Điều khiển thông minh động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp rfoc có xem xét tổn hao sắt từ và không dùng cảm biến

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

HỒ ĐĂNG SANG

ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG
BỘ BA PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP RFOC CÓ XEM
XÉT TỔN HAO SẮT TỪ VÀ KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN

Chuyên ngành : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HCM THAÙNG 11-2007


CÔNG TRÌNH ĐƯC THỰC HIỆN TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Đình Trực

Cán bộ chấm phản biện 1:……………………………………………………………………….

Cán bộ chấm phản biện 2:……………………………………………………………………….

Luận văn thạc só được bảo vệ tại
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Ngày

tháng

năm 2007


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
---oOo--Tp. Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 11 năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: HỒ ĐĂNG SANG

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 29-10-1973

Nơi sinh: Tp. Hồ Chí Minh

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

MSHV: 01805463

Khoá : 2005
1- TÊN ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG PHƯƠNG

PHÁP RFOC CÓ XEM XÉT TỔN HAO SẮT TỪ VÀ KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN
2- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
 Nghiên cứu phương pháp điều khiển vector động cơ không đồng bộ kết hợp với kỹ
thuật không cảm biến dựa theo MRAC trong hai trường hợp :
- Mô hình động cơ lý tưởng
- Mô hình động cơ có đề cập đến tổn hao sắt từ
 Xây dựng mô hình mô phỏng dùng Matlab/Simulink, thu thập dữ liệu, xây dựng biểu
đồ, đồ thị, đánh giá và so sánh khả năng đáp ứng của hai trường hợp trên. Nhận xét,
kết luận và hướng phát triển của đề tài trong tương lai.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 8-2-2007
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05-11-2007
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC
Nội dung và ðề cýõng Luận vãn thạc sĩ ðã ðýợc Hội Ðồng Chun Ngành thơng qua.
CÁN BỘ HÝỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN

(Họ tên và chữ kýữ

QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


Lời cảm ơn
Tôi xin trân trọng gởi đến :
Cán bộ hướng dẫn chính,
Thầy TS. Phạm Đình Trực

Cán bộ phản biện,

Q thầy cô khoa Điện – Điện Tử TrườngĐại Học Bách Khoa
Tp. Hồ Chí Minh

và q lãnh đạo, đồng nghiệp Trường Đại Học Tôn Đức Thắng
Lời cám ơn chân thành nhất vì đãõ tận tình giảng dạy, hỗ trợ và đóng
góp những ý kiến q báu trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận
văn này.

Tp Hồ Chí Minh 11/2007

Hồ Ñaêng Sang


Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự thâm nhập vũ bão của kỹ thuật vi tính, đặc biệt là lónh vực
vi xử lý tín hiệu đã cho phép giải quyết các thuật toán phức tạp điều khiển truyền
động điện xoay chiều ba pha trong điều kiện thời gian thực với chất lượng điều
khiển cao. Điều này đã dẫn đến xu hướng thay thế dần truyền động điện một
chiều bằng truyền động điện xoay chiều ba pha, cụ thể là động cơ không đồng bộ
ba pha với nhiều ưu điểm như : kết cấu đơn giản, chắc chắn, giá thành thấp, độ
tin cậy cao, ít phải bảo dưỡng và ít nguy hiểm trong môi trường dễ cháy nổ (do
không có đánh lửa cổ góp điện).
Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC) là một trong các
phương pháp được sử dụng rộng rãi trong các hệ truyền động sử dụng động cơ
không đồng bộ ba pha, do có thể điều khiển độc lập momen và từ thông.
Sự phát triển cũng như giá thành ngày càng rẻ của các bộ vi xử lý cũng tạo
điều kiện phát triển các hệ truyền động không dùng cảm biến vận tốc
(Sensorless) nhằm giảm chi phí cũng như các kết nối phần cứng phức tạp. Có

nhiều phương pháp ước lược vận tốc, trong đó ước lượng vận tốc ứng dụng mô
hình điều khiển thích ứng (Model Reference Adaptive Control – MRAC) là một
phương pháp cho phép ước lượng vận tốc nhanh, chính xác và ổn định, vì vậy
MRAC được sử dụng nhiều trong các hệ truyền động không cảm biến.
Tuy nhiên, các phương pháp điều khiển và ước lượng vận tốc động cơ không
đồng bộ đều được xây dựng từ mô hình động cơ lý tưởng, tức là các thông số máy
không đổi trong mọi điều kiện làm việc, bỏ qua tổn hao sắt từ, bão hòa từ v.v… vì
vậy vẫn có tồn tại sự sai biệt giữa bộ điều khiển và hệ thống thực khi tồn tại các
yếu tố không lý tưởng, làm giảm chất lượng điều khiển và giảm độ chính xác. Đã
có nhiều nghiên cứu nhằm xem xét ảnh hưởng của các điều kiện không lý tưởng

5


Lời nói đầu

lên bộ điều khiển cũng như cải tiến bộ điều khiển sao cho thích ứng với các điều
kiện không lý tưởng nhằm giảm sai số giữa lý thuyết và thực tế, nâng cao chất
lượng điều khiển.
Nội dung luận văn này sẽ khảo sát về hệ điều khiển động cơ không đồng bộ
không cảm biến bằng phương pháp RFOC kết hợp với MRAC và áp dụng cho mô
hình máy lý tưởng và mô hình máy có đề cập đến tổn hao sắt từ. Luận văn sẽ sử
dụng phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink để mô phỏng, thu thập dữ liệu, đánh
giá kết quả và kết luận.
Cấu trúc của luận văn bao gồm :
Chương 1 : Giới thiệu về điều khiển vector.
Chương 2 : Lý thuyết về máy điện không đồng bộ.
Chương 3 : Lý thuyết điều khiển RFOC và MRAC.
Chương 4 : Mô phỏng điều khiển RFOC với mô hình máy lý tưởng.
Chương 5 : Mô phỏng điều khiển RFOC kết hợp MRAC với mô hình động

cơ lý tưởng.
Chương 6 : Mô phỏng điều khiển RFOC kết hợp MRAC với mô hình động
cơ có xem xét tổn hao sắt từ.
Chương 7 : Kết luận.

6


Mục lục

MỤC LỤC
Trang
Nhiệm vụ luận văn thạc só

3

Lời cảm ơn

4

Lời nói đầu

5

Mục lục

7

Các ký hiệu sử dụng trong luận văn

9

Chương 1: Giới thiệu về điều khiển vector

11

1.1 Tổng quan về điều khiển vector máy điện không đồng bộ

11

1.2 Lịch sử điều khiển vector

12

Chương 2: Mô hình máy điện không đồng bộ lý tưởng và có tổn hao sắt từ
2.1 Mô hình động cơ lý tưởng

16
16

2.1.1 Mô hình động cơ ở hệ qui chiếu 3 pha

16

2.1.2 Chuyển đổi sang hệ qui chiếu quay

20

2.1.3 Vector không gian và mô hình vector không gian của máy
điện không đồng bộ

26

2.2 Mô hình động cơ có tổn hao sắt từ

30

2.3 Kết luận

34

Chương 3 : Điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC) và ước lượng vận tốc
dùng mô hình điều khiển thích ứng MRAC
35
3.1 Những khả năng điều khiển định hướng trường của máy điện KĐB

35

3.2 Điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC)

37

3.2.1 Động cơ KĐB với bộ điều khiển tiếp dòng

37

3.2.2 Động cơ không đồng bộ với bộ điều khiển tiếp áp

43

3.3 Một số phương pháp ước lượng từ thông rotor

46

3.3.1 Các phương pháp ước lượng từ thông trong điều khiển trực tiếp
46
3.3.2. Phương pháp ước lượng từ thông trong điều khiển gián tieáp

7

51


Mục lục

3.4 Các phương pháp điều khiển dòng trong điều khiển định hướng từ thông
rotor
52
3.4.1 Điều khiển vòng trễ (Hysteresis current control)

52

3.4.2 Điều khiển so sánh (Ramp comparison current control)

54

3.5 Phương pháp ước lượng vận tốc dùng mô hình điều khiển thích ứng
(Model Of Reference Adaptive Control – MRAC)
56
3.6 Kết luận

58

Chương 4: Mô phỏng RFOC với mô hình động cơ lý tưởng
4.1 Mô tả về hệ thống mô phỏng

59
59

4.1.1. Khối mô phỏng động cơ KĐB 3 pha lý tưởng Ideal Motor

60

4.1.2. Mô phỏng khối điều khiển RFOC

62

4.1.3. Mô phỏng khối INVERTER

66

4.1.4. Mô phỏng khối Rotor Flux Estimator

67

4.2. Kết quả mô phỏng

70

4.3. Nhận xét

Chương 5 : Mô phỏng RFOC với mô hình động cơ lý tưởng và MRAC

85

5.1. Mô tả về hệ thống mô phỏng

86

5.2. Kết quả mô phỏng

88

5.3. Nhận xét

100

Chương 6 : Mô phỏng RFOC với mô hình có tổn hao sắt từ và MRAC

101

6.1. Mô tả về hệ thống mô phỏng

101

6.2. Kết quả mô phỏng

105

6.3 Nhận xét

117

Chương 7 : Kết luận

119

7.1 Tóm tắt cơ sở lý thuyết

119

7.2 Nhận xét chung

121

7.3 Các mặt hạn chế của luận văn

122

7.4 Hướng mở rộng của đề tài

123

Tài liệu tham khảo

124

Lý lịch trích ngang

125
8

Các ký hiệu

CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

va, vb, vc

Điện áp các pha stator

ia, ib, ic

Dòng điện các pha stator

a, b, c

Từ thông móc vòng của các pha stator

vA, vB, vC

Điện áp các pha rotor

iA, iB, iC

Dòng điện các pha rotor

A, B, C

Từ thông móc vòng của các pha rotor

v abc v ABC

Ma trận điện áp của các pha stator và rotor

i abc i ABC

Ma trận dòng điện của các pha stator và rotor

 abc  ABC

Ma trận từ thông của các pha stator và rotor

Rs

Điện trở của các cuộn dây stator

Rr

Điện trở của các cuộn dây rotor sau khi đã quy đổi

Ls

Ma trận điện cảm staror

Lr

Ma trận điện cảm rotor

As

Ma trận qui đổi 3 pha stator sang hệ tọa độ dq

Ar

Ma trận qui đổi 3 pha rotor sang hệ tọa độ dq

Ls

Điện cảm pha stator

Lr

Điện cảm pha rotor

Lm

Hổ cảm pha stator-rotor

Ls

Điện cảm tản stator

Lr

Điện cảm tản rotor



Góc giữa trục từ cuộn pha stator với trục từ cuộn pha rotor

r

Góc giữa trục d hệ dq và trục từ pha a của rotor

s

Góc giữa trục d hệ dq và trục từ pha a của stator

a

Vận tốc quay của hệ trục dq



Vận tốc quay rotor

9


Các ký hiệu

Te

Moment động cơ

TL

Moment tải

P

Số đôi cực

J

Moment quán tính

vds ids ds

Điện áp, dòng điện, từ thông stator trên trục d thuộc hệ dq

vqs iqs qs

Điện áp, dòng điện, từ thông stator trên trục q thuộc hệ dq

vdr idr dr

Điện áp, dòng điện, từ thông rotor trên trục d thuộc hệ dq

vqr iqr qr

Điện áp, dòng điện, từ thông rotor trên trục q thuộc hệ quay dq

vás iás ás

Điện áp, dòng điện, từ thông stator trên trục á thuộc hệ cố định á

vs is s

Điện áp, dòng điện, từ thông stator trên trục  thuộc hệ cố định á

vár iár ár

Điện áp, dòng điện, từ thông rotor trên trục á thuộc hệ cố định á

vr ir r

Điện áp, dòng điện, từ thông rotor trên trục  thuộc hệ cố định á

s

s

i dq 0 v dq 0
r

Ma trận dòng và áp stator trong hệ tọa độ quay dq

r

i dq 0 v dq 0

Ma trận dòng và áp rotor trong hệ tọa độ quay dq

s
r
 dq
 dq
0
0

Ma trận từ thông stator và rotor trong hệ tọa độ quay dq

s

s

vs is
s

Vector không gian của dòng và áp stator trong hệ cố định á
s

s r

Vector không gian của từ thông rotor và stator trong hệ cố định á

vs is

Vector không gian của dòng và áp stator trong hệ quay dq

vr ir

Vector không gian của dòng và áp rotor trong hệ quay dq

s r

Vector không gian của từ thông rotor và stator trong hệ quay dq

s r

Góc giữa vector từ thông stator và rotor với trục từ pha a stator

10


Chương 1 : Giới thiệu về điều khiển vector

Chương 1
GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN VECTOR

1.1 Tổng quan về điều khiển vector máy điện không đồng bộ
Những hệ thống điều khiển máy điện xoay chiều đơn giản không có khả
năng tạo được sự điều khiển độc lập giữa từ thông và momen như máy điện một
chiều. Tất cả các loại điều khiển trước đây, hay còn gọi là điều khiển vô hướng
(ví dụ như điều khiển U/f không đổi, điều khiển hệ số trượt, điều khiển thay đổi
điện áp), chỉ có khả năng chính xác ở trạng thái ổn định vì việc điều khiển phụ
thuộc vào giá trị RMS của dòng điện hay điện áp, trong khi giá trị tức thời của
momen lực và từ thông phụ thuộc vào giá trị tức thời của dòng. Do đó giá trị
momen lực của máy và giá trị áp đặt của momen lực của tải chỉ bằng nhau trong
trạng thái xác lập mà thôi, quá trình quá độ của từ cũng như momen lực là hoàn
toàn không thể điều khiển được, phản ứng của máy chậm, phụ thuộc vào sự biến
đổi động bên trong của máy.
Ýù tưởng về “định hướng trường”, hay còn gọi là điều khiển vector, có thể
được mô tả ngắn gọn về ý nghóa đó là : “Biến đổi việc điều khiển một máy điện
xoay chiều tương đương với việc điều khiển một máy điện một chiều sao cho có thể
điều khiển riêng biệt giá trị tức thời của momen và từ thông”, thông qua việc điều
khiển giá trị tức thời của dòng điện, chứ không phải giá trị RMS.
Điều khiển vector cho phép tạo ra những đáp ứng cực nhanh và chính xác
của cả từ thông lẫn momen lực trong quá trình quá độ, tương tự những đáp ứng

đạt được ở máy điện một chiều, từ đó cũng cho phép kiểm soát được tốc độ. Tuy
nhiên cấu trúc của hệ thống điều khiển trong điều khiển vector phức tạp hơn
nhiều, do bản chất xoay chiều của tất cả các biến số bên trong hệ phương trình

11


Chương 1 : Giới thiệu về điều khiển vector

động của máy. Chính vì bản chất phức tạp hơn nhiều về mặt cấu trúc máy của
động cơ điện xoay chiều so với máy điện một chiều, ứng dụng của điều khiển
vector chỉ có thể đưa vào thực tế với sự phát triển cuả kỹ thuật vi điều khiển, cụ
thể là những bộ vi xử lý (microprocessors) với tốc độ nhanh và giá thành rẻ. Điều
khiển định hướng từ đã được sử dụng rộng rãi nhiều năm qua trong nhiều loại hệ
truyền động của động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ. Hai loại động cơ
điện xoay chiều mà điều khiển vector được ứng dụng rộng rãi nhất là động cơ
không đồng bộ rotor lồng sóc và động bộ nam châm vónh cửu. Nguyên lý điều
khiển vector sử dụng sự biến đổi hệ tọa độ pha sang hệ tọa độ quay giả định và
vuông góc và nếu lựa chọn được tốc độ quay của hệ qui chiếu phù hợp thì momen
và từ thông của máy có thể điều khiển độc lập với hai dòng lệnh khác nhau, điều
đó tương tự như điều khiển momen và từ thông của máy điện một chiều đã được
sử dụng. Có 3 khả năng điều khiển vector đối với máy điện không đồng bộ:
1. Điều khiển định hướng từ thông rotor
2. Điều khiển định hướng từ thông stator
3. Điều khiển định hướng từ thông khe hở không khí
Điều khiển định hướng từ thông rotor được sử dụng nhiền nhất trong số cả
ba loại trên bởi vì cấu hình bộ điều khiển ít phức tạp nhất

1.2 Lịch sử phát triển và ứng dụng của điều khiển định hướng từ thông
Sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp tự động hoá đòi hỏi cải

tiến thường xuyên các hệ truyền động khác nhau. Các yêu cầu cải tiến chủ yếu
là: tăng độ tin cậy, giảm tiêu thụ điện năng, giảm thiểu chi phí bảo dưỡng, tăng
độ chính xác và tăng khả năng điều khiển phức tạp. Những hệ truyền động với
động cơ điện một chiều trước đây đang dần dần được thay thế bởi hệ truyền động
với động cơ điện xoay chiều sử dụng điều khiển vector. Lý do chính của việc sử

12


Chương 1 : Giới thiệu về điều khiển vector

dụng rộng rãi động cơ điện một chiều trước kia là khả năng điều khiển độc lập từ
thông và momen, và với động cơ một chiều thì cấu trúc của bộ điều khiển khá
đơn giản, nhưng bù lại thì chi phí mua và bảo dưỡng động cơ một chiều lại khá
cao.
Những nguyên lý cơ bản của điều khiển định hướng từ chứng tỏ rằng hoàn
toàn có thể điều khiển độc lập từ thông và momen trong máy điện xoay chiều. Ý
tưởng điều khiển định hướng từ đòi hỏi giá trị tức thời và vị trí của vector không
gian dòng stator so với vector từ thông được chọn làm định hướng. Khái niệm
“vector không gian” xuất phát từ lý thuyết máy điện và tên gọi khác của điều
khiển định hướng từ được sử dụng rộng rãi là “điều khiển vector”, có nguồn gốc
từ việc điều khiển định hướng từ thường liên quan đến vector không gian, là khái
niệm được ứng dụng để phân tích và mô hình hóa máy điện xoay chiều. Việc
điều khiển độc lập giữa từ thông và momen có thể thực hiện được với máy điện
không đồng bộ và máy điện đồng bộ.
Những ứng dụng thực tế của lý thuyết điều khiển định hướng từ thông rotor
được thực hiện vào những năm 70 với các mạch điều khiển tương tự. Tuy nhiên lý
thuyết điều khiển vector đòi hỏi sự chuyển đổi tức thời của hệ qui chiếu quay,
điều này yêu cầu một khối lượng tính toán lớn trong một khoảng thời gian ngắn.
Do đo các mạch điều khiển tương tự không thể đáp ứng đòi hỏi này một cách

hoàn hảo. Vì vậy phương pháp này không được ứng dụng rộng rãi.
Sự phát triển của những mạch vi xử lý đã làm cho điều khiển vector ngày
càng lôi cuốn và khả thi. Trong vòng 15 năm gần đây, đề tài về điều khiển định
hướng từ đã được nghiên cứu rất rộng rãi Khả năng tối ưu trong điều khiển quá
độ của điều khiển vector là nền móng cho sự phát triển rất rộng rãi của hệ truyền
động xoay chiều (vì giá thành của động cơ điện xoay chiều, ví dụ như động cơ
không đồng bộ, rẻ hơn rất nhiều so với giá thành của động cơ điện một chiều). Sự

13


Chương 1 : Giới thiệu về điều khiển vector

phức tạp hơn nhiều của hệ thống điều khiển vector cũng làm cho nhiều nhà
nghiên cứu nổ lực thiết kế các hệ thống điều khiển vector đơn giản hơn mà vẫn
đáp ứng được yêu cầu của điều khiển quá độ. Tóm lại điều khiển định hướng từ
là một sự lựa chọn tốt nhất trong những ứng dụng mà sự điều khiển độc lập của từ
thông và momen lực là bắt buộc để đạt đến sự chính xác cao nhất trong điều
khiển vận tốc hay vị trí.
Phạm vi ứng dụng của điều khiển vector máy điện không đồng bộ rất lớn.
Ứng dụng nhiều nhất là trong các máy công cụ sử dụng động cơ không đồng bộ
có tốc độ định mức là 1500 vòng/phút làm việc ở vùng từ yếu thì vận tốc có thể
lên đến 4500 đến 6000 vòng/phút. Hàng loạt thiết bị máy sử dụng điều khiển
định hướng từ và kỹ thuật số đã được Bosch tung ra thị trường và có khả năng đạt
đến vận tốc 10000 vòng/phút. Đây là ưu điểm của động cơ không đồng bộ so với
động cơ đồng bộ khi ứng dụng điều khiển vector.
Ứng dụng của điều khiển vector cũng được dùng rộng rãi với động cơ có
công suất cao. Những ứng dụng thực tế này được thực hiện lần đầu ở Nhật vào
những năm 70. Một dây chuyền tự động của xưởng sản xuất giấy đã được lắp đặt
với 5 động cơ đồng bộ công suất cao (340-500 KW) vào năm 1979, dùng hoàn

toàn điều khiển vector. Hàng loạt động cơ không đồng bộ có công suất từ 100300 KW dùng điều khiển vector đã được lắp đặt trong những năm 80 trong ngành
công nghiệp thép. Mỗi dây chuyền tự động trong công nghiệp thép thường có đến
40 động cơ không đồng bộ với điều khiển vector và có công suất từ 5.5-11 KW.
Sự phát triển của những bộ vi xử lý tốc độ nhanh, giá thành hạ và những
bộ xử lý tín hiệu cho phép thực hiện trên thực tế những giải thuật điều khiển phức
tạp hơn trong bộ truyền động vector. Những phương pháp khác nhau dựa trên lý
thuyết điều khiển hiện đại đang được đề xuất với mục đích tối thượng là nâng cao
khả năng hoạt động chính xác của bộ truyền động. Trong số những phương pháp

14


Chương 1 : Giới thiệu về điều khiển vector

được đề xuất, những phương pháp quan trọng nhất (do có tính khả thi cao và khả
năng điều khiển mạnh) là những ứng dụng của bộ quan sát trạng thái, hệ điều
khiển thích ứng mô hình tham khảo, và hệ điều khiển trạng thái không gian. Sự
cần thiết của việc ứng dụng những lý thuyết điều khiển hiện đại vào hệ truyền
động xuất phát từ bản chất phức tạp của cấu trúc máy điện xoay chiều với nhiều
tham số thay đổi. Sự điều khiển độc lập lý tưởng của từ thông và momen lực của
máy điện xoay chiều chỉ có thể đạt được với điều khiển định hướng từ tiêu chuẩn
chỉ khi các tham số được biết chính xác và không đổi trong quá trình hoạt động
của máy. Trên thực tế điều này khó có thể xảy ra. Giá trị của tham số phụ thuộc
vào trạng thái hoạt động của máy. Sự khác biệt giữa giá trị của tham số trong
thiết kế của hệ thống điều khiển và giá trị thực của tham số khi máy đang hoạt
động làm giảm chất lượng điều khiển của máy. Từ thông và momen lực hoàn
toàn không tách biệt trong quá trình điều khiển. Khả năng chính xác trong điều
khiển quá độ giảm đáng kể. Từ đó, khả năng đền bù tự động những sự khác biệt
của tham số, khả năng xác định tức khắc các giá trị của tham số trong quá trình
hoạt động của hệ truyền động đang là những đề tài được nghiên cứu rộng rãi.

Ngoài những phát triển của điều khiển vector, một điều đáng lưu ý nữa là
sự ứng dụng “trí tuệ nhân tạo” như mạng nơron và logic mờ vào điều khiển
vector đang là những đề tài mới trong nghiên cứu về hệ truyền động. Những cải
tiến vượt bực trong hệ truyền động của máy xoay chiều trong một tương lai gần
có được là nhờ vào sự ứng dụng hai kỹ thuật điều khiển mới này. Hiện nay
Hitachi đã tung ra thị trường hệ truyền động điều khiển vector của động cơ không
đồng bộ với kỹ thuật điều khiển logic mờ như là một sự lựa chọn. Triễn vọng ứng
dụng rộng rãi của hai kỹ thuật này phụ thuộc vào một yếu tố chính, đó là sự phát
triển (hay nói một cách khác là sự giảm giá) của các bộ vi xử lý bán dẫn.

15


Chương 2 : Mô hình máy điện không đồng bộ lý tưởng và có tổn hao sắt từ

Chương 2

MÔ HÌNH MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ LÝ TƯỞNG VÀ
CÓ TỔN HAO SẮT TỪ

2.1 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ LÝ TƯỞNG
2.1.1 Mô hình động cơ ở hệ qui chiếu 3 pha
Yêu cầu của điều khiển định hướng trường đó là điều khiển giá trị tức thời
của từ thông và momen lệnh thông qua việc điều khiển giá trị tức thời của dòng
điện. Do đó máy điện xoay chiều không thể được biểu diễn dưới dạng mô hình
mạch tương đương với các đại lượng ở dạng pha. Mô hình tóan của máy điện
trong miền thời gian với hệ qui chiếu 3 pha nguyên thủy được sử dụng như là giá
trị khởi điểm, sau đó chuyển sang hệ qui chiếu giả định bằng các thuật toán
chuyển đổi, mà từ đó có thể điều khiển độc lập được từ thông và momen. Do đó
để đạt được sự điều khiển độc lập của từ thông và moment lực trong máy điện

xoay chiều đòi hỏi nhiều tính toán hơn so với máy điện một chiều.
Quá trình mô hình hóa toán học của máy điện xoay chiều cũng phụ thuộc
vào một số giả sử về điều kiện lý tưởng. Cụ thể là các vòng quấn stator ở các pha
được giả định là hoàn toàn giống nhau và đặt cách nhau một cách chính xác 120
độ. Sức điện động của một vòng quấn thì được phân bố theo hình sin dọc theo
khe hở không khí. Khe hở không khí cũng được giả sử không đổi và đồng nhất.
Các vòng quấn của lồng rotor có thể được giả sử như những vòng quấn 3 pha cân
bằng. Điện trở của vòng quấn và điện cảm tản được giả sử là không đổi. Dòng
điện xoáy và tổn hao sắt được bỏ qua. Độ từ hóa được coi là tuyến tính, bảo hòa
từ đươc boû qua.

16


Chương 2 : Mô hình máy điện không đồng bộ lý tưởng và có tổn hao sắt từ

Phương trình cân bằng áp của động cơ không đồng bộ trong miền thời gian
và hệ qui chiếu 3 pha được trình bày bên dưới (các ký hiệu có gạch dưới là các
ma trận tham số) với các biến số là giá trị tức thời [2]:

v abc  R s i abc 

d abc
dt

 abc  L s i ABC  L sr i ABC

v ABC  Rr i ABC 

d ABC

(2.1)

dt

 ABC  L s i ABC  L tsr i abc

(2.2)

Những ký hiệu viết hoa đại diện đại diện cho các biến số của rotor, các ký
hiệu viết thường đại diện cho các biến số của stator :

v abc ,v ABC : vector điện áp 3 pha stator và rotor.
iabc ,i ABC : vector dòng 3 pha stator và rotor.
iabc ,i ABC : vector dòng 3 pha stator và rotor.

 abc , ABC : vector từ thông 3 pha stator và rotor
L s : ma trận điện cảm stator.
R s : ma trận điện trở stator.
L r : ma trận điện cảm rotor.
R r : ma trận điện trở rotor.
L sr : ma trận hổ cảm stator rotor.

Những ma trận của các biến số và tham số được minh hoạ dưới ñaây:
t

v abc  v a v b v c 
t

i abc  ia ib ic 

(2.3a)

t

v ABC  v A v B vC 
t

i ABC  i A i B iC 

17


Chương 2 : Mô hình máy điện không đồng bộ lý tưởng và có tổn hao sắt từ

cos 
cos   2 / 3 cos   2 / 3



L sr  LaA  cos   2 / 3
cos 
cos   2 / 3
 cos   2 / 3 cos   2 / 3

cos 



(2.3b)

 Laa

L s   Lba
L
 ca

(2.3c)

Lab
Lbb
Lcb

Lac 

Lbc 
Lcc 

 L AA

L r   LBA
L
 CA

L AB
LBB
LCB

L AC 

LBC 

LCC 

Caùc phương trình ma trận (2.1) và (2.2) được viết dưới dạng 3 pha tóm tắt,
mỗi dòng tương ứng với mỗi pha. Ký hiệu  ở trên biểu thị vị trí tức thời của trục
từ của cuộn pha A ở rotor so với trục từ cố định của cuộn pha a ở stator, và liên
hệ với vận tốc quay điện của rotor như sau:

   dt

(2.3d)

Phương trình cơ của động cơ như sau:

Te  TL 

1 d
J
P dt

(2.4)

Với :
Te : moment điện từ trong máy
TL : moment tải

J : moment quán tính
P : số đôi cực trong máy
 : vận tốc quay của rotor

Công suất cơ của động cơ của máy điện không đồng bộ được xem như dương

nếu như máy hoạt động như động cơ, và sẽ là âm nếu như máy hoạt động như
máy phát. Momen điện từ có thể được tính toán dựa trên các giá trị tức thời của
dòng trong máy như sau [2]:
 sin  ia i A  ib i B  ic iC   sin  2 / 3ia iC  ib i A  ic i B 
Te   LaA 

 sin   2 / 3ia i B  ib iC  ic i A 



18

(2.5)


Chương 2 : Mô hình máy điện không đồng bộ lý tưởng và có tổn hao sắt từ

Phương trình (2.5) biểu diễn momen điện từ trong máy điện xoay chiều, rõ
ràng là phức tạp hơn nhiều so với phương trình momen trong máy điện một chiều.
Momen trong máy điện xoay chiều phụ thuộc vào giá trị của dòng trong mỗi pha
của cả hai cuộn stator và rotor. Vì đây là máy xoay chiều nên dòng trong cuộn
rotor là dòng cảm ứng, không hoàn toàn độc lập với dòng trong cuộn stator. Do
đó từ thông trong cuộn stator (tương đương với cuộn kích từ của máy điện 1 chiều
kích từ riêng biệt) và dòng trong cuộn rotor (tương đương với dòng trong cuộn
phần ứng) phụ thuộc lẫn nhau, không như trong máy điện một chiều kích từ.
Hình 2.1 trình bày sơ đồ biểu diễn máy điện không đồng bộ ba pha trong
miền pha (các đại lượng như moment lực, từ thông được tính trên các giá trị của
các đại lượng trong từng pha một của cả 2 cuộn stator và rotor). Mô hình toán của
động cơ không đồng bộ 3 pha như trình bày trong phương trình (2.1) đến (2.5) rất
không thuận lợi cho việc phân tích của máy. Tham số trong các phương trình như

hổ cảm giữa cuộn stator và cuộn rotor biến đổi và phụ thuộc vào vị trí tương đối
giữa trục từ pha a của rotor và trục từ pha a của stator, một số tham số khác có
dạng ma trận, ví dụ như điện cảm của cả hai cuộn stator và rotor.
b

B
C

a


A
c

Hình 2.1 – Sơ đồ minh họa vị trí tương đối giữa các dây quấn stator và rotor [2]:
dây quấn rotor A,B,C quay với rotor còn dây quấn stator a,b,c đứng yên

19


Chương 2 : Mô hình máy điện không đồng bộ lý tưởng và có tổn hao sắt từ

2.1.2 Chuyển đổi mô hình sang một hệ qui chiếu chung và quay với vận
tốc góc bất kỳ
Mô hình động cơ không đồng bộ, các thông số và biến thể hiện dưới dạng
pha, có thể chuyển đổi sang một hệ qui chiếu chung bằng cách áp dụng các thuật
toán chuyển đổi phù hợp. Nghóa là các dây quấn stator đang đứng yên và dây
quấn rotor đang quay với vận tốc rotor được thay thế bằng các đại lượng giả định
và cùng quay với vận tốc tùy chọn nào đó.
Nếu như các phương trình stator và rotor được biến đổi bằng cách dùng

những ma trận biến đổi sau [2]:
 cos  s
2
A s    sin  s
3
 1/ 2

cos  s  2 / 3 cos  s  2 / 3 

 sin s  2 / 3  sin  s  2 / 3

1/ 2
1/ 2


(2.6a)

 cos  r
2
Ar    sin  r
3
 1/ 2

cos  r  2 / 3 cos  r  2 / 3 

 sin  r  2 / 3   sin  r  2 / 3

1/ 2
1/ 2


(2.6b)

Ta thu được các phương trình của máy điện không đồng bộ trong một hệ qui
chiếu chung nhất với góc lệch giữa trục d (tương đương như trục x của hệ qui
chiếu) và trục pha a của stator là  s , góc lệch giữa trục d và trụ pha A của rotor
là r. Trục q còn lại của hệ qui chiếu vuông góc với trục d (tương đương như trục
y). Sự biến đổi từ hệ phương trình động với các biến số là các đại lượng 3 pha và
các tham số biến đổi theo thời gian thành một hệ phương trình động mới với các
biến số là các đại lượng thuộc trục d-q trong một hệ qui chiếu quay và các tham
số không đổi theo thời gian có thể được xem như biến đổi máy điện từ 3 pha thực
sang 2 pha ảo (d-q) cả hai cuộn stator và rotor. Hệ phương trình động mới được
trình bày như sau (các đại lượng đi với ký tự s thuộc stator và các đại lượng đi với
ký tự r thuộc rotor) [2]:

20


Chương 2 : Mô hình máy điện không đồng bộ lý tưởng và có tổn hao sắt từ

d ds
 a qs
dt
d qs
 a ds
v qs  Rs iqs 
dt
d os
vos  Rs ios 
dt

(2.7)

d dr
 a    qr
dt
d qr
 a    dr
v qr  Rr i qr 
dt
d or
v or  Rr ior 
dt

(2.8)

v ds  Rs ids 

v dr  Rr idr 

Trong các trục d-q-o, từ thông trong cuộn stator và rotor được tính nhö sau:

 ds  Ls ids  Lm idr
 qs  Ls i qs  Lm i qr

(2.9)

 os  Ls ios
 dr  Lr idr  Lm ids
 qr  Lr i qr  Lm i qr

(2.10)

 or  Ls ior
Các đại lượng điện cảm trong phương trình (2.9) và (2.10) được tính như
sau:
Ls  Laa  Lab  Ls  Lm
Lr  LAA  L AB  Lr  Lm

(2.11)

Lm  3 / 2 LaA
Hình 2.2 minh hoạ vị trí tương đối giữa các trục của hệ qui chiếu d-q-o và
các trục từ trong các pha a-b-c của động cơ không đồng bộ. Mối tương quan giữa
các đại lượng trong 3 pha với các đại lượng trong các trục d-q-o được trình bày
dưới đây (các đại lượng đi kèm với “s” là thuộc stator, còn đi kèm với “r” là
thuộc rotror:

21


Chương 2 : Mô hình máy điện không đồng bộ lý tưởng và có tổn hao sắt từ

s

i dqo  A s i abc
i

r
dqo

 A r i ABC

s

s
 dqo
 A s abc

v dqo  A s v abc
v

r
dqo

 Ar v ABC

(2.12)

r

 dqo  A r ABC

Tuy nhiên, như chúng ta đã biết, thì các thông số của dây quấn rotor cũng
như các giá trị dòng pha rotor là không thể thu thập được. Vì vậy, các biểu thức
biến đổi thực sự có ý nghóa đối với các đại lượng stator, còn các biểu thức biến
đổi của rotor chỉ để mô hình hóa mạch điện tương đương của máy tương ứng với
hệ trục tọa độ mới. Phép biến đổi dòng và áp stator từ hệ trục a-b-c sang hệ trục
d-q và ngược lại được biểu diễn bằng các phương trình sau ñaây :
ids  2 / 3ia cos  s  ib cos  s  2 / 3  ic cos  s  4 / 3

iqs  2 / 3ia cos  s  ib cos  s  2 / 3  ic cos  s  4 / 3
ia  ids .cos  s  iqs .sin  s

(2.13.a)

ib  ids .cos  s  2 / 3  iqs . sin s  2 / 3
ic  ids .cos  s  4 / 3  iqs . sin  s  4 / 3
v ds  2 / 3v a cos  s  vb cos  s  2 / 3  v c cos  s  4 / 3
v qs  2 / 3v a cos  s  v b cos  s  2 / 3  v c cos  s  4 / 3
v a  v ds .cos  s  v qs . sin  s

(2.13.b)

v b  v ds .cos  s  2 / 3  v qs . sin s  2 / 3
v c  v ds .cos  s  4 / 3  v qs . sin s  4 / 3

Vị trí góc tức thời của rotor so với hệ qui chiếu quay d-q-o được tính dựa
trên vị trí tức thời của hệ qui chiếu quay và rotor so với trục từ cố định của pha a
như sau:
t

 r   s   ;    0    dt ;
0

t

 s   s 0    a dt

(2.14)

0

Phương trình cân bằng cơ học của động cơ không đồng bộ vẫn không đổi khi
chuyển từ hệ qui chiếu 3 pha sang hệ qui chiếu quay d-q-o.

Te  TL 

1 d
J
P dt

(2.4)

22


Chương 2 : Mô hình máy điện không đồng bộ lý tưởng và có tổn hao sắt từ

Moment lực có thể được tính từ các đại lượng trong hệ qui chiếu quay như
sau [2]:

Te 

3
P  ds iqs   qs ids 
2

(2.15)
A-axis

q

a

d-axis



r


qs

a

A



s

a
qr

s

a

r

900

d
dr



a-axis

ds
rotor
stator
q-axis

Hình 2.2 – Minh họa sự biến đổi từ hệ qui chiếu 3 pha sang hệ qui chiếu quay d-q

Vì 3 pha động cơ cân bằng và nếu động cơ được cấp từ nguồn sin 3 pha cân
bằng nên tại bất kỳ thời điểm nào các thành phần zero luôn bằng không, do đó
được bỏ qua trong các phương trình của động cơ. Như vậy, sau khi đổi sang hệ
qui chiếu quay, các tham số trong hệ phương trình của động cơ đã độc lập với
thời gian và không còn ở dạng ma trận nữa, và khi bỏ qua các thành phần trục
zero thì số lượng tham số chỉ còn 8 mà thôi. Và điều quan trọng nhất là việc
chuyển qua mô hình hệ qui chiếu quay cho phép ta dễ dàng triển khai nguyên lý
điều khiển vector, hay đạt được điều khiển độc lập từ thông và momen. Chú ý
rằng công thức momen điện từ (2.15) đơn giản hơn rất nhiều so với công thức
(2.5), và trong hệ qui chiếu quay d-q thì hai trục d và q là vuông góc với nhau,
khác với hệ qui chiếu 3 pha có 3 trục a-b-c không vuông góc với nhau.

23

Chương 2 : Mô hình máy điện không đồng bộ lý tưởng và có tổn hao sắt từ

Tóm lại, ta có các phương trình của động cơ trong hệ qui chiếu d-q được cho
dưới đây [2]:

d ds
 a qs
dt
d qs
 a ds
v qs  Rs iqs 
dt

v ds  Rs ids 

 ds  Ls ids  Lm idr
 qs  Ls i qs  Lm iqr
Te 

d dr
 a    qr
dt
d qr
 a    dr
0  Rr i qr 
dt

(2.16)

 dr  Lr idr  Lm ids
 qr  Lr idr  Lm iqs

(2.17)

0  Rr idr 

3
3 L
P  ds iqs   qs ids   P m  dr iqs   qr ids 
2
2 Lr
(2.18)

3
3
Te  P  dm iqs   qm ids   P .Lm idr iqs  iqr ids 
2
2
Trong đó, các công thức tính momen điện từ được triển khai từ các phương
trình (2.17), và vì dây quấn rotor được nối ngắn mạch nên các phương trình điện
áp rotor ở hệ trục d-q cũng bằng 0. Phương trình chuyển đổi tổng quát như sau :

f ds  ( 2 / 3 )( f a cos  s  f b cos(  s  2 / 3 )  f c cos(  s  4 / 3 ))
f ds  ( 2 / 3 )( f a sin  s  f b sin(  s  2 / 3 )  f c sin(  s  4 / 3 ))
(2.19)

f a  f ds cos  s  f ds sin  s
f b  f ds cos(  s  2 / 3 )  f qs sin(  s  2 / 3 )
f c  f ds cos(  s  4 / 3 )  f qs sin(  s  4 / 3 )

Mô hình động được trình bày trong các phương trình từ (2.16) đến (2.18) là
mô hình trong hệ qui chiếu quay với vận tốc chỉ định nào đó. Vận tốc quay của
mô hình này có thể được lựa chọn theo hai dạng : hằng số và biến số. Cách chọn
vận tốc quay của mô hình cơ bản là : mô hình trong hệ qui chiếu cố định (a = 0;
thường dùng để mô phỏng động cơ), mô hình trong hệ qui chiếu quay với vận tốc
đồng bộ (a = 250; thường dùng để phân tích các bộ inverter), nếu động cơ
không đồng bộ có rotor dây quấn được cấp từ một nguồn riêng khác thì vận tốc

24


Chương 2 : Mô hình máy điện không đồng bộ lý tưởng và có tổn hao sắt từ

quay của hệ qui chiếu sẽ được gắn chặt với rotor (a = ). Tuy nhiên, xét theo
quan điểm điều khiển, vận tốc quay của hệ qui chiếu sẽ được lựa chọn theo cách
khác, hệ qui chiếu sẽ được gắn liền với 1 vector từ thông : vector từ thông rotor,
vector từ thông stator hay vector từ thông khe hở không khí. Từ đó, khái niệm
điều khiển vector cũng dựa trên sự lựa chọn này.
Trong trường hợp hệ qui chiếu quay với vận tốc là zero (a = 0), ta có hệ
qui chiếu với tên gọi là - (hay còn gọi là hệ qui chiếu gắn chặt với stator), và
các phương trình của động cơ trong hệ qui chiếu - được biểu diễn nhö sau [2]:

vs  R s is 

d s
dt

v s  Rs i s 

vr  Rs ir 

d r
  r
dt

v  r  R s i r 

Te 

3
P( s i s   s is )
2

d s
(2.20)

dt
d r
dt

  r

(2.21)

(2.22)

Các phương trình từ (2.20) đến (2.22) được suy từ mô hình d-q tương ứng với
các đại lượng đi kèm với d được đổi thành  và các đại lượng đi kèm với q được
đổi thành . Với vận tốc quay a = 0, suy ra ta có s = 0; r = -. Các biểu thức

chuyển đổi (2.19) cũng được thay thế bằng :
f s  ( 2 / 3 )( f a  0.5 f b  0.5 f c )
f s  ( 2 / 3 )(  f b 3 / 2  f c 3 / 2 )
f a  f s

(2.23)

f b  0.5 f s  f s 3 / 2
f c  0.5 f s  f s 3 / 2

Tổng quát, bằng những biến đổi toán học trên, những cuộn dây 3 pha trong
stator và rotor đã được thay thế hoàn toàn bằng những cuộn dây quay với vận tốc
bất kỳ. Do đó sự chuyển động tương đối giữa rotor và stator đã bị loại bỏ trên
phương diện toán học vì các cuộn dây quay thay thế cho các cuộn dây trong rotor

25