Điều khiển dtc của máy điện không đồng bộ có tính đến tổn hao sắt từ và bão hòa từ với các bảng đóng cắt khác nhau

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

UÔNG DƯƠNG MINH

ĐIỀU KHIỂN DTC
CỦA MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ
CĨ TÍNH ĐẾN TỔN HAO SẮT TỪ VÀ BÃO HỊA TỪ
VỚI CÁC BẢNG ĐÓNG CẮT KHÁC NHAU
Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2010


LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp là sản phẩm của cả một q trình
học tập, rèn luyện. Tơi xin kính gửi lời cảm ơn chân thành
đến tất cả thầy cô khoa Điện – Điện tử đã tận tình giảng
dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức nền tảng vững
chắc trong suốt thời gian học tập ở trường.
Tơi xin kính gửi lịng biết ơn vơ bờ đến thầy Phạm
Đình Trực, người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và tạo
điều kiện tốt nhất để tơi hồn thành Luận văn tốt nghiệp
này.
Cuối cùng là lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bè
bạn đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm
việc, học tập và nghiên cứu.
TPHCM, ngày 06 tháng 07 năm 2010

Uông Dương Minh


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong những năm gần đây, cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, phương pháp
điều khiển không cảm ứng máy điện ngày càng trở nên hoàn thiện hơn. Một trong
những phương pháp điều khiển đơn giản và hiệu quả, được ứng dụng nhiều nhất hiện
nay là phương pháp Điều khiển trực tiếp moment – DTC, do Takahashi phát minh từ
năm 1984.
Để hiểu rõ hơn về điều khiển DTC, trước tiên chúng ta sẽ tìm hiểu sơ lược về máy
điện, các mơ hình tốn học, các đặc tính hoạt động của máy điện của các trường hợp:
lý tưởng và có tổn hao (tổn hao sắt từ, tổn hao sắt từ và bão hịa từ). Từ đó, tiến hành
mơ phỏng và phân tích máy điện khi ứng dụng phương pháp điều khiển DTC, nhận xét
và rút ra kết luận. Bên cạnh đó, luận văn cũng đề ra các phương hướng phát triển, đi
sâu nghiên cứu nhằm đáp ứng các nhu cầu mà thực tế nền công nghiệp trong nước và
thế giới đang đòi hỏi.
Các phần luận văn sẽ trình bày gồm có:
Chương 1: Tổng quan về động cơ KĐB – Giới thiệu lịch sử phát triển.
Chương 2: Mơ hình động cơ KĐB – Các cơng thức dùng để xây dựng mơ hình
động cơ KĐB trong Matlab.
Chương 3: Mô phỏng động cơ KĐB – Mô phỏng, so sánh và đưa ra nhận xét về mơ
hình đã xây dựng trong Matlab.
Chương 4: Điều khiển trực tiếp moment – DTC – Lý thuyết về điều khiển DTC.
Chương 5: DTC với bản đóng cắt Takahashi – Mơ phỏng, so sánh và đưa ra nhận
xét với mơ hình điều khiển sử dụng bảng đóng cắt Takahashi.
Chương 6: DTC với bản đóng cắt Casadei – Mô phỏng, so sánh và đưa ra nhận xét
với mơ hình điều khiển sử dụng bảng đóng cắt Casadei, sau đó so sánh giữa hai bảng
đóng cắt Casadei và Takahashi.
Chương 7: Kết luận – Kết luận về đề tài, đề ra phương hướng phát triển cho luận
văn.

ii


MỤC LỤC
Trang bìa ................................................................................................................................ i
Nhiệm vụ luận văn
Lời cám ơn
Tóm tắt luận văn thạc sĩ ......................................................................................................... ii
Mục lục................................................................................................................................. iii
Danh sách hình vẽ ................................................................................................................ vii
Danh sách bảng biểu .......................................................................................................... viii
Bảng ký hiệu và chữ viết tắt dùng trong luận văn .................................................................. ix
CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN .................................................................... 1

1. Lịch sử phát triển của động cơ không đồng bộ.................................................................... 1
2. Các phương pháp điều khiển động cơ điện không đồng bộ ................................................. 4
2.1 Điều khiển vô hướng (V/f) ..................................................................................................................... 4
2.2 Điều khiển định hướng từ trường FOC.................................................................................................... 5
2.3 Điều khiển trực tiếp moment DTC .......................................................................................................... 6

3. Kết luận ............................................................................................................................. 7
CHƯƠNG 2:

MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ............................................ 8

1. Động cơ khơng đồng bộ lý tưởng ....................................................................................... 8
1.1 Trên hệ tọa độ cố định stator (hệ tọa độ β) ............................................................................................ 8
1.2 Trên hệ tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq) ................................................................................................10

2. Động cơ khơng đồng bộ có tổn hao sắt từ và bão hòa từ ................................................... 11
2.1 Trên tọa độ cố định stator (hệ tọa độ β)................................................................................................11
2.2 Trên hệ tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq) ................................................................................................13

3. Kết luận ........................................................................................................................... 14
CHƯƠNG 3:

MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ...................................... 15

1. Động cơ khơng đồng bộ lý tưởng ..................................................................................... 15
1.1 Mơ hình chung ......................................................................................................................................15
1.2 Khối nguồn ba pha ................................................................................................................................16
1.3 Khối chuyển hệ trục tọa độ từ ABC sang dq...........................................................................................17
1.4 Khối chuyển hệ trục tọa độ từ dq sang ABC...........................................................................................17

iii


1.5 Khối động cơ không đồng bộ lý tưởng ...................................................................................................17
1.6 Khối tính từ thơng .................................................................................................................................19

2. Động cơ khơng đồng bộ có tổn hao sắt từ ......................................................................... 20
2.1 Khối tính tốn Rfe .................................................................................................................................21
2.2 Khối động cơ khơng đồng bộ có tính đến tổn hao sắt từ..........................................................................22
2.3 Khối tính tần số f:..................................................................................................................................22

3. Động cơ khơng đồng bộ có tổn hao sắt từ và bão hịa từ: .................................................. 23
3.1 Khối tính tốn Lm .................................................................................................................................24
3.2 Khối động cơ KĐB có tính đến tổn hao sắt từ và bão hịa từ ...................................................................25

4. Kết quả mơ phỏng ............................................................................................................ 26
4.1 Trường hợp động cơ hoạt động không tải ...............................................................................................26
4.2 Trường hợp động cơ mang tải ................................................................................................................29

5. Nhận xét .......................................................................................................................... 32
5.1 Trường hợp động cơ hoạt động không tải ...............................................................................................32
5.2 Trường hợp động cơ hoạt động có tải.....................................................................................................33

CHƯƠNG 4:

ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMENT – DTC ..................................... 34

1. Tổng quan ........................................................................................................................ 34
2. Một số khái niệm chung ................................................................................................... 35
2.1 Biến thiên của từ thông stator ................................................................................................................35
2.2 Biến thiên của từ thông rotor .................................................................................................................35
2.3 Biến thiên của moment ..........................................................................................................................36

3. Nguyên lý điều khiển DTC............................................................................................... 38
3.1 Nguyên lý .............................................................................................................................................38
3.2 Bảng đóng cắt .......................................................................................................................................38
3.3 Ước lượng moment và từ thông stator ....................................................................................................41

4. Kết luận ........................................................................................................................... 42
CHƯƠNG 5:

DTC VỚI BẢNG ĐÓNG CẮT TAKAHASHI ....................................... 43

1. Bảng đóng cắt .................................................................................................................. 43

1.1 Giới thiệu ..............................................................................................................................................43
1.2 Bảng đóng cắt Takahashi .......................................................................................................................43

2. Các khối trong mơ hình mơ phỏng ................................................................................... 44
2.1 Khối mơ hình DTC................................................................................................................................44
2.2 Khối nghịch lưu ....................................................................................................................................48
2.3 Khối tính tốn từ thơng..........................................................................................................................52
2.4 Khối PID với Anti-Windup ...................................................................................................................52

3. Khảo sát mơ hình động cơ KĐB điều khiển từ thơng và moment ...................................... 54
3.1 Mơ hình ................................................................................................................................................54
3.2 So sánh .................................................................................................................................................56
3.3 Kết luận ................................................................................................................................................58

4. Khảo sát mơ hình động cơ KĐB điều khiển từ thông và vận tốc ....................................... 60
4.1 Mơ hình ................................................................................................................................................60

iv


4.2 So sánh .................................................................................................................................................62
4.3 Kết luận ................................................................................................................................................64

CHƯƠNG 6:

DTC VỚI BẢNG ĐĨNG CẮT CASADEI ............................................. 68

1. Bảng đóng cắt Casadei ..................................................................................................... 68
2. Các khối trong mơ hình mơ phỏng ................................................................................... 69
3. Khảo sát mơ hình động cơ KĐB điều khiển từ thơng và moment ...................................... 71

3.1 Mơ hình ................................................................................................................................................71
3.2 So sánh .................................................................................................................................................72
3.3 Kết luận ................................................................................................................................................75

4. Khảo sát mơ hình động cơ KĐB điều khiển từ thông và vận tốc ....................................... 77
4.1 Mơ hình ................................................................................................................................................77
4.2 So sánh .................................................................................................................................................78
4.3 Kết luận ................................................................................................................................................81

5. Khảo sát mơ hình động cơ khơng đồng bộ với 2 bảng đóng cắt Takahashi và Casadei ...... 84
5.1 Động cơ KĐB lý tưởng (mơ hình 1).......................................................................................................85
5.2 Động cơ KĐB có tổn hao sắt từ (mơ hình 2) ..........................................................................................88
5.3 Động cơ KĐB có tổn hao sắt từ và bão hịa từ (mơ hình 3) .....................................................................90
5.4 Kết luận ................................................................................................................................................93

CHƯƠNG 7:

KẾT LUẬN ............................................................................................. 96

1. Kết luận về đề tài ............................................................................................................. 96
2. Hướng phát triển đề tài ..................................................................................................... 96
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................... 97

v


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hình ảnh của một số động cơ điện không đồng bộ trong thực tế ............................. 3
Hình 2.1: Sơ đồ thay thế tương đương động cơ khơng đồng bộ lý tưởng. ............................... 8
Hình 2.2: Sơ đồ tương đương động cơ KĐB có tổn hao sắt từ và bão hịa từ......................... 11

Hình 3.1: Mơ hình động cơ khơng đồng bộ lý tưởng ............................................................ 15
Hình 3.2: Mơ hình khối nguồn ba pha .................................................................................. 16
Hình 3.3: Mơ hình khối chuyển hệ trục tọa độ từ ABC sang dq ............................................ 17
Hình 3.4: Mơ hình khối chuyển hệ trục tọa độ từ dq sang ABC ............................................ 17
Hình 3.5: Sơ đồ khối động cơ KĐB ba pha lý tưởng............................................................. 19
Hình 3.6: Sơ đồ khối tính tốn từ thơng Stato Ѱ ................................................................. 20
Hình 3.7: Mơ hình động cơ khơng đồng bộ xét tổn hao sắt từ và bão hịa từ ......................... 21
Hình 3.8: Mơ hình khối tính tốn Rfe ................................................................................... 22
Hình 3.9: Mơ hình khối tính tần số f..................................................................................... 23
Hình 3.10: Mơ hình động cơ không đồng bộ xét tổn hao sắt từ và bão hịa từ ....................... 24
Hình 3.11: Mơ hình khối tính tốn Lm ................................................................................. 25
Hình 3.12: Sơ đồ khối động cơ KĐB ba pha có tính đến tổn hao sắt từ và bão hịa từ ........... 26
Hình 3.13: So sánh tốc độ động cơ cả ba mơ hình (khơng tải) .............................................. 27
Hình 3.14: So sánh moment điện từ cả ba mơ hình (khơng tải) ............................................. 28
Hình 3.15: So sánh dịng điện pha cả ba mơ hình (khơng tải)................................................ 28
Hình 3.16: So sánh từ thơng stator cả ba mơ hình (khơng tải) ............................................... 29
Hình 3.17: So sánh tốc độ động cơ cả ba mơ hình (có tải) .................................................... 30
Hình 3.18: So sánh moment điện từ cả ba mơ hình (có tải) ................................................... 31
Hình 3.19: So sánh dịng điện pha cả ba mơ hình (có tải)...................................................... 31
Hình 3.20: So sánh từ thơng stator cả ba mơ hình (có tải) ..................................................... 32
Hình 4.1: Vị trí tương đối giữa vector khơng gian từ thơng stator và rotor ............................ 37
Hình 4.2: Các sector và vector khơng gian điện áp ............................................................... 38
Hình 4.3: Điều khiển vector không gian từ thông stator theo vector điện áp tương ứng......... 40
Hình 4.4: Sự lựa chọn vector điện áp khi từ thơng stator và moment thay đổi. ...................... 40
Hình 5.1: Khối mơ hình DTC với bảng đóng cắt Takahashi.................................................. 45
Hình 5.2: Khối xác định vị trí từ thơng stator ....................................................................... 46
Hình 5.3: Khối so sánh ......................................................................................................... 47
Hình 5.4: Khối đóng cắt ....................................................................................................... 47
Hình 5.5: Khối nghịch lưu .................................................................................................... 48
Hình 5.6: Bộ nghịch lưu áp .................................................................................................. 49

Hình 5.7: Vị trí của các vector điện áp ................................................................................. 51
Hình 5.8: Khối tính tốn từ thơng ......................................................................................... 52
Hình 5.9: Khối PID .............................................................................................................. 53
Hình 5.10: Mơ hình Matlab/Simulink của động cơ KĐB điều khiển từ thơng và moment ..... 55
Hình 5.11: Tốc độ rotor (điều khiển từ thơng, moment) - Takahashi..................................... 56
Hình 5.12: Moment điện từ (điều khiển từ thơng, moment) – Takahashi............................... 57
Hình 5.13: Dịng điện pha (điều khiển từ thơng, moment) – Takahashi................................. 57
Hình 5.14: Từ thơng stator (điều khiển từ thơng, moment) – Takahashi................................ 58
Hình 5.15: Mơ hình động cơ KĐB điều khiển từ thơng và vận tốc – Takahashi .................... 61
Hình 5.16: Tốc độ rotor (điều khiển từ thông, vận tốc) – Takahashi ..................................... 62
Hình 5.17: Moment điện từ (điều khiển từ thơng, vận tốc) – Takahashi ................................ 63
Hình 5.18: Dịng điện pha (điều khiển từ thông, vận tốc) – Takahashi .................................. 64
vi


Hình 5.19: Từ thơng stator (điều khiển từ thơng, vận tốc) – Takahashi ................................. 64
Hình 6.1: Khối mơ hình DTC ............................................................................................... 70
Hình 6.2: Khối so sánh từ thơng và moment ......................................................................... 70
Hình 6.3: Mơ hình Matlab/Simulink của động cơ KĐB điều khiển từ thơng và moment –
Casadei ........................................................................................................................ 72
Hình 6.4: Tốc độ rotor (điều khiển từ thông, moment) - Casadei .......................................... 73
Hình 6.5: Moment điện từ (điều khiển từ thơng, moment) - Casadei ..................................... 73
Hình 6.6: Dịng điện pha (điều khiển từ thơng, moment) - Casadei ....................................... 74
Hình 6.7: Từ thông stator (điều khiển từ thông, moment) - Casadei ...................................... 75
Hình 6.8: Mơ hình động cơ KĐB điều khiển từ thơng và vận tốc - Casadei .......................... 78
Hình 6.9: Tốc độ rotor (điều khiển từ thông, vận tốc) - Casadei............................................ 79
Hình 6.10: Moment điện từ (điều khiển từ thơng, vận tốc) - Casadei .................................... 80
Hình 6.11: Dịng điện pha (điều khiển từ thơng, vận tốc) - Casadei ...................................... 80
Hình 6.12: Từ thông stator (điều khiển từ thông, vận tốc) – Casadei..................................... 81
Hình 6.13: So sánh tốc độ rotor mơ hình 1 ........................................................................... 85

Hình 6.14: So sánh moment điện từ mơ hình 1 ..................................................................... 86
Hình 6.15: sánh dịng điện pha mơ hình 1............................................................................. 87
Hình 6.16: So sánh từ thơng mơ hình 1 ................................................................................ 87
Hình 6.17: So sánh tốc độ rotor mơ hình 2 ........................................................................... 88
Hình 6.18: So sánh moment điện từ mơ hình 2 ..................................................................... 89
Hình 6.19: So sánh dịng điện pha mơ hình 2........................................................................ 89
Hình 6.20: So sánh từ thơng mơ hình 2 ................................................................................ 90
Hình 6.21: So sánh tốc độ rotor mơ hình 3 ........................................................................... 91
Hình 6.22: So sánh moment điện từ mơ hình 3 ..................................................................... 91
Hình 6.23: So sánh dịng điện pha mơ hình 3........................................................................ 92
Hình 6.24: So sánh từ thơng mơ hình 3 ................................................................................ 93

vii


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 4.1: Bảng lựa chọn vector điện áp của Takahashi ........................................................ 41
Bảng 5.1: Bảng lựa chọn vector điện áp của Takahashi ........................................................ 44
Bảng 5.2: Bảng trạng thái của bộ nghịch lưu áp.................................................................... 50
Bảng 5.3: Điện áp ra của bộ nghịch lưu áp với các trạng thái đóng cắt khác nhau ................. 52
Bảng 6.1: Bảng lựa chọn vector điện áp cho vùng hai phần tư .............................................. 68
Bảng 6.2: Bảng lựa chọn vector điện áp cho vùng bốn phần tư ............................................. 68
Bảng 6.3: Bảng lựa chọn vector điện áp theo vận tốc............................................................ 69

viii


BẢNG KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DÙNG TRONG LUẬN VĂN
KĐB

: khơng đồng bộ.

f

: tần số.

i

: vector khơng gian dịng điện tổn hao mạch từ.

i

: vector khơng gian dịng điện mạch từ.

u

: vector không gian điện áp stator.

u

: vector không gian điện áp rotor.

i

: vector khơng gian dịng điện stator.

i:

: vector khơng gian dịng điện rotor.

Ψ

: vector khơng gian từ thơng stator.

Ψ

: vector khơng gian từ thơng rotor.

ω

: tốc độ góc hệ quy chiếu bất kỳ.

ω

: tốc độ góc rotor.

Δt

: biến thiên thời gian tức thời.

i

: thành phần dòng điện stator trong hệ quy chiếu quay dq trên trục d.

i

: thành phần dòng điện stator trong hệ quy chiếu quay dq trên trục q.

i

: thành phần dòng điện rotor trong hệ quy chiếu quay dq trên trục d.

i

: thành phần dòng điện rotor trong hệ quy chiếu quay dq trên trục q.

u

: thành phần điện áp stator trong hệ quy chiếu quay dq trên trục d.

u

: thành phần điện áp stator trong hệ quy chiếu quay dq trên trục q.

u

: thành phần điện áp rotor trong hệ quy chiếu quay dq trên trục d.

u

: thành phần điện áp rotor trong hệ quy chiếu quay dq trên trục q.

J

: moment quán tính

ix

P

: số đôi cực

L

: hỗ cảm dây quấn rotor

L

: hỗ cảm dây quấn stator

L

: hỗ cảm tổng của động cơ (điện cảm từ hóa)

L

: điện cảm tổng rotor

L

: điện cảm tổng stator

R

: điện trở tổn hao sắt từ

R

: điện trở dây quấn rotor

R

: điện trở dây quấn stator

te

: moment điện từ tức thời

Te

: moment điện từ động cơ

TL

: moment tải

VDC

:

điện áp một chiều của bộ nghịch lưu

x


Điều khiển DTC máy điện KĐB có tính đến tổn hao sắt từ và bão hịa từ
với các bảng đóng cắt khác nhau

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1. Lịch sử phát triển của động cơ không đồng bộ
Lịch sử của động cơ điện bắt đầu vào năm 1820, khi Hans Christian Oersted phát
hiện ra hiệu ứng từ của dòng điện. Một năm sau, Michael Faraday phát hiện ra điện từ
quay và xây dựng động cơ DC đầu tiên. Faraday tiếp tục khám phá cảm ứng điện từ
vào năm 1831, nhưng mãi cho đến năm 1883 Tesla mới phát minh ra động cơ khơng
đồng bộ AC.
Hiện nay, các loại chính của động cơ điện, dù là động cơ điện một chiều hay xoay
chiều, đồng bộ hay không đồng bộ vẫn dựa trên sự phát triển về lý thuyết của Oersted,
Faraday và Tesla. Từ khi được phát minh, động cơ không đồng bộ AC hay cịn gọi là
động cơ cảm ứng nhờ có nhiều ưu điểm, đã trở thành động cơ phổ biến nhất được sử
dụng trong thực tế.
Ưu điểm chính của nó là không cần kết nối điện giữa các phần động và tĩnh của
động cơ, và vì thế khơng cần chổi qt. Ngồi ra, động cơ khơng đồng bộ cịn có trọng
lượng nhỏ, quán tính, hiệu suất và khả năng chịu quá tải cao. Một ưu điềm khác là giá
thành của nó thấp hơn các loại động cơ khác, ít hỏng hóc ở tốc độ cao và khơng sinh ra
tia lửa điện.
Trong những năm gần đây, ngày càng có nhiều những nghiên cứu về ứng dụng
không cảm biến của máy điện khơng đồng bộ vì các ưu điểm: mạnh mẽ, cấu trúc đơn
giản, dễ bảo trì. Điều này đã dẫn đến các phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực vận hành
không cảm biến tốc độ thấp và bảng đóng ngắt tối ưu.
Trong lĩnh vực này, đi đầu là Takahashi (1986) và sau đó được tiếp nối bởi các tác
giả như Vas (1998), Beum và Blaabjerk (2006)… Từ đó trở thành một để tài phổ biến
và thu được nhiều kết quả tốt.

Trang 1

Điều khiển DTC máy điện KĐB có tính đến tổn hao sắt từ và bão hịa từ
với các bảng đóng cắt khác nhau

Trang 2


Điều khiển DTC máy điện KĐB có tính đến tổn hao sắt từ và bão hịa từ
với các bảng đóng cắt khác nhau

Hình 1.1: Hình ảnh của một số động cơ điện không đồng bộ trong thực tế

Trang 3


Điều khiển DTC máy điện KĐB có tính đến tổn hao sắt từ và bão hịa từ
với các bảng đóng cắt khác nhau

Trước đây, người ta dùng nhiều cách để có thể điều khiển được vận tốc, và động cơ
DC cho hiệu quả cao nhất. Nó khơng những vận hành trong cả bốn vùng phần tư mà
cịn có hiệu suất cao. Tuy nhiên, động cơ DC có một nhược điểm đó là phải dùng chổi
quét.
Với những tiến bộ trong những năm cuối thế kỉ XX, các điều kiện thuận lợi để phát
triển động cơ không đồng bộ ra đời, phương hướng phát triển được chia làm hai nhóm
chính:
 Giảm chi phí và tăng năng suất trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng điện
tử.
 Thực hiện các thuật toán phức tạp với việc chế tạo các bộ vi xử lý mới.
Tuy nhiên, việc chế tạo các bộ vi xử lý mới và tiến hành các thuật toán phức tạp cần
nhiều thời gian để nghiên cứu và thí nghiệm, vì thế hiện nay người ta chú trọng hướng

thứ nhất. Từ đó, người ta tìm ra được một phương pháp đơn giản và ít phức tạp hơn,
đó chính là phương pháp Điều khiển trực tiếp moment – DTC.

2. Các phương pháp điều khiển động cơ điện không đồng bộ
Một số phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ.
2.1 Điều khiển vô hướng (V/f)
Là bộ điều khiển đơn giản, phổ biến nhất, đang dùng trong phần lớn các ứng dụng
cơng nghiệp. Nó được biết đến như một điều khiển vô hướng, bằng cách tạo một mối
quan hệ so sánh giữa điện áp và tần số. Cấu trúc này rất đơn giản và thường được sử
dụng mà không cần hồi tiếp tốc độ. Tuy nhiên, kiểu điều khiển này khơng đạt được độ
chính xác tốt cả về moment và tốc độ đáp ứng, chủ yếu là do không điều khiển trực
tiếp được từ thông stator và moment.
Đặc điểm:
 Biến điều khiển là điện áp và tần số.
 Sử dụng bộ điều chế độ rộng xung sin.

Trang 4


Điều khiển DTC máy điện KĐB có tính đến tổn hao sắt từ và bão hịa từ
với các bảng đóng cắt khác nhau

 Thường điều khiển ở dạng vòng hở.
 Từ thông được giữ không đổi bằng cách giữ V/f=const.
Ưu điểm:
 Đơn giản, khơng cần tính hiệu hồi tiếp.
 Rẻ tiền, dễ sử dụng.
Nhược điểm:
 Không điều khiển được moment tối ưu.
 Không điều khiển trực tiếp, độc lập giữa moment và từ thơng.

 Độ chính xác khơng cao.
 Đáp ứng chậm.
2.2 Điều khiển định hướng từ trường FOC
Điều khiển định hướng từ trường FOC (Field Orientated Control) là phương pháp
điều khiển dòng stator bằng vector. Các giá trị tham chiếu dùng trong FOC là từ thông
và moment. Bằng cách giữ giá trị từ thông không đổi, người ta sẽ dễ dàng điều khiển
được moment thơng qua giá trị dịng stator.
Đặc điểm:
 Định hướng được moment do tối ưu từ thơng.
 Điều khiển vịng kín.
 Moment được điều khiển gián tiếp.
Ưu điểm:
 Đáp ứng momnet nhanh.
 Điều khiển chính xác vận tốc.
 Đảm bảo moment ở vận tốc zero.
 Nguyên lý điều khiển tương tự động cơ DC.

Trang 5


Điều khiển DTC máy điện KĐB có tính đến tổn hao sắt từ và bão hịa từ
với các bảng đóng cắt khác nhau

Nhược điểm:
 Phải có hồi tiếp tốc độ trong giải thuật điều khiển.
 Cần phải điều chế độ rộng xung, phụ thuộc vào bộ điều khiển dòng và tham số
đầy đủ của động cơ.
 Giá thành cao.
2.3 Điều khiển trực tiếp moment DTC
Điều khiển trực tiếp moment (Direct Torque Control) là một trong những phương

pháp điều khiển tốt nhất của điều khiển máy điện, và được xem như là một phương
pháp thay thế cho FOC. Sự khác nhau của 2 phương pháp đó là DTC trực tiếp điều
khiển giá trị từ thông và moment.
Trong phần luận văn này sẽ nghiên cứu các đáp ứng về moment, từ thông, thơng
qua việc lập trình bằng Matlab/Simulink.
Đặc điểm:
 Điều khiển độc lập giữa moment và từ thơng.
 Dịng stator và từ thơng stator có dạng gần sin.
 Hiệu suất cao.
Ưu điểm:
 Định hướng được từ thơng do đó tối ưu được moment.
 Điều khiển trực tiếp moment và từ thông.
 Không cần hồi tiếp tốc độ; moment, từ thông lấy trực tiếp từ quan hệ quan sát.
 Không cần bộ điều khiển dòng điện, các bộ điều chế độ rộng xung.
 Tính động cao.
 Thời gian tính tốn nhanh.
 Ít phụ thuộc vào tham số động cơ.

Trang 6


Điều khiển DTC máy điện KĐB có tính đến tổn hao sắt từ và bão hịa từ
với các bảng đóng cắt khác nhau

Nhược điểm:
 Khởi động không tốt.
 Sự suy giảm kích từ và dao động từ thơng ở vùng vận tốc thấp và moment ở
vùng vận tốc cao.
 Tần số đóng cắt của bộ nghịch lưu biến thiên theo điểm làm việc của động cơ.
 Từ thông stator và moment có độ gợn.

3. Kết luận
Những năm gần đây, động cơ không đồng bộ ngày càng được ứng dụng phổ biến
hơn trong nền cơng nghiệp bổ vì nó có cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn, dễ bảo trì và kinh tế.
Các phương pháp điều khiển lần lượt ra đời để thỏa mãn nhu cầu của nền công nghiệp.
Tuy vậy, với các phương pháp điều khiển khác, do phải dùng thêm nhiều bộ chuyển
đổi đã khiến cho đáp ứng chậm và khơng chính xác. Chính vì thế, phương pháp DTC
được phát minh ra đã giúp cải thiện vấn đề trên.

Trang 7


Điều khiển DTC máy điện KĐB có tính đến tổn hao sắt từ và bão hịa từ
với các bảng đóng cắt khác nhau

CHƯƠNG 2:

MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ

Để khảo sát động cơ không đồng bộ trong Matlab/Simulink, trước tiên chúng ta xây
dựng mơ hình tốn học của động cơ.

1. Động cơ không đồng bộ lý tưởng
Sơ đồ thay thế tương đương của động cơ không đồng bộ được thể hiện trong hình 2.1.
Rs

Ls

jωaLs ̅

Rr

Lr
̅

̅
Lm

̅

us
jωaLm ̅

jω(Lr ̅ + Lm ̅ )

Hình 2.1: Sơ đồ thay thế tương đương động cơ không đồng bộ lý tưởng.

1.1 Trên hệ tọa độ cố định stator (hệ tọa độ β)
Phương trình tổng quát điện áp stator và rotor:


u s  Rs i s 


0  Rr i r 

d s
 j a s
dt

(2.1)

d r
 j ( a   ) r
dt

(2.2)

Phương trình từ thông:
 s  i s L s  i r Lm

(2.3)

 r  is Lm  ir Lr

(2.4)

Lấy đạo hàm biểu thức (2.3) và (2.4) sau đó thay vào biểu thức (2.1) và (2.2), ta
được:

Trang 8


Điều khiển DTC máy điện KĐB có tính đến tổn hao sắt từ và bão hịa từ
với các bảng đóng cắt khác nhau


us  Rs i s  Ls


0  Rr i r  Lm

d is
di
 Lm r  ja S
dt
dt

(2.5)

d is
di
 Lr r  j (a   )(is Lm  ir Lr )
dt
dt

(2.6)

Trong hệ tọa độ β, giá trị ωa=0, nên ta được:


u s  Rs i s  Ls


0  Rr i r  Lm

d is
di
 Lm r
dt

dt

(2.7)

d is
di
 Lr r  j (is Lm  ir Lr )
dt
dt

(2.8)

Chiếu (2.7) và (2.8) lên hệ tọa độ β được các phương trình điện áp stator và rotor:
 Phương trình điện áp stator:
us  Rs i s  Ls

us  Rsis  Ls

dis
di
 Lm r
dt
dt

dis
dt

 Lm

(2.9)

dir

(2.10)

dt

 Phương trình điện áp rotor:
0  Rr i r  Lm

di s
di
 Lr  r   (is Lm  i r Lr )
dt
dt

(2.11)

0  Rr ir  Lm

dis
di
 Lr r   (is Lm  ir Lr )
dt
dt

(2.12)

 Phương trình từ thơng:
 s  is Ls  ir Lm

(2.13)

 s  is Ls  ir Lm

(2.14)

 r  ir Lr  is Lm

(2.15)

 r  ir Lr  is Lm

(2.16)

 Phương trình chuyển động:

Trang 9


Điều khiển DTC máy điện KĐB có tính đến tổn hao sắt từ và bão hịa từ
với các bảng đóng cắt khác nhau

Te  TL 

J d
P dt

(2.17)

 Phương trình vận tốc rotor:
d 3
P
 P i s Ls is  Lmi r   is Lsis  Lmi r   TL
dt 2
J





(2.18)

1.2 Trên hệ tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq)
Phương trình tổng quát điện áp stator và rotor:


us  Rs i s 


0  Rr i r 

d s
 ja s
dt

(2.19)

d r
 j (a   ) r

dt

(2.20)

Chiếu phương trình (2.19) và (2.20) lên hệ tọa độ dq thực hiện các phép biến đổi
được các phương trình điện áp sau:
 Phương trình điện áp stator:
u ds  Rs ids  Ls

uqs  Rs iqs  Ls

dids
di
 Lm dr   a ( Lsiqs  Lmiqr )
dt
dt

diqs
dt

 Lm

diqr
dt

 a ( Ls ids  Lmidr )

(2.21)

(2.22)

 Phương trình điện áp rotor:
0  Rr idr  Lr

0  Rr iqr  Lr

didr
di
 Lm ds  (a   )( Lr iqr  Lmiqs )
dt
dt

diqr
dt

 Lm

diqs
dt

 (a   )( Lr idr  Lmids )

(2.23)

(2.24)

 Phương trình từ thơng:
 ds  ids Ls  idr Lm

(2.25)

 qs  iqs Ls  iqr Lm

(2.26)

 dr  idr Lr  ids Lm

(2.27)

Trang 10


Điều khiển DTC máy điện KĐB có tính đến tổn hao sắt từ và bão hịa từ
với các bảng đóng cắt khác nhau

 qr  iqr Lr  iqs Lm

(2.28)

 Phương trình mơmen điện từ:
Te 

3
PL m (idr iqs  iqr ids )
2

(2.29)

 Phương trình chuyển động:
Te  TL 

J d
P dt

(2.30)

 Phương trình vận tốc rotor:
d  3
P
  PLm (i dr iqs  iqr ids )  TL 
dt  2
J

(2.31)

2. Động cơ khơng đồng bộ có tổn hao sắt từ và bão hòa từ
Sơ đồ thay thế tương đương của động cơ không đồng bộ khi xem xét có tổn hao sắt
từ và bão hịa từ thể hiện như hình 2.2:
Rs

jωaLs ̅

Ls

̅

Rr

̅
RFe

Lr

jωaLr ̅

̅

Lm

us
jωaLm ̅
̅

jωΨ

Hình
2.2:
Sơ đồ
tương
động
cơ KĐB có tổn hao sắt từ và bão hịa từ.
Về mặt cấu
trúc,
node
MPLS
cóđương
hai thành
phần:

2.1 Trên tọa độ cố định stator (hệ tọa độ β)

 Phương trình tổng quát điện áp stator và rotor:
us  Rsis  Ls

dis d m

 ja ( Lsis   m )
dt
dt

Trang 11

(2.32)


Điều khiển DTC máy điện KĐB có tính đến tổn hao sắt từ và bão hịa từ
với các bảng đóng cắt khác nhau


0  Rr i r  Lr

dir d m

 j ( a   )( Lr ir   m )
dt
dt

(2.33)

 Phương trình tổng quát mạch tổn hao sắt từ và bão hòa từ:
0

d m
 RFeiFe  ja m
dt

(2.34)

im  iFe  is  ir

(2.35)

RFe  f ( e ) : R Fe

Lm  f ( m ); Lm 

128.92  8.242 f  0.0788 f 2 ( ); f  50 Hz 


1841  55272 / f (); f  50 Hz



m
im

(2.36)

(2.37)

0.1964285im ; im  2.2 A



m  

 0.8374  0.0067 im  0.924 / im ; im  2.2 A

(2.38)

 Phương trình từ thơng:
 s  is Ls  im Lm

(2.39)

 r  ir Lr  im Lm

(2.40)

Chiếu các phương trình (2.32), (2.33) và (2.34) lên trục β được các phương trình sau:
 Phương trình điện áp stator:
us  Rs i s  Ls

di s d   m

dt
dt

(2.41)

us  Rsis  Ls

dis d m

dt
dt

(2.42)

 Phương trình điện áp rotor:
0  Rr i r  Lr

0  Rrir  Lr

di r d  m

  (ir Lr    m )
dt
dt

dir
dt



d m
dt

  (ir Lr   m )

 Phương trình mạch tổn hao sắt từ và bão hòa từ:
Trang 12

(2.43)

(2.44)


Điều khiển DTC máy điện KĐB có tính đến tổn hao sắt từ và bão hịa từ
với các bảng đóng cắt khác nhau

0

0

d m
R
 RFeis  RFe ir  Fe  m
dt
Lm
d m
dt

 RFe is  RFe ir 

RFe
 m
Lm

(2.45)

(2.46)

 Phương trình từ thơng:
 s  is Ls  im Lm

(2.47)

 s  is Ls  im Lm

(2.48)

 r  ir Lr  im Lm

(2.49)

 r  ir Lr  im Lm

(2.50)

 Phương trình moment điện từ:
Te 

3
P (ir  m  i r m )
2

(2.51)

 Phương trình vận tốc rotor
Te  TL 

J d
P dt

(2.52)

2.2 Trên hệ tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq)
Chiếu các phương trình (2.32), (2.33) và (2.34) lên trục dq được các phương trình sau:
 Phương trình điện áp stator:
u ds  Rs ids  Ls

dids d  dm

  a Ls iqs   a qm
dt
dt

(2.53)

uqs  Rsiqs  Ls

diqs d qm

 a Lsids  a dm
dt
dt

(2.54)

 Phương trình điện áp rotor:
0  Rr idr  Lr

didr d dm

 ( a   ) qm  ( a   ) Lr iqr
dt
dt

(2.55)

0  Rr iqr  Lr

diqr d qm

 (a   ) dm  (a   ) Lr idr
dt
dt

(2.56)

Trang 13


Điều khiển DTC máy điện KĐB có tính đến tổn hao sắt từ và bão hịa từ
với các bảng đóng cắt khác nhau

 Phương trình mạch tổn hao sắt từ và bão hòa từ:
0

0

d dm
R
 RFeids  RFe idr  Fe  dm  a qm
dt
Lm

d qm

 RFeiqs  RFeiqr 

dt

RFe
 qm  a dm
Lm

(2.57)

(2.58)

 Phương trình từ thơng:
 ds  ids Ls  idm Lm

(2.59)

 qs  iqs Ls  iqmLm

(2.60)

 dr  idr Lr  idm Lm

(2.61)

 qr  iqr Lr  iqmLm

(2.62)

 Phương trình moment điện từ:
Te 

3
P (idr qm  iqr dm )
2

(2.63)

 Phương trình vận tốc rotor
Te  TL 

J d
P dt

(2.64)

3. Kết luận
Trong chương này đã trình bày các cơng thức tốn học của cả hai trường hợp: động
cơ KĐB lý tưởng và động cơ KĐB có xét đến tổn hao sắt từ và bão hịa từ. Các cơng
thức trên được đưa vào trong Matlab/Simulink, từ đó hình thành nên các mơ hình mơ
phỏng.

Trang 14