áp ra

74

Hình 4.21 Khối tạo xung kích cho khối biến đổi ma trận

74

Hình 4.22 Khối biến đổi ma trận 3x3

75

Hình 4.23 Khối tải R-L

76

Hình 4.24-4.29 Kết quả dạng sóng áp ra của bộ biến đổi ma trận
Hình 5.1 Sơ đồ mơ phỏng điều khiển động cơ KĐB theo RFOC

77-82
84


14

Danh sách các hình vẽ

Hình 5.2 Mơ hình khối nguồn ba pha

84

Hình 5.3 Giá trị cài đặt khối nguồn

85

Hình 5.4 Mơ hình khối Matrix Converter

85

Hình 5.5 Khối điều khiển

86

Hình 5.6 khối tính tốn điện áp ra

86

Hình 5.7 Mơ hình khối ước lượng từ thơng

87

Hình 5.8 Mơ hình khối biến đổi điện áp-dịng điện stator động cơ hệ abc-αβ

87

Hình 5.9 Cơng thức 2.64 biểu diễn trong khối Fcn3 và Fcn4

88

Hình 5.10 Sơ đồ khối ước lượng từ thơng roto

88

Hình 5.11 Giá trị cài đặt khối chuyển dq-abc

89

Hình 5.12 Sơ đồ khối động cơ khơng đồng bộ ba pha

89

Hình 5.13 Sơ đồ các khối thực hiện hệ phương trình (2.29)

90

Hình 5.14 a. Khối biến đổi điện áp Va , Vb , Vc sang Vds , Vqs

90

b. Khối biến đổi dòng điện ids , iqs sang ia , ib , ic
Hình 5.15-5.35 Kết quả dạng sóng điện áp-dịng diện-moment-vận tốc
roto động cơ điều khiển theo phương pháp FOC

91-101


15

Chương 1: Tổng quan

Chương 1

TỔNG QUAN
Trong những đặc tính mong muốn nhất trong các bộ biến đổi công suất là:
Mạch công suất gọn và đơn giản; tạo ra điện áp tải với biên độ và tần số bất kỳ;
dòng điện ngõ vào ra dạng sin; hoạt động với hệ số cơng suất duy nhất cho các loại
tải; và có khả năng tái sinh. Các đặc điểm lý tưởng này có thể được thực hiện bằng
Matrix Converter (MC). MC có những ưu điểm hơn so với các biến tần khác
(Inverter) đó là một biến tần chuyển mạch cưởng bức mà nó sử dụng một dãy các
khoá hai chiều điều khiển như những phần tử cơng suất chính để tạo ra một hệ
thống điện áp ra thay đổi với tần số không hạn chế; Điều khiển dòng điện ngõ vào
và điện áp ngõ ra hình sin; MC khơng có mạch một chiều và củng khơng cần bất kỳ

phần tử tích trữ năng lượng lớn nào; Hoạt động với hệ số công suất ngõ vào bằng 1
đối với bất kỳ tải nào. Tuy nhiên nó vẫn cịn một số hạn chế: Giải pháp đóng cắt
phức tạp; Các khố hai chiều khơng có sẵn trong thực tế; Tỉ số truyền còn hạn chế;
Việc quyết định giải pháp điều chế rất khó khăn.
Phần tử then chốt trong MC là khoá hai chiều được điều khiển bốn góc phần
tư mà nó cho phép làm việc tần số cao, đây là bộ phận quan trọng mang tính đột phá
trong công nghệ, nhưng các nghiên cứu trước đây về Bộ biến đổi ma trận gặp rất
nhiều khó trong việc nghiên cứu và áp dụng MC trong thực tế vì thiếu linh kiện bán
dẫn cơng suất lớn thích hợp. Ngày nay các khố IGBT cơng suất đã ra đời, sẵn sàng
phát huy tối đa những ưu điểm của MC trong các ứng dụng thực tế. Với những ưu
điểm trên, MC có thể trở thành sự thay thế rất tốt cho các loại biến tần truyền thống,
nhiều bài báo khoa học củng như các thực nghiệm nghiên cứu về MC đã được triển
khai, trong đó phải kể đến László Huber và Borojevíc đã phân tích, thiết kế và thực
hiện MC 3 pha - 3 pha theo phương pháp điều chế vector không gian với điều chỉnh
hệ số công suất ngõ vào. Các kết quả nghiên cứu về MC được mọi người đánh giá là
tổng quát, bằng phương pháp điều chế đồng thời vector khơng gian dịng điện-điện
áp, giải thuật điều chế được xuất phát từ các hàm truyền trung bình mong muốn.


16

Chương 1: Tổng quan

Việc sử dụng phương pháp hàm truyền gián tiếp với hệ số cơng suất trên 0.99 trong
tồn bộ dãy làm việc. Hong-He Lee, Hoang Minh Nguyen và Eui-Heon Jung trình
bày phương pháp điều chế vector khơng gian trực tiếp cho MC được điều chỉnh
không sử dụng vector Zero, nhằm giảm thiểu điện áp common-mode mà hiện tượng
này tồn tại trong các Converter hiện đại. Ebubekir Erdem, Yetkin Tatar and Sedat
Sunter đã xây mơ hình mơ phỏng và thực hiện với sự hỗ trợ boar điều khiển DSP.
Giải thuật sử dụng đơn giản hơn các giải thuật điều khiển khác để điều khiển hệ số

công suất, thêm nữa là tổn thất đóng ngắt thấp hơn, dễ thực hiện hơn. Peter
Mutschler và Mathias Marcks [4] đưa ra phương pháp mới về điều khiển trực tiếp
cho MC dùng kỹ thuật PWM, thực hiện trên bộ TMS320C30 DSP và được kiểm tra
thành công với MC 10 kVA, tuy nhiên độ méo dạng dịng điện phía tải cần phải
được khắc phục bằng cách giảm thời gian chu kỳ điều khiển thông qua việc chuyển
một số hàm điều khiển sang phần cứng như CPLD hay ASIC. Nhóm nghiên cứu
Domenico Casadei [8] đưa ra lý thuyết mới mơ tả trạng thái đóng ngắt tổng quát cho
MC bằng vecto không gian, đây là giải pháp tốt nhất, mở đường cho các nghiên
cứu điều khiển bộ biến đổi Ma trận đạt tỉ số truyền áp cao nhất và tối ưu mơ hình
đóng cắt qua việc sử dụng hợp lý vectơ zero, ở [9] sử dụng MC để điều khiển
mômen trực tiếp động cơ không đồng bộ, đây là phương pháp kết hợp các ưu điểm
của MC với sơ đồ DTC, FOC là rất linh hoạt, ổn định, đặc tính điều khiển hiệu quả
cao và đạt được tỉ số truyền điện áp cao, nhưng việc áp dụng sơ đồ điều khiển rộng
rải vào các ứng dụng thực tế cần tiếp tục nghiên cứu.
Từ những ưu, nhược điểm của MC như đã nêu. Cho thấy, việc nghiên cứu
cấu trúc và cách điều chế phù hợp cho MC và đưa chúng vào thực tế sản xuất và
được chấp nhận trên thị trường là thách thức không nhỏ. Nhất là hiện nay, MC đối
mặt với sự cạnh tranh mạnh mẻ từ loại VSI-AFE có dịng điện ngõ vào-ra dạng sin
và hệ số cơng suất có thể điều chỉnh được. Trong luận văn này tác giả tập trung
nghiên cứu “Điều khiển động cơ động cơ không đồng bộ sử dụng bộ biến đổi ma
trận”


17

Chương 2: Động cơ KĐB ba pha

Chương 2

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA
Động cơ điện KĐB 3P là động cơ điện cảm ứng, thường được sử dụng trong
những ứng dụng công nghiệp. Động cơ KĐB là động cơ mà có tốc độ quay khác
với tốc độ quay của từ trường quay.
Động cơ gồm 2 phần: phần đứng yên gọi là stator và phần quay được gọi là
rotor. Stator gồm có lõi thép hình trụ và cuộn dây quấn stator. Dây quấn stator là
bộ phận nhận điện từ nguồn điện 3 pha tạo ra từ trường quay và nó được đặt lệch
nhau một góc 120 độ. Dây quấn stator có thể đấu sao hoặc tam giác. Tốc độ
quay của từ trường quay sẽ phụ thuộc vào tần số nguồn điện và số cực của bộ
dây quấn stator. Rotor có cấu tạo gồm lõi thép và dây quấn. Dây quấn được đúc
thành dạng lồng sóc thì rotor gọi là rotor lồng sóc. Rotor dây quấn thì được quấn
tương tự như stator, có cùng số cực với stator, ln đấu sao và có 3 đầu dây nối
vào 3 vành trượt để đưa ra ngoài động cơ qua 3 chổi than cố định.
Động cơ KĐB hoạt động theo nguyên tắt cảm ứng điện từ. Khi có nguồn
cung cấp cho động cơ, cuộn dây stator sẽ tạo ra từ trường quay. Từ trường quay
cắt ngang các thanh dẫn rotor sinh ra sức điện động cảm ứng trong dây quấn
rotor làm phát sinh dòng điện cảm ứng chạy trong dây quấn rotor. Các dòng điện
cảm ứng trong dây quấn rotor sẽ tạo từ trường quay so với rotor. Các từ trường
stator vầ rotor tương tác với nhau tạo ra mômen kéo rotor quay cùng chiều với
từ trường quay.


18

Chương 2: Động cơ KĐB ba pha

Hình 2.1 Sơ đồ chi tiết động cơ không đồng bộ
Tốc độ quay của rotor nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay. Độ chênh
lệch đó gọi là tốc độ trượt. Ta có n2  n1  n , với n2 là tốc độ trượt, n1 là tốc độ

đồng bộ, n là tốc độ động cơ.
Vành trượt

Stato

Rotor lồng sóc

Rotor dây quấn

Hình 2.2 Các loại rotor thường gặp
Độ trượt s được định nghĩa là:


19

Chương 2: Động cơ KĐB ba pha

s

n1  n
. Vì vậy ta có tốc độ động cơ là: n  n1  s.n1  1  s.n1
n1

(2.1)

2.2 MƠ HÌNH TỐN ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA
a. Mơ hình tốn trên hệ tọa độ α-β


Các thông số cơ bản của động cơ không đồng bộ:

R s  

: điện trở stator.

R r  

: điện trở rotor.

L m H

: hỗ cảm giữa stator và rotor.

L s H 

: điện kháng tản của cuộn dây stator.

L r H 

: điện kháng tản của cuộn dây rotor.

p

: số đôi cực của động cơ.
2

J (kg.m )

: moment quán tính cơ.

Ls  Lm  Ls

: điện cảm stator.

(2.2)

Lr  Lm  Lr

: điện cảm rotor.

(2.3)

Ts 

Ls
Rs

: hằng số thời gian stator.

(2.4)

Tr 

Lr
Rr

: hằng số thời gian rotor.

(2.5)

: hệ số từ tản tổng.

(2.6)

  1

L2m
Ls .Lr

is

Rs

Lr

Ls

Rs

ir

im
Us

ds/d

dm/dt

dr/dt

Hình 2.3 Mạch tương đương của động cơ KĐB


Phương trình cơ bản của ĐCKĐB:

jr


20

Chương 2: Động cơ KĐB ba pha

Các phương trình tốn học của động cơ cần phải thể hiện rõ các đặc tính
thời gian của đối tượng. Việc xây dựng mơ hình động cơ khơng đồng bộ (ĐCKĐB)
ba pha ở đây chỉ nhằm mụch đích phục vụ cho việc xây dựng các thuật tốn điều
chỉnh. Điều đó cho phép chấp nhận một số điều kiện giả định trong quá trình thiết
lập mơ hình, tất nhiên sẽ tạo ra một số sai lệch nhất định giữa đối tượng và mơ hình
trong phạm vi cho phép. Các sai lệch này đượcloại trừ bằng kĩ thuật điều chỉnh.
Đặc tính động của ĐCKĐB ba pha được mơ tả với một hệ phương trình vi
phân. Để xây dựng phương trìnnh cho ĐCKĐB ba pha, cần phải chấp nhận một số
giả thiết sau :
Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng trong khơng gian.
Bỏ qua tổn hao sắt từ và sự bão hòa mạch từ.
Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trong khe hở khơng khí.
Các giá trị điện trở và điện kháng khơng thay đổi.

Hình 2.4 Hệ trục α-β và d-q.
s

d

u R i  s
dt
s
s

s
s s

(2.7)
r

d r
u 0R i 
dt

(2.8)

s  Ls is  Lm ir

(2.9)

r  Lm is  Lr ir

(2.10)

r
r

Te 

r
r r







3
3
p  s xis   p  r xi r
2
2

Te  TL 



J d
d p

 Te  TL 
p dt
dt
J

(2.11)
(2.12)

21

Chương 2: Động cơ KĐB ba pha

Dòng điện và từ thông được quy đổi từ hệ quy chiếu rotor sang hệ quy chiếu stator
theo các phương trình sau :
r

s

i r  i r e j
r

s

 r   r e  j
Với :

(2.13)
(2.14)

d

dt

 : tốc độ góc của rotor so với stator

 : góc lệch giữa trục rotor và trục α (cuộn dây pha A)
r (chỉ số trên): hệ quy chiếu trục rotor

r (chỉ số dưới): đại lượng rotor
s (chỉ số trên): hệ quy chiếu stator (hệ tọa độ α-β)
s (chỉ số dưới): đại lượng stator
Kết hợp hai phương trình này với các phương trình cơ bản của ĐCKĐB, (2.4),
(2.5), (2.6) ta được:
 di ss
 1
 s
1   s 1   1
1 s

i s 
  j  r 
 

us
T
T
L
T

L



 dt
r 
m  r
s
 s


 s
 d r L m s  1
 s
i s    j  r


Tr
 Tr

 dt

s
s
3 L
Te  p m   r xi s 

2 Lr 

 d p

 Te  TL 
 dt J

(2.15)


22

Chương 2: Động cơ KĐB ba pha

 di s
 1
1 
1 
1
1  
i s 
 r 
 

 r 
u s

L m
L s
Tr L m
 Ts Tr 
 dt
 di


 s   1  1   i s  1    r  1    r  1 u s
 T

 dt
L m
L s
Tr L m
 s Tr 


 d r  L m i  1   
s
r
r

Tr
Tr
  dt
 d r L m
1
i s   r   r


Tr
Tr
 dt

3 Lm
 r i s   r i s 
Te  p
L
2
r

 d p
 Te  TL 

J
 dt

(2.16)

Hệ phương trình (2.15) hoặc (2.16) đặc trưng cho mơ hình tốn của động cơ khơng
đồng bộ trên hệ tọa độ α-β.
b. Mơ hình tốn trên hệ tọa độ d-q
Mối quan hệ của các đại lượng trong hệ trục α-β và d-q được xác định như sau:

iss  i fs .e jr

is  i f .e jr
r r
f
 s
j
s  s .e r
 s
f
j
r  r .e r
 s
f
u s  u s .e jr


i rr  i fr .e jr .e  j

 r
f
 r   r .e jr .e  j

(2.17)

(2.18)



d
dt

(2.19)

r 

d r
 s
dt

(2.20)

s    sl
Với r : tốc độ góc của từ thơng rotor so với stator (rad/s).

s : tốc độ góc của từ thơng stator so với stator (rad/s).

(2.21)


23

Chương 2: Động cơ KĐB ba pha

 sl : tốc độ trượt (rad/s).
r (chỉ số trên): hệ quy chiếu trục rotor
s (chỉ số phía trên) : hệ trục α-β
f (chỉ số phía trên) : hệ trục d-q

 r : góc lệch giữa hệ trục α-β và d-q
 : góc lệch giữa trục rotor và trục α
Kết hợp các phương trình trên và các phương trình cơ bản của ĐCKĐB, ta được:
 di fs
f
 1
 f
1 f
1   1
1   f

i s  j s i s 
  j  s 
 

us
L m  Tr
L s
 dt
 Ts Tr 

 f
 d r L m f  1

 f

i s    jsl  r

Tr
 Tr

 dt

f
f
3 L
Te  p m   r xi s 

2 Lr 

 d p

 Te  TL 
J
 dt

(2.22)

 di sd
 1
1  
1 
1 
1

i sd  s i sq 
u sd
 

 rd 
 rq 

Tr L m
L m
L s
 Ts Tr 
 dt
 di


 sq   1  1   i sq  s i sd  1    rq  1    rd  1 u sd


 dt
Tr L m
L m
L s
 Ts Tr 

 d rd  L m i  1    
sd
rd
sl rq

Tr

Tr
(2.23)
  dt
 d rq L m
1
i sq   rq   sl  rd


Tr
Tr
 dt

3 Lm
 rd i sq   rq i sd 
Te  p
2 Lr

 d p
 Te  TL 

 dt J

Trong hệ tọa độ (d-q),

 f



rq  0 do vng góc với vector  r nên  f   rd , thay
r

rq  0 vào hệ phương trình trên, ta được mơ hình tốn ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ d-q
như sau:


24

Chương 2: Động cơ KĐB ba pha

 di sd
 1
1  
1 
1
i sd  s i sq 
 rd 
 

u sd





dt
T
T
T
L
L

s
r
r
m
s



 di


 sq   1  1   i sq  s i sd  1    rd  1 u sd


 dt
L m
L s
 Ts Tr 

 d rd  L m i  1 
sd
rd
 dt
Tr
Tr

 d rq L m

i sq   sl  rd  0


dt
T
r


3 Lm
 rd i sq 
Te  p
2 Lr

 d p
 Te  TL 

J
 dt

(2.24)

Ưu điểm của mơ hình ĐCKĐB trên hệ tọa độ (d-q)
f
Trong hệ từ thơng rotor (d-q), các vector dịng stator i s và vector từ thông rotor

 f
 r , cùng với hệ tọa độ (d-q) quay gần đồng bộ với nhau với tốc độ s quanh điểm gốc, do
f
đó các phần tử của vector i s ( isd,isq ) là các đại lượng một chiều. Trong chế độ xác lập,
các giá trị này gần như không đổi; trong quá trình q độ, các giá trị này có thể biến thiên
theo một thuật toán đã được định trước.

25

Chương 3: Các phương pháp điều khiển động cơ KĐB

Chương 3

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
3.1 TỔNG QUÁT VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
Trong suốt một trăm năm đầu sau khi phát minh ra động cơ KĐB, nó được biết
như là loại máy điện tốc độ cố định. Đến khi có bộ chuyển đổi cơng suất những năm
1960 đã biến động cơ KĐB thành loại máy điện có thể thay đổi tốc độ được. Sự
phát triển gần đây của kỹ thuật số đã sinh ra khả năng thực hiện những thuật toán
điều khiển phức tạp làm cho hiệu suất động cơ được nâng cao.
Ngày nay, người ta đã phát minh ra nhiều phương pháp điều khiển động cơ với
những tính năng riêng, thích hợp cho từng ứng dụng cụ thể. Ta có thể chia ra làm 2
nhóm phương pháp điều khiển động cơ: phương pháp điều khiển vô hướng và
phương pháp điều khiển vector.
Phương pháp điều khiển vơ hướng sử dụng những phương trình đơn giản hóa từ
mơ hình vector khơng gian tổng qt. Phương pháp này bao gồm biên độ của vector
không gian và tần số tương ứng của nó và những phương trình đơn giản hóa đó chỉ
đúng khi hoạt động ở chế độ xác lập. Do đó, điều khiển vơ hướng thì đơn giản
nhưng lại sinh ra đáp ứng xấu trong các qua trình quá độ.
Trái lại, phương pháp điều khiển vector hoạt động một cách trực tiếp với mơ
hình vector khơng gian của động cơ. Cho nên nó cho ra kết quả tốt khi hoạt động ở
chế độ xác lập và trong quá trình q độ. Nhóm điều khiển vector khơng gian bao
gồm phương pháp điều khiển trực tiếp mômen ( DTC ), và nhóm điều khiển định
hướng từ thơng. Lý thuyết điều khiển định hướng từ thông được phát triển bởi
những nhà nghiên cứu ở Siemens trong những năm 1968-1969. Từ lúc này, các nhà
nghiên cứu trên toàn thế giới bổ sung những hệ thống nâng cao công suất thực tiễn

dựa trên lý thuyết này. Tốc độ tức thời của động cơ là thông tin quan trọng nhất cho