Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc bằng phương pháp DTC kết hợp với điều khiển thích ứng mô hình đa biến

i

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Direct Torque Control (DTC) là một công nghệ điều khiển truyền động cơ
xoay chiều cao cấp. Năm 1995 thì cơng nghệ này được ABB đưa vào trong sản
phẩm ACS600 và ACS1000. Nay công nghệ này cũng được áp dụng rộng rãi cho họ
biến tần hạ thế ACS800.
Với biến tần sử dụng công nghệ DTC ( ABB) thì moment và tốc độ của động
cơ sẽ được điều khiển trực tiếp dựa trên tình trạng điện từ của motor giống như
trường hợp của động cơ một chiều nhưng lại khác với biến tần sử dụng phương
pháp PWM là dựa vào tần số và điện áp cấp vào biến tần. DTC là công nghệ tiên
phong trong điều khiển sự biến thiên của hai yếu tố là moment và từ thông của
motor.
Luận văn tập trung mô phỏng phương pháp điều khiển DTC động cơ không
đồng bộ ba pha rotor lồng sóc với mơ hình động cơ lý tưởng (bỏ qua tổn hao sắt từ
và bão hòa từ) và kết hợp với điều khiển thích ứng mơ hình đa MRAS (Model
Reference Adaptive System)
Phần mở rộng của luận văn là điểu khiển DTC động cơ không đồng bộ ba
pha rotor lồng sóc với mơ hình động cơ có tổn hao sắt từ (khơng có phần MRAS)
Matlab được dùng để mơ phỏng.
Kết quả của hai mơ hình này có sự khác nhau.


ii

MỤC LỤC
Nội dung

Trang

Tóm tắt nội dung luận văn ....................................................................................... i

Mục lục .................................................................................................................... .ii
Các kí hiệu ............................................................................................................... iii
Chương 1 .................................................................................................................
MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ
1.1. Động cơ khơng đồng bộ ..................................................................................
1.1.1 Giới thiệu động cơ không đồng bộ ..................................................................
1.1.2 Các phương trình tốn học mơ tả động cơ ....................................................
1.2

Mơ phỏng động cơ khơng đồng bộ .................................................................

1.2.1 Các phương trình tốn học để mô phỏng động cơ .........................................
1.2.2 Thông số động cơ ...........................................................................................
1.2.3 Kết quả mô phỏng ..........................................................................................
1.3

Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ( Website ABB) .......

1.3.1 Phương pháp V/f = const (điều khiển vô hướng) ...........................................
1.3.2 Phương pháp định hướng từ trường FOC .....................................................
1.3.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC ...........................................
Chương 2 .................................................................................................................
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMENT (DTC) ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ
2.1

Một số khái niệm chung .................................................................................

2.2

Phương pháp điều khiển trực tiếp moment động cơ (DTC) ..........................

2.2.1 Kỹ thuật điều khiển trực tiếp moment động cơ ..............................................
2.2.2 Giải thuật điều khiển DTC của Takahashi ....................................................


iii

2.3

Mô phỏng .......................................................................................................

2.3.1 Kết quả mô phỏng ...........................................................................................
2.3.2 Nhận xét kết quả mơ phỏng ............................................................................
2.4

Phân tích cụ thể cho giải thuật DTC ..............................................................

2.5

Điều khiển tốc độ động cơ với giải thuật DTC ..............................................

2.5.1 Bộ bù PI .........................................................................................................
2.5.2 Bộ bù PI có AntiWindup .................................................................................
Chương 3 .................................................................................................................
ĐIỀU KHIỂN THÍCH ỨNG MƠ HÌNH ĐA BIẾN (MRAS)
3.1

Điều khiển không cảm biến ...........................................................................

3.1.1 Giới thiệu .......................................................................................................
3.1.2 Ngun lý của mơ hình MRAS .......................................................................
3.2

Kết quả mơ phỏng ..........................................................................................

Chương 4 .................................................................................................................
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMENT (DTC) CĨ TỔN
HAO SẮT TỪ
4.1

Giới thiệu .......................................................................................................

4.2

Mơ phỏng động cơ khơng đồng bộ có tổn hao sắt từ .....................................

4.2.1 Mơ hình mơ phỏng động cơ khơng đồng bộ ..................................................
4.2.2 Kết quả mô phỏng ...........................................................................................
4.2.3 Nhận xét .........................................................................................................
4.3

Điều khiển động cơ khơng đồng bộ bằng phương pháp DTC
có tổn hao sắt từ .............................................................................................

4.3.1 Thông số mô phỏng .........................................................................................
4.3.2 Kết quả mô phỏng ...........................................................................................
4.3.3 Nhận xét kết quả mô phỏng.............................................................................
4.4

Điều khiển tốc độ với giải thuật DTC có tổn hao sắt từ ................................

Chương 5 ...............................................................................................................
SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HAI PHƯƠNG PHÁP: DTC ĐỘNG CƠ
LÝ TƯỞNG VÀ DTC ĐỘNG CƠ CÓ TỔN HAO SẮT TỪ


iv

5.1

So sánh kết quả mô phỏng động cơ lý tưởng
và động cơ có tổn hao sắt từ .........................................................................

5.2

So sánh kết quả mô phỏng DTC động cơ lý tưởng
và DTC động cơ có tổn hao sắt từ .................................................................

5.3

So sánh kết quả mô phỏng điều khiển vận tốc DTC động cơ lý tưởng
và DTC động cơ có tổn hao sắt từ .................................................................

5.4

Nhận xét chung ..............................................................................................

Kết luận và kiến nghị .............................................................................................
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................

v

CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN
usA, usB, uSc

Điện áp các pha stator

isA, isB, isC

Dòng điện các pha stator

ψsA, ψsB, ψsC

Từ thơng móc vịng của các pha stator

ura, urb, urc

Điện áp các pha rotor khi chưa quy đổi

ira, irb, irc

Dòng điện các pha rotor khi chưa quy đổi

ψra, ψrb, ψrc

Dòng điện các pha rotor sau khi quy đổi

Rs

Điện trở các cuộn dây stator

Rr

Điện trở của các cuộn dây rotor sau khi quy đổi

Rfe

Điện trở thay thế có tổn hao sắt từ

Lls

Điện cảm rò các cuộn dây stator

Llr

Điện cảm rò các cuộn dây rotor

u sk

Vector điện áp tổng của stator trong hệ tọa độ k (k=s,r…)

Lm

Điện cảm từ hóa

Ls

Điện cảm tổng của stator

Lr

Điện cảm tổng của rotor

δ

Khe hở khơng khí giữa stator và rotor

ω, ωr

Tốc độ của động cơ

Te

Moment điện từ trên trục động cơ

TL

Moment tải trên trục động cơ

J

Moment quán tính trên trục động cơ

P

Số đơi cực của động cơ

1/s

Phép tính tích phân

s

Phép tính vi phân

•

Nhân vơ hướng giữa hai vector


vi

⊗

Nhân hữu hướng giữa hai vector


1

1.1

Động cơ không đồng bộ

1.1.1 Giới thiệu động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) đặt biệt là động cơ rotor lồng sóc ngày
nay được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp do có nhiều ưu điểm hơn động cơ một
chiều (DC) như khơng địi hỏi bảo trì thường xuyên, độ tin cậy cao, khối lượng và
quán tính nhỏ hơn, giá rẻ hơn và có khả năng làm việc trong mơi trường độc hại

hoặc có khả năng cháy nổ. Do đó, ĐCKĐB được sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp hơn so với tất cả các loại động cơ khác.
Tuy nhiên, phần lớn ĐCKĐB được sử dụng trong các ứng dụng với tốc độ
không đổi, do các phương pháp điều khiển tốc độ ĐCKĐB trước đây thường đắt
hoặc có hiệu suất kém.
Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất cao và kỹ thuật vi
xử lý, hiện nay những bộ điều khiển ĐCKĐB đã được chế tạo với đáp ứng cao hơn
và giá thành rẻ hơn các bộ điều khiển động cơ DC. Do đó, ĐCKĐB có thể thay thế
được động cơ DC trong rất nhiều ứng dụng. Dự kiến trong tương lai gần, ĐCKĐB
sẽ được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ.
1.1.2 Các phương trình tốn học mô tả động cơ
Máy điện không đồng bộ được mơ tả bởi hệ phương trình vi phân. Các cuộn
dây của máy điện có cấu trúc phân bố phức tạp trong khơng gian. Trong mơ hình
hóa máy điện, ta chấp nhận các điều kiện sau đây:
-

Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng về mặt khơng gian.

-

Dây quấn rotor đã qui đổi sang dây quấn stator.

-

Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bảo hòa của mạch từ.

-

Các giá trị điện trở và điện cảm được xem là khơng đổi.
Xét máy điện khơng đồng bộ có P đơi cực. Tại thời điểm đang xét, trục pha a

của rotor lệch một góc cơ γ R so với trục pha A của stator, tương ứng độ lệch góc
điện của rotor so với stator là θr=Pγr


2

isB

β

B

Trục pha a
usB

Y

δ

θr

a

b

ura

urb

urc

isA
X

usA

α

A Trục pha A

c
isC

Z

C

Hình 1.1 Các cuộn dây stator và rotor bố trí trong khơng gian
Phương trình điện áp phía stator:
u sA = Rs i sA +

dψ sA
dt

(1.1)

u sB = Rs i sB +

dψ sB

dt

(1.2)

u sC = Rs i sC +

dψ sC
dt

(1.3)

Phương trình điện áp phía rotor
u ra = Rr ira +

dψ ra
dt

(1.4)

u rb = Rr irb +

dψ rb
dt

(1.5)

u rc = Rr irc +

dψ rc
dt

(1.6)


3

Từ thơng móc vịng ở stator
ψ sA = L s i sA + M s i sB + M s i sC + M sr cos θ r ira
+ M sr cos(θ r + 2π / 3)irb + M sr cos(θ r + 4π / 3)irc

(1.7)

ψ sB = L s i sB + M s i sA + M s i sC + M sr cos(θ r + 4π / 3)ira
+ M sr cos θ r irb + M sr cos(θ r + 2π / 3)irc

(1.8)

ψ sC = L s i sC + M s i sB + M s i sA + M sr cos(θ r + 2π / 3)ira
+ M sr cos(θ r + 4π / 3)irb + M sr cos θ r irc

(1.9)

Từ thơng móc vịng ở rotor
ψ ra = L r ira + M r irb + M r irc + M sr cos θ r i sA
+ M sr cos(θ r + 4π / 3)i sB + M sr cos(θ r + 2π / 3)i sC

(1.10)

ψ rb = L r irb + M r ira + M r irc + M sr cos(θ r + 2π / 3)i sA
+ M sr cos θ r i sB + M sr cos(θ r + 4π / 3)i sC

(1.11)

ψ rc = L r irc + M r irb + M r ira + M sr cos(θ r + 4π / 3)i sA
+ M sr cos(θ r + 2π / 3)i sB + M sr cos θ r i sC

(1.12)

Kết hợp các phương trình từ (2.1) đến (2.12), phương trình điện áp stator và
rotor được viết lại như sau:
⎡v sA ⎤ ⎡ Rs + p L s
⎢v ⎥ ⎢
pM s
⎢ sB ⎥ ⎢
⎢v sC ⎥ ⎢
pM s
⎢ ⎥=⎢
⎢v ra ⎥ ⎢ p M sr cos θ
⎢v ⎥ ⎢ p M sr cos θ
1
⎢ rb ⎥ ⎢
⎢⎣v rc ⎥⎦ ⎢⎣ p M sr cos θ 2

pM s

pM s

p M sr cos θ

p M sr cos θ1

Rs + p L s
pM s

pM s
Rs + p L s

p M sr cos θ 2
p M sr cos θ1

p M sr cos θ
p M sr cos θ 2

p M sr cos θ 2
p M sr cos θ

p M sr cos θ1
p M sr cos θ 2

Rr + p L r
pM r

pM r
Rr + p L r

p M sr cos θ1

p M sr cos θ

pM r

pM r

p M sr cos θ 2 ⎤ ⎡i sA ⎤
⎥⎢ ⎥
p M sr cos θ1 ⎥ ⎢i sB ⎥
p M sr cos θ ⎥ ⎢i sC ⎥
⎥⎢ ⎥
pM r
⎥ ⎢ira ⎥
⎥ ⎢i ⎥
pM r
⎥ ⎢ rb ⎥
Rr + p L r ⎥⎦ ⎢⎣irc ⎥⎦

(1.13)


4

9 Các phương trình vector khơng gian trong hệ tọa độ stator
Trong mặt phẳng cắt vng góc với trục động cơ, ta thiết lập một truc tọa độ
(Oαβ) có tâm O và O thuộc trục động cơ, trục Oα trục thực trùng với trục pha A của
stator. Trục ảo (Oβ) vng góc với trục thực. Hệ trục tọa độ (Oαβ) gắn với stator
động cơ.
Giả sử cuộn dây stator được cấp nguồn từ hệ thống điện áp xoay chiều ba
pha cân bằng với tần số góc ωs (ωs=2 πfs). Tổng dịng điện trên mỗi pha stator isA, isB
và isC của động cơ khơng nối điểm trung tính:
isA(t) + isB(t) + isC(t) = 0

(1.14)

có thể được mơ tả dưới dạng vector is(t) quay trong không gian với tần số fs
is =

[

]

2
i sA (t ) + i sB (t )e j 2π / 3 + i sC (t )e j 4π / 3 = i sα + ji sβ
3

(1.15)

2
(i sA [cos(0) + j sin(0)] + i sB [cos(2π 3) + j sin( 2π 3)]
3
+ i sC [cos(4π 3) + j sin( 4π 3)])

is =

=

2
1
1
3
3
[(isA – isB – isC ) + j( isB −

i sC )]
3
2
2
2
2

Vậy ma trận chuyển đổi abc → αβ
1
⎡
−
1
⎡i sα ⎤ 2 ⎢
2
⎢i ⎥ = ⎢
3
3
⎣ sβ ⎦
⎢0
2
⎣⎢

1 ⎤ ⎡i ⎤
sA
2 ⎥ ⎢i ⎥
⎥
3 ⎥ ⎢ sB ⎥
−
⎢i ⎥
2 ⎦⎥ ⎣ sC ⎦

−

(1.16)

Suy ra phép chuyển đổi ngược αβ → abc
⎡
⎢
⎡ i sA ⎤ ⎢ 1
⎢i ⎥ = ⎢− 1
⎢ sB ⎥ ⎢ 2
⎢⎣i sC ⎥⎦ ⎢ 1
⎢−
⎣ 2

⎤
0 ⎥
3 ⎥ ⎡i sα ⎤
⎥⎢ ⎥
2 ⎥ ⎣i sβ ⎦
3⎥
−
⎥
2 ⎦

(1.17)


5

Vector không gian điện áp stator và rotor

dψ ss
u =Ri +
dt

(1.18)

dψ rr
dt

(1.19)

s
s

s
s s

u rr = Rr irr +

Vector không gian từ thông stator
ψs =

[

2
ψ sA (t ) + ψ sB (t )e j 2π / 3 + ψ sC (t )e j 4π / 3
3

]

(1.20)

Thay (2.7), (2.8), (2.9) vào (2.20) ta được
ψ s = Ls is + Lm ir e jθ = Ls i s + Lm irs

(1.21)

r

Tương tự vector không gian từ thông rotor là:
ψ r = Lr ir + Lm i s e − jθ = Lr ir + Lm isr

(1.22)

r

3
2

Với: Ls = L s − M s , Lr = L r − M r , Lm = M sr
9 Khảo sát trong hệ tọa độ stator
Phương trình vector khơng gian điện áp stator
u ss = Rs i ss +

dψ ss
dt

(1.23)

Phương trình vector khơng gian điện áp rotor

u rs = u r e jθ r
u rs e − jθ r = Rr irs e − jθ r +

d (ψ rs e − jθ r )
dt

d (ψ rs e − jθ r ) dψ rs − jθ r
dψ rs − jθ r
− jθ r
s dθ r
=
e
− jψ r
e
=
e
− jψ rs ωe − jθ r
dt
dt
dt
dt

Thay vào (2.19) ta được vector không gian điện áp rotor trong hệ tọa độ
stator là:


6

dψ rs

u =Ri +
− jωψ rs
dt
s
r

s
r r

(1.24)

Vector không gian từ thông stator và rotor
ψ ss = Ls i ss + Lm irs

(1.25)

ψ rs = ψ r e jθ = Lr irs + Lm i ss

(1.26)

r

Phương trình (2.18), (2.24) khơng thích hợp cho việc mơ phỏng dùng các đặc
tính động của máy tính số, vì vậy cần khai triển các vector điện áp theo các thành
phần α − β của chúng.
Phương trình điện áp stator
uαs s = Rs iαss + Ls

u βs s = Rs i βss + Ls

diαss
di s
+ Lm α r
dt
dt
di βss
dt

+ Lm

(1.27)

di βs r

(1.28)

dt

Tương tự cho điện áp rotor
uαs r = Lm

diαss
di s
+ ωLm i βss + Rr iαsr + Lr αr + ωLr i βsr
dt
dt

u βr = −ωLm iαs + Lm
s

s

di βs s
dt

− ωLr iαr + Rr i βr + Lr
s

s

di βs r
dt

(1.29)

(1.30)

Các phương trình điện áp có thể được viết lại như sau
dL
⎡
Rs + s
⎢
dt
⎡uαs s ⎤ ⎢
⎢ s ⎥ ⎢
0
⎢u β s ⎥ = ⎢
⎢uαs r ⎥ ⎢ dLm
⎢ r ⎥ ⎢ dt
⎣⎢u βr ⎦⎥ ⎢

⎢ − ωLm
⎣

hoặc biến đổi thành

0
Rs +

dLs
dt

ωLm
dLm
dt

dLm
dt
0
dL
Rr + r
dt
− ωLr

⎤
⎥ s
dLm ⎥ ⎡⎢iαs ⎤⎥
⎥ s
dt ⎥ ⎢i βs ⎥
⎥⎢ s ⎥
ωLr ⎥ ⎢iαr ⎥

s
⎢i ⎥
dLr ⎥ ⎣ βr ⎦
⎥
Rr +
dt ⎦
0

(1.31)


7

⎧ ⎡ − R s Lr
⎡iαss ⎤
⎪⎢
⎢ s ⎥
2
d ⎢i β s ⎥
1 ⎪ ⎢ − ωL m
=
⎨
s
dt ⎢iαr ⎥ Lσ ⎪⎢ Rs Lm
⎢s ⎥
⎪⎢⎢⎣ωLs Lm
⎢⎣i βr ⎥⎦
⎩

ωL2m

− R s Lr

R r Lm
− ωL r L m

− ωL s L m
R s Lm

− Rr Ls
ωL s L r

ωLr Lr ⎤ ⎡iαss ⎤ ⎡ Lr

⎥⎢ ⎥ ⎢
Rr Lm ⎥ ⎢i βs s ⎥ ⎢ 0
+
s
− ωLs Lr ⎥ ⎢iαr ⎥ ⎢− Lm
⎥⎢ ⎥ ⎢
− Rr Ls ⎥⎦ ⎢⎣i βs r ⎥⎦ ⎣ 0

0
Lr

− Lm
0

0
− Lm

Ls
0

s
0 ⎤ ⎡uαs ⎤ ⎫
⎥⎪
⎢
s
− Lm ⎥⎥ ⎢u βs ⎥ ⎪
⎬
0 ⎥ ⎢uαs r ⎥ ⎪
⎥⎢ s ⎥⎪
Ls ⎦ ⎢u ⎥
⎣ βr ⎦ ⎭

(1.32)

với Lσ = Ls Lr − L2m là điện cảm tương hỗ.
Phương trình moment
Te = TL +

J dω
P dt

(1.33)

Ở chế độ xác lập, dω/dt = 0, thành phần

Jdω
gọi là moment động của hệ

Pdt

thống chỉ xuất hiện ở chế độ quá độ.
*

Te = 1.5P Im(i s ψ s )

(1.34)

Với ψ ss = Ls iss + Lm irs suy ra suy ra
Te =

hay Te =

3
P[i βs s ( Ls iαss + Lm iαsr ) − iαss ( Ls i βss + Lm i βs r )]
2

(1.35)

3
PLm (i βss iαsr − iαss i βsr )
2

(1.36)

Các phương trình (1.18), (1.23), (1.25) và (1.26) mô tả mạch điện trên hình 1.2
đặc trưng mơ hình động của động cơ khơng đồng bộ
Rs

Lls

Llr

is
us

Rr

ir
Lm

+
jwrψr

im
-

Hình 1.2 Mạch điện động tương đương của động cơ KĐB


8

1.2

Mơ phỏng động cơ khơng đồng bộ

1.2.1 Các phương trình tốn học để mơ phỏng động cơ
⎧ ⎡ − R s Lr
⎡iαss ⎤

⎪⎢
⎢ s ⎥
d ⎢i βs ⎥ 1 ⎪⎢ − ωL2m
=
⎨
dt ⎢iαsr ⎥ Lσ ⎪⎢ Rs Lm
⎢s ⎥
⎪⎢⎣⎢ωLs Lm
⎣⎢i βr ⎦⎥
⎩

Te =

ωL2m

R r Lm

− R s Lr
− ωLs Lm
R s Lm

− ωL r L m
− Rr Ls
ωLs Lr

ωLr Lr ⎤ ⎡iαss ⎤ ⎡ Lr

⎥⎢ s ⎥ ⎢
Rr Lm ⎥ ⎢i βs ⎥ ⎢ 0
+

s
− ωLs Lr ⎥ ⎢iαr ⎥ ⎢− Lm
⎢
⎥
⎥ s
⎢
− Rr Ls ⎦⎥ ⎣⎢i βr ⎦⎥ ⎣ 0

0
Lr

− Lm
0

0
− Lm

Ls
0

s
0 ⎤ ⎡uαs ⎤ ⎫
⎢ s ⎥⎪
− Lm ⎥⎥ ⎢u βs ⎥ ⎪
⎬
0 ⎥ ⎢uαs r ⎥ ⎪
⎢
⎥
⎥
Ls ⎦ ⎢u s ⎥ ⎪

⎣ βr ⎦ ⎭

3
PLm (i βs s iαsr − iαss i βsr )
2

(1.36)

dω P ⎡ 3
⎤
= ⎢ P(i βss iαss − iαss i βsr ) − TL ⎥
dt
J ⎣2
⎦

(1.37)

1.2.2 Thông số động cơ
Động cơ được mô phỏng có tham số như bảng sau
Pn

cơng suất

15 kW

Vn

điện áp (pha)

240 V

wn

vận tốc rotor

1440 vòng/phút (301.6 rad/s)

fn

tần số

50 Hz

Rs

điện trở stator

1.37 Ω

Rr

điện trở rotor

1.1 Ω

Lls

điện cảm rò stator

0.0049 H

Llr

điện cảm rò rotor

0.008 H

Lm

điện cảm hỗ cảm

0.1410 H

Ls

điện cảm tổng stator

0.1459 H

Lr

điện cảm tổng rotor

0.1490 H

TL

moment tải

26.5 N.m

moment quán tính

0.1 kg.m2

J
2p

số cực

(1.32)

4


9

1.2.3 Kết quả mô phỏng
Thời gian mô phỏng là 2s, bước mơ phỏng 1µs, phương pháp tính ode5, động
cơ được mô phỏng trong hai trường hợp: không tải và tải định mức. Hình ,tại
0.2669 s vận tốc động cơ đạt vận tốc định mức, tại thời điểm này ta cho tải định
mức vào động cơ.
Không tải

Tải định mức

30

301.68

25

301.64

Moment tai (M.m)

301.62
301.6
301.58
301.56
301.54
301.52

20

15

10

5

301.5

0

301.48
0.2668 0.2668 0.2668 0.2669 0.2669 0.2669 0.2669 0.2669 0.267 0.267 0.267
Thoi gian (s)

0

0.2

0.4

350

350

300

300

250
200
150
100
50
0

0.8
1
1.2
Thoi gian (s)

1.4

1.6

1.8

2

1.4

1.6

1.8

2

1.4

1.6

1.8

2

250
200
150
100
50

0

0.2

0.4

0.6

0.8
1
1.2
Thoi gian (s)

1.4

1.6

1.8

0

2

0

0.2

0.4

120

120

100

100
Moment dien tu (M.m)

140

80
60
40
20

60
40
20
0

-20

-20
0.2

0.4

0.6

0.8
1
1.2
Thoi gian (s)

Hình 1.5 Te

0.8
1
1.2
Thoi gian (s)

80

0

0

0.6

Hình 1.7 wr

Hình 1.4 wr
140

-40

0.6

Hình 1.6 TL

Van toc dien cua rotor (rad/s)

Van toc dien cua rotor (rad/s)

Hình 1.3 wr

Moment dien tu (N.m)

Van toc dien cua rotor (rad/s)

301.66

1.4

1.6

1.8

2

-40

0

0.2

0.4

0.6

0.8
1
1.2
Thoi gian (s)

Hình 1.8 Te


1.4

1.4

1.2

1.2
Bien do tu thong stator (Wb)

Bien do tu thong stator (Wb)

10

1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

1
0.8
0.6
0.4
0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8
1
1.2
Thoi gian (s)

1.4

1.6

1.8

0

2

0

0.2

0.4

1.5

1.5

1

1

0.5

0

-0.5

-1
-1

-0.5

1.6

1.8

2

0
0.5
Tu thong theo truc Alpha (Wb)

1

0

-0.5

-1
-1

1.5

-0.5

Hình 1.10 ψsα, ψsβ

0
0.5
Tu thong theo truc Alpha (Wb)

1

1.5

Hình 1.13 ψsα, ψsβ
100

80

80

60

60

Dong dien stator pha A (A)

Dong dien stator pha A (A)

1.4

0.5

100

40
20
0
-20
-40
-60
-80

0.8
1
1.2
Thoi gian (s)

Hình 1.12 ψs

Tu thong theo truc Beta (Wb)

Tu thong theo truc Beta (Wb)

Hình 1.9 ψs

0.6

40
20
0
-20
-40
-60

0

0.2

0.4

0.6

0.8
1
1.2
Thoi gian (s)

1.4

1.6

1.8

-80

2

0

0.2

0.4

Hình 1.11 isa

0.6

0.8
1
1.2
Thoi gian (s)

1.4

1.6

1.8

2

Hình 1.14 isa

9 Nhận xét:

Khơng tải

Vận tốc điện rotor (rad/s)
Moment điện từ (N.m)
Biên độ từ thơng stator (Wb)
Dịng điện stator pha A (A)

Tải định mức

Quá độ

Xác lập

Quá độ

Xác lập

314.935

314.2

301.6

301.6

122

0

122

26.5

1.366

0.9898

1.365

0.9492

80

6.8

80

12


11

1.3

Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ (trang web ABB)

1.3.1 Phương pháp V/f = const (điều khiển vô hướng)
Các đặc trưng:
-

Biến điều khiển là điện áp và tần số.

-

Sử dụng bộ điều chế độ rộng xung.

-

Thông thường điều khiển dạng vịng hở

-

Từ thơng được giữ khơng đổi bằng cách giữ V/f = const.
Ưu điểm:

-

Đơn giản, không cần hồi tiếp.

-

Rẻ tiền.
Nhược điểm:

-

Không điều khiển tối ưu được moment.

-

Không điều khiển trực tiếp được moment và từ thông stator.

-

Độ chính xác khơng cao.

-

Đáp ứng chậm.

1.3.2 Phương pháp định hướng từ trường FOC
Các đặc trưng:
-

Định hướng được từ thông do đó tối ưu được moment.

-

Điều khiển vịng kín.

-

Moment được điều khiển gián tiếp.
Ưu điểm:

-

Đáp ứng moment nhanh.

-

Điều khiển chính xác vận tốc.

-

Đảm bảo moment ở vận tốc zero.

-

Tương tự như điều khiển động cơ DC.
Nhược điểm:

-

Phải có hồi tiếp tốc độ trong giải thuật điều khiển.

-

Chuyển đổi hệ quy chiếu liên tục.


12

-

Cần phải điều chế độ rộng xung, phụ thuộc vào bộ điều khiển dòng và tham
số động cơ.

1.3.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC
Các đặc trưng:

-

Điều khiển độc lập giữa moment và từ thông.
Ưu điểm:

-

Định hướng được từ thơng do đó tối ưu được moment.

-

Điều khiển trực tiếp moment và từ thông.

-

Không cần bộ hồi tiếp tốc độ, moment, từ thông lấy trực tiếp từ hệ quan sát.

-

Không cần các bộ điều khiển dòng điện, các bộ điều chế độ rộng xung, khâu
chuyển hệ tọa độ (biến đổi Park).

-

Tính động cao.

-

Thời gian tính tốn nhanh.

-

Ít phụ thuộc tham số động cơ.
Nhược điểm:

-

Dịng khởi động khơng tốt.

-

Sự suy giảm kích từ và dao động của từ thơng ở vùng vận tốc thấp và
moment ở vùng vận tốc cao.

-

Tần số đóng cắt bộ nghịch lưu biến thiên theo điểm làm việc của động cơ.
Luận văn sử dụng phương pháp điều khiển trực tiếp mmoment (DTC). Đối

tượng là động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc


13

2.1

Một số khái niệm chung
9 Biến thiên của từ thông stator
Từ phương trình cân bằng điện áp (1.18)
u ss = Rs i ss +

dψ ss
dt

Tại thời điểm tốc độ động cơ đạt gần tốc độ định mức, sụt áp trên điện trở
stator ( Rs iss ) không đáng kể so với sức điện động cảm ứng (

dψ ss
) nên ( Rs iss =0),
dt

cơng thức trên có thể viết lại như sau:
dψ ss
= u ss
dt

Theo công thức trên, trong khoảng thời gian ∆t đủ nhỏ, độ biến thiên của
vector từ thông stator theo thời gian t phụ thuộc vào biến thiên của vector điện áp
stator.
9 Biến thiên của từ thông rotor
Theo công thức về từ thông stator và rotor (1.25) và (1.26)
ψ ss = Ls i ss + Lm irs
ψ rs = Lr irs + Lm i sr

Theo (1.26)
irs =

1
(ψ rs − Lm i ss )
Lr

(2.1)

Thế vào (2.25)
ψ ss = Ls i ss +

Đặt σ = ( 1 −

Lm
L2
L
(ψ rs − Lm i ss ) = ( 1 − m )Ls i ss + m ψ rs
Lr
L s Lr
Lr

L2m
) là hệ số từ tản tổng.
L s Lr

Phương trình trên được viết lại như sau:
ψ ss = σLs i ss +

Lm s
ψr
Lr

L
1
i =

(ψ ss − m ψ rs )
σLs
Lr
s
s

(2.2)


14

Theo phương trình (2.24) viết cho các vector khơng gian rotor:
u rs = Rr irs − jω rψ rs +

dψ rs
=0
dt

Khử thành phần dịng rotor irs trong phương trình (1.24) bằng phương trình (2.1):
Rr
dψ rs
s
s
s
0=
(ψ r − Lm i s ) − jω rψ r +
Lr
dt

Với Tr =

Lr
là thời hằng của rotor ( đặt trưng cho thời gian quá độ), viết lại biểu
Rr

thức trên và thay thế dòng iss bằng biểu thức (2.2):
Lm L m s
dψ rs
1
s
s
s
0 = (ψ r −
( ψ r + ψ s )) − jω rψ r +
σLs Lr
Tr
dt

Lm
Ls
ψ rs =
ψ ss
1 + sTr σ − jω r Tr σ

(2.3)

Biểu thức trên cho thấy từ thông rotor phụ thuộc vào từ thông stator, hàm
truyền là khâu qn tính bậc nhất (s là tốn tử Laplace) tức từ thông rotor thay đổi
theo từ thông stator nhưng chậm hơn. Với hằng số thời gian rotor thường khá lớn,
nếu xét trong khoảng thời gian rất ngắn có thể coi từ thông rotor không đổi khi từ

thông stator thay đổi.
9 Biến thiên của điện áp stator
Điện áp cấp từ một biến tần gồm 6 khóa bán dẫn lý tưởng gồm tám tổ hợp
tạo thành vector zero và sáu tổ hợp tạo thành sáu vector là các đỉnh của lục giác đều
trong khơng gian.
9 Biến thiên của moment
Phương trình moment (1.36) thu được:
Te = 1.5 PLm ( i ssβ irsα − i ssα irsβ )

Theo phương trình (3.2)
i ss =

L
1
(ψ ss − m ψ rs )
σLs
Lr

Phân tích (2.2) thành hai thành phần ( αβ ):


15

i ss =

L
1
(ψ ssα − m ψ rsα )
σLs
Lr

(2.4)

i ss =

L
1
(ψ ssβ − m ψ rsβ )
Lr
σLs

(2.5)

Khử issα và i ssβ trong phương trình (1.36) thu được biểu thức tính moment mới.
Te = 1.5 P(ψ ssα i ssβ − ψ ssβ i ssα )
Te = 1.5 P(

L
L
1
)(ψ ssα (ψ ssβ − m ψ rsβ ) − ψ ssβ (ψ ssα − m ψ rsα ))
Lr
Lr
σLs

Te = 1.5 P(

L
1
)( m )(ψ ssβψ rsα − ψ ssαψ rsβ )

σLs Lr

Te = 1.5 P(

L
1
)( m )(ψ ss ⊗ψ ss )
σLs Lr

Te = 1.5 P(

L
1
)( m )ψ rs ψ ss sin( θ s − θ r )
σLs Lr

(2.6)

Như vậy, moment của động cơ phụ thuộc vào biên độ của từ thông stator và
biên độ từ thơng rotor và góc lệch pha giữa hai thành phần này.
2.2

Phương pháp điều khiển trực tiếp moment động cơ (DTC)
Từ (2.6), moment của động cơ phụ thuộc vào tích biên độ vector từ thơng

stator, rotor và sin của góc lệch pha giữa hai vector. Vector từ thông rotor biến thiên
theo từ thông stator nhưng chậm hơn do giá trị thời hằng giao động của mạch rotor
khá lớn. Trong một khoảng thời gian rất nhỏ (tính bằng vài µs đến vài chục µs ) có
thể coi như vector từ thơng rotor không thay đổi khi vector từ thông stator thay đổi.
Sự thay đổi của vector từ thông stator phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp stator

Như vậy biến thiên của moment động cơ phụ thuộc vào biến thiên của vector
điện áp stator.
2.2.1 Kỹ thuật điều khiển trực tiếp moment động cơ
Dựa trên tính chất từ thơng stator và moment động cơ phụ thuộc vào sự biến
thiên của vector điện áp stator, kỹ thuật này điều khiển trực tiếp moment và từ
thông stator yêu cầu bằng cách tổng hợp một vector điện áp thích hợp thơng qua
một bảng đóng cắt ( Takahashi, 1986 ).


16

β

V3 (III)

V2 (II)

V1 (I)

V4 (IV)

α

V0 hay V7
V6 (VI)

V5 (V)

Hình 2.1 - Sáu sector trên mặt phẳng phức
Để thực hiện được điều này, mặt phẳng phức được chia thành sáu sector

giống nhau giới hạn mỗi sector là

π
3

mơ tả như trong hình (2.1), tại thời điểm thực

hiện giải thuật DTC, căn cứ vào các thơng số vị trí tức thời của vector điện áp stator
tại sector nào trong mặt phẳng phức, yêu cầu thay đổi của moment và từ thông
stator, giải thuật DTC sẽ chọn một trong tám tổ hợp đóng cắt nhằm tổng hợp được
vector điện áp stator tối ưu.
9 Khi vector từ thông stator nằm trong sector thứ nhất (I)
Khi vector từ thơng stator thuộc sector thứ nhất, có tám khả năng được xem
xét chọn tổ hợp đóng cắt cho bộnghịch lưu, trong đó:
-

Nếu tổ hợp được chọn tổng hợp vector V1, biên độ của vector từ thông tăng
lên, vector từ thông quay ngược, giảm độ lệch pha giữa vector từ thông stator
và vector từ thông rotor.

-

Nếu tổ hợp được chọn tổng hợp vector V6, biên độ của vector từ thông tăng
lên (nhỏ hơn so với tổng hợp vector V1, vector từ thông quay ngược, giảm độ
lệch pha giữa vector từ thông stator và vector từ thông rotor, độ lệch này
giảm nhiều hơn so với tổng hợp vector V1.


17

V3 (III)

V2 (II)
V0, V7

V1 (I)

V4 (IV)

ψs

V5 (V)

V6 (VI)

Hình 2.2 Minh hoạ việc tổng hợp vector từ thông stator khi vector
từ thông stator thuộc sector I
-

Nếu tổ hợp được chọn tổng hợp vector V2, biên độ của vector từ thông tăng
lên (nhỏ hơn so với tổng hợp vector V1, vector từ thông quay thuận, tăng độ
lệch pha giữa vector từ thông stator và vector từ thông rotor.

-

Nếu tổ hợp được chọn tổng hợp vector V3, biên độ của vector từ thông giảm
đi, vector từ thông quay thuận, tăng độ lệch pha giữa vector từ thông stator
và vector từ thông rotor.

-

Nếu tổ hợp được chọn tổng hợp vector V4, biên độ của vector từ thông giảm
đi (nhiều hơn so với tổng hợp vector V3, vector từ thông quay thuận, tăng độ
lệch pha giữa vector từ thông stator và vector từ thông rotor, độ lệch này tăng
ít hơn so với tổng hợp vector V3.

-

Nếu tổ hợp được chọn tổng hợp vector V5, biên độ của vector từ thơng giảm
đi (ít hơn so với tổng hợp vector V4, vector từ thông quay ngược, giảm độ
lệch pha giữa vector từ thông stator và vector từ thông rotor, độ lệch này
giảm tương đương với tổng hợp vector V6.

-

Nếu tổ hợp được chọn tổng hợp vector V0 (000) hay V7 (111), biên độ của
vector từ thông suy giảm nhẹ do sụt áp trên thành phần điện trở stator,


18

moment động cơ suy giảm nhẹ do rotor vẫn quay theo qn tính khi vector từ
thơng stator đứng n.
Moment động cơ phụ thuộc vào góc lệch giữa vector từ thơng stator và
rotor, ta có các bảng tóm tắt sau.
I

V1

V2

V3

V4

V5

V6

V7

V0

ψs

↑↑

↑

↓

↓↓

↓

↑

↓ nhẹ ↓ nhẹ

Te ( ω > 0 )

↓

↑

↑↑

↑

↓↓

↓↓

↓ nhẹ ↓ nhẹ

Te ( ω < 0 )

↑

↓↓

↓↓

↓

↑↑

↑↑

↓ nhẹ ↓ nhẹ

9 Khi vector từ thông stator nằm trong sector thứ nhất ( II )
II

V1

V2

V3

V4

V5

V6

V7

V0

ψs

↑

↑↑

↑

↓

↓↓

↓

↓ nhẹ ↓ nhẹ

Te ( ω > 0 )

↓↓

↓

↑

↑↑

↑

↓↓

↓ nhẹ ↓ nhẹ

Te ( ω < 0 )

↑↑

↑

↓↓

↓↓

↓

↑↑

↓ nhẹ ↓ nhẹ

9 Khi vector từ thông stator nằm trong sector thứ nhất ( III )
V1

V2

V3

V4

V5

V6

ψs

↓

↑

↑↑

↑

↓

↓↓

↓ nhẹ ↓ nhẹ

Te ( ω > 0 )

↓↓

↓

↑

↑↑

↑↑

↓

↓ nhẹ ↓ nhẹ

Te ( ω < 0 )

↑↑

↑

↓

↓↓

↓↓

↑

↓ nhẹ ↓ nhẹ

III

V7

V0

9 Khi vector từ thông stator nằm trong sector thứ nhất ( IV )
V1

V2

V3

V4

V5

V6

ψs

↓↓

↓

↑

↑↑

↑

↓

↓ nhẹ ↓ nhẹ

Te ( ω > 0 )

↑

↓↓

↓↓

↓

↑

↑↑

↓ nhẹ ↓ nhẹ

Te ( ω < 0 )

↓

↑↑

↑↑

↑

↓

↓↓

↓ nhẹ ↓ nhẹ

IV

V7

V0


19

9 Khi vector từ thông stator nằm trong sector thứ nhất ( V )
V1

V2

V3

V4

V5

V6

ψs

↓↓

↓↓

↓

↑

↑↑

↑

↓ nhẹ ↓ nhẹ

Te ( ω > 0 )

↑↑

↓

↓↓

↓

↑

↑↑

↓ nhẹ ↓ nhẹ

Te ( ω < 0 )

↓↓

↑

↑↑

↑

↓

↓↓

↓ nhẹ ↓ nhẹ

V

V7

V0

9 Khi vector từ thông stator nằm trong sector thứ nhất ( VI )
V1

V2

V3

V4

V5

V6

ψs

↑

↓

↓↓

↓

↑

↑↑

↓ nhẹ ↓ nhẹ

Te ( ω > 0 )

↑↑

↑↑

↓

↓↓

↓↓

↑

↓ nhẹ ↓ nhẹ

Te ( ω < 0 )

↓↓

↓↓

↑

↑↑

↑↑

↓

↓ nhẹ ↓ nhẹ

V

V7

V0

9 Nhận xét về sự biến thiên của vector từ thông stator và moment
Căn cứ vào sáu bảng tổng kết bên trên, một kết quả chung (chiều quay thuận
là chiều kim đồng hồ) có thể rút ra kết luận như sau:

Vk+3 (k+3)

Vk+2 (k+2)
V0, V7

Vk+1 (k+1)

Vk-2 (k-2)

ψs

Vk-1 (k-1)

Vk (k)

Hình 2.3 - Minh hoạ việc tổng hợp vector từ thông stator